DE3736999A1 - Verfahren zur walzkraftmessung an walzwerkswalzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der an Walzwerkswalzen während des Walzens angreifenden Walzkräfte.

Beim Einsatz von rein zylindrischen oder auch kalibrierten Walzen ist es aus verschiedenen Gründen von Interesse, die während des Walzens auftretenden Walzkräfte bzw. Durchbiegungen der Walze zu kennen.

Dadurch lassen sich beispielsweise

• - drohende Walzenbrüche durch Überlastung frühzeitig erkennen und vermeiden,
• - die Zugkräfte, die zwischen zwei Walzgerüsten über das Walzgut übertragen werden, durch Einflußnahme auf Gerüstdrehzahl und/oder Gerüstanstellung zur Optimierung des Walzvorganges auf ein gewünschtes Niveau regeln,
• - die Walzvorgänge technologisch beurteilen und überprüfen, so daß der Walzprozeß in sich und in seiner Wiederholung reproduzierbar ist und die Wirtschaftlichkeit von Walzwerksanlagen gegenüber dem ungeregelten Zustand gesteigert werden kann.

Für die Ermittlung der Walzkraft wird heute üblicherweise die Walzenlagerkraft herangezogen. Hierbei sind die Meßorte relativ weit vom Ort der Walzkrafteinleitung entfernt, und die Walzgerüste weisen bauartbedingte Spiele und Lose auf, durch die sich Verfälschungen und Zeitverzögerungen der gemessenen Weite ergeben. Nach Nachteil sind insbesondere die auftretenden Hysterese-Erscheinung.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Beanspruchung der Walze zeitnah und nahe am Ort der Krafteinleitung auf einfache Weise aus der Walze zu ermitteln und für die Steuerung der Walzvorgänge zugänglich zu machen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Walze selbst für die Ermittlung der auf sie einwirkenden Walzkraft herangezogen wird.
Entscheidend bei der Verwendung der Walze als Meßort ist, daß die Beanspruchung pro Meßort in mehr als einer Winkellage, bezogen auf die Walzenachse, gemessen wird. Dies erfolgt dadurch, daß mindestens zwei Meßaufnehmer pro Meßort unter verschiedenen Winkeln zueinander installiert werden.

Dadurch ist es möglich, den sinusförmigen Verlauf des Einzelsignals bei rotierender Walze "gleichzurichten" und so die Zeiten des nicht aussagefähigen Nulldurchganges zu vermeiden. Außerdem ergibt sich als besonderer Vorteil, daß die Richtung der resultierenden Walzkraft ermittelt werden kann und damit eine Zerlegung der Kraft in ihrem Horizontal- und Vertikalanteil möglich ist. Daraus läßt sich direkt der Vorzug und Rückzug zwischen den Walzgerüsten bestimmen und als Meß- bzw. Eingangsgröße für eine Regelung verwenden.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Walzwerkswalzen so ausgebildet sind, daß sie keine Oberflächenkühlung benötigen, thermoschockbeständig sind und eine hohe Standzeit aufweisen.

Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Walzwerkswalzen aus einer Legierung mit mittleren Gehalten von

 0,05% C
 0,50% Si
 1,80% Mn
15,00% Cr
 1,35% Mo
25,00% Ni
 0,20% V
 2,10% Ti
 0,005% B
Rest Verunreinigungen

bestehen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Anordnung von Meßbohrungen auf einer Walze,

Fig. 2 ein Beispiel für direkt angebrachte Dehnungsaufnehmer,

Fig. 3 ein Beispiel für eingeführte Meßkörner,

Fig. 4 die optische Vermessung der Durchbiegung,

Fig. 5 den zeitlichen Verlauf des Meßsignals,

Fig. 6 den Signalverlauf bei Versatz der Meßstellen um 90 Grad,

Fig. 7 schematisch die Ermittlung der resultierenden Kraftrichtung,

Fig. 8 die Kräftezerlegung,

Fig. 9 die Meß- und Verarbeitungskette,

Fig. 10 die Kräfteverhältnisse bei kontinuierlichen Walzprozessen,

Fig. 11 schematisch eine Walzenbruchsicherung,

Fig. 12 die Nutzungsmöglichkeit der Meßgrößen.

