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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zum Messen der
Oberflächentemperatur von Walzen, insbesondere von Arbeitswalzen.
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In
Walzgerüsten sind üblicherweise verschiedene Walzen
angeordnet, mit denen mittelbar oder unmittelbar Metallbrammen,
Bänder, Bleche oder dergleichen gewalzt werden. Hierbei
zählen zu den Walzen die Arbeitswalzen, zwischen denen
das Walzgut bearbeitet wird, und die übrigen Walzen, wie beispielsweise
die Stützwalzen, die die Arbeitswalzen abstützen.
Beim Walzen des Walzgutes entsteht aufgrund von Reibung zwischen
dem Stahl und den Walzen und insbesondere aufgrund der Verformung des
Stahls Wärme, die zumindest teilweise für eine erhöhte
Temperatur der Walzen sorgt. Die entstehende Wärme ist
aus mehreren Gründen unerwünscht. Zum einen dehnt
sich die Walze durch die Erwärmung aus, wodurch sich die
Größe des Walzspalts ändert. Ferner sind
manche Materialien derart ausgebildet, dass sie beim Walzen eine
bestimmte Höchsttemperatur nicht überschreiten
dürfen, da sich beispielsweise deren innere Struktur oder
die Oberfläche irreversibel ändert. Insbesondere
im Hinblick auf die Notwendigkeit der Temperaturbestimmung von Arbeitswalzen
ist auf die
DE 100
53 980 A1 hinzuweisen, in der neben einem berührungslosen
Temperaturmessverfahren die grundlegende Problematik ausführlich
erläutert wird.
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Aus
den dargelegten Gründen ist es unabdingbar die Walzen während
des Betriebes zu kühlen, wozu in der Regel ein flüssiges
Kühlmittel auf die Walze aufgespritzt wird. Als Kühlmittel
wird beispielsweise eine Emulsion aus Wasser, Öl und weiteren Additiven
verwendet, wobei insbesondere das Öl eine vorteilhafte
schmierende Wirkung erzielt. Die weiteren Additive bestehen zumindest
teilweise aus aggressiven Medien. Um festzulegen, mit welcher Intensität
die Kühlung betrieben werden muss, ist die Oberflächentemperatur
der Walze zumindest in regelmäßigen Abständen
zu bestimmen. Hierzu sind nach dem Stand der Technik verschiedene
Vorrichtungen und Verfahren bekannt.
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Beispielsweise
kann die von der Walze abgestrahlte Wärme durch eine spezielle
in dem betreffenden Wellenlängenbereich arbeitende Kamera
registriert und ausgewertet werden. Diese Methode ist im vorliegenden
Fall nicht sehr erfolgsversprechend, da durch verdampfendes Wasser
die Wellenlängenregistrierung gestört wird, womit
die Messung ungenau ist. Ebenfalls bekannt sind Verfahren, bei dem ein
Sensor möglichst dicht an die rotierende Walze gebracht
wird. Auch hier wird das Messergebnis durch die mit Wasserdampf
angereicherte Atmosphäre verfälscht.
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Ein
Temperaturmessverfahren, bei dem ein Sensor mit der rotierenden
Walze in Kontakt gebracht wird, scheidet aufgrund der dann auftretenden Reibung
und der daraus resultierenden Wärme aus.
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Bereits
in der
DE 177 66 935 wurden
verschiedene Nachteile von bekannten Temperaturmessverfahren beschrieben.
Insbesondere wird von einem Temperaturmessverfahren berichtet, bei
dem die Temperatur der Walzenoberfläche durch Anlegen eines
Thermoelementes bestimmt wird, wozu allerdings die Straße
(Walze) für einen Zeitraum von 40 bis 60 Minuten stillgesetzt
werden muss.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung
zur Bestimmung der Oberflächentemperatur von Arbeitswalzen
vorzuschlagen, die bei möglichst kleiner Bauhöhe
robust und leicht handhabbar ist, wobei zur Temperaturmessung nur
kurze Standzeiten der Anlage von wenigen Sekunden akzeptabel sind.
