Fachartikel Papiertechnik

Bedienerfreundlich und effizient

ANDRITZ Küsters hat den Softnipkalander PrimeCal Soft für eine hervorragende Glättung von Papier und Karton bei höchster Effizienz und Betriebssicherheit weiterentwickelt und perfektioniert.

Dipl.-Ing. Andreas PeschDr.-Ing. Eduard DavydenkoANDRITZ Pulp & Paper, Division Paper &Tissue, R&D ANDRITZ Küsters

In den letzten Jahren hat sich der Trend von der Offline- zur Online-Technologie bei der Papier- und Kartonherstellung fortgesetzt. Gleichzeitig sind die Anforderungen an die Effizienz und Betriebssicherheit der Maschinen gestiegen. Durch die bekannten Veränderungen am Markt nimmt dabei die Anzahl von Umrüstungen älterer Papiermaschinen stark zu, was für den Einbau neuer Module ein extrem kompaktes Design erfordert. Die Papierveredelung (Kalandrieren und Streichen) steht dabei im Vordergrund. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, hat ANDRITZ Küsters den Softnipkalander PrimeCal Soft weiterentwickelt und perfektioniert. Das neue Design basiert auf 25 Jahren Erfahrungen mit über 350 Referenzen speziell in diesem Bereich. Die Vorteile des neuen Softnipkalanders werden am Beispiel der neuesten Referenz im vorliegenden Artikel erläutert.

Die Kalander-Technologie bei

ANDRITZ Küsters

Heute werden Softnipkalander in einem weiten Feld für die Glättung eingesetzt. ANDRITZ Küsters hat den Matt-Online-Kalander (MOL-Kalander) Anfang der 90-er Jahre als Online-Softnip-Kalander in die Papierindustrie eingeführt und seitdem kontinuierlich weiterentwickelt. Die MOL-Kalander wurden als 1-Nip-Kalander mit zwei Walzen oder als 2-Nip-Kalander mit 2×2 Walzen realisiert. Das Papier wird in einem Nip oder in zwei Nips, die jeweils aus einer harten, beheizten Walze und einer bezogenen elastischen Walze bestehen, geglättet.

Die Einführung der neuen Glätt-Technologie war vor allem dank der Entwicklung neuer Biegeausgleichswalzen möglich, welche das Herzstück eines Softnipkalanders darstellen. Bereits in den 60er Jahren hat Küsters mit der Schwimmenden Walze (S-Walze) die Voraussetzung für den Bau eines Online-Kalanders für breite und schnell laufende Papiermaschinen geschaffen – das erste System, welches in der Lage war, die Durchbiegung der Walzen über einen weiten Bereich der Arbeitsbreiten zu kompensieren (Abb. 1).

ANDRITZ Küsters hat die Walzentechnologie seitdem kontinuierlich weiterentwickelt und im Jahr 1994 eine zonengesteuerte Biegeausgleichswalze eingeführt. Bei der Multi Hydro Vario (MHV)-Walze wird der rotierende Walzenmantel an der feststehenden Achse mittels hydrostatischer Elemente abgestützt (Abb. 2). Durch die Regelung des Druckes in jedem einzelnen Element ist eine exakte Einstellung der Linienlastprofile im Nip möglich. Die MHV-Walzen werden mit einer oder zwei Reihen von hydrostatischen Elementen, welche die Kräfte auf den Walzenmantel übertragen, ausgerüstet. Eine Besonderheit ist die Möglichkeit, Rückzugskräfte durch Einbringung eines hydraulischen Ringkammerdruckes im Inneren der MHV-Walze zu erzeugen, was eine Plus/Minus-Korrektur ermöglicht. Die MHV-Technologie bietet dadurch eine am Markt einzigartig hohe Korrekturmöglichkeit, bei sehr schmalen Antwortbreiten (Breite der Korrekturzone 150 mm).

Die MHV-Walze wird mit Hilfe der Steuerungs-Software „Multimaster“ gesteuert. Die Steuerung greift dabei bereits auf alle mechanischen Daten des Walzensystems, die zuvor individuell für jede Walze mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode berechnet wurden, zu. Auf Basis dieser Daten ist die Steuerung in der Lage, die Reaktion der Walze im Voraus zu berechnen, was bereits beim ersten Steuerungseingriff eine sehr hohe Präzision in der Querprofilierung erzeugt. Die anschließende Querprofilregelung im Closed-Loop-Betrieb mit einem Online-QCS-Scanner wird dadurch enorm beschleunigt. Dies ermöglicht eine – gegenüber dem Wettbewerb – einzigartig kurze Anlaufzeit des PrimeCal Soft Kalanders.

