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Die
Erfindung betrifft eine beheizbare Kalanderwalze nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Beim
Kalandrieren wird die zu behandelnde Papierbahn zwischen Walzen
behandelt, wobei mechanische und thermische Energie zur Behandlung und
Verformung des Papiers eingesetzt wird, um das Papier, insbesondere
die Papieroberfläche,
der endgültigen
Verwendung anzupassen. Die zur Behandlung erforderliche thermische
Energie wird durch die Wärmezufuhr
aus der beheizten Walze in den Walzenspalt eingebracht.
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Aus
EP 0 710 741 B1 ist
eine beheizte Kalanderwalze bekannt, die als Hohlwalze ausgebildet
ist und eine Walzenschale aufweist, die aus einem ersten Material
aus Schmiedestahl, Gußstahl,
Gußeisen oder
Gußeisen
mit Kugelgraphit hergestellt und mit einer dünnen Umfangsoberflächenschicht
aus einem zweiten harten, abriebs beständigen Material versehen ist.
Die dünne
Umfangsoberflächenschicht
hat den Nachteil, daß das
Abschleifen betriebsbedingter Markierungen an der Umfangsoberfläche im allgemeinen
nur einmal möglich
ist. Danach ist eine neue Beschichtung vorzunehmen. Ein größerer Vorrat
an Reservewalzen ist deshalb erforderlich. Der Einsatz solcher Thermowalzen
ist deshalb aufwendig und teuer.
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Bekannt
sind ferner beheizte Kalanderwalzen mit einer Walzenschale aus Schalenhartguß. Die nutzbare
Härteschicht
ist bei einschichtig aufgebauten Walzenschalen wesentlich dicker,
wodurch die Standzeit der Thermowalze erhöht wird. Bekannt sind schließlich auch
Thermowalzen aus vergüteten oder
oberflächengehärteten Materialien.
Doch die wenigen in Frage kommenden Sonderwerkstoffe sind teuer,
bereiten Schwierigkeiten in der Beschaffung und stellen wegen ihrer
Empfindlichkeit außerordentlich
hohe Anforderungen an den Herstellungsprozeß. Solche Thermowalzen sind
folglich sehr teuer.
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Die
Anforderungen an die beheizte Kalanderwalze im Betrieb haben sich
zudem in den letzten Jahren deutlich erhöht. Mit der Steigerung der
Produktionsgeschwindigkeit der Papiermaschinen ist wegen des flächenbezogenen
Wärmebedarfs
für die Kalandrierung
die erforderliche zuzuführende
Wärmeleistung
zunehmend angestiegen. Bei Papier, wie es beim Kalandrieren aus
papiertechnologischen Gründen
vorliegt, das ein guter Wärmeisolator
ist, muß die
Oberflächentemperatur
der beheizten Walze angehoben werden, um die erforderliche Wärmemenge
in der durch die Produktionssteigerung kürzeren Verweildauer auf die
Papierbahn zu transferieren. Dies bedeutet für die beheizten Walzen in Kalandern
zusätzlich
zur Erhöhung
der Wärmeleistung eine
Erhöhung
der Walzenoberflächentemperatur. Auch
wegen dieser zweifachen Erhöhung
sind die bisher verwendeten Thermowalzen an ihre Grenzen gestoßen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine beheizbare Kalanderwalze zu schaffen,
die bei hohen Produktionsgeschwindigkeiten eine hohe Heizleistung
mit hohen Standzeiten kombiniert und dabei kostengünstig herstellbar
ist.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Hierdurch
wird eine beheizbare Kalanderwalze geschaffen, bei der über ein
Auftragsschweißen
eine Funktionsschicht für
den Kalandrierprozeß auf
den Walzenkörper
aufgebracht ist. Es besteht also eine Funktionstrennung zwischen
dem Walzenkörper
als Tragkörper
und dem Walzenkörper
als Oberflächenkörper, der
die papiertechnologischen Eigenschaften und die Walzenstandzeit
bestimmt. Das Vorhandensein von Druckspannungen in der Funktionsschicht
im betriebswarmen Zustand schützt die
Funktionsschicht bzw. die Walze durch die Schaffung von Sicherheitsreserven
vor Zerstörungen
im Betrieb.
