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Technisches Gebiet:
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit dazu notwendiger Anordnung zum Messen und Regeln der Ebenheit bzw. der Bandlängsspannungen eines durch Bandwalzen erzeugten Bandes, vorzugsweise aus Metall, insbesondere aus Stahl. Das Verfahren und die dazu notwendige Anordnung werden angewandt, um ein möglichst ebenes bzw. mit möglichst geringen Bandlängsspannungen behaftetes Band zu erhalten. Weitere Anwendungsmöglichkeiten bestehen für bandförmige Produkte sowie Produkte mit ähnlicher Geometrie aus nichtmetallischem Material, wobei deren Produktion ebenfalls auf dem Grundprinzip des Walzens eines Bandes basiert.
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Stand der Technik:
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Für die Erzeugung von metallischen Bändern wird üblicherweise der sog. Bandwalzprozess (nachfolgend vereinfacht als Walzprozess bezeichnet) eingesetzt, bei dem eine Verringerung der Dicke dieser Bänder während ihrer Längsbewegung durch die industriellen Herstellungsanlagen erreicht wird. Je nach gewünschter Enddicke des zu erzeugenden Bandes sowie in Abhängigkeit von der Dicke des dazu eingesetzten Ausgangsmaterials wird der Walzprozess auch mehrfach nacheinander ausgeführt. Für seine verschiedenen Anwendungsgebiete sind vielfältige, der jeweiligen Anwendung zweckmäßig angepasste technische Ausrüstungen entwickelt worden, die erfolgreich im Einsatz sind. Diese Ausrüstungen bzw. Vorrichtungen erstrecken sich je nach Anwendungsgebiet und der damit verbundenen technologischen Zielstellung von den üblicherweise zum Einsatz gelangenden Quartogerüsten, in denen die beiden mit dem zu walzenden Band im Kontakt stehenden Walzen (üblicherweise als Arbeitswalzen bezeichnet) durch zwei zusätzliche Stützwalzen unterstützt werden, um die unvermeidliche Durchbiegung der Walzen besser zu beherrschen, über Walzgerüste mit sechs Walzen, bei denen sich zwischen Arbeits- und zugehöriger Stützwalze zusätzlich eine axial verschiebbare Zwischenwalze befindet, mit der die Ausbildung der Kontur aber auch der Ebenheit des Bandes beeinflusst werden kann, bis hin zu den sog. 20-Rollen-Gerüsten für das Walzen sehr dünner Bänder. In diesem Fall kann eine präzise Abstützung der Arbeitswalzen nur mit einer umfangreicheren Anzahl von Stütz- bzw. Zwischenwalzen erreicht werden, da mit kleiner werdender Banddicke aus physikalischen Gründen auch die Durchmesser der einzusetzenden Walzen immer kleiner werden müssen, wodurch das Aufnahmenvermögen der Walzen für die im Walzprozess aus der Materialfestigkeit resultierenden Biegekräfte deutlich geringer wird.
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Unabhängig von der Ausführung der benutzten technischen Ausrüstung ergibt sich im Walzprozess jeweils ein dominanter Materialfluss in Bandlängsrichtung. Lokale Unterschiede dieses Materialflusses (in Bandlängsrichtung) an einzelnen Positionen in Bandquer- bzw. Bandbreitenrichtung, insbesondere beim Warmwalzen gegebenenfalls auch Temperaturunterschiede, führen zu Längenunterschieden der betreffenden Bandabschnitte (nachfolgend „Fasern” genannt). Diese im Walzprozess ausgebildeten bzw. entstandenen Längenunterschiede einzelner in Bandlängsrichtung verlaufender Bandfasern können dazu führen, dass ein zugfrei auf einer horizontalen, ebenen Fläche aufliegendes Stück eines Bandes sich stellenweise vertikal von dieser Auflagefläche abhebt und somit lokale Verwölbungen aufweist. Ursache dafür sind die sich infolge unterschiedlicher Faserlängen im Band ausbildenden Bandlängsspannungen. In den kürzeren Fasern bilden sich dabei Zugspannungen aus, während in den längeren Fasern Druckspannungen entstehen (vgl. hierzu auch
DD 284 392 A7 ), wodurch diese längeren Fasern lokal zumeist wellenförmig aus der durch Quer- und Längsrichtung des Bandes bestimmten Ebene ausgelenkt werden. In erster Näherung sind der Grad der Auslenkung aus der Bandebene und die Längsausdehnung dieser Auslenkung ein Maß für die Größe der lokalen Druckspannung unter der die betreffende Bandfaser steht. Es ist allerdings auch möglich, dass vorhandene Druckspannungen nicht zur Ausbildung einer lokalen Verwölbung der betreffenden Bandfaser führen, denn dafür muss diese Druckspannung einen Mindestwert (sog. Beulspannung – ähnlich wie das sog. „Eulerknicken” aus der klassischen Mechanik) überschreiten. In diesem Fall bleibt der betreffende Bandabschnitt trotz der vorhandenen, inneren Bandspannungen eben. Damit unmittelbar im Zusammenhang steht die (scheinbare!) Zunahme bzw. Verbesserung der Bandebenheit, wenn der betreffende Bandabschnitt mit einer Zugkraft beaufschlagt wird. Durch die Überlagerung der vorhandenen Bandspannungsverteilung (über den gesamten Bandabschnitt) mit der durch die äußere Zugkraft zusätzlich hervorgerufenen Zugspannungskomponente verringern sich in den entsprechenden Fasern die hier vorhandenen Druckspannungen. Gleichzeitig erfahren die vor der Beauschlagung mit der Zugkraft unter Zugspannung stehenden Bandfasern eine elastische Dehnung. Entsprechend diese Erscheinungsbildes wird das Auftreten von Auslenkungen einzelner Bandfasern oft auch als sog. „sichtbare” Unebenheit bezeichnet und die vorhandenen inneren Bandspannungen, welche noch nicht zur Auslenkung einzelner Bandfasern führen, als sog. „nichtsichtbare” Unebenheit.
