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Gruppenkaltwalzwerk
Beschreibung Die Erfindung betrifft
Yerbesserungen in der Konstruktion von Metallkaltwalzwerken mit dem Ziel, ihre Produktionskapazitäten
zu vergrößern und die Ebenheit des Walzproduktes zu verbessern.
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Die älteste Form eines Walzwerkes ist das Zweiwalzenwalzwerk. Diese
Walzwerksart wird auch heute noch in bestimmten Bereichen mit Vorteil eingesetzt,
und zwar insbesondere dann, wenn das zu walzende Material, wie beim Warmwalzen,
verhältnismäßig weich ist. Wenn härtere Materialien gewalzt werden sollen, wie dies
beim Kaltwalzen von Metallen der Fall ist, s6 ist das Zweiwalzenwalzwerk grundsätzlich
als veraltet anzusehen, da es nicht möglich ist, ein Zweiwalzenwalzwerk mit Walzenzapfenlagern
zu erstellen, die kräftig genug sind, um den beim Kaltwalzen auftretenden Kräften
zu widerstehen, die bestrebt sind, die Walzen auseinanderzutreiben.
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Aus diesem Grund ist das Vierwalzenwalzwerk entwickelt worden. Hier
kommen verhältnismäßig kleine'Arbeitswalzen zur Verwendung, um die die Walzen auseinandertreibenden
Kräfte gering zu halten, während große Stützwalzen, die in Lagern mit großen Abmessungen
angeordnet sind, der Abstützung der Arbeitswalzen dienen. Um den Arbeitswalzendurchmesser
gering halten und auf diese Weise die Verformungsfähigkeit des Walzenwerks erhöhen
zu können, sind die Stützwalzen manchmal angetrieben, während die Arbeitswalzen
keinen Antrieb haben. Aber selbst dann gibt es für
das Verhältnis
der Lange zu dem Durchmesser der Arbeitswalzen praktisch eine obere Grenze, da die
Arbeitswalzen nur in einer durch ihre Achse gehenden Vertikalebene voll abgestützt
sind, während in der durch die Walzenachse gehenden Horizontalebene nur an den Enden
eine Abstützung stattfindet.
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Das Gruppenwalzwerk (5. z.B. die auf den Namen Rohn lautende US-PS
2 085 449 oder die auf den Namen Sendzimir lautenden US-PS 2 169 711; 2 187 250
und 2 776 586) war ursprünglich geschaffen worden, um die Beschränkungen des Vierwalzenwalzwerkes
zu beseitigen, indem die Arbeitswalzen sowohl in der Vertikal- als auch in der Horizont
al ebene über ihre ganze Länge eine volle Abstützung erhielten. Die Sendzimir-Bauart
des Gruppenwalzwerkes brachte grundsätzlich auch eine gleichmäßige Abstützung der
Zwischenwalzen mit Hilfe von Rollen, um die Stützwalzenausbiegung als Ursache mangelnder
Ebenheit des Produktes zu beseitigen. Rund um die Welt sind mehrere hundert Sendzimir-Walzwerke
erstellt worden, da zum Walzen von harten Materialien, wie rostfreien oder legierten
Stählen, hochgekohlten Stählen, Nickel- und Kobaltlegierungen und dgl. ein kleiner
Arbeitswalzendurchmesser erforderlich ist.
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Für viele Materialien, insbesondere die häufiger benutzten Netalle,
wie z.B. niedriggekohlter Stahl, Kupfer, Messing, Bronze, Aluminium und deren Legierungen,
ist die kleine Arbeitswalze des Sendzimir-Walzwerkes für eine wirtschaftliche Arbeitsweise
jedoch nicht notwendig. Außerdem kann die kleine Arbeitswalze die Produktionsmenge
beschränken, da bei ihr im Vergleich mit einer großen Arbeitswalze mehr Schwierigkeiten
auftreten, bei hohen Geschwindigkeiten ein thermisches Gleichgewicht aufrechtzuerhalten.
Andererseits wird die große Arbeitswalze des Vierwalzenwalzwerkes bei
Leichtprofilen
infolge der Abflachung der Arbeitswalze an der Oberfläche des Walzgutes unvorteilhaft.
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Leider besteht in der Praxis bei den Arbeitswalzen des Sendzimir-Walzwerkes
für das Verhältnis von Länge zu Durchmesser eine untere Grenze. Wenn nämlich die
Arbeitswalzen wesentlich größer werden als die Zwischenwalzen, so kann dies ein
Reißen oder sogar einen Bruch der Zwischenwalzen zur Folge haben und wenn die Anordnung
so abgeändert wird, daß stärkere Zwischenwalzen Verwendung finden, so kann die Walzengruppe
unstabil werden.
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In der Praxis hat bei einem 72" breiten Walzwerk, wenn es sich um
ein Sendzimir-Walzwerk handelt, der Arbeitswalzendurchmesser einen Maximalwert von
etwa 4". Bei einem Vierwalzenwalzwerk der gleichen Breite von .72" läge dagegen
der Nindestarbeitswalzendurchmesser bei etwa 20". Bei schmäleren Walzwerken würden
die Arbeitswalzendurchmesser sowohl beim Sendzimir-Walzwerk als auch beim Vierwalzenwalzwerk
proportional kleiner sein.
