WO2018219516A1 - Verfahren zur oberflächenbehandlung eines stahlyankees - Google Patents

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Definitions

  • the subject of this invention is a method for treating a Yankee cylinder, wherein the Yankee cylinder a cylinder jacket made of steel with a
  • Yankee cylinders usually have a very large one
  • Diameter They are heated from the inside with steam and are difficult to produce, since very high requirements in terms of internal pressures, tightness and large diameters must be met.
  • Cylinder diameter 2000 mm to 6500 mm
  • Hollow shaft diameter 1000 mm to 2500 mm
  • Cylinder length 3000 mm to 8500 mm
  • a scraper blade abuts the outer circumferential surface of the Yankee cylinder with which the dried fibrous web is scraped off the Yankee surface.
  • Cylinder surface is not excluded that it comes to the material removal of the Yankee surface. In order to reduce this material removal, it is customary to Surface to be coated with a hard material layer.
  • EP 2 474 665 A1 describes a Yankee cylinder which is coated with a corresponding layer of hard material.
  • Yankee cylinders used to be made predominantly of cast iron from U.S. Pat.
  • US Pat. No. 4,196,689 and WO 2008/105005 A1 also already disclose Yankee cylinders made of steel.
  • Cast iron (hardness 240 HB), steel laminae are thermally coated with a wear protection.
  • a wire is melted and sprayed onto the Yankee surface, the resulting thermally sprayed layer has a considerably higher hardness than steel.
  • the sprayed layers have a layer thickness of approximately 0.75 mm.
  • thermally sprayed layer lies in its relatively low thermal conductivity.
  • the thermal conductivity of a thermally sprayed layer is only in the range of 3 - 7 W / mK. Opposite points the Yankee steel jacket has a thermal conductivity of up to 45 W / mK.
  • the aim of the invention is to provide a method for the
  • Cylinder jacket heat treated with a laser beam and hardened
  • the entire outer surface of the Yankee cylinder jacket is traversed by a laser beam, heated and thus cured.
  • An inventively cured Stahlyankee thereby has a 7% higher heat transfer and allows a
  • the thickness of the hardened surface layer is the thickness of the hardened surface layer.
  • P355NH (DIN EN 10028-3) is well suited as a base material.
  • This fine grain structural steel is characterized by a minimum yield strength of 275-460 MPa as well as good weldability and brittle fracture safety.
  • Laser beam hardening can achieve hardnesses of up to 400 HB when curing by conventional means. With this new procedure, a max. Hardness of 320HB aimed at with excellent thermal conductivity in the
  • the hardness of cast cylinders is in the range of 230-280 HB. It is advantageous if the surface of the Yankee cylinder is briefly heated by the laser beam to a temperature between 800 ° C and 900 ° C.
  • Heat treatment is preferably a high-power diode laser or C0 2 laser used, thus heating rates of> 1000 ° C / s can be realized.
  • Cylinder surface detachment of the fibrous web at the end of the drying process, and influencing the properties of the tissue produced).
  • a multiplicity of depressions uniformly distributed over the mantle surface can be burned into the surface by the laser beam, thereby producing a porous surface.
  • the surface of the Yankee cylinder is polished after the heat treatment.
  • a grinding of the surface is usually no longer necessary.
  • the outer surface of the cylinder jacket is heat-treated simultaneously with a plurality of laser beams.
  • the largely finished Yankee cylinder is preferably rotatably clamped horizontally with its stub axles. About one or more laser beams, the cladding surface is heat treated. The Yankee is slowly rotated, so that the laser beam the entire
  • Scope sweeps over. By moving the laser in the axial direction (parallel to the Yankee axis), the entire cylinder jacket surface can be heat treated. By using multiple lasers, the
  • Processing time can be shortened.
  • the treatment can be done by high power diode lasers, which have a

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Abstract

Den Gegenstand dieser Erfindung bildet ein Verfahren zur Behandlung eines Yankee-Zylinders, wobei der Yankee- Zylinder einen Zylindermantel aus Stahl mit einem ferritisch-perlitischen Gefüge (Stähle aus ASME SA516, ASME SA36 sowie AD2000 Wl Stähle 2.1 bis 2.4) aufweist. Erfindungsgemäß wird die äußere Oberfläche des Zylindermantels mit einem Laserstrahl wärmebehandelt und dadurch gehärtet.