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Bei
der aufgeheizten Kalanderwalze ist die Funktionsschicht materialbedingt
mit einer inneren Vorspannung gegenüber dem Walzenkörper ausgestattet,
so daß ohne
Wärmeabgabe
an eine Papier- oder Kartonbahn die Funktionsschicht in einem Spannungszustand
ist. In die Funktionsschicht wird demnach ein Spannungspuffer eingebaut.
Im Betrieb wird durch erhöhte
Wärmeabgabe
die Vorspannung abgebaut. Ein Reißen der Umfangsfläche des
Walzenkörpers
im Betrieb wird hierdurch vermieden. Diese beheizten Kalanderwalzen
sind hoch belastbar und besitzen hohe Standzeiten. Bei einem Einsatz
in Multinip-Kalandern mit doppelter Überrollung der beheizten Kalanderwalze
und somit doppelter Wärmeabgabe
können
Walzenoberflächentemperaturen auch
von über
200°C bei
Produktionsgeschwindigkeiten von über 1500 m/min eingestellt
werden.
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Die
Materialien der Funktionsschicht und des Walzenkörpers können getrennt voneinander in
Bezug auf ihre eigentlichen Eigenschaften optimiert werden. So kann
das Material der Funktionsschicht optimiert werden in Bezug auf
eine hohe Wärmekapazität und Härte, wodurch
die Temperaturführung der
Wärmebehandlungsprozesse
und die Standzeiten verbessert werden. Das Material des Walzenkörpers kann
dagegen in Bezug auf Wärmeleitfähigkeit, Zerspanbarkeit
und Festigkeit optimierbar sein, wodurch die Einbringung der Heizeinrichtungen,
z.B. periphere Bohrungen, und die Tragkörpereigenschaften verbessert
werden. Als Werkstoff für
den Walzenkörper
ist auch ein handelsüblicher
Werkstoff verwendbar. Beispiels weise kann der Walzenkörper aus einem
handelsüblichen
Stahl, z.B. St 52, gefertigt sein.
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Die
Funktionsschicht ist mehrfach nachschleifbar, wobei die Dicke durch
ein Mehrlagenschweißen,
also die Anzahl von übereinander
anbringbaren Schweißlagen,
steuerbar ist. Bevorzugte Schichtdicken liegen bei 3 bis 10 mm.
Die Beheizung einer solchen Thermowalze kann in bekannter Weise von
innen und gegebenenfalls zusätzlich
von außen erfolgen.
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Die
Funktionsschicht kann eine kleinere Wärmeausdehnung besitzen als
der Walzenkörper und
durch spannungsarmes Glühen
nachbehandelt sein, so daß die
Schweißschicht
Druckspannungen als Eigenspannungen aufweist. Diese innere Vorspannung
hat die Funktionsschicht, solange keine Wärmeabgabe an die Papier- oder Kartonbahn
erfolgt, also eine im wesentlichen gleichmäßige Durchwärmung gegeben ist. Die im Betrieb
einsetzende ungleichmäßige Wärmeverteilung
im Walzenkörper erzeugt
Zugspannungen in der Funktionsschicht, die dort ganz oder teilweise
durch die eingebauten Druckspannungen ausgeglichen werden.
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Alternativ
kann die Funktionsschicht eine größere Wärmeausdehnung besitzen als
der Walzenkörper,
so daß Zugspannungen
durch einfaches Abkühlen
beim Auftragsschweißen
in der Funktionsschicht vorhanden sind. Diese Zugspannungen sind bei
der aufgeheizten Kalanderwalze, bedingt durch das Verhältnis der
Wärmeausdehnungen
der Funktionsschicht und des Walzenkörpers zueinander, in Druckspannungen
umgewandelt. Druckspannungen sind auch hier als Spannungspuffer
in die Funktionsschicht eingebaut. Die im Betrieb einsetzende ungleichmäßige Temperaturverteilung
im Walzenkörper erzeugt
Zugspannungen in der Funktionsschicht, die dort durch die eingebauten
Druckspannungen ausgeglichen werden.