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Es liegt auf der Hand, daß bei einem Walzwerk, welches bei einer Walzwerksbreite
von 72" Arbeitswalzendurchmesser im Bereich von 4 bis 20" und bei schmäleren Walzwerksbreiten
entsprechend kleinere Arbeitswalzendurchmesser zuläßt, die Möglichkeit besteht,
die Vorteile beider Walzwerke, nämlich des 20-Walzengruppenwalzwerkes und des Vierwalzenwalzwerkes
zu kombinieren. Wenn solch eine Walzwerksausführung gefunden werden könnte, so wäre
es möglich, für ein gegebenes Material und eine gegebene Materialstärke den theoretisch
optimalen Arbeitswalzendurchmesser festzustellen und dann die Walzwerkskonstruktion
zu ermitteln, die diesen Durchmesser ergibt. Dies wäre eine ganz beträchtliche Verbesserung
des
gegenwärtigen Standes der Technik, bei welchem es üblicherweise notwendig ist, einen
Arbeitswalzendurchmesser zu wahlen, der entweder größer oder kleiner als der optimale
Durchmesser ist, und von den Beschränkungen des gewählten Walzenmusters abhängt.
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Die Erfindung liefert nun eine neue Gruppenwalzwerksanordnung, welche
Arbeitswalzengrößen im Bereich zwischen den Walzengrößen bestehender Gruppenwalzwerke
und den Walzengrößen eines Vierwalzenwalzwerkes zuläßt. Diese Anordnung weist das
Grundmerkmal aller Sendzimir-Gruppenwalzwerke auf, daß nämlich alle Walzen der Gruppe
über ihre ganze Länge sowohl in waagerechten als auch in senkrechten Ebenen abgestützt
sind. Es ist auch so, daß das Walzwerk gemäß der Erfindung die Vorteile bestehender
Gruppenwalzwerke, nämlich stärkerer Verformungen Je Stich und zwischen Glüharbeitsgängen
mit den Vorteilen eines Vierwalzenwalzwerkes kombiniert, die in der leichteren Aufrechterhaltung
eines thermischen Gleichgewichts der Arbeitswalzen bestehen, woraus sich die Möglichkeit
ergibt, die Walzengeschwindigkeit zu erhöhen.
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Die Erfindung schafft auch die Moglichkeit, für ein gegebenes Material
den optimalen Arbeitswalzendurchmesser festzustellen und wie dieser Durchmesser
durch die Verwendung eines Walzwerkes gemäß der Erfindung erreichbar ist.
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Dies ist eine Verbesserung der bekannten Walzwerke, bei denen die
Wahl eines optimalen Durchmessers im allgemeinen nicht möglich ist.
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Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung zeigt die Zeichnung,
und zwar sind:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des geometrischen
Aufbaues der Walzengruppe gemäß der Erfindung, Fig. 2 eine teilweise geschnittene
Vorderansicht der in einem einstückigen Gehäuse untergebrachten Walzengruppe, Fig.
3 eine schaubildliche Darstellung des einstückigen Gehäuses, Fig. 4 ein Schnitt
durch die in dem einstückigen Gehäuse untergebrachte Walzengruppe, Fig. 5 ein Schnitt
nach Linie 5-5 in Fig. 4 woraus die Ausbildung und Anordnung von seitlichen Abstützelementen
ersichtlich ist, Fig. 6 ein Schnitt nach Linie 6-6 in Fig. 4, welcher ebenfalls
die Ausbildung und Anordnung seitlicher Abstützelemente erkennen läßt, Fig. 7 eine
Vorderansicht einer anderen Ausführungsform, bei der in Verbindung mit der Walzengruppe
eine übliche Keil- und Anstelleinrichtung in einem Gehäuse Anwendung findet, Fig.
8 eine schaubildliche Ansicht des Gehäuses nach Fig. 7, Fig. 9 ein Schnitt durch
die Walzengruppe nach Fig. 7, woraus sich eine Anpassung an größere Arbeitswalzen
ergibt,
Fig. 10 ein Schnitt nach Linie 10-10 in Fig. 9, woraus
die Ausbildung und Einstellung seitlicher Abstützelemente ersichtlich ist, Fig.
11 ein Schnitt nach Linie 11-11 in.Fig. 9, der die Ausbildung der seitlichen und
oberen Abstützelemente erkennen läßt, Fig. 12 eine teilweise geschnittene Vorderansicht
der Walzengruppe in der aus Fig.? ersichtlichen Anordnung in Verbindung mit die
Durchbiegung beeinflussenden Anstellmitteln, Fig. 13 eine schematische Vorderansicht,
welche die Umwandlung in eine übliche 1-2-Walzengruppenanordnung zeigt, Fig. 14
eine schematische Vorderansicht einer Walzengruppe gemäß der Erfindung und Fig.
15 ein Kraftdiagramm der walzengruppe nach Fig.14.
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Das Wesen der vorliegenden Erfindung ist schematisch in Fig. 1 dargestellt.
Es handelt sich hierbei um ein 20-Walzenwalzwerk in der Anordnung 1-3-6, d.h. es
sind in jeder der beiden Gruppen eine Arbeitswalze, drei Zwischenwalzen und sechs
Stützwalzen vorhanden.
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In der oberen Gruppe ist die Arbeitswalze 30 durch drei Zwischenwalzen
27, 28 und 29 abgestützt. Die Zwischenwalze 28 erhält ihre Abstützung durch die
Stützwalzen 21 und 22.
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Der Abstützung der Zwischenwalze 29 dienen die Stützwalzen 25 und
26, während die mittlere Zwischenwalze 27 durch die
Stützwalzen
23 und 24 abgestützt ist. Die untere Walzengruppe ist in gleicher Weise aufgebaut.
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Die Ausbildung der Stützwalzen und Abstützelemente kann dem Stand
der Technik entsprechen. Dabei würde jede Stützanordnung eine ortsfeste Achse aufweisen,
die auf ihrer Länge in Abständen von festen, in dem Walzwerksgehäuse gelagerten
Sätteln getragen wird und ihrerseits drehbare Rollen trägt, welche mit einer Zwischenwalze
der Gruppe in unmittelbarem Kontakt stehen und so die Zwischenwalze unterstützen.
