DE102005001806A1

DE102005001806A1 - Verfahren zum Kaltwalzen von metallischem Walzgut

Info

Publication number: DE102005001806A1
Application number: DE200510001806
Authority: DE
Inventors: Horst KÖDER; Burkhard Müller
Original assignee: Air Liquide Deutschland GmbH
Current assignee: Air Liquide Deutschland GmbH
Priority date: 2005-01-13
Filing date: 2005-01-13
Publication date: 2006-07-20
Also published as: CN101102856A; WO2006074875A1; BRPI0606654A2; EP1838470A1

Abstract

Es wird ausgegangen von einem bekannten Verfahren zum Kaltwalzen von metallischem Walzgut, das zur plastischen Umformung auf einer Einlaufseite in einen zwischen gegenläufig drehenden Walzen ausgebildeten Walzspalt eintritt und auf einer Auslaufseite aus dem Walzspalt austritt, wobei entstehende Umformwärme durch Zufuhr eines Industriegases, das eine geringere Temperatur als das Walzgut aufweist, abgeleitet wird. Um hiervon ausgehend ein Kaltwalzenverfahren anzugeben, bei dem einerseits eine Korrosion der Walzgutoberflächen und der Walzenoberflächen im Bereich des Walzspalts wirksam verhindert wird und bei dem andererseits eine Kondensation von Feuchtigkeit auf den Walzen und eine gesundheitlich relevante Verringerung des Sauerstoffgehalts der Umgebungsluft durch die Zufuhr großer Mengen an Inertgas vermieden wird, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass ein Messwert für die Oberflächentemperatur mindestens einer der Walzen ermittelt wird und dass auf Basis des Messwertes die Industriegas-Zufuhr eingestellt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kaltwalzen von metallischem Walzgut, das zur plastischen Umformung auf einer Einlaufseite in einen zwischen gegenläufig drehenden Walzen ausgebildeten Walzspalt eintritt und auf einer Auslaufseite aus dem Walzspalt austritt, wobei entstehende Umformwärme durch Zufuhr eines Industriegases, das eine geringere Temperatur als das Walzgut aufweist, abgeleitet wird.
Beim Kaltwalzen wird einem Walzengerüst kontinuierlich ein Strang – zum Beispiel in Form eines Bandes, Profils oder Blechs aus Stahl, Buntmetallen, Aluminium oder anderen Metallen – zugeführt und darin kalt umgeformt. Im Gegensatz zur Warmumformung wird das Walzgut vor der plastischen Umformung nicht erwärmt.
Die Formänderung unterhalb der jeweiligen Rekristallisationstemperatur der Metalle bringt vorteilhafte Eigenschaftsveränderungen mit sich, beispielsweise eine Zunahme der Festigkeit und Härte. Allerdings entsteht infolge der in das Walzgut eingebrachten Verformungsenergie innere Reibung und damit Wärme, die zum einen die Materialeigenschaften des Walzgutes verändert, und die zum anderen zu einem allmählichen Aufheizen des Walzgerüstes und damit zu Änderungen der Produkteigenschaften, wie der Oberfläche und Planheit des Walzbandes zu Oxidation führt.

Um dies zu vermeiden wird beispielsweise in der EP 0 054 172 A1 vorgeschlagen, die Arbeitsflächen von Walzen und Walzgut durch Einsatz von Kühlschmierstoffen hydrodynamisch zu trennen und gleichzeitig zu kühlen. Zur Beeinflussung des Reibwertes zwischen der Walzgutoberfläche und den Walzenoberflächen wird in Abhängigkeit von den hinter dem Walzgerüst gemessenen Bandspannungswerten zusätzlich zu der in den Walzspalt gedüsten Walzöl-Emulsion ein Walzgrundöl auf die Oberfläche des Walzbandes aufgebracht, bevor das Walzband in das Walzge rüst einläuft. Durch die zusätzliche Grundöl-Auftragung auf das Walzband kann die Planheit des Kaltwalzbandes beeinflusst werden.

Es zeigt sich jedoch, dass insbesondere Metallabrieb aus dem Umformprozess an die Schmierstoffe abgegeben wird, und dass dadurch deren Eigenschaften und Schmiervermögen beeinträchtigt werden. Ein weiterer Nachteil der Kühlschmierstoffe besteht darin, dass sie teilweise auf der Oberfläche zurückbleiben und vor der Weiterverarbeitung des Walzbandes aufwändig entfernt werden müssen.

