DE19803260A1

DE19803260A1 - Einrichtung zur Messung der Zugspannungsverteilung in einem Metallband

Info

Publication number: DE19803260A1
Application number: DE1998103260
Authority: DE
Inventors: Andre Dipl Ing Berghs; Joachim Dipl Phys Dr Baumann; Martin Dipl Phys Dr Beyfus; Felix Dipl Phys Dr Tuerk
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-01-29
Filing date: 1998-01-29
Publication date: 1999-08-05

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren bzw. eine Einrichtung zur Messung der Zugspannungsverteilung in einem Metallband zwischen zwei Walzgerüsten oder zwischen einem Walzgerüst und einem Haspel. Die Erfindung ist außerdem im Zusammenhang mit S-Rollen und Streckgerüsten einsetzbar.

Beim Walzen von Metallbändern, insbesondere beim Kaltwalzen, muß die Zugspannungsverteilung im Metallband entlang der Me tallbreite on-line bestimmt, d. h. in der Regel gemessen wer den, denn die Zugspannungsverteilung ist die entscheidende Größe für die Regelung der Planheit des Metallbandes.

Es ist z. B. bekannt, das Metallband über eine sogenannte Meß rolle, d. h. eine segmentierte Umlenkrolle, zu führen, die in Abständen von ca. 2-5 cm piezoelektrische Drucksensoren auf weist. Die auf die Sensoren wirkende Kraft ist dabei ein Maß für die Zugspannungsverteilung. Das Verfahren ist berührend - und kann daher Eindrücke im Metall hinterlassen - und ist zu dem verschleißbehaftet und somit wartungsintensiv.

Ferner ist aus der DE-OS-26 17 958 eine Einrichtung zur Mes sung der Zugspannung eines Metallbandes bekannt, wobei mit tels Elektrohämmer Schwingungswellen im Metallband erzeugt werden, deren Ausbreitung gemessen wird. Auch dieses Verfah ren ist mit oben genannten Nachteilen behaftet.

Weiterhin ist es aus der DE-PS-31 30 572 bekannt, die Messung der Zugspannung eines Metallbandes mittels Ultraschall zu messen. Dazu wird dem Metallband mittels Ultraschall eine Schwingung aufgeprägt, und deren Ausbreitung gemessen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß dieses Verfahren aufgrund der gerin gen Energieübertragung durch Ultraschall nur in Ausnahmefäl len, insbesondere bei besonders dünnen Metallbändern, geeig net ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Vermeidung oben bezeichneter Nachteile anzugeben.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Einrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Dabei weist die erfindungsgemäße Einrich tung zur Messung der Zugspannungsverteilung in einem Metall band zwischen zwei Walzgerüsten, zwischen einem Walzgerüst und einem Haspel, in einem Streckgerüst oder vor oder hinter einer Umlenkrolle eine (vor oder hinter einer Rolle angeord nete) Auslenkvorrichtung zur Auslenkung des Metallbandes, ei ne Meßvorrichtung zur Messung der Auslenkung des Metallbandes und eine Recheneinrichtung zur Berechnung der Zugspannungs verteilung in Abhängigkeit der Auslenkung des Metallbandes auf, wobei die Auslenkvorrichtung als Saugvorrichtung zum An saugen des Metallbandes ausgebildet ist. Diese Einrichtung ermöglicht zum einen eine Messung der Zugspannung bzw. Zug spannungsverteilung ohne Beschädigung des Metallbandes, und liefert zum anderen ein besonders starkes und präzises Meßsi gnal, das eine besonders genaue Bestimmung der Zugspannung bzw. Zugspannungsverteilung im Metallband erlaubt. Die erfin dungsgemäße Einrichtung ist außerdem gegenüber einer Meßrolle deutlich einfacher und kostengünstiger.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nach folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Unteransprüchen. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine beispielhafte Ausgestaltung einer Saugvorrich tung,

