-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Zweiwalzengießmaschine
zum Gießen von
Band aus einer Metallschmelze, wobei die Zweiwalzengießmaschine
zwei um jeweils eine Drehachse rotierende, in Drehlagern gelagerte
Gießwalzen aufweist,
die zwischen sich einen Gießspalt
an dessen Längsseiten
begrenzen, und jeder Gießwalze
jeweils mindestens eine Stelleinrichtung zugeordnet ist, die die
jeweilige Gießwalze
positioniert, um im Gießbetrieb
eine bestimmte Geometrie des Gießspalts aufrechtzuerhalten,
und wobei die jeweils gemeinsam einer der kurzen Seiten des Gießspalts
zugeordneten Drehlager miteinander verbunden sind.
-
Zweiwalzengießmaschinen,
in der Fachsprache auch "Double-Roller" oder "Twin-Roller" genannt, werden
zum Gießen
von Metallband aus Metallschmelze, insbesondere Stahlschmelze eingesetzt. Sie
weisen zwei gegenläufig
um parallel zueinander angeordnete Drehachsen rotierende Gießwalzen auf,
die zwischen sich einen Gießspalt
begrenzen, durch den das zu gießende
Metallband austritt. An seinen Schmalseiten ist der Gießspalt üblicherweise durch
jeweils eine Seitenplatte abgedichtet (WO 98/04369,
EP 0 714 715 A1 EP 0 620 061 B1 ).
-
Um
das Risiko einer Oxidation der jeweils verarbeiteten Schmelze zu
minimieren, wird der über dem
Gießspalt
entstehende Schmelzensumpf üblicherweise
unter einer Schutzgasatmosphäre
gehalten. Dazu wird bei aus der Praxis bekannten Twin-Rollern oberhalb
des Schmelzensumpfs eine Abdeckung angeordnet, die im Normalbetrieb
in einem bestimmten Abstand zu den Gießwalzen gehalten wird, um deren
freien Lauf zu ermöglichen.
Indem die Atmosphäre über dem
Schmelzensumpf mit einem gewissen Überdruck aufrechterhalten wird,
wird das Eindringen von Sauerstoff auch im Bereich der zwischen
Abdeckung und Gießwalzen
unvermeidbaren Spalte vermieden. Voraussetzung dazu ist jedoch,
dass die Spalthöhe
ein bestimmtes Maximum nicht überschreitet,
weil andernfalls der Überdruck der
Schutzatmosphäre
zu stark abfällt
und Umgebungssauerstoff zur Schmelze gelangen kann.
-
Bei
der Erzeugung von gegossenen Bändern nach
dem Zweiwalzengießverfahren
kommt es häufig
zu so genannten "heißen Querstreifen". Diese Querstreifen
bilden zum einen eine sich über
einen kurzen Längenabschnitt
erstreckende Dickenüberhöhung, die
für sich
gesehen bereits bei der weiteren Verarbeitung des gegossenen Bandes
Probleme bereitet. Zum anderen führen
sie zu einer Vergrößerung des
zwischen den Gießwalzen
und zwischen den Gießwalzen
gebildeten Gießspalts
mit der Folge, dass Luftsauerstoff in den Raum über dem Schmelzensumpf eintreten
kann und die Gefahr einer Oxidation der zu vergießenden Schmelze
besteht.
-
Die
heißen
Querstreifen entstehen aufgrund von parasitären Erstarrungen, so genannten "Crusts", die sich im unteren Bereich
der den Gießspalt
abdichtenden Seitenplatten bilden. Diese Crusts lösen sich
bei einer gewissen Größe oder
Gewicht und gelangen als fest erstarrter Körper zwischen die in Erstarrung
befindlichen Randschalen des gegossenen Bandes. Dieser Eintrag von
festem Material hat zunächst
nur eine lokal eng begrenzte Dickenüberhöhung zur Folge. Aufgrund dieser
Dickenüberhöhung kommt
es dann im engsten Punkt des Gießspalts, dem so genannten Nip-Point,
an lokal eng begrenzter Stelle zu einem plötzlich auftretenden hohen Kraftanstieg.
