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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prozesskontrolle beim Walzen
von Metallen, insbesondere Aluminium oder Aluminiumlegierungen sowie ein
Walzgerüst
mit Arbeitswalzen zum Walzen von Metallen, insbesondere von Aluminium
oder Aluminiumlegierungen und Mitteln zur Durchführung einer Prozesskontrolle
des Walzprozesses.
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Beim
Warmwalzen sowie beim Kaltwalzen ist es wünschenswert das gewalzte Band
mit einer möglichst
konstanten Dicke zu fertigen. Unvermeidbare Unrundheiten der Walzen,
insbesondere der Stützwalzen,
verursachen jedoch während
des Walzbetriebes periodische Schwankungen der tatsächlichen Auslaufdicke
des Bandes. Zur Steuerung der Banddicke werden Banddickenregelsysteme
verwendet, welche üblicherweise
darauf basieren, die Banddicke am Einlauf der Arbeitswalzen sowie
am Auslauf der Arbeitswalzen zu messen, über Modellrechnungen Stellgrößen zu bestimmen
und über
entsprechende Stellbefehle das Anstellsystem des Walzgerüstes zu steuern.
Es hat viele verschiedene Versuche gegeben, die periodischen Schwankungen
der Banddicke während
des Walzen zu eliminieren. Beispielsweise ist aus der deutschen
Offenlegungsschrift
DE
33 31 822 A1 ein Verfahren zur Regelung der Banddicke bekannt,
bei welchem über
die Walzenanstellung, die Walzkraft und die Federkonstante des Walzgerüst indirekt
die Größe des Walzspaltes
ermittelt wird. Die ermittelte Größe des Walzspaltes wird mit
direkt ermittelten und zeitlich verzögerten Banddickenmesswerten
korrigiert. Die so ermittelte Größe für den Walzspalt
wird zur Steuerung der Walzenanstellung der Arbeitswalzen und damit
zur Prozesskontrolle des Walzens verwendet. Weitere Verfahren zur
Prozesskontrolle beim Walzen von Metallen sind aus der deutschen
Offenlegungsschrift
DE
103 27 663 A1 bekannt. Da die Prozessparameter im Walzspalt
bisher nur indirekt bestimmt werden konnten, war eine Eliminierung
der Schwankungen der Banddicke nicht möglich, da alle bekannten Verfahren
nicht schnell genug Schwingungen des Walzgerüsts ausregeln konnten. Zudem
fehlte die Möglichkeit
wichtige Parameter für
die Prozesskontrolle, beispielsweise das Spannungsprofil der Arbeitswalzen
zeitnah zu bestimmen und der Prozesskontrolle zuzuführen.
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Insbesondere
beim Walzen von Aluminium treten zusätzlich Materialablagerungen
und Materialanhaftungen auf den Arbeitswalzen auf, welche zu Fehlern
auf dem gewalzten Band führen.
Bisher hat hierzu ein Bediener des Walzgerüstes eine Sichtkontrolle der
Arbeitwalzen und des gewalzten Bandes durchgeführt und den Walzprozess beim
Vorhandensein eines Oberflächenfehlers
auf der Arbeitswalze gestoppt. Da auch Fehler im Millimeterbereich
zu Ausschussbändern
führen,
wurden derartige Fehler häufig
zu spät
entdeckt, so dass aufgrund der hohen Walzgeschwindigkeiten bereits
große
Mengen fehlerhafte Bänder
produziert worden sind.
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Von
diesem Stand der Technik ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung
die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Prozesskontrolle beim Walzen von
Metallen, insbesondere Aluminium oder Aluminiumlegierungen sowie
ein Walzgerüst
mit Arbeitswalzen zum Walzen von Metallen und Mitteln zur Durchführung einer
Prozesskontrolle des Walzprozesses zur Verfügung zu stellen, mit welchem
Prozessparameter des Walzspaltes während des Walzens direkt ermittelt
werden können,
so dass der Einfluss von Schwingungen des Walzgerüstes auf
die Banddicke reduziert und gleichzeitig der Anteil an Ausschussbändern gesenkt
werden kann.