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Diese
Aufgabe wird durch die Messvorrichtung nach Anspruch 1 gelöst,
die zum berührenden Messen der Oberflächentemperatur
von Arbeitswalzen einen Sensorkopf besitzt, der an einer beweglich gelagerten
Verlängerung angeordnet ist, wobei der Sensorkopf zum Messen
der Temperatur mit der Arbeitswalze in Kontakt bringbar ist. Durch
diese Maßnahmen wird eine Vorrichtung bereitgestellt, mit
der ein rasches Messen der Oberflächentemperatur von Arbeitswalzen
ermöglicht wird, wobei hierzu die Arbeitswalzen lediglich
einen kurzen Moment stillgesetzt werden müssen. Derzeit
reicht eine Standzeit von weniger als 15 Sekunden aus, um die Temperatur
auf ±3°C genau zu bestimmen, was zur Einstellung
der im Weiteren erforderlichen Pro zessparameter bei weitem ausreichend
ist. Weiterhin ist die vorgeschlagene Vorrichtung bezüglich
der aufzuwendenden Anschaffungskosten vorteilhaft, da gegenüber
vergleichbaren Vorrichtungen, die in der Regel berührungslos
arbeiten, vergleichsweise günstige Messelemente verwendbar
sind. Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße
Messvorrichtung eine sehr geringe Bauhöhe auf, die derzeit
ca. 30 mm beträgt.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden sowie
in den Unteransprüchen beschrieben.
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Nach
einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen,
dass die beweglich gelagerte Verlängerung ein Zylinder
ist, der in einem Gehäuse angeordnet ist und an dessen
aus dem Gehäuse stirnseitig herausragenden Ende der Sensorkopf
angeordnet ist. Alternativ hierzu kann die Verlängerung
auch an einem Schlitten geführt oder in einem teilweise
offenen Rahmen angeordnet sein. Selbstverständlich muss
die Verlängerung auch nicht zwingend zylinderförmig
ausgebildet sein, sondern sie kann auch einen quadratischen, rechteckigen oder ähnlichen
Querschnitt besitzen.
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Weiterhin
bevorzugt ist, dass der Zylinder ein doppeltwirkender Druckluftzylinder
ist, der mittels entsprechender Druckbeaufschlagung linear aus- und
wieder einfahrbar ist. Hierzu sind vorteilhafter Weise an dem Gehäuse
verschiedene Drucklufteinspeisungskanäle vorgesehen, durch
die das Gehäuse mit Druck beaufschlagbar ist, wobei je
nach gewünschter Bewegungsrichtung der Verlängerung
unterschiedliche Bereiche des Gehäuses beaufschlagbar sind.
Bei der Ausführungsvariante, bei der die Verlängerung
auf einem Schlitten angeordnet ist, kann die lineare Bewegung auch
von einem kleinen Elektromotor durchgeführt werden. Allerdings
ist die Ausführungsform mittels Druckluft deswegen vorteilhaft,
da – wie im folgenden noch näher erläutert
wird – der Druck, mit dem der Sensorkopf auf die Arbeitswalze
gedrückt wird, stets konstant gewählt werden sollte,
womit die Messbedingungen gut reproduzierbar sind.
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Der
Sensorkopf ist vorzugsweise hülsenförmig ausgebildet
und stirnseitig mit der Verlängerung lösbar verbunden.
Hierzu bietet sich eine Schraub- oder Steckverbindung an. Ferner
weist der Sensorkopf endseitig ein Thermoelement auf, das vorzugsweise
ein Messband ist, welches um eine vorzugsweise konvex geformte Aufnahme
gelegt ist.
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Bevorzugt
wird als Messband ein Thermoelement (Typ – K) eingesetzt,
welches aus einem Übergang einer Nickel-Chrom-Legierung
und Nickel besteht. Die bevorzugt verwendete konvexe Form der Aufnahme
erfüllt den Zweck, dass der Sensorkopf nicht nur radial
auf die Arbeitswalze gedrückt werden kann, sondern auch
in einem gewissen Winkel hierzu, ohne dass sich dabei die Messbedingungen ändern.
Mit derzeitigen konkreten Ausführungsformen sind Winkel
von etwa 30° zur Mittelachse ohne weiteres tolerabel.