Als Meßaufnehmer können bekannte Dehnungsmeßstreifen oder Halbleiterdrehungsaufnehmer verwendet werden, die die Materialdehnung bzw. Durchbiegung der Walze in Widerstandsänderungen umformen. Sie werden nach bekannten Verfahren, wie in den Fig. 1 bis 3 dargestellt, entweder direkt an der Innenwand 4 einer zentrischen Meßbohrung 1 bzw. von mehreren Meßbohrungen 2 angebracht oder aber auf fertigbeschalteten Meßkörpern 5 angeordnet in die Meßbohrung 1 des Walzenkörpers 3, eingeführt.

Bekannt sind auch Meßverfahren, die auf optische Wege Durchbiegungen messen. Hierbei wird, wie in Fig. 4 gezeigt, die durch die Durchbiegung der Walze hervorgerufene Ablenkung eines von einer Lichtquelle 6 ausgesandten Lichtstrahles aus der Null-Lage der Walzenachse mit einem optischen Empfänger 7 gemessen. Der Empfänger 7 kann aus einer Einzelzelle, aus zwei um 90 Grad versetzten Einzelzellen oder aus einem flächenhaften Empfangsschirm bestehen.

Bei der Verwendung von faseroptischen Meßaufnehmern zur Messung der Durchbiegung der Walze werden Glasfasern parallel zur Walzenachse in exzentrisch angeordnete Meßbohrungen eingeführt und die durch die Biegung der Walze in zwei gegenüberliegenden Glasfasern entstehende Längenänderung als Interferenz gemessen.

Die Ansteuerung der mit der Walze rotierenden Sensorik und die Übertragung der Informationen aus der Walze heraus wird berührend, beispielsweise über Schleifringe, oder berührungslos, beispielsweise elektromagnetisch oder optisch realisiert.

Für die erfindungsgemäße Auswertung der Meßsignale ist es unerheblich, nach welchem physikalischen Meßverfahren vorgegangen wird.

Betrachtet man die Durchbiegung der rotierenden Walze für einen Punkt der Meßbohrung in einer Winkellage, so ergeben sich prinzipiell die in Fig. 5 gezeigten Verläufe und Abhängigkeiten des Meßsignals. Ein Element der Walze wird je nach relativer Stellung zur Krafteinleitung bei der Rotation abwechselnd gestaucht und gedehnt. Die Frequenz der Signaländerung ist proportional der Drehzahl der Walze, die Amplitude des Meßsignals hängt von der relativen Lage des betreffenden Elementes zur Krafteinleitungsrichtung und von der Höhe der eingeleiteten Kraft ab.

In Fig. 6 sind die Verhältnisse bei zwei um einen Winkel von 90 Grad versetzten Meßaufnehmern dargestellt. Typisch bei der 90 Grad-Anordnung ist, daß während eine Meßstelle gerade den Meßwert Null zeigt, die zweite Meßstelle den Maximalbetrag aufweist.

Die folgenden Überlegungen gehen davon aus, daß zwei Meßstellen in einem Winkelversatz von 90 Grad zueinander stehen. Diese Überlegungen bedeuten keine Einschränkung und lassen sich sinngemäß auch auf mehr als zwei Meßstellen anwenden und auch auf Meßstellen, die in Winkeln unterschiedlich zu 90 Grad zueinander angeordnet sind. Entscheidend hierbei ist, daß mehr als eine Meßstelle verwendet wird, und daß die Meßstellen in einem Winkelversatz zueinander stehen.

Fig. 7 dient zur Erläuterung der Verhältnisse und einiger verwendeter Größen. Die beiden Meßeinrichtungen x und y stehen zueinander im Winkel von 90 Grad. Die augenblickliche relative Lage zur Senkrechten ist durch den Winkel Phi gegeben. Die zu ermittelnde Normalkraft F _N setzt sich aus der vektoriellen Addition von F _Nx und F _Ny zusammen.