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Wie man sieht, sind die seitlichen Stützwalzen oder -rollen 21, 22
und 25, 26 kleiner als die oberen Stützwalzen 23, 24.
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Dies deshalb, weil die Walzen 23 und 24 im allgemeinen die größte
Belastung aufnehmen müssen.
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Ein Merkmal dieser Gruppe ist, daß sie statisch unbestimmt ist. Der
Grad der Abstützung der Arbeitswalze durch die Zwischenwalzen 28 und 29 hängt von
der relativen Steifheit der Gruppe und der Abstützelemente ab. Ein Nachteil dieses
Merkmals besteht darin, daß es notwendig ist, die Stellungen der Stützwalzen oder
-rollen 21 und 22 sowie 25 und 26 einzustellen, um Jegliches Spiel zwischen den
Zwischenwalzen 28 und 29 und der Arbeitswalze 30 zu beseitigen.
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Ein Spiel könnte beispielsweise auftreten, wenn die Arbeitswalze 30
gegen eine andere von kleinerer Größe ausgetauscht wird. Eine solche Einstellung
ist bei Walzengruppen der bekannten Art nicht notwendig, weil alle statisch bestimmt
sind.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig.2 dargestellt. Hier
ist die Walzengruppe in einem einstückigen Gehäuse 31 derjenigen Art untergebracht,
wie sie bei den vorhandenen Sendzimir-Gruppenwalzwerken zu finden ist.
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Die Konstruktion dieses Gehäuses ergibt sich aus Fig.3.
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Die oberen und unteren Stützwalzen 23 und 24 sind beträchtlich größer
als die seitlichen Stützwalzen 21, 22, 25 und 26.
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Die oberen und unteren Stützrollen und Abstützelemente entsprechen
dem Stand der Technik und sind, wie aus Fig. 2 und 4 ersichtlich, auf Achsen oder
Balken 33 gelagert, die sich in Gehäusebohrungen auf Sätteln 34 abstützen. Die Achsen
oder Balken 33 sind innerhalb der Sättel exzentrisch angeordnet, so daß eine Anstellung
durch eine Drehung der Achsen mit Hilfe eines Zahntriebes 35,36 möglich ist.
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Die Fig. 4 und 5 zeigen einen üblichen Satz von seitlichen Stützrollen
21, die auf einer Achse 46 angeordnet sind.
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Diese Rollen befinden sich in Ausschnitten des Tragbalkens 40, gegenüber
welchem sie auf der Achse 46 drehbar sind.
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Abstandhülsen 45 dienen dazu, die Rollen innerhalb der Balkenausschnitte
in der Mitte zu halten. Die inneren Laufbahnen der Rollen 21 sind durch Muttern
47 eingespannt.
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Der Tragbalken 40 wird in waagerechter Richtung über eine Zwischenlage
44 durch einen Keil 41 unZ in senkrechter Richtung durch eine Schwalbenschwanzverbindung
mit dem Gehäuse 31 gehalten, wie man dies der Fig. 6 entnehmen kann. Die Zwischenlage
44 kann aus nachgiebigem Material bestehen, das den Walzen 28 und 29 eine gewisse
Horizontalbewegung ermöglicht, wenn die Arbeitswalze 70 sich bei den Anstellbewegungen
auf- und abbewegt. Der Keil 41 wird in waagerechter Richtung durch das Walzwerksgehäuse
31 gehalten.
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Ein Spiel zwischen den Zwischenwalzen 28 und 29 und der Arbeitswalze
30 kann durch eine seitliche Verschiebung des Tragbalkens beseitigt werden. Diese
seitliche Verschiebung erfolgt durch eine Verstellung des Keiles 41. Zu diesem Zweck
ist der Keil 41 mit einer Zahnradwelle 42 versehen, deren Zähne mit einer entsprechenden
Zahnung in dem Keil kämmen. Das Anheben des Keiles längs der schrägen Fläche des
Walzwerksgehäuses bewirkt eine seitliche Verschiebung
des Tragbalkens
und der Rollen 21 und 22. Die Zahnradwelle 42 ist in Lagern 43 des Walzwerksgehäuses
drehbar gelagert.
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Die Konstruktion aller vier seitlichen Abstützanordnungen, ihrer Halterung
und ihres Verstellmechanismus ist ähnlich, wie vorstehend beschrieben.
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Fig. 7 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung. In diesem
Falle ist die Walzengruppe innerhalb eines Gehäuses 50 angeordnet. Dieses Gehäuse
hat am Boden des Gehäusefensters Abstandsstücke 56 und am oberen Ende des Gehäusefensters
Schrauben 52. Die Schrauben 52 können mit Hilfe von Untersetzungsgetrieben 53 gedreht
werden, um den Walzspalt in bekannter Art einzustellen.
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Fig. 8 zeigt eine typische Konstruktion des Gehäuses 50.
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Das Gehäuse kann entweder einstückig gegossen oder aus zwei üblichen
Vierwalzenwalzwerksgehäusen hergestellt sein, die mit Hilfe von verbolzten oder
verschweißten Abstandsstücken miteinander verbunden sind.
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Wie aus den Fig. 9 und 11 ersichtlich ist, haben die oberen und unteren
Stützelemente Rollen 23 und 24, welche auf Achsen 58 gelagert sind. Hier sind die
Achsen 58 aufTragbalken 51 gelagert. Die Achsen sind auf den Tragbalken mit Hilfe
von Kappen 54 festgelegt, welche mit den Tragbalken verbolzt sind. Die Rollen 24
werden auf der Achse 58 durch Abstandsstücke 59 in Abstand gehalten, und sie sind
axial durch Endplatten 57 gesichert, welche auf jedes Ende der Achsen aufgebolzt
sind. Die Kappen 54 sind mit Schwalbenschwänzen versehen, welche in entsprechende
schwalbenschwanzförmige Nuten der seitlichen Tragbalken 55 eingreifen, wodurch die
Halterung in senkrechter Ebene gesichert ist.
