Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Kalanders gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf einen Kalander gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
Bei einem bekannten Kalander dieser Art (DE 295 18 424) sind fünf und mehr Walzen, vorzugsweise 8 Walzen, übereinander angeordnet. Die Walzen bilden eine Anzahl von Arbeitsspalten, die je durch eine harte Walze und eine elastische Walze begrenzt sind, und einen Wechselspalt, der durch zwei elastische Walzen begrenzt ist. Für jede Walze ist ein eigener Antrieb vorgesehen. Die zusätzlich zum Hauptantrieb vorgesehenen Hilfsantriebe dienen dazu, die Umfangsgeschwindigkeit der jeweiligen Walze auf Bahngeschwindigkeit zu bringen, so daß das Walzenpaket bei Papier-Einführgeschwindigkeit geschlossen werden kann.
US 3 044 392 A beschreibt einen Kalander mit einem Walzenstapel, der zwischen zwei Endwalzen mehrere Mittelwalzen aufweist. Die untere Endwalze ist angetrieben. Eine durch den Kalander laufende Papierbahn nimmt die übrigen Walzen durch Reibung mit. Um eine Ausbiegung der Walzen zu verhindern, sind die Walzen abwechselnd zur Mittelebene des Walzenstapels versetzt angeordnet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Beeinflussungsmöglichkeit des Kalanders anzugeben.
Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Durch eine gezielte Ausbiegung einer Walze, mehrerer Walzen oder aller Walzen quer zur Mittelebene des Stapels läßt sich das Druckspannungsquerprofil beeinflussen. Innerhalb des großen Zulässigkeitsbereichs lassen sich je nach Grad der Durchbiegung kleinere bis größere Korrekturen erzielen. Insbesondere kann die Ausbiegung einer Walze der Ausbiegung der Nachbarwalze angepaßt werden, so daß sich ein hohes Maß an Gleichmäßigkeit ergibt. Dies gilt insbesondere im ersten und letzten Arbeitsspalt, weil an den Endwalzen eine nicht unterschreitbare Reaktionskraft angreift, die zu einer lediglich von der Steifigkeit der Walze abhängigen Ausbiegung führt.
Die Druckspannungs-Beeinflussung nach Anspruch 2 beruht auf der neuartigen Erkenntnis, daß bei einer Spreizung der Biegelinien benachbarter Walzen eine Entlastung nicht etwa in der Bahnmitte, sondern in den Randbereichen der Bahn erfolgt.
Die Merkmale des Anspruchs 3 geben an, wie die Antriebe angesteuert werden können, um auf einfache Weise Entlastung oder Belastung des Randbereichs zu erzielen.
Gemäß Anspruch 4 ist auch eine Regelung des Druckspannungsquerprofils von Vorteil. Hierbei sind die Antriebe Teil des Regelkreises.
Anspruch 5 bietet die vorteilhafte Möglichkeit, daß die Scherkräfte in der Bahn annähernd Null sind, was allerdings voraussetzt, daß eine Ausbiegung der Walzen vorhanden ist. Ein so hergestelltes Papier besitzt eine höhere Reißfestigkeit.
Die Forderung des Anspruchs 6, den Kleinstwert der Reaktionskräfte ungleich Null zu halten, bringt den Vorteil, daß die als Wälzlager ausgelegten Walzenlager eine höhere Lebensdauer haben, weil sie ständig unter Belastung stehen.
Die Ausgestaltung nach Anspruch 7 führt zu einem sehr gleichmäßigen Druckspannungsquerprofil.
Konstruktiv wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 8 gelöst. Mittelwalzen mit einem Schlankheitsgrad über 10 sind sehr leicht biegbar und geraten daher über die Grenze des Zulässigkeitsbereichs, wenn keine Gegensteuerung durch die Antriebsmomente erfolgt. Der Zulässigkeitsbereich wird überschritten, wenn die Biegelinien benachbarter Walzen so weit gespreizt sind, daß sich die Walzenenden voneinander abheben. Der Schlankheitsgrad ist definiert als Verhältnis von Länge zum Durchmesser. Solche schlanken Walzen sind von großem Vorteil, weil sie wegen der stärkeren Krümmung zu einer höheren Druckspannung im Spalt führen und weil sie ein geringeres Gewicht haben.
Ein bevorzugter Schlankheitsgrad liegt gemäß Anspruch 9 zwischen 12 und 16 und gemäß Anspruch 10 etwa bei 14.
