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Die Erfindung betrifft ein Walzgerüst zur Herstellung von Walzband mit Arbeitswalzen, die sich gegebenenfalls an Stützwalzen oder Stützwalzen und Zwischenwalzen abstützen, wobei die Ar- beitswalzen und/oder Stützwalzen und/oder Zwischenwalzen im Walzgerüst gegeneinander axial verschiebbar angeordnet sind und jede Walze mindestens eines dieser Walzenpaare eine über die gesamte wirksame Ballenlänge verlaufende, gekrümmte Kontur aufweist und sich diese beiden Ballenkonturen ausschliesslich in einer bestimmten relativen Axialstellung der Walzen des Walzen- paares im unbelasteten Zustand komplementär ergänzen.
Zur Erzeugung eines planen Walzbandes mit definiertem Querschnittsprofil ist es notwendig, konturbeeinflussende Massnahmen zu setzen, wie beispielsweise die Anwendung von Walzenbie- geeinrichtungen, mit denen die Walzkraftaufbringung auf das Band und die Austrittsdickenvertei- lung über die Bandbreite gezielt beeinflusst werden können.
Aus der EP-B 0 049 798 ist bereits ein Walzgerüst der gattungsbildenden Art bekannt, bei dem die Gestalt des Walzspaltes und damit die Oberflächenkontur des Walzbandes ausschliesslich durch die Axialverschiebung der mit gekrümmten Konturen ausgebildeten Walzen beeinflusst wird.
Die beiden zusammenwirkenden Walzen eines Walzenpaares weisen identische Form auf, sind um 180 gedreht eingebaut und ergänzen sich in einer bestimmten axialen Verschiebestellung komplementär. Durch diesen besonderen Walzenschliff ist es möglich, die von den jeweiligen Belastungverhältnissen abhängige parabolische Walzenballendurchbiegung unter Last zu kom- pensieren, sodass es eines notwendigen Walzenwechsels bei wesentlicher Änderung der Belas- tungsverhältnisse, der bei Walzen mit parabolischen Walzenballenschliff durchaus üblich ist, nicht mehr bedarf.
In der EP-B 294 544 wird darauf hingewiesen, dass die im wesentlichen von quadra- tischen Anteilen bestimmte parabolische Durchbiegung durch axial verschiebbare Walzen mit der beschriebenen Walzenkontur zwar kompensiert werden kann, jedoch übermässige Streckungen in den Randbereichen oder in den Viertelbereichen des Walzbandes zu Randbeziehungsweise Viertelwellenbildung führen kann. Diese Nachteile wären zwar mit zusätzlichen Walzenbiegeein- richtungen, zweckmässig in Kombination mit einer Zonenkühlung, beherrschbar, jedoch wären damit wesentliche Vorteile der solcherart konturierten Walzen wieder verloren.
Nach der EP-B 294 544 wird zur Vermeidung dieser Rand- bzw. Viertelwellenbildung am Walzband vorgeschlagen, dass die Walzenballenkonturen, der sich in einer axialen Verschiebestel- lung komplementär ergänzenden Walzen, von einer Kurve 5. Ordnung gebildet sind, wobei die jeweiligen Kurven auf den Walzen so angelegt sind, dass sie in neutraler Walzenstellung in beider- seits der Mitte gelegenen Längenbereichen jeweils ein Maximum und ein Minimum der Steigung der Kurven aufweisen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine weitere vorteilhafte Lösung für ein Walzgerüst anzugeben, bei der durch axiales Verschieben der mit einer Walzenballenkontur ausgestatteten Walzen zueinander die Gestalt des Walzspaltes, d. h. der Dickenverlauf des Walzspaltes über die aktive Walzenballenlänge, solcherart variiert werden kann, dass ein höchste Qualitätsansprüche erfüllendes, ebenes und wellenfreies Band erzielt wird.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäss dadurch, dass der Verlauf der Ballenkontur der Walzen eines Walzenpaares von einer trigonometrischen Funktion gebildet ist und auch die Walz- spaltkontur in Abhängigkeit vom Verlauf der Ballenkontur und der Position der Walzen innerhalb des axialen Verschiebebereichs von einer trigonometrischen Funktion gebildet ist.
