DE4307592A1 - Vorrichtung zur Behandlung einer Materialbahn - Google Patents
Vorrichtung zur Behandlung einer MaterialbahnInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Behandlung einer Materialbahn,
vorzugsweise zur Entwässerung einer Papierbahn im Impulstrocknungsverfahren,
mit einer Heizwalze und einem Gegenlager, welches zusammen mit der Heizwalze
einen Preßspalt bildet, wobei zumindest die Heizwalze eine feststehende Achse,
einem Walzenmantel und mindestens ein Lagerelement zur Abstützung des Walzen
mantels auf der Achse aufweist und der Walzenmantel eine Grundschicht und eine
auf die Grundschicht aufgebrachte dünne keramische aufheizbare Oberflächenschicht
enthält.
Bei der Behandlung einer Materialbahn, insbesondere bei der Entwässerung einer
Papierbahn, die einen hohen Wasseranteil hat, wird die Materialbahn durch eine
Vorrichtung geführt, die zumindest einen Preßspalt aufweist, welcher durch eine
Walze und ein der Walze gegenüberliegend angeordnetes Gegenlager gebildet ist.
Das Gegenlager kann sowohl als zweite Walze als auch als ein hydraulischer Schuh
ausgebildet sein. Insbesondere bei der Entwässerung einer Papierbahn durchläuft die
noch einen hohen Wasseranteil enthaltende Papierbahn den Preßspalt, wobei
zwischen der Walze und dem Gegenlager das Wasser aus der Papierbahn mechanisch
herausgedrückt wird. Eine Verbesserung der Entwässerung wird im Stand der
Technik dadurch erzielt, daß die Walze als Heizwalze ausgebildet ist. Das Ziel der
aus dem Stand der Technik vorbekannten Vorrichtung ist es, eine möglichst weit
gehende Entwässerung der Materialbahn zu erzielen. Hierbei hat es sich als nach
teilig erwiesen, daß die noch sehr wenig feste Papierbahn an der Preßwalze anhaftet,
wodurch es zu einem Abreißen der Papierbahn kommen kann. Diese Produktionsstö
rungen treten insbesondere aufgrund einer ungeeigneten Oberflächenbeschaffenheit
des Walzenmantels auf.
Aus dem Stand der Technik sind daher verschiedene Arbeitsschichten für die
Oberfläche der Preßwalzen bekannt. Beispielsweise geht aus der DE-PS 1 03 677 die
Verwendung von Naturgranit als Werkstoff für die Preßwalze hervor. Dieser zwar
gute Ablöseeigenschaften aufweisende Werkstoff hat jedoch den Nachteil, daß der
Granit bei Temperaturunterschieden im Granit, wie sie durch Beheizen mit
Dampfkästen von außen entstehen, durch thermische Spannungen zerstört wird. Es
sind daher im Laufe der Zeit verschiedene Arbeitsschichten entwickelt worden, die
als Ersatz für Granitwalzen eingesetzt wurden. Bei diesen aus dem Stand der Technik
bekannten Lösungen handelt es sich in der Regel um einen Walzengrundkörper aus
Gußeisen oder Stahl, auf welchen Beschichtungen aufgebracht werden, die den
Ablöseeigenschaften des Granits gleichkommen. Die Ablöseeigenschaften werden
dabei im wesentlichen auf Oberflächenkavernen und auf die Mischung von
wasserabstoßenden und wasseranziehenden Komponenten zurückgeführt.
Beispielsweise wurden in Kunststoffüberzügen Füllmaterialien wie Granitmehl
verarbeitet. Eine derartige Arbeitsschicht ist aus der EP-OS 0 337 934 bekannt.
Ferner ist aus der DE-OS 35 46 343 eine Pressenwalze für eine gattungsgemäße Vor
richtung bekannt, die eine Arbeitsschicht ihres Zylindermantels aufweist, die aus
einer Mischung aus Metallpulver und einem Pulver aus anorganischem Stoff gebildet
wird. Bei diesem anorganischen Stoff handelt es sich um einen keramischen Stoff,
der beispielsweise durch thermisches Aufspritzen auf den Walzenkörper erzeugbar
ist.