-
Da
diese plötzlich
auftretende Kraft asymmetrisch zwischen den beiden Ständern des
Gießrahmens,
d.h. der Verbindung zwischen den jeweils einer kurzen Seite des
Gießspalts
zugeordneten Drehlagern der Gießwalzen,
wirksam ist, kommt es aufgrund der unvermeidbaren Dehnbarkeit der
Verbindung zwischen den Drehlagern zu einem ungleichmäßigen Auffedern
des Gießspalts.
Dieses Auffedern hat für
einen kurzen Augenblick im Bereich der Seite des Gießspalts,
an der der jeweilige Crust aufgetreten ist, eine plötzliche
starke Dicken- und Festigkeitszunahme über einen eng begrenzten Längenabschnitt
des gegossenen Bandes zur Folge, weil in diesem Moment plötzlich hohe
Bandformungskräfte
im betreffenden Gießspaltabschnitt
wirken. In dem Bereich des gegossenen Bandes, der den vom Crust
nicht direkt betroffenen Bereich an der anderen Seite des Gießspalts
passiert, liegt dagegen eine deutlich geringere Festigkeit vor,
da es auch dort aufgrund der Auffederung des aus den Gießwalzen und
den Verbindungen zwischen den Drehlagern gebildeten Gesamtsystems
zu einer Aufweitung des Gießspalts
kommt. Diese Auffederung verursacht eine Abnahme der in diesem Bereich
des Gießspalts wirksamen
Bandformungskraft, so dass die bereits erstarrten Außenschalen
des gegossenen Bandes in diesem Bereich kurzfristig nicht mit der
für die
geforderte Festigkeit des gegossenen Bandes erforderlichen Kraft
zusammengepresst werden.
-
Die
in dem nicht direkt von dem Crust-Eintrag betroffenen Bereich des
Gießspalts
messbare, auf das Band wirkende Kraft entspricht dabei nicht mehr
der im Gießprozess
zur Erzielung des gewünschten
Gießergebnisses
kontrolliert aufgebrachten Bandformkraft, sondern ist gleich einem
Anteil der in diesem Bereich wirksamen Reaktionskraft der aus dem
Crust-Eintrag im anderen Bereich des Gießspalts entstehenden Aktionskraft.
Bei hohen Kraftspitzen oder beim Vergießen von Schmelzengüten mit
geringen Erstarrungsintervallen kann dies neben dem Problem der
ungleichförmigen
Dicken- und Festigkeitsverteilung zu Bandabrissen führen, die
unmittelbar zum Gießabbruch
führen.
Die in Folge der Crusts entstehenden Fehler des Profils des gegossenen
Bandes, wie Dickenüberhöhungen und
Keilbildung, verursachen zudem Probleme bei der auf das Gießen folgenden
Verarbeitung des gegossenen Bandes.
-
Es
sind aus dem Stand der Technik Möglichkeiten
bekannt, die unvermeidbare Dehnung der die Gießrollen tragenden und miteinander
verbindenden Bauelemente mit dem Ziel einer möglichst gleichmäßigen Aufrechterhaltung
der Form des Gießspalts
zu kompensieren (
US 3 269 160 ,
US 3 587 263 ). Jedes dieser
bekannten Verfahren geht dabei davon aus, dass bei Auftreten von überhöhten Kräften, die
durch Veränderung
im Gießspalt
verursacht werden, die auf die Gießwalzen in Richtung des Gießspalts
von geeigneten Stelleinrichtungen aufgebrachten Kräfte erhöht werden
müssen,
um eine übermäßige Aufweitung
des Spalts zu verhindern. Im Fall des Einziehens eines Crusts in
den Gießspalt
und der damit einhergehend plötzlich
auftretenden Belastung führen
diese Vorgehensweisen allerdings dazu, dass von den Stelleinrichtungen
erhebliche Stellkräfte
auf die Walzen ausgeübt
werden, um den Spalt möglichst
schnell wieder zu schließen.
