DE102009036379A1

DE102009036379A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Oberflächentemperatur einer Arbeitswalze

Info

Publication number: DE102009036379A1
Application number: DE102009036379A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Hof; Guido Fick; Reinhold Wagner
Original assignee: SMS Siemag AG
Current assignee: SMS Siemag AG
Priority date: 2009-03-03
Filing date: 2009-08-06
Publication date: 2010-09-09
Also published as: WO2010099937A1; TW201036726A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Oberflächentemperatur einer Arbeitswalze, wobei das Kühlmedium einer im Leerlauf befindlichen Arbeitswalze abgeschaltet wird, die Arbeitswalze zum Abschleudern des Kühlmediums und Trocknung der Walzenoberfläche gedreht wird, mindestens ein Fühler, insbesondere ein Kontakt-Thermoelement, nach dem Stillsetzen der Arbeitswalze aus einer Ruheposition bewegt wird, das Kontakt-Thermoelement auf die Oberfläche der Arbeitswalze angelegt und die Oberflächentemperatur gemessen wird, nach erfolgter Messung der Oberflächentemperatur das Kontakt-Thermoelement in die Ruheposition bewegt wird und der Walzvorgang fortgesetzt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Oberflächentemperatur einer Arbeitswalze. Die vorliegende Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Optimierung und Überwachung von Prozessbedingungen beim Walzen im Wesentlichen von Metallen durch Messung der Walzenoberflächentemperatur.
Verfahren zur Messung der Oberflächentemperatur von Arbeitswalzen sind insbesondere beim Warmwalzen von Metallen bekannt. Die bekannten Verfahren zur Messung der Walzenoberflächentemperatur erfolgen online, daher kontinuierlich, während des Walzbetriebes zumeist mit berührungslosen Temperatursensoren unterschiedlicher Bauart. Die erhaltenen Messwerte werden je nach Bedarf für verschiedene Anwendungen verwendet.
Aus JP 58224013 A ist es bekannt, die Oberflächentemperatur der Arbeitswalze berührungslos online zu messen und die Arbeitswalze dadurch auf einer vorgegebenen Temperatur zu halten. Dabei werden die Mengen an Walzenkühlmedium und der Energieverbrauch der Pumpe über die Messung der Oberflächentemperatur der Arbeitswalze geregelt.
Aus JP 61046309 A ist es bekannt, die Oberflächentemperatur der Arbeitswalze mit einem berührungslosen Thermometer oder einem eingebauten Thermometer online zu messen. Die erhaltenen Messwerte werden zur Berechnung der thermischen Ausdehnung der Arbeitswalze verwendet.
Aus JP 59193706 A ist es bekannt, die Oberflächentemperatur der Arbeitswalze berührungslos online mit einem Infrarotthermometer zu messen und die thermische Spannung in der Arbeitswalze zu berechnen. Dabei werden zwei unterschiedliche Walzenkühlsysteme angesteuert, um die Mengen an Walzenkühlwasser zu verringern und einen Temperaturabfall des gewalzten Bandes zu verhindern.
Aus EP 0222041 B1 ist es bekannt, die Oberflächentemperatur der Arbeitswalze berührungslos online mit einem Infrarotthermometer zu messen und das Profil eines gewalzten Bandes im Walzbetrieb zu regeln. Dabei werden Ausstoßmengen an Walzenkühlmittel aus Ausstoßdüsen eingestellt.
Aus DE 19648031 A1 ist eine Messeinrichtung zur Messung der Temperatur von Walzen mit einem integrierten Temperatursensor bekannt, wobei eine simultane Messung der Oberflächentemperatur der Arbeitswalze erfolgt.
Die bekannten online Verfahren zur Messung der Oberflächentemperatur von Arbeitswalzen erweisen sich aufgrund der Umgebungsbedingungen in einem Walzgerüst immer wieder als störungsanfällig und unzuverlässig. Die Umgebungsbedingungen sind in einem Walzgerüst zum Walzen im Wesentlichen von Metallen, insbesondere von Aluminium, durch Wasser, Dampf, Staub, hohe Temperaturen und Erschütterungen besonders erschwert.
Die verwendeten bekannten Sensoren erweisen sich für diese Umgebungsbedingungen im Dauerbetrieb als nicht ausreichend robust und fallen häufig aus. Die erhaltenen Messwerte sind zudem ungenau und schwer reproduzierbar. Die ungenauen Messwerte und der Ausfall von Sensoren können zu Walzprodukten mit geminderter Qualität oder zum Ausfall der Produktion aufgrund von Wartungsarbeiten und Sensorenwechsel im Walzgerüst führen. Die Folgen können wirtschaftliche Nachteile in der Produktion sein.
Beim Verfahren zum Walzen von insbesondere Metallen, beispielsweise von Aluminium, werden die Walzen mit einem Medium gekühlt, das auch die Reibungsbedingungen im Walzspalt durch Walzspaltschmierung beeinflussen kann. Optimale Schmierbedingungen im Walzspalt sind entscheidend für die Reproduzierbarkeit des Verfahrens und für die Produkteigenschaften hinsichtlich der Oberflächenbeschaffenheit des gewalzten Bandes.
Die Oberflächentemperatur der Arbeitswalze beeinflusst direkt die Reibungsbedingungen im Walzspalt. Im Walzverfahren wird ein Temperaturbereich für die Oberfläche der Arbeitswalze angestrebt, bei dem sich günstige Bedingungen einstellen. Im Verlauf des Walzverfahrens ändert sich die Oberflächentemperatur der Arbeitswalze zum Teil stark durch wechselnde Verfahrensbedingungen. Die wechselnden Verfahrensbedingungen werden unter anderem durch Pausenzeiten, Stichabnahmen, Bandtemperaturen, Walzgut oder Walzgeschwindigkeit bedingt.
Ausgehend vom vorgenannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur stabilen und zuverlässigen Messung der Oberflächentemperatur einer Arbeitswalze über eine längere Betriebsdauer mit der erforderlichen Reproduzierbarkeit bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine Vorrichtung zur stabilen und zuverlässigen Messung der Oberflächentemperatur einer Arbeitswalze bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine Vorrichtung zur stabilen und zuverlässigen Messung der Oberflächentemperatur einer Arbeitswalze zur Verwendung im Wesentlichen in Metall- und insbesondere in Aluminium-Walzwerken bereitzustellen.
Zur Lösung der Aufgabe ist ein Verfahren zur stabilen und unzuverlässigen Messung der Oberflächentemperatur einer Arbeitswalze im Stillstand vorgesehen, wobei

