DE3637206A1 - Selbstkompensierende walze - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Walze zur Verwendung in Maschinen für die Behandlung von gewalztem Flachgut, mit der unerwünschte, von der Last erzeugte Auslenkungen selbsttätig kompensiert werden.

Beim Walzen von Flach- bzw. Bandgut wie beispielsweise warm- und kaltgewalztem Kohlenstoffbandstahl, Gummi, Kunststoffen, Papier und dergl. biegen die zum Behandeln des Walzgutes verwendeten Walzen sich zwischen den beiden gelagerten Enden aus, wenn die Walzenmitte sich auf das Walzgut auflegt. Infolge ihrer Auswirkung auf das Gleichmaß des Querschnittes, d.h. auf das Profil und die Flachheit des Bandmaterials und auf die Dickenver­ ringerung entlang der Kanten ("edge drop") sowie infolge der Unmöglichkeit, diese Auswirkungen zufriedenstellend zu korrigieren, resultiert diese Ausbiegung in nicht akzeptierbaren Produktzuständen.

In der Vergangenheit hat man insbesondere in den Walz­ werken (um die es zur Erläuterung der Erfindung im folgenden im wesentlichen gehen soll) versucht, einige oder alle diese nachteiligen Vorgänge beim Walzen zu umgehen. Hierzu hat man u.a. eine Biegung in Kombination mit einer vorbestimmten Balligkeit der Walzen, speziell gestaltete Arbeits- und/oder Stützwalzen (einschl. mit Druckmittel aufblähbaren Walzen, verschiebbaren Walzen, einer thermischen Balligkeitssteuerung usw.) eingesetzt.

Als Hintergrundinformation zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung sei auf zwei Vorveröffentlichun­ gen eingegangen. Zunächst offenbart die US-PS 42 99 109 eine Verschiebehülsenanordnung mit einer massiven Welle und einer locker aufsitzenden äußeren Hülse im Stützrol­ lenaufbau. Die Hülse ist verschiebbar und soll die Ausbiegung in den über die Kanten des Walzgutes hinaus vorstehenden Teile der Arbeitswalzen verringern. Die US- PS 44 07 151 zeigt eine innenverschiebbare Welle in einer Stützwalzenkonstruktion, mit der die gleichen Ergebnisse erreicht werden sollen wie bei der erster­ wähnten bekannten Konstruktion. In der vorliegenden Erfindung sind der Dorn und die Hülse in Form einer zweiteiligen Konstruktion starr miteinander verbunden, wobei durch geeignete Konfiguration der Hülsengeometrie, die einen breiten Breitenbereich des Walzgutes abdecken soll, die gleichen Ziele wie bei den beiden bekannten Ausführungsformen erreicht werden.

Keiner dieser bekannten Versuche ist jedoch vollständig erfolgreich gewesen - insbesondere infolge der Tatsache, daß bei einem normalen Walzvorgang eine große Anzahl von Variablen beteiligt ist wie beispielsweise die Änderung der Breite des gewalzten Bandmaterials und des Reduk­ tionsgrades von Band zu Band, die Temperaturänderung zwischen aufeinanderfolgenden Bändern, die Temperatur­ änderung des Bandmaterials während des Walzens und die des Walzgerüstes selbst.

Ein weiterer Aspekt einer der Bedingungen, die zu einem nicht akzeptablen Produkt führen, ist die fortwährende Änderung der Gestalt bzw. Kontur der Arbeitsfläche der Arbeitswalzen unter anhaltenden Temperatur- und Bela­ stungsänderungen.

Auch bei der Herstellung eines Produktes mit einem in gewissen Grenzen ungleichmäßigen Profil war es in der Vergangenheit sehr schwierig, die erforderliche Stabili­ tät der Walzenbedingungen und insbesondere die Gestalt bzw. Kontur der Arbeitsflächen der Arbeitswalzen zu erreichen, mit denen das gewünschte Profil entlang des gesamten Bandes und auch aller Bänder hergestellt wird.

Aus den gleichen Gründen ist es bisher auch mit den oben erwähnten Korrekturmaßnahmen und -mitteln sehr schwierig gewesen, ein flaches, d.h. von Buckeln und Wellen freies Band zu erreichen und einen zu starken Dickenabfall entlang der Kanten zu erhindern.

