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Die
Erfindung betrifft ein Walzgerüst mit mindestens einer
eine Drehachse aufweisende Walze, die in zwei in den axial endseitigen
Bereichen der Walze angeordneten und jeweils eine Mittenebene aufweisenden
Einbaustücken gelagert ist, wobei die Walze mit mindestens
einem Anstellelement in Richtung senkrecht zur Förderrichtung
des Walzguts angestellt werden kann.
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Beim
Walzen eines metallischen Gutes kommt der möglichst genauen
Einstellung und Beibehaltung des Walzspaltes entscheidende Bedeutung
zu, da hierdurch die Endgeometrie des Walzguts bestimmt wird. Durch
die Walzkräfte kommt es indes zu Durchbiegungen der Walzen,
wobei dies sowohl für die Arbeitswalzen als auch für
die Zwischen- und Stützwalzen eines Walzgerüsts
gilt. Eines der klassischen Probleme beim Walzen von Flachstahl ist
also die walzkraftbedingte Durchbiegung des Walzensatzes, was zu
einer mehr oder weniger großen Abweichung der Walzspaltform
von der durch das Bandprofil bestimmten Idealform und somit zu Unplanheiten
führt. Um dies zu kompensieren, wurden verschiedene Lösungen
entwickelt, die auf unterschiedlichen Prinzipien beruhen.
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Die
DE 24 28 823 A1 setzt
ein Spindelsystem ein, mit dem auf die beiden Walzeneinbaustücke
ein Biegemoment dadurch aufgebracht werden kann, dass die Spindel
auf zwei kalottenartig ausgebildete Schalenelemente verschoben werden.
Hierdurch wird in die Walzeneinbaustücke ein Biegemoment eingeleitet,
das dem Biegemoment entgegenwirkt, das durch die Durchbiegung der
Walze entsteht.
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Bei
der
DE 20 34 490 A1 werden
außerhalb der Mittenebene der Einbaustücke angeordnete
Zusatz-Kolben-Zylinder-Einheiten eingesetzt, mit denen ein Biege-
bzw. Kippmoment in die Einbaustücke eingeleitet werden
kann, das der Biegung der Walze entgegenwirkt.
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Bei
der
DE 15 27 662 A1 wird
ein kniehebelartiges Gestänge eingesetzt, um auf die beiden
Einbaustücke der Walze ein Biegemoment auszuüben, das
wiederum dem Biegemoment entgegenwirkt, durch das die Walze walzkraftbedingt
gebogen wird.
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Axial
verschiebliche Zwischenwalzen mit nicht-zylindrischer Außenkontur
werden bei der Lösung gemäß der
DE 30 00 187 A1 und
gemäß der
DE 22
06 912 A1 eingesetzt.
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Eine
andere Lösung mit mechanischer Gegenbiegung ist aus der
US 1 860 931 bekannt.
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Heutige
Walzwerke besitzen in der Regel zumindest ein Biegesystem für
die Arbeitswalzen, beim 6-Walzengerüst auch häufig
für die Zwischenwalzen. Das zur Anwendung kommende Prinzip
basiert dabei auf der Einleitung von Quer- und Biegekräften
und somit von Biegemomenten in die entsprechenden Walzen. Die Wirkung
reicht dabei aber zumeist nicht aus, um die unterschiedlichen Durchbiegungszustände
eines Walzwerks aufgrund verschiedener Walzgutfestigkeiten und -breiten
zu kompensieren. Deshalb werden zusätzlich verschieden
ballig geschlif fene Walzen eingesetzt oder Walzenverschiebesysteme
vorgesehen. Diese Axialverschiebesysteme arbeiten entweder nach
dem Prinzip der internen Lastverlagerung oder der veränderlichen äquivalenten Balligkeit
zweier Walzen (sog. Continuous Variable Crown-CVC-System). Der Einsatz
verschieden balliger Walzen ist umständlich. Verschiebesysteme
sind zudem teuer und führen insbesondere im Falle der Lastverlagerung
zu ungewollten Schwenkbewegungen des Gerüsts. Gleiches
gilt für Prinzipien, die mit sich leicht kreuzenden Walzen
arbeiten.
