DE68923898T2

DE68923898T2 - Verfahren und Vorrichtungen zur Druckbehandlung einer Papierbahn.

Info

Publication number: DE68923898T2
Application number: DE68923898T
Authority: DE
Inventors: Jyrki Jaakkola
Original assignee: Valmet Paper Machinery Inc
Current assignee: Valmet Technologies Oy
Priority date: 1988-04-13
Filing date: 1989-04-12
Publication date: 1996-02-08
Anticipated expiration: 2009-04-13
Also published as: EP0337973A2; DE68923898D1; US4948466A; FI83895C; EP0337973B1; ATE126848T1; FI881711A0; EP0337973A3; FI881711A; FI83895B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren in einer Maschine für die Herstellung von Papier oder Karton für die Beheizung bzw. Erwärmung der Außenfläche eines derartigen Zylinders oder einer Walze, die sich in direktem Kontakt mit der gegen die Walzenfläche zu pressenden Papierbahn befindet, wobei die Papierbahn mit Hilfe des Verfahrens behandelt, wie etwa entwässert oder kalandriert wird.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung für die Preßbehandlung einer Papierbahn, welche das erfindungsgemäß Verfahren durchführen soll, wobei die Vorrichtung einen Zylinder oder eine Walze aufweist, deren Außenfläche erwärmbar ist und in Verbindung mit welcher ein oder mehrere Walzenkniffe und/oder sogenannte langgestreckte Kniffe gebildet werden.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, daß Wasser mittels Preßung von einer Papierbahn entfernbar ist, so daß der Trockenfeststoffanteil der Bahn ka 40...45% ist. Der Rest des Wassers mußte durch Verdampfung entfernt werden, was wesentlich mehr Energie pro Masseneinheit verbraüchte als mittels Entwässern mittels Preßung verbraucht wurde.
In aus dem Stand der Technik bekannter Weise sind Versuche durchgeführt worden, um das Entwässern der Papierbahn durch Anheben der Temperatur der sich zur Preßung bewegenden Bahn und des in der Bahn enthaltenen Wassers zu intensivieren, und zwar beispielsweise mit Hilfe von Dampfbehältern und durch die dadurch hervorgerufene Absenkung der Viskosität des Wassers und die Änderung der elastischen Eigenschaften der Bahn, so daß das Entwässern in normalen Walzenkniffen oder in sogenannten langgestreckten Kniffen intensiviert ist. Mit diesen Mitteln war es nicht immer möglich, einen ausreichenden Anstieg des Trockenfeststoffanteils zu erreichen, sondern mußte ein bedeutsamer Anteil selbst des sogenannten freien Wassers in der Bahn, welches nicht mittels Wasserstoffbindungen an das Fasermaterial gebunden ist, mittels Verdampfung aus der Bahn entfernt werden.
Bei einer Papiermaschine werden sogenannte geschlossene Pressenpartien gemeinhin verwendet, wobei ein Preßkniff oder, in der Regel, mehrere Preßkniffe in Verbindung mit der Mittelwalze gebildet werden. Ein Beispiel einer derartigen aus dem Stand der Technik bekannten Pressenpartie ist die Pressenpartie, die von der Anmelderin unter dem Handelsnamen "Sym-Press II" vertrieben wird, deren Mittelwalze mit glatter Fläche, deren Durchmesser größer als die Durchmesser der anderen Presswalzen ist, normalerweise aus Stein, in der Regel aus Granit, hergestellt ist. Da Granit ein inhomogenes natürliches Material mit niedriger Zugfestigkeit ist, ist es im Maschinenbau ziemlich problematisch. Wenn eine Granitwalze erwärmt werden soll, sind ihre von der Temperatur abhängigen Verformungen nicht linear und schwer vorherzusagen. Als Preßwalzenmaterial hat Granit relativ gute Eigenschaften, sich von der Bahn abzulösen, was zumindest einer der Gründe für seine Beliebtheit ist. Die Ablöseeigenschaften könnten jedoch besser sein, insbesondere mit ungebleichten Papiersorten.
In aus dem Stand der Technik bekannter Weise wird die Bahn als offener ungestützter Zug von der Fläche der Mittelwalze in der Presse abgelöst. Dieser offene Zug ist hinsichtlich des Betriebs der Papiermaschine ganz entscheidend. Bei dem offenen Zug wird der Geschwindigkeitsunterschied genutzt, der die Bahn langstreckt, woraus sich bestimmte Nachteile ergeben. Überdies ist der offene Zug problematisch, da er in einer Papiermaschine anfällig für Risse ist.
Bei steigenden Produktionsraten von Papiermaschinen wurde das als Kniffpreßung durchgeführte Entwässern zu einem Flaschenhals, der den Anstieg der Laufgeschwindigkeiten begrenzt. Dies rührt von der Tatsache her, daß mittels eines Paars von Walzen gebildete Preßkniffe eine geringe Fläche aufweisen, so daß bei hohen Geschwindigkeiten die Verweilzeit der Bahn in diesen Preßkniffen gering ist. Insbesondere aufgrund des Strömungswiderstandes der Faserstruktur der Bahn benötigt das Wasser jedoch eine bestimmte Zeit, um von der Bahn in die ausgesparte Fläche einer Walze oder in das Preßfilzsieb entfernt zu werden.
Wenn versucht wird, die Entwässerungskapazität bei Kniffpressen durch eine Steigerung des Kniffdruckes zu erhöhen, ist bei einer bestimmten Linearlast die Grenze erreicht, bei der ein gesteigerter Kniffdruck nicht mehr hilfreich ist, da die Bahnstruktur der Verdichtung nicht länger standhält.
Aus dem Stand der Technik sind auch sogenannte Heißpreßverfahren bekannt. Diesbezüglich sei beispielhaft auf das US-Patent Nr. 4324613 verwiesen, wonach die Papierbahn in einem Walzenkniff gepreßt wird, in welchem eine der Walzen oder Zylinder mittels Erwärmung der Oberfläche auf eine Temperatur größer als 100 ºC erhitzt worden ist. In dem Kniff ist das Oberflächenwasser in der Papierbahn verdampfbar, wobei der verdichtete Dampf Wasser, das in die Zwischenräume der Faserstruktur im Papier gepreßt worden ist, in den Preßfilz ausbläst. Der Trockenfeststoffanteil, der mit Hilfe des aus dem Stand der Technik bekannten Heißpreßverfahrens erreicht wird, ist verhältnismäßig gut, jedoch besteht bei einer Hochgeschwindigkeitsmaschine das Problem einer kurzen Kniffzeit, da die Verdichtungszeit in einem Walzenkniff lediglich etwa 1...3 ms beträgt, wobei die Verdampfung solange keine Zeit hat, richtig wirksam zu werden, bis die Walzentemperatur sehr hoch (in der Größenordnung von 500ºC) ist. Die hohe Temperatur der Walze ergibt insbesondere hinsichtlich der Festigkeit des Preßfilzsiebes und der Walze Probleme.
Die Preßbehandlung und die Preßvorrichtung gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung sind sowohl auf die Entwässerungspreßung einer Papier- oder Kartonbahn als auch auf das Kalandrieren einer Bahn, und insbesondere auf sogenanntes Gradient-Kalandrieren anwendbar. Diesbezüglich sei beispielhaft auf die US-Patente der Anmelderin Nr. 4614565, 4631794 und 4653395 verwiesen. Die US-A-4631794 bildet die Grundlage für die Oberbegriffe der unabhängigen Ansprüche.
Hinsichtlich der bisherigen Erfindungen der Anmelderin, die mit der Preßbehandlung einer Bahn verbunden sind und sich stark auf die vorliegende Erfindung beziehen, sei beispielhaft auf die FI-Patentanmeldungen Nr. 871870, 870309 und 874136 verwiesen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich zudem stark auf die induktive Erwärmung einer Papierbahn und einer Preßwalze, wobei diesbezüglich hinsichtlich früherer Erfindungen der Anmelderin in Verbindung mit den Anmeldungen auf die FI- Patentanmeldungen Nr. 870308 und 870309 verwiesen sei.
Wie aus dem Vorhergehenden ersichtlich, ist aus dem Stand der Technik bekannt, die Fläche einer Preßwalze oder eines Zylinders zu erwärmen, um eine sogenannte Heißpreßung oder Impulstrocknung oder das Ablösen der Bahn zu schaffen. Eine vorteilhafte, aus dem Stand der Technik bekannte Betriebsweise der Erwärmung einer Preßwalze oder einer Kalanderwalze ist die berührungslose äußere induktive Erwärmung, in Verbindung mit welcher in der Regel ferromagnetische Walzenbeschichtungen verwendet worden sind, obwohl Ferromagnetismus keine Notwendigkeit bei der induktiven Erwärmung darstellt; vielmehr ist eine wirkungsvolle elektrische Leitfähigkeit der Walzenfläche hinsichtlich der Heizwirbelströme notwendig.