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In den vielfältigen Umformprozessen, insbesondere beim sog. Tiefziehen, bei der Weiterverarbeitung von bandförmigen Ausgangsmaterial ist ebenfalls die Ausbildung innerer Spannungszustände unvermeidbar, welche durch das Material des durch die Umformung erzeugten Einzelteils aufgenommen werden müssen, damit dessen gewünschte Form erhalten bleibt. Bereits vorhandene Unebenheiten sowie innere Spannungen im Ausgangsmaterial können sich dabei in erheblichem Maße negativ auswirken. Es ist deshalb naheliegend, dass die Bereitstellung von möglichst ebenem Ausgangsmaterial, welches darüber hinaus auch möglichst frei von inneren Spannungen sein sollte, eine zentrale Forderung der bandverarbeitenden Industrie ist. Eine dementsprechende Prozessführung bei der Banderzeugung im Walzprozess ist deshalb schon frühzeitig zu einem maßgeblichen Ziel bei der Banderzeugung geworden und hat bereits zu vielfältigen technischen Lösungen im Bereich der Ebenheitsmessung und darauf basierend einer entsprechenden Regelung der Prozessführung beim Bandwalzen geführt (s. z. B.
AT 503 568 B1 oder
DE 10 2004 032 634 A1 sowie
DE 10 2004 005 011 B4 und
EP 1 181 992 B1 ). Wie u. a. die
DE 696 08 269 T2 offenbart, wird parallel dazu aber auch noch in jüngerer Zeit die Entwicklung von Walzwerksausrüstungen unter dem spezifischen Ziel der Verbesserung der Bandebenheit betrieben. Grundlage einer effizienten Prozessführung beim Bandwalzen, für welche die leistungsfähige Regelung der Bandebenheit wesentliche Komponente ist, ist somit eine kontinuierliche Erfassung der sich ausbildenden Bandebenheit. Dafür haben sich in der Vergangenheit vorrangig folgende Entwicklungen als technisch zufriedenstellend einsatzfähig gezeigt.
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Erfassung der Bandebenheit im direkten Bandkontakt mittels sog. Planheitsmessrollen (als Bsp. sei hier
DE 196 09 135 B4 angeführt), bei denen über eingebaute Drucksensoren die in den Bandfasern an dieser Bandposition (in Bandbreitenrichtung) vorhandenen Zugspannungen erfasst werden. Das grundlegende Messprinzip dieser technischen Lösungen basiert auf einer Analogie zur der im Auflagepunkt eines unter Zugkraft stehenden Seils resultierenden Druckkraft, was durch einen entsprechenden Umschlingungswinkel zwischen Band und Messrolle gewährleistet wird. Auf dieser Grundlage ist auch eine Planheitsmessung unter Einwirkung zusätzlicher Zugkräfte auf das Band für dessen Transport bzw. Bewegung durch die Produktionsanlage möglich. Allerdings können dadurch auch signifikante Abweichungen zwischen der Messung unter Bandzug und dem Ebenheits- bzw. Bandspannungszustand ohne Bandzug entstehen (s.
JP 581 27 114 A ). Da das zugrunde liegende Messprinzip dieser technischen Lösung nur die Erfassung der Zugspannungskomponenten der Bandspannungsverteilung erlaubt, haftet ihr jedoch der grundsätzlicher Mangel an, dass nur dieser Teil der Bandspannungen erfasst wird. Bandfasern mit Druckspannungen liefern keine verwertbare Messung, da hier einheitlich auf den betreffenden Drucksensor keine Krafteinwirkung erfolgt, unabhängig wie groß die Druckspannung ist. Dies wird zwar durch die immer vorhandenen Zugkräfte für den Bandtransport in einem gewissen Umfang kompensiert, ist aber nicht beliebig möglich, insbesondere wenn sichtbare Unebenheiten auftreten. Somit werden aber insbesondere die großen (sichtbaren) Ebenheitsabweichungen mit diesem Messprinzip nicht erfasst. Das führt dazu, dass trotz vorhandener Regeleinrichtungen für die Bandebenheit, welche auf der Grundlage derartiger Planheitsmessrollen arbeiten, zum Teil auch noch immer manuelle Eingriffe auf Basis einer visuellen Beurteilung/Kontrolle der Bandebenheit in die Prozessführung erfolgen müssen. Selbst die unter diesem Aspekt bereits in der Vergangenheit betriebene Entwicklung von Planheitsmessrollen, die aus einzelnen radial beweglichen Segmenten aufgebaut wurden, um auch lokale Auslenkungen der Bandoberfläche erfassen zu können, führten nicht zum gewünschten Erfolg. Gegenwärtig favorisieren Hersteller von Walzwerksausrüstungen wie Fa. SMS sog. Vollmantelrollen, die zwar die einbauten Drucksensoren besser schützen können, so dass deren Verschleißanfälligkeit sinkt, eine Erfassung sichtbarer Unebenheiten ist aber auf die sich aus dem lokalen Transportzug ergebende zusätzliche Zugspannungskomponente begrenzt. Darüber hinaus ist der Einsatz dieser Messrollen bisher auf umgebungsnahe Temperaturen beschränkt gewesen.
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Für die kontaktfreie Erfassung der Bandebenheit haben sich vorrangig optische Systeme durchgesetzt. Eine maßgebliche Variante besteht in der Auswertung spezifischer Linienmuster, deren Projektion auf eine unebene Bandoberfläche zu entsprechend auswertbaren Verkrümmungen des ursprünglich aus parallelen Linien bestehenden Musters führt (s.
