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1 Papiermaschinen faszinierend & herausfordernd Vortrag Technikforum Göppingen 11. November 2015 Karl Josef Böck SVP Voith Paper Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11

Papiermaschinen faszinierend & herausfordernd · 11.11.2015 · n x (C6H10O5) + n(H2O) O O O O O H H H H H O O O O O H H H H H O H Zel-Molekül 1 Zel-Molekül 2 Wasserstoffbrücken

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Papiermaschinen faszinierend & herausfordernd

Vortrag Technikforum Göppingen

11. November 2015

Karl Josef Böck

SVP Voith Paper

Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11

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Curriculum Vitae

Karl Josef Böck

Senior Vice President Voith Paper; Business Line Projects

1975-1980 Studium an TU Stuttgart, Maschinenwesen-Schwerpunkt Konstruktion

1981-1985 Krupp Polysius Zementanlagen, Trainee& Konstruktionsentwicklung

1985-1991 Voith Turbo Hochleistungsantriebe fürTurbomaschinen

1991- heute Voith Paper: Konstruktionsentwicklung, KonstruktionNassbereich, Konstruktion Papiermaschine & MSR, F&E, Technologie, Produktion, Projektmanagement

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Agenda

• Beispiele von Produktionsanlagen

• Grundlagen Papierherstellung

• Einführung in eine Produktionslinie

• Verfahrensschritte und dazugehörige Maschinensektionen sowieMaschinenelemente

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Papiermaschinen – herausfordernd & faszinierend

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grafischer Karton, 170 -230g/m², 1800m/min, 1.500.000to/a, Investment ca. 1Mrd €Arbeitsbreite 11,8m, Länge >530m

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Multi-NIP Kalander, 11m breit,

10 Walzen, 1500m/min

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Papiermaschinen – herausfordernd & faszinierend

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Production line for Testliner, 8m -1600m/min

Produktionlinie für Testliner, 60 – 140 g/m²

1600m/min, 8,7m breit, 440.000 to/a

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Papiermaschinen – herausfordernd & faszinierend

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Production line for Testliner, 8m -1600m/minProduktionline Testliner, 60-140g/m², Rollenschneid er 2800m/min, automatischer Tambourtransport und Splice

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Papiermaschinen – herausfordernd & faszinierend

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Aufrollung Sirius 4,8m1600m/min, 130to, 8m breitTestliner

Papiermaschinen – herausfordernd & faszinierend

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9Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11

Papiermaschinen – herausfordernd & faszinierend

Zeitungsdruckpapiere 40-56g/m², 11,4m breit2000m/min; 450.000to/a, 100% DIP

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Papiermaschinen – herausfordernd & faszinierend

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Papiertambour, Zeitungsdruck> Durchmesser4m, 11m breit, 140 to, 20.000 Lagen

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Papiermaschinen – herausfordernd & faszinierend

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Rollenschneidmaschine 3000m/min

12Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11

18 -30 g/m², Standardtissue

2100m/min, 120 tons

Papiermaschinen – herausfordernd & faszinierend

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mech. Entwässern

Saugpresse oder Schuhpresse

Aufrollung

Trocknen

Heißluft-Haube

Stoffzuführung

Blattbildung

Crescent Former

Trocknen

Yankee-Zylinder

Papiermaschinen – herausfordernd & faszinierend2100m/min, 18-30g/m²

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Yankee Installation, 120to

Papiermaschinen – herausfordernd & faszinierend

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Grundlagen Papierherstellung:Was ist Papier?

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... ist ein flächiger Werkstoff der im Wesentlichen aus Fasern pflanzlicher Herkunft besteht

... wird erzeugt durch Entwässern einer Fasersuspension auf einem Sieb, durch Verdichten und anschließendem Trocknen.

...wird durch die Auswahl der Faserstoffe, deren Aufbereitung sowie durch die Zugabe von Hilfsstoffen und durch die Konzeption der Papierherstellungsmaschine an die jeweiligen Bedürfnisse angepasst.

... ist anisotrop und inhomogen

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Grundlagen Papierherstellung: Was ist Papier?

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Oberfläche Querschnitt

Netzwerk aus pflanzlichen Fasern und Füllstoffen

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Grundlagen Papierherstellung:Was hält Papier zusammen?

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...Wasser!Wassermoleküle bilden durch elektrostatische Anziehungskräfte mit den Zelluloseketten der Papierfasern ein reißverschlussartiges System aus sogenannten Wasserstoffbrückenbindungen.

Die Zelluloseketten binden dabei sowohl Wassermoleküle als auch weitere Zellulosemoleküle.

Diese elektrochemischen Wechselwirkungen garantieren einerseits die Festigkeit der Papiere, andererseits sind sie auch Voraussetzung für das Recycling von Papier.

