Im Produktionsprozess von Papiermaschinen spielen verschiedene Walzen eine unverzichtbare Rolle, von der Entwässerung nasser Papierbahnen bis zum Fixieren trockener Papierbahnen. Als eine der Kerntechnologien bei der Konstruktion von Papiermaschinenwalzen bestimmt die „Balligkeit“ – trotz des scheinbar geringen geometrischen Unterschieds – direkt die Gleichmäßigkeit und Stabilität der Papierqualität. Dieser Artikel analysiert die Balligkeitstechnologie von Papiermaschinenwalzen umfassend hinsichtlich Definition, Funktionsprinzip, Klassifizierung, wichtiger Einflussfaktoren bei der Konstruktion und Wartung und zeigt ihren wichtigen Wert für die Papierproduktion auf.

1. Definition der Krone: Wichtige Funktion bei geringfügigen Unterschieden

„Krone“ (auf Englisch „Crown“) bezieht sich speziell auf eine spezielle geometrische Struktur von Papiermaschinenwalzen entlang der axialen Richtung (Längsrichtung). Der Durchmesser des mittleren Bereichs des Walzenkörpers ist etwas größer als der der Endbereiche und bildet eine Kontur ähnlich einer „Taillentrommel“. Dieser Durchmesserunterschied wird üblicherweise in Mikrometern (μm) gemessen, und der Kronenwert einiger großer Presswalzen kann sogar 0,1–0,5 mm erreichen.

Der wichtigste Indikator zur Messung der Balligkeit ist der „Balligkeitswert“, der sich aus der Differenz zwischen dem maximalen Durchmesser des Walzenkörpers (üblicherweise in der Mitte der axialen Richtung) und dem Durchmesser der Walzenenden berechnet. Im Wesentlichen geht es bei der Balligkeitsauslegung darum, diesen winzigen Durchmesserunterschied voreinzustellen, um die Verformung der Walze durch den „Durchhang in der Mitte“ auszugleichen, die durch Faktoren wie Kraft- und Temperaturänderungen im tatsächlichen Betrieb verursacht wird. Letztendlich wird dadurch eine gleichmäßige Verteilung des Kontaktdrucks über die gesamte Breite der Walzenoberfläche und der Papierbahn (oder anderer Kontaktkomponenten) erreicht und so eine solide Grundlage für die Papierqualität geschaffen.

2. Kernfunktionen der Krone: Ausgleich von Verformungen und Aufrechterhaltung eines gleichmäßigen Drucks

Während des Betriebs von Papiermaschinenwalzen kommt es aufgrund mechanischer Belastungen, Temperaturschwankungen und anderer Faktoren zwangsläufig zu Verformungen. Ohne eine bombierte Konstruktion führt diese Verformung zu einem ungleichmäßigen Kontaktdruck zwischen der Walzenoberfläche und der Papierbahn – „höherer Druck an beiden Enden und niedrigerer Druck in der Mitte“ – und führt unmittelbar zu schwerwiegenden Qualitätsproblemen wie ungleichmäßigem Flächengewicht und ungleichmäßiger Entwässerung des Papiers. Der Kernvorteil der Bombierung liegt in der aktiven Kompensation dieser Verformungen, die sich insbesondere in folgenden Aspekten widerspiegelt:

2.1 Kompensation der Biegeverformung der Walzen

Wenn Kernwalzen von Papiermaschinen wie Press- und Kalanderwalzen in Betrieb sind, müssen sie erheblichen Druck auf die Papierbahn ausüben. Beispielsweise kann der lineare Druck von Presswalzen 100–500 kN/m erreichen. Bei Walzen mit einem großen Länge-Durchmesser-Verhältnis (z. B. kann die Länge von Presswalzen in Breitpapiermaschinen 8–12 Meter betragen) tritt unter Druck eine elastische Verformung auf, die sich in der Mitte nach unten biegt, ähnlich einer „Schulterpolbiegung unter Last“. Diese Verformung verursacht einen übermäßigen Kontaktdruck zwischen den Walzenenden und der Papierbahn, während der Druck in der Mitte nicht ausreicht. Infolgedessen wird die Papierbahn an beiden Enden übermäßig entwässert (was zu einem hohen Trockenheitsgrad und einem geringen Flächengewicht führt) und in der Mitte unterentwässert (was zu einem geringen Trockenheitsgrad und einem hohen Flächengewicht führt).