a) das Kühlmedium einer im Leerlauf befindlichen Arbeitswalze abgeschaltet wird,
b) mindestens ein Fühler, insbesondere Kontakt-Thermoelement, nach dem Stillstehen der Arbeitswalze aus einer Ruheposition bewegt wird,
c) der Fühler, insbesondere Kontakt-Thermoelement, auf die Oberfläche der Arbeitswalze angelegt und die Oberflächentemperatur gemessen wird und
d) nach erfolgter Messung der Oberflächentemperatur der Fühler, insbesondere Kontakt-Thermoelement, in die Ruheposition bewegt wird.

Die Arbeitswalze wird bis zum Abschleudern des Kühlmediums von der Walzenoberfläche gedreht. Die Messung der Oberflächentemperatur der Arbeitswalze erfolgt erfindungsgemäß berührend durch Anlegen eines Kontakt-Thermoelements an einer stehenden Walze in einer Walzpause unter anderem zwischen zwei Stichen oder zwischen zwei Coils oder Blechen. Als Coil wird im Sinne der Erfindung ein zur Rolle gewickeltes breites Metallband bezeichnet.
Nach dem Ausfädeln des Bandes wird das Kühlmedium abgeschaltet. Das Kühlmedium ist zum Beispiel im Falle des Warmwalzens von Aluminium eine Emulsion, die etwa 5 Vol% Öl in Wasser enthalten kann. Dann wird eine ausreichende Anzahl von Umdrehungen der Arbeitswalze durchgeführt, um die Walzenoberfläche durch Ablaufen und Verdampfen des Kühlmediums zu trocknen. Während der Umdrehungen erfolgt ein Temperaturausgleich innerhalb und auf der Oberfläche der Arbeitswalze. Die gemessene Oberflächentemperatur ist ein Maß für die mittlere Oberflächentemperatur während des Walzvorgangs.
Nach dem Stillsetzen der Arbeitswalze wird das Kontakt-Thermoelement aus der geschützten Ruheposition ausgefahren und auf die Oberfläche der Arbeitswalze aufgesetzt und die Oberflächentemperatur gemessen. Nach erfolgter Messung wird das Kontakt-Thermoelement zurück in die geschützte Ruheposition gefahren. Der Walzvorgang wird dann fortgesetzt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist weniger anfällig als bekannte Verfahren, die online während des Walzbetriebes mit berührungslosen Temperatursensoren unterschiedlicher Bauart durchgeführt werden. Der Grund dafür ist, dass die erfindungsgemäße Messung in einer Walzpause erfolgt und das Kontakt-Thermoelement in einer geschützten Ruheposition zwischen den Messungen gehalten wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat aufgrund von robusten und bewährten Kontakt-Thermoelementen eine bessere Messgenauigkeit und Reproduzierbarkeit. Die sonst störenden Umgebungseinflüsse wie Wasser, Dampf oder Kühlmedium sind auf der Walzenoberfläche weitgehend nicht vorhanden. Das Kontakt-Thermoelement liegt nur kurzzeitig an der stehenden Walze. In dieser Zeit findet keine Beschädigung der Walzenoberfläche statt.
Die geschützte Ruheposition für das Kontakt-Thermoelement kann zum Beispiel in den Kühlbalken der Arbeitswalzenkühlung integriert oder eine separate Einheit sein.
Die Oberflächentemperatur soll mindestens in der Ballenmitte der oberen und unteren Arbeitswalze gemessen werden. Es sind beliebig viele Messpunkte über die Ballenbreite möglich.
Es ist vorteilhaft die Temperatur an mehr als nur einer Stelle der Arbeitswalze zu bestimmen. Mehrere Messstellen sind bevorzugt erforderlich, um das ganze Temperaturprofil zu erfassen. Dazu wird entweder ein und dasselbe Kontakt-Thermoelement nacheinander an mehreren Stellen der Arbeitswalze angelegt oder es werden gleichzeitig mehrere Kontakt-Thermoelemente an über der Arbeitswalze verteilten Stellen auf die Oberfläche angelegt.
Die folgenden Vorteile ergeben sich unter anderem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Die Messwerte werden gespeichert und für die Prozessautomation und Verfahrenssteuerung ausgewertet und stehen für die Steuerung im Rechenmodell zur Verfügung. Die Messwerte und deren Auswertung werden für die Regelung von Verfahrensbedingungen und Optimierung von Verfahrensschritten verwendet.
