[0001] Die Erfindung betrifft eine Walzenanordnung und eine Walze zur Druck- und vorzugsweise
auch Wärmebehandlung eines bahnförmigen Mediums.
[0002] Walzen, mit denen Druck auf ein bahnförmiges Medium ausgeübt wird, biegen sich. Dadurch
ist der Walzenspalt in der Walzenmitte gegenüber den Walzenrändern vergrößert und
der Liniendruck dort geringer.
[0003] Dieses Problem ist bei modernen Walzenanordnungen üblicherweise dadurch gelöst, dass
zumindest eine der Walzen als sog. Biegeausgleichswalze ausgeführt ist. Dabei handelt
es sich um eine Walze mit einer durchgehenden, nicht drehenden Achse, um die ein Rohr
rotiert. Zum Walzenspalt hin, wird das Rohr durch eine hydrostatische oder hydrodynamische
Einrichtung auf der Achse abgestützt, welche den Spaltdruck aufnimmt und sich dabei
unter der Belastung verbiegt. Der Walzenspalt selbst kann bei entsprechender Steuerung
des hydraulischen Druckes gleichmäßig eingestellt werden, wie auch der Liniendruck.
Die konstruktive Ausführung der Biegeausgleichswalze, das Hydraulik-Aggregat und die
Druckregelung verteuern allerdings eine solche Walzenanordnung.
[0004] Vor der Einführung der beschriebenen Biegeausgleichswalzen hat es nicht an Lösungen
gefehlt, das Problem des Biegeausgleichs rein mechanisch zu lösen. Ein vollkommener
Ausgleich wird beispielsweise dadurch erreicht, daß man zumindest eine der Walzen
mit einer sog. Bombage versieht. Entsprechend der Biegelinien wird diese Walze mit
einem zu den Walzenenden hin abnehmenden Walzendurchmesser geschliffen. Der Nachteil
besteht darin, dass ein derartiger Schliff nur für eine bestimmte Größe des Liniendrucks
paßt. Wird, z.B. bei einem Sortenwechsel, ein anderer Liniendruck erforderlich, muß
die Walze gegen eine solche mit passender Bombage gewechselt werden.
[0005] Eine Verringerung des Biegeproblems wird auch dadurch erreicht, dass die Walzen aus
einem Rohrkörper und einer Achse bestehen, die aber in den sog. Viertelpunkten fest
miteinander verbunden und dort abgestützt sind. Die Biegekurve des Rohres wird dann
W-förmig und der Profilfehler geringer.
[0006] Auch mechanische Verstellmechanismen sind bekannt, mit denen man die Walzenbiegung
bei veränderlichen Liniendrücken ausgleichen kann. Dazu gehört z.B. das sog. "Roll-Bending".
Die beiden Walzenzapfen sind verlängert und erhalten jeweils an ihrem äußeren Ende
eine zusätzliche Lagerstelle, vermittels derer ein Gegendruck aufgebracht werden kann.
Über die Hebelarme zu den Hauptlagern wird der Walzenkörper gewissermaßen "zurückgebogen".
Dies funktioniert nur bei relativ kurzen Walzen. Die großen auftretenden Kräfte machen
eine Herstellung dieser Walzen mit einem festen Stahlkern oder aus Verbundguss-Werkstoffen
notwendig, was diese Walzenanordnung sehr verteuert. Der Ausgleich des Spaltfehlers
ist keineswegs perfekt.
[0007] Ein weiterer Mechanismus ist das sog. "Skewing", das Verschränken einer der Walzen
gegen die andere. Der so gebildeten Walzenspalt weitet sich zu den Walzenrändern und
kompensiert so die Durchbiegung der Walzen. Da allerdings die Biegelinie und die Korrektur
nicht genau übereinstimmen, verbleibt ein W-förmiger Spaltfehler, welcher mit zunehmendem
Liniendruck und längerer Bahnlänge zunimmt. Dadurch beschränkt sich der Einsatz von
Skewing-Einrichtungen auf Tissue-Kalander, die mit äußerst geringen Liniendrücken
betrieben werden. Wo sie einsetzbar ist, stellt eine Skewing-Einrichtung eine sehr
kostengünstige Alternative zum Einsatz von Durchbiegungsausgleichwalzen dar.
[0008] Es ist eine Aufgabe der Erfindung, bei Walzen zur Druckbehandlung und vorzugsweise
auch Temperaturbehandlung von bahnförmigen Medien Spaltfehler zu verringern.
[0009] Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 5 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen werden durch die abhängigen Ansprüche beschrieben.