EP 1 114 294 B1 bzw.
EP 1780 503 und hier angeführte weitere Anmeldungen). Die andere, bereits etwas ältere Variante basiert auf dem Einsatz der üblichen Lasertriangulation (s. z. B.
DE 199 32 324 A1/B4 ) mit mehreren Messköpfen, die quer zum Bandlauf angeordnet sind. Ein Vorteil dieser Systeme, der sich aus der kontaktfreien Erfassung ergibt, ist deren Einsatzmöglichkeit auch bei hohen Bandtemperaturen, allerdings müssen die Messumgebungen für den Einsatz optischer Systeme geeignet sein (kein Staub oder Nebel etc. und ggf. auch keine störenden Lichtquellen). Der gemeinsame Nachteil dieser Systeme beruht auf der ihnen zugrunde liegenden Abtastung der Bandoberfläche. Sie können deshalb auch nur den sichtbaren Anteil der Bandunebenheit (aus der Bandebene ausgelenkte Bandfasern) erfassen, über die innere Spannungsverteilung im Band können sie keine Information liefern. Da mit diesen Systemen aber der „gröbere” Anteil der Bandunebenheit sicher erfasst werden kann, werden sie z. B. vorrangig im Warmwalzbereich bei der Herstellung von Stahlband eingesetzt, wobei hier natürlich auch die Einsatzfähigkeit bei hoher Bandtemperatur wesentlich ist. Daneben ist bereits in der Vergangenheit auch der Einsatz von Mikrowellen zur Erfassung der sichtbaren Unebenheiten bei der Banderzeugung bekannt geworden (
DE 1 773 088 ), dieser hat sich aber technisch nicht durchsetzen können.
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Offensichtlich ist keines der gegenwärtig am Markt verfügbaren Messsysteme zur Erfassung der Bandebenheit bzw. ihrer Defekte in der Lage, gleichzeitig beide Komponenten (sichtbar/unsichtbar) der Bandunebenheit zu erfassen. Auch der in
EP 0 064 216 A2 offenbarte Lösungsansatz für die gleichzeitige Erfassung von sichtbarer und nichtsichtbarer Unebenheit, der auf magneto-induktiver Basis beruht, ist nicht geeignet, da er wesentliche Mängel enthält:
- • die Kalibrierung des Messsystems wäre wegen seiner physikalisch bedingten Nichtlinearität relativ schwierig, außerdem ist das Messsignal nicht unabhängig von der Banddicke
- • der vorhandene Einfluss des Luftspalts zwischen Messkopf und Bandoberfläche würde eine starke Unterdrückung von Banderschütterungen bzw. -schwingungen erfordern, so dass eine sehr präzise Bandführung am Messsystem wäre notwendig, dazu kommt eine relativ große Empfindlichkeit gegen Schmutz
- • wegen der Größe der einzusetzenden Messköpfe wäre die mögliche Anzahl von Ebenheitsmessspuren (über die Bandbreite) stark begrenzt (z. B. 9 Spuren bei 1,5 m Bandbreite), die Baugröße diese Messköpfe schränkt auch Möglichkeiten einer traversierenden Messung ein, unabhängig davon, dass dadurch die erreichbare Abtastdichte von vorneherein gering bleiben würde
- • zur Gewinnung aussagefähiger Signale wird weiterhin die Isotropie des zu vermessenden Bandes bzw. Bandmaterials vorausgesetzt – dies ist in den erforderlichen engen Grenzen zumindest bei Stahlbändern nur selten der Fall.
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Störende Effekte können sich auch dadurch ergeben, dass das Band beim Passieren der Messeinrichtung lokale Potentialunterschiede (elektrisch) aufweist, da sich dann lokale Ausgleichsströme ausbilden werden, deren Magnetfeld die Messung verfälschen würde. Derartige Potentialunterschiede und die damit verbundenen Effekte sind insbesondere im Bereich der Bandstahlerzeugung bekannt.
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Aus dieser Situation ergibt sich für die Regelung der Bandebenheit beim Bandwalzen gegenwärtig die Situation, dass je nach verwendetem Messsystem zur Erfassung der Bandebenheit bzw. ihrer Defekte nur jeweils eine der beiden Komponenten (sichtbar/unsichtbar) der Bandunebenheit als Eingangssignal für die Regelung verfügbar ist. Dadurch wird die Effektivität von sich im Einsatz befindlichen Regelungen für die Bandebenheit wesentlich eingeschränkt, auch wenn sich insbesondere bei der Herstellung von Stahlband Vorzugsbereiche hinsichtlich der Messanwendung ergeben haben – wie z. B. die Erfassung der sichtbaren Unebenheiten im Bereich der Warmbanderzeugung, oder die Erfassung des Bandspannungszustands im Bereich der Kaltbanderzeugung. Insbesondere vorhandenes technologisches Know-how zu einer selektiven und/oder kombinierten Einwirkung auf die vorhandenen Stellglieder zur Beeinflussung der Ebenheit des gewalzten Bandes in Abhängigkeit vom Niveau bzw. Umfang beider Komponenten (sichtbar/unsichtbar) der Bandunebenheit kann dadurch bisher nur begrenzt in der Prozessautomatisierung umgesetzt und damit auch wirksam werden. Dies betrifft vor allem konventionelle 4- bzw. 6-Walzengerüste, welche die überwiegende Anzahl der im Einsatz befindlichen Ausrüstungen zur Banderzeugung darstellen. Vor dem Hintergrund steigender Kundenforderungen auch an die Ebenheit der erzeugten Bänder, aber auch an die Wirtschaftlichkeit der Bandproduktion ist diese Situation zunehmend unbefriedigend, da z. B. ungünstige innere Spannungszustände im Warmband seine Weiterverarbeitung (einschließlich der gegebenenfalls nachfolgenden Kaltbanderzeugung) beeinträchtigen können, während dies in gleicher Weise infolge der nur visuellen Erfassung bzw. Berücksichtigung von sichtbaren Ebenheitsdefekten am kaltgewalzten Band für dessen Weiterverarbeitung der Fall ist.
