DE102014000269A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln der Planheit beim Behandeln eines bandförmigen Guts - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Planheit beim Behandeln eines bandförmigen Guts, insbesondere beim Warmwalzen eines dünnen Metallblechs, wobei eine Temperaturverteilung eines quer zur Bewegungsrichtung des bandförmigen Guts verlaufenden Bereichs aufgenommen, das bandförmige Gut in Kontakt mit einem eine unterschiedliche Temperatur zum bandförmigen Gut aufweisenden Kontaktelement gebracht und eine weitere Temperaturverteilung des Bereichs aufgenommen wird, wobei die Temperaturverteilungen des Bereichs vor und nach dem Inkontaktbringen von bandförmigem Gut und Kontaktelement verglichen und in Abhängigkeit von dem Vergleich der Temperaturverteilungen die Planheit ermittelt werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln der Planheit beim Behandeln eines bandförmigen Guts, insbesondere beim Warmwalzen eines dünnen Metallblechs, beispielsweise eines dünnen Stahlblechs.
• Es werden Messrollen beim Kalt- und Warmwalzen von Metallband eingesetzt und sind beispielsweise aus der DE 102 07 501 C1 bekannt. Das Band, beispielsweise Stahlband, wird mit einem gewissen Umschlingungswinkel über eine als Vollrolle ausgestaltete Messrolle geführt. In der Messrolle sind Kraftmessgeber angeordnet, deren Signale ein Messen der Spannungsverteilung über die Bandbreite ermöglichen und dabei Rückschlüsse auf die Planheit zulassen. Bei der Verwendung von bandförmigem Gut, das eine erhöhte Temperatur aufweist, wie beispielsweise beim Warmband, weisen bekannte Messrollen üblicherweise den Nachteil auf, dass sich der Rollenkörper erwärmt und ein Einsatz von als wärmeempfindliche Piezosensoriken ausgestalteten Kraftmessgebern erschwert ist.
• EP 1 418 400 A2 offenbart ein Planheits-Messsystem für Metallband, bei dem die Bandplanheit berührungslos gemessen werden kann. Auf der Messoberfläche wird ein Linienmuster erzeugt, das mit einer das Linienmuster auflösenden Kamera erfasst wird. Die von der Kamera erfassten Messdaten können mit einer Referenzmessung verglichen werden, wodurch Rückschlüsse auf die Bandplanheit gezogen werden können. Das Verfahren erfordert die Anordnung eines das Linienmuster erzeugenden Projektors und einer das Linienmuster auflösenden Kamera oberhalb des Bandes. Während die Anordnung unter Laborbedingungen einfach möglich ist, so ist eine Anordnung unter realen Bedingungen in einer Halle, in der das Behandeln eines dünnen bandförmigen Guts erfolgt, meist schwierig. Zudem ist der Kalibieraufwand erheblich und die Messgenauigkeit kann sich im Laufe der Zeit verschlechtern.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein vereinfachtes Verfahren und eine vereinfachte Vorrichtung zu schaffen, mit der die Planheit beim Behandeln eines bandförmigen Guts auch unter den gegebenen räumlichen Bedingungen ohne großen Aufwand möglich ist, wobei das Verfahren und die Vorrichtung eine Ermittlung von Planheit auch eines eine hohe Temperatur aufweisenden bandförmigen Guts erlaubt.
• Die Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
• Grundgedanke der Erfindung ist, die Planheit beim Behandeln des bandförmigen Guts indirekt dadurch zu ermitteln, dass ein thermischer Eintrag bzw. eine Wärmeleitung über ein Kontaktelement in einen Bereich in das bandförmige Gut erfolgt, und gemessen wird, welche Temperaturverteilung sich im Bereich des Eintrags ergibt. Dabei wird ausgenutzt, dass der thermische Übergangswiderstand zweier sich berührender Festkörper abhängig vom Anpressdruck ist. Liegt ein geringer Anpressdruck vor, so folgt daraus ein hoher thermischer Kontaktwiderstand und damit eine geringe Wärmeübertragung. Liegt ein hoher Anpressdruck vor, so ergibt sich ein geringer thermischer Kontaktwiderstand und dadurch eine hohe Wärmeübertragung. Ist ein bandförmiges Gut unplan, so sind der Anpressdruck und der thermische Kontaktwiderstand über den betrachteten Bereich unterschiedlich. Damit ergibt sich eine ungleiche Erwärmung bzw. Kühlung. Der Grundgedanke der Erfindung ist die Ermittlung der Planheit aus diesem Temperaturprofil, wobei aus den Temperaturdifferenzen zunächst die Anpressdruckunterschiede und daraus dann die Planheit des bandförmigen Guts ermittelt werden kann.
