Im Produktionsprozess von Papiermaschinen spielen verschiedene Walzen eine unverzichtbare Rolle, von der Entwässerung nasser Papierbahnen bis zur Fixierung trockener Papierbahnen. Als eine der Kerntechnologien im Walzenbau bestimmt die Walzenwölbung – trotz des scheinbar geringen geometrischen Unterschieds – maßgeblich die Gleichmäßigkeit und Stabilität der Papierqualität. Dieser Artikel analysiert die Walzenwölbungstechnologie von Papiermaschinen umfassend hinsichtlich Definition, Funktionsprinzip, Klassifizierung, wichtigsten Einflussfaktoren im Design und Wartung und verdeutlicht so ihren hohen Stellenwert in der Papierproduktion.

1. Definition der Krone: Wesentliche Funktion bei geringfügigen Unterschieden

Der Begriff „Crown“ (im Englischen als „Crown“ bezeichnet) beschreibt eine spezielle geometrische Struktur von Papiermaschinenwalzen in Längsrichtung. Der Durchmesser des mittleren Walzenbereichs ist etwas größer als der der Endbereiche, wodurch eine Kontur ähnlich einer „Taillenwalze“ entsteht. Dieser Durchmesserunterschied wird üblicherweise in Mikrometern (µm) gemessen, und der Crown-Wert einiger großer Presswalzen kann sogar 0,1–0,5 mm erreichen.

Der wichtigste Indikator für die Beurteilung der Walzenwölbung ist der „Walzenwölbungswert“. Dieser berechnet sich aus der Differenz zwischen dem maximalen Durchmesser des Walzenkörpers (üblicherweise in der Mitte der axialen Richtung) und dem Durchmesser der Walzenenden. Im Wesentlichen geht es bei der Walzenwölbung darum, diese geringe Durchmesserdifferenz so einzustellen, dass die durch Faktoren wie Kraft- und Temperaturänderungen im Betrieb verursachte Durchbiegung der Walze in der Mitte ausgeglichen wird. Dadurch wird eine gleichmäßige Verteilung des Anpressdrucks über die gesamte Breite der Walzenoberfläche und der Papierbahn (oder anderer Kontaktkomponenten) erreicht und somit eine solide Grundlage für die Papierqualität geschaffen.

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

Während des Betriebs von Papiermaschinenwalzen ist eine Verformung aufgrund mechanischer Belastungen, Temperaturschwankungen und anderer Faktoren unvermeidlich. Ohne eine entsprechende Wölbung führt diese Verformung zu einem ungleichmäßigen Anpressdruck zwischen Walzenoberfläche und Papierbahn – „höherer Druck an den Enden und niedrigerer Druck in der Mitte“ – was direkt zu gravierenden Qualitätsproblemen wie ungleichmäßigem Flächengewicht und ungleichmäßiger Entwässerung des Papiers führt. Der Kernvorteil einer solchen Wölbung liegt in der aktiven Kompensation dieser Verformungen, was sich insbesondere in folgenden Aspekten zeigt:

2.1 Kompensation der Walzbiegeverformung

Beim Betrieb von Papiermaschinen, insbesondere von Press- und Kalanderwalzen, muss ein erheblicher Druck auf die Papierbahn ausgeübt werden. Der lineare Druck von Presswalzen kann beispielsweise 100–500 kN/m erreichen. Bei Walzen mit einem großen Längen-Durchmesser-Verhältnis (z. B. 8–12 Meter Länge bei Presswalzen von Breitpapiermaschinen) kommt es unter Druck zu einer elastischen Verformung in der Mitte, ähnlich dem Durchbiegen einer Schulterstange unter Last. Diese Verformung führt zu einem zu hohen Anpressdruck zwischen den Walzenenden und der Papierbahn, während der Druck in der Mitte unzureichend ist. Die Folge ist eine Überentwässerung der Papierbahn an beiden Enden (hoher Trockenheitsgrad und niedriges Flächengewicht) und eine Unterentwässerung in der Mitte (niedriger Trockenheitsgrad und hohes Flächengewicht).

Die trommelförmige Kronenkonstruktion gewährleistet jedoch, dass nach dem Biegen der Walze deren gesamte Oberfläche parallel zur Papierbahn anliegt und somit eine gleichmäßige Druckverteilung erreicht wird. Dadurch werden die durch Biegeverformung bedingten Qualitätsrisiken wirksam minimiert.

2.2 Kompensation der thermischen Verformung der Walzen

Einige Walzen, wie beispielsweise Führungs- und Kalanderwalzen im Trockenbereich, dehnen sich im Betrieb durch den Kontakt mit den heißen Papierbahnen und der Dampfheizung thermisch aus. Da der mittlere Teil des Walzenkörpers stärker erhitzt wird (die Enden sind mit Lagern verbunden und geben die Wärme schneller ab), ist seine Wärmeausdehnung größer als die der Enden, was zu einer Ausbeulung in der Mitte des Walzenkörpers führt. In diesem Fall würde eine herkömmliche Wölbung die ungleichmäßige Anpresskraft noch verstärken. Daher muss eine „negative Wölbung“ (bei der der Durchmesser des mittleren Teils etwas kleiner ist als der der Enden, auch „umgekehrte Wölbung“ genannt) konstruiert werden, um die durch die Wärmeausdehnung verursachte zusätzliche Ausbeulung auszugleichen und einen gleichmäßigen Anpressdruck auf der Walzenoberfläche zu gewährleisten.