Aus der EP-PS 02 07 921 ist darüber hinaus eine Druckwalze für eine Papierma
schine bekannt, die in integrierter Bauweise einen Metallkern enthält, auf dem eine
metallische Grundschicht und eine Keramik-Arbeitsschicht aufgebracht sind, wobei
die Grundschicht einen Ausdehnungskoeffizienten aufweist der zwischen derjenigen
des Metallkernes und der Oberflächenschicht liegt. Die Keramikschicht hat eine
Durchlässigkeit von 1 bis 30%. Die Keramikschicht hat eine Dicke von 1 bis
30 mm. Bei einer Schichtstärke unter 1 mm war das Ablöseverhalten gestört. Ferner
ist es aus dem Stand der Technik, nämlich der EP-OS 04 81 321 bekannt, der zuvor
beschriebenen Keramikschicht Glimmer-Partikel als wasserabstoßende Komponente
sowie Imprägnierungen auf Basis synthetischer Harze hinzuzufügen.
Schließlich ist es im Stand der Technik bekannt, eine Materialbahn, vorzugsweise
eine Papierbahn, mittels Preßwalzen zu entwässern, die auf sehr hohe Temperaturen
erhitzt sind. Bei der Berührung der nassen Materialbahn wird schlagartig ein Teil des
Wassers in der Papieroberfläche verdampft. Durch den entstehenden Dampf wird die
Materialbahn zwangsläufig von der Preßwalze weggedrückt, so daß das sonst zu
beachtende Ablöseverhalten keine entscheidende Rolle mehr spielt. Es hat sich
jedoch gezeigt, daß sich insbesondere bei metallischen Oberflächen der Preßwalzen
mit sehr guten Wärmeleitungseigenschaften zuviel Dampf bildet, der den Faserver
bund einer Papierbahn zerreißt. Aus diesem Grunde hat es sich als vorteilhaft er
wiesen, auch bei diesem vorbekannten Verfahren die metallischen Oberflächen der
Preßwalzen mit einer Energiebremse, beispielsweise einer dünnen keramischen
Schicht zu versehen. Hierdurch wird ein Übermaß an Dampfbildung vermieden.
Nachteil dieser vorbekannten Vorrichtung ist es jedoch, daß neben der Walzen
oberfläche auch die ganze Walze und das Hydrauliköl ihrer hydrostatischen oder
hydrodynamischen Abstützung aufgeheizt wird, welches bei Temperaturen von mehr
als 150° Celsius seine Schmierfähigkeit verliert. Hieraus ergibt sich zwangsläufig,
daß das Hydrauliköl gekühlt werden muß, wodurch ein Wärmeverlust entsteht, der
den thermischen Wirkungsgrad der Preßwalze für das Impulstrocknen verringert.
Zwar kann der Wärmeverlust der vorgenannten Preßwalze nach innen dadurch
begrenzt werden, daß in der Walzenbohrung zwischen der Walzenwand und den
Lagerelementen eine isolierende Schicht, beispielsweise eine keramische Schicht
angeordnet wird, jedoch ist das Einbringen dieser Schicht sehr kompliziert und
konstruktiv aufwendig.
Abgesehen davon wird auf diese Art und Weise nur die Wärmeabgabe in die Boh
rung behindert. Nicht vermieden kann mit dieser Maßnahme, daß der gesamte
metallene Walzenkörper eine hohe Temperatur annimmt. Da aber der Ausdehnungs
koeffizient von Keramik gegenüber dem metallenen Walzenkörper fast um die Hälfte
niedriger ist, wird die äußere Keramikschicht wie auch die innere Isolierschicht im
Betrieb durch ihre Aufheizung Zugspannungen unterworfen. Die Keramikschichten
sind aber nur in geringem Maße auf Zug belastbar.