• Es wird ausgenutzt, dass der Wärmeübergang zwischen zwei festen Körpern unter anderem von der Kontaktfläche abhängig ist. Mikroskopisch betrachtet, haben die betrachteten beiden Körper eine gewisse Rauhigkeit, so dass zwei ”kraftlos” aufeinanderliegende Körper auf den ”Rauhigkeitmaxima” liegen und damit der thermische Kontaktwiderstand am größten ist. Wird der Anpressdruck erhöht, so vergrößert sich auch die effektive Kontaktfläche, die benetzte Fläche. Dadurch wird eine Wärmeübertragung an der Grenzfläche begünstigt.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Temperaturverteilung eines quer zur Bewegungsrichtung des bandförmigen Guts verlaufenden Bereichs aufgenommen. Das bandförmige Gut wird in Kontakt mit einem eine unterschiedliche Temperatur zum bandförmigen Gut aufweisenden Kontaktelement gebracht und eine weitere Temperaturverteilung des Bereichs aufgenommen. Die Temperaturverteilung des Bereichs vor und nach dem Inkontaktbringen von bandförmigem Gut und Kontaktelement werden verglichen, und in Abhängigkeit von dem Vergleich der Temperaturverteilungen die Planheit ermittelt. Es kann vorgesehen sein, dass die Temperatur und/oder Temperaturverteilung des Kontaktelements berücksichtigt wird. In dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Temperatur des Kontaktkörpers verwendet werden.
• Im Sinne der Erfindung umfasst der Begriff Kontaktelement einen Körper, der in Kontakt mit dem bandförmigen Gut über die Breite gebracht werden kann, in der die Planheit ermittelt werden sollen. Der Begriff umfasst nicht zwingend einen einteiligen Körper. Das Kontaktelement kann eine höhere oder eine niedrigere Temperatur als das bandförmige Gut aufweisen. Wichtig ist die zwischen dem bandförmigen Gut und dem Kontaktelement unterschiedliche Temperatur, die ermöglicht, dass Anpressdruckunterschiede erfasst werden können, aus denen die Planheit des bandförmigen Guts ermittelt werden kann. Vorzugsweise ist das Kontaktelement plan und derart zum bandförmigen Gut anordbar, dass das bandförmige Gut gleichmäßig mit dem Kontaktelement in Kontakt gebracht werden kann. Der Begriff gleichmäßig wird hier derart verstanden, dass die Oberflächen des Kontaktelements und des bandförmigen Guts makroskopisch betrachtet parallel zueinander angeordnet werden können. Es kann auch vorgesehen sein, dass eine nichtparallele Anordnung gewählt wird. Beispielsweise kann das Kontaktelement auch eine kugelförmige Oberfläche aufweisen, welches insbesondere für einen Einsatz in der Betrachtung von Papier in der Papierindustrie sinnvoll sein kann. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Kontaktelement eine Rolle. In einigen Anwendungsgebieten kann es sinnvoll sein, eine Rolle mit einer möglichst glatten Oberfläche einzusetzen, die einen guten gleichmäßigen Kontakt zu dem bandförmigen Gut erlaubt. In anderen Anwendungsgebieten kann der Einsatz einer profilierten Rolle zweckmäßig sein, auf deren Oberfläche beispielsweise vorspringende Halbkugeln vorgesehen sind, oder die Rillen aufweist.
• Die Messung der Temperaturverteilung erfolgt vorzugsweise mittels einer berührungslosen Messung durch Aufnahme eines Wärmebilds mit einer Wärmebildkamera und/oder als Temperaturmessung eines Pyrometers. Es können mehrere Pyrometer und/oder Wärmebildkameras vorgesehen sein. Der Begriff Wärmebildkamera umfasst jede Vorrichtung, die unter Verwendung der Thermografie eine Oberflächentemperatur eines Objekts, insbesondere zweidimensional, erfassen kann.
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Kontaktelement als Umlenkrolle ausgestaltet, so dass eine Kontaktfläche zwischen dem bandförmigen Gut und der Umlenkrolle entstehen kann. Die äußeren Abmessungen der Kontaktfläche werden im Wesentlichen durch die Breite des bandförmigen Guts und den Umschlingungswinkel bestimmt. Die Umlenkrolle kann je nach Einsatzort und Temperaturniveau des bandförmigen Guts innen gekühlt bzw. geheizt werden. Die Umlenkrolle kann auch aktiv von innen oder außen gekühlt und/oder geheizt werden. Für das Kühlen und/oder Heizen können entsprechende Mittel in Form von Heizelementen bzw. Kühlelementen vorgesehen sein. Über die Kontaktfläche zwischen der Umlenkrolle und dem bandförmigen Gut wird Wärme zu- bzw. abgeführt. Innere Spannungen bzw. Unplanheiten im Band bewirken, dass der Anpressdruck über die Anpressfläche nicht konstant ist. Aufgrund dieser inhomogenen Kraftverteilung wirkt sich der Anpressdruck auch in unterschiedlichem Maß auf die Umlenkrolle aus. Es existieren also Flächenanteile mit einer größeren Benetzung, d. h. in diesen Regionen ist die effektive Kontaktfläche größer. Damit wird hier deutlich mehr Wärme vom bandförmigen Gut in die Umlenkrolle transferiert.
• In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Umschlingungswinkel der Umlenkrolle auf das Band eingestellt werden. Das Maß des thermischen Eintrags kann gesteuert werden.