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Damit
die Temperaturmessung nicht nur punktuell an der Oberfläche
der Arbeitswalze durchgeführt wird, sondern an einer möglichst
großen Fläche, ist zwischen dem Messband und der
Aufnahme ein Spalt angeordnet, so dass das Messband um ein gewisses
Maß derart eindrückbar ist, dass sich das Messband
im Messzustand an die Arbeitswalze anschmiegt. Bei stets gleich
bleibendem Druck, der unter anderem durch die pneumatische Lösung
der linearen Bewegung der Verlängerung bedingt wird, wird somit
erreicht, dass die Kontaktfläche zwischen Thermoelement
und Arbeitswalze stets konstant ist, was die Genauigkeit der Messung
erhöht. Diese Bedingung wird zudem dadurch gestützt,
dass die Aufnahme federnd in dem Sensorkopf gelagert ist. Die konvex
geformte Auflage verhindert darüber hinaus, dass das Messband
geknickt wird. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind allerdings
auch anders geformte Thermoelemente denkbar. Beispielsweise können
Kontaktelemente verwendet werden, die punktuell oder entlang einer
Linie mit der Walze in Kontakt gebracht werden.
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Bekanntlich
erzeugt das Thermoelement bei einer auftretenden Temperaturdifferenz
eine Spannung, die schließlich Aufschluss über
die zu messende Temperatur liefert. Um die am Thermoelement erzeugte
Spannung abzugreifen, ist nach einer vorteil haften Ausgestaltung
der Erfindung das Thermoelement mit einer Messauswertung durch ein
Kabel verbunden, wobei das Kabel zumindest teilweise innerhalb der
Verlängerung geführt ist und endseitig der Verlängerung
durch eine Dichtlippe nach außen geführt wird.
Mittels der Dichtlippe wird das Innere des Gehäuses vor
aggressiven Medien, wie beispielsweise Säuren, oder anderen
flüssigen Medien geschützt.
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Damit
sich das Kabel beim Ein- und Ausfahren der Verlängerung
nicht verheddert, ist ein parallel zur Verlängerung angeordnete
Schlitten vorgesehen, der mindestens doppelt so lang wie die Verlängerung ist,
stirnseitig mit dem Sensorkopf verbunden ist und rückwärtig
eine Klemmvorrichtung für das Kabel besitzt. Dadurch, dass
der Schlitten mit dem Sensorkopf verbunden ist, folgt der Schlitten
der Bewegung der Verlängerung derart, dass das Kabel stets
im Wesentlichen koaxial zu der Verlängerung geführt
ist. Mit anderen Worten heißt das, dass das Kabel zwischen der
Sensorkopf und der Klemmung an dem Schlitten leicht gespannt ist,
so dass es beim Ein- und Ausfahren der Verlängerung nicht
stört.
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Nach
einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist das Gehäuse und/oder der Schlitten und/oder
weitere Elemente der Messvorrichtung aus Edelstahl gefertigt, so
dass die Vorrichtung besonders robust und gegenüber den im
Kühlmittel vorhandenen aggressiven Medien resistent ausgebildet
ist. Ferner ist nach einer Weiterbildung vorgesehen, dass der Sensorkopf
aus Hochleistungskunststoff besteht, was den Vorteil hat, dass das
Thermoelement gegenüber den Umbauten thermisch entkoppelt
ist, da die thermische Leitfähigkeit eines Metalls in der
Regel größer ist als die eines Kunststoffs. Insbesondere
PEEK eignet sich zur Thermischen Entkopplung besonders gut. Auch
die verwendeten Dichtungen sind aus speziellem und resistentem Kunststoff,
beispielsweise einem Fluorelastomer, gefertigt.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und konkrete Ausbildungen der vorliegenden
Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert.
Hierbei zeigen:
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1a einen
Querschnitt durch eine Messvorrichtung,
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1b eine
perspektivische Ansicht der Messvorrichtung,
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2 einen
Querschnitt durch einen Sensorkopf und
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3 den
Gesamtaufbau der Messanordnung.
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Zum
berührenden Messen der Oberflächentemperatur von
Arbeitswalzen weist die Messvorrichtung 1 einen Sensorkopf 2 auf,
der an einer beweglich gelagerten Verlängerung angeordnet
ist, die im dargestellten Fall ein Zylinder 3 ist, wobei
der Sensorkopf 2 zum Messen der Temperatur mit der Arbeitswalze 4 in
Kontakt gebracht wird. Der Zylinder 3 ist im (dargestellten)
eingefahrenen Zustand in einem Gehäuse 5 angeordnet,
wobei der Sensorkopf 2 stirnseitig am Ende des Zylinders 3 befestigt
ist.