Fig. 2 eine alternative Ausgestaltung einer Saugvorrich tung,

Fig. 3 eine weitere alternative Ausgestaltung einer Saug vorrichtung,

Fig. 4 eine vorteilhafte Ausgestaltung von Klappen einer Saugvorrichtung,

Fig. 5 eine Anordnung von Sensoren,

Fig. 6 eine alternative Anordnung von Sensoren, und

Fig. 7 einen Vergleich zwischen ermittelter und tatsächli cher Zugspannung.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Messung der Zugspannungsverteilung in einem Metallband 1 in beispielhaf ter Ausgestaltung. Das Metallband 1 läuft aus einem Walzge rüst 3 aus und wird über eine Umlenkrolle 4 in Richtung des Pfeils 5 geführt. Im Abstand a, vorteilhafterweise 10 bis 30 cm, von der Umlenkrolle 4 ist eine Saugvorrichtung 6 angeord net. Durch die Wahl des Abstands a von 10 bis 30 cm wird eine besonders gute Ortsauflösung der Zugspannung über die Band breite erreicht. Am oberen Ende der Saugvorrichtung 6 sind Platten 9 und 10 angeordnet. Der durch die Saugvorrichtung eingesaugte Luftstrom bewirkt eine Auslenkung des Metallban des 1. Diese Auslenkung ist durch die gestrichelte Linie 2 angedeutet. In die Platten 9 und 10 der Saugvorrichtung sind Auslenkungssensoren 7 und 8 integriert, die die Auslenkung 2 des Metallbandes 1 messen. Die Auslenkungssensoren 7 und 8 sind als Wirbelstromsensoren, kapazitive Abstandssensoren, optische Wegsensoren oder Ultraschallabstandssensoren ausge bildet. Dabei ist die Ausbildung als, insbesondere zeitlich synchronisierte, Wirbelstromsensoren besonders vorteilhaft. Die Abstandssensoren sind in besonders vorteilhafter Weise als Sensorzeilen über die Breite des Metallbandes 1 ausgebil det.

Die Saugvorrichtung 6 weist eine Drehklappe 11 auf, mittels der der eingesaugte Luftstrom moduliert wird. Dabei wird der Luftstrom vorteilhafterweise mit einer Frequenz von 5 bis 40, insbesondere mit einer Frequenz von 5 bis 20 Hz, moduliert. Auf diese Weise wird ohne zusätzliche Dämpfung eine fast qua si statische Auslenkung erreicht, so daß es auch ohne zusätz liche Dämpfungsmaßnahmen zu einer im wesentlichen zur anre genden Kraft proportionalen und zur Zugspannungsverteilung umgekehrt proportionalen Auslenkung kommt. Auf diese Weise läßt sich die Zugspannungsverteilung besonders präzise mes sen. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, das Me tallband 1 mit einer Frequenz anzuregen, die unterhalb seiner Resonanzfrequenz liegt. Überraschenderweise läßt sich in die sem Frequenzbereich eine präzisere Messung der Zugspannungs verteilung erreichen.

Die Platten 9 und 10 sind in einem Abstand b von vorteilhaf terweise 1 bis 10 mm, insbesondere 5 mm, vom Metallband 1 an geordnet. Zwischen den Metallplatten 9 und 10 ist ein Spalt der Breite c vorgesehen. Dieser Spalt ist vorteilhafterweise 0,5 bis 5 cm breit. Besonders vorteilhaft ist eine Spaltbrei te c = 2 cm.

Die Platten 9 und 10 sind etwa 20 cm breit, so daß der durch die Saugvorrichtung 6 bewirkte Unterdruck auf eine endliche Fläche des Metallbands 1 wirkt.

Zur Auswertung der von den Abstandssensoren 7 und 8 geliefer ten Meßsignalen ist eine nicht dargestellte Auswerteeinrich tung vorgesehen.

Die Saugvorrichtung 6 ist dermaßen dimensioniert, daß zwi schen den Platten 9 und 10 und dem Metallband 1 ein Unter druck zwischen 5 und 50 mbar entsteht.

Fig. 2 zeigt eine alternative Ausgestaltung einer Saugvorrich tung 21. In Fig. 2 und 3 deuten die mit Bezugszeichen 20 ge kennzeichneten Pfeile die Bewegung der Luft (mit einer Fre quenz zwischen 5 und 20 Hz gepulster Luftstrom) an und die mit 30 bezeichneten Pfeile die aufgrund der Luftbewegung auf das Metallband 1 wirkenden Kräfte. Mittels der Saugvorrich tung 21 wird Luft gegen das Metallband 1 geblasen und seit lich parallel zur und gegen die Bandlaufrichtung 5 abgeführt. Die Geschwindigkeit der Luft und der Abstand b zwischen an der Saugvorrichtung 21 angeordneten Platten 22 und 23 und dem Metallband 1 stehen derart in Beziehung, daß das hydrodynami sche Paradoxon wirksam ist. Das heißt, obwohl Luft gegen das Metallband 1 geblasen wird, wird das Metallband 1 aufgrund der hohen Luftgeschwindigkeit von der Saugvorrichtung 21 an gezogen.