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Der untere Tragbalken ruht auf den Abstandsstücken 56, während der
obere Tragbalken durch bekannte Ausgleichszylinder gegen die Schrauben 52 vorbelastet
ist.
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Die Anordnung und die Einstellung der seitlichen Abstützrollen und
der seitlichen Tragbalken entspricht der vorstehend beschriebenen Art und der Darstellung
in den Fig.
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4 und 5. Nach den Fig. 9, 10 und 11 sind die Tragbalken 55 jedoch
in senkrechter Ebene nicht durch die Gehäuse, sondern von Kappen 54 getragen. So
werden bei Betätigung der Anstellvorrichtung die seitlichen Abstützrollen 21 und
22 mit der Arbeitswalze 30 angehoben oder abgesenkt. In diesem Falle besteht für
nachgiebige Zwischenlagen zwischen den seitlichen Tragbalken und den Einstellkeilen
keine Notwendigkeit und die seitlichen Tragbalken 55 liegen unmittelbar an den Einstellkeilen
an.
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Fig. 9 zeigt auch, wie in der unteren Walzengruppe durch Betätigung
der Einstellkeile 41 eine größere Arbeitswalze untergebracht werden kann, indem
die seitlichen Abstützelemente zurückgezogen werden und ein dünneres Abstandsstück
56 verwendet wird, um so in vertikaler Richtung den notwendigen Zusatzraum zu schaffen.
In gleicher Weise kann auch die obere Walzengruppe mit einer größeren Arbeitswalze
ausgerüstet werden.
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Fig. 12 zeigt, wie eine Anstellvorrichtung zur Beeinflussung von Durchbiegungen
bekannter Art in die Ausführungsform nach Fig.9 eingebaut werden kann. Die Achsen
58 können durch drehbare Exzenter 65 mit Hilfe von damit vernieteten Zahnrädern
64 und Zahnstangen 63 in das gewünschte Profil gebogen werden. Die Exzenter 65 sind
zwischen jeder Rolle 23 und der Nachbarrolle auf der gleichen Achse angeordnet.
Jede
Zahnstange 63 kann mittels einer Antriebsmutter 66 gehoben
und gesenkt werden. Die Mutter 66 greift mit ihrem Innengewinde in das Außengewinde
der Zahnstange ein. Mit einer äußeren Zähnung steht die Mutter 66 mit einem Zahnrad
67 in Eingriff, das von einem Antrieb auf dem Gehäuse 50 in Drehung versetzt werden
kann.
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Durch Ausbau aller Zwischenwalzen, Arbeitswalzen, seitlichen Abstützelemente
und seitlichen Tragbalken und Ersatz dieser Teile durch zwei große Arbeitswalzen
kann ein Walzwerk gemäß der Erfindung in ein 6-Walzen-Gruppenwalzwerk der 1-2-Anordnung
umgewandelt werden, das für Temper- oder Oberflächenwalzstiche geeignet ist. Diese
Ausführung zeigt Fig. 13.
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Andere Merkmale der Konstruktion können dem Stand der Technik entsprechen.
Der Antrieb kann unmittelbar auf die Arbeitswalzen oder indirekt über die oberen
und unteren Zwischenwalzen 27 erfolgen. Letzteres ist vorzuziehen, wenn verhältnismäßig
kleine Arbeitswalzen Verwendung finden. Eine axiale Einstellbarkeit der Zwischenwalzen
27 kann ebenfalls in bekannter Weise vorgesehen sein, um dem Bandkantenprofil die
gewünschte Form zu geben.
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Bei den dargestellten Ausführungsformen ist eine Einstellung der seitlichen
Stützrollen mittels Schrauben und Keilen vorgesehen, doch kann die Einstellung auch
durch andere mechanische oder hydraulische Mittel oder durch eine Kombination derselben
erfolgen.
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Bekanntlich ist die maximale Reduktion, die beim Kaltwalzen in einem
Stich erzielt werden kann, eine direkte Funktion des Arbeitswalzendurchmessers.
Die maximale Reduktion kann beim Vorwalzen ein beschränkender Faktor sein. In diesem
Fall
muß bei gleichen vorwärts und rückwärts gerichteten Zugspannungen
und wenn die Walzen greifen, d.h. nicht rutschen sollen, die Bedingung 6 max. #
2k2 D2 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ (i) erfüllt sein, wobeiJmax. = (H1-H2) max. = der erreichbaren
maximalen Reduktion in Zoll ist.
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Eine andere bekannte Beziehung, welche ziemlich genau auf das Vorwalzen
paßt (bei dem die Walzenabplattung gewöhnlich vernachläßigt werden kann), ist RSF
=
(ii) worin die Reduktion in Zoll der Walzenspaltreibungskoeffizient D2 der Arbeitswalzendurchmesser
in Zoll H1 das Eingangskaliber und H2 das Ausgangskaliber (in Zoll) ist.
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Das Vorwalzen erfolgt normalerweise, ob nun auf Tandemwalzwerken oder
auf Umkehrwalzwerken,mit Bandgeschwindigkeiten von etwa 800 Fuß/Nin. oder weniger.