-
Der
Bereich des Gießspalts,
in den der Crust eingezogen worden ist und in dem eine höhere Festigkeit
des Bandes vorliegt, wird dann unter massivem Krafteintrag geschlossen,
weil dort die höheren Kräfte auftreten,
während
am anderen Ende des Gießspalts
eine deutlich geringere Kraftbeaufschlagung vorgenommen werden würde. Diese
ungleichmäßige Belastung,
die insbesondere im vom Auftreten des Crusts betroffenen Bereich
zu extrem hohen Belastungsspitzen führt, kann eine dauerhafte Beschädigung der
Gießwalze
verursachen.
-
Die
durch die Entstehung von Crusts verursachten Störungen sind auch deshalb besonders schwer
zu beherrschen, weil in der Praxis keine Möglichkeit zur Voraussage des
Ortes bekannt ist, an dem es zur nächsten Entstehung eines Crust
kommen wird.
-
Ausgehend
von dem voranstehend erläuterten
Stand der Technik bestand die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren
zu schaffen, mit dem trotz des Auftretens von Crusts ein dauerhaft
sicherer Betrieb einer Zweiwalzengießmaschine möglich ist, ohne dass es dazu
eines großen
Aufwands bedarf.
-
Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs angegeben Art gelöst, welches
erfindungsgemäß dadurch
gekennzeichnet ist,
- – dass für jede der Stelleinrichtungen
die in ihrem Bereich auftretende Reaktionskraft erfasst wird,
- – dass
dann, wenn eine der erfassten Reaktionskraft und die Geschwindigkeit
des Anstiegs der betreffenden Reaktionskraft jeweils einen Grenzwert überschreiten,
festgestellt wird, an welcher der Stelleinrichtungen die betreffende
Reaktionskraft den Grenzwert überschritten
hat, und
- – dass
die von derjenigen Stelleinrichtung, an der die Grenzwertüberschreitung
festgestellt worden ist, vorzunehmende Verstellung unter Berücksichtigung
der über
dem Grenzwert liegenden Reaktionskraft und der jeweils aktuellen
Dehnung der Verbindung zwischen denjenigen Drehlagern vorgenommen
wird, die derselben kurzen Seite des Gießspalts zugeordnet sind wie
die Stelleinrichtung, an der die Grenzwertübertretung aufgetreten ist.
-
Die
Erfindung stellt ein Verfahren zur Verfügung, mit dem es im laufenden
Betrieb möglich
ist, mittels einer geeigneten Überwachungs-
und Auswerteinrichtung die auf die Gießwalzen ausgeübten Kräfte auf
Basis einer Positionsregelung so einzustellen, dass einerseits eine
Beschädigung
der Gießwalzen
verhindert und andererseits die Folgen des Auftretens eines Crusts
minimiert werden. Zu diesem Zweck werden die aus dem Gießspalt auf
die Gießwalzen
wirkenden Kräfte
hinsichtlich ihrer Höhe
und die Geschwindigkeit ihres Auftretens bewertet. Dazu wird die
jeweils erfasste Reaktionskraft mit einem Schwellwert verglichen,
dessen Überschreiten
ein Indiz für
das Vorliegen eines Crusts im Gießspalt darstellt.
-
Wird
ein solches Ereignis detektiert, so wird festgestellt, in welchem
Bereich des Gießspalts
es dazu gekommen ist. Zu diesem Zweck können die im Bereich der beiden
kurzen Seiten festgestellten Kräfte
miteinander verglichen werden. Die Stelle, an der der höhere Kraftwert
erfasst worden ist, markiert den Abschnitt des Gießspalts,
in den der jeweilige Crust eingezogen worden ist.
