DE19803323C2 - Verfahren zur Beeinflussung eines Bahnmaterials, wie Papier, und Kalander zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Beein­ flussung eines Bahnmaterials gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf einen Kalander gemäß dem Oberbe­ griff des Anspruchs 8.

US 30 44 392 zeigt einen Kalander mit acht Walzen, die abwechselnd auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten einer Ebene angeordnet sind. Durch diese Anordnung stützen sich die Walzen gegenseitig gegen eine Durch­ biegung ab, die durch Kräfte verursacht wird, die an den Walzen angreifen. Zusätzlich kann jede Walze einen eigenen Antrieb aufweisen, wobei die Antriebe so ge­ steuert werden, daß sie ein Drehmomentgleichgewicht bei benachbarten Walzen erzeugen.

Bei einem weiteren bekannten Kalander (DE 295 18 424 U1) sind fünf und mehr Walzen, vorzugsweise 8 Walzen, übereinander angeordnet. Die Walzen bilden eine Anzahl von Arbeitsspalten, die je durch eine harte Walze und eine elastische Walze begrenzt sind, und einen Wech­ selspalt, der durch zwei elastische Walzen begrenzt ist. Für jede Walze ist ein eigener Antrieb vorgesehen. Die zusätzlich zum Hauptantrieb vorgesehenen Hilfsan­ triebe dienen dazu, die Umfangsgeschwindigkeit der je­ weiligen Walze auf Bahngeschwindigkeit zu bringen, so daß das Walzenpaket bei Papier-Einführgeschwindigkeit geschlossen werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Be­ einflussungsmöglichkeit des Kalanders anzugeben.

Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch eine gezielte Ausbiegung einer Walze, mehrerer Walzen oder aller Walzen quer zur Mittelebene des Sta­ pels läßt sich das Druckspannungsquerprofil beeinflus­ sen. Innerhalb des großen Zulässigkeitsbereichs lassen sich je nach Grad der Durchbiegung kleinere bis größere Korrekturen erzielen. Insbesondere kann die Ausbiegung einer Walze der Ausbiegung der Nachbarwalze angepaßt werden, so daß sich ein hohes Maß an Gleichmäßigkeit ergibt. Dies gilt insbesondere im ersten und letzten Arbeitsspalt, weil an den Endwalzen eine nicht unter­ schreitbare Reaktionskraft angreift, die zu einer le­ diglich von der Steifigkeit der Walze abhängigen Aus­ biegung führt.

Die Druckspannungs-Beeinflussung nach Anspruch 2 beruht auf der neuartigen Erkenntnis, daß bei einer Spreizung der Biegelinien benachbarter Walzen eine Entlastung nicht etwa in der Bahnmitte, sondern in den Randberei­ chen der Bahn erfolgt.

Die Merkmale des Anspruchs 3 geben an, wie die Antriebe angesteuert werden können, um auf einfache Weise Entla­ stung oder Belastung des Randbereichs zu erzielen.

Gemäß Anspruch 4 ist auch eine Regelung des Druckspan­ nungsquerprofils von Vorteil. Hierbei sind die Antriebe Teil des Regelkreises.

Anspruch 5 bietet die vorteilhafte Möglichkeit, daß die Scherkräfte in der Bahn annähernd Null sind, was aller­ dings voraussetzt, daß eine Ausbiegung der Walzen vor­ handen ist. Ein so hergestelltes Papier besitzt eine höhere Reißfestigkeit.

Die Forderung des Anspruchs 6, den Kleinstwert der Re­ aktionskräfte ungleich Null zu halten, bringt den Vor­ teil, daß die als Wälzlager ausgelegten Walzenlager ei­ ne höhere Lebensdauer haben, weil sie ständig unter Be­ lastung stehen.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 7 führt zu einem sehr gleichmäßigen Druckspannungsquerprofil.

Konstruktiv wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 8 gelöst. Mittelwalzen mit einem Schlankheitsgrad über 10 sind sehr leicht biegbar und geraten daher über die Grenze des Zulässigkeitsbe­ reichs, wenn keine Gegensteuerung durch die Antriebsmo­ mente erfolgt. Der Zulässigkeitsbereich wird über­ schritten, wenn die Biegelinien benachbarter Walzen so weit gespreizt sind, daß sich die Walzenenden voneinan­ der abheben. Der Schlankheitsgrad ist definiert als Verhältnis von Länge zum Durchmesser. Solche schlanken Walzen sind von großem Vorteil, weil sie wegen der stärkeren Krümmung zu einer höheren Druckspannung im Spalt führen und weil sie ein geringeres Gewicht haben.