Auch das Einbringen einer dünnen Grundschicht mit einem Ausdehnungskoeffi
zienten zwischen dem der keramischen Arbeitsschicht und dem des Grundkörpers,
die als Haftvermittler dienen sollte, führte zu keiner nennenswerten Lösung der vor
anstehend geschilderten Problematik. Die in der EP-PS 02 07 921 und der EP-OS
0 481 221 beschriebenen dünnen Grundschichten dehnen sich nämlich gemeinsam mit
dem Grundkörper aus, so daß die keramische Arbeitsschicht wiederum hohen Zug
spannungen ausgesetzt ist.
Ausgehend von dem voranstehend beschriebenen Stand der Technik liegt der Erfin
dung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Behandlung einer Material
bahn, vorzugsweise zur Entwässerung einer Papierbahn im Impulstrocknungsver
fahren, zu schaffen, welche die voranstehend beschriebenen Nachteile des Standes
der Technik vermeidet und insbesondere eine verbesserte Energieeffizienz und eine
verbesserte mechanische Stabilität aufweist.
Die Lösung dieser Aufgabenstellung sieht vor, daß die keramische
Arbeitsschicht eine Stärke von weniger als 1 mm aufweist, daß die Grundschicht als
Wärmeisolierung aus keramischen Material besteht, und daß die Grundschicht eine
Stärke hat, die größer ist als die Stärke der keramischen Arbeitsschicht.
Eine derart ausgestaltete Vorrichtung hat den Vorteil, daß die zu entwässernde
Materialbahn in weitaus geringerem Maße an der Walzenoberfläche anhaftet und
gleichzeitig die Entwässerung der Materialbahn, vorzugsweise der Papierbahn, durch
eine hohe Temperatur und einen hohen Druck verbessert werden kann. Hierbei ist
es von besonderem Vorteil, daß die dünne keramische Arbeitsschicht bei externem
Aufheizen an ihrer Oberfläche eine hohe Temperatur aufweist, jedoch eine geringe
Wärmeleitfähigkeit hat, so daß der Walzenmantel aus Metall in weitaus geringerem
Maße aufgeheizt wird. Gleichzeitig wird die unterschiedliche Ausdehnung der
keramischen Arbeitsschicht und des metallischen Walzenmantels durch die im
Vergleich zu der Arbeitsschicht dickere Grundschicht aus keramischem Material
aneinander angeglichen, so daß keine Zugspannungen in der keramischen Arbeits
schicht entstehen.
Eine einfachere Herstellung einer Heizwalze für die erfindungsgemäße Vorrichtung
wird gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung dadurch erzielt, daß die
wärmeisolierende Grundschicht mittels wasserstabilisiertem Plasmaspritzen auf dem
Walzenmantel aufgebracht ist. In der Berechnung hat es sich hierbei als besonders
vorteilhaft erwiesen, die Grundschicht mit einer Stärke von 5 bis 30 mm auf dem
Walzenmantel aufzubringen. Hindurch wird eine Vermeidung der Zugspannung in
der Arbeitsschicht erzielt.
Eine besonders effiziente Reduzierung der Zugspannung in der Arbeitsschicht ist
gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung dadurch erzielbar, daß die Grund
schicht eine Stärke von 8 bis 10 mm, vorzugsweise etwa 9,5 mm hat. Eine derartige
Grundschicht ist kostengünstig durch die Verwendung von Al 203 herstellbar.
Bei der keramischen Arbeitsschicht ist es besonders vorteilhaft, wenn diese aus
Zirkoniumoxid besteht und eine Stärke von 0,5 mm aufweist. Dieses keramische
Material weist besonders geeignete Wärmeleitfähigkeitswerte auf, die eine optimale
Temperaturwirkung bereits bei einer Schichtdicke von 0,5 mm ermöglicht.