Der Winkel Beta zwischen Normalkraft F _N und Koordinatensystem ergibt sich zu:

Der Winkel Phi, also die Lage der x-Achse bezüglich der Senkrechten, läßt sich mit Hilfe eines handelsüblichen Winkelmessers, z. B. eines Inkrementalgebers jederzeit bestimmen. Unter Kenntnis der Winkel Beta und Phi ergibt sich die Richtung der Normalkraft zu

Gamma - 180 Grad - Phi - Beta.

Damit ist jederzeit der Winkel der eingeleiteten Kraft, bezogen auf die ortsfeste Vertikale, bekannt.

Die Kraft F _N stellt im Prinzip ein gleichgerichtetes Signal dar, das durch die absolute Höhe (Betrag von F _N) die absolute Höhe der Beanspruchung wiedergibt und durch den Winkel Gamma die Lage bezogen auf die Vertikale wiederspiegelt.

In Fig. 8 ist aufgetragen, wie die Kraft F _N in ihren Horizontal- und ihren Vertikalanteil durch vektorielle Kraftzerlegung aufgespalten werden kann. Die Vertikalkraft F _S entspricht bei einer guten Walzkraftmessung gemessenen Lagerkraft in vertikaler Richtung. Die Horizontalkraft F _H ist abhängig von den Verformungsverhältnissen und den Reibungsbedingungen im Walzspalt. Zusätzlich können in der Horizontalkraft Komponenten aus Zugkräften, die über das Walzgut übertragen werden, enthalten sein.

Aus Fig. 9 ist ersichtlich, wie aus den Einzelsignalen von 2 Meßaufnehmern, die den Kräften in x- und y-Richtung des rotierenden Systems entsprechen, und aus der Messung des Winkels Phi die interessierenden Größen F _N, |F _N|, Gamma und wie durch die Kraftzerlegung der resultierenden Kraft F _N die Horizontal- und Vertikalanteile F _H und F _S berechnet werden.

Bei kontinuierlichen Walzprozessen kann sich das Walzgut gleichzeitig in zwei oder mehr Walzgerüsten befinden, wie es in Fig. 10 dargestellt ist. Zur Erzielung von reproduzierbaren Ergebnissen des Walzprozesses ist die Kenntnis von Zugkräften, die zwischen zwei Walzgerüsten über das Walzgut übertragen werden, von großer Bedeutung. Bei Kenntnis der Zugkraft kann durch Einflußnahme auf die Gerüstdrehzahlen und Gerüstanstellungen die Zugkraft auf ein gewünschtes, vorgegebenes Niveau geregelt werden.

Als Bezeichnung werden Verwendet:
F _H - der gemessene Horizontalanteil der Walzkraft
F _HO - Horizontalanteil der Walzkraft bei zugfreiem Betrieb
F _HR - Rückzug, der über das Walzgut gegen die Walzrichtung vom vorliegenden Walzgerüst ausgeübt wird
F _HV - Vorzug, der über ein Walzgerüst mit größerer Nummer auf das Walzgut ausgeübt wird
n - Index für die Gerüst-Nr. (nur bei Bedarf verwendet).

Die augenblicklich gemessene horizontale Walzkraft F _H setzt sich aus der vektoriellen Addition der Einzelkraftanteile zusammen:

F _H = F _HO + F _HR - F _HV.