Ein bevorzugter Schlankheitsgrad liegt gemäß Anspruch 9 zwischen 12 und 16 und gemäß Anspruch 10 etwa bei 14.

Die beiden Endwalzen sollen dagegen gemäß Anspruch 11 einen geringeren Schlankheitsgrad haben. Ihre unver­ meidliche Ausbiegung wird daher kleiner gehalten, so daß auch die Anpassung der nächsten Walze an die Durch­ biegung der Endwalze nur eine geringe Ausbiegung erfor­ dert.

Des weiteren kann der Kalander nach Anspruch 12 off- line angeordnet sein. Ein solcher Kalander, der unabhängig von der Papiermaschine arbeitet, läuft mit er­ heblich geringerer Geschwindigkeit als ein In-line- Kalander, der an eine Papiermaschine angeschlossen ist. Für einen solchen Off-line-Kalander hatte man einen einzigen Antrieb an einer Walze, die alle übrigen Wal­ zen durch Reibung mitschleppte, für ausreichend angese­ hen und konnte daher die Wirkungen des Einzelantriebs nicht nutzen.

Gemäß Anspruch 13 sollte der Durchmesser wenigstens ei­ ner Mittelwalze maximal 100 cm sein. Dieser obere Grenzwert gilt für einen Kalander mit einer Breite von 10 m und mehr.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung nä­ her erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch einen erfindungsgemäß Kalander und

Fig. 2 die Kräfteverhältnisse in den oberen drei Walzen des Stapels.

Ein Kalander 1 ist als Off-line-Kalander zwischen einer Abwickelstation 2 und einer Aufwickelstation 3 angeord­ net. Er könnte aber auch als In-line-Kalander an den Ausgang einer Papiermaschine anschließen. Der Kalander besitzt einen vertikalen Stapel 4 aus acht Walzen 5 bis 12, nämlich einer Oberwalze 5 und einer Unterwalze 12, die beide als zonenweise gesteuerte Biegeeinstellwalzen ausgebildet sein können, und sechs Mittelwalzen 6 bis 11. Vier Walzen 5, 7, 10 und 12 haben eine harte metal­ lische Oberfläche und vier Walzen 6, 8, 9 und 11 einen elastischen Kunststoffbelag. Die Walzen 7 und 10 sind mittels Heißdampf beheizbar.

Der Lagerblock 13 der Oberwalze 5 ist fest am Ständer 14 des Kalanders 1 angebracht. Die Lagerblöcke 15 der Mittelwalzen 6 bis 11 werden von Hebeln 16 getragen, die um am Ständer 14 befestigte Schwenkachsen 17 dreh­ bar sind. Der Lagerblock 18 für die Unterwalze 12 ist an einer Vertikalführung 19 gehalten und kann mittels eines Hydraulikzylinders 20 nach oben gedrückt werden, so daß sich in den Arbeitsspalten 21 des Stapels eine ausreichende Streckenlast ergibt. Beim Absenken des Hy­ draulikzylinders 20 folgen diesem auch die Mittelwalzen 6 bis 11, bis die zugehörigen Hebel 16 an einem An­ schlag 22 zur Anlage kommen und sämtliche Walzenspalte offen stehen. Die Hebel 16 werden durch Kraftgeber 23 belastet, mit denen die an den Hebeln hängenden Lasten und Gewichte ganz oder teilweise kompensiert werden können.

Eine Papierbahn 24 wird mit Hilfe von Leitwalzen 25 durch die Walzenspalte geführt. Ausgangsseitig ist eine Meßvorrichtung 26 vorgesehen, die einen Parameter der Papierbahn 24 mißt, und zwar über die gesamte Breite, sei es durch ein hin- und hergehendes Meßelement oder durch mehrere über die Breite verteilte Meßelemente. Als Parameter kommen beispielsweise Glanz, Glätte, Dic­ ke o. dgl. in Betracht.

