DE10101182C1 - Verfahren zum Behandeln einer Materialbahn und Kalander - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Behandeln einer Materialbahn (21) und ein Kalander (1) angegeben, wobei die Materialbahn (21) durch mehrere weiche Nips (14-20) in einem Walzenstapel (2) geführt und dort mit Druck beaufschlagt wird. DOLLAR A Hierbei möchte man Barring-Erscheinungen vermindern können. DOLLAR A Hierzu wird die Materialbahn (21) vor dem Durchlaufen der Nips (14-20) vorgeglättet, indem die Materialbahn vor dem Durchlaufen der Nips vorgeglättet wird, indem sie schlupffrei durch einen zusätzlichen Nip geführt wird, der zwischen zwei weichen Walzen ausgebildet ist, und zwar insbesondere dadurch, daß außerhalb des Walzenstapels (2) ein zusätzlicher Nip (23) vorgesehen ist, der durch zwei weiche angetriebene Walzen (24, 25) mit gleichen Oberflächeneingenschaften gebildet ist, die eine Umfangsgeschwindigkeit aufweisen, die der Geschwindigkeit der durchlaufenden Materialbahn (21) entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln ei­ ner Materialbahn, bei dem die Materialbahn durch mehre­ re weiche Nips in einem Walzenstapel geführt und dort mit Druck beaufschlagt wird. Ferner betrifft die Erfin­ dung einen Kalander mit einem Walzenstapel aus mehreren Walzen, die mehrere weiche Nips bilden, in denen eine Materialbahn mit Druck beaufschlagbar ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Papierbahn als Beispiel für eine Materialbahn beschrieben. Sie ist jedoch auch bei anderen Materialbahnen anwendbar.

Papierbahnen werden im Verlauf ihrer Herstellung durch Kalander geführt und dort mit Druck und gegebenenfalls auch erhöhte Temperatur beaufschlagt. Mit dieser Sati­ nage erzielt man zum einen eine Verdichtung der Papier­ bahn, zum andern kann man bestimmte Oberflächeneigen­ schaften erzielen, insbesondere Glätte und Glanz.

In Kalandern, wie sie beispielsweise aus DE 195 08 349 A1 bekannt sind, kommen Mittelwalze zum Einsatz, die mit einem Kunststoffbelag bezogen sind. Bei längerem Be­ trieb dieser Kalander kommt es zu einer unerwünschten Schwingungsproblematik, einer sogenannten Barring-Er­ scheinung. Diese Barring-Erscheinung zeichnet sich durch streifenförmige Markierungen der elastischen Wal­ zen, genauer gesagt, deren Kunststoffbeläge, aus. Diese Markierungen prägen sich beim Behandeln der Papierbahn in die Papierbahn ein. Sobald diese Markierungen dort sichtbar werden, wird die Papierbahn als Ausschuß be­ trachtet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Barring- Erscheinung zu vermindern.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs ge­ nannten Art dadurch gelöst, daß die Materialbahn vor dem Durchlaufen der Nips vorgeglättet wird, indem sie schlupffrei durch einen zusätzlichen Nip geführt wird, der zwischen zwei weichen Walzen ausgebildet ist.

Hierbei geht man von folgenden Überlegungen aus: Ein Walzenstapel, der aus mehreren Walzen gebildet ist, hat eine Vielzahl von Eigenfrequenzen. Hierbei sind nicht die Eigenfrequenzen der Walzen für sich gemeint, wie etwa Biegeeigenfrequenzen, sondern die Eigenschwin­ gungsformen, die sich aus den schwingenden Walzenmassen auf den Feder- und Dämpfersystemen der dazwischenge­ schalteten Kunststoffbeläge ergeben.

