FI106054B

FI106054B - Paperi-/kartonkikoneen tai jälkikäsittelykoneen termotela ja menetelmä termotelan valmistamiseksi

Info

Publication number: FI106054B
Application number: FI990691A
Authority: FI
Inventors: Mika Viljanmaa; Erkki Leinonen; Juha Isometsae
Original assignee: Valmet Corp
Priority date: 1999-03-29
Filing date: 1999-03-29
Publication date: 2000-11-15
Also published as: DE10084429T1; WO2000058554A1; AU3435200A; FI990691A0; US20030181303A1; US6821237B1; US6708407B2

Description

106054

Paperi-/kartonkikoneen tai jälkikäsittelykoneen termotela ja menetelmä termote-tan valmistamiseksi

Esillä olevan keksinnön kohteena on paperi-/kartonkikoneen tai jälkikäsittely-5 koneen termotela, jossa on metalli-, keraamj- tai komposiittimateriaalia oleva vaippa, jossa vaipassa on kanavia kuumennusväliaineen johtamiseksi vaipan yhdestä aksiaalisuuntaisesta päästä sen vastakkaiseen päähän.

Keksinnön kohteena on lisäksi menetelmä paperi-/kartonkikoneen tai jälkikäsit-10 telykoneen termotelan valmistamiseksi, jossa telassa on metalli-, keraami- tai komposiittimateriaalia oleva vaippa, jossa vaipassa on kanavia kuumennusväliaineen johtamiseksi vaipan yhdestä aksiaalisuuntaisesta päästä sen vastakkaiseen päähän.

15 Paperikoneessa ja paperin jälkikäsittelylaitteessa, etenkin kalantereissa ja monitelakalantereissa käytetään yleisesti kuumennettavia teloja eli termoteloja, joiden pituus voi olla 10 m halkaisijan ollessa tyypillisesti suuruusluokkaa n. 500-1000 mm, softkalanterin teloilla 1200-1650 mm. Telojen kuumennus hoidetaan yleisesti kuumennusväliaineen, kuten höyryn tai kuuman veden tai öljyn 20 avulla. Termotelat on tyypillisesti muodostettu poraamalla lähelle telan vaipan ulkopintaa aksiaaliset poraukset, joiden läpimitta on tyypillisesti noin 25-50 mm ja joiden porauksien läpi kuumennusväliaine johdetaan telan yhdestä aksiaalisesta päästä sen vastakkaiseen päähän. Näistä porauksia on tyypillisesti useita, jotka ovat tasaisesti jakautuneet telan kehän suunnassa. Kuumennusväliai-25 ne voi kiertää porauksessa esim. kertaalleen telan päästä päähän tai kahteen tai useampaan kertaan siten, että vierekkäisessä porauksessa kuumennusväliaine kulkee päinvastaisiin suuntiin. Kuvioissa 1 ja 2 on kuvattu eräs tällainen tekniikan tason termotela, jossa akselitapeilla 15,17 varustettuihin päätylaip-poihin 16,18 on liitetty vaippa 2, johon on muodostettu aksiaalisuuntaiset po-30 raukset 3, joita on useita jakautuneena tasaisesti kehän suunnassa. Akselitap-piin 15 on muodostettu aksiaalinen poraus 14, johon on sovitettu putki 11, joka ulottuu vastakkaiseen päätylaippaan 18. Putken 11 ulkopinnan ja akseliporauk-sen 14 sisäpinnan väliin jää rengasmainen rako. Kuumennusväliaine tuodaan 2 106054 telaan 1 ensimmäisestä päästä (akselitapin 15 puoleinen pää) putken 11 kautta ja johdetaan vastakkaisessa päässä olevien säteittäisporauksien 12 kautta porauksiin 3 ja niitä pitkin takaisin ensimmäiseen päähän ja säteittäisporauksien 13 kautta akselitapissa 15 olevaan mainittuun rengasmaiseen rakoon ja 5 edelleen telasta pois.