Es feststellbar, daß von einer zu erwärmenden Walzen- oder Zylinderfläche eine Anzahl verschiedener Eigenschaften notwendig sind, wobei im Stand der Technik das Erzeugen dieser Eigenschaften in ein und derselben Walzenfläche auf nicht zufriedenstellende Weise gelöst worden ist.
Ein Problem ist es gewesen, wie eine Preßwalzenbeschichtung und/ -ausrüstung für ihre Erwärmung vorgesehen wird, mittels welcher es möglich ist, die Walzenoberfläche augenblicklich zu erwärmen, beispielsweise auf etwa 350 ºC, und/oder einen ausreichend großen Wärmestrom von der Walze zur zu erwärmenden Bahn zu schaffen und für die Walzenfläche gleichzeitig zufriedenstellende Eigenschaften hinsichtlich des Verschleißes, einer plötzlichen Temperaturänderung und der Bahnablösung zu erreichen. Ein weiteres Problem besteht darin, wie in gleicher Verbindung die Bombierungseinstellung einer Preßwalze ermöglicht wird.
Induktionsheizeinrichtungen, die bei hoher Frequenz (beispielsweise 25 kHz) arbeiten, sind sehr teuer zu bauen, und zwar wegen der Leistungstransistortechnologie, die von diesen erfordert wird.
Impulstrocknung erfordert eine Energietransferkapazität von etwa 0,5 MW/m sowie eine Regelung des Temperaturprofils von einer Heizwalze. Flächen, die bezogen auf das Verfahren heißer als nötig sind, sollten schon wegen des Feuerrisikos vermieden werden.
Eine übliche aus dem Stand der Technik bekannte Betriebsweise zur Lösung der vorhergehenden Probleme ist es, heißes Gas in das Innere einer Preßwalze oder Kalanderwalze zu leiten. In einem solchen Fall muß die Temperatur der Innenfläche der Walze bei etwa 700 ºC liegen, so daß die Festigkeit des Walzenmaterial nicht länger ausreicht und die Bombierungseinstellung mittels derzeitiger Technik nicht bewirkt werden kann.
Wenn eine Preßwalze von der Außenseite mit Hilfe einer Infrarotvorrichtung oder mit Hilfe von Verbrennungsgasen erwärmt wird, würde dies sehr hohe Temperaturen erfordern, die hohe Wärmeverluste und ein augenscheinliches Feuerrisiko verursachen. In aus dem Stand der Technik bekannter Weise ist das Induktionsheizen auf der Fläche einer gewöhnlichen Preßwalze aus ferromagnetischem Material zudem direkt anwendbar, jedoch ist in einem solchen Fall eine höhere Frequenz, d.h. eine Technik mit höheren Kosten, erforderlich.
Wenn vorhergehend von einer Preßwalze die Rede ist, ist sowohl eine Walze einer Naßpresse (einschließlich einer bei der Impulstrocknung verwendeten Walze) als auch eine Kalanderwalze und jegliche andere entsprechende Walze in einer Papierveredelungsvorrichtung gemeint.
Eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, neue Lösungen für die vorhergehend diskutierten Probleme zu schaffen.
Eine spezielle Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren und eine Walzenvorrichtung zu schaffen, die entweder auf die Impulstrocknung oder auf die Entwässerungspreßung, die bei herkömmlichen Walzenkniffen und/oder langgestreckten Kniffen stattfindet, auf das Ablösen der Bahn von der Mittelwalze und auf das Kalandrieren einer Papierbahn anwendbar sind.
Hinsichtlich einer Lösung der vorhergehend genannten Aufgaben und jener die später auftreten, ist das Verfahren der vorliegenden Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 offenbarten Merkmale gekennzeichnet.
Wenn die Erfindung bei der Impulstrocknung angewendet wird, kann die Wärmeenergie aufgrund der Erfindung vorteilhafterweise auf die relativ dünne Außenmantelfläche aus elektrisch leitendem Keramikmaterial des Heizzylinders oder der Walze angewendet werden. Mit Hilfe einer Festlegung der Eindringtiefe basierend auf der Wahl der Dicke der Keramikfläche und einer unten liegenden Isolierschicht, wenn überhaupt einer, und/oder der Frequenz der induktiven Erwärmung, kann die Heiztiefe derart festgelegt werden, daß die zur Induktionsvorrichtung geleitete Wärmeenergie Zeit hat, in die in den Kniffen befindliche Bahn transferiert zu werden. Aufgrund der Erfindung sind zudem Wärmeverluste und Feuerrisiken beträchtlich stärker verringerbar als beispielsweise mit Hilfe von Infrarotbeheizung.
Das elektrisch leitende Keramikmaterial, das bei der Erfindung als Walzenbeschichtung verwendet worden ist, kann derart gewählt werden, daß es plötzlichen Temperaturänderungen und mechanischem Verschleiß standhält und daß mit deren Hilfe eine geeignete Ablösung der Bahn von der Walzenfläche erreichbar ist, welche insbesondere dann besonders wichtige Eigenschaften sind, wenn die Erfindung bei Entwässerungspressen angewendet wird, von deren Mittelwalze die Bahn als offener Zug abgelöst wird.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung der Erfindung sind am besten in Verbindung mit der Impulstrocknung anwendbar, wodurch es bei der Induktionserwärmung aufgrund der Erfindung möglich ist, eine relativ geringe Frequenz, beispielsweise etwa 300...1000 Hz, zu verwenden.
Eine vorteilhafte erfindungsgemäße Vorrichtung erwärmt die Fläche einer Presswalze mittels elektromagnetischer Induktion auf etwa 350 ºC, wobei die Wärme mittels der Fläche zur Bahn transferiert wird. Die Heiztiefe ist so festgelegt, daß sie der Schicht des elektrisch leitenden Keramikmaterials gleicht, das bei der Erfindung angewendet wird, in welchem Falle die Heizfrequenz freier wählbar ist. Die Frequenz ist jedoch vorzugsweise größer als 500 Hz, um ein gleichmäßiges Heizergebnis in Drehrichtung der Walze zu erreichen. In einem solchen Falle ist im Beschichtungsaufbau der Preßwalze eine elektrisch isolierende Schicht unter dem elektrisch leitenden Keramikaußenmantel vorgesehen. Diese elektrisch isolierende Schicht ist zudem wärmeisolierend, wodurch ein ausreichend geringer Wärmestrom in die Walze gestattet ist, so daß es möglich ist, einen Walzen-Aufbau mit einstellbarer Bombierung zu verwenden. Die Regelung des Quereigenschaftsprofils der Bahn ist dadurch erreichbar, daß der Abstand der Ferritkerne geregelt wird, die das magnetische Feld von der Walze (Luft- Spalt-Regelung) steuern.
Bei der Erfindung wird als Außenbeschichtung einer Preßwalze oder eines -zylinders ein derartig elektrisch leitendes Keramikmaterial verwendet, dessen spezifischer Widerstand geringer als 10&supmin;² Ωm ist und vorzugsweise innerhalb des Bereichs von 2...8 Ωcm x 10&supmin;&sup5; liegt. Die Verschleißeigenschaften des bei der Erfindung verwendeten Keramikmaterials sind beträchtlich besser als jene der Strukturmetalle, was bei Keramiken generell zutrifft. Die Beständigkeit einer Keramikfläche gegen plötzliche Temperaturerhöhungen ist zudem beträchtlich besser als die von Metallen.
Gemäß der Erfindung ist es möglich, eine Induktionsheizanordnung zu schaffen, die eine gute Effizienz hat, wobei die Ausführungsbeispiele der Ausrüstung mit relativ geringer Größe herstellbar sind und selbst in anderer Hinsicht vorteilhaft gestaltet werden können.
Eine weitere vorteilhafte Form der Anmeldung der Erfindung ist das sogenannten Gradient-Kalandrieren, wobei diesbezüglich auf das FI-Patent der Anmelderin 71374 (entsprechend US-Patent 4653395) verwiesen sei.