Um aus der einzigen zugänglichen Größe F _H die Anteile F _HO, F _HR und F _HV, wird wie folgt vorgegangen:

• 1. In das 1. Gerüst einer Walzenstraße oder eines Teils einer Walzenstraße läuft das Material ein, ohne daß ein Rückzug über ein vorherliegendes Gerüst ausgeübt wird. Solange der Kopf der Walzader noch nicht das 2. Gerüst erreicht hat, wird auch kein Vorzug ausgeübt; d. h. zu diesem Zeitpunkt gilt
  F _HR₁ = 0
  F _HV₁ = 0
  F _H = F _HO
  Die gemessene Horizontalkraft F _H entspricht also dem Horizontalkraftanteil F _HO ohne Zugbeeinflussung. Diese Größe F _HO für das Gerüst 1 kann als (F _HO)₁ abgespeichert werden.
• 2. Wenn nun der Kopf der Walzader in das 2. Gerüst eintritt, ändert sich am 1. Gerüst der Meßwert für F _H um den Betrag von F _HV. (F _H)₁ = (F _HO)₁ - (F _HV)₁Der Zug zwischen Gerüst 1 und 2, (F _HV)₁, kann jederzeit als Differenz des abgespeicherten Wertes (F _HO)₁ für den zugfreien Walzprozeß und des Augenblickwertes (F _H)₁ bestimmt werden:(F _HV)₁ = (F _HO)₁ - (F _H)₁Der Vorzug an Gerüst 1 ist aber gleichzeitig identisch zum Rückzug an Gerüst 2, so daß(F _HR)₂ = (F _HV)₁gesetzt werden kann. Betrachtet man den augenblicklichen Meßwert für die Horizontalkraft am Gerüst 2, immer noch unter der Voraussetzung, daß der Kopf der Walzader noch nicht das Gerüst 3 erreicht hat, so ergibt sich die für den zugfreien Auslauf am Gerüst 2 zu erwartende Horizontalkraft (F _HO)₂ als(F _HO)₂ = (F _H)₂ - (F _HR)₂Damit ist für das 2. Gerüst die Horizontalkraft ohne Zugbeeinflussung ermittelt und diese kann abgespeichert werden. Solange der Kopf der Walzader noch nicht das 3. Gerüst erreicht hat, ist(F _HV)₂ = 0.
• 3. Die Walzader erreicht dann das 3. Walzgerüst und es ergibt sich möglicherweise ein Zug zwischen dem 2. und 3. Gerüst, d. h., (F _HV)₂ = (F _HR)₃Sobald der Zug zwischen Gerüst 2 und 3 auftritt, ändert sich der augenblickliche Meßwert (F _H)₂ genau um diese Differenz und (F _HV)₂ ergibt sich zu(F _HV)₂ = (F _HO)₂ - (F _H)₂ + (F _HR)₂.Damit sind nun alle Horizontalkräfte um das 2. Gerüst bestimmt. Entsprechend dieser Beschreibung kann auch bei allen folgenden Walzgerüsten verfahren werden.
  Damit ist ein Meßprinzip für die Ermittlung der Horizontalzugkräfte zwischen Walzgerüsten beschrieben. Zum Aufbau einer Zugkraftregelung kann entweder auf die Drehzahlabstimmung zwischen den Gerüsten eingewirkt werden und/oder auf die Anstellung der Gerüste. Dadurch kann die Zugkraft solange verändert werden, bis sie dem vorgegebenen Sollwert entspricht.

Zur Vermeidung von Walzenbrüchen, die durch kurzzeitige Überbelastungen hervorgerufen werden und zu erheblichen wirtschaftlichen Schäden führen, wird der Meßwert |E _N| herangezogen. Aus praktischen Erfahrungen oder theoretischen Überlegungen läßt sich eine maximal zulässig Kraft (F _N)max vorgeben, die ständig mit der tatsächlich vorliegenden Walzkraft |F _N| verglichen wird. Sobald |F _N| größer oder gleich (F _N)max ist, wird über eine Komperatorschaltung (Fig. 11) ein optischer oder akustischer Alarm ausgelöst; außerdem kann das Signal direkt zur Steuerung der Walzenschaltung verwendet werden, indem rechtzeitig vor Eintreten eines Walzenbruches durch Überlastung eine Automatik zum Auffahren der Walzen angesteuert wird.