-
Parallel
zur Erfassung und Bewertung der als Reaktion auf die Störung im
Gießspalt
wirkenden Kräfte
wird der Gradient erfasst, mit dem die Änderung der Reaktionskraft
eingetreten ist. Überschreitet auch
dieser Gradient einen für
das Auftreten eines Crusts charakteristischen Schwellwert, so ist
dies die Bestätigung
dafür,
dass ein Crust vorliegt.
-
Daraufhin
wird die Positionsregelung der Gießwalzen nicht mehr nach der
Standardprozedur vorgenommen, sondern die von den Stelleinrichtungen
vorzunehmende Positionierung erfolgt unter Berücksichtigung der Dehnung, die
im Bereich der Verbindung zwischen den Drehlagern unvermeidbar ist, die
dem Bereich des Gießspalts
zugeordnet sind, an dem sich das Crust-Ereignis abspielt. Auf diese
Weise wird es möglich,
den Abschnitt des Gießspalts,
in den der Crust eingezogen worden ist, unter Berücksichtigung
der Eigenschaften des aus den einzelnen Bauelementen der Zweiwalzengießmaschine gebildeten
Gesamtsystems so einzustellen, dass zum einen Beschädigungen
der Gießwalze
vermieden werden und zum anderen die geometrischen Fehler des erhaltenen
gegossenen Bandes in Folge der Crust-Bildung minimiert sind. Auf
Basis derselben Regelgrößen (effektive
Dehnung des Gesamtsystems und tatsächlich aufgetretene Reaktionskraft
im nicht vom Crust betroffenen Bereich des Gießspalts) lässt sich in dem Bereich, der
nicht direkt vom Auftreten des Crusts betroffen ist, die Positionsregelung der
Gießwalzen
so vornehmen, dass die dortige Auffederung des Gießrahmens
ebenfalls kompensiert wird und ausreichend hohe Bandkräfte vorliegen,
um Bandabrisse sicher zu vermeiden.
-
Mit
der erfindungsgemäßen Vorgehensweise steht
somit ein Verfahren zur Verfügung,
das großen apparativen
Aufwand ermöglicht,
eine Zweiwalzengießmaschine
so zu betreiben, dass der negative Einfluss des Auftretens eines
Crusts auf das Gießergebnis
und die Gefahr einer Unterbrechung des Gießvorgangs oder einer Beschädigung der
Gießwalzen
auf ein Minimum reduziert sind.
-
Die
jeweils aktuelle Dehnung der Verbindung zwischen den jeweiligen
Drehlagern im vom Auftreten des Crusts betroffenen Bereich des Gießspalts kann
auf einfache und im automatischen Verfahren schnell durchführbare Weise
anhand einer Dehnungskurve bestimmt werden, die im störungsfreien Betrieb
unter einer Normalbelastung ermittelt wird. Dazu bietet es sich
beispielsweise an, den von der Kraftbelastung abhängigen Dehnungsverlauf
durch ein Polynom wiederzugeben, dessen Konstanten unter Normalbedingungen
empirisch ermittelt werden.
-
Nachfolgend
wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden
Zeichnung erläutert.
-
Die
einzige Figur zeigt die Gießwalzen 1, 2 einer
Zweiwalzengießmaschine,
von der hier nur die zur Erläuterung
der Erfindung erforderlichen Elemente dargestellt sind. Die Gießwalzen 1, 2 sind
an ihren stirnseitigen Enden jeweils in Drehlagern 4a, 4b (Gießwalze 1)
bzw. 5a, 5b (Gießwalze 2) drehbar
gelagert und begrenzen zwischen sich die Längsseiten eines Gießspalts 6,
in dem die jeweils zu vergießende
Metallschmelze in an sich bekannter Weise zu einem gegossenen Band
geformt wird. Bei der Metallschmelze handelt es sich beispielsweise
um eine Stahlschmelze.
-
An
seinen kurzen Seiten 6a, 6b ist der Gießspalt 6 durch
hier nicht dargestellte Seitenplatten abgedichtet, die mit ihren
ebenfalls nicht gezeigten Inserts aus einem feuerfesten Material
an den Stirnseiten der Gießwalzen 1, 2 anliegen.
