DE19508349A1 - Kalander für die Behandlung einer Papierbahn und Verfahren zu dessen Betrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kalander für die Behandlung einer Papierbahn, insbesondere zur Erzeugung von tiefdruckfähigem Papier, mit einem vom Ende her belastbaren Walzenstapel, der zwischen jeweils einer harten und einer weichen Walze gebildete Arbeitsspalte und zwischen zwei weichen Walzen einen Wechselspalt aufweist, wobei ein Teil der Walzen beheizbar und min­ destens eine Endwalze durchbiegungssteuerbar ist, und auf ein Verfahren zum Betrieb dieses Kalanders.

Kalander dieser Art sind vielfach bekannt, beispiels­ weise aus dem Prospekt "Die neuen Superkalanderkonzep­ te" der Firma Sulzer Papertec aus 1994 (Kennziffer 05/94 d). Sie dienen der abschließenden Behandlung ei­ ner Papierbahn, damit diese einen gewünschten Wert der Glätte, des Glanzes, der Dicke, des Bulk u. dgl. erhält, und sind getrennt von einer Papiermaschine aufgestellt. Die "weichen" oder elastischen Walzen tragen einen hauptsächlich aus Fasermaterial bestehenden Bezug. Die beheizbaren Walzen haben eine auf etwa 80°C begrenzte Oberflächentemperatur. Die mittlere Druckspannung in den Walzenspalten liegt im Normalbetrieb zwischen 15 und 30 N/mm², im untersten Arbeitsspalt sind auch schon Werte bis maximal etwa 40 N/mm² angewendet worden. Für einfach zu satinierende Papiere, wie z. B. Schreibpa­ pier, genügt ein Stapel mit 9 oder 10 Walzen. Für hö­ herwertige Papiere, wie tiefdruckfähige Papiere, tech­ nische Papiere oder Verdichtungspapiere werden 12 bis 16 Walzen benötigt. Eine solche Großmaschine ist teuer und hat einen erheblichen Raumbedarf.

Des weiteren sind sogenannte Kompaktkalander bekannt, bei denen eine beheizbare Walze mit einer durchbie­ gungssteuerbaren weichen Walze einen Spalt bildet und zur beidseitigen Behandlung der Papierbahn auch zwei derartige Kalander hintereinander geschaltet werden können. Hiermit lassen sich aber nur einfach zu sati­ nierende Papiere, nicht aber technische Papiere, z. B. Silicon-Rohpapiere sowie Papiere für den Tiefdruck, herstellen. Außerdem muß ein großer Teil der Verfor­ mungsenergie als Wärme zugeführt werden. Die beheizba­ ren Walzen haben daher eine Oberflächentemperatur von 160 bis 200°C. Es wird viel Wärmeenergie abgestrahlt, die durch Klimaanlagen wieder abgeführt werden muß. Weil die Walzendurchmesser festigkeitsbedingt größer als beim Superkalander sind, müssen hohe Streckenlasten aufgebracht werden, um die für ein gewünschtes Satina­ geergebnis notwendigen Druckspannungen zu erzeugen. Des weiteren sind Austauschwalzen für die elastischen Wal­ zen teuer, weil sie gleichzeitig durchbiegungssteuerbar sein sollen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kalan­ der der eingangs beschriebenen Art anzugeben, der auch für die Behandlung von tiefdruckfähigen und anderen hochwertigen Papieren geeignet, aber billiger in der Herstellung und im Betrieb ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Stapel nur acht Walzen aufweist und zur Erhöhung der der Papierbahn zuzuführenden Verformungsenergie zumindest für einen Arbeitsspalt als Bedingung gilt, daß die Verweilzeit mindestens 0,1 ms beträgt und daß die Beheizung einer den Arbeitsspalt begrenzenden be­ heizbaren Walze auf eine Oberflächentemperatur von min­ destens 100°C und die Belastung der Walzen auf eine mittlere Druckspannung im Arbeitsspalt von mindestens 42 N/mm² ausgelegt ist.