Die Kontrolle der Prozessbedingungen, daher die Überwachung der Verfahrensparameter verläuft zuverlässig. Die Kontrolle und Rückschluss auf die Schmierbedingungen im Walzspalt, daher die Regelung der Zufuhr der Emulsion ist genau und sicher. Die Einstellung und Überwachung einer optimalen Zieltemperatur für die Arbeitswalzen wird zum einen durch die gezielte Einstellung des Stellglieds der Arbeitswalzenkühlung und zum anderen durch die Änderung von Verfahrensschritten, wie beispielsweise Walzgeschwindigkeiten oder Stichabnahmen erleichtert.
Die Analyse von Prozessstörungen verläuft sicher und zuverlässig. Die Analyse des Zusammenhangs der Oberflächenqualität des gewalzten Bandes und gemessener Oberflächentemperatur der Arbeitswalze lässt sich schneller und zuverlässiger mit den gesicherten Temperaturmesswerten durchführen. Die Adaption von Prozessmodellen, zur Berechnung von zum Beispiel Walzkraft, Walzmoment oder temperaturbedingte Balligkeit der Walze, so genannter thermischer Crown, lässt sich zuverlässig durchführen. Die temperaturbedingte Balligkeit der Walze bedeutet im Sinne der Erfindung die von der zylindrischen Form abweichende Querschnittsverdickung bei der Walze. Die Visualisierung der gemessenen Walzentemperaturen und daraus abgeleiteter Erfahrungswerte erleichtert dem Bedienpersonal die Steuerung des Prozesses.
Die vorliegende Erfindung stellt als weitere Lösung eine Vorrichtung zur Messung der Oberflächentemperatur einer Arbeitswalze im Stillstand mit einem Kontakt-Thermoelement bereit, wobei mindestens ein Kontakt-Thermoelement im Stillstand der Arbeitswalze auf der Oberfläche der Arbeitswalze zur Temperaturmessung angelegt ist.
Die vorliegende Erfindung stellt als weitere Lösung die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in im Wesentlichen in Metall- und insbesondere in Aluminium-Walzverfahren bereit.
Weitere Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung zur Messung der Oberflächentemperatur der Arbeitswalze sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ausführungsbeispiel
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Erläuterung eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles.
Es zeigen:
1 eine Draufsicht auf eine zylindrische Arbeitswalze bei der Messung der Oberflächentemperatur mit einem Kontakt-Thermoelement,
2 einen Schnitt nach der Linie II-II in 1,
3 ein Flussdiagramm mit den beispielhaften einzelnen Verfahrensschritten der Messung der Oberflächentemperatur einer Arbeitswalze.
1 zeigt die Arbeitswalze (4) im Zusammenwirken mit dem Kontakt-Thermoelement (1). Das Kontakt-Thermoelement (1) wird in der Ballenmitte der Arbeitswalze (4) angelegt und die Oberflächentemperatur der Arbeitswalze (4) gemessen. Das Kontakt-Thermoelement (1) ist an einem Träger (3) angeordnet. Das Kontakt-Thermoelement (1) wird durch einen Bewegungsantrieb (5) aus der geschützten Ruheposition in die Stellung der Temperaturmessung an die Walzenoberfläche gefahren.
2 zeigt ein Paar Arbeitswalzen (4), (4') in einer Walzenpause nach dem Walzen eines Walzbandes (8) im Walzspalt (2). Die Oberflächentemperaturen der Arbeitswalzen (4), (4') werden von den Kontakt-Thermoelementen (1), (1') gemessen. Die Kontakt-Thermoelemente (1), (1') sind an Trägern (3), (3') angeordnet. Die Kontakt-Thermoelemente (1), (1') werden durch Bewegungsantriebe (5), (5') aus der geschützten Ruheposition in die Stellung der Temperaturmessung an die Walzenoberfläche gefahren. In der Ruheposition weisen die Kontakt-Thermoelemente (1), (1') einen gewissen Abstand zur Oberfläche der Walzen (4), (4') auf. Die geschützten Ruhepositionen für die Kontakt-Thermoelemente (1), (1') sind im Wesentlichen radial zu den Walzen (4), (4') beweglich. Der Bewegungsan trieb für die Kontakt-Thermoelemente (1), (1') kann beispielsweise ein Zylinder sein.
3 zeigt ein Flussdiagramm mit den einzelnen Verfahrensschritten als Beispiel für das erfindungsgemäße Verfahren. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung der Oberflächentemperatur der Arbeitswalze wird als Verfahren zum Beispiel beim Walzen von Aluminium in einer Walzpause durchgeführt, beispielsweise nach jedem gewalzten Coil.