Neues Design für lange Lebensdauer und höchste Effizienz

Die Kalanderständer des neuen PrimeCal Soft Kalanders werden in der neusten Ausführung mit einer Neigung von 20° gebaut (Abb. 3). Dieses Kalander-Design hat den Vorteil, dass die Walzenlager in jeder Betriebssituation eine Belastung erfahren. Dies wirkt sich positiv auf die Lebensdauer der Lager aus, da lastfrei drehende Lager einem erhöhten Verschleiß unterliegen. Die herkömmliche Bauweise, bei der das Lager im Ständer mit Hilfe eines Lagerdeckels fixiert wird, wurde nun durch eine neue Bauweise abgelöst, bei der das Lagergehäuse an der Walze verbleibt und gemeinsam mit der Walze am Ständer angeschraubt wird. Die Lagerkräfte werden dadurch gleichmäßig in den Rahmen eingeleitet, während Rahmenverformungen nicht auf das Lager übertragen werden (Abb. 4). Während es bei der herkömmlichen Konstruktionsweise mit Lagerdeckel zwangsläufig zu einer Reduzierung der Lagerluft kommt, bleibt diese bei der neuen Konstruktion vollständig erhalten, was die Lagerlebensdauer weiter erhöht.

Die neue Kraftverteilung hat außerdem den Vorteil, dass die Hebelarmlagerung immer unter Last steht. Diese Vorspannung erhöht die Gesamtsteifigkeit des Systems. Die resultierenden Eigenfrequenzen der Ständer liegen weit über der kritischen Drehzahl beziehungsweise den Betriebsfrequenzen der Thermowalze und der bezogenen MHV-Walze, was sich sehr positiv auf die Laufruhe des Kalanders auswirkt und letztendlich Barring vermeidet.

Besonderes Augenmerk wurde außerdem auf einen einfacheren Walzenwechsel gelegt. Der neue Kalander zeichnet sich durch eine sehr gute Zugänglichkeit und Bedienfreundlichkeit aus. Herzstück ist die neue Walzenbefestigung, mit der der Kalander ausgestattet ist. Durch dieses neue System lässt sich ein Walzenwechsel effizient und sehr schnell durchführen. Die Walzen werden dabei an jeder Ständerseite mit einer Schraube fixiert (bei einigen Kalanderbaureihen können auch zwei Superbolts pro Ständer Verwendung finden), die für den Walzenwechsel gelöst werden muss (Abb. 5; Abb. 6). Für die obenliegende Walze wird ein Superbolt der Marke Nordlock eingesetzt, der sich bereits in vielen Industriezweigen als eine extrem zuverlässige Verbindungslösung etabliert hat (Abb. 5). Er ermöglicht es dem Bediener, die Walze nur mit Hilfe eines einfachen Drehmomentschlüssels sicher zu fixieren. Der Superbolt wird dabei prinzipiell torsionsfrei angezogen und mechanisch vor Querkrafteinflüssen geschützt.

Im Marktvergleich erreicht ANDRITZ die kürzesten Walzenmontagen- und Walzenwechsel-Zeiten. Dies ist auf das ausgeklügelte Fügesystem und das einfache Positionieren der Lagergehäuse am Ständer zurückzuführen.

Entwickelt für geringsten Platzbedarf

Ein weiterer Pluspunkt ist eine kompakte Bauweise des neuen PrimeCal Soft Kalanders, die in einem sehr geringen Platzbedarf resultiert und eine Installation auch bei ungünstigen Platzverhältnissen ermöglicht. Trotz der kompakten Bauweise werden keine gesonderten Walzenwechselwerkzeuge benötigt. Der Walzenwechsel kann mit einem einfachen Traggurt durchgeführt werden (Abb. 7).

Viele Besonderheiten durch spezifische Anforderungen wurden bei der Konstruktion des neuen PrimeCal Soft Kalanders bereits berücksichtigt. Alle Komponenten wie Dampfblaskasten, Düsenfeuchter, Abschlagvorrichtung, Walzenrandkühlung, Schaber und die Bahnaufführung PrimeFeeder können sehr einfach in den Kalander integriert werden. Dadurch wird auch die Anordnung als 2-Nip-Kalander mit 2×2 Walzen sehr kompakt (Abb. 8). Als typische Anordnung hat sich der Aufbau mit zwei gegenüberstehenden Kalandern bewährt, wobei der Walzenwechsel beider Kalander in der Mitte zwischen beiden Kalandern erfolgt. An dieser Stelle angeordnete Aggregate, wie Leitwalzen oder PrimeFeeder sind an einem gesonderten Ständer, der mit wenig Aufwand aus dem Kalander gehoben werden kann, befestigt. Dadurch wird ein maximaler Raum für den Walzenwechsel geschaffen, während die Gesamtbreite des Doppelkalanders minimal bleibt.

Kompaktkalander bei Crown Van Gelder

Als Beispiel für einen solchen Softnipkalander in „Kompaktbauweise“ kann unsere Referenz bei Crown Van Gelder in Velsen, Niederlande, vorgestellt werden. Der Kalander wurde Ende Januar 2018 in Betrieb genommen. Mit der PM1 werden Spezialpapiere im Flächengewichtsbereich von 45 bis 180 g/m² hergestellt. Die PM1 hat eine
beschnittene Bahnbreite von circa
3690 mm und eine Konstruktionsgeschwindigkeit von 1100 m/min. Die Oberfläche der Papiere spielt für die Bedruckbarkeit eine entscheidende Rolle. Um diese zu erzielen, wird das Papier am Ende des Herstellungsprozesses einseitig oder zweiseitig geglättet.