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Gemäß einer
ersten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben aufgezeigte
Aufgabe für
ein Verfahren zur Prozesskontrolle beim Walzen von Metallen dadurch
gelöst,
dass unter Verwendung mindestens einer Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung
Prozessparameter während
des Walzens ermittelt werden, wobei Ultraschallwellen durch mindestens
einen Ultraschallsender in die Arbeitswalzen in Richtung des Walzspaltes
eingekoppelt werden und die eingekoppelten Ultraschallwellen mit
mindestens einem Ultraschallempfänger
wieder empfangen werden.
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Es
hat sich überraschenderweise
gezeigt, dass über
die Einkopplung von Ultraschalwellen in die Arbeitswalzen wichtige
Prozessparameter gewonnen werden können, um die Prozesskontrolle beim
Walzen zu verbessern. Für
Ultraschallwellen sind massive Körper
wie die Arbeitswalzen zwar durchlässig. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit
der Ultraschallwellen sowie deren Reflektion oder Transmission an
Medienübergängen sind
jedoch von den spezifischen Umgebungsbedingungen im Metall der Arbeitswalze
bzw. an dem entsprechenden Materialübergang abhängig. Daher können durch
eine Messung der eingekoppelten Ultraschallwellen mit einem Ultraschallempfänger unmittelbar
Rückschlüsse auf Walzbedingungen
oder Walzparameter ermittelt und zur Prozesskontrolle verwendet
werden. Darüber
hinaus ermöglicht
die Verwendung der Ultraschallwellen eine einfache und sichere Überwachung
des Walzvorgangs.
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Vorzugsweise
wird gemäß einer
ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens das Impuls-Echo-Verfahren
verwendet. Bei diesem Verfahren werden sehr kurze Ultraschallimpulse
mit hoher Frequenz in die Arbeitswalze eingeleitet und nach deren
Reflektion am Walzspalt wieder empfangen. Aus den Laufzeitunterschieden
zwischen Senden und Empfangen des Ultraschall-Impulses sowie aus
der Amplitude eines reflektierten Impulses können Prozessparameter für die Prozesskontrolle
beim Walzen gewonnen werden. Üblicherweise
werden hierzu Ultraschallimpulse mit einer Frequenz von 0,1 bis
100 MHz, die mit einer Wiederholfrequenz von bis zu 50 kHz emittiert
werden. Die sehr hohe Impulsfrequenz dient zur Verbesserung der
Ortsauflösung,
da diese der halben Wellenlänge
der Ultraschallwellen entspricht. Über die Wiederholfrequenz kann
das Messsignal zur besseren Auswertung stabilisiert werden.
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Gemäß einer
nächsten
vorteilhaften Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird unter Verwendung mindestens der einen Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung die Banddicke des
gewalzten Bandes im Walzspalt gemessen und zur Prozesskontrolle
beim Walzen verwendet. Es hat sich gezeigt, dass die in die Arbeitswalze
eingekoppelten Ultraschallwellen nicht nur am Übergang der Arbeitswalze zum
Bandmaterial reflektiert werden, sondern auch in das Bandmaterial
eindringen und an der gegenüberliegenden
Seite der Arbeitswalze reflektiert werden. Misst man den Laufzeitunterschied zwischen
den direkt am Übergang
der Arbeitswalze zum Bandmaterial reflektierten Ultraschallwellen
und den an der gegenüberliegenden
Arbeitswalze reflektierten Ultraschallwellen, kann auf einfache
Weise über
trigonometrische Überlegungen
die Dicke des Walzspaltes, welche dann der Banddicke im Walzspalt
entspricht, ermittelt werden. Daher besteht die Möglichkeit
eine unmittelbar beim Walzen gemessene Banddicke zur Prozesskontrolle
zu verwenden. Die hieraus resultierende kurze Antwortzeit zur Steuerung
der Anstellelemente des Walzgerüst
gewährleistet,
dass Schwankungen der Banddicke aufgrund von Schwingungen des Walzgerüstes deutlich
reduziert werden können.