Für diese Geschwindigkeit gibt Stone in Verbindung mit veischiedenen Schmierstoffen
Werte des Reibungskoeffizienten im Walzspalt von etwa 0,07 an, was der eigenen Erfahrung
entspricht. Unter Verwendung dieses Wertes vereinfacht sich die Gleichung (i) zu
# max.# D2/100 unter beschränkenden Bedingungen (iii) Durch Einsetzen dieses Wertes
in (ii) erhält man RSF = KD2/14,14 lb/Zoll ~~~~~~~~~~~~~ (iv) Gleichzeitig errechnet
sich die zur Erzielung dieser Reduktion bei einer Geschwindigkeit von 100 Fuß/Nin.
erforderliche Leistung zu V = # x K x 100 = D2 x K HP/100 Fuß/Min./Zoll (v) 33 000
33 000 Das Verhältnis RSF/Leistung bei 100 Fuß/Min. ergibt sich aus der Gleichung
RSF KD2 33 000 = x = 2333 lb/HP/100 Fuß/Min. (vi) V 14,14 KD2
Wie
man sieht ist dieses Verhältnis unabhängig von der Härte R des zu walzenden Materials.
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Aus den vorstehenden Beziehungen ist zu entnehmen, daß es für eine
gegebene Walzentrennkraft und eine gegebene Material härte einen optimalen Arbeitswalzendurchmesser
gibt, der beim Vorwalzen die höchstmögliche Reduktion liefert. Ein größerer Arbeitswalzendurchmesser
kann keine solch große Reduktion liefern, wie die Gleichung (ii) erkennen läßt.
Ein kleinerer Arbeitswalzendurchmesser kann auch keine so große Reduktion liefern,
weil, wie aus der Gleichung (iii) ersichtlich, schon bei kleinerer Reduktion ein
Rutschen beginnt.
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Es soll nun gezeigt werden, daß die mit bekannten Walzwerkskonstruktionen
erreichbaren Werte des Arbeitswalzendurchmessers für einen sehr großen Bereich von
Materialien entweder viel grösser oder viel kleiner als der optimale Durchmesser
sind, während das Walzwerk gemäß der Erfindung einen optimalen Arbeitswalzendurchmesser
ermöglicht.
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Im Falle eines Vierwalzenwalzwerkes haben sich gewisse Größenverhältnisse
als erforderlich erwiesen. So ist der maximale Stützwalzendurchmesser im allgemeinen
gleich der Breite des zu walzenden Bandes, während der Mindestdurchmesser der Arbeitswalze
nicht kleiner als etwa ein drittel der Bandbreite sein kann und durch die Walzenzapfenbelastung
begrenzt ist. Weiterhin kann auf Grund handelsüblicher Rollenlager für Walzwerksstütwaleen
angenommen werden, daß RSF = 1500 D1 (vii) ist, wobei D1 für den Stützwalzendurchmesser
steht. Die Gleichungen (vii) und (iv) können nun dazu benutzt werden, um die folgende
Tabelle für Vierwalzenwalzwerke aufzustellen.
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Tabelle 1 Bandbreite Zoll 72 60 48 36 24 18 D1 Zoll 72 60 48 36 24
18 vorliegender Wert von D2 Zoll 24 20 16 12 8 6 RSF max. x 1000 Pfund/Zoll 108
90 72 54 36 27 Für max. Reduktion (A) D2 wie oben, K=(1000 Pfund/ Zoll²) 64 (K=14,14
x RSF/D2) (B) E,150,000, D2 = (Zoll) 10,2 8,5 6,8 5,1 3,4 2,6 (C) K=100,000, D2
= (Zoll) 15,3 12,7 10,2 7,6 5,1 3,8 (D) K= 50,000, D2 = (Zoll) 30,5 25,5 20,4 15,3
10,2 7,6 (D2=14,14 x RSF/K) Es zeigt sich, daß zur Erzielung der maximalen Reduktion
bei gegebener RSF für härtere Materialien ein viel kleinerer Arbeitswalzendurchmesser
verwendet werden sollte. Außerdem ist der vorliegende Geringstdurchmesser D2 weit
größer als der optimale Wert für Materialien mit einem Verformungswiderstand von
mehr als 64 000 Pfund/Zoll2.
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Man sieht weiterhin-, daß das Vierwalzenwalzwerk höchstmögliche Reduktionen
nur bei Bändern mit einem Verformungswiderstand von 64 000 Pfund/Zoll2 oder weniger
ergibt. Nur Materialien wie reines Kupfer, Aluminium und einige Aluminiumlegierungen
haben einen Verformungswiderstand dieser Größenordnung, insbesondere-nach einer
gewissen Härtebehandlung.
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Im Falle eines 20-Walzen-Gruppenwalzwerkes sind die Abmessungsverhältnisse
durch die Geometrie bestimmt und sie müssen in dem nachstehend angegebenen Bereich
liegen.
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Tabelle 2 Walzwerksgröße 20 21 22 23 33 24 Stützlagerdurchmesser D0Zoll
20 16 11,811 8,858 6,299 4,724 Antriebswalzendurchmesser D1 Zoll 11,56 9,25 6,83
5,12 3,64 2,73 Max.RSF x 1000 Pfund/Zoll 56,7 45,3 33,5 25,1 17,8 13,4 Max. HP/100
Fuß/Min. 2004 1284 700 394 200 112 (15 D12) Max. HP/100 Fuß/Min./Zoll (entspr. (vi))
24,3 19,4 14,4 10,8 7,6 5,7 Max.Breite bei max.Drehmoment/Zoll (= HP/100 Fuß/Min.~
HP/100 Fuß/Min/Zoll) 90 72 51 37,5 27 21 Sattel Zoll 11,25 9 8,5 6,25 4,5 3,5 Mindestbreite
33,75 27 25,5 18,75 13,5 10,5 ( 3 Sattelhöhen) Max. Arbeitswalzendruchmesser D2
Zoll 5,08 4,06 3,0 2,25 1,60 1,20 Mindestarbeitswalzendurchmesser D2 Zoll 3,5 2,85
2,10 1,58 1,12 0,84 Für max. Reduktion (A) Max. D2 wie oben K = (1000 Pfund/Zoll²
158 (B) Mindest D2 wie oben K = (1000 Pfund/Zoll² 225 (K=14,14 x RSF/D2)
(c)
K 5 150,000 D2 =(Zoll) 5,34 4,27 3,16 2,37 1,68 1,26 (D) K = 100,000 D2 =(Zoll)
8,02 6,41 4,74 3,55 2,52 1,89 (E) K 5 50,000 D2 =(Zoll) 16.03 12,81 9,47 7,10 5,04
3,79 (D2=14,14 x RSF/K) Wie ersichtlich sollte zur Erreichung der maximalen Reduktion
bei der betreffenden RSF für weitere Materialien eine größere Arbeitswalze benutzt
werden. Weiterhin ist der tatsächliche maximale Durchmesser D2 größer als der optimale
Wert für Materialien mit einem Verformungswiderstand von weniger als 158 000 Pfund/Zoll2.