• Zur Ermittlung der Planheit aus dem Vergleich der Temperaturverteilungen ist sowohl eine direkte als auch eine integrative Auswertung möglich. Beim direkten Auswerten wird die Temperaturverteilung des bandförmigen Guts unmittelbar vor und nach Inkontaktbringen mit dem Kontaktelement verwendet, wobei auch die Temperatur des Kontaktelements ermittelt wird. Bevorzugt wird die Temperaturverteilung unmittelbar vor und nach dem Kontakt mit dem Kontaktelement erfasst. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Temperaturverteilung in einem Bereich vor und/oder nach dem Kontakt vorgenommen wird. Unter Verwendung der direkten Auswertung können schnelle Änderungen der Planheit detektiert werden. Bei der integrativen Auswertung wird eine über die Zeit gemittelte Temperaturverteilung auf dem Kontaktelement verwendet. Eine integrative Auswertung ist möglich, da sich die Planheit eines bandförmigen Guts im Allgemeinen nur langsam ändert. Das bedeutet, dass sich die Anpressdruckunterschiede und somit der Wärmestrom über die Bandbreite auch nur langsam ändern. Die integrative Auswertung zeichnet sich durch eine bessere Temperaturspreizung aus. Die integrative Auswertung baut auf den Grundsätzen der direkten Auswertung auf. Mischformen sind auch möglich, bei denen die Temperaturverteilung des bandförmigen Guts vor und nach dem in Kontaktbringen ebenso ermittelt wird wie die Temperaturverteilung des Kontaktelements.
• Bei der direkten Auswertung werden die Temperaturen des bandförmigen Guts vor und nach dem Inkontaktbringen mit dem Kontaktelement über die Breite des bandförmigen Guts ebenso wie die Temperatur des Kontaktelements erfasst. Es wird also ein Bereich des bandförmigen Guts als Streifen des bandförmigen Guts entlang der Breite vor dem Kontaktelement aufgenommen. Ferner wird ein Bereich in Form eines Streifens quer zur Bewegungsrichtung des bandförmigen Guts auf dem Kontaktelement aufgenommen. Nachdem sich das bandförmige Gut über das Kontaktelement bewegt hat, wird eine weitere Temperaturverteilung des Bereichs hinter dem Kontaktelement aufgenommen. Es wird die Differenztemperatur zwischen der Temperaturverteilung nach dem Kontaktelement und vor dem Kontaktelement berechnet. Nachfolgend erfolgt eine Bilanzierung der Temperaturen zur Ermittlung der Kräfte zwischen der Rolle und dem Band. Aus den Kraftunterschieden kann die Planheit über die Breite ermittelt werden.
• Um die Temperaturverteilung desselben Streifens des bandförmigen Guts vor uns nach dem Kontakt mit dem Kontaktelement zu erfassen, kann eine Synchronisierungsvorrichtung beispielsweise die Wärmebildkamera derart steuern, dass anhand der Gutgeschwindigkeit und dem Abstand der Wärmebildkameras der Auslösezeitpunkt zur Aufnahme der Temperaturverteilung einstellbar ist.
• Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläutert.
• In den Zeichnungen zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung mit einer Seitenansicht eines über eine Umlenkrolle geführten bandförmigen Guts mit einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
• 2 ein Beispiel für sich ergebende unterschiedliche Temperaturverteilungen.
• 1 zeigt schematisch ein bandförmiges Gut 1, dessen Planheit über die Breite des bandförmigen Guts 1 ermittelt werden sollen. Die Bewegungsrichtung des bandförmigen Guts 1 ist mit einem Pfeil am bandförmigen Gut 1 gekennzeichnet. Das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel umfasst ein als Umlenkrolle ausgestaltetes Kontaktelement 2. Das bandförmige Gut 1 wird derart über das Kontaktelement 2 geführt, dass sich eine Kontaktfläche 3 zwischen bandförmigem Gut 1 und Kontaktelement 2 über die Breite des bandförmigen Guts 1 ausbildet. Zur Ermittlung einer Temperaturverteilung über der Breite des bandförmigen Guts 1 quer zur Bewegungsrichtung des bandförmigen Guts 1 sind zwei Vorrichtungen 4, 5, die eine Temperaturverteilung ermitteln können, insbesondere Wärmebildkameras, derart angeordnet, dass eine Temperaturverteilung des bandförmigen Guts 1 quer zur Bewegungsrichtung desselben vor dem Kontakt des bandförmigen Guts 1 mit dem Kontaktelement 2 erfolgt (Vorrichtung 4) und eine Temperaturverteilung aufgenommen wird, wenn der Kontakt zwischen dem bandförmigen Gut 1 und dem Kontaktelement 2 beendet ist (Vorrichtung 5).
• Durch die Ermittlung der Temperaturverteilung quer zur Bewegungsrichtung des bandförmigen Guts 1 können einzelne Punkte des bandförmigen Guts 1 betrachtet werden. Die Temperaturmessungen können damit punktbezogen verwendet werden. So kann beispielsweise die Temperatur T_{Band A} vor dem Kontakt mit dem Kontaktelement 2 gemessen werden. Wenn der Punkt des bandförmigen Guts 1 das Kontaktelement 2 verlassen hat, wird T_{Band B} gemessen.
• Die 1 zeigt ferner eine Vorrichtung 6, insbesondere eine Wärmebildkamera, zum Ermitteln einer Temperaturverteilung des Kontaktelements 2.
• Die Ermittlung der Planheit beruht nun auf einer Berechnung des Kontaktdrucks, zu dessen Bestimmung zuerst der Wärmeübergangskoeffizient bestimmt werden kann. Dazu gilt, dass die Wärmemenge, die vom bandförmigen Gut 1 zum Kontaktelement 2 strömt, identisch ist, d. h. Q_K = Q_BR. Vereinfacht kann der Wärmestrom vom bandförmigen Gut 1 zum Kontaktelement 2 berechnet werden mit:

  

  mit

α

= Wärmeübergangskoeffizient

A

= Kontaktfläche

T_{Band A}

= Oberflächentemperatur des bandförmigen Guts 1 vor dem Kontaktelement 2

T_{Band B}

= Oberflächentemperatur des bandförmigen Guts 1 nach dem Kontaktelement 2

T_Rolle

= Oberflächentemperatur des Kontaktelements 2

Q_BR

= Wärmemenge Gut 1 – Kontaktelement 2

• Dabei wird der Aufwärmvorgang des Kontaktelements 2 vernachlässigt. Dies kann allerdings auch mit berücksichtigt werden.
• Die Wärmemenge, die pro Umdrehung vom bandförmigen Gut 1 zum Kontaktelement 2 übertragen wird, berechnet sich mit: Q_BR = c·m·(T_{Band A} – T_{Band B}).
• Werden beide Formeln eingesetzt ergibt sich:

  
• Umgestellt zum Wärmeübergangskoeffizienten α ergibt sich:

  
• Der Wärmeübergangskoeffizient α ist die zu ermittelnde Größe, wobei sich gezeigt hat, dass trotz starker Vereinfachungen reale technische Oberflächen zeigen, dass die reale Kontaktfläche bei der elastischen Kontaktdeformation näherungsweise der Normalkraft F_N proportional ist. Das bedeutet, dass die gewählten Kontaktwiderstände auf einen größeren Anpressdruck skaliert werden können.
• Zur Umrechnung des Kontaktwiderstands in eine Anpresskraft können Tabellen und Versuche zur Ermittlung einer Funktion verwendet werden, bei denen die Normalkraft F_N eine Funktion darstellt, die den Parameterübergangskoeffizienten α aufweist, der als abhängig von T_{Band A}, T_{Band B} und T_Rolle betrachtet werden kann.
• Mit jedem Messpunkt der Temperaturverteilung über der Breite des bandförmigen Guts 1 wird demnach eine Kraftverteilung ermittelt. Aus der Kraftverteilung kann die Planheit ermittelt werden. Während zuvor eine vereinfachte Beschreibung der direkten Auswertung erfolgte, so wird bei einem vollständigen Ansatz der direkten Auswertung eine ausführliche Wärmebilanz berücksichtigt. Die Auswertung der Messung erfolgt über die Beobachtung der Wärmeströme. Dabei setzt sich der Wärmestrom der Oberfläche des Kontaktelements Q ._RD des Kontaktelements 2 aus dem Wärmestrom der Wärmestrahlung Q ._Rad, dem Wärmestrom der Wärmeleitung von bandförmigen Gut 1 Q ._K und dem Wärmestrom der Wärmeleitung Q ._WL innerhalb des Kontaktelements 2 zusammen: Q ._RD = Q ._K – Q ._WL – Q ._Rad
• Mit diesem Bilanzansatz kann wie in dem vereinfachten Ansatz der direkten Auswertung der Wärmeübergangskoeffizient und somit die Planheit mittels einer mit der Vorrichtung 4, Vorrichtung 5 und/oder Vorrichtung 6 verbundenen Auswerteelektronik 7 berechnet werden.
• 2 zeigt ein Beispiel für aufgenommene Temperaturverteilungen eines bandförmigen Guts 1 vor und nach dem Kontakt des bandförmigen Guts 1 mit dem Kontaktelement 2 sowie die Temperaturverteilung des Kontaktelements 2. Die Bandlaufrichtung des bandförmigen Guts 1 ist mittels eines Pfeils 8 angegeben. Schematisch sind die Positionen, an denen die jeweilige Temperaturverteilung gemessen wird, jeweils mit einem von zwei Pfeilen begrenzten Strich auf dem bandförmigen Gut 1 und dem Kontaktelement 2 visualisiert. Die jeweilige Temperaturverteilung ist in einer x-y-Darstellung gezeigt. Auf der x-Achse bzw. Abszisse ist der Abstand von einer Seite des bandförmigen Guts 1 bzw. des Kontaktelements bis zur anderen Seite wiedergegeben.
