EP1041198B2 - Elastische Walze und Verfahren zum Herstellen einer solchen - Google Patents
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Classifications
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- D—TEXTILES; PAPER
- D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
- D21G—CALENDERS; ACCESSORIES FOR PAPER-MAKING MACHINES
- D21G1/00—Calenders; Smoothing apparatus
- D21G1/02—Rolls; Their bearings
- D21G1/0233—Soft rolls
Definitions
- the present invention relates to a roll, in particular for smoothing paper webs, comprising a hard roll core, in particular made of metal, which is provided on its outside with an elastic covering layer consisting of an elastic matrix material and fibers embedded in the matrix material. Furthermore, the invention is directed to a method for producing such a roller.
- Elastic rolls of this type are used, for example, in the calendering of paper webs.
- an elastic roller together with a hard roller forms a press nip through which the paper web to be processed is passed.
- the hard roller has an existing example of steel or chilled casting very smooth surface and is responsible for the smoothing of their facing side of the paper web, acting on the opposite side of the paper web elastic roller causes a homogenization and densification of the paper web in Preßnip.
- the elasticity of this second roller thus prevents excessive compaction of the paper web, which would lead to a greasy appearance of the paper web.
- the order of magnitude of the rolls is in lengths of 6 to 12 m or diameters of 800 to 1500 mm. They withstand line forces of up to 600 N / mm and compressive stresses of up to 50 N / mm 2 .
- the plastics commonly used for the coating have a significantly higher coefficient of thermal expansion than the steel rollers or chill rolls commonly used, so that a high temperature increase axial stresses between the steel roller or chill roller and the associated plastic coating occur.
- hot spots may occur at which detachment or even bursting of the plastic layer takes place.
- the elastic cover layer consists of a plurality of layers, wherein in each case an unreinforced layer alternately follows a fiber-reinforced layer.
- the elastic covering layer consists of a radially inner, fiber-reinforced layer and a radially outer, unreinforced elastic layer. Also in the US 3,490,119 a roller having such a structure of the reference layer is described.
- the cover layer consists of a plurality of different, fiber-reinforced layers, wherein the successive, individual fiber layers each include different angles with the longitudinal axis of the roller body.
- roller of the relevant part of the task is achieved by the features of claim 1.
- a corresponding method according to the invention is specified in claim 4.
- the reference layer has a thermal expansion coefficient, which is also different according to the fiber content in the radial direction from the inside out. Since usually the matrix material has a significantly higher coefficient of thermal expansion than the fiber material used, the respective resulting coefficient of thermal expansion of the fiber-interspersed matrix material thus depends both on the thermal expansion coefficient of the matrix material and that of the fibers. The more fibers that are embedded in the matrix material, the more the resulting coefficient of thermal expansion equals the thermal expansion coefficient of the fibers used.
- the fiber content in the radially outward regions of the cover layer must be chosen to be lower, otherwise the surface of the roller would be too hard and unsuitable for santinage.
- the fiber content in the radially outer region of the reference layer is substantially equal to zero. This ensures that the surface of the roller is as elastic as possible and after a corresponding Abschleifvorgang has a very smooth surface, since the fibers present in the reference layer do not reach to the surface of the cover layer. Furthermore, it is ensured in this way that the surface of the roller can be reground after a certain period of time, without the fibers present in the matrix material after the grinding process at the surface of the cover layer emerge from this and thereby reduce the smoothness of the surface.
- the nip width can also be set as required. Since, in a roller with a very elastic coating, the hard counter-roller presses more deeply into the soft covering of the elastic roller, the width of the nip in the direction of travel of the paper web becomes greater the more elastic the outside of the covering layer of the elastic roller is. Thus, by setting a certain fiber content profile and in particular a certain fiber content at the surface of the reference layer, a desired nip width can be generated.
- Fig. 1 shows a part of a longitudinally cut, for example made of steel roller core 1, which is provided on its outside with an elastic cover layer 2 also shown cut.
