DE1501601A1

DE1501601A1 - Temperaturgesteuertes System zur Heizung von Warmwalzeinrichtungen

Info

Publication number: DE1501601A1
Application number: DE19661501601
Authority: DE
Inventors: Troll John H
Original assignee: MILLETRON Inc
Current assignee: MILLETRON Inc
Priority date: 1965-07-27
Filing date: 1966-07-08
Publication date: 1969-12-04
Also published as: NL6610423A; BE684657A; US3369106A; GB1089529A

Description

Dipl.-Ing. F.Weickmann, Dr. Ing. A.Weickmann, Dipl.-Ing. H. Weickmann Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Patentanwälte

8 MÜNCHEN 27, MUHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 48 3921/22

Pyrotel Corporation, Mamaroneek, N. Y., USA

Temperaturgesteuertes System zur Heizung von Warmwalzeinrichtungen

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung für das Beheizen von Warmwalzkörpern des Typs, der ' bei der Herstellung von synthetischen Fasern, Papier, Plastikfolien, Gummimischungen und dergleichen, gebräuchlich ist.

Die Probleme, die damit verbunden sind, eine genaue Regelung beim Beheizen von Warmwalzkörpern zu erreichen, sind in der Technik bekannt. An allererster Stelle steht der Bedarf, den Walzkörper so zu beheizen, dass das Walzgut auf die gewünschte Temperatur gebracht wird. Eine übliche Schwierigkeit bietet die Tatsache, dass die Walzkörperenden, wo die Wärmeverluste am grössten sind, die Randpartien des Walzgutes nicht ä auf die gewünschte Temperaturhöhe bringen) für manche Verwendungszwecke kann nur ein schmales Mittelstuck des Walzkörpers verwendet werden.

Gelegentlich ist ein besonderes Profil der Temperaturverteilung in axialer Richtung des Walzkörpers erforderlich, so dass verschiedene Wicklungen eines fadenförmigen Walzgutes verschiedener Wärmebehandlung unterworfen werden können. Den gebräuchlichen Verfahren gelingt es nicht, eine waagrechte

9 0 9 0 /: U / 0 2 2 8

Pyrotel .Corporation

Temperaturverteilung über die Walzkörperoberfläche zu erreichen, so dass ein geregeltes Temperaturprofil für sie unerreichbar ist.

Eine weitere Schwierigkeit besteht für die konventionellen Verfahren in der Kegelung der Oberflächentemperatur und damit in der Aufrechterhaltung eines gewünschten Wärmeüberganges. Diese Schwierigkeit wird manchmal durch plötzliche Änderungen der Umgebungstemperatur und anderer veränderlicher Phänomene vergrössert. Der Walzkörper hat eine beträchtliche Wärmekapazität, die einen Wärmeverlust bewirkt, so dass ein Anheben oder Senken der Walzkörpertemperatur mit wesentlichen zeitlichen Verzögerungen erfolgt, selbst wenn das Heizsystem mit genauen Messfühlern und automatischen Regeleinrichtungen ausgestattet wäre.

Ein weiteres Problem ist auch noch die Messmethode für die zu regelnde Temperatur. Der einzig richtige Ort, an dem die Temperatur gemessen werden sollte, ist die Berührungsstelle des ,Valzkörpers mit dem Walzgut. Diese Oberfläche rotiert jedoch, und es macht Schwierigkeiten, sie in Berührungskontakt mit Thermoelementen, der in diesem Fall üblichen Temperaturmessmethode, zu bringen. Es ist daher üblich, die Thermoelemente an einem anderen Ort als an der rotierenden Oberfläche anzubringen, was oft einen grossen Fehler im Messen und Regeln mit 3ich bringt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, das Thermoelement an der Walzkörperoberfläche anzubringen und die Messimpulse über Schleifringe weiterzuleiten, was zwar eine Fehlerquelle ausschaltet, jedoch eine andere, womöglich grössere schafft,