Ein laufender Kalander erzeugt Erregerkräfte, deren Frequenzen sich aus den Vielfachen der Walzendrehzahlen zusammensetzen. Diese Erregerkräfte können aus Inhomo­ genitäten, Anisotropien oder Geometriefehlern (Unrundheiten) begründet sein. Ebenfalls können Papierdicken­ schwankungen der den Kalander durchlaufenden Papierbahn den Walzenstapel erregen. Trifft eine dieser Erreger­ frequenzen auf eine Eigenfrequenz, so antwortet das Schwingungssystem mit vergrößerten Schwingungsausschlä­ gen. Aufgrund der Vielzahl der möglichen Erreger und der Vielzahl der möglichen Eigenschwingungsformen las­ sen sich diese Resonanzstellen konstruktiv praktisch nicht umgehen. In der Regel ist das Schwingungssystem auch so stark gedämpft und die Erregerkräfte sind so klein, daß die resultierenden Schwingbewegungen unmit­ telbar nicht störend sind. Über einen mehr oder weniger längeren Zeitraum prägen sich diese Schwingbewegungen jedoch in die Kunststoffbeläge der elastischen Walzen ein. In der Regel werden die nächstliegenden ganzzahli­ gen Vielfachen der Schwingfrequenzen als Muster auf den Walzen eingeprägt. Hierdurch erfolgt eine Rückkopplung der Schwingung. Die Schwingungsausschläge nehmen dann exponentiell zu. Sie äußern sich einerseits in einem erhöhten Schallpegel (bis mehr als 115 dB(A)) und ande­ rerseits in periodischen Dickenschwankungen der durch­ laufenden Papierbahn. In der Praxis werden unterschied­ liche Zeiträume beobachtet, in denen sich diese Rück­ kopplungserscheinungen (Barrings) bilden. Meist verge­ hen einige Tage oder Wochen, bis diese Erscheinung so stark angewachsen ist, daß sie den Produktionsprozeß stört. Unter ungünstigen Bedingungen ist es jedoch mög­ lich, daß ein derartiger Rückkopplungseffekt schon nach wenigen Minuten auftritt. Daraus läßt sich folgern, daß es sich um unterschiedliche Einprägungs-Mechanismen handeln muß. Man vermutet, daß die in der Praxis am häufigsten auftretenden Langzeiterscheinungen durch pe­ riodischen Verschleiß oder periodische Verdichtung bzw. Ermüdung des Kunststoffbelages begründet werden.

Zur Vermeidung des oben beschriebenen Rückkopplungsef­ fekts im Langzeitbereich muß der Entstehungsmechanismus der periodischen Belagwelligkeit permanent gestört wer­ den. Es muß vermieden werden, daß sich ein konstantes ganzzahliges Muster mit einer Frequenz nahe der Eigen­ frequenz des Systems auf den Walzen einprägt. Dies kann prinzipiell schon durch eine Geschwindigkeitsvariation des Kalanders erreicht werden. Eine Geschwindigkeitsva­ riation führt einerseits zu einer permanenten Änderung der Erregerfrequenzen und andererseits bei einer kon­ stanten Eigenfrequenz zu einer unterschiedlichen Anzahl von Einprägungen in die Kunststoffbeläge. Eine derarti­ ge Vorgehensweise ist jedoch nur bei Kalandern denkbar, die nicht unmittelbar in den Produktionsprozeß der Pa­ piermaschine integriert sind, sogenannte Offline- Kalander. Bei diesen ist eine permanente Geschwindig­ keitsvariation in bestimmten Grenzen, z. B. ±5%, um ei­ nen Betriebspunkt herum möglich, ohne den Produktions­ prozeß merklich zu stören. Bei Kalandern, die im Pa­ pierfluß der Papiermaschine integriert sind (Online- Maschinen), sind jedoch kurzzeitige Geschwindigkeits­ veränderungen nicht tolerierbar. In diesem Fall muß das Schwingungssystem durch andere Maßnahmen beeinflußt werden.

Die Erfindung geht nun davon aus, daß eine in den Ka­ lander einlaufende Papierbahn vor der Behandlung nie vollkommen frei von Flächengewichts- bzw. Dickenschwan­ kungen ist. Außerdem ist eine Papierbahn noch sehr rauh. Analysiert man die Schwankungen auf ihre Frequen­ zen hin, so stellt man in der Regel ein breitbandiges Rauschen fest, in dem sämtliche Frequenzen enthalten sind. Somit ist eine Erregung einer oder mehrerer Ei­ genfrequenzen des Walzensystems durch die Papierbahn unumgänglich. Der Kalander reagiert an diesen Eigenfrequenzen mit einer vergrößerten Amplitude, die zunächst, wie oben bereits beschrieben, nicht störend ist. Mit der Zeit prägen sich die erhöhten Amplituden jedoch in die Kunststoffbeläge ein, und somit kommt es zu einer Rückkopplung im Schwingungssystem. Auch wenn man eine derartige Rückkopplung nicht vollständig verhindern kann, ist es mit Hilfe des zusätzlichen Schritts des Vorglättens der Materialbahn möglich, den Zeitraum zu strecken, der benötigt wird, um die Markierungen sicht­ bar werden zu lassen. Wenn ein barringfreier Zeitraum erreicht ist, der größer ist als die oberflächever­ schleißbedingte Standzeit der weichen Walzen im Kalan­ der, dann ist diese Aufgabe gelöst. Wenn man die Ma­ terialbahn vor deren Einlaufen in den Walzenstapel vorglättet, dann erreicht man zunächst einmal eine ver­ ringerte Erregungsamplitude von Schwingungen, die durch die Rauhigkeit der Materialbahn hervorgerufen wird. Durch das beim Vorglätten bewirkte Einebnen ist es so­ gar möglich, daß einige Erregerfrequenzen praktisch vollständig verschwinden. Damit wird die Barringer­ scheinung zwar nicht beseitigt. Das Ausbilden der Bar­ rings dauert aber wesentlich länger. Man hat festge­ stellt, daß die Betriebsdauer, die notwendig ist, bis Barrings sichtbar werden, größer ist als die Standzeit der mit dem elastischen Belag versehenen weichen Walze, wobei die Standzeit durch den Oberflächenverschleiß be­ dingt ist.