Versuche haben gezeigt, dass gute Ergebnisse erzielbar sind, wenn die trigonometrische Funktion der Ballenkontur von einer Sinusfunktion und die Walzspaltkontur von einer sich davon ableitenden Kosinusfunktion gebildet ist. Die Ballenkontur folgt hierbei der allgemeinen Gleichung
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@ R Radius der Walze x Axialposition bezüglich der Walzenmitte (= Abstand von der Walzenmitte) Ro Walzenradiusoffset (=Radius der Walze im Konturwendepunkt) A Konturkoeffizient # Konturwinkel
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c Konturverschiebung LREF Schliffreferenzlänge Die Walzspaltkontur folgt hierbei der allgemeinen Gleichung
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mit s Verschiebung der oberen Walze aus der Mittenlage
Go Walzspaltoffset und ergibt sich aus den Konturgleichungen der beiden Walzenballen unter Einbeziehung des Verschiebeweges (s)
einer der Walzen aus der Mittenlage.
Der Konturkoeffizient A wird hierbei djrch den axialen Verschiebebereich und die entsprechenden äquivalenten Walzenballigkeiten in den Extrempositionen der Walzen bestimmt. Unter äquivalenter Balligkeit versteht man hierbei jene Balligkeit von konventionellen, kosinusförmig geschliffenen Walzen, die zusammen exakt dasselbe Leerwalzspaltprofil generieren.
Durch Variieren des Konturwinkels # welcher sich auf die halbe Schliffreferenzlänge bezieht, kann die aktuelle Walzenkontur und damit der Verlauf des Walzspaltes beeinflusst werden, ohne die äquivalenten Balligkeiten der Walzen zu ändern. Der positive Effekt hinsichtlich Vermeidung der Viertelwellenbildung stellt sich ein, weil eine Vergrösserung des Konturwinkels zu einer Verkleinerung des Walzenballendurchmessers im Bereich zwischen dem Walzenrand und der Walzenmitte führt, wodurch letztlich eine geringere Walzverformung in diesem für die Viertelwellenbildung kritischen Bereich auftritt.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung eines Walzgerüstes ist gegeben, wenn die trigonometrische Funktion der Ballenkontur von einer gekippten Sinusfunktion entsprechend der allgemeinen Gleichung
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mit
B Kippkoeffizient und die Walzspaltkontur von einer sich davon ableitenden Kosinusfunktion entsprechend der allgemeinen Gleichung
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mit s Verschiebung der oberen Walze aus der Mittenlage
Go Walzspaltoffset gebildet ist.
Durch Einfügen des linearen Gliedes B*(x+c) in die Gleichung der Ballenkontur wird ein Kippen der Sinusfunktion ermöglicht und durch geeignete Wahl des Koeffizienten (B) eine Minimierung der Durchmesserunterschiede entlang der Ballenkontur erreicht. Die durch die gekippte Sinusfunktion erzielte Minimierung der Durchmesserunterschiede entlang der wirksamen Walzenballenlänge führt gleichzeitig zu einer Verringerung der während des Walzvorganges in die Walzenstützlager abgeleiteten Axialkräfte. Bei Walzgerüsten, die zusätzlich zu den mit einer Ballenkontur versehenen Arbeitswalzen mit Stützwalzen ausgerüstet sind, führt die Optimierung des Kippkoeffizienten
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zu einer Verringerung der maximalen lokalen Kontaktdrücke auf die Stützwalzen, bzw. generell zu einer gleichmässigeren Kräfteverteilung auf die benachbarten Walzen.
Der Kippkoeffizient (B) bewirkt somit eine Glättung des Konturverlaufs am Walzenballen und der Kräfteverteilung. Das Einführen eines Kippkoeffizienten in die Konturgleichung der Walzenballen beeinflusst somit zwar die Belastungen der Walzen und Lager des Walzgerüstes günstig, zeigt jedoch keinen grundle- genden Einfluss auf die Walzspaltgeometrie, wie der Vergleich der beiden Walzspaltgleichungen bei Zugrundelegung einer Sinusfunktion und einer gekippten Sinusfunktion für die Walzenballen- kontur zeigt.