Eine Lösung dieses Problems wird in der DE 199 53 230 ein Verfahren der eingangs genannten Gattung vorgeschlagen, wobei von der Einlaufseite und von der Auslaufseite her in den Bereich des Walzspalts Inertgas in gasförmiger oder in flüssiger Form eingeblasen wird, welches eine geringere Temperatur hat als die Walzguttemperatur im Walzspalt. Dadurch wird das durch den Walzspalt hindurchtretende Walzgut lokal mit Inertgas umspült, so dass dort lokal eine Schutzatmosphäre ausgebildet wird, welche eine Korrosion der Walzgutoberflächen und der Walzenoberflächen im Bereich des Walzspalts verhindert und die gleichzeitig eine Reibungsverminderung im Walzspalt durch eins dort so genannte „Gaskühlschmierung" bewirkt. Als Inertgas werden Stickstoff, Edelgase oder Kohlendioxid vorgeschlagen.

Im Gegensatz zu herkömmlichen, flüssigen Kühlschmierstoffen bietet das Inertgas bei der „Gaskühlschmierung" durch die restlose Verdrängung der Umgebungsluft einen besonders guten Oxidationsschutz und vermeidet Schmiermittelreste auf der Walzgutoberfläche. Durch die vorgeschlagene Kühlung der Walzgutoberfläche kann es jedoch beim Verlassen der inerten Umgebung zu Kondensation von Feuchtigkeit und zu Korrosion kommen und andererseits wird der Sauerstoffgehalt der Umgebungsluft durch die Zufuhr großer Mengen an Inertgas verringert, was zu gesundheitlichen Beeinträchtigungen bei dem in der Umgebung des Walzengerüstes tätigen Personal führen kann.

Angesichts dessen liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabenstellung zugrunde, ein Kaltwalzverfahren anzugeben, welches die vorgenannten Probleme vermeidet.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Messwert für die Oberflächentemperatur mindestens einer der Walzen ermittelt wird, und dass auf Basis des Messwertes die Industriegas-Zufuhr eingestellt wird.

Die erfindungsgemäße Weiterbildung des bekannten Verfahrens zur „Gaskühlschmierung" besteht im Wesentlichen darin, dass auf Basis der Oberflächentemperatur mindestens einer Walze eine geregelte oder gesteuerte Zufuhr des Industriegases erfolgt. Dadurch wird bei minimalem Einsatz von Industriegas die Walzentemperatur konstant gehalten, also sowohl einem allmählichen Aufheizen der Walzen als auch einem allmählichen Abkühlen entgegengewirkt. Da nur soviel Industriegas zugeführt wird, wie zur Abfuhr der Umformwärme im Walzenspalt und Reibungswärme an den Lagern der Walzen und zur Temperatureinstellung der Walzen-Oberflächentemperatur erforderlich ist, wird die Zusammensetzung der Umgebungsluft so wenig wie möglich verändert.

Gleichzeitig werden die mit dem Aufheizen einhergehenden Probleme hinsichtlich Korrosion und Oberflächenveränderungen des Walzgutes ebenso vermieden wie auch eine Kondensation auf den Walzen- oder Walzgutoberflächen durch übermäßiges Abkühlen.

Die Oberflächentemperatur wird an einer der Walzen – oder an mehreren Walzen und anschließender Mittelwertbildung – ermittelt. Für die Ermittlung sind die bekannten Temperaturmessverfahren geeignet, insbesondere optische Messverfahren.

Zur "Gaskühlschmierung" geeignete Industrie sind Inertgase wie Stickstoff, Argon, Kohlendioxid und deren Gemische – aber auch Luft, wie weiter unten noch näher erläutert wird.

Es hat sich als günstig erwiesen, wenn der Messwert für die Oberflächentemperatur der Walze an der Einlaufseite ermittelt wird.

Durch Aufnahme der infolge der plastischen Verformung des Walzgutes und der Reibung zwischen Walze und Walzgut entstehenden Wärme, nimmt die Oberflächentemperatur der Walze bei ihrer Rotation um ihre Drehachse von der Einlauf seite zur Auslaufseite hin zu. Zusätzlich erhitzt sich die Walze durch die entstehende Reibungswärme an den Lagern. Im Bereich der Auslaufseite ist die Oberflächentemperatur der Walze daher am höchsten und kann unregelmäßig Temperaturspitzen aufweisen, die im Bereich der Einlaufseite eingeebnet und nicht durch vorher aufgebrachtes Industriegas verfälscht sind. Daher ist die Oberflächentemperatur der Walze im Bereich der Einlaufseite als Maß für die Ermittlung der notwendigen Industriegasmenge besonders geeignet.

In dem Zusammenhang hat es sich auch bewährt, wenn das Industriegas auf die Zylindermantelfläche von mindestens einer der Walzen geleitet wird.