Die beiden Endwalzen sollen dagegen gemäß Anspruch 11 einen geringeren Schlankheitsgrad haben. Ihre unvermeidliche Ausbiegung wird daher kleiner gehalten, so daß auch die Anpassung der nächsten Walze an die Durchbiegung der Endwalze nur eine geringe Ausbiegung erfordert.
Des weiteren kann der Kalander nach Anspruch 12 off-line angeordnet sein. Ein solcher Kalander, der unabhängig von der Papiermaschine arbeitet, läuft mit erheblich geringerer Geschwindigkeit als ein In-line-Kalander, der an eine Papiermaschine angeschlossen ist. Für einen solchen Off-line-Kalander hatte man einen einzigen Antrieb an einer Walze, die alle übrigen Walzen durch Reibung mitschleppte, für ausreichend angesehen und konnte daher die Wirkungen des Einzelantriebs nicht nutzen.
Gemäß Anspruch 13 sollte der Durchmesser wenigstens einer Mittelwalze maximal 100 cm sein. Dieser obere Grenzwert gilt für einen Kalander mit einer Breite von 10 m und mehr.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Ein Kalander 1 ist als Off-line-Kalander zwischen einer Abwickelstation 2 und einer Aufwickelstation 3 angeordnet. Er könnte aber auch als In-line-Kalander an den Ausgang einer Papiermaschine anschließen. Der Kalander besitzt einen vertikalen Stapel 4 aus acht Walzen 5 bis 12, nämlich einer Oberwalze 5 und einer Unterwalze 12, die beide als zonenweise gesteuerte Biegeeinstellwalzen ausgebildet sein können, und sechs Mittelwalzen 6 bis 11. Vier Walzen 5, 7, 10 und 12 haben eine harte metallische Oberfläche und vier Walzen 6, 8, 9 und 11 einen elastischen Kunststoffbelag. Die Walzen 7 und 10 sind mittels Heißdampf beheizbar.
Der Lagerblock 13 der Oberwalze 5 ist fest am Ständer 14 des Kalanders 1 angebracht. Die Lagerblöcke 15 der Mittelwalzen 6 bis 11 werden von Hebeln 16 getragen, die um am Ständer 14 befestigte Schwenkachsen 17 drehbar sind. Der Lagerblock 18 für die Unterwalze 12 ist an einer Vertikalführung 19 gehalten und kann mittels eines Hydraulikzylinders 20 nach oben gedrückt werden, so daß sich in den Arbeitsspalten 21 des Stapels eine ausreichende Streckenlast ergibt. Beim Absenken des Hydraulikzylinders 20 folgen diesem auch die Mittelwalzen 6 bis 11, bis die zugehörigen Hebel 16 an einem Anschlag 22 zur Anlage kommen und sämtliche Walzenspalte offen stehen. Die Hebel 16 werden durch Kraftgeber 23 belastet, mit denen die an den Hebeln hängenden Lasten und Gewichte ganz oder teilweise kompensiert werden können.
Eine Papierbahn 24 wird mit Hilfe von Leitwalzen 25 durch die Walzenspalte geführt. Ausgangsseitig ist eine Meßvorrichtung 26 vorgesehen, die einen Parameter der Papierbahn 24 mißt, und zwar über die gesamte Breite, sei es durch ein hin- und hergehendes Meßelement oder durch mehrere über die Breite verteilte Meßelemente. Als Parameter kommen beispielsweise Glanz, Glätte, Dikke o.dgl. in Betracht.
Jede der acht Walzen 5 bis 12 besitzt einen eigenen antrieb 27, dessen Antriebsmoment durch eine Steuervorrichtung 28 vorgegeben wird, wie dies schematisch durch die Ausgänge A5 bis A12 angegeben ist. Die Steuervorrichtung 28 besitzt weitere Ausgänge, insbesondere einen Ausgang B20, der den Druck für den Hydraulikzylinder 20 bestimmt, Ausgänge B5/12, welche den Druck in den Biegeeinstellvorrichtungen der Endwalzen 5 und 12 bestimmen, Ausgänge B23, welche den Druck in den Kraftgebern 23 bestimmen, und Ausgänge B6/10, welche die Zufuhr des Wärmeträgers in den beheizbaren Walzen 7 und 10 bestimmen.
Zahlreiche Eingänge E1 dienen der Eingabe von Daten, die für die Papierveredlung wesentlich sind, insbesondere die Sollwerte der gewünschten Papierparameter. Weitere Eingänge, wie der Eingang E 26, dienen der Eingabe von gemessenen Istwerten, beispielsweise der Glätte, Glanz oder Dicke.
