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Die Erfindung betrifft eine Planheitsmessvorrichtung zur Messung der Planheit eines metallischen Bandes, umfassend eine Messrolle, die eine Rollenachse aufweist und die zwecks Planheitsmessung zur Kontaktnahme mit dem Band ausgebildet ist, wobei die Messrolle mit einem Kühlsystem in Verbindung steht, mit dem die Messrolle gekühlt werden kann.
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Eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art ist aus der
EP 1 199 543 B1 bekannt. Eine Messrolle taucht hier mit einem Umfangsabschnitt, der vom zu vermessenden Band abgewandt ist, in einen mit Kühlflüssigkeit gefüllten Behälter ein, wodurch die Rolle gekühlt wird. Gemäß einer weiteren Lösung wird die Messrolle aus radialer Richtung von Kühldüsen mit Kühlmedium angespritzt. Die generelle Kühlung von Walzen offenbart die
EP 0 542 640 A1 und die
JP 2015 -
80794 A .
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Die vorliegende Erfindung betrifft die Planheitsmessung bei einem Umformprozess von metallischem Band, insbesondere und bevorzugt in einer Warmwalzanlage. Dabei kommt der Kühlung der Messrolle im Messbetrieb eine besondere Bedeutung zu, insbesondere wenn diese in einer Warmwalzanlage eingesetzt wird.
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Beim Walzen von Stahl werden häufig optische Systeme eingesetzt, die die Planheit des gewalzten Bandes messen können, solange der Bandkopf noch nicht vom Haspel erfasst wurde. Sobald der Haspel das Band erfasst hat und unter Zugspannung setzt, sind die Planheitsabweichungen nicht mehr sichtbar und können somit nicht mehr bzw. nur noch bei erheblichen Abweichungen optisch erfasst werden.
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Aus dem Kaltwalzprozess sind Planheitsmesssysteme bekannt, die in der Lage sind, Planheitsabweichungen zu messen, die durch überlagerte Zugspannung nicht sichtbar sind. Diese Systeme messen die durch die Planheitsabweichung entstehenden Zugspannungsunterschiede über der Breite des Bandes. Überwiegend handelt es sich um Umlenkrollen, die mit einer Sensorik ausgestattet sind, die in der Lage ist, die durch die Zugspannung auf die Umlenkrolle ausgeübte Radialkraft zu messen. Durch Messen der Radialkraft in örtlich über der Breite begrenzten Bereichen sind diese Systeme in der Lage, die örtliche Abweichung der Zugspannung von der mittleren Zugspannung zu messen. Diese Abweichungen sind direkt proportional zur Planheitsabweichung.
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Der Einsatz dieser aus der Kaltwalztechnik bekannten Messtechnik beim Warmwalzen stellt sehr hohe Anforderungen an die Robustheit des Systems bezüglich Temperatur und Verschleiß bei der gleichzeitigen Notwendigkeit einer hohen Empfindlichkeit aufgrund der geringeren Zugspannungen. Dies verlangt den Einsatz einer hocheffizienten Kühlung, die die Sensorik schützt, aber keinen Einfluss auf die Messung hat und die Temperaturführung des Warmwalzprozesses nicht stört.
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Bei vorbekannten Lösungen (s. die genannte
EP 1 199 543 B1 ) wird die Messrolle durch einen unterhalb der Messrolle angeordneten Kühlkasten gekühlt. Da hierdurch die Rolle von unten in das Band eingetaucht werden muss, sind zwei zusätzliche Rollen oberhalb des Bandes notwendig. Diese zusätzlichen Rollen müssen zum Ein- und Ausfädeln des Bandes abgeschwenkt werden, was eine zusätzliche Mechanik erfordert. Anordnungen mit nur einer zusätzlichen Rolle führen zu ungünstigen geometrischen Verhältnissen zwischen dem Abstand der Rollen und der Bandbreite, was zu Messfehlern bei geringsten Ausrichtungsfehlern führt. Eine Anordnung einer Einzelrolle mit ausreichendem Abstand führt zu einem zu geringen Umschlingungswinkel und damit zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Messgenauigkeit. Die Kühlung durch ein in einem Kühlkasten befindliches Kühlmedium ist nicht effektiv, da durch das ruhende Medium nur geringe Relativgeschwindigkeiten an der Rollenoberfläche erzielt werden können.