Die vorliegende Erfindung bietet mindestens eine we­ sentliche Lösung dieser Probleme, indem sie eine Walze schafft, die ihrem Wesen nach unter den oben erwähnten Bedingungen die Walzenausbiegung erheblich zu verrin­ gern, wenn nicht zu eliminieren gestattet und dadurch eine flache oder gegebenenfalls kontrolliert flache bzw. profilierte Kontaktfläche der Walze herstellt, bei der es sich um eine Arbeitsfläche oder im Fall eines Mehr­ walzengerüsts um eine Oberfläche handelt, die auf einer zweiten Walze rollt.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Walzoberfläche, die während des Walzvor­ ganges im wesentlichen unverändert bleibt und im Resul­ tat das Ausmaß der externen Änderungen erheblich redu­ ziert, die gegebenenfalls durchgeführt werden müssen, um eine flache oder eine kontrolliert konturierte Walzober­ fläche zu erreichen.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist, eine in der Kontur kontrollierte Walzoberfläche zu erreichen, die gemeinsam mit bekannten externen Mitteln (bei­ spielsweise der Walzenbiegung) den nachteiligen Effekt der Walzendurchbiegung über Arbeitsbedingungen mit einem breiten Variablenbereich (beispielsweise Änderung der Bandmaterialbreite oder -art, des Reduktionsgrades, der Temperaturschwankungen usw.) ausgleicht.

Diese Ziele sowie andere Besonderheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung sollen anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher erläutert werden.

Fig. 1 ist eine schematisierte Darstellung eines Arbeits- und Stützwalzenpaares nach dem Stand der Technik und zeigt übertrieben stark die normale Eigendurchbiegung der Walzen unter einer Walzbelastung;

Fig. 2 ist eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung und zeigt eine erfindungsgemäß aufgebaute Stützwalze sowie die Wechselwirkung zwischen den beiden Walzen derart, daß die Arbeitswalze infolge der selbsttätigen Kompensation der Durchbiegung durch die Stützrolle eine flache Walzfläche aufweist;

Fig. 3A, 3B, 3C und 3D sind schaubildliche Darstellungen entsprechend der Fig. 2 zur Erläuterung der Walzenhohlräume; und

Fig. 4 ist eine schaubildliche Darstellung, die die in der Walzenhülse enthaltenen Anschlag- und Dichtelemente zeigt.

Zunächst zeigt die Fig. 1 eine auf übliche Weise aufge­ baute gußeiserne Arbeitswalze 10, deren Walzfläche auf einem Band S abrollt. Die Arbeitswalze 10 wird ebenfalls auf übliche Weise von einer gußstählernen Stützwalze 12 gestützt, deren Lagerzapfen 14, 16 mit den mit F/2 bezeichneten Anstellvorrichtungen auf die erforderliche Spaltbreite gehalten sind, wobei die erwähnte Bezeich­ nungsweise darauf hinweist, daß jedes Ende der Stütz­ walze 12 eine Hälfte der Gesamt-Walzkraft F aufnimmt, die erforderlich ist, um die erforderliche Dickenreduk­ tion des Bandes S zu erreichen.

Weiterhin zeigt die Fig. 1 übertrieben die normale Durchbiegung beider Walzen, wobei die Arbeitswalze 10 einen wesentlich kleineren Durchmesser hat und daher erheblich weniger steif ist als die Stützwalze 12 und eine Durchbiegung erfährt, die von der der Stützwalze abhängt. Weiterhin dargestellt ist der Umstand, daß die Ausbiegung der Arbeitswalze auf das Band S übergeht und dort zur Ausbildung unerwünschter Eigenschaften führt - beispielswiese ein ungleichmäßiges Profil, unzureichende Flachheit sowie ein Dickenabfall zu den Kanten hin infolge einer während des Walzens auf die Arbeitswalze 10 wirkenden ungleichmäßigen Lastverteilung, wie sie mit der Kurve F ₁ für die Arbeitswalze und mit der Kurve F ₂ für das Band S angedeutet ist.