Tällaisiin tekniikan tason porauksella varustettuihin termoteloihin liittyy eräänä ongelmana aksiaaliporausten tekeminen pitkäreikäporauksena, joka on suhteellisen hidasta ja kallista. Erityisen vaativaksi pitkäreikäporaamisen tekee 10 valmistustekniikasta johtuva materiaalirakennerajapintojen muodostuminen vaipan seinämärakenteeseen. Kokillivaletuissa termoteloissa oleva sementiitti-nen mikrorakenne on hauras ja altis rikkoontumaan mekaanisten ja termisten kuormitusten vaikutuksesta. Sementiittikerroksen paksuusvaihtelu voi lisäksi aiheuttaa telojen käyristymistä lämmitettäessä. Myös raerajasyöpymistä voi 15 esiintyä paperin lisäaineiden aiheuttamana. Lisäksi nykyinen suuntaus entistä korkeampiin lämpötiloihin lisää materiaalin termisen väsymisen aiheuttamia ongelmia. Kulumiskeston lisäämiseksi kokillitelat joudutaan pinnoittamaan esim. kovakromaamalla.

20 Niinpä esillä olevan keksinnön eräänä päämääränä on aikaansaada parannettu termotela, jossa vältytään pitkäreikäporauksilta ja muilta tekniikan tason haitoil-ta. Lisäksi päämääränä on aikaansaada tela, jossa saavutetaan hyvät telan * · · ulkopinnan kuumennusominaisuudet. Tämän päämäärän toteuttamiseksi keksinnön mukaiselle termotelalle on tunnusomaista se, että vaippa on valmistettu 25 valuteknisin tai pulverimetallurgisin menetelmin, ja että kanavat on muodostettu vaipan metallia, keräämiä tai komposiittia olevaan matriisimateriaaliin suoraan valmistuksen yhteydessä. Keksinnön mukaisen termotelan muita edullisia •« ✓· ’ -: suoritusmuotoja on kuvattu epäitsenäisissä vaatimuksissa 2-11.

30 Keksinnön mukaiselle menetelmälle termotelan valmistamiseksi on puolestaan tunnusomaista se, että vaippa valmistetaan valuteknisin ja/tai pulverimetallurgisin menetelmin, ja että kanavat muodostetaan vaipan metallia, keräämiä tai komposiittia olevaan matriisimateriaaliin suoraan valmistuksen yhteydessä 3 106054 ilman lastuavaa työstöä. Keksinnön mukaisen menetelmän muita edullisia suoritusmuotoja on kuvattu epäitsenäisissä vaatimuksissa 13-17.

Seuraavassa keksintöä selostetaan läheisemmin oheisiin piirustuksiin viitaten, 5 joissa: kuviot 1 ja 2 esittävät kaavallisesti erästä tekniikan tason termotelaratkaisua, ja kuviot 3-10 esittävät keksinnön erilaisia suoritusmuotoesimerkkejä kaaviolli-10 sinä kuvantoina.

Kuvioissa 1 ja 2 on kuvattu johdannossa esitetty tekniikan tason termotela kaaviollisena kuvantona.

15 Kuviossa 3 on kuvattu keksinnön mukaisesti toteutettu termotela kaaviollisena pitkittäisleikkauksena, jossa esimerkiksi terästä tai valurautaa olevan sisäpuolisen runkoputken 5 ympärille on muodostettu pulverimetallia oleva ulkovaippa 4, jossa on lämmitysväliaineen kanava 3. Pulverimetalli on sulasta metallista kaasuatomisoinnilla valmistettua, pallomaisessa partikkelimuodossa olevaa 20 metallia, jonka partikkelihalkaisija on luokkaa 0,1-0,5 mm. Se voi olla runsaammin seostettua kuin perinteisin menetelmin valmistettavat metalliseokset ja siihen voi sisältyä myös karbidi-ja oksidikomponentteja, kuten esim. AI-, B-, Cr-, Ti-, Si-, Sn-, W-, Zn-, Zr-oksidit ja -karbidit tai niiden seokset. Pulverimetallin valmistuksessa voidaan käyttää pulverimetallurgisia menetelmiä, joita ovat mm. 25 ruiskutus, pursutus ja kuumaisotaattinen puristus (HIP). Esimerkiksi HlP-mene-telmässä metallikappale saa lopullisen muotonsa ja tiheytensä korkean paineen ja lämpötilan alaisena metallin ollessa kuitenkin ei-sulassa tilassa, jolloin • · tuotteelle saavutettavat ominaisuudet ovat paremmat ja homogeenisemmat kuin sulamenetelmissä saaduissa tuotteissa.