Im Gegensatz zu den oben erläuterten bekannten Verfahren wird das Industriegas bei dieser Verfahrensmodifikation nicht der Oberfläche des Walzguts oder unmittelbar dem Walzspalt zugeführt, sondern es wird unmittelbar auf die Oberfläche der Walze aufgebracht. Beim erfindungsgemäßen Verfahren liegt ein besonderes Augenmerk auf der Einstellung der Oberflächentemperatur der Walzen auf einer vorgegebenen Temperatur oder innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs. Durch die unmittelbare Kühlung der Walze wird gewährleistet, dass die Umformwärme im Walzspalt und Reibungswärme an den Lagern der Walzen vollständig oder zum großen Teil abgeführt wird.

Im Hinblick hierauf erweist es sich als besonders vorteilhaft, das Industriegas auf der Auslaufseite auf die Zylindermantelfläche der Walze zu leiten.

Wie bereits weiter oben erläutert, ist die Oberflächentemperatur der Walze im Bereich der Auslaufseite am höchsten. Der Industriegaseinsatz an der Auslaufseite der Walze hat daher die größte Effektivität, da die für den Wärmeübergang notwendige Temperaturdifferenz zwischen Walzenoberfläche und Industriegas am größten ist und hierdurch die erforderliche Industriegasmenge minimiert werden kann.

Das Auftragen des Industriegases mit hohem Impuls auf die Walzenoberfläche verbessert die Effektivität des Industriegaseinsatzes weiter, so dass in einer bevorzugten Verfahrensvariante das Industriegas auf die Zylindermantelfläche der Walze gedüst wird.

Durch Hochimpulsverdüsung des Industriegases kann die erforderliche Gasmenge weiter reduziert werden.

Eine weitere Verbesserung im Hinblick auf die Effizienz des Gaseinsatzes wird erreicht, wenn das Industriegas in einem Kühlmittelstrom, dessen Haupt-Strömungsrichtung im Wesentlichen senkrecht zur Zylindermantelfläche der Walze verläuft, auf die Walze geleitet wird.

Diese Maßnahme vereinfacht insbesondere auch die Einstellung eines hohen Impulses beim Aufdüsen des Inertgases auf die Walzenoberfläche.

Das Industriegas wird tiefkalt gasförmig bevorzugt aber in flüssiger Form zugeführt. Bei einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Industriegas ein Kohlendioxid enthaltendes Gas verwendet.

Kohlendioxid ist preiswert und lässt sich einfach handhaben.

Eine besonders einfache Handhabung ergibt sich, wenn das Kohlendioxid bei Umgebungstemperatur in einer Zufuhrleitung flüssig gehalten und als tiefkaltes Kohlendioxidgas oder in Form eines Gemischs aus Kohlendioxidschnee und Kohlendioxidgas auf die Zylindermantelfläche auf der Auslaufseite von mindestens einer der Walzen geleitet wird.

Das Kohlendioxid wird in der Zufuhrleitung ohne aufwändige Kühlmaßnahmen in flüssigem Zustand bereitgehalten. Diese erfindungsgemäß bevorzugte Lagerung des flüssigen Kohlendioxids in der Zufuhrleitung erfordert auch bei Umgebungstemperatur nur moderate Drücke. Bei der Entspannung des flüssigen Kohlendioxids auf Umgebungsdruck findet eine Umwandlung des flüssigen Kohlendioxids in festes und gasförmiges Kohlendioxid statt. Die dazu notwendige Verdampfungs- und Sublimationswärme bewirkt eine Abkühlung des Kohlendioxids und führt zu einer besonders effektiven Wärmeabfuhr von der Walzenoberfläche.

Dadurch, dass das Kohlendioxid auf die Zylindermantelfläche auf der Auslaufseite von mindestens einer der Walzen geleitet wird, werden Beeinträchtigungen der Walzgutoberfläche vermieden, die auftreten können, wenn Kohlendioxidschnee, der sich beim Entspannen von flüssigem Kohlendioxid auf Umgebungsdruck bil det, in den Spalt eingezogen wird. Geringfügige Mengen an ungenutztem Schnee sublimieren rückstandsfrei auf dem Walzgut auf der Auslaufseite der Walzen.

Vorzugsweise wird das über die Zufuhrleitung der Walze zugeführte flüssige Kohlendioxid über mindestens eine Düse auf die zu kühlende Walzenoberfläche in gasförmiger und fester (Schnee) Form mit hohem Impuls aufgesprüht.

In einer weiteren bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Industriegas verwendet, das verflüssigte oder gasförmige tiefkalte Luft enthält.