9 ü 9 ΓΚ ■: / o 2 2 8 — 2 —

Pyrotel Corporation

verursacht durch Gleitringstörungen. Eine weitere Methode einer geregelten Heizung verwendet spezielle Heizflüs3igkeiten an der Innenseite des Walzkörpers, deren Temperatur in einem zentralen Verteiler geregelt wird. Diese Methode enthält ebenfalls Ungenauigkeiten, verursacht durch örtliche Änderungen der Umgebungstemperatur und der Oberflächenbedingungen durch den Walzprozess und erfordert ausserdem kostspielige hydraulische und Pumpeinrichtungen.

Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die μ Herstellung einen Heiz- und Regelsystems für eine niarmwalzkörperkonetruktion, bei der das Temperaturprofil an der Walzkörperoberfläche schnell und genau durch Messfühler geregelt wird, die nicht in Berührungskontakt mit dem Walzkörper stehen.

Ein weiterer Erfindungsgegenstand ist eine solche Heizungsregelung nur auf ^Jrund der Walzkörperoberflächentemperatur.

Ein weiterer Erfindunr-sgegen-tund ist die Schaffung einer Heizung3iegelung, die lan/ce Verzögerungen bei der Einstellung und Regelung der Walzkörpertemperatur ausschaltet. "

Ein anderer Erfindungsgegenstand ist die Schaffung eines Systems, dan die gewünscht»³ liegeltemperatur bei starken Änderungen lei' Umgebungnteinperatur oder anderer wechselnder Bedingungen ohne die TemperaturSprünge hält, die bei herkömmlichen Hegeleinrichtungen beobachtet wurden.

Ein weiterer Erfindungsgegenstand ist ein Regelsystem, das wegen seiner schnellen Ansprache und der Konzentration der Wärme an der Oberfläche den Wärmebedarf, der bei diesen Anwendungen erforderlich irt, -.veseiitlieh vermindert.

' ^{Ί ? ? P} ORIGINAL

Pyrotel Corporation

Ein weiterer Erfindungsgegenstand ist eine Warmwalze, bei der die Temperaturverteilung des Walzkörpers ein vorher festgelegtes axiales Profil annehmen kann.

Zusätzliche Gegenstände und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor.

In den beigefügten Zeichnungen bedeutet:

Fig. 1 das Schemabild eines hohlen Walzkörpers',

Fig. 2 einen Schnitt längs der Achse 2-2 in Fig. und zeigt die Lage des Walzkörpers zu der Regeleinrichtung für die Heizung;

Fig. 3 ein Zeit-Temperatur Diagramm des vorliegenden Systems und eines Systems nach dem früheren Stand der Technik;

Fig. 4 das in axialer Richtung verlaufende Temperaturprofil an der Oberfläche zweier Walzkörper.

Wenn man es kurz charakterisieren will, kann man sagen, dass das in der Erfindung verwendete System, wie es in der Zeichnung gezeigt wird, aus einem dünnwandigen, hohlen Walzkörper 1 besteht, der durch eine in der Achse angebrachte, längs verlaufende Strahlungsheizung 2 beheizt wird, welche eine Infrarotstrahlung verhältnismässig kurzer Wellenlänge ausstrahlt. Die innere Oberfläche des Walzkörpers, die von der Strahlung getroffen wird, ist mit einem Material 3 ausgekleidet, welches derart ist, dass es die ausgesandte Strahlung in einem gewünschten Mass absorbiert und die absorbierte