30

Kuvion 3 mukaisessa suoritusmuodossa kuumennusväliaineen kanavat 3 on muodostettu pulverimetallia olevaan ulompaan vaippakerrokseen ohutlevyra-kenteisina putkina, jotka toimivat muottina valmistusprosessin aikana. Putket 4 106054 voidaan jättää vaippakerroksen 4 sisäpuolelle. Valmistettaessa ulompi vaippa-kerros 4 HIP-käsittelyllä muodostetaan sisemmän runkoputken 5 ympärille haluttua ulkokerroksen paksuutta vastaavalle etäisyydelle ohutlevykapseli, jonka sisäpuolelle sijoitetaan pulverimetallia lämmityskanavaputkien 3 ympäril-5 le. Tämän jälkeen ilma imetään kapselista lähes tyhjiöön ja kapseliin kohdistetaan korkea paine ja lämpötila aikaansaaden lopullisen vaipan ulkokerroksen 4 muodostumisen. Kuumennusväliaineen kanavat muodostavat ohutlevyputkira-kenteet voidaan muotoilla esim. kuvion 10 mukaisesti, jolloin vältetään erillisten syrjäytyskappaleiden käyttö, jotka aiheuttavat paikallisia lämpötilaeroja telan 10 aksiaalisuunnassa. Tällaisten syrjäytyskappaleiden käyttöä on kuvattu esim. Ft-patentissa 91297. Virtauskanavaa voidaan muotoilla joko lineaarisesti halkaisijaa muuttavaksi (kuvio 10a) tai optimoituna vakiolämpövirran q(x) tuottavaan muotoon (kuvio 10b).

15 Ulompi vaippakerros 4 voidaan myös tehdä erillään sisävaipasta ja liittää sisä-vaippaan esim. kutistusliitostekniikalla tai liimaamalla tai juottamalla vaipat toisiinsa kiinni. Kuviossa 4 on kuvattu tällä tavoin aikaansaadun vaipan rakenne, jossa sisemmän vaippakerroksen 5 ja ulomman pulverimetallia olevan vaippakerroksen 4 välissä on liitoskerros 6. Tämä liitoskerros 6 voidaan ajatella 20 muodostettavaksi myös eristävänä kerroksena termotelan kuumennusominai-suuksien parantamiseksi telavaipan ulkopinnassa.

• · ·

Kuumennusväliainekanavat 3 voivat sijaita myös esim. kuvion 5 mukaisesti sisemmän runkovaipan ja ulomman pulverimetallisen vaipan rajapinnassa.

25 Kuumennusväliainekanavat voivat olla perinteisiä aksiaalisia kanavia tai putkia tai ne voidaan tehdä myös spiraalimaisesti vaipan kehää kiertäviksi.

V

• ·

Kuviossa 6 on esitetty termotelan poikkileikkaus, jossa on alhaisen lämmönjoh-tavuuden omaavasta materiaalista (lämpöeristeestä) tehty sisäputki 8, jonka 30 päälle on kiinnitetty pienempiä putkia 3, jotka toimivat telassa kuumennusväli-ainekanavina. Tämän jälkeen sisäputken 8 ja siihen kiinnitettyjen kanavien 3 päälle valetaan tai valmistetaan pulverimetallurgisin menetelmin lämmönjohto-kertoimeltaan parempaa materiaalia 5 ja mahdollisesti lämmönjohtavuudeltaan 5 106054 vielä parempaa materiaalia oleva ulompi kerros 4. Lopuksi tela pinnoitetaan kovalla ja kulumisen kestävällä pinnoitteella 7. Materiaalikerrokset 5 ja 4 voivat olla myös keskenään samaa materiaalia ja ne voidaan valmistaa yhdessä vaiheessa.

5

Kuviossa 7 on esitetty ratkaisu, jossa lämmönjohtavuudeltaan parempaa materiaalia olevan ulomman vaippakerroksen 4 sisäpintaan on muodostettu kanavat 9, esimerkiksi ohutlevystä kantattu kanavisto, jonka sisäpuolelle on muodostettu esim. valamalla runkomateriaalikerros 5, esim. valurautaa. Sisäkerroksen 5 10 sisäpinnassa voi olla myös eristekerros.

Taulukossa 1 on kuvattu eräille keksinnön mukaisessa menetelmässä käyttökelpoisille materiaaleille joitakin likimääräisiä materiaaliarvoja.

