DE102006028367B3

DE102006028367B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Bandzugmessung

Info

Publication number: DE102006028367B3
Application number: DE200610028367
Authority: DE
Inventors: Joachim Dipl.-Ing. Schimmelpfennig; Stefan Dipl.-Ing. Ixfeld
Original assignee: Aluminium Norf GmbH
Current assignee: Aluminium Norf GmbH
Priority date: 2006-06-19
Filing date: 2006-06-19
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2026-06-20
Also published as: WO2007147767A2; WO2007147767A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bandzugmessvorrichtung mit mindestens einer Bandzugmessrolle und Aufnahmemitteln für mindestens eine Bandzugmessrolle sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Bandzugkraft beim Walzen von Metallen mit mindestens einer Bandzugmessrolle. Die Aufgabe, eine Bandzugmessvorrichtung sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Bandzugkraft zur Verfügung zu stellen, welche bzw. welches mit einfachen und kostengünstigen Mitteln eine präzise Bestimmung der Bandzugkraft ermöglicht, wird für eine Bandzugmessvorrichtung dadurch gelöst, dass mindestens eine Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung und Auswertemittel vorgesehen sind, wobei mit der Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung Ultraschallwellen in durch die Bandzugkraft spannungsbelastete Bereiche der Aufnahmemittel für die Bandzugmessrolle einkoppelbar und wieder empfangbar sind und über die Auswertemittel zumindest eine Laufzeit der Ultraschallwellen ermittelbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bandzugmessvorrichtung mit mindestens einer Bandzugmessrolle und Aufnahmemitteln für mindestens eine Bandzugmessrolle sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Bandzugkraft mit mindestens einer Bandzugmessrolle.
Die Bestimmung der Bandzugverteilung ist beispielsweise beim Walzen eines Metallbandes eine sehr wichtige Messgröße für das Walzen, welche häufig zur Prozesskontrolle sowohl beim Kaltwalzen als auch beim Warmwalzen von Metallen verwendet wird. Zur Messung des Bandzuges werden Bandzugmessrollen eingesetzt. Die Bandzugmessrollen werden in Lagern gelagert, welche auf Kraftaufnehmern montiert sind. Über die Kraftaufnehmer, welche in der Regel als Kraftmessdosen ausgebildet sind, wird eine Komponente, entweder die vertikale oder horizontale Komponente, des Bandzuges ermittelt und über die bekannten ein- und auslaufseitig der Bandzugmessrolle vorhandenen Umlenkwinkel des Bandes der Bandzug bestimmt. Problematisch bei den bekannten Vorrichtungen zur Messung des Bandzuges ist nun, dass die Kraftaufnehmer sehr teuer sind und einen relativ hohen Wartungsbedarf haben. Da häufig an mehreren Stellen beim Walzen von Metallen, beispielsweise ein- und auslaufseitig eines Walzgerüstes die Bandzugkraft gemessen werden soll, führt dies zu relativ hohen Investitionen in einem Walzwerk.
Aus der europäischen Patentschrift EP 0 977 978 B1 ist eine Vorrichtung zur Messung der Zugspannungsverteilung bekannt, bei welcher die Zugspannung in Abhängigkeit der Auslenkung des Bandes im Bereich einer Auslenkvorrichtung gemessen wird, die das Band ansaugt.
Aus der US-Patentschrift US 3,850,031 ist bekannt, ein kalt gewalztes Metallband in bestimmten Bereichen mit der Resonanzfrequenz in Schwingungen zu versetzen und die tatsächliche Schwingungsfrequenz des Bandes zu ermitteln, um daraus die Bandzugkraft zu berechnen.
Die deutsche Patentschrift DE 31 30 572 offenbart eine Vorrichtung zur Zugspannungsmessung von Materialbahnen, bei welcher das Material mit Ultraschall beaufschlagt wird und dessen Transversalwellen gemessen werden, wobei aus der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen die Zugspannung der Materialbahn bestimmt wird.
Allen drei genannten Verfahren und Vorrichtungen zur Zugspannungsmessung ist gemein, dass diese eine vom jeweiligen Bandmaterial abhängige Messung der Zugspannung durchführen, so dass die Präzision der Messung verbesserbar ist.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Bandzugmessvorrichtung sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Bandzugkraft beim Walzen von Metallen zur Verfügung zu stellen, welche bzw. welches mit einfachen und kostengünstigen Mitteln eine präzise Bestimmung der Bandzugkraft ermöglicht.
