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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Messung
der Walzkraft in einem Walzgerüst.
Darüber
hinaus betrifft die Erfindung ein Walzgerüst mit Mitteln zur Ermittlung
der Walzkraft.
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Die
Walzkraft ist eine der maßgeblichen
Führungsgrößen, beispielsweise
für das
Kaltwalzen aber auch für
das Warmwalzen, weil sie die Stichabnahme und damit die Umformung
der Walzgutes bestimmt. Zur Messung der Walzkraft in einem Walzgerüst sind verschiedenste
Verfahren bereits bekannt. So ist aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 41 21 116 A1 ein
Verfahren bekannt, bei welchem die Erhöhung oder Absenkung eines Querhauptscheitels
eines Walzgerüstkörpers relativ
zur Ständerkopflage
gemessen wird und als Maß für die Walzkraft
verwendet wird. Die Genauigkeit dieses Verfahrens ist aber abhängig von
der spezifischen Konstruktion des Ständergerüst und damit abhängig von
einer aufwendigen Kalibrierung. Üblicherweise
wird daher die Dehnung des Ständergerüstes als
Grundlage zur Messung der Walzkraft gewählt. Diese lässt sich
durch Dehnungsmessstreifen einfach erfassen. Allerdings sind die Dehnungsmessstreifen
temperaturempfindlich und liefern bereits bei kleinen Unterschieden
in der Umgebungstemperatur verfälschte
Messergebnisse. Schließlich
ist auch die Verwendung von Kraftaufnehmern bekannt, welche beispielsweise
den magnetoelastischen Effekt ausnutzen, um die Walzkraft, beispielsweise
in der Anstellspindel eines Walzgerüsts oder im Stützlager
einer Stützwalze
oder Arbeitswalze zu messen. Entsprechende Kraftaufnehmer sind jedoch
aufgrund der hohen Kräfte,
welche sie messen, besonders kostenintensiv. Darüber hinaus müssen sie
an exponierten Stellen, beispielsweise der Anstellspindel oder in
Stützlagern
der Stützwalze
eingebracht werden, um die Walzkraft zu messen. Hier besteht die
Gefahr, dass die Sensoren zerstört
oder beschädigt
werden.
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Von
diesem Stand der Technik ausgehend, liegt der vorliegenden Erfindung
die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der
Walzkraft in einem Walzgerüst
vorzuschlagen, welches mit relativ geringem apparativen Einsatz eine
genaue Messung der Walzkraft ermöglicht.
Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein im Hinblick
auf die Messung der Walzkraft verbessertes Walzgerüst vorzuschlagen.
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Gemäß einer
ersten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben aufgezeigte
Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Messung der Walzkraft in einem Walzgerüst dadurch
gelöst,
dass mindestens eine Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung und Auswertemittel vorgesehen
sind, wobei die Auswertemittel aus einer Laufzeitmessung von Ultraschallwellen die
Walzkraft bestimmen.
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Es
hat sich gezeigt, dass der akustoelastische Effekt sehr gut zur
Messung der Walzkraft in einem Walzgerüst verwendet werden kann. Der
akustoelastische Effekt beschreibt die Änderung der Schallgeschwindigkeit
in Abhängigkeit
vom Spannungszustand in dem durch die Ultraschallwellen durchlaufenen
Material. Breiten sich die Ultraschallwellen, beispielsweise parallel
zur Spannungsrichtung aus, so kann in erster Näherung angenommen werden, dass
sich die Schallgeschwindigkeit der Ultraschallwellen proportional
zur mechanischen Spannung im Material ändert. Damit kann aus einer
Laufzeitmessung in spannungsbelasteten Bereichen eines Walzgerüsts die
Walzkraft aus der Änderung
der Laufzeit der Ultraschallwellen bestimmt werden. Im Gegensatz
zu den bisher bekannten Vorrichtungen, welche beispielsweise Kraftaufnehmer
verwenden, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung,
welche lediglich eine Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung sowie
Auswertemittel zur Auswertung einer Laufzeitmessung aufweist, besonders
kostengünstig
und liefert dennoch hoch genaue Walzkraftmessungen. Vorteilhaft
ist darüber
hinaus, dass die Sensorik der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht unmittelbar
in Bereiche angeordnet werden muss, in welchen die Walzkräfte auftreten
und gemessen werden. Häufig handelt
es sich bei diesen Stellen im Walzgerüst nämlich um besonders exponierte
Stellen, an welchen, beispielsweise bei einem Wechsel einer Arbeitswalze,
Beschädigungen
von Messvorrichtungen, beispielsweise von Kraftaufnehmern, nicht
ausgeschlossen werden können.
Zusätzlich
kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
auch die Dehnung des Walzgerüsts
bestimmt werden, deren Wert zur präzisen Positionsbestimmung der
Anstellelemente der Walzen dient.