Nachstehend wird die Erfindung ausführlich unter Bezugnahme auf einige beispielhafte Ausführungsbeispiele der in den Figuren in der Zeichnung gezeigten Erfindung beschrieben, wobei die Erfindung in keiner Weise strikt auf die Einzelheiten der Ausführungsbeispiele begrenzt ist. Es zeigen:
Fig. 1 eine aus dem Stand der Technik bekannte geschlossene Pressenpartie, die eine Induktionsvorrichtung einschließt, die das erfindungsgemäß Verfahren der vorliegenden Erfindung sowie eine Mittelwalze der Presse anwendet;
Fig. 1A eine vergrößerte Querschnittsansicht einer Preßwalze, die mit einer Beschichtung gemäß der Erfindung versehen ist, und einer Magnetschuhvorrichtung, die in Verbindung mit dieser betrieben wird;
Fig. 2 die erfindungsgemäße Induktionsbeheizung und einen Heißzylinder, die auf eine Impulstrocknungsvorrichtung angewendet werden;
Fig. 2A die Verteilung der Preßlast in einer Vorrichtung gemäß Fig. 2;
Fig. 3 das Prinzip einer für die Anmeldung der Erfindung vorgesehenen Induktionsheizvorrichtung in Bearbeitungsrichtung gesehen;
Fig. 4 eine zweite Lösung des Prinzips einer Induktionsheizvorrichtung auf eine, Fig. 3 entsprechende Weise;
Fig. 5 ein Blockdiagramm eines ersten beispielhaften Ausführungsbeispiels einer Induktionsheizvorrichtung;
Fig. 6 einen Graphen, der den Strom in einer, in Resonanz befindlichen Induktionsheizspule oder in Spulen als Funktion der Frequenz zeigt;
Fig. 7 ein Blockdiagramm entsprechend Fig. 5 eines zweiten beispielhaften Ausführungsbeispiels einer Induktionsheizvorrichtung;
Fig. 8 eine Anmeldung des Verfahrens und der Vorrichtung der Erfindung in einem Gradient-Kalander;
Fig. 9 eine vertikale Schnittansicht einer Magnetschuhvorrichtung gemäß der Erfindung und einer mechanischen Regelvorrichtung, die in Verbindung mit derselben verwendet wird, mittels welcher Regelvörrichtung die Luftspalte der Magnetschuhe und dadurch die Wärmekapazität in Axialrichtung der Walze steuerbar sind.
Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht einer "Sym-Press II" (Handelsname)-Pressenpartie der Anmelderin, bei der das Verfahren und eine Preßwalze 10 gemäß der Erfindung angewendet werden. Zuerst wird als Hintergrund der Erfindung der aus dem Stand der Technik bekannte generelle Aufbau der Pressenpartie aus Fig. 1 beschrieben. Die Papierbahn W wird auf dem Drahtsieb 50 der Papiermaschine entwässert, von welchem aus die Bahn W an dem nach unten geneigten Lauf des Siebes 50 zwischen den Leitwalzen 51 und 52 an dem Ablösepunkt P abgelöst wird und an die Saugzone 53a der Abnahmewalze 53 auf dem Abnahmefilz 55 transferiert wird, an dessen unterer Fläche die Bahn W in den ersten Entwässerungspreßkniff N&sub1; transferiert wird.
Der erste Kniff N&sub1; ist zwischen der Preßsaugwalze 54 und der unteren Presswalze 56 mit der ausgesparten Fläche 57 gebildet. Zwei Filze bewegen sich durch den Kniff N&sub1;, d.h. der untere Filz 60, der mittels der Leitwalzen 58 und 59 geführt wird, und der Abnahmefilz 55, der im ersten Kniff N&sub1; als oberer Filz wirkt. Nach dem ersten Kniff N&sub1; folgt die Bahn W durch die Wirkung der Saugzone 54a der Preßsaugwalze 54 der oberen Walze 54 und läuft in den zweiten Entwässerungspreßkniff N&sub2;, der erfindungsgemäß zwischen der Preßsaugwalze 54 und der Mittelwalze 10 mit der glatten Fläche 10' gebildet ist. Der Durchmesser D&sub1; der Mittelwalze ist wesentlich größer als die Durchmesser der weiteren Presswalzen 54, 56, 61. Dies liegt darin begründet, daß genug Raum für verschiedene Vorrichtungen besteht, die um die Mittelwalze 10 anzubringen sind, einschließlich der erfindungsgemäßen Induktivheizvorrichtung 100. An dem Saugabschnitt 54a der Saugwalze 54 ist ein Dampfbehälter 71 vorhanden, der auf die Außenfläche der Bahn W wirkt und die Temperatur der Bahn W und des darin enthaltenen Wassers anhebt, während die Viskosität des Wassers verringert wird.
Im wesentlichen an der bezüglich des zweiten Kniffes N&sub2; gegenüberliegenden Seite der Mittelwalze 10 besteht ein dritter Entwässerungspreßkniff N&sub3;, durch welchen der Preßfilz 65 verläuft, der mittels Leitwalzen 63 und 64 geführt wird. Die Walzen dieses Kniffes N&sub3; sind die Mittelwalze 10 und die Presswalze 61 mit der ausgesparten Fläche 62.
Die Hafteigenschaften der glatten Fläche 10' der Mittelwalze 10 sind derart, daß die Bahn nach dem zweiten Kniff N&sub2; der Fläche 10' der Mittelwalze 10 folgt. An dem unteren freien Abschnitt der Mittelwalze 10 ist ein Abstreichmesser 69 vorhanden, das die Walzenfläche 10' sauber hält und jegliche durchgeleitete gerissene Papierbahn von der Walzenfläche 10' ablöst. Von der Fläche 10' der Mittelwalze 10 wird die Bahn am Ablösepunkt R als offener Zug W&sub0; abgelöst und auf das Trockensieb 70 transferiert, deren mittels der Leitwalze 66 geleitete Lauf in möglichst geringem Abstand zur Fläche 10' der Walze 10 gebracht worden ist. Nach der Leitwalze 66 sind innerhalb des Lauf es des Trockensiebs 70 Saugbehälter 67 vorgesehen, wobei die Saugbehälter gewährleisten, daß die Bahn W an dem Trockensieb 70 haftet und sicher zur Trockenpartie transferiert wird, deren erster Trockenzylinder oder entsprechender Einführungszylinder mit 68 bezeichnet ist.
Gemäß Fig. 1 ist zwischen den Kniffen N&sub2; und N&sub3; eine Induktionsheizvorrichtung 100 gemäß der Erfindung angebracht, die mittels eines Magnetfelds Wärmeenergie durch den Luftspalt V in die spezielle erfindungsgemäße Außenschicht 3 auf der Walze 10 zuführt. In Fig. 1 sind die Regelvorrichtungen und die Vorrichtungen für die Einspeisung elektrischer Energie in die Induktionsheizvorrichtung 100 als Block 110 schematisch gezeigt.
Überdies ist in Fig. 1 eine zweite Induktionsheizvorrichtung 100' gezeigt, die im Bereich des Bahn-W-Ablösepunktes R zu verwenden ist, wobei der Zweck und der Betrieb der Vorrichtung 100' nachstehend ausführlicher beschrieben worden ist.
Nachstehend wird anhand der Fig. 1a der Aufbau der Walze 10 beschrieben, die eine spezielle erfindungsgemäße Außenschicht aufweist. Die Walze 10 hat einen Rahmenmantel 1 aus beispielsweise Gußeisen, welcher der Walze die notwendige Grundfestigkeit verleiht. Falls notwendig werden Bombierungsvorrichtungen (nicht gezeigt) im Inneren des Walzenmantels 1 vorgesehen. Auf der Außenfläche des Mantels 1 ist eine keramische Innenschicht 2 angewendet, die als Wärmeisolierung und als elektrische Isolierung wirkt. Auf der Isolierschicht 2 ist eine elektrisch leitende Keramikaußenschicht 3 vorhanden, deren Außenfläche die Außenfläche 10' der Walze 10 bildet, wobei die Außenfläche ausreichend glatt ist und für die Bahn W geeignete Hafteigenschaften hat. Die Dicke s&sub1; des Rahmenmantels 1 liegt in der Regel innerhalb des Bereichs s&sub1; = 60...140 mm. Die Dicke s&sub2; der Isolierschicht liegt in der Regel innerhalb des Bereichs s&sub2; = 3...10 mm, vorzugsweise s&sub2; = 4...5 mm. Die Dicke s&sub3; der Außenschicht 3 liegt in der Regel innerhalb des Bereichs s&sub3; = 0,1...3 mm, vorzugsweise s&sub3; = 0,1...0,5 mm.