Die oben hergeleitete Aufgabe wird gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung durch eine gattungsgemäße Bandzugmessvorrichtung dadurch gelöst, dass mindestens eine Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung und Auswertemittel vorgesehen sind, wobei mit der Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung Ultraschallwellen in durch die Bandzugkraft spannungsbelastete Bereiche der Aufnahmemittel für die Bandzugmessrolle einkoppelbar und wieder empfangbar sind und über die Auswertemittel zumindest eine Laufzeit der Ultraschallwellen ermittelbar ist.
Es hat sich gezeigt, dass die Aufnahmemittel von Bandzugmessrollen Bereiche aufweisen, welche aufgrund der Bandzugkraft spannungsbelastet sind. Häufig sind diese Bereiche aus Metall, insbesondere Stahl, gefertigt, um die nötige Festigkeit aufzuweisen. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallwellen ändert sich jedoch beispielsweise in Stahl aufgrund des akustoelastischen Effekts in Spannungsrichtung mit zunehmender Spannung im Stahl. Mit einer Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung können daher Änderungen der Ultraschallgeschwindigkeit in durch die Bandzugkraft spannungsbelasteten Bereichen der Aufnahmemittel sehr genau gemessen werden. Hieraus ergibt sich dann die auf den Bereich einwirkende mechanische Spannung bzw. Kraft und damit auch die Bandzugkraft. Notwendig ist also nur eine Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung und zugehörige Auswertemittel zur Bestimmung von Ultraschallwellenlaufzeiten. Die Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnungen können in Bereichen die Bandzugkraft messen, welche nicht durch einen Wechsel der Bandzugmessrollen oder der Lager der Bandzugmessrolle beeinflusst werden. Hieraus resultiert bereits ein deutlich verringerter Wartungsaufwand. Zusätzlich sind die Ultraschallsender und -empfänger sowie deren Auswertemittel wesentlich kostengünstiger als Kraftaufnehmer bzw. Kraftmessdosen.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bandzugmessvorrichtung ist mindestens eine das Impuls-Echo-Verfahren verwendende Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung vorgesehen. Bei dem Impuls-Echo-Verfahren werden hochfrequente Ultraschallimpulse vom Ultraschallsender emittiert und in die spannungsbelasteten Bereiche der Aufnahmemittel eingekoppelt. An einem Medienübergang, beispielsweise Metall-Luft, wird der Ultraschallimpuls in dem spannungsbelasteten Bereich des Aufnahmemittels reflektiert und von der Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung wieder empfangen. Üblicherweise werden hierzu Ultraschallimpulse verwendet, welche eine Frequenz von 0,1 bis 100 MHz aufweisen. Die Wiederholrate beträgt üblicherweise bis zu 50 kHz. Mit zunehmender Ultraschallimpulsfrequenz wird die Genauigkeit der Laufzeitmessung verbessert, da die Ortsauflösung der halben Wellenlänge der Ultraschallimpulsfrequenz entspricht, so dass die Ultraschallimpulsfrequenz möglichst hoch gewählt wird. Die Wiederholfrequenz der Ultraschallimpulse verbessert dagegen das Rausch-Signal-Verhältnis des Messsignals und kann, beispielsweise in Abhängigkeit von der gemessenen Amplitude der reflektierten Ultraschallimpulse eingestellt werden.
Vorzugsweise sind, gemäß einer nächsten weitergebildeten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bandzugmessvorrichtung, Ankopplungsmittel zur Ankopplung der Ultraschallwellen an die Aufnahmemittel vorgesehen. Die Ankopplungsmittel dienen dazu, in die spannungsbelasteten Bereiche der Aufnahmemittel eine möglichst hohe Intensität an Ultraschallwellen einkoppeln zu können, so dass im Ergebnis das Rausch-Signal-Verhältnis der Messung verbessert wird. Als Ankopplungsmittel dienen häufig Kunststoffkörper, die ebenfalls transparent für Ultraschallwellen sind und deren Schallwellenwiderstand zu einer geringeren Reflektion der Ultraschallwellen am Übergang Kunststoff-Stahl der Bereiche der spannungsbelasteten Bereiche der Aufnahmemittel führt. Um einen nachteiligen Luftspalt zwischen dem Kunststoffkörper und den spannungsbelasteten Aufnahmemitteln, welche üblicherweise aus Stahl sind, zu vermeiden, ist auch denkbar, ein zusätzliches Ankopplungsmedium, beispielsweise Fett, Öl oder Klebstoff, zur luftspaltfreien Ankopplung zu verwenden.