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Bei der Anwendung der von den Walzenkühlsystemen bekannten Spritzkühlsystemen ergibt sich das Problem, dass wegen der vom Kühldüsenstrahl auf die Rollenoberfläche ausgeübten Kräfte („Impact“) die Messung gestört wird. Des Weiteren würde das Kühlmedium bei einer Anordnung der Messrolle oberhalb des Bandes den Kühlprozess des Bandes beeinflussen und damit die Qualität des Produkts verändern. Beim Aufwickeln des Bandes ist es aus Gründen der Oberflächenqualität oft notwendig, das Kühlmedium von der Bandoberfläche komplett zu entfernen. Daher muss die Anwendung des Kühlmediums bei der Messrolle so weit reduziert werden, dass keine hocheffiziente Kühlung mehr möglich ist. Die Anwendung von Abstreifern an einem geschlossenen Kühlkasten, der das Kühlmedium im geschlossenen Raum hält, führen aufgrund des ausgeübten Drucks, den diese Abstreifer auf die Messrolle ausüben, ebenfalls zur Beeinflussung des Messsignals. Durch den Impact der Düsenstrahlen, ergeben sich durch die örtlich sehr hohe Wärmeübergangszahl hohe Temperaturgradienten sowohl örtlich als auch zeitlich. Diese Gradienten führen durch die aufgrund der Temperaturausdehnung entstehenden Verformungen der Rolle ebenfalls zu Störungen des Messsignals.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Planheitsmessvorrichtung der gattungsgemäßen Art so fortzubilden, dass es möglich ist, sie auch bei hohen Temperaturen und insbesondere in Warmwalzanlagen einzusetzen, wobei gleichzeitig sichergestellt werden soll, dass ein hohes Maß an Messgenauigkeit aufrechterhalten werden kann.
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Die Kühlung der Planheitsmessrolle soll dabei so erfolgen, dass die Kühlung der Rolle auch bei Temperaturen des zu messenden Bandes bis 1.000 °C so effektiv ist, dass eine praxistaugliche Standzeit der Messrolle erreicht werden kann. Weiterhin soll die verwendete Sensorik, die empfindlich genug ist, um die beim Warmwalzen auftretenden Planheitsdefekte ausreichend genau zu messen, vor übermäßigem Wärmeeintrag geschützt werden. Die Kühlung darf dabei keine thermische oder mechanische Störung der Messung verursachen. Das Kühlmedium soll dabei so angewendet werden, dass die Qualität des erzeugten Produktes nicht durch unkontrollierte Beaufschlagung durch Kühlmedium beeinflusst wird.
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Die Lös u n g dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem einen Düsenbalken aufweist, der sich parallel zur Rollenachse erstreckt, wobei am Düsenbalken mindestens eine, vorzugsweise eine Anzahl, Spritzdüsen angeordnet ist, mit der in eine Ausspritzrichtung Kühlmedium auf die Oberfläche der Messrolle ausgespritzt werden kann, wobei die Ausspritzrichtung einen Oberflächenabschnitt der Messrolle trifft und wobei der Winkel zwischen der Ausspritzrichtung und der Tangente an die Messrolle am Ort des Oberflächenabschnitts kleiner als 30° ist.
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Bevorzugt beträgt der Winkel zwischen 0° und 20°, besonders bevorzugt zwischen 0° und 10°.
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Die Spritzdüsen sind bevorzugt Flachstrahldüsen. Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass die Flachstrahldüsen einen Kühlmedien-Strahl ausbringen, der mindestens 4 Mal so breit wie dick ist, besonders bevorzugt mindestens 8 Mal so breit wie dick. Die Breite des Strahls der Flachstrahldüsen erstreckt sich dabei bevorzugt in Richtung der Rollenachse.
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Wenngleich bevorzugt eine Anzahl an Spritzdüsen vorgesehen ist, ist es auch möglich, dass nur eine einzige breite Schlitzdüse am Düsenbalken angeordnet wird.
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Die Spritzdüsen sind dabei bevorzugt so ausgerichtet, dass das Kühlmedium entgegen der Laufrichtung der Messrolle ausgebracht wird. Die Bewegungsrichtung des ausgespritzten Kühlmediums ist als entgegen der Bewegungsrichtung der Oberfläche der Rolle, an der das Kühlmittel die Rolle berührt.