[0010] Nach der Erfindung wird bei einer Walze mit einem Walzenkörper, der eine axiale,
zentrale Bohrung aufweist, die lokale Steifigkeit des Walzenkörpers in radialer Richtung,
d.h. die radiale Steifigkeit, in der Weise variiert, dass durch die in axialer Richtung
sich ändernde radiale Steifigkeit ein Spaltfehler kompensiert wird, der im Betrieb
der Walze bei einem Abwälzen auf einer Gegenwalze ohne die erfindungsgemäße Variation
der Steifigkeit auftreten würde. Es weist in einer vorteilhaften Ausführung die Walze
einen rotationssymmetrischen, hohlzylindrischen Walzenkörper auf, dessen in radialer
Richtung gemessene Wandstärke sich in axialer Richtung ändert. Die Wandstärke ist
umso größer je größer die Spaltbreite ohne die erfindungsgemäße Wandstärkenvariation
wäre. Der Bohrungsdurchmesser bzw. die Wandstärke wird so optimiert, dass praktisch
eine gleichbleibende Spaltbreite über die auf das Medium wirkende Länge des Walzenkörpers
erzielt wird.
[0011] Die Variation der radialen Steifigkeit des Walzenkörpers kann durch eine Abstützeinrichtung
verwirklicht sein, die in der Walzenkörperbohrung, d.h. in dem sich durch den Walzenkörper
erstreckenden Hohlraum, angeordnet ist. Die Abstützeinrichtung kann durch einen oder
vorzugsweise mehrere in der Bohrung bzw. dem Hohlraum angeordnete Ringe verwirklicht
sein. Der Ring oder die vorzugsweise mehreren Ringe sind derart dimensioniert und
in axialer Richtung nebeneinander angeordnet und bilden in solcher Anordnung die Bohrung
derart mit, dass der zu erwartende Spaltfehler kompensiert wird. Vorteilhafterweise
sind Abstützstrukturen, die sich von dem Walzenkörpermantel bis zu der Drehachse des
Walzenkörpers erstrecken, nicht erforderlich. Im Falle der Anordnung von mehreren
Ringen, können sämtliche Ringe identisch ausgebildet sein oder unterschiedlich, bspw.
unterschiedlich breit in Axialrichtung des Walzenkörpers und/oder unterschiedlich
stark in radialer Richtung, um den im Betrieb der Walze zu erwartenden Spaltfehler
optimal zu kompensieren.
[0012] In ebenfalls bevorzugter Ausführung wird die Variation der radialen Steifigkeit unmittelbar
durch Formgebung eines Walzenkörpermantels erzielt.
[0013] Durch die Erfindung wird eine kostengünstig herstellbare Walze und Walzenanordnung
für die Druck- und gegebenenfalls Temperaturbehandlung bahnförmiger Medien, wie z.B.
Papier, bereitgestellt. Ein wesentlicher Kostenvorteil ergibt sich aus der vorzugsweise
rein mechanisch gelösten Weise des Biegeausgleichs, ohne die sonst üblichen Profilfehler
solcher Lösungen.
[0014] Die Erfindung verfolgt auch als ein Ziel, die Einsatzgrenzen der Skewing-Einrichtung
z.B. auf sog. Soft-Kalander auszuweiten. Dabei handelt es sich in vielen Fällen um
Walzenanordnungen aus zwei Walzen, von denen eine Walze über eine harte und beheizte
Oberfläche verfügt, während die andere Walze mit einem vergleichsweise weichen Bezug
aus Gummi oder einem polymeren Kunststoff versehen ist. Dieser Bezug hat dem Kalander
seinen Namen gegeben.
[0015] Wegen des weichen Bezugs entsteht im Betrieb von Soft-Kalandern ein breiter Arbeitsspalt,
der wiederum einen hohen Liniendruck erfordert, um das gewünschte Glättergebnis zu
erzielen. Liniendrücke zwischen 100 und 250 N/mm sind üblich. Die eingesetzten Walzen
werden aus Kostengründen auf die Festigkeit des Walzenwerkstoffes hin ausgelegt. Die
zulässigen Durchbiegungen sind dann so groß, dass der verbleibende Fehler im Spaltprofil
für den Glättvorgang nicht mehr toleriert werden kann. Eine Vergrößerung der Walzendurchmesser
in dem dafür nötigen Umfang ist nicht realisierbar, weil dies die Walzen und den Kalander
zu schwer und nicht mehr handhabbar machen würde. Auch hat die damit zwangsläufig
zunehmende Breite des Arbeitsspaltes nachteilige Auswirkungen auf den Glättvorgang
selbst.