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Gemäß einer
ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird vorzugsweise
eine im Impuls-Echo-Verfahren
arbeitende Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung vorgesehen. Bei dem Impuls-Echo-Verfahren
werden einzelne Ultraschallwellenimpulse ausgesandt und die Laufzeit der
reflektierten Ultraschallimpulse gemessen. Die Ultraschallimpulse
weisen in der Regel eine Frequenz von 0,1 bis 100 MHz auf, um die
Ortsauflösung,
welche einer halben Wellenlänge
entspricht, im Hinblick auf deren Reflektion im Walzgerüst zu verbessern. Über die
Wiederholfrequenz, welche üblicherweise
bis zu 50 kHz beträgt,
lässt sich
bei dem Impuls-Echo-Verfahren das Signal-Rauschverhältnis des
Messsignals verbessern und eine besonders schnell ansprechende Messung
realisieren.
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Da
die Geschwindigkeit der Ultraschallwellen im Walzgerüst proportional
zu einer Temperaturänderung
ist, sind vorzugsweise Mittel zur Temperaturmessung vorgesehen,
um die Genauigkeit der Walzkraftmessung zu verbessern. Allerdings
ist die Änderung
der Geschwindigkeit der Ultraschallwellen in Abhängigkeit von der Temperatur
um zwei Größenordnungen
geringer als die Änderung
der Schallgeschwindigkeit in Abhängigkeit
von der Dehnung.
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Gemäß einer
nächsten
weitergebildeten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
weist die Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung
einen einzigen Sender-Empfänger-Prüfkopf auf,
so dass eine besonders einfache Vorrichtung zur Messung der Walzkraft
in einem Walzgerüst
zur Verfügung
gestellt werden kann.
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Sind
Ankopplungsmittel zur Ankopplung der Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung an ein Walzgerüst vorgesehen,
wird ermöglicht,
eine maximale Intensität
an Ultraschallwellen in das Walzgerüst zur Messung der Walzkraft
einzuleiten und wieder zu empfangen. Üblicherweise werden die Ankopplungsmittel
beispielsweise durch Kunststoffkörper
realisiert. Kunststoffkörper
sind ebenfalls transparent für
Ultraschallwellen und weisen einen Ultraschallwellenwiderstand auf,
welcher in Verbindung mit dem Ultraschallwellenwiderstand von Stahl dazu führt, dass
die Reflektion am Medienübergang
Kunststoff-Stahl nicht zu groß ist.
Um die Verluste beim Einkoppeln der Ultraschallwellen in das Walzgerüst zu verringern,
werden diese üblicherweise
normal zur Oberfläche
des Walzgerüst
eingekoppelt. Die Ankopplungsmittel können aber auch zusätzlich akustische
Linsen aufweisen, um die in das Walzgerüst eingekoppelten Ultraschallwellen
zu bündeln.
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Gemäß einer
zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben aufgezeigte
Aufgabe von einem Walzgerüst
zum Walzen von Walzgut mit mindestens einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur
Ermittlung der Walzkraft gelöst.
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Wie
bereits oben ausgeführt,
können
die Investitionen für
die Mittel zur Walzkraftmessung an einem Walzgerüst durch die erfindungsgemäßen Vorrichtungen
zur Ermittlung der Walzkraft verringert werden.
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Vorzugsweise
ist mindestens eine Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung
so angeordnet, dass die Walzkraft in einer Anstellvorrichtung zur Anstellung
der Walzen, in einem Stützlager
einer Walze unterhalb eines Ständerfensters
und/oder im Ständerrahmen
ermittelt wird. Über
die Anstellvorrichtung zur Anstellung der Walzen eines Walzgerüsts wird
unmittelbar auf die Walzen eine Kraft ausgeübt, welche zu einer Änderung
der Spannungszustandes in der Anstellvorrichtung führt. Die Änderung des
Spannungszustandes kann dann über
die Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung
aufgrund der Veränderung
der Laufzeit von Ultraschallimpulsen in der Anstellvorrichtung bestimmt
werden. Damit kann insbesondere die Anstellkraft der Walzen gemessen und
beispielsweise einer Prozesskontrolle zugeführt werden.
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Ein
Stützlager
unterhalb eines Ständerfensters,
auf welchem die Walzen lagern, erfährt dagegen nicht nur die Anstellkraft,
welche über
die Anstellvorrichtung ausgeübt
wird, sondern deren Summe in Verbindung mit der über die Gravitation ausgeübte Kraft
der eingebauten Walzen. Damit kann die Walzkraft, welche auf das
Walzgut übertragen
wird, unmittelbar gemessen werden. Die Messung der Walzkraft im
Ständerrahmen
hat den Vorteil, dass gleichzeitig auch die Dehnung des Ständers gemessen
werden kann, da diese sich ebenfalls aus den Laufzeitmessungen ergibt.
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Gemäß einer
dritten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben aufgezeigte
Aufgabe durch ein Verfahren zur Messung der Walzkraft an einem Walzgerüst unter
Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Ermittlung der Walzkraft gelöst,
wobei durch Laufzeitmessungen von Ultraschallwellen im Walzgerüst die Walzkraft
bestimmt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren
beruht, wie bereits beschrieben, auf der Ausnutzung des akustoelastichen
Effektes und ermöglicht
daher die Bestimmung der Walzkraft ohne das spezielle Dehnungskörper, Kraftaufnehmer
etc. im Walzgerüst
angeordnet werden müssen.