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Unter
Ausnutzung des akustoelastischen Effekts kann, gemäß einer
nächsten
weitergebildeten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
unter Verwendung der mindestens einen Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung
das Spannungsprofil der Arbeitswalze gemessen werden. Aufgrund des
akustoelastischen Effekts verändert
sich die Schallgeschwindigkeit von Ultraschallwellen in Abhängigkeit
vom Spannungszustand im Werkstoff linear bis zum Erreichen der Dehngrenze
des Werkstoffes. In den Bereichen der Arbeitswalze, welche besonders
unter Spannung stehen, weisen die Ultraschallwellen besonders hohe
Geschwindigkeiten auf, so dass proportional zum Spannungszustand
in der Arbeitswalze eine Veränderung
der Laufzeit der Ultraschallwellen erfolgt. Damit ist es möglich, den Spannungszustand
einer Arbeitswalze während
des Walzens durch Laufzeitunterschiede der Ultraschallwellen zu
bestimmen. Dieser gibt Auskunft darüber, an welchen Stellen die
Arbeitswalze besonders belastet ist. Die Daten des Spannungsprofils
können dann
beispielsweise zur gezielten Ansteuerung der Stützwalzen und/oder der Walzenkühlung verwendet werden.
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Vorzugsweise
wird unter Verwendung der Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung
der Walzölfilm
im Walzspalt überwacht.
Beim Übergang
der Ultraschallwellen von einem Medium in das andere, beispielsweise
von der Arbeitswalze in den Walzölfilm
und das Walzgut im Walzspalt, tritt eine Reflektion auf, dessen
Reflektionskoeffizent R sich wie folgt bestimmt: R
= (Z2 – Z1)2/(Z2 +
Z1)2 wobei für den Schallwellenwiderstand
in den einzelnen Medien 1 und 2 gilt: Z1/2 = C1/2·ζ1/2.
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Dabei
ist c1/2 die Schallgeschwindigkeit in den
Medien und ζ1/2 die Dichte. Der Schallwellenwiderstand
ist proportional zur Schallgeschwindigkeit in dem Medium und die
Reflektion steigt mit steigendem Unterschied in der Schallgeschwindigkeit
der Medien.
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Da
die Schallgeschwindigkeiten in Öl
ca. 1800 m/s und Stahl etwa 5920 m/s beträgt, ist die Reflektion beim
Austritt der Ultraschallwellen in den Walzspalt bei vorhandenem
Walzölfilm
relativ groß und
nur ein kleiner Teil des Ultraschallimpulses tritt in den Walzspalt
ein. Die Amplitude des an diesem Übergang reflektierten Ultraschallimpulses
ist entsprechend hoch. Haftet beispielsweise Aluminiummaterial an
einer Stelle an der Arbeitswalze an und ist ein Walzölfilm an
dieser Stelle nicht mehr vorhanden, so bricht die Amplitude des
reflektierten Ultraschallimpulses jedoch ein. Dies liegt daran,
dass in Aluminium die Schallgeschwindigkeit ähnlich hoch wie in Stahl ist,
nämlich
etwa 6300 m/s, so dass lediglich ein geringer Unterschied in dem
Schallwellenwiderstand am Übergang
vorliegt. Damit kann schnell und automatisiert während des Walzens festgestellt werden,
dass an der Arbeitswalze Material anhaftet bzw. der Walzölfilm nicht
mehr vorhanden ist. Die bisher nahezu nicht mögliche Überwachung des Walzölfilms im
Walzspalt wird durch das erfindungsgemäße Verfahren erstmals ermöglicht.
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Die
Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens
ergeben sich nicht nur beim Warm-, sondern auch beim Kaltwalzen
von Metallen, da das erfindungsgemäße Verfahren eine direkte Bestimmung von
Walzparametern ermöglicht
und somit eine besonders schnelle Regelung des Walzspaltes erzielbar
ist, die auch Schwingungen des Walzgerüstes berücksichtigen kann.
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Weist
die Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung
eine Mehrzahl an Ultraschallsendern und -empfängern auf, welche in axialer
Richtung entlang der Arbeitswalzen angeordnet sind, kann der Walzspalt,
das Spannungsprofil und der Walzölfilm
der Arbeitswalze über
die gesamte Breite der Arbeitswalze bestimmt bzw. überwacht
werden und einer entsprechenden Prozesskontrolle zugeführt werden.
Denkbar ist jedoch auch, dass eine einzige Kombination aus Ultraschallsender
und -empfänger
verwendet wird, die beispielsweise bewegbar an der Arbeitswalze
angeordnet ist und diese periodisch überwacht.
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Vorzugsweise
sind die Ultraschallsender und -empfänger über ein flüssiges Medium, insbesondere über eine
Walzemulsion, an die Arbeitswalzen angekoppelt, so dass die Verluste
beim Austritt bzw. beim Eintritt der Ultraschallwellen in die Arbeitswalzen möglichst
gering gehalten werden kann. Die Verwendung von Walzemulsion ist
besonders vorteilhaft, da diese im Walzprozess allgegenwärtig ist
und beispielsweise ein einfaches Abstreifen der Walzemulsion von
der Arbeitswalze zur Beseitigung ausreicht.