Gemäß Fig. 1A ist in der näheren Umgebung der elektrisch leitenden Keramikaußenschicht 3 der Walze 10 als Induktionsheizvorrichtung 100 eine Magnetschuhvorrichtung angeordnet, wobei sich die Vorrichtung im wesentlichen quer über die gesamte Länge der Walze 10 erstreckt. Auf später beschriebene Weise besteht die Magnetschuhvorrichtung aus mehreren Ferritmagnetkernen 20, die Seite an Seite angeordnet sind, wobei die Kerne einen magnetischen Fluß durch die Luftspalte V zur elektrisch leitenden Außenfläche 3 aufbringen. Die magnetomotorische Kraft wird mittels der Spulen 30 erzeugt, zu denen eine einstellbare Leistung gespeist wird, die von Steuer- und elektrischen Vorrichtungen 110 erreicht wird.
In der folgenden Tabelle 1 sind Daten von elektrisch leitenden Verbundkeramiken gezeigt, die für die Verwendung als Materialien für die Außenschicht 3 der Walze 10 geeignet sind. Die in der Tabelle 1 gezeigten Sorten 1, 2 und 3 sind Borid-Keramiken, die auf Diboriden von Titan und Zirkonium basieren. Der spezifische Widerstand der Sorten 1 und 2 ist für die erfindungsgemäße Anwendung besonders geeignet, wohingegen der spezifische Widerstand der Sorte 3 so groß ist, daß sie nicht bei allen Anmeldungen der Erfindung ausreichend hoch erwärmt werden kann. Tabelle 1 Sorte Dichte (g/cm³) Biegefestigkeit 20ºC(N/mm²) Elastizitätskoeffizient (GPa) Wärmeausdehnungskoeffizient (10&supmin;&sup6;/ºC) Beständigkeit gegen plötzliche Temperaturänderung (ºC) Spezifischer Widerstand (cm * 10&supmin;&sup5;)
In der vorhergehenden Tabelle 1 ist die Sorte 1 das von Messrs. Asahi Glass unter dem Produktnamen "Ceraborex" vertriebene Keramikmaterial.
Die Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten der Verbundkeramiken 1, 2 und 3 bei unterschiedlichen Temperaturen sind wie folgt: Sorte Die Werte haben die Einheit Kcal/(m*hr*ºC).
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird unterhalb der elektrisch leitenden dünnen Keramikschicht 3 eine Schicht 2 verwendet, die als elektrische und thermische Isolierung wirkt und die beispielsweise aus der von Yamaguchi hergestellten Keramik XG besteht.
Die Isolierschicht 2 begrenzt den induktiven Heizeffekt allein auf die elektrisch leitende Außenschicht 3. Überdies begrenzt die isolierschicht 2 den Wärmestrom von der Außenschicht 3 zum Metallmantel 1 derart, daß die Temperatur des Metallmantels auf einem ausreichend geringen Niveau verbleibt, und zwar unter anderem hinsichtlich der weiteren innerhalb des Mantels angeordneten Ausrüstung, beispielsweise der Bombierungseinstelleinrichtung.
In Fig. 1 ist zusätzlich zur Vorrichtung 100 eine zweite Induktionsheizvorrichtung 100' in dem Bereich des Ablösepunktes R der Bahn W angewendet, wobei die Vorrichtung 100' mit Strom versorgt wird, dessen Frequenz f beispielsweise f = 500 Hz beträgt. Dies bedeutet, daß die Temperatur der Walzenfläche 10' im Ablösebereich R um etwa 50ºC steigt. Wenn die Grundtemperatur der Walze mittels des Effekts der Zusatzbeheizung durch die Vorrichtung 100' in dem Ablösebereich R bei etwa 70ºC aufrechterhalten wird, steigt die Temperatur der Fläche 10' örtlich auf etwa 120ºC. Dadurch wird die zwischen der Bahn W und der Walzenfläche 10' vorhandene Wasserschicht zumindest teilweise verdampft und bildet diese einen dünnen Dampffilm, der die Bahn W nicht mit der Walzenfläche 10' in Kontakt halten kann; vielmehr wird die Bahn W von der Walzenfläche abgelöst und kann diese, beispielsweise auf ihrem Trockensieb 70, unmittelbar zur Trockenpartie geleitet werden.
Wie aus dem Stand der Technik bekannt, ist eine mittels eines Geschwindigkeitsunterschieds erzeugte, bestimmte Ablösespannung in der Bahn W, d.h. eine sogenannte Zugdifferenz, zwischen der Walzenfläche 10' und dem Trockensieb 70 notwendig gewesen, wobei diese Differenz die Bahn W langgestreckt hat. Aufgrund des mittels der Vorrichtung 100' durchgeführten Verdampfungstransfers wird die Ablösespannung nicht notwendigerweise gebraucht, so daß es zudem möglich ist, einen geschlossenen Zug zu verwenden, beispielsweise einen Zug, bei dem, im in Fig 1 gezeigten Falle, die Leitwalze 66 derart verstellt worden ist, daß sie mit der Walzenfläche 10' in Berührung tritt und mit der Fläche 10' einen leicht belasteten Transferkniff bildet.
Das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung kann zudem ohne Heizvorrichtung 100 bewerkstelligt werden; und zwar lediglich unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Ablöseheizvorrichtung 100', die in dem Bahn-W-Ablösebereich R angebracht ist. In einem derartigen Fall wird eine ausreichend hohe Grundtemperatur der Außenfläche 10' der Mittelwalze 10 mittels anderer Einrichtungen aufrechterhalten, beispielsweise mittels eines Heizmediums, das in das Innere der Walze 10 gespeist wird, oder mittels entsprechender weiterer Einrichtungen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Das Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß Fig. 1 kann zudem ohne eine Ablöseheizvorrichtung 100' effektiv durchgeführt werden, und zwar lediglich mittels der Heizvorrichtung 100 und der in Beziehung stehenden elektrischen und Steuervorrichtungen 110.
Die in Fig. 2 gezeigte Heißpreß- oder Impulstrocknungsvorrichtung hat einen Heißzylinder 10 mit relativ großem Durchmesser und mit einem Antriebsrad 10a, wobei der Zylinder eine glatte oder poröse Außenfläche 10' hat, die in vorhergehend beschriebener Weise aus einer elektrisch leitenden Keramikschicht 3 besteht. Die Fläche des Zylinders 10 wird mittels Induktionsheizvorrichtungen 100 basierend auf Wirbelströmen über einen Luftspalt V erwärmt.
Die Temperatur T&sub0; der Fläche 10' des Zylinders 10 ist derart reguliert, daß sie T&sub0; > 100ºC ist, wenn die Fläche 10' die Bahn W berührt, die zur Heißpreßung auf der Fläche des Preßfilzes 12 geleitet wird, wobei der Trockenfeststoffanteil der Bahn W mit KAin bezeichnet ist. Abhängig vom Ort der erfindungsgemäß Heißpreßvorrichtung in dem Prozeß schwankt KAin in dem Bereich KAin = 25...75%.
Die Vorrichtung hat ferner eine Preßwalze 81, die vor der Preßschuhvorrichtung 30 angeordnet ist, wobei die Walze 81 eine glatte oder gemusterte Mantelfläche 81' hat und mit einem Antrieb 81a versehen ist. Die Preßwalze 81 ist innerhalb des Laufs des Gleitriemens 85 angeordnet, wobei die Walze 81 mit dem Heißzylinder 10 einen Kniff N&sub1;&sub0; bildet. Die Bahn W wird, getragen von dem Preßfilz 12, unmittelbar in den Kniff N&sub1;&sub0; geleitet, so daß die Bahn W in direkter Berührung mit der glatten Fläche 10' des Zylinders 10 angeordnet ist, der mittels der Vorrichtung 100 induktiv erwärmt worden ist. Auf entsprechende Weise wird der Preßfilz 12 von der Papierbahn W nach dem zweiten Kniff N&sub2;&sub0; abgelöst, wobei die Bahn W der glatten Fläche 10' des Zylinders 10 folgt, von welchem sie als offener Zug Wp abgelöst wird.
Die Preßschuhvorrichtung 90 in der Heißpreßvorrichtung aus Fig. 2 hat einen Preßschuh 91 für einen langgestreckten Kniff, der eine hydrostatische Druckkammer 92 hat, die einem wasserundurchlässigen Gleitriemen 85 zugewandt angeordnet ist. Die Preßschuhvorrichtung 90 hat einen Rahmenbalken 90a, der sich über die gesamte Breite der Papierbahn W erstreckt. Ein Zylinderblock ist an dem Rahmenbalken 90a abgestützt angeordnet, wobei ausgehend von einer Druckquelle der Druck oder die Drücke eines Druckmediums in den Druckraum des Zylinderblocks einleitbar sind. Der Zylinderblock ist mit einem Abdichtzylinder versehen, der eine Gleitfläche hat, die gegen die Innenfläche des Gleitriemens 85 im Bereich des langgestreckten Kniffes wirkt. Ein Druckfluid-Schmiermittel wird aus dem Druckraum durch Bohrungen in die hydrostatische Druckkammer geleitet.