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Allen
vorbekannten Lösungen ist gemein, dass spezielle Vorrichtungselemente
eingesetzt werden müssen, um der walzkraftbedingten Durchbiegung
der (Arbeits-)Walze ein Gegen-Biegemoment zu überlagern.
Entsprechend aufwändig und teilweise regelungstechnisch
schwierig sind die vorbekannten Lösungen in der Umsetzung.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Walzgerüst
der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass es in einfacherer
und weniger aufwändiger Weise und mit möglichst
wenigen Elementen möglich wird, ein dem Walzenbiegemoment
entgegenwirkendes Biegemoment in die Walze einleiten zu können.
Es soll also auf aufwändige Mechanismen verzichtet werden
können, wobei dennoch sichergestellt sein soll, dass Verbiegungen
der Walze, die von den Walzkräften herrühren,
möglichst gut ausgeglichen werden können.
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Die
Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass jedes Einbaustück mit einem Biegehebel verbunden ist
und das Anstellelement so angeordnet ist, dass seine Anstellkraft
an einer von der Mittenebene des Einbaustücks entfernten
Stelle in den Biegehebel und über diesen auf das Einbaustück
eingeleitet wird.
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Dabei
kann nur ein einziges Anstellelement vorhanden sein, das mittig
zwischen den Einbaustücken angeordnet ist. In diesem Fall
kann vorgesehen sein, dass das Anstellelement auf eine Traverse wirkt,
die über zwei Gelenke mit jeweils einem Biegehebel verbunden
ist.
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Alternativ
kann auch vorgesehen werden, dass zwei Anstellelemente vorhanden
sind, die gespiegelt zu einer Mittenebene der Walze angeordnet sind.
Diese können über zwei Gelenke mit jeweils einem
Biegehebel verbunden sein. Die beiden Gelenke können dabei über
eine Traverse miteinander verbunden sein.
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Das
mindestens eine Anstellelement ist vorzugsweise ein hydraulisches
Kolben-Zylinder-System. Das oder die Anstellelemente können
sich an einem ortsfesten Querhaupt des Walzgerüsts abstützen.
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Eine
konstruktiv vorteilhafte Lösung sieht vor, dass die Walze
samt Einbaustücken und Biegehebeln in Richtung senkrecht
zur Förderrichtung des Walzguts im Walzgerüst
zwischen zwei Seitenwangen des Walzgerüsts verschieblich
angeordnet ist. Die Biegehebel können dabei die Einbaustücke
seitlich einfassen und eine Gleitfläche zu den Seitenwangen
bilden.
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Zwischen
den Biegehebeln und den Einbaustücken können Mittel
vorgesehen sein, die zur Einleitung eines Drehmoments vom Biegehebel
in das Einbaustück geeignet sind. Hierbei handelt es sich gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung um eine sich
in Richtung der Drehachse der Walze erstreckende Nut-Feder-Verbindung.
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Bei
den hier angesprochenen Walzen kann es sich um Arbeitswalzen bei
Duo-Gerüsten oder um Stützwalzen handeln.
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Die
vorgeschlagene Lösung stellt also darauf ab, dass die walzkraftbedingten
Durchbiegungen des Walzensatzes und die damit verbundenen Imperfektionen
der Walzspaltgeometrie weitgehend dadurch vermieden werden, dass
durch die Walzkraft selber Biegemomente auf die Walzen (insbesondere
auf die Stützwalzen und die Arbeitswalzen) aufgebaut werden,
deren Biegewirkung der walzkraftbedingten Durchbiegung der Walzen
entgegengerichtet ist.
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Die
vorliegende Erfindung stellt auf ein Gerüstprinzip ab,
das die ungewollten walzkraftbedingten Walzendeformationen überwiegend
und nahezu walzkraftunabhängig verhindert und somit das
Potential hat, mit einem Minimum an aktiven Planheitsstellsystemen
auszukommen.