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Offenbarung der Erfindung:
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren mit dazu notwendiger Anordnung zum Messen und Regeln der Ebenheit bzw. der Bandlängsspannungen eines durch Bandwalzen erzeugten Bandes, vorzugsweise aus Metall, insbesondere aus Stahl, zu entwickeln, das während des Walzvorgangs die simultane Erfassung sowohl der sichtbaren als auch der nicht-sichtbaren Bandunebenheit und in Verbindung damit in Abhängigkeit vom Niveau bzw. Umfang der beiden Komponenten (sichtbar/unsichtbar) der Bandunebenheit eine selektive und/oder kombinierte Einwirkung auf die vorhandenen Stellglieder zur Beeinflussung der Ausbildung der Bandebenheit ermöglicht, um ein möglichst ebenes bzw. mit möglichst geringen Bandlängsspannungen behaftetes Band zu erhalten.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit dazu notwendiger Anordnung zum Messen und Regeln der Ebenheit bzw. der Bandlängsspannungen eines durch Bandwalzen erzeugten Bandes, vorzugsweise aus Metall, insbesondere aus Stahl, gelöst, wobei während des Walzvorgangs ein Messsystem zur Erfassung der sichtbaren Bandunebenheit gleichzeitig mit einem anderen Messsystem zur Erfassung der nichtsichtbaren Bandunebenheit zum Einsatz kommt und die Messdaten der beiden Messsysteme einem gesonderten Analysegerät zugeführt werden, das aus den primären Daten der beiden Messsysteme durch deren getrennte und/oder verbundene Aufbereitung Eingangsdaten einer nachfolgenden Regeleinheit bereitstellt, welche mit mindestens einem Regelmodul aus diesen Eingangsdaten Informationen erzeugt, die zur Aktualisierung einer oder mehrerer der Stellgrößen benutzt werden, welche an der jeweiligen Walzanlage zur Beeinflussung der Ebenheit des gewalzten Bandes zur Verfügung stehen.
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Wesentliches Kennzeichen der erfindungsgemäßen Lösung ist neben der Anordnung von zwei getrennten, auf ihre jeweilige Messaufgabe spezialisierten und dementsprechend spezifisch leistungsfähigen Messeinrichtungen zur umfassenden Erfassung der Bandunebenheit das Verfahren der weiteren Aufbereitung der mit diesen Messeinrichtungen gewonnenen primären Messdaten und deren effizienter Einsatz in einer auf dieser wesentlich aussagefähigeren Datenbasis basierenden flexiblen Regeleinheit für die Bandebenheit. Die Verfügbarkeit einer wesentlich umfassenderen Eingangsinformation hinsichtlich der aktuellen Unebenheit des jeweils produzierten Bandes ermöglicht in vorteilhafter Weise die Verknüpfung bereits vorhandener spezifischer Algorithmen wie auch zukünftiger Neuentwicklungen zu leistungsfähigeren Regeleinrichtungen für die Bandebenheit. Dabei muss auch berücksichtigt werden, dass der gegenwärtige Stand der Technik bezüglich der Erfassung der Bandunebenheit mit Sicherheit auch noch Entwicklungspotential aufweist. Für die erfindungsgemäße Kombination der beiden Messsysteme sind dadurch zukünftig auch noch kostengünstigere Lösungen zu erwarten, so dass auch im Rahmen eines Umbaus bzw. der Rekonstruktion vorhandener Walzanlagen Möglichkeiten zur erfindungsgemäßen Neu- bzw. Umgestaltung der vorhandenen Regeleinrichtung für die Bandebenheit entstehen werden, welche durch die ständig steigenden Anforderung des Marktes an die Produktqualität bereits heute nachhaltig untersetzt sind.
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Grundsätzlich für die erfindungsgemäße Lösung ist somit ausgehend von der simultanen Benutzung von zwei separaten Messeinrichtungen für die Bandebenheit, die in ihrer technischen Spezifikation jeweils auf die Erfassung einer der beiden Komponenten (sichtbar/unsichtbar) der Bandunebenheit ausgerichtet sind, dass deren Daten in einer der benutzten Regeleinrichtung vorgeschalteten Analyse- bzw. Bearbeitungseinheit so zwischenverarbeitet werden, dass sie für die nachfolgende Regeleinrichtung für die Bandebenheit bestmöglich geeignet sind. Diese Zwischenverarbeitung kann u. a. folgende Möglichkeiten erfassen:
- • Synchronisation der Daten beider Messsysteme auf übereinstimmende Bandabschnitte in Richtung der Bandbreite, die sog. „Spurbildung”. Bei kombiniertem Einsatz einer Planheitsmessrolle und eines optischen Systems, welches auf der Auswertung der Projektion eines Linienmusters basiert, wird das optische System normalerweise eine größere Anzahl von Bandabschnitten (bzw. Messspuren) auswerten, als dies konstruktiv bedingt mit einer üblichen Planheitsmessrolle möglich ist. Somit sind Daten der einzelner Messspuren des optischen Messsystems geeignet zusammenzufassen, was mit bekannten Algorithmen – im einfachsten Fall mit einer Interpolation über die jeweils einer Messspur der Planheitsmessrolle zuzuordnenden Messspuren des optischen Messsystems – erfolgt. In besonders günstiger Weise könnte dieser Aufwand vermieden werden, indem am optischen Messgerät die Spurzahl für die Auswertung synchron zur Messrolle eingestellt wird.