1: Kontakt-Thermoelement
2: Walzspalt
3: Träger
3': Träger
4: Arbeitswalze
4': Arbeitswalze
5: Bewegungsantrieb
5': Bewegungsantrieb
8: Walzband

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- JP 58224013 A [0003]
- JP 61046309 A [0004]
- JP 59193706 A [0005]
- EP 0222041 B1 [0006]
- DE 19648031 A1 [0007]

Claims

Verfahren zur Messung der Oberflächentemperatur einer Arbeitswalze im Stillstand, wobei a) das Kühlmedium für eine im Leerlauf befindliche Arbeitswalze abgeschaltet wird, b) mindestens ein Fühler nach dem Stillstehen der Arbeitswalze aus einer Ruheposition bewegt wird, c) der Fühler auf die Oberfläche der Arbeitswalze angelegt und die Oberflächentemperatur gemessen wird und d) nach erfolgter Messung der Oberflächentemperatur der Fühler in die Ruheposition bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Arbeitswalze bis zum Abschleudern des Kühlmediums gedreht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei als Fühler ein Kontakt-Thermoelement benutzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Fühler nacheinander auf mindestens einer über die Oberfläche der Arbeitswalze verteilten Stelle angelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zwei oder mehrere Fühler auf über die Oberfläche der Arbeitswalze verteilten Stellen angelegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Oberflächentemperaturen mindestens in der Ballenmitte einer oberen und/oder einer unteren Arbeitswalze gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Oberflächentemperaturen beider Arbeitswalzen gemessen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Oberflächentemperatur an mindestens einer stehenden Walze in einer Walzpause gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Arbeitswalze durch Ablaufen und Verdampfen des Kühlmediums getrocknet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei während der Drehung der Arbeitswalze im Leerlaufbetrieb ein Temperaturausgleich erfolgt.
Vorrichtung zur Messung der Oberflächentemperatur einer Arbeitswalze (4) im Stillstand mit mindestens einem Fühler (1) der auf der Oberfläche der Arbeitswalze (4) die Temperatur misst, dadurch gekennzeichnet, dass der Fühler (1) im Stillstand der Arbeitswalze (4) auf der Oberfläche der Arbeitswalze (4) zur Temperaturmessung angelegt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Fühler (1) ein Kontakt-Thermoelement ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Fühler (1) nacheinander an mehreren verteilten Stellen auf der Oberfläche der Arbeitswalze (4) zur Temperaturmessung angelegt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass an mehreren über die Oberfläche der Arbeitswalze (4) verteilten Stellen mehr als ein Fühler (1) auf der Oberfläche der Arbeitswalze (4) zur Temperaturmessung angelegt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch kennzeichnet, dass der Fühler (1) in der Ruheposition in einem Kühlbalken der Arbeitswalzenkühlung integriert ist oder eine separate Einheit ist.
Verwendung der Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 15 in Metall- und Aluminiumwalzverfahren.
Verwendung der Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 15 für die Kontrolle der Prozessbedingungen, Kontrolle der Schmierbedingungen im Walzspalt, Einstellung und Überwachung einer optimalen Zieltemperatur der Arbeitswalzen, Analyse von Prozessstörungen, Analyse des Zusammenhangs zwischen der Oberflächenqualität des gewalzten Bandes und der gemessenen Oberflächentemperatur der Arbeitswalze, Auswertung von gespeicherten Messwerten für die Prozessautomation und Verfahrenssteuerung sowie die Adaption von Prozessmodellen.