Bei einer Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Vorrichtung für das Impuls
trocknen ist es in vorteilhafter Weise vorgesehen, daß der Walzenmantel der
Heizwalze aus Schalenhartguß besteht, der in äußerem Bereich weißes Eisen und im
inneren Bereich graues Eisen aufweist. Hierbei handelt es sich um ein Gußeisen, das
aufgrund seiner besonderen Legierung und Gußtechnik im äußeren Bereich als
weißes Eisen mit einer hohen Härte zwischen 450 und 600 HV, einem hohen E-
Modul von ca. 180 000 N-mm2 und einer schlechten Wärmeleitfähigkeit von ca. 20
W/mK anfällt. Ein derartig ausgebildeter Walzenmantel hat den Vorteil, daß er eine
gute Stützwirkung und damit gute mechanische Eigenschaften hat und gleichzeitig
als thermische Barriere wirkt. Je nach Legierung kann die Stärke der Schicht, in der
das Eisen weiß anfällt beeinflußt werden. Als besonders vorteilhaft hat es sich
erwiesen, wenn das weiße Eisen eine Schichtstärke von 20 bis 80 mm hat. Hierbei
wirkt sich der niedrige Ausdehnungskoeffizient des weißen Eisens günstig auf die
thermische Spannungsverteilung innerhalb des Walzenmantels aus.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Heizwalze vorzugsweise von außen
beheizt. Hierdurch werden eine schnelle Aufheizung der keramischen Arbeitsschicht
erzielt und große Wärmeverluste vermieden. Es hat sich gemäß einem weiteren
Merkmal der Erfindung als vorteilhaft erwiesen, die keramische Arbeitsschicht mit
einem Metallpulver zu versetzen, so daß diese Arbeitsschicht elektrisch leitend ist.
Eine mit diesem Merkmal ausgebildete Vorrichtung weist dann den Vorteil auf, daß
die keramische Arbeitsschicht gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung durch
Induktion von Wirbelströmen in die Arbeitsschicht beheizbar ist.
Um die Oberfläche der mit dem Metallpulver versetzten keramischen Arbeitsschicht
nicht zu verändern und somit die vorteilhafte geringe Anhaftneigung der
Materialbahn an der Arbeitsschicht beizubehalten, wird gemäß einem weiteren
Merkmal der Erfindung vorgeschlagen, daß sich unmittelbar unter der Arbeitsschicht
eine elektrisch leitende Schicht befindet.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezug
nahme auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Seitenansicht einer Vorrichtung zur Behandlung einer
Materialbahn;
Fig. 2 eine Ansicht der Vorrichtung gemäß der Fig. 1;
Fig. 3 eine Ansicht einer Heizwalze und
Fig. 4 einen vergrößerten Ausschnitt der Heizwalze gemäß dem in Fig. 3
dargestellten Kreis A.
Eine aus Fig. 1 ersichtliche, allgemein durch das Bezugszeichen 1 angedeutete
Vorrichtung zur Behandlung einer Materialbahn, vorzugsweise zur Entwässerung
einer Papierbahn 2 im Impulstrocknungsverfahren weist eine Heizwalze 3 und eine
als Gegenlager dienende hydraulische Schuhwalze 4 auf, die zusammen mit der
Heizwalze 3 einen Preßspalt 5 bildet. Die Gegenwalze 4 kann ebenfalls durch einen
hydraulischen Schuh ersetzt werden.
Die Heizwalze 3 ist in üblicher Weise als Rohr um ihre Längsachse drehbar gelagert.
Die Heizwalze 3 kann sowohl hydrostatisch als auch hydrodynamisch auf der
durchgehenden feststehenden Achse 6 abgestützt werden. Die Gegenwalze 4 ist eine
Schuhwalze und ebenfalls hydrostatisch oder hydrodynamisch abgestützt (14).