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Weitere
Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der in den beigefügten Abbildungen
dargestellten Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
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1 zeigt
schematisch eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Kalanders mit
einer beheizten Kalanderwalze gemäß der Erfindung,
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2 zeigt
schematisch eine Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels
eines Kalanders mit beheizten Kalanderwalzen gemäß der Erfindung,
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3 zeigt
schematisch eine Seitenansicht einer beheizten Kalanderwalze gemäß der Erfindung mit
einer zentralen Beheizung,
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4 zeigt
schematisch einen Querschnitt der beheizten Kalanderwalze gemäß 3,
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5 zeigt
schematisch eine Seitenansicht einer beheizten Kalanderwalze gemäß der Erfindung mit
einer peripheren Bohrung für
eine Innenbeheizung,
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6 zeigt
schematisch einen Querschnitt der beheizten Kalanderwalze gemäß 5,
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7 zeigt
schematisch einen Segmentabschnitt der 4 in vergrößerter Darstellung
und unter Angabe der Spannungszustände,
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8 zeigt
die Temperaturänderung über die
Wanddicke für
die beheizte Kalanderwalze gemäß 3 und 4 im
Betrieb bei Wärmeabgabe an
eine Papier- oder
Kartonbahn.
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1 zeigt
einen Kalander 1 für
die Behandlung einer Warenbahn, insbesondere einer Papier- oder
Kartonbahn. Der Kalander 1 umfaßt dazu mindestens einen Walzenstapel 2,
der hier zwei Walzen 3, 4 umfaßt, die in bekannter Weise
an einem Kalanderständer 5 angeordnet
sind. Die Walzen 3, 4 begrenzen einen Walzenspalt 6,
den Nip, den eine Warenbahn W durchläuft und in dem die Warenbahn
mit Druck und Temperatur beaufschlagt wird. Die Behandlungsdauer
der Warenbahn W im Nip hängt
ab von der Länge
des Nips und der Durchlaufzeit, die beim Online-Betrieb von der
Produktionsgeschwindigkeit abhängt.
Die Länge
des Nips ist wählbar
und liegt üblicherweise
zwischen 3 und 300 mm. Dazu ist eine Walze, hier die Walze 3,
als harte Walze, weiche Walze oder Schuhwalze, ausbildbar. Die Walze 3 kann
ferner als Biegeausgleichswalze ausgebildet sein.
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Die
andere Walze 4 ist eine beheizbare Kalanderwalze gemäß der Erfindung,
deren Ausbildung nachfolgend im einzelnen beschrieben wird.
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Der
Walzenstapel kann von einem oder beiden Enden her belastbar sein,
um wählbare
Streckenlasten im Nip 6 einzustellen. Ist die Walze 3 als Schuhwalze
ausgebildet, können über einen
Hub des Schuhs die Streckenlasten eingestellt werden. Zur Führung der
Warenbahn W zwischen Nips oder nach dem Nip 6 sind in bekannter
Weise Leitrollen 7 vorgesehen.
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Dieser
1-Nip-Kalander ist im Online- als auch Offline-Betrieb einsetzbar.
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2 zeigt
einen Multi-Nip-Kalander für
das Glätten
einer Papier- oder Kartonbahn mit mindestens einem Walzenstapel 2 mit
einer Mehrzahl Walzen 3, 4, 8, 9, 10,
die Nips 6, 11, 12, 13 begrenzen. Die
Walzenzahl liegt vorzugsweise zwischen drei und zwölf Walzen.
Die Endwalzen 3, 10 des Walzenstapels 2 sind
vorzugsweise als Biegeausgleichswalzen ausgebildet. Jeder Nip 6, 11, 12, 13 wird
vorzugsweise durch eine beheizte Kalanderwalze gemäß der Erfindung
begrenzt. Dies sind hier die Walzen 4, 9, die gemäß der Erfindung
ausgebildet sind, wie nachfolgend beschrieben ist. Alle Walzen können als
harte Walzen ausgebildet sein. Vorzugsweise werden die Nips 6, 11, 12, 13 als
Soft-Nips ausgebildet, d. h. sie werden von einer harten und einer
weichen Walze begrenzt.
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Die
beheizbaren Kalanderwalzen 4, 9 gemäß der Erfindung
sind grundsätzlich
harte Walzen mit einer verschleißfesten Oberfläche, so
daß jeweils die
andere Walze, die einen Nip mit der beheizbaren Kalanderwalze 4, 9 gemäß der Erfindung
begrenzen, weiche Walzen sein können.