Wasserstoffbrückenbindungen

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Grundlagen Papierherstellung: Wasserstoffbrückenbindung

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Sauerstoffatom

Wasserstoffatom

Wasserstoffbrückenbindung O- -H

atomare Bindung

Wassermolekül

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Grundlagen der PapierherstellungZellulosemolekülkette

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n x (C6H10O5) + n(H2O)

OOO OO

H H

H H H

OO

O OO

H H

H H HO

H

Zel-Molekül 1

Zel-Molekül 2 Wasserstoffbrücken

OH

HWassermolekül

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Grundlagen Papierherstellung:Was hält Papier zusammen?

Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11

Die Anzahl der angebotenen und aktivierten Wasserstoffbrücken steuert die Festigkeit der Papiere.

Durch einen höheren Mahlgrad werden die Holzfasern feiner aufgeschlossen, damit liegen mehr Zelluloseketten frei vor.

Gleichzeitig werden an den Zelluloseketten aber auch mehr Wassermoleküle gebunden und die Entwässerung der Fasersuspension wird erschwert.

Papierfestigkeit und Entwässerbarkeit sind reziproke Funktionen des Mahlgrades

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Grundlagen Papierherstellung:wichtige Daten

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übliche Stoffdichten der Fasersuspensionen liegen zwischen 0,2% bis 1,2%, d.h. 2kg bis 12kg Fasern werden mit 1000kg Wasser verdünnt

ab 7-8% Stoffdichte lässt sich die einzelne Faser im Blatt-Netzwerk nicht mehr verschieben

fertige Papiere haben 92 bis 95% Trockengehalt, d.h. sie enthalten noch 5 bis 8% Wasser

Fasern quellen in Wasser und schrumpfen beim Trocknen. Sie zeigen dabei eine ausgeprägte Anisotropie.

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Grundlagen Papierherstellung:Schrumpfverhalten der Fasern

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Querrichtung = Dicke < 20µm

Fasern schrumpfen prozentual in Dickenrichtung mehr als in Längsrichtung!

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Die Papierbahn schrumpft quer zur Maschinenrichtung im Mittel zwischen 2 und 5% in Abhängigkeit von der Faser, deren Ausrichtung und dem Maschinenkonzept.

Bahnbreite Aufrollung = 95-98%

Bahnbreite Presse = 100%

Grundlagen Papierherstellung:Schrumpfen der Papierbahn beim Trocknen

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Papierlaufrichtung

Orientierung der Fasern

Schrumpf: Zellstoff > Holzstoff

Schrumpfkurve

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SF h

w

I = f (h³, w)

h

w

I = f (h³, w)

Grundlagen Papierherstellung:Blattaufbau

Festigkeit&Oberfläche

Gleichförmigkeit, Ebenheit

Festigkeit

fiber layering � „beam“ structure

Top

UTop

Back

Stärke

Stärke

SF+ LF

UKP/MF

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DeckstrichZwischenstrichGrundstrich

mehrlagiger Blattaufbau

einlagiger Blattaufbau

Grundstrich

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Grundlagen Papierherstellung:wichtige Daten

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Blattdicken von Zeitungsdruckpapieren 45g/m²: 60µm

Blattdicken von Kopierpapieren 80g/m²: 103µm

Kartonagen 350g/m², gestrichen: 400µmStrichdicke pro Strich: 10µm

menschliches Haar. 40µm

Temperaturdehnung Stahl bei 1m und 1K: 12µm

geforderte Dickentoleranzen < 1µm

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Einführung in eine ProduktionslinieKernsektionen einer Produktionslinie

StockPreparation

ApproachFlow

PaperMachine & Aux.

Finishing

FiberRecovery

BrokeSystem

Fresh WaterTreatment

Power Plant

Effluent

Fasern

Wasser

Dampf

Elektrizität

27Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11

Einführung in eine ProduktionsliniePapiermaschine für gestrichene grafische Papiere, einlagig

Blattbildung mech. Entwässern Trocknen

Profilieren Streichen& Trocknen. Glätten AufrollenStoffzuführung

Ausschussrückführung

Ausschussrückführung

28Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11

PapiermaschineProzessführung am Beispiel der Flächengewichtsregelung

Stoffauflauf

PM

Längsprofilabweichung

Scanner

Restabweichung Distance > 200 m

Querprofilabweichung

nur stabile Störungen können mittels Regelung beeinflusst werdenstochastische Störungen müssen durch die Prozessführung vermieden bzw. reduziert werden