Weisen die Aufnahmemittel für die Bandzugmessrolle, gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bandzugmessvorrichtung, mindestens ein Dehnungselement auf, welches abhängig von der Bandzugkraft mechanisch gedehnt wird, kann dieses Dehnungselement speziell an die Ultraschallmessung angepasst werden, so dass einerseits eine einfache Ankopplung der Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung möglich ist. Andererseits kann das Dehnungselement so gewählt werden, dass möglichst große Laufzeitunterschiede in Abhängigkeit von der Bandzugkraft messbar sind.
Eine besonders einfache Bandzugmessvorrichtung mit einem Dehnungselement kann dadurch zur Verfügung gestellt werden, dass ein Bandzugmessrollenständer vorgesehen ist, die Bandzugmessrolle an mindestens einem am Bandzugmessrollenständer in Bandzugrichtung kippbar befestigten Haltearm gehalten wird und das Dehnungselement mit dem die Bandzugmessrolle haltenden Ende mindestens eines Haltearms und mit dem Bandzugmessrollenständer verbunden ist, wobei das Dehnungselement und der Haltearm einen Winkel von mehr als 0° einnehmen. Durch den in Bandzugrichtung kippbaren Haltearm wird die Bandzugkraft in eine Komponente entlang des Haltearms, d.h. radial zur Kippbewegung des Haltearms und eine Komponente tangential zur Kippbewegung aufgeteilt. Die tangentiale Komponente bewirkt dann eine Dehnung des Dehnungselementes abhängig von der Bandzugkraft, da das Dehnungselement am gegenüberliegenden Ende mit dem Bandzugmessrollständer und dem Haltearm verbunden ist.
Gemäß der zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben aufgezeigte Aufgabe verfahrensmäßig dadurch gelöst, dass Ultraschallwellen einer Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung in mindestens einen durch den Bandzug spannungsbelasteten Bereich der Aufnahmemittel eingekoppelt werden und über Auswertemittel Laufzeitmessungen der Ultraschallwellen durchgeführt werden.
Wie bereits oben ausgeführt, werden durch das erfindungsgemäße Verfahren die Kosten zur Bestimmung der Bandzugkraft deutlich verringert, da keine Kraftaufnehmer bzw. keine Kraftmessdose notwendig sind. Andererseits kann über die Laufzeitmessung von Ultraschallwellen der Spannungszustand von Metallstücken besonders genau bestimmt werden, so dass auch mit hoher Genauigkeit die Bandzugkraft ermittelt werden kann.
Vorzugsweise wird dabei das Impuls-Echo-Verfahren verwendet und Laufzeitmessungen an ausgesendeten Ultraschallimpulsen vorgenommen.
Weisen die Aufnahmemittel ein Dehnungselement auf, in welches die Ultraschallwellen zur Laufzeitmessung eingekoppelt werden, kann die Einkopplung der Ultraschallwellen durch Anpassen des Dehnungselementes besonders einfach erfolgen. Durch die Wahl und Anordnung des Dehnungselementes kann darüber hinaus die Messgenauigkeit verbessert werden, in dem beispielsweise ein Dehnungselement verwendet wird, welches einen besonders starken akustoelastischen Effekt aufweist oder Flächen aufweist, welche die Ultraschallwellen besonders gut reflektieren.
Schließlich kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung der Bandzugkraft vorteilhaft dadurch weitergebildet werden, dass an einer Mehrzahl von Bandzugmessrollen die Bandzugkraft gemessen wird, so dass beispielsweise über eine gesamte Walzstraße die Bandzugkraft gemessen werden kann.
Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten die erfindungsgemäße Bandzugmessvorrichtung sowie das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung der Bandzugkraft auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird verwiesen einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und 6 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung.
Die einzige Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Bandzugmessvorrichtung mit mindestens einer Bandzugmessrolle und Aufnahmemitteln für eine Bandzugmessrolle in einer Seitenansicht.