Gemäß 2 sind
dies die Walzen 3, 8, 10. Die beheizbare
Kalanderwalze gemäß der Erfindung
ist vorzugsweise eine Mittelwalze, die im Betrieb doppelt überrollt
wird, d.h. zwei Nips 8, 11 bzw. 12, 13 begrenzt.
Der Walzenstapel 2 ist von einem Ende her über einen
Druckzylinder 14 belastbar. Zwischen den Nips wird die
Warenbahn W über
Leitrollen 7 geführt.
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Für eine zweiseitige
Behandlung der Warenbahn W kann ein zweiter, nicht dargestellter
Walzenstapel vorgesehen sein, der dem Walzenstapel 2 vor oder
nachgeordnet sein kann. Alternativ kann der Walzenstapel 2 einen
Wechselnip aufweisen. Der Kalander 1 gemäß 2 kann
offline als auch online betrieben werden.
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Die
beiden Kalanderausführungen
der 1 und 2 können bei Produktionsgeschwindigkeiten über 1500
m/min online betrieben werden, wobei die beheizbaren Kalanderwalzen 4, 8 gemäß der Erfindung
mit Walzenoberflächentemperaturen
von bis zu 350°C
gefahren werden können
und dabei Heizleistungen von bis zu 200 kW/m besitzen.
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Die
Ausbildung der beheizbaren Kalanderwalzen 4, 9 gemäß der Erfindung
wird anhand der 3 bis 8 nachfolgend
erläutert.
Beispielhaft wird die beheizbare Kalanderwalze 4 beschrieben. Die
Ausführungen
gelten entsprechend für
die Kalanderwalze 9. Die Ausführungen gelten in gleicher
Weise für
die beheizbare Kalanderwalze 4 als Endwalze (1)
und die beheizbare Kalanderwalze 4, 9 als Mittelwalze
(2).
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Die
beheizbare Kalanderwalze 4 umfaßt einen hohlen, eine Walzenschale
aufweisenden Walzenkörper 15,
der für
das Durchleiten eines Wärmeübertragungsmediums
ausgebildet ist. Der Walzenkörper 15 trägt eine
verschleißfeste
Umfangsoberfläche,
die gebildet ist von mindestens einer durch Schmelzschweißen aufgetragenen
Funktionsschicht 16, die eine schweißzusatzwerkstoffabhängige Wärmeausdehnung
besitzt, die derart verschieden ist von der Wärmeausdehnung des Walzenkörpers 15, daß die Funktionsschicht 16 im
aufgeheizten, betriebswarmen Zustand der Kalanderwalze 4 eine
innere Vorspannung in Form von Druckspannungen 17 (7)
als Spannungspuffer aufweist, die den im Betrieb durch Wärmeabgabe
erzeugten Zugspannungen entgegenwirken.
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Die
beheizbare Kalanderwalze 4 besitzt im aufgeheizten, betriebswarmen
Zustand eine im wesentlichen gleichmäßige Durchwärmung. Wird der von der beheizbaren Kalanderwalze 4 begrenzte
Nip 6 geschlossen, führt
die Wärmeabgabe
an die Warenbahn W zu einer niedrigen Temperatur der Funktionsschicht 16 als
im aufgeheizten Zustand vor der Betriebsaufnahme. Dies führt zu einer
ungleichmäßigen Temperaturverteilung
im Walzenkörper 15.
In 8 ist der Temperaturverlauf bezogen auf die Wanddicke
dargestellt.
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Wie 7 verdeutlicht,
verursacht der Temperaturgradient im Walzenkörper 15 eine Aufspreizung 18 des
Walzenkörpers 15 außen und
damit ein Aufbauen von Zugspannungen 19 in der Funktionsschicht 16.
Dies führt
dann zu einem Reißen
der Funktionsschicht, insbesondere dann, wenn die Warenbahn zur
Steuerung bestimmter Papiereigenschaften mit einem höheren Feuchtigkeitsgehalt
in den Nip 6 eintritt.
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Ist
erfindungsgemäß ein Spannungspuffer
in Form von Druckspannungen 17 in die Funktionsschicht 16 eingebaut,
also Spannungen mit umgekehrter Wirkrichtung als Zugspannungen 19 integriert,
erhält
die Funktionsschicht 16 eine Verformungsmöglichkeit,
die auf Zugbeanspruchung hin ein Nachgeben der Funktionsschicht
erlaubt und dadurch eine Rißbildung
vermieden wird.