Die trommelförmige Struktur des Kronendesigns stellt jedoch sicher, dass nach dem Biegen der Walze die gesamte Walzenoberfläche parallel zur Papierbahn bleibt und so eine gleichmäßige Druckverteilung erreicht wird. Dadurch werden die durch Biegeverformung verursachten Qualitätsrisiken wirksam vermieden.

2.2 Kompensation der thermischen Verformung der Walze

Manche Walzen, wie z. B. Leitwalzen und Kalanderwalzen in der Trockenpartie, unterliegen während des Betriebs aufgrund des Kontakts mit heißen Papierbahnen und der Dampfheizung einer Wärmeausdehnung. Da der mittlere Teil des Walzenkörpers stärker erhitzt wird (die Enden sind mit Lagern verbunden und leiten Wärme schneller ab), ist seine Wärmeausdehnung größer als die der Enden, was zu einer „mittleren Wölbung“ des Walzenkörpers führt. In diesem Fall würde die Verwendung einer herkömmlichen Bombierungskonstruktion den ungleichmäßigen Kontaktdruck verschlimmern. Daher muss eine „negative Bombierung“ (bei der der Durchmesser des mittleren Teils etwas kleiner ist als der der Enden, auch als „umgekehrte Bombierung“ bezeichnet) konstruiert werden, um die zusätzliche Wölbung durch die Wärmeausdehnung auszugleichen und einen gleichmäßigen Kontaktdruck auf der Walzenoberfläche sicherzustellen.

2.3 Ausgleich von ungleichmäßigem Walzenoberflächenverschleiß

Bei manchen Walzen (z. B. Pressgummiwalzen) kommt es im Langzeitbetrieb häufiger zu Reibung an den Rändern der Papierbahn (da diese oft Verunreinigungen aufweisen). Dies führt zu einem schnelleren Verschleiß an den Enden als in der Mitte. Ohne Bombierung weist die Walzenoberfläche nach dem Verschleiß eine „Ausbuchtung in der Mitte und ein Durchhängen an den Enden“ auf, was wiederum die Druckverteilung beeinträchtigt. Durch die Voreinstellung der Bombierung kann die Gleichmäßigkeit der Walzenoberflächenkontur im Frühstadium des Verschleißes erhalten werden. Dies verlängert die Lebensdauer der Walze und reduziert verschleißbedingte Produktionsschwankungen.

3. Klassifizierung der Krone: Technische Auswahlmöglichkeiten angepasst an unterschiedliche Arbeitsbedingungen

Je nach Papiermaschinentyp (niedrige Geschwindigkeit/hohe Geschwindigkeit, schmale Breite/breite Breite), Walzenfunktion (Pressen/Kalandrieren/Führen) und Prozessanforderungen kann die Krone in verschiedene Typen unterteilt werden. Die verschiedenen Kronentypen unterscheiden sich in Designmerkmalen, Einstellmethoden und Anwendungsszenarien, wie in der folgenden Tabelle dargestellt:

4. Wichtige Einflussfaktoren bei der Kronenkonstruktion: Präzise Berechnung zur Anpassung an die Produktionsanforderungen

Der Kronenwert wird nicht willkürlich festgelegt. Er muss anhand der Walzenparameter und Prozessbedingungen umfassend berechnet werden, um eine effektive Funktion zu gewährleisten. Zu den wichtigsten Faktoren, die das Kronendesign beeinflussen, gehören vor allem die folgenden Aspekte:

4.1 Rollenabmessungen und Material

1. Rollenkörperlänge (L): Je länger der Walzenkörper, desto größer die Biegeverformung bei gleichem Druck und desto größer ist somit der erforderliche Balligkeitswert. Beispielsweise benötigen lange Walzen in Breitpapiermaschinen einen größeren Balligkeitswert als kurze Walzen in Schmalpapiermaschinen, um die Verformung auszugleichen.
2. Walzenkörperdurchmesser (D): Je kleiner der Walzenkörperdurchmesser, desto geringer die Steifigkeit und desto anfälliger ist die Walze für Verformungen unter Druck. Daher ist ein größerer Balligkeitswert erforderlich. Umgekehrt weisen Walzen mit größerem Durchmesser eine höhere Steifigkeit auf, und der Balligkeitswert kann entsprechend reduziert werden.
3. Materialsteifigkeit: Verschiedene Walzenkörpermaterialien weisen unterschiedliche Steifigkeiten auf. Beispielsweise sind Stahlwalzen wesentlich steifer als Gusseisenwalzen. Materialien mit geringerer Steifigkeit verformen sich unter Druck stärker und erfordern daher eine höhere Balligkeit.

4.2 Betriebsdruck (Lineardruck)

Der Betriebsdruck (linearer Druck) von Walzen wie Press- und Kalanderwalzen ist ein wichtiger Faktor für die Balligkeitskonstruktion. Je höher der lineare Druck, desto stärker ist die Biegeverformung des Walzenkörpers, und der Balligkeitswert muss entsprechend erhöht werden, um die Verformung auszugleichen. Ihr Verhältnis lässt sich grob mit der folgenden vereinfachten Formel ausdrücken: Balligkeitswert H ≈ (P×L³)/(48×E×I), wobei P der lineare Druck, L die Walzenlänge, E der Elastizitätsmodul des Materials und I das Trägheitsmoment des Walzenquerschnitts ist. Beispielsweise beträgt der lineare Druck von Presswalzen für Verpackungspapier üblicherweise mehr als 300 kN/m, daher muss der entsprechende Balligkeitswert höher sein als der von Presswalzen für Kulturpapier mit geringerem linearen Druck.

4.3 Maschinengeschwindigkeit und Papiertyp

1. Maschinengeschwindigkeit: Beim Betrieb von Hochgeschwindigkeits-Papiermaschinen (Geschwindigkeit > 1200 m/min) reagiert die Papierbahn deutlich empfindlicher auf Druckgleichmäßigkeit als bei langsam laufenden Papiermaschinen. Schon geringe Druckschwankungen können zu Qualitätsmängeln im Papier führen. Daher wird bei Hochgeschwindigkeits-Papiermaschinen üblicherweise eine „steuerbare Balligkeit“ eingesetzt, um dynamische Verformungen in Echtzeit auszugleichen und einen stabilen Druck zu gewährleisten.
2. Papiersorte: Unterschiedliche Papiersorten stellen unterschiedliche Anforderungen an die Druckgleichmäßigkeit. Seidenpapier (z. B. Toilettenpapier mit einem Flächengewicht von 10–20 g/m²) hat ein geringes Flächengewicht und reagiert äußerst empfindlich auf Druckschwankungen, sodass eine hochpräzise Kronenkonstruktion erforderlich ist. Im Gegensatz dazu ist dickes Papier (z. B. Karton mit einem Flächengewicht von 150–400 g/m²) druckbeständiger, sodass die Anforderungen an die Kronenpräzision entsprechend gesenkt werden können.

5. Häufige Kronenprobleme und Wartung: Rechtzeitige Inspektion zur Gewährleistung einer stabilen Produktion

Unangemessenes Kronendesign oder unsachgemäße Wartung wirken sich direkt auf die Papierqualität aus und verursachen eine Reihe von Produktionsproblemen. Die häufigsten Kronenprobleme und die entsprechenden Gegenmaßnahmen sind wie folgt:

5.1 Zu großer Kronenwert

Ein zu großer Crown-Wert führt zu übermäßigem Druck in der Mitte der Walzenoberfläche, was zu einem geringen Flächengewicht und einer hohen Trockenheit des Papiers in der Mitte führt. In schweren Fällen kann es sogar zu „Quetschen“ (Faserbruch) kommen, was die Festigkeit und das Aussehen des Papiers beeinträchtigt.