Wie aus der obigen Formel für G (x,s) tritt die komplementäre Ergänzung der beiden Ballenkonturen dann ein, wenn de Verschiebung der oberen Arbeitswalze der Konturverschiebung c entspricht und gleichzeitig eine gegengleiche Verschiebung der unteren Arbeitswalze um s=-c erfolgt. Diese Position kann dabei sowohl innerhalb als auch ausserhalb des Arbeitsbereichs der axialen Verschiebung liegen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der gekrümmten Ballenkontur ergibt sich, wenn bei vorgegebe- ner Schliffreferenzlänge (LREF) für die gekrümmte Ballenkontur der Walze ein Konturwinkel (#) entsprechend der Bedingung 0 < (p=180 , vorzugsweise 50 =#=80 gewählt wird. Hierdurch wird sichergestellt, dass der Walzspalt je nach gewählter Verschieberichtung ausgehend von einem zentralen Maximal- oder Minimalwert zu den Walzenrändern hin stetig ab- oder zunimmt. Bei einem Konturwinkel cp > 180 kommt es zu einer Umkehr in der stetigen Abnahme oder Zunahme des Walzspaltes im Randbereich der Schliffreferenzlänge und damit zu unerwünschten Einflüssen auf die Qualität des Walzbandes.
Bei Annäherung des Konturwinkels an den Wert #=0 kommt es asymptotisch zur Ausbildung einer parabolischen Walzspaltkontur.
Zu einer Minimierung der in die Walzenstützlager abzuleitenden Axialkräfte kommt es annä- hernd dann, wenn der Kippkoeffizient (B) in der Gleichung für die Ballenkontur jeder Walze so gewählt ist, dass der maximale Durchmesserunterschied der Ballenkonturen innerhalb der Schliff- referenzlänge bzw. der Ballenlänge ein Minimum ist.
Eine die Bandqualität verbessernde Beeinflussung der Walzen ist erzielbar, wenn im Walzge- rüst zusätzlich weitere die Ballenkontur zumindest abschnittsweise beeinflussende Aktuatoren in Wirkverbindung mit den Arbeitswalzen und/oder Stützwalzen und/oder Zwischenwalzen positioniert sind, wie beispielsweise eine Arbeitswalzenkühlung oder eine Zonenkühlung. Entsprechende Effekte können auch durch Walzenbiegeeinrichtungen oder zonenweise zuschaltbare Heizeinrich- tungen realisiert werden.
Um eine fortlaufende Kontrolle und Beeinflussung der Bandqualität sicherzustellen, ist eine Einbindung des Walzgerüstes in einen Profil- oder Planheitsregelkreis vorgesehen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Arbeitswalzen und/oder Stützwalzen und/oder Zwischenwalzen durch die ihnen zugeordneten Verschiebeeinrichtungen, sowie gegebenenfalls notwendige Messeinrich- tungen zur Erfassung des Zustandes des ein- bzw.