- the cover layer 2 consists of an elastic matrix material 3, in particular a resin / hardener combination, in which a plurality of fibers 4 are embedded.
- the fibers 4 may be, for example, carbon fibers or glass fibers or a mixture of carbon and glass fibers.
- the rigidity of the reference layer 2 is increased compared to a reference layer made of pure plastic and at the same time, especially when using carbon fibers, the thermal conductivity is improved.
- the fiber content in the radially inner region 5 of the reference layer 2 is significantly higher than in its radially outward region 6. This ensures that the reference layer 2 is more elastic in its radially outward region 6 than in its radially inner region. 5 so that, for example, in the interaction of the elastic roller with a hard roller, this hard roller relatively far presses into the elastic outer surface of the reference layer 2, whereby a circumferentially long press nip is formed.
- the thermal expansion coefficient of the cover layer 2 is also significantly influenced by the fibers 4. Since the metallic roll core 1 usually has a significantly lower coefficient of thermal expansion than the matrix material 3, the matrix material 3 expands significantly more than the roll core 1 with a corresponding heating in the axial direction. By adding the fibers 4, their coefficient of thermal expansion is of the order of magnitude of the thermal expansion coefficient of the roll core 1, it is achieved that in the region 5 of the reference layer 2, which has a high fiber content, the resulting coefficient of thermal expansion is similar to that of the roll core 1. As a result, with a corresponding heating, the region 5 expands in the axial direction by a similar value as the roller core 1, so that axially occurring longitudinal stresses are largely avoided.
- the substantially continuously radially outwardly decreasing fiber content within the cover layer 2 ensures that even within the cover layer 2 the longitudinal stresses occurring during heating in the course radially outwards each have only low values that can be absorbed by the elasticity of the matrix material 3 ,
Landscapes
- Rolls And Other Rotary Bodies (AREA)
- Paper (AREA)
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Walze, insbesondere zum Glätten von Papierbahnen, mit einen insbesondere aus Metall bestehenden harte Walzenkern, der an seiner Außenseite mit einer elastischen Bezugsschicht versehen ist, die aus einem elastischen Matrixmaterial und in das Matrixmaterial eingebetteten Fasern besteht. Weiterhin ist die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Walze gerichtet.
- Elastische Walzen dieser Art werden beispielsweise bei der Satinage von Papierbahnen verwendet. Dabei bildet jeweils eine elastische Walze zusammen mit einer harten Walze einen Preßspalt, durch den die zu bearbeitende Papierbahn hindurchgeführt wird. Während die harte Walze eine beispielsweise aus Stahl oder Hartguß bestehende sehr glatte Oberfläche besitzt und für die Glättung der ihr zugewandten Seite der Papierbahn zuständig ist, bewirkt die auf die gegenüberliegende Seite der Papierbahn einwirkende elastische Walze eine Vergleichmäßigung und Verdichtung der Papierbahn im Preßnip. Durch die Elastizität dieser zweiten Walze wird somit eine zu starke Verdichtung der Papierbahn verhindert, die zu einem speckigen Aussehen der Papierbahn führen würde. Die Größenordnung der Walzen liegt bei Längen von 6 bis 12 m bzw. Durchmessern von 800 bis 1500 mm. Sie halten Linienkräften bis zu 600 N/mm und Druckspannungen bis 50 N/mm2 stand.