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Dennoch
kann der erfindungsgemäße Vorschlag auch mit allen
vorbekannten Stellsystemen kombiniert werden.
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In
der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Es zeigen:
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1 schematisch
eine Arbeitswalze samt ihren beiden Einbaustücken und einer
Biegebrücke, wobei die Walze von einem Anstellelement angestellt wird,
betrachtet in Förderrichtung des Walzguts,
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2 eine
zu 1 alternative Ausgestaltung der Vorrichtung mit
zwei Anstellelementen,
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3 die
Vorrichtung nach 1 aus Richtung A gemäß 1 gesehen,
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4 ein
mechanisches Ersatzmodell für die Vorrichtung gemäß 1 mit
Angabe der Kräfte und Geometriegrößen
und
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5 den
Verlauf eines Verhältnisses y/yunkorrigiert über
einem Verhältnis x/L für verschiedene Werte S/L.
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In 1 ist
abschnittsweise ein Walzgerüst zu sehen, das eine Arbeitswalze 1 mit
einer Drehachse a aufweist, die in zwei Einbaustücken 2 und 3 in bekannter
Weise gelagert ist. Die Arbeitswalze walzt ein nicht dargestelltes
Walzgut, dass in Förderrichtung F (senkrecht auf der Zeichenebene)
gewalzt wird. Die Arbeitswalze 1 wird mittels eines hydraulischen
Anstellelements 4 gegen das Walzgut gedrückt.
Der Durchbiegung der Walze 1 infolge des Kontakts mit dem
Walzgut wird ein Gegen-Biegemoment überlagert, das durch
zwei Biegehebel 5 und 6 erzeugt wird. Die beiden
Biegehebel 5, 6 sind drehfest mit den Einbaustücken 2, 3 verbunden.
Sie sind im mittleren Bereich der Vorrichtung an zwei Gelenkstellen
G mittels zweier Gelenke 8 und 9 mit einer Traverse 7 verbunden,
auf die das Anstellelement 4 wirkt. Das Anstellelement 4 stützt
sich an einem Querhaupt 10 des Walzgerüsts ab.
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Die
Walzenlänge ist mit LB angegeben
und ist kleiner als der Abstand L der Mittenebenen ME der beiden
Einbaustücke 2, 3. Angegeben ist auch
noch der Abstand 1 zweier Wälzlager, die im Einbaustück 2, 3 angeordnet
sind und den Walzenzapfen lagern. Die Anordnung ist insgesamt symmetrisch,
d. h. spiegelbildlich zu einer Mittenebene MW der
Walze 1.
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Die
Lösung gemäß 2 unterscheidet
sich von derjenigen gemäß 1 nur dadurch,
dass hier zwei Anstellelemente 4 zum Einsatz kommen. Die Ausführungen
zu 1 gelten hier ansonsten entsprechend.
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In 3 ist
in der Ansicht A gemäß 1 zu sehen,
wie die Walze 1 samt Einbaustücken 2, 3 und Biegehebeln 5, 6 in
vertikale Richtung im Walzgerüst verschieblich angeordnet
ist. Hierzu weist das Walzgerüst zwei Seitenwangen 11 und 12 auf,
die jeweilige Gleitflächen 13 und 14 haben,
so dass die Biegehebel 5, 6 hieran vertikal auf
und ab gleiten können. Zu erwähnen sind noch Mittel 15 – hier
in Form einer Nut-Feder-Verbindung – mit denen ein Biegemoment von
den Biegehebeln 5, 6 in das Einbaustück 2, 3 eingeleitet
werden kann.
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Idealerweise
würde ein durch eine Walzkraftverteilung belastetes Gerüst
in gleicher Art und Weise angestellt – zentrisch und in
gleicher Breite – wie das auf die Arbeitswalze wirkende
Walzgut. Allerdings kann eine rotierende Walze nicht mittig durch einen
oder mehrere stehende Anstellzylinder angestellt werden – der
Ort der Walzkrafteinleitung kann nur das Einbaustück mit
der Walzenlagerung sein.