auslaufenden Bandes und gegebenenfalls zusätzliche Aktuatoren mit einer Regeleinrichtung zur Profil- oder Planheitsregelung verbunden sind, dass der Regeleinrichtung eine Recheneinheit zugeordnet ist, de unter Verwendung mathe- matischer Modelle, gegebenenfalls unter Verwendung eines neuronalen Netzwerkes, Steuersigna- le für die Nachführung der Arbeitswalzen und/oder Stützwalzen und/oder Zwischenwalzen und gegebenenfalls zusätzlicher Aktuatoren generiert und mit den Arbeitswalzen und/oder Stützwalzen und/oder Zwischenwalzen und gegebenenfalls zusätzlicher Aktuatoren zugeordneten Stellgliedern den Steuersignalen entsprechende Positionen anfahrbar sind. Mit den Messeinrichtungen werden bandspezifische Daten erhoben, wie beispielsweise Profilverlauf, Spannungsverhältnisse, Tempe- raturprofile und Walzkräfte.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgen- den Beschreibung nicht einschränkender Ausführungsbeispiele, wobei auf die beiliegenden Figu- ren Bezug genommen wird, die Folgendes zeigen:
Fig. 1 die schematische Darstellung eines Duo-Walzgerüstes mit Arbeitswalzen entspre- chend der Erfindung,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Quarto-Walzgerüstes mit Stützwalzen entspre- chend der Erfindung,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Sexto-Walzgerüstes mit Zwischenwalzen ent- sprechend der Erfindung,
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Fig. 4 die erfindungsgemässe Walzenballenkontur auf der Grundlage einer Sinusfunktion,
Fig. 5 die erfindungsgemässe Walzenballenkontur auf der Grundlage einer gekippten Sinus- funktion,
Fig. 6 eine geometrische Definition des Konturwinkels,
Fig.
7 die Leerwalzspaltkontur in Abhängigkeit vom Konturwinkel,
Fig. 8 die Walzspaltkontur in Abhängigkeit von der Walzenverschiebungs
In den Fig. 1 bis 3 sind verschiedene Gattungen von Walzgerüsten schematisch dargestellt, die für die Anwendung der Erfindung in Frage kommen und aus dem Stand der Technik, beispielswei- se der EP-B 0 049 798, in ihrer Grundstruktur bekannt sind.
Fig. 1 zeigt ein Duo-Walzgerüst 1 mit Gerüstständer 2 und einem Paar Arbeitswalzen 3,4, die in den beiden Gerüstständern 2 in Einbaustücken 5,6 drehbar abgestützt sind. Anstellvorrichtun- gen 7 ermöglichen die Anstellung der beiden Arbeitswalzen 3,4 gegen das durch den Walzspalt 8 laufende Walzband 9. Die beiden Arbeitswalzen 3,4 sind über die Walzenzapfen 10,11 in den Einbaustücken 5,6, die auch Verschiebeeinrichtungen 12,13 umfassen, axial verschiebbar abge- stützt. Die Walzenballen 14 beider Arbeitswalzen 3,4 sind über ihre gesamte wirksame Ballenlän- ge mit einer gekrümmten Ballenkontur 15 ausgestattet, wobei sich diese Ballenkonturen 15 in einer bestimmten relativen Axialstellung der Arbeitswalzen im unbelasteten Zustand komplementär ergänzen. Dies ist entweder innerhalb oder ausserhalb des axialen Verschiebebereiches der Ar- beitswalzen 3,4 möglich.
Fig. 2 zeigt in einer weiter schematisierten Darstellung ein Quarto-Walzgerüst 17 mit Arbeits- walzen 3,4 und Stützwalzen 18,19. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Stützwalzen 18,19 mit einer gekrümmten Ballenkontur 15 ausgestattet und axial verschiebbar abgestützt. Analog zeigt Fig. 3 ein Sexto-Walzgerüst 20 mit Arbeitswalzen 3,4, Stützwalzen 18,19 und Zwischenwalzen 21,22. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Zwischenwalzen 21,22 mit einer gekrümmten Ballenkontur 15 ausgestattet und axial verschiebbar abgestützt. Während beim Duo-Walzgerüst die Ballenkontur direkt auf das Walzband einwirkt, kommt es bei den Walzgerüsten nach den Fig. 2 und Fig. 3 zu einer Veränderung der von den im wesentlichen zylindrischen Arbeitswalzen erzeug- ten Walzspaltkontur durch das Einwirken der mit einer gekrümmten Ballenkontur versehenen Stütz- bzw. Zwischenwalzen.