- Da die Tendenz bei der Papierherstellung dahin geht, daß die Satinage im Online-Betrieb erfolgt, d.h. daß die die Papiermaschine oder Streichmaschine verlassende Papierbahn unmittelbar durch die Papierglättvorrichtung (Kalander) geführt wird, werden an die Walzen der Glättvorrichtung insbesondere bezüglich der Temperaturbeständigkeit höhere Anforderungen als bisher gestellt. Durch die im Online-Betrieb erforderlichen hohen Transportgeschwindigkeiten der Papierbahn und die damit verbundenen hohen Rotationsgeschwindigkeiten der Kalanderwalzen wird deren Biegewechselfrequenz erhöht, was wiederum zu erhöhten Walzentemperaturen führt. Diese im Online-Betrieb entstehenden hohen Temperaturen führen zu Problemen, die bei bekannten elastischen Walzen bis zur Zerstörung des Kunststoffbelages führen können. Zum einen sind bei bekannten Kunststoffbelägen maximale Temperaturdifferenzen von ca. 20°C über die Breite der Walze zulässig und zum anderen besitzen die für die Beschichtung üblicherweise verwendeten Kunststoffe einen wesentlich höheren Temperaturausdehnungskoeffizienten als die üblicherweise verwendeten Stahlwalzen bzw. Hartgußwalzen, so daß durch eine Temperaturerhöhung hohe axiale Spannungen zwischen der Stahlwalze bzw. Hartgußwalze und der mit ihr verbundenen Kunststoffbeschichtung auftreten.
- Durch diese hohen Spannungen verbunden mit insbesondere punktuell auftretenden Erhitzungsstellen innerhalb der Kunststoffbeschichtung können sogenannte Hot-Spots auftreten, an denen ein Ablösen oder sogar ein Aufplatzen der Kunststoffschicht erfolgt.
- Diese Hot-Spots treten insbesondere dann auf, wenn zusätzlich zu den mechanischen Spannungen und der relativ hohen Temperatur Kristallisierungspunkte in Form von beispielsweise fehlerhaften Klebungen, Ablagerungen oder überdurchschnittliche Einbuchtungen des elastischen Belages, beispielsweise durch Falten oder Fremdkörper an der Papierbahn, vorhanden sind. In diesen Fällen kann die Temperatur an diesen Kristallisierungspunkten von üblichen 80°C bis 90°C bis auf über 150°C steigen, wodurch die erwähnte Zerstörung der Kunststoffschicht erfolgt.
- Aus der
WO 98/54405 - Aus der
US 4,466,164 ist eine Walze bekannt, bei der die elastische Bezugsschicht aus einer radial innen liegenden, mit Fasern verstärkten Schicht und einer radial außen liegenden, unverstärkten elastischen Schicht besteht. Auch in derUS 3,490,119 ist eine Walze mit einem solchen Aufbau der Bezugsschicht beschrieben. - In der
DE 197 36 575 A ist eine Walze beschrieben, bei der die Bezugsschicht aus einer Vielzahl unterschiedlicher, mit Fasern verstärkten Schichten besteht, wobei die aufeinander folgenden, einzelnen Faserlagen jeweils unterschiedliche Winkel mit der Längsachse des Walzenkörpers einschließen. - Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer elastischen Walze der eingangs genannten Art sowie eine entsprechende Walze anzugeben, bei der die Gefahr des Auftretens von Hot-Spots bei zumindest gleichbleibenden mechanischen Eigenschaften verringert wird.
- Der die Walze betreffende Teil der Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Ein entsprechendes erfindungsgemäßes Verfahren ist im Anspruch 4 angegeben.
- Durch die Variierung des Fasergehalts der Bezugsschicht radial von innen nach außen wird erreicht, daß die Bezugsschicht einen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, der entsprechend dem Fasergehalt ebenfalls in radialer Richtung von innen nach außen unterschiedlich ist. Da üblicherweise das Matrixmaterial einen deutlich höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat als das verwendete Fasermaterial, ist somit der jeweils resultierende Wärmeausdehnungskoeffizient des mit Fasern durchsetzten Matrixmaterials sowohl von dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Matrixmaterials als auch dem der Fasern abhängig. Je mehr Fasern in dem Matrixmaterial eingebettet sind, desto mehr gleicht sich der resultierende Wärmeausdehnungskoeffizient dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der verwendeten Fasern an.