Die Verwendung von einem zusätzlichen Nip, der zwischen zwei weichen Walzen ausgebildet ist, ist eine besonders einfache Maßnahme, um die Materialbahn vorzuglätten. Ein solcher Nip wird zwar in der Regel als praktisch nicht wirksam für die Behandlung einer Materialbahn be­ trachtet. Er reicht aber aus, um der Papierbahn eine "provisorische" oder vorläufige Glättung zu vermitteln, die dazu führt, daß die Ausbildung einer Barring- Erscheinung wesentlich länger dauert als bisher. Wenn man die Materialbahn schlupffrei durch den zusätzlichen Nip führt, dann gibt es zwischen der Materialbahn und den beiden weichen Walzen, die den Nip bilden, in der Kontaktzone kein Gleitgebiet. Die gesamte Kontaktzone zwischen den Walzen und der Materialbahn, die aufgrund des elastischen Oberflächenbelags der weichen Walzen und der damit verbundenen Abflachung der Walzen im Nip relativ breit ist, bildet ein Haftgebiet. Da Verschleiß nur im Zusammenhang mit Reibung oder Relativbewegung entstehen kann, wie beispielsweise in den weichen Nips eines Kalanders, in denen eine harte gegen eine weiche Walze läuft, ist der periodische Verschleiß durch eine überlagerte Schwingbewegung ausgeschlossen. Die Walzen ebnen die rauhe Materialbahn an, ohne selbst zu ver­ schleißen. Im Endeffekt ergeben sich bei einer vorge­ glätteten Materialbahn weniger Erregerfrequenzen und geringere Erregeramplituden, die in den Kalander einge­ bracht werden.

Vorzugsweise treibt man die beiden den zusätzlichen Nip bildenden Walzen an. Damit ist es möglich, den Ver­ schleiß dieser beiden Walzen zu verringern. Je kleiner der Verschleiß ist, desto länger können die beiden den zusätzlichen Nip bildenden Walzen verwendet werden. Darüber hinaus wird aber auch die Gefahr klein gehal­ ten, daß man bei diesen beiden Walzen eine zusätzliche barringverursachende Einprägung in die Materialbahn vornimmt.

Vorzugsweise behandelt man die Materialbahn auf beiden Seiten gleich. Man verwendet also auf beiden Seiten der Materialbahn gleiche Walzen, d. h. Walzen mit gleichem Durchmesser und gleichen Oberflächeneigenschaften.

Durch eine derartige symmetrische Behandlung der Ma­ terialbahn wird die Gefahr gering gehalten, daß die den zusätzlichen Nip bildenden Walzen durch die Material­ bahnanregungen ähnlich geschädigt werden wie die Kalan­ derwalzen.

Vorzugsweise ordnet man den zusätzlichen Nip außerhalb einer Ebene an, in der die Nips des Walzenstapels ange­ ordnet sind. Damit wird die Gefahr, daß sich Schwingun­ gen aus dem Kalander selbst auf die Walzen des zusätz­ lichen Nips übertragen, klein gehalten.

Die Aufgabe wird auch durch einen Kalander der eingangs genannten Art gelöst, und zwar dadurch, daß außerhalb des Walzenstapels ein zusätzlicher Nip vorgesehen ist, der durch zwei weiche angetriebene Walzen mit gleichen Oberflächeneigenschaften gebildet ist, die eine Um­ fangsgeschwindigkeit aufweisen, die der Geschwindigkeit der durchlaufenden Materialbahn entspricht.