Die Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Bandzugmessvorrichtung 1 mit einer Bandzugmessrolle 2 und Aufnahmemitteln 3 für die Bandzugmessrolle 2. Die Aufnahmemittel 3 werden gebildet durch ein Dehnungselement 4 und einen Haltearm 5 sowie einen Bandzugmessrollenständer 6. Der Haltearm 5 ist am Bandzugmessrollenständer 6 kippbar befestigt und nimmt an seinem anderen Ende das Lager für die Bandzugmessrolle 2 auf. Das Dehnungselement 4 ist einerseits am Bandzugmessrollenständer 6 und andererseits am bandmesszugrollenseitigen Ende des kippbaren Haltearms 5 befestigt. Vorzugsweise ist die Befestigung zwischen Dehnungselement 4 und Haltearm 5 so ausgestaltet, dass das Dehnungselement 4 und der Haltearm 5 bei einer Kippbewegung des Haltearms 5 sich nicht gegeneinander verspannen. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der Haltearm 5 und das Dehnungselement 4 über einen Zapfen miteinander verbunden werden. Durch das Band 7 wird nun aufgrund der ein- und auslaufseitig vorhandenen Umlenkwinkel α und β eine Kraft F_Rolle auf die Bandzugmessrolle 2 ausgeübt. Über den kippbaren Haltearm 5 wird die Kraft F_Rolle in eine Komponente F_Druck in Richtung des Haltearms 5 und eine dazu senkrechte Komponente F_Zug aufgeteilt. Die horizontale Kraft F_Zug bewirkt eine Dehnung des Dehnungselementes 4, welche über die durch die Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung 8 eingekoppelten Ultraschallwellen gemessen werden kann. Die Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass ein einzelner Sender-Empfänger-Prüfkopf 8 vorgesehen ist, welcher Ultraschallimpulse sowohl senden als auch empfangen kann. Da die in das Dehnungselement 4 eingebrachte Spannung in horizontaler Richtung das Dehnungselement 4 dehnt, wird die Geschwindigkeit der Ultraschallwellen im Dehnungselement aufgrund des akustoelastischen Effektes vergrößert, so dass eine kürze Laufzeit für das Echo des in das Dehnungselement 4 eingekoppelten Ultraschallimpulses gemessen werden kann. Die über die nicht dargestellten Auswertemittel bestimmten Laufzeitänderungen der Ultraschallwellenimpulse im Dehnungselement 4 sind dann proportional zur Spannung im Dehnungselement und damit proportional zur Bandzugkraft F_B.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung 8 auf der Seite der Bandzugmessrolle 2 angeordnet. Prinzipiell ist es aber auch möglich, die Ultraschallwellen von der Seite des Bandzugmessrollenständer 6 her einzukoppeln. Um die Genauigkeit der Messung zu verbessern, kann zusätzlich die Temperatur des Bandzugmessrollenständers 6 bzw. des Dehnungselementes 4 gemessen werden, so dass die temperaturabhängige Erhöhung der Geschwindigkeit der Ultraschallwellen im Dehnungselement kompensiert werden kann.

Claims

Bandzugmessvorrichtung mit mindestens einer Bandzugmessrolle und Aufnahmemitteln für mindestens eine Bandzugmessrolle, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung (8) und Auswertemittel vorgesehen sind, wobei mit der Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung (9) Ultraschallwellen in durch die Bandzugkraft (F_B) spannungsbelastete Bereiche der Aufnahmemittel (4, 5) für die Bandzugmessrolle (2) einkoppelbar und wieder empfangbar sind und über die Auswertemittel zumindest eine Laufzeit der Ultraschallwellen ermittelbar ist.
Bandzugmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine das Impuls-Echo-Verfahren verwendende Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung (8) vorgesehen ist.
Bandzugmessvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Ankopplungsmittel zur Ankopplung der Ultraschallwellen an die Aufnahmemittel vorgesehen sind.
Bandzugmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmemittel (4, 5) für die Bandzugmessrolle (2) mindestens ein Dehnungselement (4) aufweisen, welches abhängig von der Bandzugkraft (F_B) mechanisch gedehnt oder gestaucht wird.
Bandzugmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bandzugmessrollenständer (6) vorgesehen ist, die Bandzugmessrolle (2) an mindestens einem am Bandzugmessrollenständer (6) in Bandzugrichtung (B) kippbar befestigten Haltearm (5) gehalten wird, das Dehnungselement (4) mit dem die Bandzugmessrolle (2) haltenden Ende mindestens eines Haltearms (5) und mit dem Bandzugmessrollenständer (6) verbunden ist, wobei das Dehnungselement (4) und der Haltearm (5) einen Winkel von mehr als 0° einnehmen.
Verfahren zur Bestimmung der Bandzugkraft mit mindestens einer Bandzugmessrolle, insbesondere unter Verwendung einer Bandzugmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Ultraschallwellen einer Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung (8) mindestens einen durch den Bandzug spannungsbelasteten Bereich der Aufnahmemittel (4, 5) eingekoppelt werden und über Auswertemittel Laufzeitmessungen der Ultraschallwellen durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Impuls-Echo-Verfahren verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmemittel (4, 5) ein Dehnungselement (4) aufweisen, in welches die Ultraschallwellen zur Laufzeitmessung eingekoppelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Mehrzahl von Bandzugmessrollen (2) und deren Aufnahmemitteln (4, 5) die Bandzugkraft gemessen wird.