Anders ist die Situation bei Verwendung von Planheitssmessrolle und Lasertriangulation. Aus Kostengründen ist in diesem Fall zu erwarten, dass die Anzahl der Messspuren, in denen die sichtbare Bandunebenheit mit einem Laser erfasst wird, geringer als die der Planheitsmessrolle ist. Unabhängig davon, dass in jedem Fall eine möglichst zweckmäßige Anordnung der eingesetzten Abstandslaser in Bezug auf die Breitenverteilung der zu walzenden Bänder erforderlich ist, wird ein analoges Vorgehen (oder Mittelwertbildung) zur Verdichtung der Messwerte der Planheitsmessrolle sehr wahrscheinlich nur für den Teil der Messspuren der Planheitsmessrolle zweckmäßig sein, in denen bzw. in deren unmittelbarer Nähe auch die Messspur einer Lasertriangulation liegt. Zur Vermeidung zu großer Informationsverluste wird in diesem Fall vorzugsweise die Spurauflösung der Planheitsmessrolle beizubehalten sein, und deren Daten an den betreffenden Bandpositionen mit den Daten des optischen Messsystems geeignet zu ergänzen. Im Detail bzw. in ihrer konkreten Ausführung ist die Vorgehensweise dabei selbstverständlich auch wesentlich von den Erfordernissen der Module der Regeleinrichtung abhängig.
- • Synchronisation der Daten beider Messsysteme auf übereinstimmende Bandabschnitte in Richtung der Bandlänge, d. h. Anpassung der sog. „Auswertungslängen” über denen ein einzelner Messwert für die Ebenheit in allen Messspuren über die Bandbreite bereitgestellt wird. Bei Einsatz einer Planheitsmessrolle und eines optischen Systems, welches auf der Auswertung der Projektion eines Linienmusters basiert, ist bei üblichen Ausführungen technisch bedingt eine verhältnismäßig gute Übereinstimmung der Auswertungslängen erreichbar. Dies kann in gleicher Weise bei Einsatz der Lasertriangulation erreicht werden, so dass der Synchronisationsaufwand in Bandlängsrichtung im Analysegerät verhältnismäßig gering gehalten werden kann.
- • Zusammenführung der primären Messdaten beider Messsysteme zur Erfassung der Bandunebenheit in den einzelnen Messspuren zu einem repräsentativen Wert für jede Auswertungslänge bzw. den darauf basierenden, von der jeweiligen Bandgeschwindigkeit abhängigen Zeitabschnitt. Dies ist abhängig von den internen Algorithmen der zum Einsatz kommenden Module in der Regeleinrichtung. Bei kombiniertem Einsatz einer Planheitsmessrolle und eines optischen Systems, welches auf der Auswertung der Projektion eines Linienmusters basiert, wäre im einfachsten Fall – bei vollständiger Synchronisation der Messspuren – ein Ersatz nicht vorhandener Messwerte der Planheitsmessrolle, d. h. für die Bandbereiche, für die beim Passieren des betreffenden Drucksensors keine Krafteinwirkung entsteht, weil sie frei von Zugspannungen sind (wobei natürlich der anliegende Bandzug zum Bandtransport mit zu berücksichtigen ist), durch den betreffenden Messwert des optischen Systems möglich.
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Erfindungsgemäß sollen bzw. können in der Regeleinheit bzw. deren Regelmodulen bekannte Algorithmen zur Anwendung kommen. Diese Algorithmen basieren gegenwärtig üblicherweise auf einer Erfassung der Bandunebenheit nach der Walzung des Bandes bzw. nach der letzten Walzvorrichtung bei (bezogen auf den Banddurchlauf durch die Walzanlage) mehr als einer im direkten Durchlauf aufeinanderfolgenden Dickenabnahme. Dementsprechend sind die beiden Messsysteme zur Erfassung der sichtbaren sowie der nichtsichtbaren Bandunebenheit unmittelbar aufeinanderfolgend nach der letzten einzelnen Walzvorrichtung in der betreffenden Walzanlage anzuordnen. Damit werden beide Komponenten der Bandunebenheit nahezu gleichzeitig für den zu detektierenden Bandabschnitt erfasst, so dass die Zusammenführung der primären Messdaten beider Messsysteme im Analysegerät auch zu einer qualitativ hochwertigen Charakterisierung des Ebenheitszustands des betrachteten Bandabschnitts führt. Andere Anordnungen der beiden Messsysteme für die sichtbare bzw. nichtsichtbare Bandunebenheit, die insbesondere zu einer deutlichen räumlichen Trennung der Messorte in der Walzanlage führen, so wie dies sich z. B. beim Warmwalzen im Bereich des sog. Auslaufrollgangs bzw. der Kühlstrecke zur Abkühlung des Warmbandes nach dem Walzvorgang ergeben könnte, würden dadurch zu einer weitaus weniger repräsentativen Zusammenführung der beiden für sich gesehen korrekten Einzelmessungen von sichtbarer bzw. nichtsichtbarer Bandunebenheit führen, wodurch die Qualität der auf diesen Eingangsdaten basierenden Regelung der Bandebenheit nachteilig beeinflusst werden würde. Selbst wenn der größere Abstand der beiden Messsysteme in der Analyseneinheit geeignet kompensiert würde, d. h. eine zielgerichtete Zusammenführung der Daten beider Messsysteme für die betreffenden Bandabschnitte vorgenommen werden würde, kann die durch eine direkte Beeinflussung des Ebenheitszustands – im Fall z. B. durch materialinterne Ausgleichsvorgänge bei der Abkühlung des Warmbandes – Veränderung der Bandebenheit zwischen den beiden Messorten und der sich daraus ergebende Einfluss auf die Regelqualität nicht kompensiert werden.