Dieses Prinzip liegt auch der Ausgestaltung einer Saugvor richtung 24 gemäß Fig. 3 zugrunde, wobei Fig. 3 eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des in Fig. 2 beschriebenen Grund prinzips darstellt. Mittels der Saugvorrichtung 24 wird Luft gegen das Metallband 1 geblasen. Der Druck dieser Luft ist so hoch, daß die Strömungsgeschwindigkeit der Luft das hydrody namische Paradoxon wirksam werden läßt: Das Metallband 1 wird von der Saugvorrichtung 24 angezogen. Zusätzlich kann ein Saugkanal 25 vorgesehen werden, mittels dessen Luft zusätz lich angesaugt wird. Die Ausgestaltung gemäß Fig. 3 erlaubt hohe Strömungsgeschwindigkeiten der Luft zwischen Metallband 1 und Saugvorrichtung 24, was wiederum zu einer starken An ziehung des Metallbandes führt.

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch ein Metallband 1 und eine Platte 26. Die Platte 26 ist eine besonders vorteilhafte Aus gestaltung für die Platten 9, 10, 22 und 23 bzw. für die dem Metallband 1 zugewandte Oberfläche der Saugvorrichtung 24. In die Platte 26 sind Kanäle 27 eingefräst, die in Richtung des Bandlaufes verlaufen. Auf diese Weise kann die Strömungsrich tung der Luft unter dem Metallband 1 beeinflußt werden. Au ßerdem kann vorgesehen werden, die Strömungsgeschwindigkeit der Luft in den Kanälen 27 einzeln anzusteuern und so Meßzo nen zu definieren, denen eine bestimmte Kraft aufgeprägt wird.

Bei Warmwalzgerüsten besteht die Möglichkeit, anstelle von Luft eine Flüssigkeit (Wasser, Emulsion oder ähnliches) mit hohem Druck gepulst auf das Walzgut zu spritzen, um so eine periodische Kraft zu erzeugen. Diese Emulsion bewirkt gleich zeitig eine Kühlung der Auslenkungssensoren, die den hohen Temperaturen beim Warmwalzen (bis 1000°C) ohne Kühlung nicht standhalten.

Die Abstandssensoren 7 und 8 liefern, bedingt durch verschie dene Störeinflüsse bei der Auslenkung des Metallbandes 1, stark verrauschte Meßsignale. Deshalb werden die Meßsignale gefiltert. Die Signalfilterung erfolgt vorteilhafterweise mittels eines digitalen Fit-Algorithmus oder einer FFT-Analyse. Das Metallband 1 wird sinusförmig ausgelenkt. Der zeitliche Verlauf des Meßsignals pro Periode ist deshalb im Idealfall ein Sinus. Diesem Sinussignal sind jedoch Störsi gnale, insbesondere die Resonanzschwingungen des Metallbandes 1 überlagert. An das Meßsignal wird deshalb nach jeder vollen Periode eine Sinuskurve angefittet (Minimierung der Fehler quadrate). Da Phase und Frequenz bekannt sind, sind der Si gnaloffset (Grundabstand der Sensoren) und die Amplitude die einzigen Fitparameter. Der ermittelte Amplitudenwert A_F wird weiter in die Zugspannung umgerechnet.

Eine weitere deutliche Verbesserung der Filterung wird durch die Verwendung zweier Abstandssensoren 7 und 8 gemäß dem Aus führungsbeispiel aus Fig. 1 bzw. Fig. 5 und eine Auswertung des Ausdrucks

erreicht. A' ist ein Maß für die Krümmung des Metallbandes 1 am Ort der Krafteinleitung. Für langwellige Resonanzschwin gungen ist die Krümmung gering. Sie werden deshalb effektiv herausgefiltert. Die erzwungene Auslenkung dagegen erzeugt einen "Knick" des Metallbandes 1 am Ort der Krafteinleitung. Im Ausdruck A' ist also der Informationsgehalt in bezug auf die durch die Saugvorrichtung erzwungene Auslenkung des Me tallbandes deutlich größer als in den Meßsignalen A₁ und A₂, die von den Sensoren 8 und 7 geliefert werden.

Fig. 6 zeigt die Anordnung von drei Abstandssensoren, die ins besondere als Sensorzeilen ausgebildet sind. Dabei ist ein dritter Abstandssensor 50 zur Messung des Abstands A₃ vorge sehen.

Der Wert für A' wird bei der Verwendung dreier Abstandssenso ren vorteilhafterweise gemäß

korrigiert. Auf diese Weise können Fehler durch unrunde Wal zen oder Durchbiegungen einer Walze kompensiert werden.

Aus den Werten A' wird durch eine FFT oder einen Fitalgorith mus ein Amplitudenwert A'_F gebildet, der prinzipiell dem Amplitudenwert A_F entspricht, jedoch nicht aus direkten Meß werten, sondern aus den Werten A' gebildet wird.