- Auf diese Weise ist es möglich, den Wärmeausdehnungskoeffizienten des radial innenliegenden Bereichs der Bezugsschicht durch einen relativ hohen Fasergehalt so einzustellen, daß er im wesentlichen gleich ist oder in der gleichen Größenordnung liegt wie der Wärmeausdehnungskoeffizient des Walzenkerns. Bei einer Erwärmung der Walze im Betrieb dehnen sich somit die radial innengelegenen Bereiche der Bezugsschicht um im wesentlichen den gleichen Wert aus, wie der Walzenkern, so daß hohe axiale Längsspannungen zwischen dem Walzenkern und der Bezugsschicht vermieden werden.
- Da ein hoher Fasergehalt auch die Steifigkeit der Bezugsschicht deutlich erhöht, muß in den radial außengelegenen Bereichen der Bezugsschicht der Fasergehalt niedriger gewählt werden, da andernfalls die Oberfläche der Walze zu hart ist und für die Santinage nicht geeignet wäre. Durch einen insbesondere im wesentlichen kontinuierlich radial nach außen abnehmenden Fasergehalt innerhalb der Bezugsschicht wird erreicht, daß bei einer Erhitzung der Walze die innerhalb der Bezugsschicht auftretenden Längsspannungen, die aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung der verschiedenen Bereiche der Bezugsschicht entstehen, an keiner Stelle so groß werden, daß eine Ablösung oder Zerstörung der Bezugsschicht entsteht.
- Nach einer vorteilhaften Ausführungform der Erfindung ist im radial außengelegenen Bereich der Bezugsschicht der Fasergehalt im wesentlichen gleich Null. Dadurch wird erreicht, daß die Oberfläche der Walze möglichst elastisch ist und nach einem entsprechenden Abschleifvorgang eine sehr glatte Oberfläche besitzt, da die in der Bezugsschicht vorhandenen Fasern nicht bis an die Oberfläche der Bezugsschicht reichen. Weiterhin ist auf diese Weise gewährleistet, daß die Oberfläche der Walze nach einer gewissen Laufzeit nachgeschliffen werden kann, ohne daß die in dem Matrixmaterial vorhanden Fasern nach dem Schleifvorgang an der Oberfläche der Bezugsschicht aus dieser austreten und dadurch die Glätte der Oberfläche verringern würden.
- Durch eine geeignete Wahl des Fasergehaltsverlaufs kann auch die Nipbreite wie erforderlich eingestellt werden. Da bei einer Walze mit einem sehr elastischen Belag die harte Gegenwalze sich stärker in den weichen Belag der elastischen Walze eindrückt, wird die Breite des Nips in Laufrichtung der Papierbahn um so größer, je elastischer die Außenseite der Bezugsschicht der elastischen Walze ist. Somit kann durch die Einstellung eines bestimmten Fasergehaltverlaufes und insbesondere eines bestimmten Fasergehaltes an der Oberfläche der Bezugsschicht eine gewünschte Nipbreite erzeugt werden.
- Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben; in dieser zeigt:
- Fig. 1
- einen Teillängsschnitt durch eine erfindungsgemäß ausgebildete Walze mit elastischer Bezugsschicht.
-
Fig. 1 zeigt einen Teil eines in Längsrichtung geschnittenen, beispielsweise aus Stahl bestehenden Walzenkerns 1, der an seiner Außenseite mit einer ebenfalls geschnitten dargestellten elastischen Bezugsschicht 2 versehen ist. - Die Bezugsschicht 2 besteht aus einem elastischen Matrixmaterial 3, insbesondere einer Harz/Härter-Kombination, in die eine Vielzahl von Fasern 4 eingebettet sind. Bei den Fasern 4 kann es sich dabei beispielsweise um Kohlefasern oder um Glasfasern oder um eine Mischung aus Kohle- und Glasfasern handeln.
- Durch die Fasern 4 wird zum einen die Steifigkeit der Bezugsschicht 2 gegenüber einer aus reinem Kunststoff bestehenden Bezugsschicht erhöht und gleichzeitig, insbesondere bei Verwendung von Kohlefasern, die Wärmeleitfähigkeit verbessert.
