Fachartikel Papiertechnik

Für Performancesteigerung bei Starkdruckpressen

Hohe Entwässerungsleistung, Energieeffizienz und absolute Betriebssicherheit spielen für die Leistungsfähigkeit einer Starkdruckpresse eine zentrale Rolle. HybriFlex Starkdruckpresswalzenbezüge von SchäferRolls leisten hierbei einen Beitrag zur nachhaltigen Steigerung der Wirtschaftlichkeit von Papier- und Kartonmaschinen.

Dipl. – Ing. (FH) Jörg Reiprich,

Leiter Anwendungstechnik SchäferRolls

Die Pressnipbedingungen in Starkdruckpressen sind äußerst anspruchsvoll. Hier liegen bereits bei den üblichen Betriebsbedingungen im Normalbetrieb hohe Spannungswerte im Pressnip vor. Im Falle einer lokalen mechanischen Beanspruchung, beispielsweise durch einen durch den Walzennip durchlaufenden Papierbatzen, werden extreme Anforderungen an das Walzenbezugssystem gestellt.

Um eine optimale Bindung zum Walzenkern und beste mechanische Eigenschaften zu erreichen, werden Starkdruckpresswalzenbezüge in mehreren Lagen unterschiedlicher Härte ausgeführt (vgl. Abbildung 1). Dadurch wird der hohe E-Modul-Sprung zwischen Walzenkernmaterial und Funktionslage in mehreren kleinen Schritten überbrückt. So werden hohe Spannungen innerhalb des Walzenbezugs beziehungsweise des Bindesystems vermieden und eine möglichst hohe Impacttoleranz für maximale Betriebssicherheit sichergestellt. Die übliche Funktionshärte konventioneller Gummibezüge für Starkdruckpressen liegt bei 20 – 30 P&J. Mit dieser Härte erreicht man eine ausreichend große Nipbreite, durch die eine entsprechende Nipverweilzeit und in Folge eine möglichst hohe mechanische Entwässerung gewährleistet wird. Gleichzeitig müssen bei der Auslegung des Walzenbezugs die notwendige mechanische Stabilität und ausreichende Verschleißeigenschaften berücksichtigt werden.

Im folgenden Anwendungsbeispiel wurde die dynamische Nipbreite mit Unterstützung des SchäferRolls SurfaceOptimizers, einer Software zur Auslegung und Planung von Oberflächendesign und Entwässerungsleistung von Walzenbezügen, mit 56,8 mm berechnet; der maximale Nipdruck liegt bei 5,88 MPa (vgl. Abbildung 2, linke Tabellenspalte). Die dynamische Nipbreite berücksichtigt die relative Versteifung der Walzenbezugsmaterialien aufgrund der vorliegenden Deformationsgeschwindigkeit und spiegelt so den tatsächlichen Betriebszustand wider. Sie ist mit den über statische Nipabdrücke ermittelten Nipbreiten nicht direkt vergleichbar und liefert entsprechend geringere Werte als statische Nipabdrücke.

Im vorliegenden Fall wurden die Walzenbezüge mit blindgebohrtem Oberflächendesign ausgeführt (vgl. Abbildung 3, linke Tabellenspalte). Üblicherweise liegt die offene Fläche bei Starkdruckpresswalzen im Bereich zwischen 20 – 30%, das damit erreichbare effektive Wasserspeichervolumen der Bezugsoberfläche bei 800 – 1.000 ml/m².

Die blindgebohrte Bezugsausführung führt deshalb in Einbaupositionen mit hohem Entwässerungsaufkommen zu einem Engpass bezüglich des benötigten Wasserspeichervolumens der Walzenbezugsoberfläche, insbesondere zum Ende der Lebensdauer der Walzenbezüge hin, wenn die Blindlochtiefen nach mehrmaligem Nachschleifen des Walzenbezugs reduziert sind. Diese Situation verschärft sich bei verschmutzten oder verschlissenen Filzen, die ebenfalls Speichervolumen im Nip bereitstellen.

In Abbildung 4 ist die Wasserbilanz entsprechend dem Lebensszenario der blindgebohrten Walzenbezüge für dieses typische Anwendungsbeispiel dargestellt. Die Tabelle zeigt die jeweilige Summe aus den zur Verfügung stehenden Wasserspeichervolumina der Walzenbezüge in Abhängigkeit von Blindlochtiefen und Zustand der Bespannung in Relation zur in der Presse anfallenden Wassermenge. Bereits nach wenigen Nachschliffen der Walzenbezüge wird ein kritischer Wert erreicht (in der Tabelle orange hinterlegt), der einen negativen Einfluss auf die Entwässerungsleistung, aber auch auf Papierqualität und Bespannungslaufzeit erwarten lässt.