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Die durch die einzelnen Module der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung erzeugten Informationen, welche für die Aktualisierung von Stellgrößen zur Beeinflussung der Ebenheit des gewalzten Bandes benutzt werden, betrifft üblicherweise folgende Stelleinrichtungen an den einzelnen Walzvorrichtungen:
- • Walzenbiegung, d. h. die Einwirkung von äußeren Biegekräften auf die Walzen, welche sich mit dem zu walzenden Band in Kontakt befinden (sog. „Arbeitswalzen”),
- • Walzenschwenkung, d. h. die Auslenkung des gesamten Walzensatzes aus der Horizontalen,
- • Walzenverschiebung, d. h. die axiale Verschiebung von sog. Zwischenwalzen, welche sich nicht mit dem zu walzenden Band in Kontakt befinden – dies ist aber nur bei Walzvorrichtungen, welche sechs Walzen ausgerüstet sind, möglich,
- • Walzenkühlung, d. h. die selektive örtliche Beaufschlagung der Walzen, welche sich mit dem zu walzenden Band in Kontakt befinden, mit einem Kühlmittel mit Hilfe der üblicherweise zur Kühlmittelbeaufschlagung vorhandenen Düsen, die nebeneinander quer zur Richtung des Banddurchlaufs durch die Walzvorrichtung angeordnet sind.
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Je nach den in den betreffenden Modulen der Regeleinheit verwendeten Algorithmen und dem ihnen zugrunde liegenden technologischen Know-how, kann die Aktualisierung der Stellgrößen durch die Regeleinheit bei (bezogen auf den Banddurchlauf durch die Walzanlage) mehr als einer im direkten Durchlauf aufeinanderfolgenden Dickenabnahme für die letzte Einzelwalzvorrichtung und/oder mindestens für eine der letzten Einzelwalzvorrichtung vorangehende Einzelwalzvorrichtung erfolgen.
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Der spezifische Inhalt der einzelnen in der Regeleinrichtung verwendeten Module ist nicht Gegenstand der Erfindung, dies können übliche Regelalgorithmen sein, also von einfachen PI-Algorithmen bis hin zu modernen, z. B. modellprädiktiven Algorithmen, für die als Eingangsdaten aus dem Analysegerät die entsprechend aufbereiteten Messdaten der beiden Messsysteme zur Erfassung der sichtbaren und nichtsichtbaren Bandunebenheit benutzt werden. Erfindungsgemäß ist dabei, unabhängig von den jeweils für die Regelung der Bandebenheit zu berücksichtigenden Störgrößen, für jedes Modul die Nutzung der Daten nur einer der beiden Messeinrichtungen oder beider Messeinrichtungen oder von Daten die im Analysegerät durch Verknüpfung der primären Daten der beiden Messeinrichtungen zur Erfassung der Bandunebenheit möglich, wobei sich die Nutzung im Einzelfall aus dem im betreffenden Modul verwendeten Regelalgorithmus ergibt. In analoger Weise ist die Aktualisierung von einzelnen Stellgrößen nur durch einen oder im Verbund der in der Regeleinrichtung enthaltenen Regelmodule möglich, wobei dies für einzelne Walzvorrichtungen bzw. deren Stellgrößen zur Beeinflussung der Ebenheit des gewalzten Bandes unterschiedlich sein kann. Der Verbund unterschiedlicher Regelmodule zur Beeinflussung einer einzelnen Stellgröße erfolgt mit Hilfe zweckentsprechend ausgerüsteter Inferenzmodule, welche die Informationen der einzelnen Regelmodule zur Beeinflussung der jeweiligen Stellgröße nicht nur rein additiv, sondern auch über eine feste bzw. variable Gewichtung bis hin zu nichtlinearen Ansätzen, die gegebenenfalls sogar abhängig von den momentanen Daten der benutzten Messeinrichtungen arbeiten und/oder von den betreffenden Regelmodulen direkt beeinflusst werden, verknüpfen.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass während des Walzvorgangs zusätzlich ein Messsystem zur Erfassung der sichtbaren Bandunebenheit und/oder zusätzlich ein anderes Messsystem zur Erfassung der nichtsichtbaren Bandunebenheit des in die Walzanlage einlaufenden Bandes zum Einsatz kommt und die Messdaten dieser beiden (zusätzlichen!) Messsysteme in geeigneter Weise, d. h. direkt oder in analoger Aufbereitung wie die Daten der Messsysteme zur Erfassung der Bandunebenheit des gewalzten, aus der Walzanlage auslaufenden Bandes mit zur Aktualisierung einer oder mehrerer der Stellgrößen benutzt werden, welche an der jeweiligen Walzanlage zur Beeinflussung der Ebenheit des gewalzten Bandes zur Verfügung stehen. Diese Anwendung der Erfindung erfordert allerdings auch entsprechend modifizierte Regelmodule, da sich dann die gesamte Regelstrategie für die Bandebenheit verändern wird.
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Durch diese erfindungsgemäße Gestaltung der Regeleinrichtung ist in einer derartig ausgerüsteten Walzanlage die größtmögliche Flexibilität für die effektive Verwertung der auf Basis der erfindungsgemäße Anwendung von zwei auf die getrennte Erfassung der sichtbaren und nichtsichtbaren Bandunebenheit spezialisierten Messeinrichtungen erheblich umfassenderen Zustands- bzw. Eingangsinformation für die Regelung der Bandebenheit gegeben, welche darüber hinaus auch zielgerichtet auf die vorhandenen technischen sowie technologischen Möglichkeiten verifiziert werden kann. Dies wird mit üblichen, lediglich auf der Erfassung nur einer der beiden Komponenten der Bandunebenheit basierenden Regeleinrichtungen gegenwärtig nicht erreicht.