- Der
Fig. 1 ist weiterhin zu entnehmen, daß der Fasergehalt im radial innengelegenen Bereich 5 der Bezugsschicht 2 deutlich höher ist als in deren radial außengelegenem Bereich 6. Dadurch wird erreicht, daß die Bezugsschicht 2 in ihrem radial außengelegenen Bereich 6 elastischer ist als in ihrem radial innengelegenen Bereich 5, so daß beispielsweise beim Zusammenwirken der elastischen Walze mit einer harten Walze sich diese harte Walze relativ weit in die elastische Außenfläche der Bezugsschicht 2 einpreßt, wodurch ein in Umfangsrichtung langer Preßspalt entsteht. - Weiterhin wird durch die Fasern 4 auch der Wärmeausdehnungskoeffizient der Bezugsschicht 2 wesentlich mitbestimmt. Da der metallische Walzenkern 1 üblicherweise einen deutlich geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt als das Matrixmaterial 3, dehnt sich das Matrixmaterial 3 bei eine entsprechenden Erwärmung in axialer Richtung deutlich mehr aus als der Walzenkern 1. Durch die Hinzugabe der Fasern 4, deren Wärmeausdehnungskoeffizient in der Größenordnung des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Walzenkerns 1 liegt, wird erreicht, daß im Bereich 5 der Bezugsschicht 2, der einen hohen Fasergehalt besitzt, der resultierende Wärmeausdehnungskoeffizient ähnlich dem des Walzenkerns 1 ist. Dadurch dehnt sich bei einer entsprechenden Erwärmung der Bereich 5 in axialer Richtung um einen ähnlichen Wert aus, wie der Walzenkern 1, so daß axial auftretende Längsspannungen weitgehend vermieden werden.
- Durch den im wesentlich kontinuierlich radial nach außen abnehmenden Fasergehalt innerhalb der Bezugsschicht 2 ist gewährleistet, daß auch innerhalb der Bezugsschicht 2 die bei einer Erwärmung auftretenden Längsspannungen im Verlauf radial nach außen jeweils nur geringe Werte besitzen, die durch die Elastizität des Matrixmaterial 3 aufgenommen werden können.
-
- 1
- Walzenkern
- 2
- elastische Bezugsschicht
- 3
- Matrixmaterial
- 4
- Fasern
- 5
- innenliegender Bereich der Bezugsschicht
- 6
- außenliegender Bereich der Bezugsschicht
- 7
- Faserlagen
Claims (5)
- Walze, insbesondere zum Glätten von Papierbahnen, mit einem insbesondere aus Metall bestehenden harten Walzenkern (1), der an seiner Außenseite mit einer elastischen Bezugsschicht (2) versehen ist, die aus einem elastischen Matrixmaterial (3, 3') und in das Matrixmaterial (3, 3') eingebetteten Fasern (4) besteht,
dadurch gekennzeichnet ,
dass der Fasergehalt der Bezugsschicht (2) radial von innen nach außen kontinuierlich abnimmt. - Walze nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet ,
daß im radial außen gelegenen Bereich (6) der Bezugsschicht (2) der Fasergehalt im wesentlichen gleich Null ist. - Walze nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Fasern (4) als Glas- und/oder als Kohlefasern ausgebildet sind und/oder daß das Matrixmaterial (3) ein Kunststoff, insbesondere ein Duroplast oder ein Thermoplast ist und/oder daß das Matrixmaterial (3) aus einer Harz/Härter-Kombination besteht. - Verfahren zum Herstellen einer elastischen Walze mit einem insbesondere aus Metall bestehenden harten Walzenkern und einer elastischen Bezugsschicht, die aus einem elastischen Matrixmaterial und darin eingebetteten Fasern besteht, insbesondere zum Herstellen einer Walze nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet ,
dass der Fasergehalt der Bezugsschicht in radialer Richtung von innen nach außen kontinuierlich verringert wird. - Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Fasern Glas- und/oder Kohlefasern verwendet werden.
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