[0016] Aus Gewichtsgründen werden die Walzen von Soft-Kalandern mit großen Zentralbohrungen
ausgeführt. Aufgrund mechanischer Zusammenhänge wirkt sich das ausgebohrte Material
stark auf das Gewicht aus, jedoch nur unwesentlich auf die Durchbiegung. Genaue Berechnungen
haben aber gezeigt, dass der Liniendruck zu einer Verformung der Walzenschale führt,
die man im Prinzip mit einer einseitigen Abplattung beschreiben könnte. Der Wert dieser
Abplattung hängt einmal von der Größe des Liniendrucks ab, zum andern aber von der
Wandstärke des Rohrkörpers. Durch Variation des Durchmessers der Zentralbohrung lässt
sich diese direkt beeinflussen.
[0017] Erfindungsgemäß wird dieser Effekt dazu genutzt, den verbleibenden W-förmigen Fehler
im Spaltprofil, wie er beim Verschränken der Walzen entsteht, auszugleichen. Dazu
werden eine oder auch beide Walzen im Soft-Kalander mit Zentralbohrungen versehen,
die in axialer Richtung im Durchmesser dem zu erwartenden Spaltfehler in der jeweiligen
Position in der Weise angepasst sind, dass sie bei einem gleichmäßigen Liniendruck
um den Betrag des Spaltfehlers in radialer Richtung nachgeben. Es kann gezeigt werden,
dass sich sowohl die Amplitude des nach dem Skewing verbleibenden Spaltfehlers als
auch der Betrag der elastischen radialen Verformung proportional zum jeweiligen Liniendruck
verhalten. Damit ergibt sich bei einer korrekt ausgeführten Form der Zentralbohrung
bei einem dem Liniendruck angepassten Skewing ohne weitere Korrektur ein gleichmäßiger
Spaltdruck.
[0018] Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren
erläutert. Sämtliche, anhand des Ausführungsbeispiels offenbarten Merkmale bilden
je einzeln oder in beliebiger Kombination die beanspruchte Erfindung in vorteilhafter
Weise weiter. Es zeigen:
- Figur 1
- einen Spaltfehlerverlauf,
- Figur 2
- eine erfindungsgemäße Walze und
- Figur 3
- die maximale Abplattung der Walze gemäß Figur 2 und der bei Skewing einer herkömmlichen
Walze maximal auftretende Spaltfehler jeweils als Funktion des Liniendrucks.
[0019] In Figur 1 ist beispielhaft der Spaltfehler in einem Soft-Kalander über die Breite
eines bahnförmigen Mediums, im Ausführungsbeispiel über die Papierbahnbreite, in einem
Diagramm dargestellt, wie er sich bei einem Liniendruck von 250 N/mm und optimierter
Verschränkung ergibt. Beide den Spalt bildenden Walzen haben einen äußeren Durchmesser
von 610 mm und einen Lagermittenabstand von 3.600 mm. Einer der Walzenkörper ist aus
Schalenhartguss und der andere aus Grauguss hergestellt. Die dargestellte Papierbahnbreite
beträgt 2.800 mm. Die Amplitude des Spaltfehlers beträgt etwa +- 34
µm, was für einen Soft-Kalander nicht mehr akzeptabel ist.
[0020] Figur 2 zeigt die Walze 1 aus Grauguss mit optimierter Wandstärke. Zur besseren Darstellung
wurde ein axialer Maßstab von 1:20 und ein radialer von 1:10 gewählt.
[0021] Die Walze 1 weist zwischen ihren beiden Lagerwalzenzapfen 2 einen rotationssymmetrischen,
hohlzylindrischen Walzenkörper 3 auf, der zusammen mit einem Walzenkörper einer Gegenwalze
den Spalt für die durchlaufende Bahn bildet. Der Walzenkörper 3 weist eine zentrale
Bohrung 4 mit einem Bohrungsdurchmesser d auf. Der Bohrungsdurchmesser d ändert sich
entlang der Walzendrehachse. Die Größe des Bohrungsdurchmessers d bzw. die Wandstärke
des Walzenkörpers 3 ist in Abhängigkeit von dem in Figur 1 dargestellten Verlauf des
ohne die erfindungsgemäße Kompensation zu erwartenden Spaltfehlers so gewählt, dass
ein Spalt möglichst konstanter Breite erhalten wird.
[0022] Die konzentrische, axiale Bohrung durch den Walzenkörper vergrößert sich allmählich
von den beiden Walzenkörperenden her bis zu einer Stelle größten Durchmessers d. Von
den beiden Stellen größten Durchmessers verringert sich der Walzendurchmesser d wieder
allmählich bis zur axialen Mitte des Walzenkörpers, wo die Bohrung den kleinsten Durchmesser
d aufweist. Auf diese Weise entsteht in Umkehrung des W-förmigen Verlaufs des zu erwartenden
Spaltfehlers gemäß Figur 1 ein in axialer Richtung weicher, M-förmiger Verlauf an
der Innenseite des Walzenkörpermantels mit einer maximalen Wandstärke in der Mitte
des Walzenkörpers und zwei symmetrisch beidseits der Mitte liegenden Minima der Wandstärke.