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Hierzu
kann die Funktionsschicht 16 eine kleinere Wärmeausdehnung
besitzen als der Walzenkörper 15,
wobei diese durch spannungsarmes Glühen nachbehandelt ist, so daß die Funktionsschicht
die Druckspannungen 17 als Spannungspuffer aufweist.
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Alternativ
kann die Funktionsschicht 16 eine größere Wärmeausdehnung besitzen als
der Walzenkörper 15,
so daß beim
Aufheizen in den betriebswarmen Zustand die Funktionsschicht 16 aus
Zugspannungen in die Druckspannungen 17 überführte Eigenspannungen
als Spannungspuffer aufweist.
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Die
Funktionsschicht 16 kann aus mindestens zwei übereinander
angeordneten Lagen bestehen, die durch Auftragsschweißen aufgebracht
sind. Eine Außenschicht
und eine Trennschicht sind auf diese Weise ausbildbar, um eine Außenschicht
auszubilden, die keine Materialbestandteile des Walzenkörpers 15 aufweist.
Diese übereinander
angeordneten Schweißlagen
sind deshalb vorzugsweise diskrete Lagen.
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Als
Beheizung für
die beheizbare Kalanderwalze ist eine Innenbeheizung vorgesehen.
Die beheizbare Kalanderwalze 4 gemäß 3 und 4 ist
eine zentral beheizbare Walze mit einem Verdrängerkörper 20, der einen
Ringspalt 21 für
den Durchfluß eines
Wärmemediums
aufweist. Die Anschlüsse für den Ein-
und Austritt des Wärmeübertragungsmediums,
insbesondere Öl,
ist durch Pfeile angedeutet.
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Das
Ausführungsbeispiel
der 5 und 6 unterscheidet sich von dem
der 3 und 4 lediglich dadurch, daß zur Innenbeheizung kein
Verdrängerkörper, sondern
periphere Bohrungen 22 für einen Durchfluß des Wärmeübertragungsmediums
vorgesehen sind. Im übrigen
gelten die vorstehenden Ausführungen
entsprechend.
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Bei
beiden Ausführungsformen
der Innenbeheizung kann eine Außenheizung
beliebiger Art zusätzlich
vorgesehen sein.
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Als
Material für
den Walzenkörper
ist vorzugsweise ein solches mit einer Wärmeleitfähigkeit von ≥ 30 W/m°K vorgesehen.
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Als
Material für
die Funktionsschicht ist ferner vorzugsweise ein solches mit einer
Wärmeleitfähigkeit
von ≥ 20
W/m°K und
einer spezifischen Wärmekapazität von ≥ 400 J/kg°K vorgesehen.
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Der
Schweißzusatzwerkstoff,
aus dem die Funktionsschicht 16 durch Schmelzschweißen auf den
Walzenkörper 15 aufgetragen
ist, besitzt vorzugsweise eine Härte
zwischen 450 HV und 650 HV. Ferner beträgt der reversible Härteabfall
des Schweißzusatzwerkstoffes
von Raumtemperatur bis Betriebstemperatur vorzugsweise weniger als
5%. Das Auftragsschweißen
erfolgt vorzugsweise durch das sogenannte Bandschweißverfahren
mit Schweißbändern einer
Breite von beispielsweise 15 bis 60 mm, um eine porenfreie Oberfläche und
homogene Auftragsschicht hinsichtlich E-Modul und Verschleißfestigkeit
zu erzielen.
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Die
Schichtdicke der Funktionsschicht 16 beträgt mindestens
3 mm und liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 3 und 10 mm.
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Der
Walzenkörper 15 ist
in bekannter Weise als Tragkörper über Walzenzapfen 23, 24 in
dem Kalanderständer
angeordnet.
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Die
vorstehenden Ausführungen
zu den 7 und 8 gelten entsprechend für eine beheizbare
Kalanderwalze 4 mit einer Beheizung über periphere Bohrungen 22,
wie dies in den 5 und 6 dargestellt
ist. Die Ausführungen
gelten für jede
Art von Innenbeheizung.