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Sind
die Ultraschallsender und -empfänger der
Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung
in axialer Richtung der Arbeitswalze gesehen v-förmig angeordnet, kann durch
eine einfache Anordnung der Ultraschallsender und -empfänger der
Walzspalt der Arbeitswalzen vermessen werden. Bei dieser Anordnung
kann der Ultraschall vom Ultraschallsender direkt in die Arbeitswalze
eingekoppelt werden. Es ist jedoch auch denkbar, einen kombinierten
Sender und Empfängerkopf
als Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung zu verwenden.
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Gemäß einer
zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben hergeleitete
Aufgabe für ein
Walzgerüst
dadurch gelöst,
dass eine Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung vorgesehen ist,
welche mindestens einen Ultraschallsender und -empfänger aufweist,
wobei mit dem Ultraschallsender Ultraschallwellen durch mindestens
eine Arbeitswalze in Richtung des Walzspaltes emittierbar und mit
dem Ultraschallempfänger
die vom Ultraschallsender emittierten und am Walzspalt und/oder
vom Material im Walzspalt reflektierten Ultraschallwellen empfangbar
sind.
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Wie
bereits zu dem erfindungsgemäßen Verfahren
beschrieben, ermöglicht
das erfindungsgemäße Walzgerüst, über die
Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung
den Walzspalt und zur Prozesskontrolle des Walzens benötigte Parameter,
wie beispielsweise das Vorhandensein eines Walzölfilmes, direkt zu messen.
Entsprechend ausgerüstete
Walzgerüste
ermöglichen
damit eine besonders gute Prozesskontrolle, da bisher im Wesentlichen
nur indirekte Messwerte, beispielsweise in Bezug auf die Größe des Walzspaltes,
zur Prozesskontrolle verwendet wurden.
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Umfasst
die Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung
eine Mehrzahl an Ultraschallsendern und -empfängern, welche in axialer Richtung
der Arbeitswalzen angeordnet sind, kann die Arbeitswalze im Walzgerüst über ihre
gesamte Arbeitslänge überwacht
und der Walzspalt über
die gesamte Arbeitslänge
eingestellt werden.
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Eine
in axialer Richtung der Arbeitswalzen gesehen v-förmige Anordnung
der Ultraschallsender und -empfänger
gewährleistet
eine minimale Anzahl an Medienübergängen der
Ultraschallwellen oder Ultraschallimpulsen vom Sender zum Empfänger. Aufgrund
der hieraus resultierenden maximalen Signalstärke im Ultraschallempfänger, wird
die Messgenauigkeit verbessert.
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Zum
gleichen Zweck dienen auch die vorzugsweise vorgesehenen Mittel
zur akustischen Ankopplung der Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung
an die Arbeitswalze. Beispielsweise können die Ultraschallsender
und -empfänger
der Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung
in einem Walzemulsionsstrahl angeordnet sein, welcher den Ultraschallsender
bzw. -empfänger
vollständig
umgibt und kontinuierlich gegen die Arbeitswalze gerichtet ist. Darüber hinaus
ist auch eine Anordnung vorstellbar, bei welchem die Arbeitswalze
in einer Wanne mit Walzemulsion eintaucht, in welchem ein Ultraschallsender
oder -empfänger
angeordnet ist.
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Schließlich weisen
der/die Ultraschallsender- und/oder -empfänger akustische Linsen zur
Ein- bzw. zur Auskopplung der Ultraschallwellen auf. Ultraschallwellen
lassen sich durch einfache geometrische Körper, häufig aus Kunststoff, bündeln und
fokussieren. Durch die Bündelung
und Fokussierung kann unter Berücksichtigung
der Brechung der Ultraschallwellen beim Medienübergang gezielt ein Strahlungsfeld
in der Walze eingestellt werden, welches zu besonders guten Messergebnissen
führt.
Beispielsweise sollte die Einkopplung der Ultraschallwellen dazu
führen,
dass das in die Arbeitswalze eintretende Strahlenbündel möglichst
wenig divergiert, so dass am Walzspalt eine möglichst hohe Intensität reflektiert
wird.