Durch die Reduzierung der Stapelhöhe wird der Einfluß des Walzengewichts auf die Streckenlast vermindert. Man kann daher bei gleicher Streckenlast im untersten Spalt im obersten Eingangsspalt mit einer höheren Strecken­ last als bei den bekannten Superkalandern arbeiten. Überraschenderweise genügt es daher, die zuzuführende Verformungsenergie moderat zu steigern, um auch hoch­ wertige Papiere zufriedenstellend bearbeiten zu können. So kann die Wärmezufuhr bei Temperaturen erfolgen, die nur etwas über den bisher üblichen Temperaturen liegen und daher die Wärmeabstrahlung nur geringfügig erhöhen. Auch stehen hierfür die verschiedensten Wärmeträger zur Verfügung; es gibt keine Schwierigkeiten wie bei den hohen Temperaturen, die bei einem Kompaktkalander ange­ wendet werden müssen. Auch genügt eine relativ geringe Erhöhung der Druckspannung, die mechanisch ohne weite­ res ertragen werden kann und höchstens bei der Wahl des Bezuges der elastischen Walze zu berücksichtigen ist. Indem beide Maßnahmen (verstärkte Beheizung und ver­ stärkte Belastung) zumindest in einem Arbeitsspalt, vorzugsweise dem untersten Arbeitsspalt, gleichzeitig angewendet werden, lassen sich außerordentlich gute Ergebnisse auch bei einem schnellaufenden Kalander und bei hochwertigen Papieren erzielen. Da der Walzenstapel eine geringere Höhe als bekannte Superkalander hat, benötigt man auch niedrigere Gebäude, was die Aufstel­ lungskosten erheblich senkt.

Zweckmäßigerweise ist dafür gesorgt, daß zumindest für den einen Arbeitsspalt die Bedingung gilt, daß die Ver­ weilzeit höchstens 0,9 ms beträgt und daß die Beheizung auf eine Oberflächentemperatur von maximal 150°C und die Belastung auf eine mittlere Druckspannung von maxi­ mal 60 N/mm² ausgelegt ist. Es ist daher tatsächlich nur eine moderate Erhöhung der Oberflächentemperatur und der Druckspannung erforderlich. In den meisten Fäl­ len genügt sogar eine Oberflächentemperatur von weniger als 130°C und eine mittlere Druckspannung von weniger als 50 N/mm². Die bevorzugte Verweilzeit beträgt 0,2 bis 0,5 ms.

Besonders vorteilhaft ist es, daß die Bedingung für die Mehrheit oder alle der sechs Arbeitsspalte gilt. Weil die erhöhten Werte gleichmäßig auf mehrere Arbeitsspal­ te verteilt sind, genügen sehr geringfügige Erhöhungen.

In diesem Zusammenhang empfiehlt es sich, daß Ober- und Unterwalze beheizbar sind. Über diese harten Walzen läßt sich die Wärmeenergie besser zuführen als über die angrenzende weiche Walze. Dies gilt auch, wenn die Ober- und/oder Unterwalze durchbiegungssteuerbar sind, weil man beispielsweise eine beheizte Druckflüssigkeit zuführen kann.

Besonders günstig ist es, daß die weichen Walzen einen Kunststoffbezug tragen. Solche kunststoffbezogenen Wal­ zen sind wesentlich besser als mit Fasermaterial bezo­ gene Walzen für den Betrieb bei erhöhter mittlerer Druckspannung geeignet. Sie erlauben einen Betrieb mit einer Druckspannung von mehr als 42 N/mm². Insbesondere sollte der Bezug auf eine Druckspannungs-Belastbarkeit bis etwa 60 N/mm² ausgelegt sein.

Dies gilt insbesondere, wenn der Kunststoffbezug im wesentlichen aus faserverstärktem Epoxidharz besteht. Ein solcher Kunststoffbezug hat eine Standzeit von we­ nigstens zwölf Wochen. Als Beispiel hierfür wird ein Bezug aus "TopTec 4" der Firma Scapa Kern, Wimpassing/Österreich genannt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Stapel in-line einer Papiermaschine oder Streichmaschine an­ geordnet. Die Papierbahn kommt daher mit erhöhter Tem­ peratur, beispielsweise mit 60°C, am Einlaßspalt des Kalanders an und benötigt daher nur noch eine geringe Wärmezufuhr, um eine ausreichende Verformungsenergie verfügbar zu machen. Bei einem solchen in-line-Betrieb sind Kunststoffbezüge, die schon aus Gründen der höhe­ ren Druckspannung erwünscht sind, besonders geeignet, weil sie - im Gegensatz zu Papierbezügen - wesentlich weniger gegen Markierungen empfindlich sind und daher nur selten ausgebaut und abgeschliffen werden müssen.