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Weiter ist ersichtlich, daß das 20-Walzen-Gruppenwalzwerk größtmögliche
Reduktionen nur bei Bändern ergibt, deren Verformungswiderstand im Bereich von 158
000 - 225 000 Pfund/ Zoll2 liegt. Nur solche Materialien wie rostfreie Stähle, Werkzeugstähle,
hochgekohlte Stähle und einige besondere Legierungen haben beim Vorwalzen einen
Verformllngswider stand dieser Größenordnung.
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Da die große Mehrzahl der Kaltwalzwerke in der Welt entweder 4-Walzenwalzwerke
oder 20-Walzen-Gruppenwalzwerke sind und ein sehr hoher Prozentsatz der zu walzenden
Materialien einen Verformungswiderstand im Bereich von 64000 - 158000 Pfund/Zoll2
hat, für die keines dieser Walzwerke eine Arbeitswalzengröße für die größtmögliche
Reduktion liefern kann, so folgt daraus, daß dem Walzwerk gemäß der Erfindung, das
für Materialien in dem obigen Verformungswiderstandsbereich optimale Arbeitswalzengrößen
bieten kann, ein beträchtlicher technischer Fortschritt zuzuerkennen ist.
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Zweckmäßig hat das Walzwerk gemäß der Erfindung im allgemeinen übliche
Stützelemente und Antriebswalzen wie bei 20-Walzen-Gruppenwalzwerken, wobei die
mittlere Zwischenwalze angetrieben ist. Bei einer gegebenen Antriebswalzengröße
wird die Drehmomentleistung des betrachteten Walzwerkes (HP/100 Fuß/Min.) die Hälfte
derjenigen des 20-Walzenwalzwerkes betragen, da nur zwei Antriebswalzen vorhanden
sind, während das letztere Walzwerk vier Antriebswalzen hat.
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Tabelle 3 (Grundwerte) Walzwerksgröße 40 41 42 43 44 45 Stützlagerdurch-
20 16 11.811 8,858 6,299 4.724 messer Dz zoll Antriebswalzendurch- 14,45 11.56 9,25
6,83 5,12 3,64 messer D1 Zoll Max. HP/100 Fuß/Min.
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( 7,5 D12) 1566 1002 642 350 197 100 Max. RSF x 1000 Pfund/Zoll (unter
Benutzung der 47,1 57,7 28,5 21,2 15,3 11,3 Gleichung (viii)) Max. HP/100 Fuß/Min/Zoll
(unter Verwendung der 20,2 16,2 12,2 9,1 6,6 4,9 Gleichung (vi)) Max.Breite bei
max.
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Drehmoment/Zoll (HP/100 Fuß/Min.-71 HP/100 78,75 63 51 37,5 27 21
Fuß/Min/Zoll) Mindestbreite (3 Sättel) 33,75 27 25,5 18,75 13,5 10,5 Mindestdurchmesser
der Arbeitswalze D2 Zoll 4,70 3,76 3,01 2,22 1,66 1,18
Wert von
K (1000 Pfund/ Zoll2) 142 142 134 135 130 135 für die max.Reduktion (K=14,14 x RSF/D2)
Max.Arbeitswalzendurchm.D (etwa 60% von D1) 2 8,7 6,9 5,6 4,1 3,1 2,2 Wert von K
(1000 Pfund/Zoll2) für die max.Xeduktion 77 77 72 73 70 73 (bei max. D2) Wenn bei
dem neuen Walzwerk, auf das sich die vorstehende Tabelle bezieht, D0 der Durchmesser
der Hauptstützlagerungen 23,24 (Fig.1) ist, so beträgt der horizontale Abstand dieser
Lagerungen normalerweise 1,1 Dg, Die Belastungsfähigkeit dieser Lagerungen bei direkter
Belastung ist die Belastungskapazität Co = 1530 x D0 Pfund/Zoll Breite. Die Belastung
jeder dieser Lagerungen ist
Daher ergibt sich die zulässige RSF (welche die Lagerungen gerade bis zu ihrer vollen
Belastungsfähigkeit belastet) aus der Gleichung
Um den kleinsten Arbeitswalzendurchmesser zu ermitteln, der bei der Walzenanordnung
nach der vorliegenden Erfindung verwendbar ist, ist es notwendig, daß man den maximalen
Durchmesser D3 der seitlichen Zwischenwalzen 28,29 und den maximalen Durchmesser
der seitlichen Stützrollen 21, 22, 25, 26 berechnen kann, der bei der gegebenen
mittleren-Zwischenwalze 27 und Arbeitswalze 30 brauchbar ist. Dann wird die
dem
aufgewendeten Walzmoment proportionale Belastung der Stützrollen berechnet und mit
der Belastbarkeit der Stützrollenlager verglichen, die sich aus der nachfolgenden
Gleichung ergibt: Belastungskapazität C4 = 850 x D4 x (D4/D2)0.3 (ix) Diese Gleichung
beruht auf veröffentlichten Lagerwerten und wird dazu benutzt, um eine Lebensdauer
der seitlichen Stützrollenlager sicherzustellen, die der Lebensdauer von Arbeitswalzenlagern,
in einem Vierwalzenwalzwerk entspricht. Es wurde festgestellt, daß das maximale
Verhältnis von Kapazität zu Belastung für diese seitlichen Stützrollen erzielt wird,
wenn die seitlichen Zwischenwalzen 28,29 und die seitlichen Stützrollen 21, 22,
25, 26 möglichst groß gewählt werden, obwohl die Belastungen nicht gleichmäßig auf
die seitlichen Stützrollensätze aufgeteilt werden können. Daraus ergibt sich, daß
die Reaktionskraft U2 auf das Drehmoment, die die seitliche Abstützung der Arbeitswalze
bewirkt, im allgemeinen nicht horizontal wirksam ist (siehe Fig.14 und 15).