9098A3/0228

Pyrotel Corporation

Strahlungsenergie zu der Walzkörperwand 1 weiterleitet. Walzkörperwand 1 hat ausserdem eine äussere Oberfläche 4» die mit einem Material überzogen oder derart behandelt ist, dass sie annähernd die Eigenschaften eines schwarzen Strahlers besitzt. Nach Wunsch kann auch nur ein schwarzer Streifen 11 am Umfang des Walzkörpers 1 angebracht sein. Die Temperatur des beheizten Walzkörpers wird von einem Infrarotmessfühler gemessen, der den Streifen 11 anvisiert und die Infrarotstrahlung, die von der äusseren Oberfläche 4 des Walzkörpers 1 auegesandt wird, konzentriert und filtert und an einen Messfühler weitergibt, der seinerseits die Strahlungsenergie in einen elektrischen Impuls umwandelt, der von dem Regelverstärker 5 ausgesandt wird. Der Regelverstärker 5 gibt einen Impuls an das Heizelement 2 als Punktion der erforderlichen Oberflächentemperatur des Walzkörpers 1. Der Walzkörper 1 kann aus jedem wärmeleitenden Material gefertigt sein, das die für das Verfahren, von dem der Walzvorgang ein Teil ist, geeigneten Werk- | stoffeigenschaften besitzt, z.B. Aluminium. Das Heizelement 2 kann z.B. eine Quarzröhre mit einem Wolframfaden sein, eine keramisohe Heizung oder jede» hinsichtlich dee Spektrums regelbare InfrarotStrahlungsheizung. Das Pyrometer 6 kann jeder schnell ansprechende Helesleiter, jedes Bolometer, jede lichtelektrische Widerstandszelle oder Sperrschichtzelle mit genügender Empfindlichkeit sein. In der Praxis haben sich die Pyrometer Pyrotel PY15O und 60 bewährt. Der Regelverstärker 5

_ ς _ 909849/0228

Pyrotel Corporation

kann jeder geeignete Regelverstärker sein und kann ein/ausgesteuerte oder proportionalgesteuerte Impulse geben. In der Praxis haben sich die Geräte Pyrotel PY61 und PY151 bewährt.

Von den Elementen, die das vorliegende System bilden, wurde nur eine kurze Beschreibung gegeben, da solche Elemente wie Infrarotstrahler, Pyrometer und Regelverstärker dem Durch- W schnittsfachmann wohl bekannt sind und im Handel erhältlich sind.

Bei einem vorzugsweise angewendeten System wird die Intensität der von der Strahlungsheizung 2 ausgesendeten Energie ein Maximum im (Wellenlängen) Bereich zwischen 3,5u und 4,2ü haben, da die Strahlung in diesem Wellenlängenbereich am wenigsten von der Luft absorbiert wird, die sich zwischen dem Heizungselement 2 und der Auekleidung 3 an der Innenseite des Walzkörperβ 1 befindet. Eine eventuelle Verbesserung in der Regelung der Lufttemperatur wird erreicht durch die Montage k eines Ventilators 7, wie am besten aus Pig. 1 ersichtlich, am Ende dee Walzkörpers 1, um einen ständigen Luftwechsel in dem Wälzkörper 1 herbeizuführen und dadurch jeden Heizungseffekt der Luft bezüglich des Walzkörpers zu vermindern.

Fig. 3 stellt ein Diagramm dar, das die Verbesserung in der Leistung einer Anwendung der vorliegenden Erfindung im Vergleich mit der Leistung eines typischen Regelsystems zur Heizung von Warmwalzkörpern naoh dem bisherigen Stand der Technik zeigt. Die Kurven A und B zeigen eine Auftragung der Temperatur in ⁰F an der Ordinate gegen die Zeit in Minuten an

_ 6 - 909849/0228

Pyrotel Corporation

der Abszisse. Die Temperatur wurde für alle Kurven mit einem Strahlungspyrometer Pyrotel PY15O (Bleiglanzdetektor) gemessen, das auf die Mitte der äusseren Walzkörperoberfläche gerichtet war.

Kurve A zeigt die experimentellen Ergebnisse, die mit einem konventionellen Regelsystem für Warmwalzkörper mit einer Widerstandsheizung, deren Heizleistung 500 Watt beträgt, erzielt wurden, und wo die Heizkörper in Form einer Muschel in nächster Nähe der inneren Oberfläche dee Walzkörpers angebracht sind. Die Temperatur wird von einem Thermoelement gemessen, das an den beheizten Auflagen aus Aluminium angebracht ist. Dieses System scheint eines der besten herkömmlichen Regelsystem© für Warmwalzkörper von mehreren untersuchten zu sein.