In Fig. 12 sind die Nutzungsmöglichkeiten der erfindungsgemäß ermittelten Meßgrößen zusammengefaßt:

• a) Der Winkel Gamma der resultierenden Kraftrichtung, der unter Verwendung der Winkelmessung des Winkels Phi bereitgestellt wird, wird zusammen mit der Dehnung für die Bestimmung der Zugverhältnisse um das Walzgerüst und für eine Zugregelung herangezogen.
• b) Die ermittelte Dehnung wird in einem Komparator mit der maximal zulässigen Dehnung in der Innenbohrung der Walze verglichen und bei Überschreiten ein Signal zur Auslösung der Walzenbruchsicherung, beispielsweise schnelles Auffahren der Walzenanstellung, gegeben.
• c) Unter Berücksichtigung der Information über den axialen Ort der Krafteinleitung und der Kenntnis über die Walzenkennlinie läßt sich aus der Dehnung und dem Winkel Gamma der resultierenden Kraftrichtung die augenblickliche Walzkraft berechnen.

Nach einer besonderen Ausbildung der Erfindung werden die Messungen an Walzwerkswalzen durchgeführt, die keine Oberflächenkühlung benötigen, thermoschockbeständig sind und eine hohe Standzeit aufweisen.

Derzeit wird die Oberfläche der Walzen in den meisten Verformungsschritten mit Kühlwasser beaufschlagt. Diese Kühlung gestattet es wegen der großen Ungenauigkeit nicht, die Erwärmung der Walze während des Walzprozesses als eine Meßgröße zur Bestimmung der Verformungsarbeit zusätzlich zur Walzkraft zu verwenden.

Als Werkstoff kommt erfindungsgemäß ein stabiler Austenit zum Einsatz, der nach der Stahl-Eisen-Liste die Markenbezeichnung X5 NiCrTi 25 15 mit der Werkstoff Nr. 1.4980 bzw. 1.4944 für die Luftfahrt und den internationalen Handelsnamen A 286 trägt.

In der Literatur werden für diesen Stahl mit mittleren Gehalten von 0,05% C, 0,50% Si, 1,80% Mn, 15,00% Cr, 1,35% Mo, 25,00% Ni, 0,20% V, 2,10% Ti, 0,005% B Verwendungsgebiete wie Triebwerks- und Raketenbau, Gasturbinenläufer und Rezipienteninnenbüchsen angegeben.

Die erfindungsgemäße Verwendung als hochwarmfester Werkstoff für die Herstellung von Walzwerkswalzen hat den Vorteil, daß

• - eine Oberflächenkühlung nicht benötigt wird,
• - aufgrund seiner Thermoschockbeständigkeit der Bildung von Oberflächenrissen während des Walzvorganges vermieden wird,
• - die Standzeit in Betriebsstunden oder in Tonnen pro Walzlos so groß ist, daß ein häufiges Umrüsten sowohl aus der Sicht der Betriebsnutzungszeit wie aber auch aus der Schicht des finanziellen Aufwandes nicht notwendig wird,
• - die Wärmeleitfähigkeit besser ist als bei den herkömmlichen Walzwerksstoffen.

Je nach der Geometrie der Kalibrierung kann der sehr aufwendige Einsatz einer Vollwalze bei geringen Kalibertiefen durch Verwendung eines auf eine Achse aus hochfestem Stahl aufgeschrumpften Mantels aus dem vorgenannten Werkstoff ersetzt werden.

Claims (3)

1. Verfahren zum Messen der an Walzwerkswalzen während des Walzens angreifenden Walzkräfte, dadurch gekennzeichnet, daß die Walzen als Meßort dienen und daß pro Meßort mindestens zwei Meßaufnehmer, unter verschiedenen Winkeln zueinander angeordnet, verwendet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Walzwerkswalzen so ausgebildet sind, daß sie keine Oberflächenkühlung benötigen, thermoschockbeständig sind und eine hohe Standzeit aufweisen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Walzwerkswalzen aus einer Legierung mit mittleren Gehalten von  0,05% C
 0,50% Si
 1,80% Mn
15,00% Cr
 1,35% Mo
25,00% Ni
 0,20% V
 2,10% Ti
 0,005% B
Rest Verunreinigungenbestehen.