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Die
vorliegende Lösung hat zum Ziel, das Grundprinzip der idealen
Walzkraftaufbringung, nämlich längs des Walzenmantels,
zu nutzen. Die in gleicher Art belastete wie angestellte Walze erfährt
keinerlei Biegemoment – lokal wie auch als Ganzes. Die Walzenachse
bleibt gerade. Der Umstand, dass die Walzkraft nur über
die Einbaustücke und nicht längs des Walzenmantels
eingeleitet werden kann, bedeutet, dass ein kompensierendes Rückbiegemoment nicht
lokal, sondern ebenfalls nur am Einbaustück in die Walze
eingeleitet werden kann. Zur Erzeugung dieses Rückbiegemoments
wird die Anstellzylinderkraft nicht mittig auf die Einbaustücke
bzw. Walzenlager aufgebracht, sondern in einem geeigneten Abstand.
Das daraus resultierende Moment muss durch einen ausreichend stabilen
Mechanismus in das Einbaustück eingeleitet werden.
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1 zeigt
eine derartige Anordnung mit einem zentralen Anstellzylinder. Die
Anstellkraft kann aber auch durch mehrere Zylinder aufgebracht werden,
wie es in 2 mit zwei Anstellzylindern
gezeigt ist. Wesentlich ist, dass ein geeignet bemessener Abstand
des Lastangriffspunktes zum Einbaustück vorliegt und die
Verbindung des Biegehebels mit dem Einbaustück ein Moment übertragen
kann.
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Konstruktiv
muss die Kombination aus Einbaustück und Biegehebel so
gestaltet werden, dass das Einbaustück sich nicht im Ständerfenster
verkeilt und in der Folge nicht mehr zur Anstellung bewegt werden
kann. Weiterhin muss die Wechselbarkeit der Stützwalze
gewährleistet sein. Die Verfahrbarkeit der Walze kann zum
Beispiel dadurch erreicht werden, dass die Wangen des Biegehebels
die Außen seiten des Baustücks umfassen und die
Bewegung zwischen den Wangen und dem Walzwerksständer erfolgt,
wie es in 3 zu sehen ist.
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Idealerweise
wird das Einbaustück so gestaltet, dass das kompensierende
Rückbiegemoment durch ein den anderen Kräften überlagertes
Kräftepaar auf das Einbaustück eingeleitet wird,
wobei die Wirkungslinien des Kräftepaares ungefähr
den Positionen der Radialwälzlager entsprechen sollten,
um Momentenbelastungen auf die Wälzlager weitgehend zu
vermeiden. Der Anstellzylinder lastet zum einen auf der kraftübertragenden
Brücke, bestehend aus den beiden Biegehebeln (samt Traverse),
zum anderen stützt er sich am Querhaupt des Walzwerkes
ab. Dasselbe Prinzip kann auch für den nicht aktiv angestellten
und in der Regel unteren Walzensatz angewendet werden, wobei der
Anstellzylinder durch eine Passlinienanstellung oder einfach durch
ein festes Druckstück ersetzt werden kann. Das Schwenken des
Gerüsts erfolgt zumindest im Falle eines zentralen Anstellzylinders
vorzugsweise durch die entsprechend ausgestatteten Ausbalancierzylinder.
Dies bedingt aufgrund der geringeren Hysterese dieser kleinen Zylinder
auch ein präziseres Schwenken.
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Die
Wirkungsweise des Prinzips wird im folgenden anhand einer vereinfachten
Anordnung erläutert, wozu auf 4 Bezug
genommen wird.
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Die
Zylinderanstellkraft FA wirkt zentrisch
auf die Traverse 7 der Biegebrücke, die neben
der Traverse 7 die beiden Biegehebel 5 und 6 umfasst,
wobei die Verbindung zwischen den Biegehebeln 5, 6 und
der Traverse 7 über Gelenke 8 und 9 erfolgt.