Die Umrechnung der Amplitudenverteilung A'_F(x) in eine Zug spannungsverteilung σ(x) erfolgt gemäß

σ(x) = C(x) F(x) [1/A'_F(x) - 1/A₀] (3).

Dabei bezeichnet x die Ortskoordinate entlang der Breite des Metallbandes 1.

A'_F(x) ist die gemessene Amplitudenverteilung der Auslenkung, die gemäß Gleichung 1 bzw. Gleichung 2 und durch den digita len Fitalgorithmus berechnet wird. F(x) ist die Kräftevertei lung mit der das Metallband 1 ausgelenkt wird und ist einma lig experimentell zu bestimmen. C(x) ist ein Proportionali tätsfaktor, in den die elastischen Konstanten des Materials des Metallbandes 1 eingehen. Aufgrund der Querkontraktion ist bei homogener Zugspannungsverteilung die Amplitude am Rand des Bleches größer als in der Mitte. Deshalb ist C(x) eine Funktion von x. C(x) kann aus Finite-Elemente-Rechnungen be stimmt werden.

1/A₀ ist ein Term, der die Biegesteifigkeit des Bleches be rücksichtigt. A₀ ist die Amplitude, die gemessen wird, wenn die Zugspannung null ist. Wegen der Biegesteifigkeit des Me tallbandes 1 ist A₀ endlich. Für dünne Metallbänder, d. h. für Metallbänder, die dünner als 1 mm sind, kann 1/A₀ gleich null gesetzt werden.

Fig. 7 zeigt eine im Rahmen einer Finite-Elemente-Simulation mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmte Kurve 40 einer Zugspannung σ in N/mm² in einem Metallband über die Po sition x in mm auf dem Metallband in Querrichtung im Ver gleich zu einer Kurve 41 einer dem Metallband aufgeprägten Zugspannung σ in N/mm² Die Kurve verdeutlicht, daß es mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich ist, die Zugspannung σ in einem Metallband besonders präzise zu ermitteln.

Claims

1. Einrichtung zur Messung der Zugspannungsverteilung in ei nem Metallband zwischen zwei Walzgerüsten, zwischen einem Walzgerüst und einem Haspel, in einem Streckgerüst oder vor oder hinter einer Umlenkrolle, mit einer Auslenkvorrichtung zur Auslenkung des Metallbandes, mit einer Meßvorrichtung zur Messung der Auslenkung des Metallbandes und mit einer Rechen einrichtung zur Berechnung der Zugspannungsverteilung in Ab hängigkeit von der Auslenkung des Metallbandes, wobei die Auslenkvorrichtung als Saugvorrichtung zum Ansaugen des Me tallbandes ausgebildet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugvorrichtung einen periodischen Luftstrom zur pe riodischen Auslenkung des Metallbandes, d. h. zur Erzeugung einer Biegewelle, insbesondere einer Biegewelle in Längsrich tung des Metallbandes, erzeugend ausgebildet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugvorrichtung eine Modulationsvorrichtung zur Er zeugung eines periodischen Luftstroms mit einer Frequenz zwi schen 5 und 40 Hz, insbesondere mit einer Frequenz zwischen 5 und 20 Hz, aufweist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugvorrichtung einen Unterdruck zwischen 5 und 50 mbar erzeugend ausgebildet ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugvorrichtung in einem Abstand von 1 bis 10 mm, vorteilhafterweise 5 mm, vom Metallband angeordnet ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugvorrichtung Luftzuführungsplatten aufweist, die mit dem Metallband einen Luftkanal bilden.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzuführungsplatten zwischen 5 und 30 cm, insbeson dere 20 cm, breit sind.

8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Umlenkrolle zum Umlenken des Metallbandes auf weist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugvorrichtung 10 bis 30 cm von der Umlenkrolle ent fernt angeordnet ist.

10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugvorrichtung als Drucklufteinrichtung zum Blasen von Druckluft gegen das Metallband mit einer Geschwindigkeit ausgebildet ist, die oberhalb der Geschwindigkeit liegt, ab der das hydrodynamische Paradoxon wirksam wird.

11. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung zumindest einen Auslenkungssensor, der als Wirbelstromsensor, kapazitiver Abstandssensor, optischer Abstandssensor oder Ultraschallabstandssensor ausgebildet ist.

12. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung zumindest zwei, insbesondere als Sen sorzeilen ausgebildete, Auslenkungssensoren aufweist.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung zumindest drei, insbesondere als Sen sorzeilen ausgebildete, Auslenkungssensoren aufweist.