Der Verlauf der Ballenkontur der Walzen eines Walzenpaares ist von einer trigonometrischen Funktion, vorzugsweise einer Sinusfunktion gebildet, wobei mit einer von einer gekippten Sinus- funktion erzeugten Ballenkontur besondere Vorteile erzielt werden, die in einer möglichen Minimie- rung der Durchmesserunterschiede entlang der Ballenkontur liegen. Fig. 4 zeigt den gekrümmten Konturverlauf am Walzenballen der oberen und unteren Arbeitswalzen eines Duo-Walzgerüstes auf der Grundlage einer Sinusfunktion bei einer Walzenballenlänge von 1540 mm und einem Konturwinkel von 72 . Bei einer Arbeitswalzenverschiebung von etwa 60 mm zeigen sich bereits markante Durchmesserunterschiede über die Ballenlänge.
Demgegenüber zeigt Fig. 5 den gekrümmten Konturverlauf am Walzenballen auf der Grundla- ge einer gekippten Sinusfunktion. Die Durchmesserunterschiede über die Walzenballenlänge sind hier wesentlich geringer und verdeutlichen den beschriebenen Glättungseffekt. Versuche haben gezeigt, dass mit derart konturierten Walzenballen ein höchste Qualitätsanforderungen erfüllendes, ebenes und wellenfreies Walzband produziert werden kann.
Vorteile bestehen hinsichtlich der unmittelbar anschaulichen Eingabegrössen und der damit ein- facheren Übertragbarkeit auf andere Gerüstkonfigurationen. Eingabegrössen sind die Schliffrefe- renzlänge bzw. die Ballenlänge, der Verschiebebereich, die äquvalenten Walzenballigkeiten in den extremen Verschiebepositionen sowie der Konturwinkel.
In Fig. 6 ist am Beispiel eines Konturwinkels von 70 die Bedeutung dieser Grösse für ein be- stimmtes normiertes Walzspaltprofil veranschaulicht. Der Konturwinkel definiert jenen Ausschnitt der Kosinuskurve, der der halben Schliffreferenzlänge am Ballen entspricht.
Die Ballenkontur kann durch Variation des Konturwinkels beeinflusst werden. Die Wahl eines grösseren Kontunwinkels führt zu einem geringeren Durchmesser des Walzenballens in einem Bereich zwischen Walzenmitte und Walzenrand, damit in diesem Bereich zu einem geringeren lokalen Reduktiongrad in der Walzbanddicke und letztlich zu einer Minimierung der Viertelwellen- bildung. Der Einfluss des Konturwinkels auf die Leerwalzspaltkontur ist in Fig. 7 dargestellt und zeigt deutlich die Durchmesservariation im Viertelbereich.
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Um die mit der beschriebenen Ballenkontur ausgestatteten Walzen für eine dynamische Plan- heitsregelung einsetzen zu können, muss die Walzspaltkontur durch die Verschiebeposition der Walzen zueinander bestimmt und über den Verschiebebereich kontinuierlich veränderlich sein.
Diese Verhältnisse sind in Fig. 8 für drei beispielhafte Werte der Walzenverschiebungen der Ober- walze (s) von-60 mm, 0 mm (keine Verschiebung) und +60 mm dargestellt und zeigen den ein- setzbaren Wirkbereich des Walzgerüstes.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Walzgerüst zur Herstellung von Walzband mit Arbeitswalzen, die sich gegebenenfalls an
Stützwalzen oder Stützwalzen und Zwischenwalzen abstützen, wobei die Arbeitswalzen und/oder Stützwalzen und/oder Zwischenwalzen im Walzgerüst gegeneinander axial ver- schiebbar angeordnet sind und jede Walze mindestens eines dieser Walzenpaare eine über die gesamte wirksame Ballenlänge verlaufende, gekrümmte Kontur aufweist und sich diese beiden Ballenkonturen ausschliesslich in einer bestimmten relativen Axialstellung der
Walzen des Walzenpaares im unbelasteten Zustand komplementär ergänzen, dadurch gekennzeichnet,
dass der Verlauf der Ballenkontur der Walzen eines Walzenpaares von einer trigonometrischen Funktion gebildet ist und auch die Walzspaltkontur in Abhängigkeit vom Verlauf der Ballenkontur und der Position der Walzen innerhalb des axialen Verschie- bebereichs von einer trigonometrischen Funktion gebildet ist.