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Die
Messvorrichtung 1 weist eine Druckluftzuleitung 6 auf,
die in einen Verteilerblock 7 mündet. Von dem
Verteilerblock 7 ausgehend erstrecken sich zwei Druckluftkanäle,
wobei ein Druckluftkanal 8 zum vorderen Teil der Messvorrichtung
führt und der andere (nicht dargestellte) Druckluftkanal
in den hinteren Teil des Gehäuses mündet. Mittels
eines regelbaren Ventils kann durch Druckbeaufschlagung der entsprechenden
Druckluftkanäle der Zylinder 3 mit dem Zylindersensorkopf 2 ein-
oder ausgefahren werden.
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Zur
Registrierung der Messwerte ist eine Messauswertung mittels eines
Kabels 9 mit dem Sensorkopf 2 verbunden. Das Kabel 9 ist
zumindest teilweise innerhalb des Gehäuses 5 geführt
und verläuft längsaxial zu dem Zylinder 3,
wobei es an dem Sensorkopf 2 mit den entsprechenden Enden
des Thermoelementes vergossen ist. Auf der anderen Kabelseite ist
das Kabel 9 mit einer Klemme 10 auf einem Schlitten 11 befestigt,
so dass das Kabel 9 um ein gewisses Maß gespannt
ist. Der Schlitten 11 ist mit dem Sensorkopf 2 verbunden
(Pfeil 13), so dass der Schlitten 11 der Bewegung
des Zylinders 3 beim Aus- und Einfahren in Pfeilrichtung 14 folgt.
Das Kabel 9 kann somit im gespannten Zustand nirgends verklemmen
und läuft stets axial durch die zur Abdichtung des Gehäuses 5 angeordneten
Dichtlippe 12, wo durch diese nicht unnötig belastet
wird. 1b zeigt eine konkrete Ausführungsform
der Messvorrichtung in perspektivischer Darstellung.
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Der
hülsenförmige Sensorkopf 2 (2) weist
endseitig ein Thermoelement 21 auf, wobei im dargestellten
Fall ein Messband 22 um eine konvex geformte Aufnahme 23 gelegt
ist. Damit sich das Messband 22 beim Messen an die Oberfläche
der Arbeitswalze 4 anschmiegt, befindet sich zwischen dem
Messband 22 und der Aufnahme 23 der Spalt 24.
Die Aufnahme 23 ist innerhalb des Sensorkopfes 2 federnd
gelagert, wozu eine Druckfeder 25 im Sensorkopf 2 entsprechend
angeordnet ist. Damit auch bei einem ungewöhnlich hohen
Druck stets das Messband mit der Walze in Kontakt ist, weisen die Aufnahme
und der Sensorkopf korrespondierende Anschläge 26, 26' auf,
die ein zu tiefes Eindringen der Aufnahme 22 in den Sensorkopf 2 verhindern.
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Vorzugsweise
wird die Temperatur der Walzenoberfläche nicht nur an einer
Stelle bestimmt, sondern es wird eine ganze Reihe von Messvorrichtungen
angeordnet, um die Temperatur an unterschiedlichen Messpunkten zu
registrieren. Hierzu sind mehrere Messvorrichtungen 1 auf
einem Sprühbalken 31 angeordnet. Der Sprühbalken 31 dient dazu
die Walze zu kühlen, wozu der Sprühbalken 31 diese
mit Wasser besprüht. Da in der Regel der Sprühbalken
das Wasser nicht senkrecht auf die Walze aufsprüht, ist
der Sprühbalken winklig zu der Walzenoberfläche
angeordnet. Wie bereits beschrieben wurde, trifft damit der Sensorkopf 2 auch
nicht rechtwinklig auf die Walzenoberfläche auf, sondern
leicht schiefwinklig. Um hierdurch Nachteile beim Messen zu verhindern,
ist die Aufnahme konvex ausgebildet, so dass der Sensorkopf mit
einem Winkel von bis zu 30° auf die Walzenoberflächen
auftreffen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10053980
A1 [0002]
- - DE 17766935 [0006]