Die Fig. 2 zeigt nun schaubildlich, wie oben angegeben, eine erfindungsgemäß aufgebaute Stützwalze; zur Bezeich­ nung gleicher Teile wie in Fig. 1 sind die gleichen Bezugszeichen verwendet. Die Stützwalze 18 ist in diesem Fall aus zwei Teilen ausgebildet, nämlich einer massiven Kernwelle 20 aus einer Eisengußlegierung und einer Hülse 22 aus einer geschmiedeten Stahllegierung. An den beiden Enden der Hülse 22 sind gegenüberliegende Hohlräume 24, 26 ausgebildet. Diese Hohlräume sind allgemein zylind­ risch und weisen axial eine Gestalt auf, die sich allgemein zur Mitte der Hülse 22 und der Kernwelle 20 der Stützwalze 18 verjüngt, bis sie verschwinden. Die Hülse kann auf die Kernwelle auf bekannte Weise aufge­ schrumpft sein; falls erwünscht, können auch andere Verfahrensweisen angewandt werden. Weiterhin ist einzu­ sehen, daß die Stützwalze 18 eine einteilige massive Walze sein kann, in der die Hohlräume 24, 26 auf belie­ bige Weise ausgebildet - beispielsweise eingearbeitet - sind, um den "Hülseneffekt" zu erreichen.

Die Erzeugung der Hohlräume 24, 26 erfolgt dabei sorg­ fältig so, daß die Hülse 22 einen selbsttätigen Aus­ gleich für die Ausbiegung der Stützwalze bewirkt, um eine flache oder im wesentlichen flache Kontaktober­ fläche für die Arbeitswalze 10 herzustellen. Bei diesem selbsttätigen Ausgleich biegen unter der Walzbelastung die "freien" Enden der Hülse entgegengesetzt zu der Richtung aus, in der sie normalerweise ausbiegen würden, wenn die Hohlräume nicht vorhanden wären, und zwar um einen Betrag, der im wesentlichen gleich der Durchbie­ gung der Kernwelle ist, so daß die Kontaktoberflächen beider Walzen im wesentlichen "flach" bleiben, wie in Fig. 2 gezeigt; daher bleiben auch die Kontaktoberflä­ chen zwischen der Arbeitswalze 10 und des Bandmaterials S im wesentlichen "flach".

Die Fig. 2 zeigt mit einer Reihe paralleler Kraftpfeile und der Kraftkurve F ₃ die Verteilung der Walzkraft, die das Band S hervorruft. Weiterhin ist die Reaktion der Hülse 22 auf die Walzkraft dargestellt, infolge der unter der Walzkraft Teile der Hohlräume 24, 26 und insbesondere die äußeren Enden an der Arbeitswalze 10 einwärts, d.h. zur Achse der Stützwalze derart durchge­ bogen werden, daß die Außenfläche der Hülse 22 innerhalb der Breite des Bandes S "flach" gehalten wird und nicht der Durchbiegung der Kernwelle 20 der Stützwalze folgt, die entlang der Längsmittelachse mit der Kurve 28 ge­ zeigt ist. Die Kurven F ₃, F ₄ der Fig. 2 zeigen im Vergleich zu den Kurven F ₁, F ₂ der Fig. 1 die selbst­ kompensierende Wirkung der Walze 18 und die Art und Weise, auf die die das Band beührende Oberfläche der Arbeitswalze 10 und das Band S selbst durch eine im wesentlichen konstante Walzkraftverteilung gekennzeich­ net sind, die Fig. 1 als über die Breite veränderlich darstellt.

Das jeweilige Profil und die jeweilige axiale Länge der Hohlräume 24, 26 für eine gegebene Walzanlage hängen von dem Bereich der Walzlasten, der Materialarten und -breiten, die zu walzen sind, usw. ab. Sie lassen sich nach mehreren bekannten Verfahren berechnen, wobei zum Ermitteln der hier dargestellten Hohlräume eine Analyse nach der Methode der finiten Elemente sowie ein Rechner­ programm namens ANSYS der Fa. Swanson Analysis herange­ zogen wurden.