Wie aus Kurve A ersichtlich ist, betrug die Dauer eines Begelvorganges etwa 8 Minuten, und die Hegeltoleranz betrug für dieses System "8° und +7° Abweichung von der Hegel-Nenntemperatur von 250° (eine Hegelspanne von 15°) nach Ablauf der Aufheizperiode, die 11/2 Stunden betrug. Die Kurve zeigt auch bei Stelle 9 das Ansprechvermögen eines herkömmlichen Regelsyetems auf eine Temperaturänderung, hervorgerufen durch einen eine Minute währenden Kaltluftstrom, der aus 30 cm Entfernung auf die Walzkörperoberfläche gerichtet wurde. Das herkömmliche Hegelsystem reagiert darauf durch einen Temperatursturz auf 232° (18° unterhalb des Nenn-Regelpunktes von 25Ο^Λ)V

" ⁷ " a o.;: /0228

Pyrotel Corporation

das System benötigte einen Zeitraum von 31 Minuten, um wieder in den Regelbereich zu gelangen.

Kurve B zeigt die Ergebnisse, die mit einem Regelsystem zur Heizung von Warmwalzen erzielt wurden, das eine Anwendung der Erfindung darstellt. Das System bestand aus einem hohlen Walzkörper aus gegossenem Aluminium (Reihe 6061 TG), der »χι der Aussenseite mit Aluminiumoxyd (Al₂O^) überzogen war (Härte der Mineralschicht auf Walzkörper 7 betrug 50,8 U ). die innere Oberfläche des Walzkörpers war schwarz eloxiert und, um die axiale Temperaturverteilung zu regeln, an ausgewählten Bahnen mit einer reflektierenden Farbe (Aluminiumpigmentfarbe) für hohe Temperaturen bestrichen. Das verwendete Heizelement bestand aus einem Wolframfaden in einer Jodatmosphäre, der 250 Watt aufnahm und in einer Quarzröhre (Rückseite der Lampenoberfläche überzogen mit einer reflektierenden Mischung aus 95 % Au und 5 # Pd) angeordnet war, die eine Infrarotstrahlung mit einem Intensitätsmaximum in einem Wellenlängenbereich von 2,5/f bis 3M abgab. Die Walzkörperoberfläche wurde durch ein Strahlungsregelgerät Pyrotel PY151 geregelt, das ein einfaches ein/aus Steuerrelais verwendete. Aus Kurve B ist ersichtlich, dass die Dauer eines RegeIvorganges etwa 0,25 Minuten betrug und die Regeltoleranz nach einer Aufheizperiode von 10 Minuten 0,25° betrug. An Stelle 10 sieht man das Ansprechvermögen auf die gleiche Temperaturänderung, die bei dem herkömmlichen System angewendet -wurde, nämlich ein Kaltluftstrom aus 30 cm Entfernung auf die Walzkörperoberfläche gerichtet, der eine

3 0 ¹Ji ·. . /0228 - 8 - BAD ORIGINAL

Pyrotel Corporation

Minute dauerte. Nach der Beendigung des Luftstromes sank die Temperatur auf 244° (6° unterhalb des Nenn-Regelpunktee von 250°). eine vollkommene Regelung innerhalb des Regelbereichs von 0,25° abweichend vom Regelpunkt wurde innerhalb einer Minute erreicht mit einem maximalen Anstieg von 1° über den Regelpunkt.