[0023] Etwa 350 mm von den Walzenrändern - dort wo der Walzenspalt von der Verschränkung
her um 34
µm zu klein wäre - ist die Walzenwand besonders dünn und nachgiebig gestaltet. In der
Walzenmitte sind die Verhältnisse umgekehrt. Berechnungen der Verformung des Walzenkörpers
3 haben gezeigt, dass bei einer Variation des Bohrungsdurchmessers d zwischen 460
mm an den beiden Seiten und 380 mm in der Walzenmitte bei einem Liniendruck von 250
N/mm der Unterschied der Verformung in radialer Richtung etwa 70
µm ausmacht, so dass bei solcher Dimensionierung der Bohrung 4 bzw. der Wandstärke
des Walzenkörpers 3 der zu erwartende Spaltfehler gemäß Figur 1 gerade kompensiert
wird.
[0024] Figur 3 zeigt beide Verformungen in Abhängigkeit vom Liniendruck. Es wird deutlich,
dass sich beide Einflüsse unabhängig vom Liniendruck gerade aufheben.
[0025] In prinzipiell gleicher Weise, lassen sich Spaltfehler auch bei anderen mechanischen
Verstelleinrichtungen, wie z.B. dem Roll-Bending, und grundsätzlich auch bei einer
ohne die erfmdungsgemäße Kompensation nicht W-förmigen Biegekurve der Walze beseitigen.
1. Walzenanordnung zur Druck- und vorzugsweise auch Wärmebehandlung eines bahnförmigen
Mediums mit
a) mit mindestens zwei Walzen mit Walzenkörpern (3), die einen Spalt für das zwischen
den zwei Walzen durchgeförderte Medium bilden,
b) wobei eine Walzenbiegung durch eine mechanisch wirkende Ausgleichsvorrichtung ausgeglichen
wird, insbesondere durch Verschränken der Walzen gegeneinander (Skewing) oder durch
Verbiegen der Walzen mit jeweils zwei Lagern pro Zapfen (Roll-Bending),
dadurch gekennzeichnet, dass
c) die lokale Steifigkeit in radialer Richtung von mindestens einem der Walzenkörper
(3) in der Weise in axialer Richtung variiert ist, dass der Verlauf der lokalen Steifigkeit
einen durch die Ausgleichsvorrichtung nicht beseitigten Spaltfehler kompensiert.
2. Walzenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Walzenkörper (3) eine zentrale Bohrung (4) mit in axialer Richtung unterschiedlich
großen Durchmessern aufweist.
3. Walzenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Walzenanordnung aus mindestens drei Walzen besteht und zumindest der Walzenkörper
(3) der mittleren der drei Walzen mit der variierten lokalen Steifigkeit in radialer
Richtung ausgeführt ist.
4. Walzenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Walzenkörper (3) von zwei oder mehr spaltbildenden Walzen je eine in axialer Richtung
variierte lokale Steifigkeit in radialer Richtung aufweisen.
5. Walze zur Druck- und vorzugsweise auch Wärmebehandlung eines bahnförmigen Mediums,
die einen Walzenkörper (3) mit einer zentralen Bohrung (4) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Kompensation eines Spaltfehlers bei einem Abwälzvorgang die lokale Steifigkeit
des Walzenkörpers (3) in radialer Richtung durch einen in axialer Richtung unterschiedlich
großen Durchmesser (d) der Bohrung (4) variiert ist.
6. Walze nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation
der lokalen Steifigkeit des Walzenkörpers (3) in radialer Richtung mittels einer in
der Bohrung (4) angeordneten inneren Abstützeinrichtung erzeugt wird.
7. Walze nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Abstützeinrichtung
durch wenigstens einen in der Bohrung (4) angeordneten Ring gebildet wird.
8. Walze nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass der Ring mit radialem
Pressdruck in der Bohrung (4) sitzt, wobei der Presssitz vorzugsweise durch Einschrumpfen
des wenigstens einen Ringes in die Bohrung (4) hergestellt ist.
9. Walze nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützeinrichtung
durch mehrere Ringe gebildet wird.
10. Walze nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer
der Ringe eine andere Steifigkeit in radialer Richtung aufweist als ein anderer oder
mehrere andere der Ringe.