Nach zahlreichen Technikumsversuchen entschied sich der Kunde für den Einsatz des neuen 2×2 Walzen Softnipkalanders PrimeCal Soft mit 2×2 Walzen. Der Kalander ist mit 2 MHV-Walzen inklusive „Multimaster“ Steuerung, einer neuartigen wasserbasierenden 2-Stufen Randkühlung und außerdem mit dem Bahnaufführsystem PrimeFeeder der neusten Generation ausgestattet.

Um eine gute Glätte zu erreichen, müssen viele Spezialpapiere bei hohen Temperaturen von bis zu 220°C kalandriert werden. Insbesondere bei niedrigen Flächengewichten können dabei hohe thermische Spannungen an den Rändern der Biegeausgleichswalzen auftreten. Die Walzenbezüge haben aufgrund ihrer Polymermaterialien eine relativ geringe Dauertemperaturbeständigkeit von ca. 120–130°C und ein maximal zulässiges Temperaturgefälle (im Belag) von ∆T = ca. 20–30°C. Erschwerend ist, dass die Papierbahnbreite bei einem Online-Kalander aufgrund der Schrumpfung des Papiers in der Trockenpartie nicht immer konstant ist und insbesondere bei Spezialpapieren deutlich variieren kann (≈ +/- 100 mm). Daher kann es zu einem direkten Kontakt zwischen der elastischen Walze und der Thermowalze kommen.

Neuartige, hocheffiziente Randkühlung für Spezialpapiere

Um die Walzenbezüge vor den thermischen Belastungen zu schützen, wird eine Kühlvorrichtung benötigt, die zugleich effizient und außerdem sehr kompakt ist. Für die Kühlung von Walzenbezügen kommen unterschiedliche Kühlmethoden zum Einsatz: Kühlung mit Luft (Abb. 10: LANTIER Airlan Luftinjektoren mit Schalldämpfung – grün markiert) und Kühlung mit Wassersprühnebel (Abb.10: ANDRITZ Eigenentwicklung – hellblau markiert). Die Randzonenkühlung wird in mehrere schmale Kühlzonen (50 mm) unterteilt. Durch die Einstellung der Volumenströme von Luft und Wasser wird in jeder einzelnen Kühlzone eine exakte Einstellung des Temperaturprofils möglich. Die Randkühlung ist in die Steuerungs-Software „Multimaster“ integriert und wird mit Hilfe dieser Software gesteuert. Die Steuerung greift dabei auf Messdaten zu[rück], die von zwei oszillierenden Temperaturkameras permanent geliefert werden (Abb. 10: rot markiert). Auf diese Weise lässt sich
die Temperatur des Walzenbezugs im Randbereich lückenlos und in Echtzeit überwachen. Das System ermöglicht
eine schnelle Reaktionszeit und bietet einen besonderen Schutz für die Walzenbezüge.

In Laborversuchen an unserem Pilotkalander wurde die Kühlleistung für Luft- und Wasserkühlung ermittelt. Diese Ergebnisse werden in Abb.11 dargestellt. Das Diagramm zeigt, dass mithilfe der Luftkühlung eine Temperaturreduzierung an der Walzenoberfläche von bis ca. 10°C möglich ist. Die Wasserkühlung hat demgegenüber eine deutlich höhere Kühlleistung. Abhängig von der Wassermenge und der Temperatur der Walzenoberfläche sind Reduzierungen von bis zu ∆T = 36°C möglich.

Da die Wasserkühlung erst ab Temperaturen von über 100°C vollständig wirksam wird (Verdampfungsenthalpie), ist es erforderlich, unterhalb dieser Walzentemperatur die Luftkühlung einzusetzen, um das Überschreiten des zulässigen Temperaturgefälles im Walzenbelag zu verhindern (∆T = circa 20–30°C). In der Praxis wird daher das Gesamtsystem aus Luftkühlung und Wassersprühnebelkühlung von der Steuerungs-Software individuell und temperaturabhängig geschaltet.

Zusammenfassung

Das neue Kalanderdesign von ANDRITZ Küsters bietet dem Kunden modernste Technologie bei gleichzeitig sehr kompakter Bauweise und ermöglich dadurch auch die Umrüstung älterer Anlagen unter ungünstigsten Platzverhältnissen.

Dabei wurden keine Kompromisse eingegangen. Alle herkömmlichen Komponenten, wie zum Beispiel Dampfblaskästen und Düsenfeuchter, sind in das System integrierbar.

Bedienerfreundlichkeit und Effizienz stehen im Vordergrund. Eine ausgeklügelte neue Walzenaufhängung erhöht die Lagerlebensdauer und reduziert die Walzenwechselzeiten. Neuentwickelte Technologien, wie eine hocheffiziente kompakte Randkühlung machen das Kalanderkonzept auch für den Bereich der Spezialpapiere interessant.