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Figurenbeschreibung:
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Die Figur zeigt eine erfindungsgemäße Gestaltung der Messung und Regelung der Ebenheit bzw. der Bandlängsspannungen eines durch Bandwalzen erzeugten Bandes. Sie zeigt bezüglich der Analyse der primären Messdaten die erfindungsgemäße Verarbeitung im Analysegerät, enthält jedoch nur teilweise die Strukturkomponenten der zugehörigen Regeleinheit. Es bedeuten im Einzelnen
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Bezugszeichenliste
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- 1
- in der Walzanlage erzeugtes Band
- 2
- Walzvorrichtung (für einzelne Dickeabnahme, üblicherweise als Gerüst bezeichnet)
- 3
- Messvorrichtung zur Erfassung der nichtsichtbaren Komponente der Bandunebenheit
- 4
- Messvorrichtung zur Erfassung der sichtbaren Komponente der Bandunebenheit
- 5
- Analysegerät bzw. -einheit zur Verarbeitung der primären Messdaten der Bandebenheit (bzw. -unebenheit)
- 6
- Regeleinrichtung zur Regelung der Bandebenheit während des Walzens eines Bandes in der Walzanlage
- 7
- Regelmodul zur Stellgrößenaktualisierung
- 8
- Inferenzmodul zur Verknüpfung der Aktualisierungen unterschiedlicher Regelmodule für eine Stellgröße
- 9
- Aktualisierung Stellgröße für Walzvorrichtung zur Beeinflussung der Bandebenhei
- 10
- primäre Messdaten von Messeinrichtung 3
- 11
- primäre Messdaten von Messeinrichtung 4.
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Für eine Walzanlage zum Kaltwalzen von Stahlbändern, die aus vier aufeinanderfolgenden Walzvorrichtungen – sog. Quartogerüsten mit je vier Walzen (zwei Arbeitswalzen zum Bandwalzen, die jeweils über eine zusätzlichen Walze ihre Belastung an das Gerüst abtragen) – besteht, ergab die Analyse der Verteilung der Breite der erzeugten Bänder eine wesentliche Häufung bei etwa 1500 mm, 1200 mm sowie 900 mm Bandbreite. Auf dieser Grundlage kann, motiviert durch stetig höher werdende Kundenanforderungen an die Ebenheit der erzeugten Kaltbänder, eine Erweiterung der vorhandenen Erfassung der nichtsichtbaren Bandunebenheiten mit einer konventionellen Planheitsmessrolle durch den Einbau von elf optischen Systemen vorgenommen werden, welche über Lasertriangulation die sichtbaren Bandunebenheiten erfassen. Als wesentliche Voraussetzung für den Betrieb dieser optischen Messeinrichtungen kann im Bereich vor der Planheitsmessrolle eine leistungsfähige Ventilationseinheit installiert werden, um den sich im Auslauf des letzen Walzgerüstes gelegentlich aus Resten der Walzemulsion bildenden Wrasen im Bereich der Banderfassung durch die Laser zu unterdrücken. Die einzelnen Lasersysteme können im äquidistanten Abstand von 150 mm (quer zur Bandlaufrichtung) unmittelbar vor der Planheitsmessrolle nach dem vierten Walzgerüst eingebaut werden. Neben der Erfassung vorhandener sichtbarer Bandunebenheiten vor allem im Kantenbereich der gewalzten Bänder, deren Reduzierung vorrangiges Ziel der Umgestaltung der Regelung der Bandebenheit im Walzprozess ist, kann durch die fünf zusätzlichen Lasersysteme im zentralen Bandbereich auch die Bereitstellung von Messdaten hier auftretender sichtbarer Unebenheiten abgesichert werden.
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Entsprechend des Durchmessers der Planheitsmessrolle von 500 mm kann für die systeminterne Auswertung der einzelnen Lasersysteme eine Auswertungslänge von 1570 mm zugrunde gelegt werden, die über eine entsprechende Zeittaktung unter Berücksichtigung der momentanen Bandgeschwindigkeit realisiert ist. Dadurch kann in einfacher Weise der Längenbezug zwischen den Messdaten der Planheitsmessrolle und der Lasertriangulation hergestellt werden, und muss nicht im Rahmen der Zwischenverarbeitung der primären Messdaten beider Messsysteme zur Erfassung der Bandunebenheit in der neugestalteten Analyseeinheit realisiert werden. Diese Analyseeinheit kann anstelle der bisherigen direkten Datenübermittlung von Planheitsmessrolle an die Regeleinheit für die Bandebenheit in die Anlagenautomation neu eingerügt werden.