2.3 Ausgleich ungleichmäßigen Walzenoberflächenverschleißes

Im Langzeitbetrieb kommt es bei manchen Walzen (z. B. Pressgummiwalzen) zu häufigerer Reibung an den Rändern der Papierbahn (da sich dort vermehrt Verunreinigungen ansammeln), was zu einem schnelleren Verschleiß an den Enden als in der Mitte führt. Ohne Wölbung weist die Walzenoberfläche nach dem Verschleiß eine Ausbeulung in der Mitte und eine Durchbiegung an den Enden auf, was wiederum die Druckverteilung beeinträchtigt. Durch die voreingestellte Wölbung bleibt die gleichmäßige Kontur der Walzenoberfläche bereits im Frühstadium des Verschleißes erhalten. Dies verlängert die Lebensdauer der Walze und reduziert verschleißbedingte Produktionsschwankungen.

3. Klassifizierung von Kronen: Technische Optionen angepasst an unterschiedliche Arbeitsbedingungen

Je nach Papiermaschinentyp (niedrige/hohe Geschwindigkeit, schmale/breite Breite), Walzenfunktion (Pressen/Kalandern/Führen) und Prozessanforderungen lassen sich Walzenkronen in verschiedene Typen unterteilen. Die verschiedenen Walzenkronentypen unterscheiden sich in Konstruktionsmerkmalen, Einstellmethoden und Anwendungsbereichen, wie in der folgenden Tabelle detailliert aufgeführt:

4. Wichtigste Einflussfaktoren bei der Kronengestaltung: Präzise Berechnung zur Anpassung an die Produktionsanforderungen

Der Kronenwert wird nicht willkürlich festgelegt; er muss umfassend anhand der Walzenparameter und Prozessbedingungen berechnet werden, um seine effektive Funktion zu gewährleisten. Zu den wichtigsten Faktoren, die die Kronengestaltung beeinflussen, gehören im Wesentlichen die folgenden Aspekte:

4.1 Rollenabmessungen und Material

1. Rollenkörperlänge (L)Je länger der Walzenkörper, desto größer die Biegeverformung unter gleichem Druck und desto höher der erforderliche Wölbungswert. Beispielsweise benötigen lange Walzen in Breitpapiermaschinen einen höheren Wölbungswert 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 höherer Wölbungswert erforderlich. Umgekehrt weisen Walzen mit größerem Durchmesser eine höhere Steifigkeit auf, wodurch der Wölbungswert entsprechend reduziert werden kann.
3. MaterialsteifigkeitWalzenkörper aus unterschiedlichen Materialien weisen unterschiedliche Steifigkeiten auf; beispielsweise besitzen Stahlwalzen eine deutlich höhere Steifigkeit als Gusseisenwalzen. Materialien mit geringerer Steifigkeit verformen sich unter Druck stärker, was einen höheren Wölbungswert erfordert.

4.2 Betriebsdruck (Linearer Druck)

Der Betriebsdruck (linearer Druck) von Walzen wie Press- und Kalanderwalzen ist ein wichtiger Faktor für die Wölbungsauslegung. Je höher der lineare Druck, desto größer die Biegeverformung des Walzenkörpers. Der Wölbungswert muss entsprechend erhöht werden, um diese Verformung auszugleichen. Dieser Zusammenhang lässt sich näherungsweise durch die vereinfachte Formel Wölbungswert H ≈ (P×L³)/(48×E×I) ausdrücken, wobei P der lineare Druck, L die Walzenlänge, E der Elastizitätsmodul des Materials und I das Flächenträgheitsmoment des Walzenquerschnitts ist. Beispielsweise liegt der lineare Druck von Presswalzen für Verpackungspapier üblicherweise über 300 kN/m, weshalb der entsprechende Wölbungswert größer sein muss als bei Presswalzen für Kulturpapier mit niedrigerem linearen Druck.