Die Walze 1 ist vereinfacht als Rundbalken mit über
der Länge konstantem Querschnitt dargestellt und mittig mit
einer Einzelkraft FW aus dem Walzprozess
belastet.
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Das
System erfährt in dieser vereinfachten Darstellung keinerlei
Asymmetrien und ist gewichtsfrei, so dass die das Gewicht der Walze
und ihrer Anbauten kompen sierenden Balancierkräfte FB1 und FB2 gleich
Null sind. Die Biegehebel 5, 6 und die Walzeneinbaustücke 2, 3 sind
zu einem Körper zusammengefasst – letztendlich
dient eine Aufteilung in zwei Bauteile gegebenenfalls nur einer
leichteren konstruktiven Gestaltung. Die Verbindung von Walzeneinbaustück/Biegebrücke
erfolgt in diesem Ersatzsystem durch einfache Festlager, deren Abstand
im Einbaustück 1 ist. Die Einbaustückmitten
(Mittenebenen ME) haben den Lagermittenabstand
L, der Abstand der Gelenke 8, 9 von den jeweiligen
Einbaustückmitten ist S. Das rückstellende Kompensationsmoment
MK ermittelt sich zu MK = ½ × FW × Sund
wegen FB1 = FB2 =
0 zu MK = ½ × FA × S
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Die
Lagerkräfte F
Ka und F
Ki (s.
4,
links) ergeben sich zu
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Der
mit Abstand größte Anteil an der Deformation eines
Walzensatzes in einem Gerüst unter Last ist die Durchbiegung
der äußeren Walzen (in der Regel der Stützwalzen).
Werden die Walzenbiegelinie aufgrund der Walzkraft F
W =
F
A und die Walzenbiegelinie aufgrund des
Kompensationsmomentes M
K einander überlagert,
so ergibt sich folgende Funktion:
für x < L/2 und mit der
Laufkoordinate x und der Durchbiegung y.
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E
ist der Elastizitätsmodul des Walzenwerkstoffs, I das Flächenträgheitsmoment.
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Für
einen Abstand S = 0 ergibt sich die bekannte Biegelinie eines zentrisch
belasteten, gelenkig gelagerten Trägers.
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Zur
Verdeutlichung des Kompensationspotentials des oben beschriebenen
passiven und automatisch wirkenden Systems empfiehlt es sich, die oben
beschriebene Biegelinie der Walze mit jener ins Verhältnis
zu setzen, die sich ohne den Kompensationsmechanismus ergäbe,
d. h.
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Diese
Funktion ist in Abhängigkeit des Abstandsparameters S in 5 dargestellt.
Die Laufkoordinate x/L = 0 beschreibt die Einbaustückmitte
(Lagermittenposition, d. h. Mittenebene ME),
x/L = 0,5 kennzeichnet die Walzenmitte. S/L = 0 bedeutet, dass die
Krafteinleitung der Anstellzylinderkraft einbaustückmittig,
d. h. ohne Biegewirkung erfolgt. Dieser Zustand entspricht einem
konventionellen Walzgerüst. S/L = 0,5 bedeutet, dass der
Biegehebel die maximale Länge, d. h. den halben Lagermittenabstand
aufweist und somit das Rückbiegemoment am größten
ist.
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5 zeigt
für dieses vereinfachte Beispiel, dass eine weitgehende
Kompensation bei Biegehebellängen von etwa 30% des Lagermittenabstandes L
zu erwarten ist. Für reale, also nicht (wie im Beispiel)
bewusst idealisierte Verhältnisse, wie z. B. stufenförmig
abgesetzt Walzen, sind andere optimale Hebellängen zu erwarten,
das Prinzip bleibt jedoch gleich.
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Die
oben aufgeführten Beschreibungen und Berechnungen belegen,
dass ein Walzgerüst so gestaltet werden kann, dass die
wesentlichen Deformationsanteile der Walzensätze auf ca.