Um den Lauf des Gleitriemens 85 ist eine Spritzwassersammelrinne 87 vorgesehen. Die zweite Presswalze 80 ist mit einer glatten Fläche 80' und mit einem Antrieb 80a und an ihrer Rückseite mit einer Schmiermittelsammelrinne 84 versehen, von welcher das Schmiermittel mittels einer Umlaufvorrichtung zugeführt wird.
Die zweite Preßwalze 80 bildet mit dem Heißzylinder 10 den Kniff N&sub2;&sub0;, wobei die Bahn W nach dem Kniff der glatten Fläche 10' des Zylinders 10 folgt, von welchem aus sie mittels einer Leitwalze 13, die mit einem Antrieb 13a versehen ist, als Zug Wp abgelöst wird und auf die Auflage des Trockengewebes 15 transferiert wird, das mittels der Leitwalze 14 geführt wird. Das Filzsieb 15 trägt die Bahn W zur Trockenpartie, in welcher das Entwässern mittels Verdampfung fortgesetzt wird.
Der Trockenfeststoffanteil der Bahn W nach der Heißpreßvorrichtung ist mit KAout bezeichnet. In der Regel beträgt der Trockenfeststoffanteil KAout = 50...70%.
Die Papierbahn W wird mittels eines Preßschuhs 31 für einen langgestreckten Kniff mit relativ geringem Druck (p&sub1;) mittels des Riemens 25 und des Preßfilzes 12 gegen die heiße (T&sub0; > 100ºC) Fläche 10' des Zylinders 10 gepreßt, wobei die Erwärmung der gegen der Walzenfläche 10' angeordneten Fläche der Papierbahn W bis zu einer Temperatur erreicht wird, die größer als 100ºC ist. Die Temperatur der Fläche 10' befindet sich beim Berühren der Bahn innerhalb des Bereichs von T&sub0; = 150...500ºC. Die entsprechende Temperatur T&sub0;&sub1; zum Zeitpunkt, wenn die Bahn W von der Fläche 10' abgelöst ist, ist in der Regel innerhalb des Bereichs T&sub0;&sub1; = 100...300ºC. Das Druckniveau des Preßschuhs 31 für einen langgestreckten Kniff ist beispielsweise p&sub1; = 0,1...5 MPa.
Der Schuh 31 für einen langgestreckten Kniff ist hydrostatisch, hydrodynamisch oder eine Kombination daraus. Nach der Preßstufe C für den langgestreckten Kniff wird der auf die Papierbahn W ausgeübte Druck auf das mittels der Spannung des Riemens 25 bestimmte Niveau p&sub0; innerhalb der Zone D abgesenkt, wobei die Verdampfung des Wassers in der Papierbahn W durch den Effekt der Druckabsenkung von p&sub1; T p&sub0; intensiviert wird. Der Druck p&sub0; ist T/R, wobei T die Spannungsdehnung des Riemens 25 und R der Radius des Zylinders 10 ist. Nach der Zone D folgt die Intensivpreßstufe, die im Kniff N&sub2;&sub0; stattfindet, wobei die Papierbahn W mit hohem Druck zwischen dem Zylinder 10 oder einer entsprechenden Walze und der Presswalze 20 gepreßt wird. In Fig. 2A ist dieser Zustand mit E bezeichnet, wobei das Maximum des Verdichtungsdruckes vorzugsweise pmax2 = 7 MPa ist. In der Preßstufe E wird der Wasserdampf durch die Papierbahn W geblasen und erzeugt der Wasserdampf ein Ausblasen des in den Zwischenräumen zwischen ihren Fasern vorhandenen Wassers und folglich ein intensiviertes Preßergebnis und einen höheren Trockenfeststoffanteil KAout.
Es ist auch möglich, als Gleitriemen 25 einen sogenannten elastischen Riemen zu verwendet, mittels welchem die Zonen A und E der Walzenkniffe N&sub1;&sub0; und N&sub2;&sub0; erweiterbar und gleichzeitig ihre Verdichtungsdauern verlängerbar sind und der Verdichtungsimpuls steigerbar ist. Falls nötig ist es zudem möglich, ein separates elastisches Band zu verwendet, das geführt wird, um zwischen dem Gleitriemen 85 und dem Filz 12 zu laufen. Da kein Wasser aus dem Preßfilz 12 in die ausgesparten Flächen der Walzen gepreßt werden kann, ist es möglich, eine ausgesparte Fläche im Riemen 85 auszubilden, welche mittels gestrichelter Linie 85' der Außenseitenfläche des Riemens 85 gezeigt ist.
In der in Fig. 2A gezeigten Stufe A, in welcher im Kniff N&sub1;&sub0; ein Spitzenverdichtungsdruck pmax1 verwendet wird, wird auf die erste Heißpreßstufe Bezug genommen. Die Stufe B ist eine Druckabsenkungsstufe, die Stufe C ist eine zweite vorbereitende Heißpreßstufe und die Stufe D ist die Druckabsenkungs- und Dampfbildungsstufe, wobei die Stufe E (Spitzendruck pmax2) die (Intensiv-) Verdichtungs- und Durchblasstufe selbst ist.
In Fig. 2A sind an der Mittellinie (L) unter den Zonenbezeichnungen A...E Beispiele vorteilhafter Längen (mm) der Zonen gezeigt und auf der untersten Linie (t) die entsprechenden Verweilzeiten (ms), sofern eine Maschinengeschwindigkeit von v = 20 m/s verwendet wird.
Erfindungsgemäß ist die Presswalze 10 aus den Fig. 3 und 4 mit einem Außenmantel 3 aus elektrisch leitfähigem Keramikmaterial vorgesehen. Die Walze 10 wird um die Mittelachse K - K drehbar geschwenkt, und zwar mittels ihrer Enden 95 und ihrer Achszapfen 96. An den Achszapfen 96 sind in Lagergehäusen angebrachte Lagerungen vorgesehen. Die Lagergehäuse sind an dem Walzenstützrahmen befestigt, der an einer Basis aufgestützt ist.
Im Innenraum der Walze 10 ist es möglich, Bombierungsänderungs- oder Bombierungseinstellvorrichtungen anzubringen, für welche ein Zusatzraum geschaffen ist, da es innerhalb der Walze 10 nicht notwendig ist, mittels eines Flüssigkeitsmediums oder dergleichen betriebene Heizvorrichtungen zu verwenden, wobei die Heizvorrichtungen jedoch nicht vollständig von der Anwendung in Verbindung mit dieser Erfindung ausgeschlossen sind.
Erfindungsgemäß ist die Walze 10 angeordnet, um mit Hilfe von Wirbelströmen induktiv und elektromagnetisch erwärmt zu werden, so daß mittels des Heizeffekts die Temperatur der aus elektrisch leitendem Keramikmaterial bestehenden dünnen Oberflächenschicht 3 der Walze 10 auf ein bemerkenswert hohes Niveau angehoben wird, in der Regel auf etwa 110...350ºC. Hinsichtlich der Bewirkung einer induktiven lokalen Erwärmung in der Nähe der Walze 10 sind zueinander in Axialrichtung der Walze auf gleicher horizontaler Linie Komponentkerne 20&sub1;, 20&sub2;...20N eines Ferritkerns 20 angeordnet. Diese Komponentkerne 20n bilden die Heizvorrichtung 100, die ferner eine eigene Magnetspule 30 oder eine Komponentspule 30&sub1;...30N für jeden Komponentkern einschließt (Fig. 3). Das induktive Erwärmen wird berührungslos durchgeführt, so daß zwischen den Ferritkernen 20n und der Fläche 10' der Walze 10 ein kleiner Luftspalt V verbleibt, über welchen Luftspalt die Magnetflüsse der Ferritkerne 20n durch die elektrisch leitende Keramikschicht 3 der Walze 10 geschlossen werden und darin einen Heizeffekt in den Wirbelströmen erzeugt wird.
In Fig. 3 ist jeder Komponentenkern 20&sub1;...20N mit einer eigenen Magnetspule 30&sub1;...30&sub7; gezeigt. Ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung gleicht dem aus Fig. 4, wobei alle Komponentkerne 20&sub1;...20N (N = 16) eine gemeinsame Magnetspule 30 haben, welche nach Fig. 4 mit zwei Windungen versehen ist. Gemäß Fig. 7 hat die Magnetspule 30 des Eisenkerns 20 lediglich eine Windung.
Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist jeder Komponentkern 20n in der Radialebene der Walze 10 derart separat verschiebbar angeordnet, daß er die Größenordnung des wirksamen Luftspalts V einstellt und gleichzeitig das Basisniveau und/oder die Verteilung des Heizeffekts einstellt. Für diesen Zweck ist jeder Komponentkern 20n mittels einer Gelenkverbindung an dem Rahmen angebracht. Die Verschiebung der Komponentkerne 20n kann mittels unterschiedlicher Mechanismen eingerichtet werden. In der Regel schwanken Luftspalte beispielsweise innerhalb des Bereichs von 1...100 mm. Hinsichtlich der mechanischen Einrichtung für die Einstellung der Luftspalte, deren Aufbau hier nicht beschrieben ist, sei auf Fig. 9 sowie auf die vorhergehende erwähnte FI-Patentanmeldung der Anmelderin Nr. 833589 verwiesen.
Hinsichtlich des elektrotechnischen Hintergrundes der Erfindung wird folgendes festgestellt. Wenn die elektrisch leitende Keramikschicht 3 der Walze 10 oder des Zylinders, so wie bekannt, mit einem variablen Magnetfeld versehen wird, werden Wirbelstromverluste und Hysteresen im Material erzeugt, wobei das Material erwärmt wird. Die Leistung (P) der Wirbelströme hängt von der Stärke (B) des Magnetfelds und von der Frequenz (f) der Änderung des Magnetfelds wie folgt ab:
P = B² * f² (1)
Das variable Magnetfeld in der Keramikschicht 3 der Walze 10 ist durch die Frontflächen der Ferritkerne 20 der Vorrichtung 100 und der Luftspalte V geschlossen. Dieses Magnetfeld induziert Wirbelströme in der Keramikschicht 3 des Walzenmantels 10, wobei die Ströme aufgrund des relativ großen Widerstands (siehe Tabelle 1) der Schicht Wärme erzeugen. Die Verteilung der in der Keramikschicht 3 induzierten Wirbelströme in Richtung x des Radius der Walze 10 folgt der Beziehung
Ix = I&sub0;e-x/δ (2)
wobei
Ix die Stromdichte bei der Tiefe x ausgehend von der Mantelfläche 10' ist,
I&sub0; die Stromdichte an der Fläche 10' des Mantels 10 ist, und
δ die Eindringtiefe ist. Die Eindringtiefe ist als die Tiefe definiert worden, bei der die Stromdichte auf 1/e der Stromdichte 10 an der Oberfläche abgesenkt worden ist. Für die Eindringtiefe wurde folgende Gleichung erhalten:
δ ist der spezifische Widerstand des Keramikmaterials in der Schicht 3 (siehe Tabelle 1), f ist die Frequenz des Magnetstroms, und u ist die relative Durchlässigkeit des Keramikmaterials in der Außenschicht 3.
Die Gleichung (3) zeigt, daß, wenn die Frequenz größer wird, die Eindringtiefe kleiner wird.
Bei der Erfindung werden in der Regel Wärmeleistungen verwendet, die bei der Impulstrocknung in der Größenordnung von etwas 10 MW, beim Gradient-Kalandrieren bei etwa 500 kW und beim Bahnablösen bei etwa 100 kW liegen. Wie bekannt, gilt: Je geringer der Luftspalt V, desto größer das Ausmaß der durch die Spule 30 zur Vorrichtung geleiteten elektrischen Leistung, die zur Keramikschicht 3 auf der zu erwärmenden Walze 10 transferiert wird.
Gemäß Fig. 7 wird die elektrische Leistung, die zur Induktionsspule 30 gespeist wird, aus einem 50 Hz-3-Phasen- Netzwerk (3 x 380 V) genommen. Mittels eines Gleichrichters 33 wird der Wechselstrom in Gleichstrom umgewandelt, welcher mit Hilfe eines bekannten Wandlers, basierend auf Leistungselektronikbauteilen, entweder in Wechselstrom mit gleichbleibender Frequenz oder variabler Frequenz (fs) umgewandelt wird. Die Regelung der Positionen der Komponentkerne 20&sub1;...20N des Ferritkerns 20 kann beispielsweise mit Hilfe der automatischen, geschlossenen Regelsysteme aus den Figuren 5 und 6 eingerichtet werden. Die Regelantriebe bestehen aus Schrittmotoren 29, die ihre Steuersignale S1...N vom Regelsystem 42 empfangen. Das Regelsystem wird mittels einer Ermittlungsvorrichtung 41 gesteuert, welche beispielsweise eine Temperaturmeßvorrichtung ist, mit deren Hilfe die tatsächlichen Werte der Oberflächentemperaturen T&sub0;&sub1;...T0k der Walze an verschiedenen Punkten auf der Walze 10 in Axialrichtung K - K der Walze gemessen werden. Das Regelsystem 42 hat eine Sollwerteinheit, mittels welcher das Temperaturprofil in Axialrichtung K - K der Walze optimal einstellbar ist.
Die Leistung des Wandlers 34 wird erfindungsgemäß über einen Anpassungstransformator 35 zu einem LC-Resonanzschaltkreis gespeist, wobei der Effekt und der Betrieb des Schaltkreises in Fig. 6 gezeigt ist. Bekanntermaßen hat der Transformator 35 einen Primärschaltkreis 35a, einen Kern 35b und einen Sekundärschaltkreis 35c. Der Sekundärschaltkreis hat n Stücke Anschlüsse 45&sub1;...45n, die über einen Umschalter 36 mit dem Resonanzschaltkreis 37 verbindbar sind, mittels welchem die Leistung zur Induktionsspule 30 gespeist wird. Natürlich kann die Resonanzfrequenz eines verbundenen RLC-Schaltkreises bekanntermaßen aus folgender Formel berechnet werden:
In Fig. 6 ist die Abhängigkeit des Stromes I im Schaltkreis 37 von der Frequenz fs gezeigt. Bei Resonanz beträgt der Strom Ir = U/R, wobei R der Widerstand des Schaltkreises 37 ist. In Fig. 5 ist die Spannung U nicht änderbar.
Die Effizienz des Transfers der Wärmeenergie ist optimal, wenn der Arbeitsvorgang bei Resonanzfrequenz fr stattfindet. Wegen einer Reihe von Gründen ist es jedoch nicht optimal, bei der Resonanzfrequenz fr und/oder gleichzeitig an deren beiden Seiten zu arbeiten, vielmehr ist die Arbeitsfrequenz innerhalb des Bereichs fa1...fy1 über der Resonanzfrequenz fr oder, auf entsprechende Weise, innerhalb des Bereichs fa2...fy2 unterhalb der Resonanzfrequenz fr gewählt. Innerhalb des Bereichs der Erfindung sind die Frequenzbereiche wie folgt gewählt: fa1...fy1 = (1,01...1,15) x fr oder fa2...fy2 = (0,85...0,99) x fr.
Gemäß Fig. 7 wird im RLC-Schaltkreis ein Reihenkondensator Cs verwendet. Die Grundabstimmung des Schaltkreises 37 wird derart durchgeführt, daß das Übertragungsverhältnis des Transformators 35 mit Hilfe des Schalters 36 derart gewählt ist, daß die aus der Gleichung (4) berechnete Resonanzfrequenz fr gemäß den vorhergehend erklärten Grundsätzen an richtiger Stelle angeordnet wird.
In Fig. 7 ist mittels gestrichelter Linien ein Parallelkondensator Cr gezeigt, wobei der Kondensator anstelle oder an der Seite des Reihenkondensators Cs verwendbar ist. Wie hinreichend bekannt, wird die Resonanzfrequenz fr in einem Parallelresonanzschaltkreis, dessen Induktionsspule (L) einen Widerstand R hat, wie folgt berechnet:
Die vorhergehende Gleichung (5) hat einen vom Widerstand R abhängigen Koeffizienten.
Hinsichtlich der Aufgaben der Erfindung ist in der Regel ein Reihenresonanzschaltkreis jedoch insbesondere hinsichtlich der Einstellung und Steuerung vorzuziehen.
Innerhalb des erfinderischen Bereiches wird die Resonanzfrequenz in der Regel innerhalb des Bereichs von fr = 200 Hz bis 30 kHz gewählt. Der Frequenzbereich fr = 200 bis 400 Hz gilt als besonders vorteilhaft.