Fig. 4 vergleicht die axiale Temperaturverteilung (Temperaturprofil) eines herkömmlichen VVarmvvalzenregelsystems mit dem vorliegenden System. Kurve 13 zoi_t'-;t das Temperaturprofil des herkömmlichen Systems von der Stirnseite bis zur Endaeite des Walzkörpers mit einer maximalen Abweichung von +30° von dem Regelpunkt 250°. Kurve 12 zeigt ein Temperaturprofil nach dem vorliegenden System mit einer maximalen Abweichung von +2,5°. Wie bereits gesagt wurde, lassen sich die Temperaturprofile durch Anordnen der Strahlungsquellen in Abständen und durch geeignete Verteilung von wärmerückstrahlender Auskleidung in eine gewünschte Form bringen. f

Ein zusammenfassender Vergleioh der beiden Systeme erfolgt in Tabelle 1.

BAD ORIGINAL

- y - 9OJ)U J /0228

40

Tabelle 1

Parameter

Warmwalzregelsystem

nach herkömmlicher Technik

Wäratwalzregelsystem nach vorliegender Erfindung

Aufheiz- und
T emp erature instellzeit

1 1/2 Std.

10 Min.

Dauer des Regelvorganges

8 Min.

0,25 Min.

Regeltoleranz

+7° F (Regelspanne 15⁰F)

+ 0,25 F

(Regelspanne 0,5° F)

Maximale Übertemperatur der Walzkörperoberfläche in der
Mitte gegenüber den Stirnseiten

Leiatungsäüfnähme

32,5° F

500 Watt/Std, 2,2° F

250 Watt/Std.

Temperatursturz duroh Änderung der Umgebungstemperatur (Kaltluftstrom aus 30,5 ca Entfernung während 60 Sek.) -18° F

Einstellzeit auf Regeltemperatur nach Tempera tür änderung

31 Min.

1 Min.

9 ti , n/0 228

Claims

Pyrotel Corporation Patentansprüche

1. Temperatur&esteuertes System zur Beheizung einer Warinwalzeinrichtung dadurch gekennzeichnet, daß es einen drehbaren hohlen Walzkörper (1), eine vorzugsweise längliche Infrarotstrahlungsheizung (2) im Inneren des Walzkörpers, eine die Wärmestrahlung absorbierende Auskleidung (3) an der inneren Oberfläche des Walzkörpers enthält; ferner einen auf Infrarotstrahlung ansprechenden Meßfühler (6), der außerhalb des Walzkörpers (1) angebracht ißt und due Temperatur an dessen äußerer Oberfläche über die abgestrahlte Energie mißt; ferner eine Begeleinrichtung (5), die mit dem Meßfühler (fc) und der Strahlungsheizung (2) verbunden ist, um die von der Strahlungsheizung aus^esndte Energie in Übereinstimmung mit der von dom Meßfühler gemessenen Temperatur zu regeln.

2. Systee nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß ein % Ventilator (7) an dem Walzkörper (1) angebracht ist, um Luft in axialer Richtung durch den Walzkörper zu blasen und durch die Luftzirkulation in dem hohlen Walzkörper die durch aie Wärmekapazität der ie Inneren des Walzkörpers befindlichen heißen Luft entstehenden Aufheizverzögerungen ζ; vermeiden. , ■

3. Syste« nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß sich ein schwarzer Streifen (11) an der äußeren Walzkörperoberfläche (4) befindet.

'■ 2 2 8

Pyrotel Corporation

4. System nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Oberfläche (4) des Walzkörpers mit einem Überzug hoher Infrarotemissionsfähigkeit ausgestattet ist.

5. System nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung der inneren Oberfläche eine längs der Achse verschiedene Infrarotabsorbtionsfähigkeit bewirkt.

6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß der Walzkörper ein dünnwandiger Hohlzylinder ist.

7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß der Walzkörper aus einem Y/erkstoff mit
hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt ist.

8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß der Walzkörper einem an der äußeren Oberfläche angebrachten Infrarotstrahlung emittierenden
Überzug aufweist.

9. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß ein Strahlungsmeßgerät gegenüber dem
strahlenden Belag angebracht ist.

■ :·^; 2 8

Ah

Leerseite