Die rot hinterlegten Werte in der Wasserbilanz-Tabelle sind negativ; das Wasser im Nip übersteigt also das vorhandene Speichervolumen. Der Nip ist hydraulisch überlastet, der Papiermacher spricht von einem „abgesoffenen Nip“. Die Presse ist so praktisch nicht mehr fahrbar und es treten deutliche Beeinträchtigungen hinsichtlich Entwässerung, Papierqualität und Bespannungslaufzeit auf.

Zur Verbesserung der Situation ist also eine Erhöhung der offenen Fläche und des Wasserspeichervolumens notwendig, um die anfallenden Wassermengen zu beherrschen. Dies gelingt über ein blindgebohrt und zusätzlich gerilltes Oberflächendesign der Walzenbezüge. Hierdurch erreicht man kürzere Fließwege und insbesondere ein deutlich höheres Wasserspeichervolumen – im konkret vorliegenden Fall eine Erhöhung von 848 auf 1.258 ml/m² (vgl. Abbildung 3, rechte Tabellenspalte).

Durch die im Verlauf der Nutzung erneuerbare Rille, erhöht sich die Gesamtnutzbarkeit der Walzenbezüge und damit die Leistungsfähigkeit der Presse entscheidend. Abbildung 5 zeigt das entsprechende Lebensszenario in Bezug auf die Wasserbilanz – die Werte sind gegenüber der nur blindgebohrten Bezugsausführung deutlich verbessert. Hierdurch wird ein positiver Effekt auf die Entwässerungsleistung und damit den Trockengehalt der Presse erzielt. Damit werden teils beträchtliche Energieeinsparungen über die gesamte Lebensdauer der Walzenbezüge möglich.

Dieses vorteilhafte blindgebohrt-gerillte Oberflächendesign ist jedoch, unter der Annahme eines für diese Anwendung typischen maximalen Drucks im Nip im Bereich von 6 MPa, mit einem herkömmlichen Gummibezug nicht umsetzbar. Die zu erwartende Festigkeit eines üblicherweise in dieser Position eingesetzten 25 P&J harten Gummibezugs ist nicht ausreichend – unter der Druckbelastung im Pressnip würde sich das Speichervolumen der Rille verringern, im Extremfall bis zum vollständigen Verschließen der Rille. Um eine entsprechende Stabilität und damit ein auch unter Belastung verfügbares Wasserspeichervolumen sicherzustellen, ist also eine Erhöhung der mechanischen Festigkeit der Funktionslage notwendig.

Dies könnte über einen Polyurethanbezug in der Härte von 15 P&J realisiert werden. Hierbei können die geforderten Speichervolumina und offenen Flächen erreicht werden, die Lösung birgt aber gleichzeitig einen gravierenden Nachteil: Die dynamische Nipbreite sinkt um etwa 10% von 56,8 mm auf 51,9 mm (vgl. Abbildung 2, mittlere Tabellenspalte). Diese Abnahme der Nipbreite hat eine entsprechende Verringerung der Nipverweilzeit und gleichzeitige Erhöhung der Druckbelastung zur Folge. Der Einsatz eines härteren Polyurethanbezugs bewirkt über die höhere offene Fläche und das vergrößerte Wasserspeichervolumen zwar eine Verbesserung gegenüber dem blindgebohrten Standardkonzept, durch die verminderte Nipbreite geht aber ein Teil der möglichen Entwässerungsleistung verloren.

Optimal wäre eine Lösung, bei der neben Erhöhung von offener Bezugsoberfläche und Wasserspeichervolumen gleichzeitig auch eine höhere Nipbreite und damit eine längere Nipverweilzeit realisiert werden kann. Mit dem patentierten HybriFlex Zweischichtbezugskonzept erfüllt SchäferRolls nun beide Anforderungen in einem einzigen Starkdruckpresswalzenbezug.