Messpfad

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Mix

ing

Com

Mix

Mix

ing

Hyd

roM

ix

LC c

lean

ing

Eco

Miz

er

Gas

rem

oval

Voi

thV

ac

App

roac

h flo

wsc

reen

ing

Pap

er m

achi

ne

Broke

Saveall

Sweetener

Fromstockprep

Einführung in eine ProduktionslinieApproach Flow =Konstanter Teil

HC-Linie = Stoff

4%1,2%

LC=VerdünnungswasserSiebwasser

0,2%

Erzeugen einer homogenen Stoffsuspension und einer pulsationsfreien Zuführung dieser zur Papiermaschine

30Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11

Einführung in eine ProduktionslinieApproach Flow - Eindüsen von Hilfsstoffen

FlowJec Premium Short set-up time during brief scheduled shutdown:

The new dosing technology consists of preassembled components.

Operational reliability:

No build-in components in the approach stock pipe that could cause deposits and breaks.

Equipped with Self Cleaning System fully implemented in DCS.

31Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11

Einführung in eine ProduktionslinieApproach Flow - Eindüsen von Hilfsstoffen

• The dosing can be optimally adjusted to the process and the chemicals.

• Improved performance.− improved paper quality.− homogenous mixing and

distribution of chemicals− optimized floc size.− adjustable dosing conditions.

• Improved runability.− reliable operation.− reduction of breaks.

Effect on floc size due to injection conditions

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Inlet

Damping plate

Overflow system

Press. air connection

Cleaning spray nozzle

Sightglass with lights

Inspection cover

Outlet

StoffauflaufPulsationDämpfer

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1001 Frequency (Hz)

Press. amplitude (kPa)

0

0,7

PulsationDamper

For Fourdrinier and Hybrid-Former

Damping results, pressure amplitudes

Inlet Outlet

Damping factor approx. 12 : 1

1

2

3

4

5

6

7

8

1

2

3

4

5

7

6

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Superior damping effect for existing or foreign approach flow system. (Not required for modern low pulse WEP equipment.)

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Stoffauflaufgleichmäßig verteilte Stoffsuspension auf Langsieb

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Stoffauflauf

prinzipieller Aufbau für Langsieb oder Hybridformer

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Querverteilrohr

Verdünnungswasser für Querprofilierung

Beruhigungskammer

Turbulenzerzeugerverstellbare Oberlippe mit Blende

Düse mit Lamellen

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StoffauflaufSuspensionsführung, hydraulische Strecke

0.98 -1.02 x Siebgeschwindigkeit

Reihenanzahl in Abhängigkeit des erforderlichen Durchsatzes

Teilung 50mm

Durchsatz 7000 -12000 l/min*m

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StoffauflaufKernelemente der Stoffführung

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Verdünnungswasserregelung Düse mit Lamelle

37Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11

� intense turbulence level

� 2 circular steps inside

� exchangable inlet inserts

� symmetric square outlet

� full nozzle coverage(no edge dead water area)

StoffauflaufKernelemente der Stoffführung

Turbulenzgenerator

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StoffauflaufStrahlqualität in Abhängigkeit vom Turbulenzerzeuger

33/4, ohne Lamellen 25/5, mit Lamellen

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39Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11

Optional edge feeding system forconvenient fiber orientation adjustment.

StoffauflaufKompensation Wandreibung und Faserorientierungskontrolle

+4°

-4°approx. 2 m

TSO

160 % Flow

40 % Flow

40Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11

BlattbildungGap-Former für gleichseitige Blattbildung

1.2%

20%

10%

Saugwalze, 2 zonig

Saugwalze

Leistenteil, wechselseitig mit Vakuum

Blattbildung �Entwässerung�Transport

41Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11

BlattbildungHerausforderung Bahnlauf: perfekter Sieblauf

disproportionate IllustrationDurchbiegung der Walzen führt Wellenbildung im Sieb

Lösung: CS- Walze

42Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11

Blattbildungperfekter Sieblauf mit Mitten gestützten Walzen

Bending by own weight Bended by applied load at the edges

herkömmliche Walze centre supported roll

spreading effect

centering effect

centering effect

spreading effect

43Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11

BlattbildungSieblauf mit mittengestützten Walzen

CSR in operation

Stiff steel structure

Connection piece made of CFRP

CFRP tube

44Effizient in jeder Hinsicht | Heidenheim | 2013-09-10 44

BlattbildungHybridformer mit Schüttelung der Brustwalze

Brustwalze wird quer zurProduktionsrichtung bewegt

Reduzierung der AnistropieLängs/quer

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BlattbildungSchüttelung der Brustwalze