In Fig. 2 bezeichnet FN diejenige Kraft, die zur Überwindung des Kalandrierwiderstandes erforderlich ist. Sie dient der Überwindung der Kompression des elastischen Walzenbezuges sowie den elastischen und plastischen Anteilen der Papierumformung. FN ändert sich mit den physikalischen Eigenschaften (z.B. der Dichte und Glätte) von Spalt zu Spalt, d.h. nicht nur mit der Walzenlast-Kennlinie.
MR bezeichnet die Reibungsmomente der Walzenlager und gegebenenfalls von Schabern und Dichtköpfen (Dreheinführungen für Heiz- oder Kühlmedien). Letztere können die Lagerreibungen deutlich übersteigen. Bei Biegeeinstellwalzen dominiert die Reibung aus der Ölströmung zwischen feststehender Achse und rotierendem Mantel sowie den hydrostatischen Ölspalten beziehungsweise den Dichtleisten bei S-Walzen.
FU ist die von den Walzen auf die Papierbahn 24 aufzubringende Kraft, die zur Überwindung des Kalandrierwiderstandes und gegebenenfalls einer etwa vorhandenen Bahnzugkraft ΔBZ erforderlich ist.
In Fig. 2 ist angenommen, daß die Kräfte FU je zur Hälfte auf die den Walzenspalt bildenden Walzen aufgeteilt werden. Da die Kalandrierwiderstände und damit die Kräfte FN von oben nach unten abnehmen, trifft dies auch für die Umfangskräfte FU zu.
Aus den Umfangskräften FU1, den Reibungsmomenten MR1 und dem Durchmesser D1 der Walze 5 läßt sich die angegebene Reaktionskraft FR1 berechnen, die nicht zu Null gemacht werden kann. Aus den Differenzen der Umfangskräfte ergeben sich für die Mittelwalzen Reaktionskräfte, die durch Änderung des Antriebsmoments der Einzelantriebe in einem gewissen Rahmen änderbar sind. Wichtig ist es, daß die Reaktionskräfte FR für die Durchbiegung, also die seitliche Ausbiegung der Walzen verantwortlich sind.
Erfindungsgemäß ist eine Steuervorrichtung 28 vorgesehen, mit der diese Antriebsmomente für jeden Einzelantrieb einstellbar sind, um auf diese Weise das Druckspannungsquerprofil zu beeinflussen. Ein hohes Maß an Gleichmäßigkeit der Druckspannung ergibt sich, wenn die Ausbiegung der obersten Mittelwalze 6 aus der Mittelebene des Stapels der unvermeidbaren Ausbiegung der Oberwalze 5 angepaßt ist. Auch wenn die Ausbiegung der Oberwalze 5 nur gering sein sollte, bringt eine Anpassung der Biegelinie der Walze 6 eine Verbesserung des Druckspannungsquerprofil mit sich.
In anderen Fällen, beispielsweise bei einer zu großen Kantenpressung, kann es interessant sein, die Biegelinien benachbarter Walzen, also deren Mittellinien, zu spreizen, um auf diese Weise die Druckspannungen an den Rändern der Bahn zu vermindern.
Eine andere günstige Betriebsweise, mit der besonders zugfestes Papier erzielt werden kann, sieht vor, daß auf die Bahn keine Scherkräfte ausgeübt werden. Auch dies setzt eine gewisse Ausbiegung der Mittelwalzen voraus.
Eine gewisse Reaktionskraft und Ausbiegung ist ohnehin erwünscht, damit die Walzenlager ständig eine gewisse Belastung erfahren und daher eine hohe Lebensdauer besitzen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform hatten die Mittelwalzen 6 bis 11 einen Schlankheitsgrad (Länge/Durchmesser) von etwa 14. Durch entsprechende Einstellung der Antriebsmomente der Einzelantriebe 27 wird zwangsweise eine zu starke Verbiegung der Walzen verhindert, so daß die Druckspannungswerte im Zulässigkeitsbereich bleiben und insbesondere kein Abheben der Walzen voneinander an ihren Enden auftritt.
Außerdem ist es möglich, gezielt für eine Friktion im Walzenspalt zu sorgen.
Von den dargestellten Beispielen kann in vielfacher Hinsicht abgewichen werden, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. Insbesondere kann der Kalander 1 auch im In-line-Betrieb verwendet werden. Die Zahl der Walzen kann variieren, wobei die bevorzugten Werte zwischen vier und acht liegen. Hierbei können auch die Endwalzen 5 und 12 als elastische Walzen ausgelegt und harten Mittelwalzen benachbart sein.