Gegenmaßnahmen: Bei Walzen mit fester Balligkeit, die in langsam laufenden Papiermaschinen verwendet werden, ist es notwendig, die Walzen durch Walzen mit einem geeigneten Balligkeitswert zu ersetzen. Bei Walzen mit steuerbarer Balligkeit in schnell laufenden Papiermaschinen kann der hydraulische oder pneumatische Druck durch das steuerbare Balligkeitssystem reduziert werden, um den Balligkeitswert zu verringern, bis die Druckverteilung gleichmäßig ist.

5.2 Zu kleiner Kronenwert

Ein zu geringer Crown-Wert führt zu einem unzureichenden Druck in der Mitte der Walzenoberfläche, was zu einer unzureichenden Entwässerung des Papiers in der Mitte, einem geringen Trockenheitsgrad, einem hohen Flächengewicht und Qualitätsmängeln wie „nassen Stellen“ führt. Gleichzeitig kann dies auch die Effizienz des nachfolgenden Trocknungsprozesses beeinträchtigen.

Gegenmaßnahmen: Bei Walzen mit fester Balligkeit muss der Walzenkörper nachbearbeitet werden, um die Balligkeit zu erhöhen. Bei Walzen mit steuerbarer Balligkeit kann der hydraulische oder pneumatische Druck erhöht werden, um die Balligkeit zu erhöhen und sicherzustellen, dass der Druck in der Mitte den Prozessanforderungen entspricht.

5.3 Ungleichmäßiger Verschleiß der Kronenkontur

Nach längerem Betrieb verschleißt die Walzenoberfläche. Bei ungleichmäßigem Verschleiß verformt sich die Kronenkontur und es entstehen „ungleichmäßige Stellen“ auf der Walzenoberfläche. Dies führt zu Fehlern wie „Streifen“ und „Eindrücken“ auf dem Papier, was die Qualität des Papiers erheblich beeinträchtigt.

Gegenmaßnahmen: Überprüfen Sie regelmäßig die Walzenoberfläche. Wenn der Verschleiß ein bestimmtes Maß erreicht, schleifen und reparieren Sie die Walzenoberfläche rechtzeitig (z. B. durch Nachschleifen der Kronenkontur von Pressgummiwalzen), um die normale Form und Größe der Krone wiederherzustellen und zu verhindern, dass übermäßiger Verschleiß die Produktion beeinträchtigt.

6. Fazit

Die Bombierung von Papiermaschinenwalzen ist eine scheinbar subtile, aber entscheidende Technologie und entscheidend für die Gewährleistung einer gleichmäßigen Papierqualität. Von der festen Bombierung in langsam laufenden Papiermaschinen bis hin zur steuerbaren Bombierung in schnell laufenden, breitbandigen Papiermaschinen stand bei der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Bombierungstechnologie stets das Ziel im Mittelpunkt, Verformungen auszugleichen und einen gleichmäßigen Druck zu erzielen, um sich an die unterschiedlichen Anforderungen der Papierherstellung anzupassen. Ein sinnvolles Bombierungsdesign löst nicht nur Qualitätsprobleme wie ungleichmäßiges Papierflächengewicht und schlechte Entwässerung, sondern verbessert auch die Betriebseffizienz der Papiermaschine (reduziert die Anzahl von Papierrissen) und senkt den Energieverbrauch (vermeidet Übertrocknung). Sie ist ein unverzichtbarer technischer Schlüsselfaktor für die Entwicklung der Papierindustrie hin zu „hoher Qualität, hoher Effizienz und niedrigem Energieverbrauch“. In der zukünftigen Papierproduktion wird die Bombierungstechnologie mit der kontinuierlichen Verbesserung der Anlagenpräzision und der kontinuierlichen Prozessoptimierung immer ausgefeilter und intelligenter und trägt so noch stärker zur qualitativ hochwertigen Entwicklung der Papierindustrie bei.