-
Die
Drehlager 4a, 4b der Gießwalze 1 und die Drehlager 5a, 5b der
Gießwalze 2 werden
gemeinsam von einem Maschinenrahmen 7 getragen, dessen
Längsseiten
mit Abstand um die Gießwalzen 1, 2 parallel
zu den Gießwalzen 1, 2 geführt sind.
Das zwischen den der einen kurzen Seite 6a des Gießspalts 6 zugeordneten
Drehlagern 4a, 5a angeordnete Teilstück des Maschinenrahmens 7 stellt
dabei die Verbindung 7a dar, durch die die betreffenden Drehlager 4a, 5a miteinander
verbunden sind. In entsprechender Weise ist eine Verbindung 7a der
der anderen kurzen Seite 6b des Gießspalts 6 zugeordneten
Drehlager 4b, 5b ebenfalls durch ein Teilstück des Maschinenrahmens 7 hergestellt.
-
Jedem
der Drehlager 4a, 4b, 5a, 5b ist
jeweils eine Stelleinrichtung 8, 9, 10, 11 zugeordnet, durch
die die Position des jeweiligen Drehlagers 4a, 4b, 5a, 5b und
mit dieser die Ausrichtung der jeweiligen Gießwalze 1, 2 zum
Regeln der Weite W des Gießspalts 6 im
jeweiligen Gießspaltbereich
verstellt werden kann. Darüber
hinaus ist jedem Drehlager 4a, 4b, 5a, 5b eine
Detektionseinrichtung 12, 13, 14, 15 zugeordnet,
die die vom jeweiligen Drehlager 4a, 4b, 5a, 5b aufgenommenen
Teilreaktionskräfte
Fga,Fgb erfassen.
-
Die
Detektionseinrichtungen 12–15 liefern die von
ihnen erfassten Messwerte an eine Überwachungs- und Steuerungseinrichtung 16,
die die von den Stelleinrichtungen 8–11 vorgenommene Positionierung
der Gießwalzen 1, 2 steuert
und die von den Detektionseinrichtungen 12–15 festgestellten
Kräfte Fga,
Fgb bewertet, um beim Auftreten eines Crusts C im Bereich des Gießspalts 6 die
erforderliche Einstellung der Stelleinrichtungen 8–11 vorzunehmen.
-
In
der Überwachungs-
und Steuerungseinrichtung 16 ist zu diesem Zweck das Dehnungsverhalten
der Verbindungen 7a, 7b zwischen den Drehlagern 4a, 5a bzw. 4b, 5b in
Form jeweils eines Polynoms zweiten Grades hinterlegt, dessen Konstanten
ca0, ca1 bzw. cb0, cb1 bei Normalbelastung
ermittelt worden sind. Ebenso können
die Dehnungskurven rechnerisch ermittelt werden. Die von der jeweils
wirkenden Reaktionskraft Fa, Fb abhängigen Dehnungen La, Lb im
Bereich der Verbindungen 7a, 7b lassen sich demnach
wie folgt ermitteln:
Verbindung 7a: La = ca0 · Fa2 + ca1 · Fa
Verbindung 7b:
Lb = cb0 · Fb2 +
cb1 · Fb
-
Im
Gießbetrieb
prüft die Überwachungs-
und Steuerungseinrichtung 16 laufend, ob die aus dem Gießspalt 6 im
Bereich von dessen kurzen Seiten 6a, 6b wirkenden
Gegenkräfte
einen Schwellwert überschreiten.
Zu diesem Zweck werden die Teilreaktionskräfte Fga, Fgb erfasst, die an
den Kraftangriffspunkten der Stelleinrichtungen 8–11 auftreten.