Higher Formation Quality Before and after DuoShake Installation

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Pressing

Sheet densification Surface penetration of water / Surface Impression of felts

Roughnessporositycaliper

bulkinternal bonding

strength

Surface densification

oil/water absorption Surface Properties

PressenpartieAnforderungen

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Double shoe press conceptwith suction felt rolls

for high basis weights

Pressenpartielayout für gleichseitige Verdichtung und Entwässerung

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22%

50%

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Pressenpartiegeschlossenen Bahnführung

Anforderungen

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Center roll conceptwith shoe press in 3rd nip

PressenpartieLayout für beste Oberflächenverdichtung

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20%

48%

50

PressenpartieOberflächentopgrafie für maximale Entwässerung

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Pressenpartieoffene Bahnführung bei center roll Konzepten

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speed dependingon furnish,

but can be up to1800 m/min

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PressenpartieOberflächenenergie modifizierte Bezüge

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Thermisch beschichtete Oberfläche gleichmäßige Blattabgabe

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PressenpartieVerdichten der Papierbahn

smooth roll side

felt side

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das Blatt wird auf der Wasser abführenden Seite stärker verdichtet

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TrockenpartieBahnstabilisierung

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einreihig zweireihig

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TrockenpartieBahnstabilisierung mittels Vakuum

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ProRelease

Funktionsschema

1 2

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TrockenpartieZugmesswalzen

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einreihig zweireihig

Zugmesswalzen

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TrockenpartieZugmesswalzen: Reduzierung der Vibrationen durch thermische Isolation

CFRP

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Steel with one longitudinal welding seam, TopGuide GP

Cos

t

Steel, one longitudinal welding seam, chromed

Cos

t

no visible/disturbing vibrationstoo high vibrations

60-70 m/s

2-3 h

2-3 m/s

2-3 h

5 m/s

2-3 h

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Streichen

Filmstrich mit SpeedSizer

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Film-CoatingSpeedSizer AT

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Film-CoatingStarch Transfer in the Roll Nip

Nip width

Pressure

Residualfilm

FilmsplittPre-meteredfilm

Liquidfilm

Penetrationdepth

De-wateringin the nip

Sheet run

Paper

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Film-CoatingCoat Structure of a Film Coater

+ uniform coat layer thickness+ good coverage - higher roughness

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Film-CoatingApplication System and Metering Elements

Profiled rod(ø14 mm)

Smooth rod(ø14 mm, ø18 mmø24 mm, ø38 mm)

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Carbon fibre beam

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EcoSoftEcoCal

dryer section

IR dryercoater reelerJanus MK 2

press sectionformer dryer section

depending on grades, calendering can be a multistep process

Calendering

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RohrbündelHydr. Stützquellen

Lagereinheit Hydr. Kopf

Mantel

Bezug Lagerung

Achse

Nipcorect™ – Biegeausgleichwalze

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66max. Zonenzahl – min. Streckenlast 10 N/mm

Nipcorect™ – Biegeausgleichwalze

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scanner

cd

caliper profile

lineload zone correction

NipcoLogicroll calculation

paper

hydraulic zone pressure

PLC

Profilmatic cd caliper controller

PhNipcomanual roll control

valve cabinet

hydraulic zone pressure

zone pressure

Work Shop - cd-caliper profiling

the new hydraulicpressures are active,creating an optimisedload–distribution-profile

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KalanderThermowalzen: Führen des Heizmediums

TriPass II

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69Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11

KalanderRandbeeinflussung mittels Isolierhülsen

175

insulation cores:minimizes thermaledge extension

paper + convection

ingoing temp.

working width

convection

connection bores

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Standard: Large particles, inhomogeneous

NanoPro:True nanoparticles, homogeneous

KalanderVerbesserung der Walzenstandzeiten durch Nano-Technik

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Single-Nip Kalander

Hard-Nip kalander Soft-Nip kalanderKarl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11

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Papiersorten:

• SC-A

• LWC Offset / Tiefdruck

• holzfreie gestrichene

Papiere

JANUS™ MK 2 – Kalander 10 Walzen

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73Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11

3 fach gestrichener Karton

Sirius Aufrollung

74Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11

AufrollungThe way to a perfect roll

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Reel spool deflection

c

Paper

web width

bearing center distance

C = Edge inclination

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SensoRollTM

Pair boundary layer on thetop side of the paper

nip sealing by SensoCover

removal of theair boundary layer onthe bottom side of the paper

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Sirius R125/2

6

3 8 5 4

1

2

7

1 Reel spool magazine2 Primary arm3 Reel drum carriage4 Secondary carriage5 Air squeezing unit6 Primary center wind7 Secondary center wind8 EcoChange S

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Sirius – Shop erection

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79Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11

Kontakt:

Karl Josef Böck

Voith Paper GmbH & Co. KG

Tel. 07321-37 6403

[email protected]

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