Bezüglich der Verwendung einer Analyse nach dem Verfah­ ren der finiten Elemente sei auf die Fig. 3 verwiesen, in der an einem Ende der Walze 19 die Parameter der Hohlräume angegeben sind, die zur Bestimmung der ge­ wünschten Gestalt, Dicke und Länge der Hohlräume heran­ gezogen werden; sie sind auch in der Zeichnung ausführ­ lich identifiziert. Ebenfalls angegeben sind die Bezugs­ zeichen W ₁, W ₂, ... W _i , ... W _n für den speziellen Brei­ tenbereich des zu walzenden Bandmaterials.

Die Verwendung des Verfahrens der finiten Elemente zur Bestimmung der Hohlraumabmessungen sei kurz wie folgt umrissen:

Es sei - vergl. Fig. 3A - ein schmales Band und eine kurze Hülse 22 des Hohlabschnittes der Stützwalze 16 betrachtet; wie ersichtlich, haben beide die Breite W ₁. Mit dem Verfahren der finiten Elemente läßt sich die Dicke t ₁ so wählen, daß die Durchbiegung in der Mitte und der Kante des Bandes gleich sind. Unter diesen Bedingungen ist eine unerwünschte Kronenbildung auf dem Band eliminiert.

In der Fig. 3B ist die Bandbreite auf W ₂ vergrößert, desgl. die Länge des Hohlabschnittes der Hülse auf der Stützwalze. Die Dicke t ₂ läßt sich wie im Fall W ₁ so bestimmen, daß die Bandwölbung zu Null wird. Nach dem gleichen Verfahren läßt sich dann gemäß Fig. 3C und 3D die Dickenverteilung t ₁ . . . t _n der Hülse ermitteln.

Bei einer so aufgebauten Stützwalze läßt sich das Band­ profil für unterschiedliche Bandbreiten in einer jewei­ ligen Walzanlage schrittweise berechnen.

Die Fig. 4 zeigt am Ende der Kernwelle in einem der Hohlräume ein winkliges Anschlagelement 30, das auf die Kernwelle aufgeschrumpft werden kann und aus einem steifen Werkstoff wie Stahl besteht. Das Anschlagelement soll die Bewegung des äußersten Endes der Hohlräume 24, 26 begrenzen, falls bei Überlastung der Hohlraumab­ schnitt der Hülse 20 gefährdet ist. In das Anschlag­ element ist auf geeignete Weise radial vorstehend ein Dichtring 32 ein- und damit ebenfalls auf die Kernwelle aufgesetzt. Dieses Dichtelement schränkt das Eindringen von Verschmutzungen und Fremdkörpern ein. Entsprechende Elemente sind für den anderen Hohlraum vorgesehen.

Bei einigen Walzwerksanwendungen und insbesondere bei denen, in denen ein sehr breiter Bereich von Walzbe­ lastungen aufgenommen werden muß, wie sie beispielsweise bei einem sehr weiten Breitenbereich zu walzender Bänder auftritt, läßt sich die vorliegende Erfindung am besten nutzen, indem man eine Walzenbiegung in irgendeiner Form und vorzugsweise das aus dem Stand der Technik bekannte Biegen der Arbeitswalze verwendet. Einer der Vorteile, den die vorliegende Erfindung gegenüber bekannten Wal­ zenkonstruktionen zur Verringerung der Walzendurchbie­ gung bietet, ist der Umstand, daß sie das Ausmaß der Korrektur verringert, die mit (beispielsweise) einer Walzendurchbiegung durchgeführt werden muß. Bei den bekannten Konstruktionen war die Eigensteife der Walze erheblich geringer und dadurch das Ausmaß der durchzu­ führenden Korrektur schließlich größer. Nach der vorlie­ genden Erfindung reduziert die Fähigkeit der Walze, eine wenigstens im wesentlichen "flache" Walzoberfläche zu erzielen, die mit dem Walzenbiegen durchzuführende Korrektur (wie in Fig. 2 mit den Doppelpfeilen 34 angedeutet) auf das äußerste Mindestmaß; hierbei kann es sich beispielsweise um Maschinen- oder Betriebsfehler handeln, die beim Ansatzen des Profils und der Länge der Hohlräume nicht berücksichtigt wurden.