Zweckmäßigerweise besitzen alle Walzen einen Antrieb. Die Papierbahn kann daher bei laufendem Kalander einge­ zogen werden, weil alle Walzen auf die gleiche Ge­ schwindigkeit gebracht werden können, ehe die Spalte geschlossen werden.

Empfehlenswert ist es auch, daß der Stapel von einer Schutzhaube abgedeckt ist, die die Wärmeabstrahlung reduziert. Ein solche Schutzhaube verringert die Wärme­ abstrahlung, so daß sich die Fabrikationshalle nicht so stark erwärmt und übermäßig klimatisiert werden muß. Umgekehrt wird die Temperatur im Innern der Haube auf einem höheren Wert gehalten, so daß die Wärmezufuhr über die Heizvorrichtung gering gehalten werden kann.

Ein Verfahren zum Betrieb eines zuvor beschriebenen Kalanders ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, daß die gemittelten Zahlenwerte der Oberflächentemperatur T [in °C], der mittleren Druckspannung p [in N/mm²] und der Verweilzeit t [in ms] aller Arbeitsspalte so ge­ wählt sind, daß die nachstehende Beziehung (I) für eine Zielgröße Zg gilt:

Zg = 1,378-0,00356·T-(0,00825-5,12·10^-5T)p- [0,039+(0,188-0,00112T)p·e^-0,093p]t·e^0,421t = 0,8 bis 0,9.

Da man die Verweilzeit t bei einem gegebenen Kalander nur in geringem Maße variieren kann, stehen zur Erfül­ lung der vorstehenden Bedingung hauptsächlich die Ober­ flächentemperatur T und die mittlere Druckspannung p zur Verfügung.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten, bevorzugten Ausführungsbei­ spiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsge­ mäßen Kalanders und

Fig. 2 in einem Diagramm die Abhängigkeit der Zielgröße Zg von Oberflächentemperatur T, Druckspannung p und Verweilzeit t.

Der veranschaulichte Kalander 1 weist einen Walzensta­ pel auf, der aus acht Walzen besteht, nämlich einer beheizbaren, durchbiegungssteuerbaren harten Oberwalze 2, einer weichen Walze 3, einer beheizbaren harten Wal­ ze 4, einer weichen Walze 5, einer weichen Walze 6, einer beheizbaren harten Walze 7, einer weichen Walze 8 und einer beheizbaren, durchbiegungssteuerbaren harten Unterwalze 9. Auf diese Weise ergeben sich sechs Ar­ beitsspalte 10 bis 15, die je durch eine harte Walze und eine weiche Walze begrenzt sind, und ein Wechselspalt 16, der durch zwei weiche Walzen 5 und 6 begrenzt ist.

Eine Papierbahn 17 wird aus einer Papiermaschine 18 zu­ geführt, durchläuft unter der Führung von Leitrollen 19 die Arbeitsspalte 10 bis 12, den Wechselspalt 16 und die Arbeitsspalte 13 bis 15, worauf sie in einer Wickelvorrichtung 20 aufgewickelt wird. In den drei oberen Arbeitsspalten 10 bis 12 liegt die Papierbahn mit der einen Seite, in den drei unteren Arbeitsspalten 13 bis 15 mit der anderen Seite an den harten Walzen an, so daß beidseitig die gewünschte Oberflächenstruktur, bei­ spielsweise Glanz oder Glätte erreicht wird.

Wegen der direkten Verbindung des Kalanders 1 mit der Papiermaschine 18 ergibt sich ein in-line-Betrieb. Aus diesem Grund besitzt jede der Walzen 2 bis 9 einen ei­ genen Antrieb 21. Dies ermöglicht ein Einziehen der Papierbahn 17 während des Betriebes. Jede der weichen Walzen 3, 5, 6 und 8 besitzt einen Bezug 22 aus Kunst­ stoff, insbesondere faserverstärktem Kunststoff. Dieses Material ist weniger markierungsempfindlich als Papier, so daß die für den in-line-Betrieb wesentlichen länge­ ren Standzeiten erreicht werden. Außerdem kann der Be­ zug mit höherer Druckspannung beaufschlagt werden. Er ist auch gegenüber höheren Temperaturen beständiger als Papier.