Jede der acht Walzen 5 bis 12 besitzt einen eigenen an­ trieb 27, dessen Antriebsmoment durch eine Steuervor­ richtung 28 vorgegeben wird, wie dies schematisch durch die Ausgänge A5 bis A12 angegeben ist. Die Steuervor­ richtung 28 besitzt weitere Ausgänge, insbesondere ei­ nen Ausgang B20, der den Druck für den Hydraulikzylin­ der 20 bestimmt, Ausgänge B5/12, welche den Druck in den Biegeeinstellvorrichtungen der Endwalzen 5 und 12 bestimmen, Ausgänge B23, welche den Druck in den Kraft­ gebern 23 bestimmen, und Ausgänge B6/10, welche die Zu­ fuhr des Wärmeträgers in den beheizbaren Walzen 7 und 10 bestimmen.

Zahlreiche Eingänge E1 dienen der Eingabe von Daten, die für die Papierveredlung wesentlich sind, insbeson­ dere die Sollwerte der gewünschten Papierparameter. Weitere Eingänge, wie der Eingang E26, dienen der Ein­ gabe von gemessenen Istwerten, beispielsweise der Glät­ te, Glanz oder Dicke.

In Fig. 2 bezeichnet F_N diejenige Kraft, die zur Über­ windung des Kalandrierwiderstandes erforderlich ist. Sie dient der Überwindung der Kompression des elasti­ schen Walzenbezuges sowie den elastischen und plasti­ schen Anteilen der Papierumformung. F_N ändert sich mit den physikalischen Eigenschaften (z. B. der Dichte und Glätte) von Spalt zu Spalt, d. h. nicht nur mit der Wal­ zenlast-Kennlinie.

M_R bezeichnet die Reibungsmomente der Walzenlager und gegebenenfalls von Schabern und Dichtköpfen (Drehein­ führungen für Heiz- oder Kühlmedien). Letztere können die Lagerreibungen deutlich übersteigen. Bei Biegeein­ stellwalzen dominiert die Reibung aus der Ölströmung zwischen feststehender Achse und rotierendem Mantel so­ wie den hydrostatischen Ölspalten beziehungsweise den Dichtleisten bei S-Walzen.

F_U ist die von den Walzen auf die Papierbahn 24 aufzu­ bringende Kraft, die zur Überwindung des Kalandrierwi­ derstandes und gegebenenfalls einer etwa vorhandenen Bahnzugkraft ΔB_Z erforderlich ist.

In Fig. 2 ist angenommen, daß die Kräfte F_U je zur Hälfte auf die den Walzenspalt bildenden Walzen aufge­ teilt werden. Da die Kalandrierwiderstände und damit die Kräfte F_N von oben nach unten abnehmen, trifft dies auch für die Umfangskräfte F_U zu.

Aus den Umfangskräften F_U1, den Reibungsmomenten M_R1 und dem Durchmesser D₁ der Walze 5 läßt sich die ange­ gebene Reaktionskraft F_R1 berechnen, die nicht zu Null gemacht werden kann. Aus den Differenzen der Umfangs­ kräfte ergeben sich für die Mittelwalzen Reaktionskräf­ te, die durch Änderung des Antriebsmoments der Einze­ lantriebe in einem gewissen Rahmen änderbar sind. Wich­ tig ist es, daß die Reaktionskräfte F_R für die Durch­ biegung, also die seitliche Ausbiegung der Walzen ver­ antwortlich sind.

Erfindungsgemäß ist eine Steuervorrichtung 28 vorgese­ hen, mit der diese Antriebsmomente für jeden Einzelan­ trieb einstellbar sind, um auf diese Weise das Druck­ spannungsquerprofil zu beeinflussen. Ein hohes Maß an Gleichmäßigkeit der Druckspannung ergibt sich, wenn die Ausbiegung der obersten Mittelwalze 6 aus der Mittele­ bene des Stapels der unvermeidbaren Ausbiegung der Oberwalze 5 angepaßt ist. Auch wenn die Ausbiegung der Oberwalze 5 nur gering sein sollte, bringt eine Anpas­ sung der Biegelinie der Walze 6 eine Verbesserung des Druckspannungsquerprofil mit sich.

In anderen Fällen, beispielsweise bei einer zu großen Kantenpressung, kann es interessant sein, die Biegeli­ nien benachbarter Walzen, also deren Mittellinien, zu spreizen, um auf diese Weise die Druckspannungen an den Rändern der Bahn zu vermindern.

Eine andere günstige Betriebsweise, mit der besonders zugfestes Papier erzielt werden kann, sieht vor, daß auf die Bahn keine Scherkräfte ausgeübt werden. Auch dies setzt eine gewisse Ausbiegung der Mittelwalzen voraus.