4.3 Maschinengeschwindigkeit und Papiersorte

1. MaschinengeschwindigkeitBei Hochgeschwindigkeits-Papiermaschinen (Geschwindigkeit > 1200 m/min) reagiert die Papierbahn deutlich empfindlicher auf Druckungleichmäßigkeiten als bei Niedriggeschwindigkeits-Papiermaschinen. Selbst geringfügige Druckschwankungen können zu Qualitätsmängeln führen. Daher verwenden Hochgeschwindigkeits-Papiermaschinen üblicherweise eine „steuerbare Wölbung“, um dynamische Verformungen in Echtzeit auszugleichen und einen stabilen Druck zu gewährleisten.
2. PapiersorteUnterschiedliche Papiersorten stellen unterschiedliche Anforderungen an die Druckgleichmäßigkeit. Tissuepapier (z. B. Toilettenpapier mit einem Flächengewicht von 10–20 g/m²) hat ein geringes Flächengewicht und reagiert äußerst empfindlich auf Druckschwankungen, was eine hochpräzise Kronenkonstruktion erfordert. Dickeres Papier (z. B. Karton mit einem Flächengewicht von 150–400 g/m²) hingegen ist druckunempfindlicher, sodass die Anforderungen an die Kronenpräzision entsprechend geringer ausfallen können.

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

Unangemessene Kronenkonstruktion oder mangelhafte Wartung beeinträchtigen die Papierqualität unmittelbar und führen zu einer Reihe von Produktionsproblemen. Die häufigsten Kronenprobleme und entsprechende Gegenmaßnahmen sind folgende:

5.1 Übermäßig hoher Kronenwert

Ein zu hoher Kronenwert führt zu übermäßigem Druck in der Mitte der Walzenoberfläche, was ein geringes Flächengewicht und eine hohe Trockenheit des Papiers in diesem Bereich zur Folge hat. In schweren Fällen kann es sogar zu Faserbruch kommen, was die Festigkeit und das Aussehen des Papiers beeinträchtigt.

GegenmaßnahmenBei Walzen mit fester Wölbung in Papiermaschinen mit niedriger Geschwindigkeit müssen die Walzen durch solche mit geeignetem Wölbungswert ersetzt werden. Bei Walzen mit einstellbarer Wölbung in Papiermaschinen mit hoher Geschwindigkeit kann der hydraulische oder pneumatische Druck über das entsprechende System reduziert werden, um den Wölbungswert so lange zu verringern, bis eine gleichmäßige Druckverteilung erreicht ist.

5.2 Unverhältnismäßig kleiner Kronenwert

Ein zu geringer Kronenwert führt zu unzureichendem Druck in der Mitte der Walzenoberfläche. Dies bedingt eine ungenügende Entwässerung des Papiers in der Mitte, geringe Trockenheit, hohes Flächengewicht und Qualitätsmängel wie „Feuchtstellen“. Gleichzeitig kann er auch die Effizienz des nachfolgenden Trocknungsprozesses beeinträchtigen.

GegenmaßnahmenBei Walzen mit fester Wölbung muss der Walzenkörper nachbearbeitet werden, um den Wölbungswert zu erhöhen. Bei Walzen mit steuerbarer Wölbung kann der hydraulische oder pneumatische Druck erhöht werden, um den Wölbungswert zu steigern, wobei sicherzustellen ist, dass der Druck in der Walzenmitte den Prozessanforderungen entspricht.

5.3 Ungleichmäßiger Verschleiß der Kronenkontur

Nach längerem Betrieb unterliegt die Walzenoberfläche einem gewissen Verschleiß. Bei ungleichmäßigem Verschleiß verformt sich die Wölbung, und es entstehen Unebenheiten auf der Walzenoberfläche. Dies führt wiederum zu Fehlern wie Streifen und Dellen im Papier und beeinträchtigt dessen Erscheinungsbild erheblich.

GegenmaßnahmenDie Walzenoberfläche ist regelmäßig zu prüfen. Sobald ein bestimmter Verschleißgrad erreicht ist, muss die Walzenoberfläche rechtzeitig nachgeschliffen und repariert werden (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. Schlussfolgerung

Als scheinbar subtile, aber entscheidende Technologie ist die Walzenwölbung von Papiermaschinen der Kern für eine gleichbleibende Papierqualität. Von der festen Wölbung in langsam laufenden Papiermaschinen bis hin zur steuerbaren Wölbung in Hochgeschwindigkeits- und Breitwalzenmaschinen konzentrierte sich die kontinuierliche Weiterentwicklung der Wölbungstechnologie stets auf das Kernziel, „Verformungen auszugleichen und einen gleichmäßigen Druck zu erzielen“, um den Anforderungen unterschiedlicher Produktionsbedingungen gerecht zu werden. Eine durchdachte Wölbungsgestaltung löst nicht nur Qualitätsprobleme wie ungleichmäßiges Flächengewicht und unzureichende Entwässerung, sondern verbessert auch die Betriebseffizienz von Papiermaschinen (durch Reduzierung von Papierbrüchen) und senkt den Energieverbrauch (durch Vermeidung von Übertrocknung). Sie ist eine unverzichtbare technische Grundlage für die Entwicklung der Papierindustrie hin zu „hoher Qualität, hoher Effizienz und niedrigem Energieverbrauch“. In der zukünftigen Papierproduktion wird die Wölbungstechnologie mit der kontinuierlichen Verbesserung der Anlagenpräzision und der fortlaufenden Prozessoptimierung immer ausgefeilter und intelligenter und trägt so noch stärker zur Qualitätsentwicklung der Papierindustrie bei.