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Das Kühlsystem kann mindestens einen weiteren Düsenbalken aufweisen, der sich parallel zur Rollenachse erstreckt und zum ersten, oben genannten Düsenbalken in Umfangsrichtung der Messrolle versetzt angeordnet ist, wobei am weiteren Düsenbalken eine Anzahl Spritzdüsen angeordnet sind, mit denen in eine Ausspritzrichtung Kühlmedium auf die Oberfläche der Messrolle ausgespritzt werden kann, wobei die Ausspritzrichtung einen Oberflächenabschnitt der Messrolle trifft und wobei der Winkel zwischen der Ausspritzrichtung und der Tangente an die Messrolle am Ort des Oberflächenabschnitts kleiner als 30°, vorzugsweise zwischen 0° und 20° und besonders bevorzugt zwischen 0° und 10° ist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Kühlsystem eine Einhausung umfasst, welche den oder die Düsenbalken sowie einen Umfangsabschnitt, vorzugsweise mindestens 180° des Umfangs, der Messrolle umschließt. Zwischen der Einhausung und der Messrolle können dabei zwei Spalte gebildet werden, die den Durchtritt von Kühlmedium erschweren. Die Einhausung ist hinsichtlich der Messrolle dabei bevorzugt so dimensioniert, dass die Spalte im Bereich zwischen 0,01 mm und 2,0 mm betragen.
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Weiterhin kann vorgesehen werden, dass Mittel zur Aufgabe eines (Sperr-)Gases im Bereich der Spalte angeordnet sind, mit denen ein Gasstrom ins Innere der Einhausung geleitet werden kann. Hierdurch kann der Austritt von Kühlmedium aus dem Inneren der Einhausung minimiert oder gar gänzlich verhindert werden. Die Mittel zur Aufgabe eines Gases können Schlitzdüsen umfassen, die sich in Längsrichtung der Spalte erstrecken, wobei die Schlitzdüsen vorzugsweise in die Einhausung im Bereich der Spalte integriert sind.
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Die Planheitsmessvorrichtung ist vorzugsweise Bestandteil einer Warmwalzanlage.
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Das vorgeschlagene Konzept stellt somit auf eine Spritzkühlung der Messrolle ab, die auf (mindestens) einem parallel zur Rollenachse ausgerichtetem Düsenbalken angeordnet ist. Als Spritzdüsen werden bevorzugt Flachstrahldüsen verwendet. Der Flachstrahl wird so ausgerichtet, dass sich die lange Achse des den Strahl umschreibenden Ovals vorzugsweise parallel zur Rollenachse befindet; der Winkel zwischen der langen Strahlachse und der Rollenachse kann allerdings auch bis zu 10° betragen. Die Ausrichtung der Spritzdüsen erfolgt weiterhin so, dass der Strahl unter einem flachen Winkel, vorzugsweise zwischen 0° und 10°, auf die Rollenoberfläche auftrifft; 0° bedeutet hierbei, dass der Strahl tangential auf die Messrolle trifft.
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Der Abstand der Düsen entlang des Rollenballens wird bevorzugt so gewählt, dass entlang der Auftreffpunkte des Kühlmediums gemäß der Geometrie der Strahlen eine möglichst gleichförmige Beaufschlagung auf die Rollenoberfläche erfolgt.
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Der genannte weitere Düsenbalken wird, im Verhältnis zum zuerst genannten Düsenbalken, an einer weiteren Position über dem Umfang der Rolle platziert. Dabei kann der weitere Düsenbalken bezüglich seiner Geometrie und/oder seiner Anordnung und/oder seine Ausrichtung der Düsen variiert werden. Ferner kann mit Blick auf den (mindestens einen) weiteren Düsenbalken die Ausbringung des Kühlmediums hinsichtlich des Druck und/oder der Durchflussmenge des Kühlmediums im Verhältnis zum zuerst genannten Düsenbalken variieren.
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Die genannte Weiterbildung sieht vor, dass der Bereich der Messrolle, der von der Spritzkühlung beaufschlagt ist, durch die genannte geschlossene Einhausung gegen die Umgebung abgeschottet wird. Die Spalte zwischen der sich drehenden Rolle und der Einhausung wird vorzugsweise so weit minimiert, dass im laufenden Betrieb gerade keine Berührung der Einhausung und der sich drehenden Messrolle mehr auftritt.