Wie oben im Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert worden ist, dient der zusätzliche Nip dazu, die Ma­ terialbahn vorzuglätten. Durch das Vorglätten wird er­ reicht, daß weniger Erregerfrequenzen und verringerte Erregeramplituden in den eigentlichen Walzenstapel ein­ getragen werden. Die Materialbahn wird also schlupffrei durch den Nip geführt, so daß die Walzen, die diesen zusätzlichen Nip bilden, nicht verschleißen können.

Hierbei ist bevorzugt, daß ein Bahnverlauf von dem zu­ sätzlichen Nip in einen Nip vorgesehen ist, der durch eine Endwalze begrenzt ist. Dieser Nip bildet den er­ sten Nip des Walzenstapels, den die Materialbahn durch­ läuft. Man glättet also die Materialbahn vor, bevor sie in einem der Nips des Walzenstapels behandelt wird.

Dies stellt sicher, daß in jedem Nip eine bereits vor­ geglättete Materialbahn vorliegt und damit Schwingungs­ risiken klein gehalten werden.

Bevorzugterweise sind die beiden den zusätzlichen Nip bildenden Walzen in Bahnlaufrichtung seitlich versetzt zum Walzenstapel angeordnet. Dies hat den Vorteil, daß sich Schwingungen im Kalander in der Walzenebene nicht auf die Walzen fortpflanzen können, die denen zusätzli­ chen Nip bilden. Eine vollständige schwingungsmäßige Entkopplung zwischen dem Walzenstapel und den beiden zusätzlichen Walzen wird sich zwar nicht erreichen las­ sen. Wenn jedoch bereits die Schwingungsrichtung nicht mehr den Ort des zusätzlichen Nips treffen kann, ist eine ausreichende Dämpfung sichergestellt.

Vorzugsweise weisen die beiden den zusätzlichen Nip bildenden Walzen den gleichen Durchmesser und gleiche Oberflächeneigenschaften auf. Damit wird sicherge­ stellt, daß die Materialbahn von ihren beiden Seiten aus gleichmäßig oder symmetrisch behandelt wird. Durch das Vorglätten im zusätzlichen Nip werden also keine zusätzlichen Störungen einseitiger Art in die Material­ bahn eingetragen.

Hierbei ist besonders bevorzugt, daß beide Walzen mit der gleichen Antriebsleistung angetrieben sind. Dies ergibt wiederum symmetrische Verhältnisse im Nip.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzug­ ten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeich­ nung näher beschrieben. Hierin zeigt die

einzige Figur einen Kalander.

Ein Kalander 1 weist einen Walzenstapel aus mehreren, im vorliegenden Fall acht, Walzen 3-10 auf, die in ei­ ner Stuhlung 11 angeordnet sind. Hierbei sind die Wal­ zen 3, 5, 6, 8, 10 als "weiche Walzen" ausgebildet, d. h. sie weisen einen elastischen Oberflächenbelag auf, vorzugsweise aus einem Kunststoff. Die verbleibenden Walzen 4, 7, 9 sind als sogenannte "harte" Walzen aus­ gebildet, d. h. die Oberfläche dieser Walzen 4, 7, 9 be­ steht aus einem weitgehend unnachgiebigen Metall. In an sich bekannter Weise sind die Zwischen- oder Mittelwal­ zen 4-9 an Hebeln 12 gelagert. Wenn die untere Endwalze 10, die durch einen Kolben-Zylinder-Antrieb 13 unter­ stützt wird, abgesenkt wird, dann können sich die Wal­ zen voneinander entfernen.

Die Walzen 3-10 bilden zwischen sich Nips 14-20, von denen die Nips 14, 15 und 17-20 als weiche Nips ausge­ bildet sind, während der Nip 16 als Wechselnip ausge­ bildet ist. Die weichen Nips sind von einer weichen Walze und einer harten Walze begrenzt, während der Wechselnip von zwei weichen Walzen begrenzt ist.

Durch die Nips 14-20 ist eine Materialbahn 21, im vor­ liegenden Falleine Papierbahn, geführt, die von einer Rolle 22 abgewickelt wird. Es ist aber auch möglich, daß die Materialbahn 21 direkt aus einer Herstellungs­ maschine, beispielsweise einer Papiermaschine, stammt.

Der Walzenstapel 2 ist unter einem Winkel von etwa 45° zur Vertikalen angeordnet.

Der Walzenstapel 2 kann auch weniger oder mehr als die dargestellten acht Walzen aufweisen. Er sollte jedoch mindestens vier Walzen aufweisen, so daß mindestens drei Nips gebildet werden können.