Description

VERFAHREN ZUR OBERFLÄCHENBEHANDLUNG EINES STAHLYANKEES
Den Gegenstand dieser Erfindung bildet ein Verfahren zur Behandlung eines Yankee-Zylinders, wobei der Yankee- Zylinder einen Zylindermantel aus Stahl mit einem
ferritisch-perlitischen Gefüge aufweist.
Für die Herstellung von Papierbahnen oder Tissue ist es üblich, sogenannte Yankee-Zyl nder im Trocknungsprozess einzusetzen.
Yankee-Zylinder haben meistens einen sehr großen
Durchmesser. Sie werden von innen her mit Dampf beheizt und sind schwer herstellbar, da sehr hohe Anforderungen in Bezug auf die internen Drücke, Dichtheit und die großen Durchmesser erfüllt werden müssen.
Handelsübliche Yankee -Zylinder weisen beispielsweise folgende Dimensionen auf:
Zylinderdurchmesser : 2000 mm bis 6500 mm
Hohlwellendurchmesser : 1000 mm bis 2500 mm
Zylinderlänge : 3000 mm bis 8500 mm
Zylindermasse : 35 t bis 180 t
Beim Trocknungsprozess einer Faserstoffbahn liegt eine Schaberklinge an der äußeren Umfangsfläche des Yankee- Zylinders an, mit der die getrocknete Faserstoffbahn von der Yankee-Oberfläche abgeschabt wird. Durch einen
eventuellen Kontakt der Schaberklinge mit der
Zylinderoberfläche ist es nicht auszuschließen, dass es zum Materialabtrag der Yankee-Oberfläche kommt. Um diesen Materialabtrag zu reduzieren, ist es üblich, die Yankee- Oberfläche mit einer HartstoffSchicht zu beschichten. Die EP 2 474 665 AI beschreibt beispielsweise einen Yankee- Zylinder, der mit einer entsprechenden Hartstoffschicht beschichtet ist.
Yankee-Zylinder wurden früher überwiegend aus Gusseisen hergestellt, aus dem U.S. Patent US 4,196,689 und der WO 2008/105005 AI sind aber auch bereits Yankee-Zylinder aus Stahl bekannt .
Yankee-Zylinder aus Stahl weisen durch die bessere
Wärmeleitfähigkeit des Stahls eine höhere
Trocknungsleistung auf als Gusszylinder. Da Stahl (Härte 140 HB) jedoch eine geringere Härte als
Guss (Härte 240 HB) aufweist, werden Stahlyankees mit einem Verschleißschutz thermisch beschichtet. Dabei wird ein Draht geschmolzen und auf die Yankee-Oberfläche gespritzt, die dabei entstehende thermisch gespritzte Schicht weist eine erheblich höhere Härte als Stahl auf.
Die aufgespritzten Schichten, haben eine Schichtdicke von ungefähr 0,75 mm.
Diese Art der Oberflächenbehandlung ist jedoch recht aufwändig, da die Zylinderoberfläche vor der Beschichtung sandgestrahlt und nach der thermischen Beschichtung geschliffen und poliert werden muss. Es besteht auch ein Risiko des Abplatzens der Beschichtung.
Der Hauptnachteil dieser thermisch aufgespritzten Schicht liegt jedoch in ihrer relativ geringen Wärmeleitfähigkeit. Die Wärmeleitfähigkeit einer thermisch gespritzten Schicht liegt nur im Bereich von 3 - 7 W/mK. Dem gegenüber weist der Stahlmantel des Yankees eine Wärmeleitfähigkeit von bis zu 45 W/mK auf .
Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren für die
Oberflächenbehandlung eines Yankee-Zylinders aus Stahl bereitzustellen, das eine möglichst harte
Oberflächenschicht mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit ergibt .
Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren gemäß
Patentanspruch 1.
Erfindungsgemäß wird die äußere Oberfläche des
Zylindermantels mit einem Laserstrahl wärmebehandelt und so gehärtet .