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Es
gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Prozesskontrolle beim Walzen sowie das erfindungsgemäße Walzgerüst weiterzubilden
und auszugestalten. Hierzu wird verwiesen einerseits auf die den
Patentansprüchen
1 und 10 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit der Zeichnung. Die Zeichnung zeigt in
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1a) in einer schematischen, radialen Schnittansicht
die Arbeitswalzen gemäß eines
ersten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Walzgerüstes,
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1b) in einer schematischen, radialen Schnittansicht
die Arbeitswalzen gemäß eines
zweiten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Walzgerüstes,
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2 in
einer radialen Schnittansicht den Strahlengang der Ultraschallimpulse
im Bereich des Walzspaltes im Ausführungsbeispiel aus 1a),
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3 in
einer schematischen, radialen Schnittansicht den Strahlengang der
Ultraschallwellen bei der Spannungsprofilvermessung des Ausführungsbeispiels
aus 1a),
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4 in
einem Zeit-Amplituden Diagramm einen typischen Signalverlauf bei
der Vermessung des Spannungsprofils aus 3,
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5a), b) Ankopplungsmittel der Ultraschallsender
und -empfänger
gemäß eines
zweiten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Walzgerüstes und
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6a, b) verschiedene Linsengeometrien von
Ultraschallsendern und -empfängern.
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Eine
schematische, radiale Schnittansicht die Arbeitswalzen 1, 2 eines
ersten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Walzgerüstes 3 zeigt 1a). Das erfindungsgemäße Walzgerüst 3 weist eine Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung 4, 5 und
nicht dargestellte Mittel zur Prozesskontrolle auf. Der Ultraschallsender 4 koppelt
in die Arbeitswalze 1 Ultraschallwellen 6, beispielsweise
in Form von Impulsen, ein. Die Ultraschallimpulse weisen beispielsweise
Frequenzen im Bereich von 0,1 bis 100 MHz auf.
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Üblicherweise
werden die Ultraschallimpulse mit einer Wiederholfrequenz von bis
zu 50 kHz emittiert, um die Messung des reflektierten Signals zu
stabilisieren. Der Ultraschallimpuls 6 wird vom Ultraschallsender 4 in
die Arbeitswalze 1 eingekoppelt, verlässt die Arbeitswalze 1 im
Bereich des Walzspaltes und wird an der gegenüberliegenden Arbeitswalze 2 erneut
reflektiert, um anschließend
in die Arbeitswalze 1 einzukoppeln und vom Ultraschallempfänger 5 als
Ultraschallimpuls 7 gemessen zu werden. In der 1a) ist darüber hinaus eine Stützwalze 9 dargestellt, über welche
die Lastverteilung der Arbeitswalzen 1 eingestellt werden
kann.
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Ein
gegenüber
dem Ausführungsbeispiel
aus 1a) vereinfachtes, zweites Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Prozesskontrolle beim Walzen zeigt 1b).
Das Walzgerüst
in 1b) umfasst keine Stützwalzen,
so dass die Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung 4a die
Ultraschallwellen senkrecht in Richtung Walzspalt in die Arbeitswalze 1a einkoppeln
kann. Die Laufzeit des eingekoppelten und am Materialübergang
vom Walzgut in die zweite Arbeitswalze 2a reflektierte
Ultraschalimpulses 6a ist damit unmittelbar proportional zur
Dicke des gewalzten Bandes 8a. Bei diesem Ausführungsbeispiel
kann die Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung 4a aus
einem einzigen Sender-Empfänger-Prüfkopf bestehen.
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In 2 ist
der Bereich des Walzspaltes 10 aus 1a) noch
einmal vergrößert dargestellt.
Der Ultraschallimpuls 6 koppelt im Walzspalt in das Walzgut 8 ein
und wird an der Arbeitswalze 2 zurückreflektiert. Der zurückreflektierte
Ultraschallimpuls 7 wird dann vom Empfänger 5, welcher in 2 nicht
dargestellt ist, wieder empfangen. Aus der Laufzeit, welche der
Ultraschallimpuls 6, 7 im Bereich des Walzgutes
benötigt,
kann über
einfache trigonometrische Berechnungen die Dicke des Walzgutes h
und damit der Walzspalt selber berechnet werden. Allerdings kann
der reflektierte Ultraschallimpuls 7 nur dann gemessen
werden, wenn das Walzgut 8 über einen, nicht dargestellten
Walzölfilm
an die Arbeitswalze 1 angebunden ist, d.h. das kein Luftspalt
zwischen Arbeitswalze und Walzgut 8 besteht. Ein Luftspalt
würde aufgrund
des großen
Schallwellenwiderstandunterschiedes zu einer kompletten Reflektion
des Ultraschallimpulses 6 am Walzspalt führen.