Claims (10)

1. Selbstkompensierende Walze für eine Walzanlage oder dergl. zum Walzen von streifenförmigem Walzgut in unterschiedlichen Breiten, wobei die Walze während des Walzens zwischen den Enden einer ungleichmäßigen Walzlastverteilung ausgesetzt ist, die die Güte des Walzproduktes beeinträchtigt, daß die Walze als Arbeits­ oder Stützwalze dient und in beiden Fällen das System eine Walze mit einer das Walzgut berührenden Oberfläche enthält, und daß die Walze einen allgemein zylindrischen Walzenkörper aufweist, der an seinem Außenumfang mit einer Fläche ausgebildet ist, auf die eine Walzlast aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Walzenkörper einen im wesentlichen massiven, axial verlaufenden Innenteil aufweist und der äußere Umfangsteil Endabschnitte aufweist, in denen die Endteile als lageveränderliche Elemente ausgebildet sind, die nach außen mindestens etwa zu den entgegengesetzten Kanten des breitesten zu bearbeitenden Walzgutes verlaufen und ausgebildet sind, unter der Walzbelastung ihre Lage in einer solchen Richtung und so stark zu verändern, daß sich eine im wesentlichen konstante Walzlastverteilung zwischen der das Walzgut berührenden Oberfläche und dem Walzgut ergibt.

2. Selbstkompensierende Walze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Umfangsteil weiterhin einen Mittelabschnitt aufweist und die lageveränderlichen Elemente der Endteile Hohlräume enthalten.

3. Selbstkompensierende Walze nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume zum Mittelabschnitt allmählich sich verjüngend ausgebildet sind und vor der Längsmitte der Walze enden.

4. Selbstkompensierende Walze nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume gegenüberliegende Endabschnitte aufweisen, die so ausgebildet sind, daß die freien Enden zur Mittelachse des Walzenkörpers hin ihre Lage um eine Strecke verändern, die gleich der Ausbiegung des Innenteils unter der Walzbelastung ist.

5. Selbstkompensierende Walze nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Walzenkörper eine massive Kernwelle und eine konzentrische äußere Hülse aufweist, die starr aneinander befestigt sind, und daß die Hohlräume zwischen der Kernwelle und der Hülse an deren zugehörigen Enden ausgebildet sind.

6. Selbstkompensierende Walze nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume im Schnitt eine allgemein dreieckige Gestalt aufweist, deren Dicke mit zunehmender Entfernung von der Längsmitte der Walze zunimmt.

7. Selbstkompensierende Walze nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume in deren äußerstem Abschnitt jeweils ein Anschlagelement enthalten, daß aufgebaut und angeordnet ist, eine vorbestimmte Auslenkung der lageveränderlichen Elemente zu verhindern.

8. Selbstkompensierende Walze nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume an ihren äußeren Enden jeweils eine Dichtvorrichtung aufweisen, die aufgebaut und angeordnet ist, um Fremdkörper und -stoffe am Eindringen in die Hohlräume zu hindern.

9. Selbstkompensierende Walze nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einander entsprechenden inneren Abschnitte der Dicke der lageveränderlichen Elemente relativ zur Längsmitte der Walze durch eine Dickenveränderung dargestellt sind, um die Ausbiegung bei schmaler Lastverteilung auszugleichen, und daß bestimmte, fortschreitend weiter außen liegende Teile der lageveränderlichen Elemente so ausgebildet sind, daß sie bestimmte fortschreitende breitere Verteilung der Lastbedingungen ausgleichen können, so daß die Walze die durch unterschiedlich breite Walzlastverteilungen erzeugten Ausbiegungen ausgleichen kann.

10. Walzanlage zur Verwendung beim Walzen von band- bzw. streifenförmigem Walzgut in unterschiedlichen Breiten mit einer Arbeitswalze mit einer das Walzgut berührenden Oberfläche und einer zum Stützen der Arbeitswalze angeordneten zweiten Walze, die beim Walzen einer ungleichförmigen Walzlastverteilung ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützrolle eine selbstkompensierende Walze nach einem der vorgehenden Ansprüche ist.