In der Nähe der Oberfläche der Heizwalze 3 ist eine Außenbeheizung 8 vorgesehen,
die beispielsweise als Induktions-Heizung ausgebildet ist, welche elektromagnetische
Energie in das Material des Walzenmantels 7 der Heizwalze 3 koppelt und damit
eine Temperaturerhöhung insbesondere der Arbeitsoberfläche bewirkt.
In den Fig. 3 und 4 ist der konstruktive Aufbau der Heizwalze 3 detailliert
dargestellt. Wie aus der Fig. 3 zu erkennen ist, ist auf dem Walzenmantel 7 eine
Beschichtung aufgebracht. Diese Beschichtung besteht aus einer isolierenden
Grundschicht 9, einer keramischen Arbeitsschicht 10 und einer zwischen der
Grundschicht 9 und der Arbeitsschicht 10 angeordneten elektrisch leitenden Schicht
11, die aus einem Metallpulver besteht. Die Schicht 11 ermöglicht in einfacher
Weise das Aufheizen der Arbeitsschicht 10 durch Induktion von Wirbelströmen in
die Schicht 11.
Die keramische Arbeitsschicht 10 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine
Stärke von etwa 0,5 mm auf und besteht aus Zirkoniumoxid. Die aus Al 203
bestehende Grundschicht 9 hat eine Schichtdicke von etwa 9,5 mm und ist mittels
wasserstabilisierten Plasmaspritzen auf den Walzenmantel 7 aufgebracht. Die
zwischen der Grundschicht 9 und der Arbeitsschicht 10 angeordnete Schicht 11 aus
Metallpulver hat eine Stärke, die geringer ist als die Stärke der Arbeitsschicht 10 und
etwa 0,4 mm beträgt. Es ist auch möglich, die Schicht 11 in die Arbeitsschicht 10 zu
integrieren.
Der Walzenmantel 7 der Heizwalze 3 besteht aus Schalenhartguß. Hierbei handelt
es sich um ein Gußeisen, das aufgrund besonderer Legierung und Gußtechnik im
äußeren Bereich 12 als sogenanntes weißes Eisen und im inneren Bereich 13 als
sogenanntes graues Eisen anfällt. Das im äußeren Bereich 12 angeordnete weiße
Eisen hat eine hohe Härte zwischen 450 und 600 HV, einen hohen E-Modul von
ungefähr 180 000 M/mm2 und eine schlechte Wärmeleitfähigkeit von ungefähr 20
W/nK. Darüber hinaus weist ein derart aufgebauter Walzenmantel eine hohe
mechanische Festigkeit auf und wirkt als thermische Barriere. Die Schichtstärke des
weißen Eisens im äußeren Bereich 12 beträgt etwa 30 mm, und die Schichtstärke des
im inneren Bereich 13 angeordneten grauen Eisens beträgt etwa 110 mm, so daß der
Durchmesser des Walzenmantels 7 ohne die Grundschicht 9 und die Arbeitsschicht
10 etwa 140 mm und mit der Grundschicht 9 und der Arbeitsschicht 10 etwa 150
mm beträgt.
Im folgenden werden die Ausdehnungsmittelwerte der verschiedenen Schichten eines
Walzenmantels 7 mit externer Beheizung nach dem Stand der Technik und nach der
Erfindung gegenübergestellt, wobei sich alle Angaben auf Mittelwerte der jeweiligen
Schichten beziehen:
Es ist erkennbar, daß ein Walzenmantel 7 gemäß dem Stand der Technik thermisch
stärker expandiert als die Arbeitsschicht, woraus Zugspannungen resultieren, die z. B.
Oxidkeramik kaum aushält.