-
Überschreitet
einer der Kräfte
Fga, Fgb den Schwellwert, so ist dies ein erstes Indiz für das Vorliegen
eines Crusts C im betreffenden Bereich des Gießspalts 6. Gleichzeitig
ermittelt die Überwachungs-
und Steuerungseinrichtung 16 die auf die Bandlänge X bezogenen
Gradienten dFga/dX bzw. dFgb/dX, mit denen Änderungen der Kräfte Fga,
Fgb eintreten. Überschreitet
auch einer der Gradienten dFga/dX bzw. dFgb/dX einen zugeordneten
Schwellwert, so stellt dies die Bestätigung dafür dar, dass ein Crust C in
den Gießspalt 6 eingezogen
worden ist.
-
Durch
einen Vergleich der an der einen kurzen Seite 6a erfassten
Kraft Fga mit der an der anderen kurzen Seite 6b festgestellten
Kraft Fgb wird anschließend
der Bereich des Gießspalts 6 bestimmt, an
dem sich der Crust C befindet. Ist die Kraft Fga größer als
die Kraft Fgb, so liegt der Crust C im Bereich der kurzen Seite 6a des
Gießspalts 6 vor.
Bei umgekehrten Verhältnissen
ist der Crust C in den der anderen kurzen Seite 6b zugeordneten
Bereich des Gießspalts 6 eingezogen
worden.
-
Für diejenige
kurze Seite 6a bzw. 6b des Gießspalts 6, an der
der Crust C festgestellt worden ist, wird anschließend anhand
des jeweiligen Polynoms und unter Zugrundelegung der jeweils festgestellten
Kraft Fga bzw. Fgb die aktuelle Dehnung La1 bzw.
Lb1 ermittelt.
-
Für die in
der Figur gezeigte Konstellation ergibt sich demnach die aktuelle
Dehnung La1 zu: La1 = ca0 · Fga2 + ca1 · Fga
-
Aus
der Multiplikation der Differenz aus der aktuellen Dehnung La1 und der Dehnung La unter Normalbedingungen
mit einem entsprechenden Verstärkungsfaktor ηa ergibt sich dann der Zusatzwert ΔPosa der Positionsregelung, um den die Stelleinrichtungen 8, 10 die
Verstellung der Drehlager 4a, 5a im Bereich der
kurzen Seite 6a des Gießspalts 6 vornehmen,
um dort die Folgen des Auftretens des Crusts C zu minimieren: ΔPOSa = (La1 – La) · ηa
-
In
entsprechender Weise wird für
die der anderen kurzen Seite 6b des Gießspalts 6 zugeordneten
Stelleinrichtungen 9, 11 der Zusatzwert ΔPosb der Positionsregelung aus der aktuellen
dort wirksamen Dehnung Lb1 und der dort
unter Normalbedingungen wirksamen Dehnung Lb wie folgt bestimmt: ΔPosb = (Lb1 – Lb) · ηb
-
Mit ηb ist dabei der Verstärkungsfaktor bezeichnet, der
ermittelt worden ist, um die im Fall des Auftretens eines Crusts
C im Bereich der Seite 6a des Gießspalts 6 sich im
Bereich der Seite 6b des Gießspalts 6 einstellende
Gießspaltaufweitung
zu kompensieren und um dort eine ausreichende Bandformkraft zwischen
den Gießwalzen 1, 2 zu
gewährleisten.
-
- 1,
2
- Gießwalzen
- 4a,
4b
- Drehlager
der Gießwalze 1
- 5a,
5b
- Drehlager
der Gießwalze 2
- 6
- Gießspalt
- 6a,
6b
- kurze
Seiten des Gießspalts 6
- 7
- Maschinenrahmen
- 7a
- Verbindung
zwischen den Drehlagern 4a, 5a
- 7b
- Verbindung
zwischen den Drehlagern 4b, 5b
- 8,
9, 10, 11
- Stelleinrichtungen
- 12,
13, 14, 15
- Detektionseinrichtungen
- 16
- Überwachungs-
und Steuerungseinrichtung
- Fga,
Fgb
- Teilreaktionskräfte
- C
- Crust
- W
- Weite
des Gießspalts 6