Das Industriegas wird der zu kühlenden Oberfläche in gasförmiger Form, bevorzugt jedoch in flüssiger Form, zugeführt. Der Einsatz von Luft zur Kühlung ist im Hinblick auf eine Belastung der Raumluft in der Arbeitsumgebung unproblematisch, so dass auch ein höherer Industriegaseinsatz gefahrlos aufrecht erhalten werden kann, wenn eine besonders tiefe Oberflächentemperatur der Walze angestrebt wird oder besonders große Wärmemengen abzuführen sind. Es hat sich gezeigt, dass der Sauerstoffanteil der Luft in Bezug auf eine Oxidation der Walzen und des Walzguts bei Einstellung eines niedrigen Temperaturniveaus unkritisch ist.

Die Regelung der Industriegas-Zufuhr auf Basis der mittleren Oberflächentemperatur der Walzen erfolgt von Hand oder automatisch. Bevorzugt jedoch wird die Walzen-Oberflächentemperatur mittels einer automatischen Regelung auf einem Sollwert gehalten, wobei als Stellgröße der Regelung der Durchfluss des Industriegases oder ein damit korrelierbarer Parameter verwendet wird.

Der zur Einhaltung der Oberflächentemperatur erforderliche Industriegasbedarf wird mittels der automatischen Regelung durch Änderungen des Massendurchflusses oder Volumendurchflusses des Industriegases eingestellt. Die aufgrund der automatischen Temperaturregelung zu erreichende Genauigkeit ermöglicht eine weitere Minimierung des Industriegaseinsatzes.

Es hat sich bewährt, wenn der Sollwert der Walzen-Oberflächentemperatur im Bereich zwischen +/– 20% der maximalen Temperatur des Walzguts auf der Einlaufseite liegt.

Die Oberflächentemperatur der Walze kann auf einen konstanten Temperatur-Sollwert innerhalb eines Tolereranzbereich, der zwischen +/– 20% der maximalen Temperatur des Walzguts auf der Einlaufseite liegt, geregelt werden, oder es wird lediglich auf die Einhaltung einer Oberflächentemperatur innerhalb dieses Tolereranzbereichs geachtet.

Vorzugsweise wird das Industriegas entlang einer Kühlstrecke, die sich parallel zur Walzenlängsachse erstreckt, auf die Walze geleitet.

Die Kühlstrecke erstreckt sich über die gesamte Länge der Walze oder eines großen Teils der gesamten Länge und ermöglicht so ein besonders gleichmäßiges Kühlen der Oberfläche von Walze und Walzgut, so dass Spannungen und Formänderungen durch lokale Temperaturunterschiede vermindert werden. Zum Aufbringen des Industriegases auf die zu kühlende Walze entlang der Kühlstrecke wird vorzugsweise eine Sprühvorrichtung eingesetzt, die entlang der Walzenlängsachse und an der Walzgut-Auslaufseite angeordnet ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Patentzeichnung näher beschrieben. Als einzige Figur zeigt in schematischer Darstellung
1 eine Seitenansicht eines Walzgerüstes mit an der Auslaufseite der Walzen angeordneten Kühlmittel-Düsen zur automatisch geregelten Zufuhr von Kühlmittel gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.
1 zeigt schematisch ein Kaltwalzgerüst mit zwei senkrecht übereinander angeordneten Walzen 1, 2, die einen Walzspalt 3 bilden, durch den Walzgut in Form eines Metallbandes 4 in Pfeilrichtung 9 gezogen wird.
Auf der Bandaustrittsseite „S" des Walzgerüsts sind Düsen 5 für die Zufuhr eines Kühlmittels in flüssiger Form auf die Walzenoberfläche vorgesehen. Die Düsen 5 sind als Rohrdüsen ausgebildet, die sich entlang der gesamten Länge beider Walzen 1, 2 erstrecken. Der aus den Düsen 5 austretende Flüssigkeitsstrahl 6 ist auf die Oberfläche der Walzen 1, 2 gerichtet, wobei seine Hauptausbreitungsrichtung, die durch die gestrichelte Linie 5a gekennzeichnet ist, senkrecht zur Zylindermantelfläche 20 der jeweiligen Walze 1, 2 verläuft.
Mittels der Pyrometer 7 und 8 wird die Oberflächentemperatur der Walzen 1 und 2 an einer Messstelle 11 auf der Bandeintrittsseite „A" erfasst. Die Pyrometer 7 und 8 sind mit je einem Temperaturregler 9 und 10 verbunden, mittels dem der Messwert der Oberflächentemperatur für eine Regelung der Kühlmittelzufuhr erfasst und ausgewertet wird.
Zu diesem Zweck sind in den Zufuhrleitungen für das Kühlmittel 12, 13 pneumatisch angesteuerte Durchflussregelventile 14 und 15 eingesetzt, die jeweils mit einem der Temperaturregler 9, 10 verbunden sind.
Zum Betrieb des Kaltwalzgerüsts werden die Walzen 1, 2 drehend angetrieben, wodurch das Walzgut 4 unter plastischer Verformung durch den Walzspalt 3 hindurchgezogen wird. Die Oberflächentemperatur der Walzen 1 und 2 wird mittels der Pyrometer 7, 8 erfasst und der Messwert an die Temperaturregler 9, 10 weitergegeben. Mittels der Temperaturregler 9, 10 wird die Oberflächentemperatur der Walzen 1, 2 auf einen vorgegebenen Sollwert, der im Temperaturbereich zwischen minus 20°C und plus 60°C liegen kann geregelt. Im Ausführungsbeispiel ist der Sollwert auf 20°C eingestellt. Die Stellgröße hierfür ist der Massen- oder Volumenstrom des auf die Walzen 1, 2 aufgesprühten Kühlmittels, das den Düsen 5 über die Regelventile 14, 15 zugeführt wird.
Als Kühlmittel wird flüssiges Kohlendioxid eingesetzt, das über eine mittels Kugelhahn 17 verschließbare Versorgungsleitung 16 aus einem Flüssiggastank 18 in die Zufuhrleitungen 12, 13 eingespeist wird, wobei sich das Kohlendioxid in den Zufuhrleitungen 12, 13 im Bereich von 252 bis 304 K bei einem Druck von 19 bis 73 bar in flüssigem Aggregatzustand befindet. Vorzugsweise wird das Kohlendioxid flüssig mit ca. 292 K und 56 bar zugeführt. Beim Austritt aus den Düsen 5 bilden sich gasförmiges Kohlendioxid und Kohlendioxidschnee, die mit hohem Impuls auf die Walzenoberfläche auftreffen. Durch Verdampfung und Sublimation des Kohlendioxides erfolgt die Kühlung der Walzen 1,2 sehr effektiv.