Bei der erfindungsgemäßen Ausführung ist die thermische Expansion aller die
Arbeitsschicht 10 tragenden Unterschichten, nämlich die Grundschicht 9 und die
Bereiche 12, 13 des Walzenmantels 7 von derselben Größenordnung und zudem
geringer als die der Arbeitsschicht 10. Die Arbeitsschicht 10 befindet sich somit
während des Betriebes unter einer Druckvorspannung, was sich günstig auf die
Lebensdauer der Arbeitsschicht auswirkt. Zwischen der Grundschicht 9 und
einerseits der Arbeitsschicht 10 sowie andererseits dem weißen Eisen im Bereich 12
sind keine nennenswerten relativen Spannungen vorhanden. Bei einem Vergleich des
Energieverlustes einer Heizwalze mit 1350 mm Außendurchmesser und 150 mm
Wandstärke aus Grauguß, die eine 0,5 mm starke Schicht aus Zirkoniumoxid hat und
extern auf 300 bis 400°C aufgeheizt wird, ist festzustellen, daß der Wärmestrom bei
einer nach der Erfindung ausgebildeten Heizwalze 3 anstelle von 220 kW/m Rohr
länge auf ca. 71 kW/m Rohrlänge reduziert wird. Hieraus resultiert, daß der
thermische Wirkungsgrad von 55% im Stand der Technik auf 79% bei einer Vor
richtung gemäß der Erfindung verbessert und die Energieverluste entsprechend
verringert werden.
Hieraus resultiert ferner der Vorteil, daß die Kühleinrichtungen für das Hydrauliköl
für die hydrostatische oder hydrodynamische Abstützung wesentlich kleiner und
damit wirtschaftlicher dimensioniert werden können.
Claims (13)
1. Vorrichtung zur Behandlung einer Materialbahn, vorzugsweise zur
Entwässerung einer Papierbahn (2) im Impulstrocknungsverfahren, mit einer
Heizwalze (3) und einem Gegenlager (4), welches zusammen mit der Heiz
walze (3) einen Preßspalt (5) bildet, wobei zumindest die Heizwalze (3)
eine feststehende Achse, einen Walzenmantel (7) und mindestens ein
Lagerelement zur Abstützung des Walzenmantels (7) auf der Achse auf
weist und der Walzenmantel (7) eine Grundschicht (9) und ein auf die
Grundschicht (9) aufgebrachte dünne aufheizbare keramische Arbeitsschicht
(10) enthält,
dadurch gekennzeichnet,
- a) daß die keramische Arbeitsschicht (10) eine Stärke von weniger als 1 mm aufweist,
- b) daß die Grundschicht (9) als Wärmeisolierung aus keramischem Material besteht, und
- c) daß die Grundschicht (9) eine Stärke hat, die größer ist als die Stärke der keramischen Arbeitsschicht (10).
2a. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische
Arbeitsschicht Metallplasmaspritzen aufgebracht wird und
2b. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wärme
isolierende Grundschicht (9) mittels wasserstabilisierten Plasmaspritzen auf
dem Walzenmantel (7) aufgebracht ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Grundschicht (9) eine Stärke von 5 bis 30 mm hat.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Grund
schicht (9) eine Stärke von 8 bis 10 mm, vorzugsweise etwa 9,5 mm hat.
5. Vorrichtung nach nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Grundschicht (9) aus Al 203 besteht.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische
Arbeitsschicht (10) aus Zirkoniumoxid besteht und eine Stärke von etwa 0,5
mm aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß der Walzenmantel (7) aus Schalenhartguß besteht, der im äußeren
Bereich (12) weißes Eisen und im inneren Bereich (13) graues Eisen
aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das weiße
Eisen im äußeren Bereich (12) eine Schichtstärke von 20 bis 80 mm hat.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Beheizung der Heizwalze (3) von außen erfolgt.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die keramische Arbeitsschicht (10) mit einem Metallpulver versetzt ist,
so daß die Arbeitsschicht (10) elektrisch leitend ist.
11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß
die Beheizung der Heizwalze (3) durch Induktion von Wirbelströmen in die
Arbeitsschicht (10) erfolgt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich unter der
keramischen Arbeitsschicht (10) eine elektrisch leitende Zwischen-Schicht
(11) befindet.
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8130 | Withdrawal |