Vor dem ersten Nip 14, d. h. dem Nip, der durch eine Endwalze 3 begrenzt ist, ist ein zusätzlicher Nip 23 vorgesehen, der durch zwei weiche Walzen 24, 25 gebil­ det ist. Die beiden weichen Walzen 24, 25 sind gleich aufgebaut, d. h. sie haben den gleichen Durchmesser und den gleichen Belag und sind auch ansonsten konstruktiv gleich gestaltet. Die beiden Walzen 24, 25 haben je­ weils einen Antrieb 26, 27, sind also angetrieben. Hierbei ist die Antriebsleistung symmetrisch verteilt. Der Antrieb erfolgt so, daß die Walzen 24, 25 eine Um­ fangsgeschwindigkeit haben, die der Geschwindigkeit der Materialbahn 21 entspricht. In diesem Fall ist der Kon­ takt zwischen der Materialbahn 21 und den beiden Walzen 24, 25 im Nip 23 völlig schlupffrei, d. h. die Kontakt­ zone hat kein Gleitgebiet. Die gesamte Kontaktzone bil­ det ein Haftgebiet. Da Verschleiß nur im Zusammenhang mit Reibung beziehungsweise Relativbewegung entstehende kann, wie beispielsweise in einem Kalander, wo eine harte gegen eine weiche Walze läuft, ist der periodi­ sche Verschleiß durch eine überlagerte Schwingbewegung ausgeschlossen.

Im zusätzlichen Nip 23 wird die Materialbahn 21 durch die beiden weichen Walzen 24, 25 eingeebnet, d. h. eine rauhe Materialbahn wird vorgeglättet, ohne daß die bei­ den Walzen 24, 25 selbst verschleißen. Durch eine vor­ geglättete Materialbahn 21 werden als Resultat weniger Erregerfrequenzen und geringere Erregeramplituden in den Kalander eingebracht.

Wie aus der Zeichnung zu erkennen ist, sind die beiden Walzen 24, 25 außerhalb einer Pressenebene des Walzen­ stapels 2 angeordnet, d. h. die Achsen der weichen Wal­ zen 24, 25, die den zusätzlichen Nip 23 bilden, liegen nicht in der gleichen Ebene wie die Achsen der Walzen des Walzenstapels. Hierbei geht man von der Überlegung aus, daß die Schwingungen besonders kritisch sind, die sich in Richtung der Pressenebene, d. h. der Ebene, in der die Achsen der Walzen 3-10 des Walzenstapels 2 an­ geordnet sind, ausbreiten. Wenn man nun die beiden Wal­ zen 24, 25 des zusätzlichen Nips 23 aus dieser Ausbrei­ tungsrichtung herausnimmt, hat man bereits eine prinzi­ pielle Entkopplung von den Schwingungen im Walzenstapel 2 erreicht.

Claims (9)

1. Verfahren zum Behandeln einer Materialbahn, bei dem die Materialbahn durch mehrere weiche Nips in einem Walzenstapel geführt und dort mit Druck beauf­ schlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Ma­ terialbahn vor dem Durchlaufen der Nips vorgeglät­ tet wird, indem sie schlupffrei durch einen zusätz­ lichen Nip geführt wird, der zwischen zwei weichen Walzen ausgebildet ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die beiden den zusätzlichen Nip bildenden Walzen antreibt.

3. Verfahren nach Ansprüch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß man die Materialbahn auf beiden Sei­ ten gleich behandelt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man den zusätzlichen Nip außer­ halb einer Ebene anordnet, in der die Nips des Wal­ zenstapels angeordnet sind.

5. Kalander mit einem Walzenstapel aus mehreren Wal­ zen, die mehrere weiche Nips bilden, in denen eine Materialbahn mit Druck beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb des Walzenstapels (2) ein zusätzlicher Nip vorgesehen ist, der durch zwei weiche angetriebene Walzen (24, 25) mit gleichen Oberflächeneigenschaften gebildet ist, die eine Um­ fangsgeschwindigkeit aufweisen, die der Geschwin­ digkeit der durchlaufenden Materialbahn (21) ent­ spricht.

6. Kalander nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bahnverlauf von dem zusätzlichen Nip (23) in einen Nip (14) vorgesehen ist, der durch eine Endwalze (3) begrenzt ist.

7. Kalander nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden den zusätzlichen Nip (23) bildenden Walzen (24, 25) in Bahnlaufrichtung seit­ lich versetzt zum Walzenstapel (2) angeordnet sind.

8. Kalander einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die beiden den zusätzlichen Nip (23) bildenden Walzen (24, 25) den gleichen Durch­ messer aufweisen.

9. Kalander nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß beide Walzen (24, 25) mit der gleichen An­ triebsleistung angetrieben sind.