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Nachfolgend ist das Berechnungsverfahren angegeben: Um einen Spielraum
zum Einfädeln des Bandes und zur Bandbesprühung zu belassen, sind Toleranzen von
K = 0,14 R1, M 5 0,006 R1 und (1-R1) = 0,06 R1 vorgesehen. Diese,Xönnen sich bei
verschiedenen Anwendungsfällen ändern.
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Radius R3 der seitlichen Zwischenwalze =
Koordinaten der Mitte der seitlichen Zwischenwalze
(xi) N = R3 + K (xii)
Um den Radius R4 der seitlichen Stützlagerungen
und die Koordinaten (X1 und Y1) der Mitten der oberen seitlichen Stützlagerungen
(d.h. die Mitten von 22 und 25, Fig.14) zu erhalten, ist es notwendig, die folgenden
drei Gleichungen zu berechnen X12 + (Y1 - J)² = (I + R4)² (viii) (X1 - B)² + (Y1
- N)² = (R3+R4)² (xiv)
+ (Y1-R4-K)² = (2R4+M)² (xv) Dann werden die Koordinaten (X2,Y2) der Mitten der
unteren seitlichen Stützlagerungen, d.h. die Mitten von 21 und 26, Fig.14, berechnet.
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(xvi) Y2 = K + R4 (xvii) Fig. 15 zeigt die Krafdiagramme für das Gleichgewicht
der Arbeitswalze 30 und der seitlichen Zwischenwalze 29. Die Werte der Belastungen
U3 und U4 der seitlichen Stützlagerungen werden wie folgt bestimmt.
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T4 = arc tang
(xviii) Aus der Gleichung (viii) ist die zulässige RSF bekannt.
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Nach (vi) ist V = RSF/2333 HP/100 Fuß/Min/Zoll Also ist : U1 = V x
33,000 = 0,0707 RSF (xix) 2 x 100 U2 = U1/cosT4 (xx) T1 = arc tang
(xxi)
T2 = arc sinus
(xxii) T5 = T1 + T4 (xxiii) T6 = 2T2 -T5 (xxiv)
Das Verfahren wiederholt sich, d.h. zuerst wird ein Wert für R2 gewählt und das
obige Verfahren ergibt dann die Werte von R4D4 (=2X4), U3 und U4 und nun kann C4
aus Gleichung (ix) berechnet werden.
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Je nachdem, ob C4 größer oder kleiner als U3 und U4 ist, wird ein
kleinerer bzw. ein größerer Wert R2 gewählt und dieses Verfahren wird wiederholt
bis C4 = U3 oder U4 und welches auch immer größer ist.
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In der Praxis beträgt der Mindestwert von R2, der nach Berechnung
oder Entwurf brauchbar ist, etwa 25% von R1.
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Der Maximalwert von R2, der bei Anwendung der nach der obigen Berechnung
ermittelten Maximalwerte von R3 und R4 brauchbar ist, beläuft sich auf etwa 45%
von R1, wobei sich eine Begrenzung aus dem vorhandenen Raum (Fig.14) ergibt. In
diesem Fall nähern sich R3 und R4 ihren Maximalwerten von etwa 125% von R2.
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Für weichere Materialien, für die der optimale Wert von R2 gegenüber
R1 größer wird, sind die seitlichen Stützlagerungen nicht mehr kritisch. Wenn 122
über 45% von RI erhöht
wird, so können gleich große seitliche
Stützelemente und seitliche Zwischenwalzen verwendet werden. Auf diese Weise ist
es möglich, für R2 auf so hohe Werte wie 67% von R1 und mehr zu kommen.
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Bei einem gegebenen oberen Stützlagerungsradius Ro ist es übrigens
stets möglich, eine größere Antriebswalze zu verwenden, indem man sich der Standard-Antriebswalze
des nächstgrößeren Walzwerkes bedient usw.. Auf diese Weise können sogar größere
Arbeitswalzendurchmesser zur Anwendung kommen, ohne daß wesentliche Größenunterschiede
zwischen der Arbeitswalze und der Antriebswalze auftreten. Die Größe der Antriebswalze
ist unbeschränkt und stellt nur einen Kostenfaktor dar. Es ist auch möglich, eine
etwas kleinere Antriebswalze als für jeden Wert von Ro angegeben zu benutzen. Der
praktische Bereich des Radius der Antriebswalze erstreckt sich von etwa 5/8 R1 bis
zu etwa 1 1/4 R1.
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Da die Breite durch das zulässige Antriebswalzendrehmoment begrenzt
wird, so kann die maximale Breite mit wachsendem Antriebswalzendurchmesser größer
werden und umgekehrt.