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Der Bereich der Einhausung im unmittelbaren Anschluss an den Spalt zwischen Rollenoberfläche und Einhausung, an dem die sich drehende Rolle in die Einhausung eintritt, wird bevorzugt so ausgeführt, dass sich das Kühlmedium unmittelbar am Spalt sammelt und so die Rollenoberfläche über der ganzen Ballenbreite gleichmäßig mit Kühlmedium beaufschlagt. Die Rollenoberfläche wird vorzugsweise mit einer rauen Oberfläche versehen und wird zur Kühlung ständig in Bewegung gehalten. Die Drehgeschwindigkeit der Rolle sollte dabei vorzugsweise einen minimal vorgegebenen Wert nicht unterschreiten.
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Wie erwähnt, kann der Spalt zwischen der Einhausung und der Messrolle durch ein gasförmiges Medium beaufschlagt werden. Die Strömungsrichtung des Mediums ist dabei vorzugsweise in den Innenraum der Einhausung gerichtet. Die Düse zur Beaufschlagung des Mediums wird vorzugsweise als Schlitzdüse ausgeführt. Die Schlitzdüse wird vorzugsweise in den Bereich des Spalts integriert.
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Der Spalt zwischen Rollenoberfläche und Einhausung, an dem die Rollenoberfläche aus der Einhausung austritt, kann auch so ausgeführt werden, dass eine kontrolliert geringe Menge des Kühlmediums auf der Oberfläche der Messrolle verbleibt.
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Die vorgeschlagene Lösung gewährleistet durch die Strahlgeometrie der Kühldüsen und den flachen Auftreffwinkel eine effektive Kühlung der Messrolle ohne Störung des Messsignals.
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Durch die Anordnung der Düsen gegen die Laufrichtung der Rolle und die Ausführung der Einhausung wird vorteilhaft eine Beeinflussung der Qualität der gemessenen Bänder verhindert, da das Kühlmedium effektiv in der Einhausung gehalten, gesammelt und dem Kreislauf kontrolliert wieder zugeführt werden kann.
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Durch die kontrollierte Benetzung der sich drehenden Messrolle wird das Kühlmedium kontrolliert in die Kontaktfläche zwischen heißem Band und Messrolle gebracht. Hierdurch kann der Wärmeübergang gedämpft und somit der Wärmeeintrag in die Rolle minimiert werden. Gleichzeitig wird der Verschleiß durch Ausnutzung des Aquaplaning-Effektes minimiert.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
- 1 schematisch eine Planheitsmessvorrichtung mit einer Messrolle und einem Kühlsystem, wobei die Förderrichtung des nicht dargestellten zu vermessenden Bandes senkrecht auf der Zeichenebene steht,
- 2 schematisch eine Spritzdüse, die Kühlmedium ausbringt,
- 3 schematisch Einzelheiten des Kühlsystems, mit dem die Messrolle gekühlt wird, wobei die Rollenachse senkrecht auf der Zeichenebene steht, und
- 4 schematisch die Planheitsmessvorrichtung mit einer Einhausung.
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In 1 ist eine Planheitsmessvorrichtung 1 zu sehen, die eine Messerolle 2 umfasst, die zur Kontaktierung eines nicht dargestellten metallischen Bandes dient. In an sich bekannter Weise kann somit der Grad der Planheit des Bandes ermittelt werden. Damit die Planheitsmessvorrichtung 1 auch in einem Warmwalzwerk zum Einsatz kommen kann, muss die Messrolle 2 gekühlt werden, wofür ein Kühlsystem 3 vorhanden ist. Das Kühlsystem 3 umfasst einen Düsenbalken 4, dessen Längsachse parallel zur Rollenachse a liegt, wie es sich aus 1 ergibt. In gleichmäßigen Abständen sind am Düsenbalken 4 Spritzdüsen 5 angeordnet; der Abstand ist durch den Doppelpfeil in 1 markiert.