15

Taulukko 1

Materiaali Lämmönjohta- Väsymislujuus Tiheys Moduuli vuus [W/mK] [MPa] [kg/m3] [GPa]

Valurauta 50__80_ 7300 100-130

Al/SiC- 175 250 2600 90-110 20 komposiitti

Hiili/Hiili- 200-250 100-500 1600 90-120 komposiitti

Valitsemalla materiaalit siten, että niiden lämmönjohtavuus kasvaa sisemmästä 25 vaippakerroksesta ulompaan vaippakerrokseen mentäessä aikaansaadaan korkeampi telan pintalämpötila vähemmällä energialla, joka voi alentaa termo-telan kokonaiskustannuksia. Lisäksi telarakennetta voidaan keventää mikä aikaansaa kustannussäästöä erityisesti monitelakalantereissa (kuten OptiLoad-kalanterit).

30

Kuviossa 8 on esitetty ratkaisu, jossa koko runkovaippa on muodostettu pulve-rimetaliiseoksesta, joka on valmistettu HIP-käsittely11ä ja johon on muodostettu 6 106054 kuumennusväliaineen kanavia 3a, 3b kahteen eri säteittäiseen tasoon vaippa-materiaalissa. Tämänkin telan sisäpintaan voidaan tarvittaessa muodostaa eristekerros ja ulkopinta pinnoittaa kovalla ja kulumisen kestävällä pinnoitteella, esim. keraamisella materiaalilla, joka ruiskutetaan vaipan ulkopintaan.

5

Kuviossa 9 on esitetty termotelarakenne, joka on toteutettu ilman päätylaippoja. Tässä ratkaisussa terästä tai valurautaa oleva akseli 10 toimii sisämuottina välivaipalle 6, jonka välivaipan koostumus voidaan valita tiheydeltään kevyistä materiaaleista, esim. alumiinipohjaiset pulveriseokset. Kuumennusväliaineen 10 syöttö- ja poistokanavat 20, 23 on muodostettu akseliin 10 tehdyillä porauksilla ja välivaippaan 6 on muodostettu säteittäiset kanavat 21 ja 22 kuumennusväliaineen johtamiseksi ulompaan vaippakerrokseen 2, jossa on aksiaalisuuntaiset kuumennusväliainekanavat 3. Tämä ulkovaippa 2 voidaan tehdä erillisenä putkena ja liittää sitten välivaipan 6 päälle tai välivaippaa 6 voidaan käyttää muot-15 tina, jonka ympärille ulkovaippa 2 tehdään esim. HIP-käsittelyllä.

Valmistettaessa tela keksinnön mukaisesti lämmönsiirtokanavien optimointi telan pituussuunnassa on mahdollista. Reikiä voi olla tiheämmässä ja niiden halkaisijat voivat olla pienempiä kuin poratuilla refillä. Kanavien ei välttämättä 20 tarvitse olla telan akselin suuntaisia, vaan ne voivat olla esimerkiksi spiraalimaisia tai vinoja barringin vähentämiseksi. Kanavien halkaisijan muuttuminen ”, aksiaalisuunnassa on sekin helppo järjestää ilman erillisiä syrjäytyskappaleita.

Erityisesti pulverimetallurgiaa käytettäessä telan pinta voidaan vaipan valmistuksen yhteydessä valmistaa eri tavalla seostetusta materiaalista, jolloin kulu-25 misenkestoa voidaan parantaa ilman kovakromausta tai muuta erillistä pinnoi-tusvaihetta. Pulverimetallurgisesti valmistetut tuotteet ovat homogeenisempia ja .· kontrolloidumpia tuotteita, jolloin kriittisissä olosuhteissa niiden käyttöturval lisuus paranee.

Claims

1. Paperi-/kartonkikoneen tai jälkikäsittelykoneen termotela, jossa on metalli-, keraami- tai komposiittimateriaalia oleva vaippa (2; 4, 5), jossa vaipassa on 5 kanavia (3; 9) kuumennusväliaineen johtamiseksi vaipan yhdestä aksiaalisuun-taisesta päästä sen vastakkaiseen päähän, tunnettu siitä, että vaippa on valmistettu valuteknisin tai pulverimetallurgisin menetelmin, ja että kanavat (3; 9) on muodostettu vaipan metallia, keräämiä tai komposiittia olevaan matriisimate-riaaliin suoraan valmistuksen yhteydessä. 10