Um die Effizienz der Leistungseinspeisung hoch zu halten und um das Phänomen von Instabilität, d.h. das "Weglaufrisiko", zu beseitigen, wird die Arbeitsfrequenz fs gemäß der Impedanz des Resonanzschaltkreises 37 automatisch eingestellt eingerichtet, so daß die Arbeitsfrequenz fs in der Nähe der Resonanzfrequenz fr bleibt und dennoch sicheren Abstand hinsichtlich des Weglaufrisikos hat, d.h. in den Bereichen fy1...fa1 oder fy2...fa2 aus Fig. 6.
Die Messung der Impedanz des Resonanzschaltkreises 37 kann beispielsweise auf der Messung des Stroms I basieren, der im Schaltkreis fließt. Diese Meßbetriebsweise ist in Fig. 7 mittels des Blocks 46 gezeigt, von welchem das Regelsignal b zur Regeleinheit 47 gesteuert wird, die die Frequenz fs des Frequenzwandlers 34 auf Grundlage des Regelsignals b ändert. Eine weitere Meßbetriebsweise der Impedanz, die als Alternative oder als Zusatz zur laufenden Messung verwendbar ist, ist es, ein Regelsignal c vom Block 42 zu leiten, aus welchem Informationen über die Positionen der Komponentkerne 20n, d.h. über die Luftspalte V, erhaltbar sind, die hauptsächlich die Impedanz dadurch bestimmen, daß auf die Induktivität L eingewirkt wird. Eine alternative Regelbetriebsweise ist es, ein Rückführsignal von den Schrittmotoren 29 zum Block 47 zu leiten und ferner auf die Ausgabefrequenz fs des Frequenzwandlers 34 einzuwirken.
Fig. 5 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei jeder Komponentkern 20n gemäß Fig. 3 mit einer eigenen Induktionsspule versehen ist. In jedem Komponentkern 20n wird vom Frequenzwandler 34 mittels Einspeisekabeln 44&sub1;...44N eine eigene separat einstellbare Frequenz f&sub1;...fN geleitet. Wenn nun der Luftspalt V jedes Komponentkerns 20 mittels der Schrittmotoren 29 eingestellt wird, wird die Resonanzfrequenz fr jedes separaten Resonanzschaltkreises geändert. Die Messung der Impedanz jedes einzelnen Resonanzschaltkreises wird mittels separater Strommeßgeräte 48&sub1;...48N durchgeführt, wobei die Freguenzwandeleinheit 34 oder -gruppe mittels der Signalreihen e&sub1;...eN gesteuert wird, die von den Strommeßgeräten empfangen werden, wobei die Signale die Daten enthalten, die beispielsweise die Luftspalte V von den unterschiedlichen Komponentkernen betreffen. Dadurch ist jede Frequenz f&sub1;...fN hinsichtlich der Effizienz der Leistungseinspeisung jedes Komponentkerns und hinsichtlich der Regelstabilität optimierbar. Damit eine ausreichend geringe Eindringtiefe erreicht wird, befinden sich die Frequenzen f&sub1;...fN beispielsweise innerhalb des Bereichs von 50,3 bis 1,0 kHz.
Der Kalander gemäß Fig. 8 hat eine Rahmenkonstruktion 150, die an einer Basis 111 befestigt ist. In Verbindung mit der Rahmenkonstruktion 150 des Kalanders wird mittels Stütz- und Ladeelemente (nicht gezeigt) ein Kalanderstapel 120 gedreht, wobei der Kalanderstapel, von oben her, aus einer Endwalze 10, Zwischenwalzen 122 und 123 sowie aus einer unteren Endwalze 10 besteht, in deren Verbindung ein Abstreifmesser 129 vorhanden ist. Beide Endwalzen 10 sind mit Bombierungsänderungs- oder Bombierungseinstelleinrichtungen 125;128 versehen, die innerhalb der Walze 10 auf in aus dem Stand der Technik bekannte Weise angeordnet sind und die entweder mittels eines Druckmediums und/oder magnetisch betätigt werden. Die Zwischenwalzen 122 und 123 in dem Kalander sind geeigneterweise sogenannte beheizte Doppel- Mantel-Walzen, deren Enden mit Anschlußeinrichtungen 126 und 127 versehen sind, mittels welcher die Innenräume der Zwischenwalzen 122,123 mit einem Heiz/-Kühlaggregat verbunden sind. Das Kühl/-Heizmedium kann beispielsweise umlaufendes Wasser sein.
Gemäß Fig. 8 sind in Verbindung mit den Endwalzen 10 erfindungsgemäß äußere Induktionsheizvorrichtungen 100 vorhanden, wobei Einzelheiten des Aufbaus der Vorrichtungen 100 aus dem Vorhergehenden oder aus Fig. 9 ersichtlich werden. Mittels der Heizvorrichtungen 100 wird mit Hilfe der darin vorgesehenen Magnetschuhe 20 ein Magnetfluß zum aus elektrisch leitendem Keramikmaterial bestehenden Außenmantel 3 der Walzen 10 gespeist, und zwar berührungslos über den Luftspalt V innerhalb des Sektors e, wobei der Magnetfluß im Außenmantel 3 Wirbelströme induziert. Diese Wirbelströme erzeugen aufgrund des Widerstands der Mäntel 3 der Walzen 10 einen Heizeffekt.
In Fig. 8 ist der Eintritt der Bahn W in den Kalander, beispielsweise von der Trockenpartie der Papiermaschine, mit Win bezeichnet, wobei sein Auslaß vom Kalander mit Wout bezeichnet ist. Gemäß Fig. 1 befindet sich an der Einlaßseite der Bahn Win eine Kühlwalze 112, mit welcher die Bahn Win über einen ausreichend großen Sektor a in Kontakt steht. An den Enden der Kühlwalze 112 befindet sich eine Verbindungseinrichtung 12a, mittels welcher der Raum zwischen dem Doppelmantel der Walze 12 mit einem Kühlwasseraggregat in Verbindung steht. Der Lauf der Bahn W zwischen der Walze 112 und dem ersten Kniff N&sub1; wird mittels der Leitwalze 115 geführt.
Vor der Leitwalze 115 sind in Verbindung mit dem Lauf der Bahn W an beiden Seiten der Bahn Befeuchtungsvorrichtungen 113 und 114 vorhanden. Mittels der Vorrichtungen 113,114 werden Wasserstrahlen S auf eine oder auf beide Flächen der Bahn W gesprüht, um einen geeigneten Feuchtegradienten in Dickenrichtung der Bahn zu erzeugen. Eine Befeuchtung ist nicht immer notwendig.
Die gesteigerten Temperaturen T&sub1;,T&sub2; = 150...200ºC der Endwalzen 10 werden mittels der vorhergehend beschriebenen Induktionsheizvorrichtungen 100 erzeugt, mit deren Hilfe es zudem möglich ist, das Temperaturprofil in Axialrichtung der Walze 10 zu steuern. Der Temperaturbereich T&sub2;,T&sub3; = 40...50ºC der Mittelwalzen 122 und 123 wird entweder ohne irgendwelche bestimmte Arbeitsweisen oder, falls nötig, mit Hilfe von Kühlung oder Beheizung der Walzen 122,123 erzeugt.
Im folgenden wird hauptsächlich unter Bezugnahme auf die Figuren 8 und 9 ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel der bei der Erfindung verwendeten Heizvorrichtungen 100 beschrieben, wobei die Vorrichtungen 100 in Verbindung mit einer oder beiden Endwalzen 10 eines Kalanders und, bei einigen speziellen Anmeldungen, falls nötig, zudem in Verbindung mit den anderen Walzen, d.h. mit den Zwischenwalzen 122,123 angeordnet sind. Die zu beschreibenden Vorrichtungen sind zudem bei den in Fig. 1 und 2 gezeigten Anmeldungen anwendbar. Falls nötig können in Verbindung mit einer Walze zudem mehrere Heizvorrichtungen vorhanden sein. Der Außenmantel der Walze 10 besteht aus einer elektrisch leitenden Keramikschicht 3, unter welcher vorzugsweise eine Isolierschicht 2 vorhanden ist. Im Inneren der Walzen 10 sind ihrerseits bekannte Bombierungsänderungs- oder Bombierungseinstellvorrichtungen vorhanden, für welche, wegen der äußeren Heizvorrichtung 100, ein freier Raum übrigbleibt, da es im Inneren der Walze 10 nicht notwendig ist, mit einem Flüssigkeitsmedium oder dergleichen arbeitende Heizvorrichtungen zu verwenden.