Dabei wird die gesamte äußere Oberfläche des Yankee- Zylindermantels durch einen Laserstrahl abgefahren, erhitzt und so gehärtet .
Ein erfindungsmäßig gehärteter Stahlyankee hat dadurch einen 7% höheren Wärmetransfer und ermöglicht eine
Produktionssteigerung um 5% gegenüber herkömmlich
beschichteter Yankee-Zylinder aus Stahl.
Die Dicke der gehärteten Oberflächenschicht beträgt
zwischen 0,3 und 1,5 mm.
Beim herkömmlichen Laserstrahlhärten handelt es sich um ein Umwandlungshärten, bei dem ferritisch-perlitischer Stahl sehr schnell (mit ca. 1.000 K/s) auf eine Temperatur aufgeheizt wird, bei der sich die Gitterstruktur in einen feinen Austenit umwandelt. Die Zementitlamellen im Perlit lösen sich auf und der freigesetzte Kohlenstoff diffundiert in das Innere des Austenitkorns . Wenn sich der Laserstrahl fortbewegt, kühlt das Material infolge Selbstabschreckung schnell ab und die Gitterstruktur wandelt sich erneut. In einem konventionellen Verfahren zum Laserhärten unterdrückt die extrem schnelle Abkühlung die Diffusion des gleichmäßig im Austenit gelösten Kohlenstoffs. Damit wird die Bildung der ferritisch-perlitischen Mikrostruktur verhindert und es bildet sich der harte Martensit. Martensit ist zwar sehr hart, jedoch wäre die Bildung von Martensit auf der Yankee- Oberfläche nachteilig. Martensit begünstigt die Bildung von Mikrorissen, die die Lebensdauer des Stahlzylinders
erheblich verkürzen können.
Vorzugsweise kommt es daher beim erfindungsgemäßen
Verfahren zu keiner Gefügeveränderung, sondern nur zu einer Umkörnung, wodurch eine Feinkornhärtung erfolgt. Das ferritisch-perlitische Gefüge bleibt erhalten und die
Bildung von Martensit wird unterbunden. Die Abkühlung der austenitisierten Schicht muss dabei unter der unteren kritischen Abkühlgeschwindigkeit bleiben. Bei der unteren kritischen Abkühlgeschwindigkeit beginnt sich noch der Martensit zu bilden.
Es ist günstig, wenn als Basismaterial für den
Zylindermantel Stähle aus ASME SA516, ASME SA36 sowie
AD2000 Wl Stähle 2.1 bis 2.4. verwendet werden.
Beispielsweise eignet sich P355NH (DIN EN 10028-3) gut als Basismaterial .
Dieser Feinkornbaustahl ist durch eine Mindeststreckgrenze von 275-460 MPa sowie durch eine gute Schweißbarkeit und Sprödbruchsicherheit gekennzeichnet. Durch die
Laserstrahlhärtung lassen sich so Härten von bis zu 400 HB erreichen, wenn auf konventionellen Weg gehärtet wird. Bei diesem neuen Verfahren wird eine max. Härte von 320HB angestrebt, bei ausgezeichneter Wärmeleitfähigkeit im
Bereich von 45 W/mK.
Die Härte von Gusszylinder liegt zum Vergleich im Bereich von 230 - 280 HB. Es ist günstig, wenn die Oberfläche des Yankee-Zylinders durch den Laserstrahl kurzzeitig auf eine Temperatur zwischen 800 °C und 900 °C erwärmt wird. Für die
Wärmebehandlung wird vorzugsweise ein Hochleistungs- Diodenlaser oder C02-Laser verwendet, damit lassen sich Aufheizraten von > 1000°C/s realisieren.
Mit Hilfe des Laserstrahls kann auch ein Muster auf der Zylinderoberfläche erzeugt werden, durch das die Bildung eines Chemical Coating Films erleichtert werden kann. Mit dem Chemical Coating können verschiedene Nebenaufgaben erfüllt werden (Haften der Faserstoffbahn auf der
Zylinderoberfläche, Ablösen der Faserstoffbahn am Ende des Trocknungsprozesses, sowie Beeinflussung der Eigenschaften des hergestellten Tissues) . Beispielsweise können durch den Laserstrahl eine Vielzahl von über die Manteloberfläche gleichmäßig verteilte Vertiefungen in die Oberfläche eingebrannt werden, sodass dadurch eine poröse Oberfläche erzeugt wird.