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An dieser Stelle sei bemerkt, daß die vorstehende Feststellung nur
für Walzwerke gilt, die wenigstens zeitweise zum Vorwalzen benutzt werden. Wenn
hohe absolute Reduktionen nicht notwendig sind, wie bei Endstichen, können die gleichen
Beziehungen nicht gültig sein Bei Walzgerüsten, die mit Geschwindigkeiten über etwa
1500 Fuß/Min. arbeiten und großes Bandmaterial walzen, wo Produktionsverluste infolge
von Abmessungsabweichungen bei einer Beschleunigung oder Verlangsamung des Walzwerkes
unbedeutend sind, kann der Wert von e in Abhängigkeit vom Schmiermittel atif 0,035
oder weniger, d.h. auf rund die Hälfte des fruheren Wertes abfallen. Dies ergibt
für einen bestimmten Material-Verformungswiderstand
eine Verdoppelung
des optimalen Walzendurchmessers, so daß unter diesen Umständen der Walzendurchmesser
eines Vierwalzen-Walzwerkes für Materialien mit einem Verformungswiderstand bis
zu etwa 130 000 Pfund/ Zoll2 optimal sein kann.
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Wenn leichte Profile gewalzt werden, so kommt ein anderer Faktor ins
Spiel. Es ist bekannt, daß Material mit einer kleinen Arbeitswalze vorteilhafter
zu leichten Profilen gewalzt werden kann als mit einer großen Arbeitswalze.
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Zur Berechnung erhältlicher Profile kann die Stone'sche Formel benutzt
werden.
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H2 (min) = 3,58 µ D2 (K-S)/E. Hierin sind H2 (min) = Mindestprofilabmessungen
in Zoll, die gewalzt werden können.
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µ = Reibungskoeffizient im Walzspalt D2 = Arbeitswalzendurchmesser
in Zoll K = Verformungswiderstand oder Härte des zu walzenden Materials in Pfund/Zoll2.
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S = durchschnittliche Spannungsbelastung durch die Haspel in Pfund/Zoll².
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E = Elastizitätsmodul der Arbeitswalzen in Pfund/Zoll2 Bei Benutzung
dieser Formel, angenommenen Werten für e = 0,07 und S = 0,2K (d.h. maximalen Bandzug
während des Walzens von 20% der Materialhärte) und der Annahme, daß Stahlwalzen
mit einem Elastizitätsmodul E = 30 x 106 benutzt werden, ergibt sich 3,58 x 0,07
x 0,8 x D2 x K KD2 h (min) = = 30 x 106 150 x 106
Für verschiedene
Werte von D2 und K erhält man die Werte von h (min) gemäß der folgenden Tabelle
4 E x 103 = 400 300 200 150 100 D2 = 20 0,053 0,040 0,0267 0,020 0,0133 10 0,027
0,020 0,0133 0,010 0,0067 6 0,016 0,012 0,008 0,006 0,004 4 0,011 0,008 0,0053 0,004
0,0027 2 0,005 0,004 0,0027 0,002 0,0013 Zu beachten ist, daß viel kleinere Werte
von h(min) bei sehr hohen Walzgeschwindigkeiten erzielbar sind, da unter diesen
Umständen e so klein wie die Hälfte des obigen Wertes sein kann.
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In der Praxis werden sehr große Materialmengen mit einer Härte im
Bereich von 100 000 bis 300 000 Pfund/Zoll2 gewalzt und aus den Tabellen 1 und 4
ist ersichtlich, daß das Vierwalzen-Walzwerk nicht in der Lage ist, leichte Profile
(von weniger als etwa 0,01 Zoll) ausgenommen in sehr schmalen Breiten und aus weichen
Materialien zu walzen.
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Andererseits ergibt ein Vergleich der Tabellen 2 und 4, daß das 20-Walzen-Gruppenwalzwerk
Material praktisch jeder Härte bis zu sehr großen Breiten und zu außerordentlich
leichten Profilen oder Kalibern walzen kann.
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Vergleicht man die Tabellen 3 und 4 so zeigt sich, daß das Walzwerk
gemäß der Erfindung in der Lage ist, sogar die härtesten Materialien bis herab zu
den leichten Profilen zu walzen.
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Man kann also, vorausgesetzt die Endkaliber sind nicht
außergewöhnlich
leicht, mit dem Walzwerk gemäß der Erfindung Materialien mittlerer Härte bearbeiten,
größere Anfangsreduktionen als ein 20-Walzen-Gruppenwalzwerk oder ein Vierwalzen-Walzwerk
erzielen und leichtere Endkaliber als das letztere Walzwerk herstellen.
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In der Vergangenheit sind verschiedene Vorschläge zur Schaffung eines
Walzwerkes gemacht worden, dessen Arbeitswalze kleiner als diejenige eines Vierwalzen-Walzwerkes
ist. Am bekanntesten ist vielleicht das sogenannte MKW-Walzwerk nach der US-PS 4
059 002, das grundsätzlich ein Vierwalzen-Walzwerk mit abgestützter Antriebswalze
und sehr kleinen Arbeitswalzen ist, die an einer seitlichen Ausbiegung durch Versetzen
nach einer Seite der Mittellinie des Walzwerkes hin und durch seitliche Stützrollen
an dieser Seite gehindert sind, indem die Arbeitswalzen in der Horizontalebene gegen
die Horizontalkomponente der Walzentrennkraft abgestützt werden. Diese Konstruktion
war zweifellos erfolgreich und entsprechende Walzwerke sind bereits in Betrieb.
Die vorliegende Erfindung bietet jedoch gegenüber diesem Walzwerk Vorteile, da infolge
des großen Durchmesserunterschiedes zwischen der Arbeitswalze-und der Stützwalze
des MKW-Walzwerkes die Reduktionen wegen der Verschleißerscheinungen an der Stützwalze
beschränkt sind.
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Die Beanspruchungen bei der rollenden Berührung sind nämlich eine
direkte Funktion des Durchmesserverhältnisses.