Ein Steuergerät 23 hat mehrere Funktionen:

• a) Über eine Leitung 24 wird die Kraft P festgelegt, mit der die Oberwalze 2 nach unten gedrückt wird, wobei die Unterwalze 9 zweckmäßigerweise ortsfest gehalten ist. Die Belastung kann auch in umgekehr­ ter Richtung erfolgen, wobei die Kraft P auf die Unterwalze 9 wirkt und die Oberwalze 2 ortsfest gelagert ist. Durch die Belastung ist auch die Druckspannung bestimmt, die in den einzelnen Ar­ beitsspalten 10 bis 15 herrscht. Diese Druckspan­ nung nimmt von oben nach unten zu, weil sich zu der Belastungskraft P jeweils noch das Gewicht der ein­ zelnen Walzen addiert. Allerdings ist der Kraftzu­ wachs geringer als bei bekannten Superkalandern mit 9 bis 16 Walzen.
• b) Über die Leitungen 25 und 26 werden die Vorrichtun­ gen 27 bzw. 28 zum Durchbiegungsausgleich der Ober­ walze 2 und der Unterwalze 9 mit Druckmittel beauf­ schlagt. Diese Vorrichtungen sorgen dafür, daß über die Länge der Walzen eine gleichmäßige Druckspan­ nung herrscht, wie dies an sich bekannt ist. Hier­ für können alle üblichen Vorrichtungen verwendet werden, insbesondere solche, bei denen Stützelemen­ te nebeneinander in einer Reihe angeordnet sind und einzeln oder zonenweise mit unterschiedlichem Druck beaufschlagt werden können.
• c) Die Walzen 2, 4, 7 und 9 sind beheizbar, wie dies durch Pfeile H angedeutet ist. Die Heizenergie wird über strichpunktierte Pfade 27 bis 30 zugeführt. Dies kann durch elektrische Beheizung, durch Strah­ lungsheizung, mit Hilfe eines Wärmeträgers u. dgl. erfolgen. Eine Schutzhaube 31 dient der Wärmeisola­ tion und sorgt dafür, daß die in Folge der Behei­ zung abgestrahlte Wärme nur in geringem Maß in die Umgebung abgeführt wird.

Mit Hilfe der Kraft P wird dafür gesorgt, daß die mitt­ lere Druckspannung p in den Arbeitsspalten 10 bis 12 und 13 bis 15, insbesondere im untersten Spalt, zwi­ schen 42 und 60 N/mm², und vorzugsweise über 45 N/mm² liegt. Mit Hilfe der Beheizung H wird dafür gesorgt, daß die Oberflächentemperatur der beheizbaren Walzen 2, 4, 7 und 9 zwischen 100 und 150°C liegt. Die Durchmes­ ser der Walzen und die Elastizität des Belages 22 sind so gewählt, daß sich eine Spaltbreite von etwa 2 bis 15 mm, vorzugsweise etwa 8 mm, ergibt. Dies führt in Abhängigkeit von der Bahngeschwindigkeit zu Verweilzei­ ten t in jedem Arbeitsspalt von 0,1 bis 0,9 ms. Bevor­ zugt wird es, wenn die Temperatur T nur wenig über der unteren Grenze liegt, also beispielsweise bei 110°C, und wenn die Druckspannung nur wenig über der unteren Grenze liegt, beispielsweise bei 50 N/mm².

Es wurde gefunden, daß die Bedruckbarkeit bei Natur- und leichtgestrichenen Papieren nicht unbedingt mit dem erzielten Glanz oder der Glätte der Papierbahn zusam­ menhängt, sondern vielmehr mit der Verdichtung bzw. deren Kehrwert Bulk (in cm³/g). Das Maß für die Be­ druckbarkeit im Tiefdruckverfahren wird dabei bestimmt durch die Anzahl der "missing dots" (fehlende Raster­ punkte im Viertel- und Halbtonbereich). Die besten Er­ gebnisse in dieser Hinsicht erhält man, wenn man in allen Arbeitsspalten dafür sorgt, daß die im Ver­ fahrensanspruch angegebene Bedingung erfüllt ist.