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen termotela, tunnettu siitä, että vaippa (4, 5) on muodostettu yhdistelmärakenteena, jossa on vaipan paksuussuunnassa ainakin kaksi erilaista materiaalikerrosta, joiden lämmönjohtavuus kasvaa vaipan sisäpinnan puoleisesta kerroksesta (5) ulkopinnan puolella olevaan kerrok- 15 seen (4) mentäessä.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen termotela, tunnettu siitä, että vaipassa on valumetallia oleva sisempi runkomateriaalikerros (5), jonka päälle on sijoitettu pulverimetallia oleva ulompi materiaalikerros. 20

4. Patenttivaatimuksen 2 tai 3 mukainen termotela, tunnettu siitä, että kanavat (3) on muodostettu uloimpaan materiaalikerrokseen (4) ja/tai uloimman kerroksen (4) ja seuraavan sisempänä olevan kerroksen (5) väliseen rajapintaan ja/tai sisempään kerrokseen (5). 25

5. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen termotela, tunnettu - siitä, että kanavia (3a, 3b) on sijoitettu ainakin kahteen eri säteittäiseen tasoon ♦ vaippamateriaalissa (2).

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen termotela, tunnettu siitä, että eri tasoissa olevat kanavat (3a, 3b) on sijoitettu lomittain. 106054

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukainen termotela, tunnettu siitä, että kanavat on muodostettu vaipan (2) yhdestä aksiaalisuuntaisesta päästä sen vastakkaiseen päähän olennaisesti keskenään yhdensuuntaisesti ulottuvina suorina putkina (3) tai kanavina (9). 5

7 . 106054

8. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukainen termotela, tunnettu siitä, että kanavat on muodostettu vaipan (2) yhdestä aksiaalisuuntaisesta päästä sen vastakkaiseen päähän kierukkamaisesti ulottuvina putkina (3) tai kanavina (9).

9. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen termotela, tunnettu siitä, että vaipan sisäpintaan on muodostettu eristekerros (8).

10. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen termotela, tunnettu siitä, että vaipan (2) ulkopinta on pinnoitettu. 15

11. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen termotela, tunnettu siitä, että vaippa (2) on liitetty välivaipan (6) avulla telan akselille (10).

12. Menetelmä paperi-/kartonkikoneen tai jälkikäsittelykoneen termotelan 20 valmistamiseksi, jossa telassa on metalli-, keraami-, tai komposiittimateriaalia oleva vaippa (2; 4, 5), jossa vaipassa on kanavia (3; 9) kuumennusväliaineen johtamiseksi vaipan yhdestä aksiaalisuuntaisesta päästä sen vastakkaiseen « päähän, tunnettu siitä, että vaippa (2) valmistetaan valuteknisin ja/tai pulveri-metallurgisin menetelmin, ja että kanavat (3; 9) muodostetaan vaipan metallia, 25 keräämiä tai komposiittia olevaan matriisimateriaaliin suoraan valmistuksen yhteydessä ilman lastuavaa työstöä. • · ·

13. Patenttivaatimuksen 12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetelmässä valmistetaan ensin lämmönjohtavuudeltaan alhaista materiaalia oleva 30 sisäputki (8), jonka päälle kiinnitetään nestekanavina toimivat pienemmät putket (3) ja seuraavana nestekanavien (3) päälle muodostetaan lämmönjohtavuudeltaan parempaa materiaalia oleva kerros (5). 106054

14. Patenttivaatimuksen 13 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kerroksen (5) päälle muodostetaan ulompi lisäkerros (4), joka on lämmönjohtavuudel-taan korkeampaa materiaalia kuin kerros (5).

15. Patenttivaatimuksen 13 tai 14 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että nestekanavien (3) päälle tuleva kerros (5) ja/tai ulompi kerros (4) muodostetaan valamalla.

16. Patenttivaatimuksen 13 tai 14 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 10 nestekanavien (3) päälle tuleva kerros (5) ja/tai ulompi kerros (4) muodostetaan pulverimetallista.

17. Patenttivaatimuksen 12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetelmässä lämmityskanavat (3) sijoitetaan muottina toimivaan metallikapseliin, joka 15 täytetään pulverimetallilla ympäröimään lämmityskanavat (3), kapseliin muodostetaan alipaine, ja vaippa (2) valmistetaan lopulliseen muotoonsa yksikerroksiseksi runkorakenteeksi kuumaisostaattisella puristuksella (HIP). 20 • ♦ 1 · < * · 10 106054