• Auf der y-Achse bzw. der Ordinate ist die an dem entsprechenden Punkt des bandförmigen Guts 1 bzw. des Kontaktelements 2 ermittelte Temperatur wiedergegeben.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 10207501 C1 [0002]
• EP 1418400 A2 [0003]

Claims (10)

1. Verfahren zum Ermitteln der Planheit beim Behandeln eines bandförmigen Guts (1), insbesondere beim Warmwalzen eines dünnen Metallblechs, wobei eine Temperaturverteilung eines quer zur Bewegungsrichtung des bandförmigen Guts (1) verlaufenden Bereichs aufgenommen, das bandförmige Gut (1) in Kontakt mit einem eine unterschiedliche Temperatur zum bandförmigen Gut (1) aufweisenden Kontaktelement (2) gebracht und eine weitere Temperaturverteilung des Bereichs aufgenommen wird, wobei die Temperaturverteilungen des Bereichs vor und nach dem Inkontaktbringen von bandförmigem Gut und Kontaktelement verglichen werden und in Abhängigkeit von dem Vergleich der Temperaturverteilungen die Planheit ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperaturverteilungen als Wärmebild mit einer Wärmebildkamera und/oder als Temperaturmessung eines Pyrometers aufgenommen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Temperaturverteilungen von mehreren Pyrometern und/oder Wärmebildkameras aufgenommen werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei für den Bereich der Temperaturverteilungen ein Oberflächenbereich des bandförmigen Guts (1) gewählt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei für den Bereich der Temperaturverteilungen ein Oberflächenbereich des Kontaktelements (2) gewählt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei als Kontaktelement (2) eine Umlenkrolle verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Umschlingungswinkel von bandförmigem Gut (1) und Umlenkrolle (2) eingestellt wird.
8. Vorrichtung zum Ermitteln der Planheit beim Behandeln eines bandförmigen Guts (1), insbesondere beim Warmwalzen eines dünnen Metallblechs, mit mindestens einer eine Temperaturverteilung quer zur Bewegungsrichtung des bandförmigen Guts (1) ermittelten Vorrichtung (4, 5, 6), einem eine unterschiedliche Temperatur zum bandförmigen Gut 1 aufweisenden Kontaktelement (2) und einer Auswerteelektronik (7), die zum Vergleich zweier Temperaturverteilungen vor und nach dem Kontakt von Kontaktelement (2) und bandförmigem Gut (1) ausgestaltet ist und die Planheit in Abhängigkeit von dem Vergleich berechnet und/oder anzeigt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Kontaktelement (2) eine von innen oder außen heizbare oder kühlbare Umlenkrolle ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die eine Temperaturverteilung quer zur Bewegungsrichtung des bandförmigen Guts ermittelnde Vorrichtung (4, 5, 6) ein Pyrometer oder eine Wärmebildkamera ist.

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