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Im
Gegensatz zu den bisher bekannten Verfahren zur Bestimmung des Walzspaltes,
kann unter Verwendung der Ultraschallmesstechnik die Größe des Walzspaltes
direkt aus Laufzeitunterschieden unter Anwendung einfacher geometrischer Überlegungen
ermittelt werden. Es steht mit diesem Messwert ein Ist-Wert der
Walzspaltgröße zur Verfügung, welcher
ideal als Stellgröße zur Prozesskontrolle
verwendet werden kann.
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Die 3 zeigt
in einer axialen, schematischen Schnittansicht den Verlauf der Ultraschallwellen 6, 7,
welche an dem Übergang
zwischen Arbeitswalze 1 und Walzgut 8 reflektiert
werden. Die Laufzeit des emittierten Ultraschallimpulses 6 und
des reflektierten Ultraschallimpulses 7 hängt aufgrund
des akustoelastischen Effektes und der elastischen Walzenverformung
insbesondere auch von dem Spannungszustand der Arbeitswalze ab.
Durch eine in axialer Richtung fortlaufende Anordnung von Ultraschallsendern
und -empfängern 4, 5 wird
ermöglicht, ein
Spannungsprofil der gesamten Arbeitswalze über die gesamte Arbeitsbreite
der Walzen zu bestimmen. Der akustoelastische Effekt besagt, dass
im Bereich der elastischen Verformung eines Werkstoffes die Schallgeschwindigkeit
proportional mit zunehmender Spannung ansteigt. Aufgrund der hohen
Kräfte,
welche über
die Arbeitswalzen 1 auf das Walzgut ausgeübt werden,
erhöht
sich auch die Schallgeschwindigkeit in den Bereichen, welche besonderen
Spannungen unterliegen, deutlich. Unterschiedliche Spannungszustände der
Arbeitswalzen machen sich daher durch unterschiedliche Laufzeiten
für den
Ultraschallimpuls 6, 7 bemerkbar.
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Zwar
ist die Schallgeschwindigkeit in Festkörpern, beispielsweise in Stahl,
darüber
hinaus abhängig
von der Temperatur des Materials. Allerdings steigt auch hier die
Schallgeschwindigkeit mit zunehmender Temperatur linear an, wobei
der Temperaturanstieg pro Temperaturzunahme um zwei Größenordnungen
geringer ist als der akustoelastische Effekt. Damit ist sichergestellt,
dass auch bei Korrektur der Schallgeschwindigkeit aufgrund einer
Temperaturkompensation der Arbeitswalzen der Spannungszustand der
Arbeitswalzen prozesssicher gemessen werden kann.
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Aus
dem Spannungsprofil können
leicht Parameter für
die Prozesskontrolle des Walzens, insbesondere für die Walzenkühlung aber
auch für
die Ansteuerung der Arbeits- und/oder
Stützwalzen 1, 2 und 9 gewonnen
werden, welche eine gleichmäßige Lastverteilung
auf den Arbeitswalzen und damit eine über die Breite der Arbeitswalzen
gleichmäßige Ausbildung
des Walspaltes gewährleisten
sollen.
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Wie
bereits oben beschrieben, findet an Medienübergängen, analog zu den Brechungsgesetzen der
Optik, eine Reflektion an den Grenzflächen statt. So ergibt sich
aus dem vom Ultraschallsender 4 emittierten Ultraschallimpuls 6, 7 eine
am Ultraschallempfänger 5 messbare
Amplitude, welche von der Reflektion des Ultraschallimpulses am Übergang
zwischen der Arbeitswalze 1 und dem Walzgut 8 abhängig ist.
Ist an einer Stelle der Arbeitswalze 1 kein ausreichender
Walzölfilm
vorhanden und haftet Material, beispielsweise Aluminium, an dieser
Stelle an der Arbeitswalze 1 an, so findet nahezu keine
Reflektion an dem Übergang
zwischen Arbeitswalze und Materialanhaftung statt, da Aluminium
und Stahl ähnliche Schallwellenwiderstände aufweisen.