In Fig. 2 ist in einem dreidimensionalen Diagramm in der Ordinate die Zielgröße Zg, die der obigen Beziehung (I) entspricht, in der einen Abszisse die Druckspannung p in N/mm² und in der anderen Abszisse die Verweilzeit t in ms aufgetragen. Es sind drei Flächen konstanter Temperatur T in °C eingetragen, von denen die 100°C-Fläche mit vollausgezogenen Linien und Punkten an den Netzkreuzungen, die 125°C-Fläche strichpunktiert mit Kreisen an den Netzkreuzungen und die 150°C-Fläche ge­ strichelt mit Kreuzen an den Netzkreuzungen dargestellt ist. Um zu den gewünschten Zielgrößen zu gelangen, wird zunächst von allen sechs Arbeitsspalten der arithmeti­ sche Mittelwert der Verweilzeit t, der Oberflächentem­ peratur T und der mittleren Druckspannung p festge­ stellt. Geht man mit diesen Werten in das Diagramm der Fig. 2, kann man sofort feststellen, ob die Zielgröße Zg im gewünschten Zielbereich zwischen 0,8 und 0,9 liegt. Vielfach lassen sich die Ergebnisse der Papier­ behandlung noch dadurch verbessern, daß die Walzen, insbesondere die Mittelwalzen in nicht veranschaulich­ ter Weise in Hebeln gelagert sind, wobei mit Vorteil die überhängenden Gewichte durch Stützvorrichtungen kompensiert sind, wie dies aus EP 0 285 942 B1 bekannt ist.

Claims (11)

1. Kalander für die Behandlung einer Papierbahn, ins­ besondere zur Erzeugung von tiefdruckfähigem Pa­ pier, mit einem vom Ende her belastbaren Walzensta­ pel, der zwischen jeweils einer harten und einer weichen Walze gebildete Arbeitsspalte und zwischen zwei weichen Walzen einen Wechselspalt aufweist, wobei ein Teil der Walzen beheizbar und mindestens eine Endwalze durchbiegungssteuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Stapel nur acht Walzen (2 bis 9) aufweist und zur Erhöhung der der Papierbahn (17) zuzuführenden Verformungsenergie zumindest für einen Arbeitsspalt (15) als Bedingung gilt, daß die Verweilzeit mindestens 0,1 ms beträgt und daß die Beheizung (H) einer den Arbeitsspalt begrenzenden beheizbaren Walze (2, 4, 7, 9) auf eine Ober­ flächentemperatur (T) von mindestens 100°C und die Belastung (P) der Walzen auf eine mittlere Druck­ spannung im Arbeitsspalt von mindestens 42 N/mm² ausgelegt ist.

2. Kalander nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest für den einen Arbeitsspalt (15) die Bedingung gilt, daß die Verweilzeit höchstens 0,9 ms beträgt und daß die Beheizung (H) auf eine Oberflächentemperatur von maximal 150°C und die Belastung (P) auf eine mittlere Druckspannung von maximal 60 N/mm² ausgelegt ist.

3. Kalander nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Bedingung für die Mehrheit oder alle der sechs Arbeitsspalte (10 bis 15) gilt.

4. Kalander nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Ober- und Unterwalze (2, 9) beheizbar sind.

5. Kalander nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die weichen Walzen (3, 5, 6, 8) einen Kunststoffbezug (22) tragen.

6. Kalander nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffbezug (22) auf eine Druckspan­ nungs-Belastbarkeit bis 60 N/mm² ausgelegt ist.

7. Kalander nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kunststoffbezug (22) im wesentli­ chen aus faserverstärktem Epoxidharz besteht.

8. Kalander nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stapel in-line einer Pa­ piermaschine (18) oder Streichmaschine angeordnet ist.

9. Kalander nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß alle Walzen (2 bis 9) einen An­ trieb (21) besitzen.

10. Kalander nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Stapel von einer Schutzhau­ be (31) abgedeckt ist, die die Wärmeabstrahlung reduziert.

11. Verfahren zum Betrieb eines Kalanders nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die gemittelten Zahlenwerte der Oberflächentempera­ tur T [in °C), der mittleren Druckspannung p [in N/mm²) und der Verweilzeit t [in ms] aller Arbeits­ spalte so gewählt sind, daß die nachstehende Bezie­ hung für eine Zielgröße Zg gilt: Zg = 1,378-0,00356·T-(0,00825-5,12·10^-5T)p-[0,039+(0,188- 0,00112T)p·e^-0,093p]t·e^-0,421t = 0,8 bis 0,9.