Durch die Aufteilung der Funktionsschicht in zwei unterschiedliche Schichten, deren Eigenschaften gezielt auf ihre jeweilige Funktion hin optimiert werden, kombiniert das HybriFlex Design die Vorteile von weichen und harten Werkstoffen in einem Walzenbezug:

  • innen ein weicheres Polymermaterial (Innenschicht, 35 – 50 P&J), optimiert in Hinblick auf Elastizität und Rückformungsvermögen
  • außen ein härterer Polymermantel (Deckschicht 10 – 25 P&J), ausgerichtet auf höchstmögliche Verschleißfestigkeit und hohe Oberflächenstabilität

Beide Schichten sind funktionssicher miteinander verbunden. Die kombinierte Gesamthärte des Walzenbezugs bleibt annähernd erhalten oder kann zielgerichtet verändert werden.

Der im Anwendungsbeispiel eingesetzte HybriFlex Walzenbezug zeigt hier klar seine Stärken: Die härtere (18 P&J) Deckschicht verfügt über die notwendige Formstabilität und Verschleißfestigkeit, um die geforderte Oberflächenausführung mit Blindbohrung und zusätzlicher Rille umzusetzen. Die 35 P&J weiche Innenschicht erfüllt gleichzeitig mehrere Aufgaben: Die dynamische Nipbreite wird nicht nur erhalten, sondern deutlich erhöht; dies bewirkt eine entsprechend hohe Nipverweilzeit und eine Verringerung der spezifischen Druckbelastung. Zusätzlich wird durch die weiche Innenschicht eine stoßabsorbierende Wirkung erreicht, so dass die Impacttoleranz des Walzenbezugs erheblich steigt.

Im vorliegenden Fall konnte die dynamische Nipbreite durch den Einsatz von zwei HybriFlex Walzenbezügen von 56,8 mm auf 69,4 mm um mehr als 20% gesteigert werden (vgl. Abbildung 2, rechte Tabellenspalte). Diese für den dynamischen Lastfall berechneten Werte wurden durch statische Nipabdrücke durch den Kunden verifiziert.

Als Folge der verbesserten Entwässerungsleistung der Starkdruckpresse, erreicht durch die Erhöhung von offener Fläche, Wasserspeichervolumen und Nipverweilzeit, lassen sich deutliche Trockengehaltssteigerungen erzielen, die sich als Energieeinsparung in den Betriebskosten direkt bezahlt machen. Durch den geringeren hydraulischen Druck wird zusätzlich eine Erhöhung der Bespannungslebensdauer erreicht.

Das HybriFlex Zweischichtkonzept konnte seinen Erfolg bereits bei zahlreichen Papiermaschineneinsätzen in der Praxis nachweisen. So konnte man bei der Julius Schulte Trebsen GmbH & Co. KG in Trebsen durch den Einsatz von HybriFlex Walzenbezügen in der Starkdruckpresse eine deutliche Performancesteigerung erzielen. Mit Unterstützung des SchäferRolls SurfaceOptimizers wurde ein blindgebohrt-gerilltes Oberflächendesign umgesetzt und die optimale Positionierung der Rille im Verhältnis zu den Blindbohrungen ermittelt, um das in der Vergangenheit auf der Walzenoberfläche aufgetretene Verschleißmuster in „Waffelform“ zu eliminieren. Durch die erreichte Erhöhung der offenen Fläche konnte die Entwässerungsleistung deutlich gesteigert, gleichzeitig die Bezugsstandzeit auf Grund der verschleißfesten HybriFlex Deckschicht gehalten werden. Obwohl die Geschwindigkeit der Anlage von 650 m/min auf 800 m/min nach oben gefahren wurde, konnte die Last der Starkdruckpresse von 250 kN/m auf 200 kN/m gesenkt werden, ohne Einbußen in der Trockengehaltsleistung der Presse zu verzeichnen. Zusätzlich wurde so eine Schonung der Filznaht mit entsprechender Laufzeitverbesserung des Filzes erzielt. „Durch die vorhandene Lastreserve sehen wir Potenzial für weitere Geschwindigkeitssteigerungen in der Pressenpartie“, so Dipl.-Ing. Matthias Rasch, Technischer Leiter bei Schulte Trebsen.

Alles in allem bietet der HybriFlex Zweischichtbezug für Starkdruckpresswalzen also zahlreiche Optionen zur Verbesserung von Maschinenperformance, Energieeffizienz und Produktqualität.

Eine detaillierte anwendungstechnische Analyse der Maschinensituation hilft, Potenziale zu erkennen und durch gezielte Optimierung der Eigenschaften der Walzenbezüge die Wirtschaftlichkeit in der Karton- und Papierherstellung nachhaltig zu steigern.