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Wegen der Breite der durch die Drucksensoren der Planheitsmessrolle festgelegten Messspuren zu je 50 mm kann sich die Zuordnung bzw. Verknüpfung der Messdaten der beiden Messsysteme zur Erfassung der Bandunebenheit verhältnismäßig einfach gestalten. Entsprechend der aktuellen Breite des gewalzten Bandes kann die neu in die Automationsstruktur der Walzanlage implementierte Analyseeinheit die Messdaten entsprechend der einzelnen Messspuren für die Planheitsmessrolle und für die einzelnen Lasersysteme zunächst getrennt für die Verwendung durch die Module der Regeleinheit bereitstellen. Zusätzlich können die primären Daten der beiden Messsysteme so zusammengerührt werden, dass infolge des Auftretens sichtbarer Bandunebenheiten fehlende Daten der Planheitsmessrolle mit den Daten des entsprechend seiner Position in Bandbreitenrichtung jeweils direkt zuordenbaren Lasersystems ergänzt werden. Für die dazwischen liegenden Messspuren der Planheitsmessrolle, denen kein Lasersystem direkt zugeordnet werden kann, kann aus den Messwerten für die sichtbare Bandunplanheit aus den jeweils zugehörigen benachbarten Messspuren ein auf empirischer Grundlage korrigierter Ersatzwert gewonnen werden. Diese Korrektur berücksichtigt die momentane Größe der sichtbaren Unebenheit und ihre durch Vergleich mit den momentanen Messwerten der benachbarten Lasersysteme bewertete Ausdehnung in Bandbreitenrichtung.
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Auf Basis der vorgenommenen Erweiterung der messtechnischen Basis für die Regelung der Bandebenheit kann anschließend die vorhandene Regeleinheit um ein zusätzliches Modul erweitert werden, welches parallel bzw. im Verbund mit dem bisherigen Modul arbeitet, das den ursprünglich installierten Regelalgorithmus umfasst. Dieses Erweiterungsmodul arbeitet anders als das ursprüngliche Modul, welches üblicherweise allein auf Basis der Messdaten der Planheitsmessrolle betrieben wurde und auch so weiter betrieben wird, mit den aus beiden Messsystemen für die Bandebenheit in der Analyseeinheit vereinigten Messdaten. Im Unterschied zum ursprünglichen Regelmodul, welches die Stellwerte für die Arbeitswalzenbiegung, Schwenken des Walzensatzes sowie Ansteuerung der Stellventile für die Düsen der Kühlung der Arbeitswalzen im letzten Gerüst aktualisiert, kann das neue Regelmodul für die Bandebenheit ergänzende Stellwerte für die Biegung und Kühlung der Arbeitswalzen im letzten Gerüst bereitstellen, die mit den entsprechenden Stellwerten des ursprünglichen Regelmoduls über eine variable Gewichtung verknüpft werden können. Darüber hinaus kann das Erweiterungsmodul zusätzlich auf die Biegung der Arbeitswalzen und in geringerem Umfang auch auf das Schwenken der Walzen im vorletzten Walzgerüst der Walzanlage wirken. Zielstellung dieser Erweiterung ist der beschriebenen Ausführungsform ist vorrangig eine bessere Unterdrückung der Ausbildung sog. Randwellen, d. h. Bandunebenheiten im Bereich der Bandkanten.
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Da zur Neuimplementierung der beiden Erweiterungsmodule für die Regeleinheit die Hardwarebasis des Automatisierungssystems zu erweitern sein kann, kann entsprechend der modernen technischen Möglichkeiten die neue Analyseneinheit kostengünstig zusammen mit dem Erweiterungsmodul auf einer gemeinsamen Hardwareplattform realisiert werden.
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Auf diese Weise erreichte positive Ergebnisse, u. a. Verringerung des Anteils an Bändern mit Randwelligkeiten außerhalb der technologischen Anforderungen um ca. 20%, können der Ausgangspunkt einer zusätzlichen Erweiterung der neu gestalteten Regeleinheit mit einem dritten Modul sein, welches ausschließlich die Daten des optischen Messsystems für die Erfassung der Bandunebenheit verwendet. Dieses Modul kann neben einer ergänzenden Information für die Einstellung der Arbeitswalzenbiegung im vorletzten Walzgerüst auch eine Stellinformation für die Arbeitswalzenbiegung im zweiten Walzgerüst der Walzanlage bereitstellen, wobei die Inferenz bzw. Verknüpfung für die Walzenbiegung im vorletzten Walzgerüst in diesem Fall mit zusätzlich auch noch mit einem nichtlinearen Ansatz erfolgen kann, der in Abhängigkeit von den mit dem optischen Messsystem erfassten sichtbaren Bandunebenheiten bestimmt wird. Für beide neu konzipierte Module können entsprechend angepasste, modellprädiktive Algorithmen eingesetzt werden, die Verknüpfung der Stellsignale für Stellglieder, die von zwei Modulen aktualisiert werden können, kann primär mit Hilfe von Gewichtungsfaktoren erfolgen, die auf Basis der von der Analyseeinheit bereitgestellten Messdaten über einen lernfähigen Algorithmus kontrolliert und bei Bedarf material- und zum Teil auch technologieabhängig nachgeführt werden können.
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Maßgebliches Ergebnis der zusätzlichen Erweiterung der Regeleinheit ist eine deutliche Verbesserung der Regelqualität, geringere Abweichungen vom Soll- bzw. Zielwert der zu erreichenden Bandebenheit im gesamten Walzprozess sowie eine schnellere Rückkehr in den Zielbereich der Regelgrößen bei auftretenden Störungen, insbesondere wenn sie sich aus der Qualität des Vormaterials ergeben. Dazu kommt eine Verbesserung der inneren Spannungsfreiheit der gewalzten Bänder, die bereits bei dem Teil der erzeugten Bänder erkennbar wird, dessen Weiterverarbeitung in einer nachfolgenden Feuerverzinkung erfolgen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DD 284392 A7 [0003]
- AT 503568 B1 [0004]
- DE 102004032634 A1 [0004]
- DE 102004005011 B4 [0004]
- EP 1181992 B1 [0004]
- DE 69608269 T2 [0004]
- DE 19609135 B4 [0005]
- JP 58127114 A [0005]
- EP 1114294 B1 [0006]
- EP 1780503 [0006]
- DE 19932324 A1B4 [0006]
- DE 1773088 [0006]
- EP 0064216 A2 [0007]