Die Amplitude des reflektierten Ultraschallimpulses 7 sinkt
damit deutlich ab. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es daher
möglich,
das Anhaften von Material an der Arbeitswalze unmittelbar festzustellen,
sobald am Walzspalt nur eine geringe Reflektion des Ultraschallimpulses 6 stattfindet.
Die Amplitude des reflektierten Ultraschallimpulses 7 kann
also verwendet werden, um das Vorhandensein eines ausreichenden Walzölfilms zu überwachen
bzw. Materialanhaftungen zu detektieren. Dabei ergibt sich die charakteristische
Amplitude bei vorhandenem Walzölfilm
aus dem deutlichen Unterschied des Schallwellenwiderstandes beider
Materialien. Bisher konnten derartige Materialanhaftungen lediglich
durch Fehler im gewalzten Band festgestellt werden, so dass häufig große Mengen
an Ausschussmaterial gefertigt wurden, bevor die Fehler erkannt
wurden.
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Sowohl
die gewonnenen Daten über
das Spannungsprofil der Arbeitswalze 1 als auch die Daten über die Überwachung
des Walzölfilms
können an
die nicht dargestellten Mittel zur Prozesskontrolle des Walzens
weitergeleitet werden, um beispielsweise eine automatische Überwachung
von Materialanhaftungen zu erzielen oder die Größe des Walzspaltes unmittelbar
zu steuern.
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Einen
beispielhaften Signalverlauf bei der Auswertung der empfangenen
Ultraschallimpulse 6, 7 zeigt das Diagramm aus 4.
Auf der x-Achse ist in 4 die Zeit aufgetragen und auf
der y-Achse die gemessenen Amplituden. Das Diagramm in 4 zeigt
zwei Amplitudenwerte a0 und a1 zu den Zeitpunkten t0 und t1. Die
Zeitachse t ist mit dem Ultraschallsender 4 synchronisiert,
so dass der Ultraschallimpulse t0 der Amplitude a0 dem am Walzspalt reflektierten
Ultraschallimpuls 6, 7 entspricht. Die Amplitude
a0 kann daher als Maß für das Vorhandensein
eines Walzölfilms
verwendet werden. Der Zeitpunkt t0 dagegen kann als Laufzeit zur
Bestimmung des Spannungsprofils verwendet werden. Die Zeitdifferenz
zwischen t0 und t1 gibt dann ein Maß für die Größe des Walzspaltes h an.
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Zur
akustischen Ankopplung der Ultraschallempfänger und -sender 4, 5 an
die Arbeitswalze 1 sind in 5a) und
b) zwei verschiedene prinzipielle Ausführungsformen in einer Schnittansicht
dargestellt. Die Schnittansichten zeigen die Arbeitswalze 1 sowie
den hier beispielhaft dargestellten Ultraschallsender 4.
In 5a) ist der Ultraschallsender 4 in
einem Behälter 11 beinhaltend
ein Ankopplungsmedium, beispielsweise eine Walzemulsion, angeordnet. Der
Behälter 11 ist
so angeordnet, dass die Arbeitswalze 1 in das überlaufende
Ankopplungsmedium 12 eintaucht und so eine akustische Ankopplung
des Ultraschallsenders 4 an die Arbeitswalze 1 gewährleistet.
In 5b) weist der Behälter 11 eine
Düse auf, aus
welcher das Ankopplungsmedium 12 in einem Strahl austritt.
Die Verwendung einer Düse,
wie in 5b) dargestellt, ermöglicht die
Ankopplung an die Arbeitswalzen 1 von einer beliebigen
Stelle.
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Schließlich zeigt 6 in
einer Schnittansicht verschiedene Ausführungsformen eines Ultraschallsenders 4 zur
Einkopplung von Ultraschallwellen oder Ultraschallimpulsen in die
Arbeitswalze 1. Wie aus dem Vergleich der 6a) und 6b) deutlich wird, kann durch die Wahl
der akustischen Linse 13 die Einkopplung und die Divergenz
des Strahlenbündels 14 eingestellt
werden. Üblicherweise
wird ein möglichst
enges Strahlenbündel
eingestellt, so dass trotz des langen Strahlenganges innerhalb der
Arbeitswalze 1 eine ausreichende Signalstärke vom
Ultraschallempfänger 5 empfangen
werden kann.