Claims

Verfahren zum Kaltwalzen von metallischem Walzgut (4), das zur plastischen Umformung auf einer Einlaufseite (A) in einen zwischen gegenläufig drehenden Walzen (1, 2) ausgebildeten Walzspalt (3) eintritt und auf einer Auslaufseite (B) aus dem Walzspalt (3) austritt, wobei entstehende Umformwärme durch Zufuhr eines Industriegases, das eine geringere Temperatur als das Walzgut (4) aufweist, abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messwert für die Oberflächentemperatur mindestens einer der Walzen (1, 2) ermittelt wird, und dass auf Basis des Messwertes die Industriegas-Zufuhr eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwert für die Oberflächentemperatur der Walze (1, 2) an der Einlaufseite (A) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Industriegas auf die Zylindermantelfläche (20) von mindestens einer der Walzen (1, 2) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Industriegas auf der Auslaufseite (B) auf die Zylindermantelfläche (20) der Walze (1, 2) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Industriegas auf die Zylindermantelfläche (20) der Walze (1, 2) gedüst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Industriegas in einem Kühlmittelstrom, dessen Haupt-Strömungsrichtung (5a) im Wesentlichen senkrecht zur Zylindermantelfläche (20) der Walze (1, 2) verläuft, auf die Walze (1, 2) geleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Industriegas ein Kohlendioxid enthaltendes Gas verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlendioxid bei Umgebungstemperatur in einer Zufuhrleitung (12, 13) flüssig gehalten und als tiefkaltes Kohlendioxidgas oder in Form eines Gemischs aus Kohlendioxidschnee und Kohlendioxidgas auf die Zylindermantelfläche (20) auf der Auslaufseite (B) von mindestens einer der Walzen (1, 2) geleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Industriegas verwendet wird, das verflüssigte oder gasförmige tiefkalte Luft enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Industriegas verflüssigtes oder gasförmiges tiefkaltes Inertgas enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Walzen-Oberflächentemperatur mittels einer automatischen Regelung auf einem Sollwert gehalten wird, wobei als Stellgröße der Durchfluss des Industriegases oder ein damit korrelierbarer Parameter verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert der Walzen-Oberflächentemperatur im Bereich zwischen +/– 20% der maximalen Temperatur des Walzguts (4) auf der Einlaufseite (A) liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Industriegas entlang einer Kühlstrecke, die sich parallel zur Walzenlängsachse (19) erstreckt, auf die Walze (1, 2) geleitet wird.