Die Vorrichtung 30 hat eine Anzahl von Seite an Seite angeordneten Komponentkernen 131&sub1;,131&sub2;...131N (N Stücke), deren Positionen unabhängig voneinander in Pfeilrichtung B aus Fig. 9 regelbar sind, um die Größenordnung d des wirksamen Luftspalts V zwischen den Vorderflächen der Kerne 31 und der Walze 10 einzustellen. Die Größenordnung d des Luftspalts V ist einstellbar, beispielsweise innerhalb des Bereichs d = 10...60 mm. Die Komponentkerne 131 haben beispielsweise eine gemeinsame Magnetspule, welche mittels Vorsprünge 133b an dem Behälterteil 133 gestützt ist. Ein einstellbarer Wechselstrom geeigneter Frequenz wird in die Spule 132 eingespeist.
Die Position jedes Komponentkernes 131 ist unabhängig von den anderen Komponentkernen 131 einstellbar, um die Größenordnung d des Luftspalts V und die Axialverteilung des Heizeffekts zu regeln. Für diesen Zweck sind Komponentkerne 131 mittels eines Flansches 135a an Armen 135 angebracht, wobei die Arme mittels Gleitmontierungen 138 in Führungsrohren 137 angeordnet sind. Spindeln 142 sind über Gewindegänge 141 mit den Armen 135 verbunden, wobei die Spindeln durch Spindelantriebe 136 betrieben werden. Die Spindelantriebe 136 sind auf bekannte Weise mit dem Regelsystem verbunden. Durch das Festlegen des Niveaus der Luftspalte d der Komponentkerne 131 und/oder Festlegen des Niveaus des Magnetstroms der Spule 132 ist es möglich, das Temperaturniveau der Walzen 10 zu regeln. Mittels individueller Regelung der Positionen der Komponentkerne 131 ist es möglich, das Axialtemperaturprofil zu regeln, und dadurch auf Grundlage der Änderungen des Radius der Walze 10 und auf bekannte Weise den Kniff und das Dickenprofil der zu kalandrierenden Bahn W zu regeln.
Vor der Vorderfläche der Komponentkerne 131 befindet sich ein Schutzbehälter 133, der mittels einer Rille-Vorsprung- Montierung 134 an dem Rahmenteil 140 der Heizvorrichtung 130 angebracht ist. Das Rahmenteil 140 der Heizvorrichtung oder - vorrichtungen 130 ist entweder an dem Rahmenteil 150 des Kalanders oder an Stützelementen dauerhaft befestigt, mittels welcher die Heizvorrichtung 130 von den Kalanderwalzen weiter auseinander verstellbar ist, beispielsweise in Verbindung mit einem Riß der Bahn W oder mit Wartungsarbeiten.

Claims

1. Verfahren in einer Maschine zur Herstellung von Papier oder Karton für das Beheizen der Außenfläche (10') eines derartigen Zylinders oder einer Walze (10), die sich in direktem Kontakt mit der Bahn (W) befindet, die gegen die Walzenfläche zu pressen ist, wobei die Bahn (W) behandelt, etwa entwässert oder kalandriert wird, und zwar mittels des Verfahrens, das die Schritte aufweist:

daß die Zylinder- oder Walzenfläche (10') von der Außenseite ihres Mantels unter Verwendung eines Magnetfeldes induktiv erwärmt wird, wodurch in einer Außenschicht (3) der Walze ein auf Wirbelströmen basierender Heizeffekt erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet,

daß als Fläche (10') des Zylinders oder der Walze eine relativ dünne Außenschicht (3) aus elektrisch leitendem Keramikmaterial vorgesehen ist, in welcher Schicht der Widerstandsheizeffekt konzentriert ist,

daß die Eindringtiefe des Heizeffekts in Radialrichtung der zu erwärmenden Walze mittels der Wahl der Dicke der Keramikaußenschicht (3) und/oder der elektrischen Frequenz (f) der Induktionsheizung beschränkt ist, und daß, außer seinen elektrischen Eigenschaften, das Keramikmaterial der Außenschicht (3) derart gewählt ist, daß der Zylinder- oder Walzenfläche (10') die notwendigen Festigkeitseigenschaften gegeben werden, und zwar sowohl hinsichtlich der Verschleißfestigkeit als auch hinsichtlich einer plötzlichen Temperaturänderung des Heizeffekts.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren in Verbindung mit Heißpreßung einer Papierbahn auf das Beheizen des Außenmantels eines derartigen Heißzylinders (10) angewendet wird, in Verbindung mit welchem ein oder mehrere Walzenkniffe (N&sub1;&sub0;,N&sub2;&sub0;) und/oder ein sogenannter langgestreckter Kniff (91/10) gebildet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Verfahren die Walzenfläche auf eine Temperatur erwärmt wird, die innerhalb des Bereichs von 140... 500ºC liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren bei der Entwässerungspreßung in einer Papiermaschine auf das Beheizen des Außenmantels (3) einer derartigen Preßwalze, geeigneterweise der Mittelwalze (10) in der Presse angewendet wird, wobei in Verbindung mit der Walze ein oder mehrere Preßkniffe (N&sub2;,N&sub3;) gebildet werden, die mit einem Preßfilz versehen sind, wobei die Temperatur der Außenschicht (3) der Walze (10) mittels des Verfahrens angehoben wird, so daß die Preßung intensiviert wird und/oder das Ablösen der Bahn (W) gefördert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren durch Erzeugen eines Heizeffekts gemäß der Erfindung an dem Punkt angewendet wird, an dem die Papierbahn von der Preßwalze, geeigneterweise von der Mittelwalze (10) einer Kompaktpressenpartie, abgelöst wird und anschließend weitergeleitet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren beim Kalandrieren einer Papierbahn durch das Vorsehen einer oder mehrerer Kalanderwalzen, vorzugsweise einer oder beider Extremwalzen (10) angewendet wird, und zwar mit einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung, wobei die Vorrichtung eine Wirbelstromerwärmung in der aus elektrisch leitendem Keramikmaterial bestehenden Außenschicht (3) einer in Verbindung mit der Vorrichtung angeordneten Kalanderwalze erzeugt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Verfahren der induktive Heizeffekt auf die Außenschicht (3) beschränkt ist, und zwar durch Ausschließen jeglicher Wärmeleitung mittels einer elektrisch und vorzugsweise einer zudem thermisch isolierenden Innenschicht (2), die unterhalb der Außenschicht (3) angeordnet ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Widerstand des elektrisch leitenden Keramikmaterials in der Außenschicht (3) geringer als 10&supmin;² Ωm ist und vorzugsweise innerhalb des Bereichs von 2...8 Ωm x 10&supmin;&sup5; liegt.

9. Vorrichtung für die Preßbehandlung einer Papierbahn für die Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einem Zylinder oder einer Walze (10), deren Außenfläche erwärmbar ist und in Verbindung mit welcher ein oder mehrere Walzenkniffe und/oder sogenannte langgestreckte Kniffe gebildet werden können, und ferner mit einer oder mehreren Induktivheizvorrichtungen (100;100'), die in Verbindung mit dem Zylinder oder der Walze (10) für das Heizen angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel des Zylinders oder der Walze (10) hauptsächlich aus einer Außenschicht (3) eines elektrisch leitenden Keramikmaterials besteht, wobei die Außenschicht mittels der Vorrichtungen erwärmt wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb der Außenschicht (3) eine elektrisch nicht leitende zweite Keramikschicht (2) oder eine entsprechende Isolierschicht vorhanden ist, unter welcher der aus Strukturmetall hergestellte Rahmenmantel (1) des Zylinders oder der Walze (10) vorhanden ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke s&sub3; der Außenschicht (3) innerhalb des Bereichs s&sub3; = 0,1...3 mm, vorzugsweise s&sub3; = 0,1...0,5 mm ist, und/oder daß die Dicke s&sub2; der elektrisch nicht leitenden und vorzugsweise thermisch isolierenden Zwischenschicht (2), die innerhalb der Außenschicht (3) angeordnet ist, innerhalb des Bereichs von s&sub2; = 3...10 mm, vorzugsweise s&sub2; = 4...5 mm liegt.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Widerstand der Außenschicht (3) innerhalb des Bereichs von < 10&supmin;² Ωm, vorzugsweise innerhalb des Bereichs von 2...8 Ωcm x 10&supmin;&sup5; gewählt worden ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrisch leitendes Keramikmaterial der Außenschicht (3) Boridkeramiken verwendet werden, welche geeigneterweise auf Diboriden von Titan und Zirkonium basieren.