Es ist lediglich darauf zu achten, dass die eingestrahlten Ultraschallwellen
nicht senkrecht zur Spannungsrichtung in dem gemessenen Teil des
Walzgerüstes
verlaufen.
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Im
Hinblick auf die Vorteile der weiteren Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird
auf die Beschreibung der Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtungen
und ihrer Ausgestaltungen verwiesen.
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Es
gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Ermittlung der Walzkraft in einem Walzgerüst, das erfindungsgemäße Walzgerüst sowie
das erfindungsgemäße Verfahren
zur Messung der Walzkraft in einem Walzgerüst auszugestalten und weiterzubilden.
Hierzu wird einerseits verwiesen auf die den Patentansprüchen 1, 6
und 8 nachgeordneten Patentansprüche,
andererseits auf die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung
mit der Zeichnung.
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Die
Zeichnung zeigt in einer schematischen Seitenansicht axial zu den
Arbeitswalzen ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Walzgerüstes.
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Das
in der einzigen Figur dargestellte Walzgerüst 1 ist ein typisches
Vierwalzengerüst
mit zwei Stützwalzen 2, 3 und
zwei Arbeitswalzen 4, 5. Als Anstellvorrichtung
dient im vorliegenden Ausführungsbeispiel
beispielsweise eine Anstellspindel 6. Werden über die
schematisch dargestellte Anstellspindel 6 die Arbeitswalzen 4, 5 zueinander
angestellt, so wirkt in der Anstellspindel 6 unmittelbar
die Anstellkraft in axialer Richtung der Anstellspindel 6.
Gleichzeitig wirkt auf das ebenfalls schematisch dargestellte Stützlager 7 nun
die Summe aus der Anstellkraft, welche über die Spindel 6 eingeleitet
wird und der Schwerkraft der Stütz-
und Arbeitswalzen 2, 3, 4 und 5.
Diese Gesamtkraft wirkt ebenfalls in axialer Richtung des Stützlagers 7.
Da sowohl das Stützlager 7 als
auch die Anstellspindel 6 am Ständergerüst 8 abgestützt werden,
werden die vertikalen Bereiche des Ständers 8 in vertikaler
Richtung mit der Walzkraft gedehnt. Die daraus resultierende mechanische Spannung
in den vertikal verlaufenden Bereichen des Ständergerüstes 8 können dann
beispielsweise durch eine Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung 9 gemessen
werden. Vorzugsweise wird als Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung
ein Ultraschall- Sender-Empfänger-Prüfkopf verwendet,
wie er im vorliegenden Ausführungsbeispiel
dargestellt ist. Dieser Ultraschall-Sender-Empfänger-Prüfkopf sendet Ultraschallimpulse
aus, deren Strahlengang 10 vorzugsweise parallel zur Spannungsrichtung
im Rahmen des Ständergerüstes 8 des
Walzgerüstes verläuft. Der
Ultraschallimpuls durchläuft
den vertikalen Bereich des Rahmens des Ständers 8 von der Einkopplungsposition
bis zum unteren Ende des Ständers 8,
wo er am Übergang
zwischen Ständermaterial
und Luft reflektiert wird. Die Laufzeit des Ultraschallimpulses
für diese
Strecke ist abhängig
von der Temperatur des Ständers 8 und
dessen in Strahlenrichtung verlaufenden Spannungszustands.
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Über die
nicht dargestellten Auswertemittel kann dann abhängig von der gemessenen Laufzeit nicht
nur die Walzkraft aus der errechneten Spannung im Ständer 8 ermittelt
werden, sondern auch dessen Dehnung bestimmt werden. Die Dehnung des
Ständers
stellt eine wichtige Größe insbesondere
im Hinblick auf die Positionierung der Anstellelemente, beispielsweise
der Anstellspindel 6, dar. Wie in der Figur dargestellt,
kann die Ultraschallmessung unter Verwendung der Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung 9 auch
in axialer Richtung der Anstellspindel 6 und/oder des Stützlagers 7 erfolgen.
Es ist darüber
hinaus noch denkbar, die Dehnung beider vertikaler Bereiche des
Ständers 8 zu
vermessen, um beispielsweise aus dem Vergleich der beiden Messwerte
die auf den Ständer
in Bandverlaufsrichtung wirkenden Kräfte zu bestimmen. Wie aus der
Zeichnung zu erkennen ist, benötigt
das erfindungsgemäße Verfahren
zur Messung der Walzkraft in einem Walzgerüst keine Prüfkörper oder Dehnungsmessstreifen
und ist insofern wartungs- und störungsarm. Die Messsensoren,
d.h. die Ultraschall- Sender-Empfänger-Anordnung,
ist ferner außerhalb
von Bereichen angeordnet, die in Bezug auf den Ein- und Ausbau von
Arbeitswalzen oder Stützwalzen
die Gefahr einer Beschädigung
der Sensorik bergen. Darüber hinaus
sind die Investitionskosten für
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
im Vergleich zu den bisher verwendeten Vorrichtungen zur Messung
der Walzkraft sehr gering.