Eine gewisse Reaktionskraft und Ausbiegung ist ohnehin erwünscht, damit die Walzenlager ständig eine gewisse Belastung erfahren und daher eine hohe Lebensdauer be­ sitzen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform hatten die Mit­ telwalzen 6 bis 11 einen Schlankheitsgrad (Länge/Durch­ messer) von etwa 14. Durch entsprechende Einstellung der Antriebsmomente der Einzelantriebe 27 wird zwangs­ weise eine zu starke Verbiegung der Walzen verhindert, so daß die Druckspannungswerte im Zulässigkeitsbereich bleiben und insbesondere kein Abheben der Walzen von­ einander an ihren Enden auftritt.

Außerdem ist es möglich, gezielt für eine Friktion im Walzenspalt zu sorgen.

Von den dargestellten Beispielen kann in vielfacher Hinsicht abgewichen werden, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. Insbesondere kann der Kalander 1 auch im In-line-Betrieb verwendet werden. Die Zahl der Walzen kann variieren, wobei die bevorzugten Werte zwischen vier und acht liegen. Hierbei können auch die Endwalzen 5 und 12 als elastische Walzen ausgelegt und harten Mittelwalzen benachbart sein.

Claims (13)

1. Verfahren zur Beeinflussung eines Bahnmaterials, wie Papier, durch einen Kalander mit einem Walzen­ stapel, der zwischen zwei Endwalzen mindestens eine Mittelwalze aufweist, welche Walzen je einen eige­ nen Antrieb haben und in Stapelrichtung belastbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens ei­ nem Arbeitsspalt das Druckspannungsquerprofil be­ einflußt wird, indem zumindest eine Mittelwalze ge­ zielt aus der Stapelebene herausgebogen wird und die hierfür erforderlichen Reaktionskräfte durch entsprechende Einstellung der Antriebsmomente er­ zeugt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verminderung der Druckspannung in den Rand­ bereichen und/oder zur Erhöhung der Druckspannung in der Bahnmitte in wenigstens einem Arbeitsspalt der Unterschied in der Ausbiegung der den Arbeits­ spalt begrenzenden Walzen vergrößert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Entlastung des Randbereichs ein Antrieb die führende Rolle bei der Übertragung des Antriebsmoments übernimmt, während zur Belastung des Randbereichs die Antriebsmomente gleichmäßiger verteilt sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekenn­ zeichnet durch eine Regelung des Druckspannungs­ querprofils, bei der ein Bahnparameter über die Bahnbreite überwacht und bei Regelabweichung minde­ stens ein Teil der Korrektur durch Änderung der An­ triebsmomente bewirkt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmomente so gewählt sind, daß die Reaktionskräfte benachbarter Walzen und damit deren Ausbiegung ungleich Null und die Scherkräfte in der Bahn annähernd Null sind.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmomente so gewählt sind, daß der Kleinstwert der Reaktionskräfte un­ gleich Null ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Endwalze benachbarte Mittelwalze zur gleichen Seite wie die Endwalze aus der Stapelebene herausgebogen wird.

8. Kalander für ein Bahnmaterial, wie Papier, mit ei­ nem Walzenstapel, der zwischen zwei Endwalzen min­ destens eine Mittelwalze aufweist, welche Walzen je einen eigenen Antrieb haben und in Stapelrichtung belastbar sind, wobei eine Steuervorrichtung (28) für die Zufuhr der Antriebsmomente (A5 bis A12) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß minde­ stens eine Mittelwalze (6 bis 11) einen Schlank­ heitsgrad über 10 hat und die Steuervorrichtung (25) die Reaktionskräfte (F_R) an dieser Walze und damit deren Ausbiegung aus der Mittelebene des Sta­ pels im Zulässigkeitsbereich hält.

9. Kalander nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlankheitsgrad 12 bis 16 beträgt.

10. Kalander nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß, der Schlankheitsgrad etwa 14 be­ trägt.

11. Kalander nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, die beiden Endwalzen (5, 12) des Stapels (4) einen Schlankheitsgrad ≦ 10 haben.

12. Kalander nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß er off-line angeordnet ist.

13. Kalander nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser wenigstens ei­ ner Mittelwalze (6 bis 11) maximal 100 cm ist.