20% oder weniger im Vergleich zu konventionellen Gerüsten
reduziert werden können, ohne dafür aktive und
mechanisch aufwändige und komplizierte Stellmechanismen
vorsehen zu müssen.
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Bei
heutigen Quatrogerüsten ist es zumeist üblich,
zur Beeinflussung der Walzspaltgeometrie zwei aktive mechanische
Stellmechanismen zur Beeinflussung der Walzspaltgeometrie einzusetzen, nämlich
ein Arbeitswalzenbiegesystem und ein Walzenverschiebesystem. Beide
Systeme haben einen näherungsweise gleich großen
Stellbereich. Treten aufgrund des oben beschriebenen Prinzips nur
noch 20% der wesentlichen Walzensatzdeformationen auf, verbleibt
für ein ggf. noch vorhandenes Biegesystem ein wesentlich
größerer Stellbereich für die Planheitsregelung
als bei einem herkömmlichen Gerüst, bei dem die
Biegung zu einem großen Teil für die Grundeinstellung
des Walzwerks eingesetzt werden muss.
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Demgemäß kommt
das erfindungsgemäße System bevorzugt auch in
Kombination mit den vorbekannten Systemen zur Walzspaltbeeinflussung zum
Einsatz. Dies gilt insbesondere für Ausbalancierzylinder
zum Schwenken, für aktive Stellsysteme zur Walzenbiegung,
für Walzenverschiebesysteme, für Walzenschränkungssysteme
und auch für thermisch arbeitende Systeme.
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Natürlich
ist der erfindungsgemäße Vorschlag in allen Gerüstarten
einsetzbar, d. h. bei 2-, 4- und 6-Walzen-Gerüsten sowie
Gerüsten mit seitlichen Walzenabstützungen.
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Ferner
kann fortbildungsgemäß vorgesehen werden, dass
veränderliche Hebellängen S (d. h. Orte der Gelenkpunkte
G) für eine aktive Regelung zum Einsatz kommen können.
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Der
Hauptvorteil ist aber, dass die Erfindung eine einfache Gerüstbauart
ermöglicht, mit der Eigenschaft, dass die walzkraftbedingten
Deformationen des Walzensatzes automatisch, ohne äußeres Zutun
und richtig bemessen weitgehend kompensiert werden. Ähnliches
würde man bei konventioneller Bauweise nur mit deutlich
dickeren Stützwalzen oder einem aufwendigen, aktiven Planlagenkorrektursystem
erreichen. Für das oben beschriebene vereinfachte Beispiel
mit nur noch 20% Restdeformation im Vergleich zum konventionellen
Gerüst gleicher Baugröße müsste
die Walze mehr als 70% dicker sein, um ein ähnliches Verhalten
wie der erfindungsgemäße Mechanismus aufzuweisen.
Dies hätte eine enorme Vergrößerung des
Gerüstes mit entsprechenden Mehrkosten zur Folge.
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- 1
- Walze
(Arbeitswalze)
- 2
- Einbaustück
- 3
- Einbaustück
- 4
- Anstellelement
- 5
- Biegehebel
- 6
- Biegehebel
- 7
- Traverse
- 8
- Gelenk
- 9
- Gelenk
- 10
- Querhaupt
- 11
- Seitenwange
- 12
- Seitenwange
- 13
- Gleitfläche
- 14
- Gleitfläche
- 15
- Mittel
zur Drehmoment-(Biegemoment)-Einleitung (Nut-Feder-Verbindung)
- a
- Drehachse
- F
- Förderrichtung
- ME
- Mittenebene
des Einbaustücks
- MW
- Mittenebene
der Walze
- G
- von
der Mittenebene des Einbaustücks entfernte Stelle (Stelle
des Gelenks)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 2428823
A1 [0003]
- - DE 2034490 A1 [0004]
- - DE 1527662 A1 [0005]
- - DE 3000187 A1 [0006]
- - DE 2206912 A1 [0006]
- - US 1860931 [0007]