Vorzugsweise wird die Oberfläche des Yankee-Zylinders nach der Wärmebehandlung poliert. Ein Schleifen der Oberfläche ist im Regelfall nicht mehr notwendig.
Zur Verkürzung der Behandlungsdauer ist es auch denkbar, dass die äußere Oberfläche des Zylindermantels mit mehreren Laserstrahlen gleichzeitig wärmebehandelt wird.
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren
beispielshaft beschrieben. Der weitgehend fertig bearbeitete Yankee-Zylinder wird vorzugsweise horizontal mit seinen Achsstummeln drehbar eingespannt. Über einen oder mehrere Laserstrahlen wird die Mantel-Oberfläche wärmebehandelt. Dabei wird der Yankee langsam gedreht, sodass der Laserstrahl den gesamten
Umfangsbereich überstreicht. Durch Verfahren des Lasers in axialer Richtung (parallel zur Yankee-Achse) kann die gesamte Zylindermanteloberfläche wärmebehandelt werden. Durch die Verwendung mehrerer Laser kann die
Bearbeitungszeit verkürzt werden. Die Behandlung kann über Hochleistungsdiodenlaser erfolgen, die einen
leistungsstarken, energiereichen Laserstrahl erzeugen.
Dabei kommt es zu einer sehr schnellen partiellen Erwärmung des Bauteiles (> 1000°C/s) . Danach kommt es zu einer
Selbstabschreckung aufgrund von Wärmedissipation in das
Bauteilinnere und an die Umgebung. Aufgrund dessen entsteht eine gehärtete Spur mit einer feinkörnigen Mikrostruktur. Ein Anlassen des Yankees kann dadurch auch entfallen. Der Yankee wird nach der Wärmebehandlung noch poliert, es ist jedoch auch denkbar, dass auf ein Polieren verzichtet werden kann.
Es ist auch denkbar, dass der Yankee direkt an seinem
Einsatzort im eingebauten Zustand wärmebehandelt wird. So können auch bereits verwendete Yankee-Zylinder nachträglich gehärtet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Behandlung eines Yankee-Zylinders, wobei der Yankee-Zylinder einen Zyl ndermantel aus Stahl mit einem ferritisch-perlitischen Gefüge aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Oberfläche des
Zylindermantels mit einem Laserstrahl wärmebehandelt und so gehärtet wird.
2. Verfahren zur Behandlung eines Yankee-Zylinders nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die
Wärmebehandlung eine Umkörnung des Gefüges an der
Oberfläche stattfindet, wobei jedoch das ferritisch- perlitische Gefüge weitgehend erhalten bleibt.
3. Verfahren zur Behandlung eines Yankee-Zylinders nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Stahl für den Zylindermantel schweißbarer Feinkornbaustahl P355NH verwendet wird.
4. Verfahren zur Behandlung eines Yankee-Zylinders nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche durch den Laserstrahl auf eine Temperatur zwischen 800 °C und 900 °C erwärmt wird.
5. Verfahren zur Behandlung eines Yankee-Zylinders nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung mit Hilfe eines Diodenlasers oder C02- Lasers durchgeführt wird.
6. Verfahren zur Behandlung eines Yankee-Zylinders nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe des Laserstrahls ein Muster auf der
Zylinderoberfläche erzeugt wird.
7. Verfahren zur Behandlung eines Yankee-Zylinders nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch den
Laserstrahl eine poröse Oberfläche erzeugt wird.
8. Verfahren zur Behandlung eines Yankee-Zylinders nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Yankee-Zylinders nach der
Wärmebehandlung poliert wird.
9. Verfahren zur Behandlung eines Yankee-Zylinders nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Oberfläche des Zylindermantels mit mehreren Laserstrahlen gleichzeitig wärmebehandelt wird.
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