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Jede Spritzdüse 5 bringt dabei einen Strahl Kühlmedium aus, der relativ flach ist. Dies ist in 2 illustriert. Das Kühlmedium wird aus der Spritzdüse 5 in die Ausspritzrichtung b ausgebracht, wobei die Spritzdüse 5 als Breitschlitzdüse bzw. Flachstrahldüse ausgebildet ist. Demgemäß gelangt das Kühlmedium auf die Oberfläche der Messrolle 2 mit einer im Wesentlichen ovalen Kontaktfläche, die eine Breite B sowie eine Dicke D aufweist. Der Kontaktfläche, die das Kühlmedium auf der Oberfläche der Messrolle 2 hat, lässt sich somit eine Längsachse c zuordnen, die parallel zur Rollenachse a ist. Die Breite B ist dabei mindestens vier Mal so groß als die (maximale) Dicke D, vorzugsweise sogar mindestens acht Mal so groß.
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In 3 sind Details des zum Einsatz kommenden Kühlsystems 3 zu sehen. Die Messrolle 2 kontaktiert das Band 12 und rotiert in die Drehrichtung R, wobei in 3 deren Rollenachse a senkrecht auf der Zeichenebene steht. Das Kühlsystem 3 umfasst zunächst einen (oberen) Düsenbalken 4, an dem die Spritzdüsen 5 angeordnet sind. Weiterhin umfasst es einen (unteren) Düsenbalken 7, an dem gleichermaßen Spritzdüsen 5 angeordnet sind. Dieser Düsenbalken 7 ist optional und in Umfangsrichtung versetzt angeordnet.
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Wesentlich ist die Ausrichtung der Spritzdüsen 5 zur Kühlung der Oberfläche der Messrolle 2. Hierzu ist in 3 zu sehen, dass die Spritzdüsen 5 mit ihrer Ausspritzrichtung b an einem Punkt bzw. einem Oberflächenabschnitt 6 der Messrolle 2 ihr Kühlmedium ausbringen. Legt man am Punkt bzw. Oberflächenabschnitt 6 eine Tangente t an die Messrolle 2, ergibt sich ein Winkel α zwischen der Ausspritzrichtung b und der Tangente t. Dieser Winkel α ist relativ klein und maximal 20° groß. Der bevorzugte Bereich für den Winkel α ist zwischen 0° und 10°.
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Die beiden Düsenbalken 4 und 7 sind dabei in Umfangsrichtung über die Messrolle 2 versetzt angeordnet. Für die Winkelverhältnisse des Auftreffens des Kühlmediums auf die Oberfläche der Messrolle im Bereich des Oberflächenabschnitts 6 gelten allerdings dieselben geometrischen Verhältnisse.
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In 4 ist zu sehen, dass die Planheitsmessvorrichtung 1 auch eine Einhausung 8 aufweisen kann, die die (hier nicht dargestellten) Düsenbalken 4 und 7 aufnimmt und die Messrolle über einen Umfangsabschnitt von gut 180° einschließt. Klein ausgebildete Spalte 9 und 10 sorgen dafür, dass nur wenig Kühlmedium aus dem Inneren der Einhausung austritt. Durch Aufbringung von Sperrluft (wie oben beschrieben) kann ein Flüssigkeitsaustritt gänzlich verhindert werden.
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Im Inneren der Einhausung 8 sammelt sich Kühlmedium 11, welches die Messrolle 2 bei ihrer Rotation über die gesamte Breite kühlt. Indes ist durch die erläuterte Geometrie bei der Ausrichtung der Spritzdüsen 5 sichergestellt, dass die Messfunktion der Messrolle 2 nicht beeinträchtigt wird. Dies ist bei vorbekannten Lösungen nicht der Fall.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Planheitsmessvorrichtung
- 2
- Messrolle
- 3
- Kühlsystem
- 4
- Düsenbalken
- 5
- Spritzdüse
- 6
- Oberflächenabschnitt der Messrolle
- 7
- weiterer Düsenbalken
- 8
- Einhausung
- 9
- Spalt
- 10
- Spalt
- 11
- angesammeltes Kühlmedium
- 12
- Band
- a
- Rollenachse
- b
- Ausspritzrichtung
- c
- Längsachse des ausgebrachten Kühlmediums
- t
- Tangente an die Messrolle
- B
- Breite des Kühlmittelstrahls
- D
- Dicke des Kühlmittelstrahls
- R
- Drehrichtung
- α
- Winkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1199543 B1 [0002, 0007]
- EP 0542640 A1 [0002]
- JP 2015 [0002]
- JP 80794 A [0002]
