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Die Erfindung betrifft Walzen mit einstellbarer
Balligkeit. Sie betrifft insbesondere Walzen, bei denen die
Balligkeit durch Zuführung oder Abführung von Wärme zu
oder von den Walzen eingestellt wird.
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In allen Bereichen, in denen flache Erzeugnisse wie
Papier, Kunststoff, Stahl oder andere Metallblätter
gewalzt werden, muß die Oberflächen der Walzen konturiert
sein, um eine akzeptable Flachheit oder ein akzeptables
Profil des Produkts zu erhalten. Üblicherweise wurde
eine Balligkeit auf die Walzen aufgebracht, die die
Auslenkungen der Walze unter Last kompensiert. Dieses
Verfahren ist jedoch unglücklicherweise nur für eine
bestimmte Last und nur eine Größe des Produkts
anwendbar.
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Es ist bekannt, daß bei dem Walzen von Metallen
zwischen Walzen, die selbst aus einem gehärteten Metall
- gewöhnlicher Stahl - besteht, Wärme die Balligkeit
der Walzen beeinflußt. Bei dem Heißwalzen entsteht die
meiste auf die Walzen aufgebrachte Wärme aus der
Berührung mit dem heißen Metall. Auch bei dem Kaltwalzen des
Metallwerkstücks wird Wärme erzeugt, die teilweise auf
die Walzen übertragen wird. Wenn die Walze sich
erwärmt, verstärkt sich die Balligkeit. Die Änderung der
Balligkeit wird in Hundertstel Millimetern gemessen,
bei dem Walzen eines Bandes mit einer Dicke von nur
wenigen Hundertsteln eines Millimeters Dicke beeinflußt
eine Änderung der Balligkeit nicht nur das Maß des
attes, sondern auch seine Flachheit oder Form.
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Der radiale Wärmestrom in einer Stahlwalze ist
natürlich ganz langsam. Eine Stützwalze mit einem
Durchmesser von 1500 mm, die eine stabile Temperatur von 120ºC
erreicht hat, braucht mehr als eine Stunde für eine
radiale Änderung der Balligkeit um 0,08 mm. Eine
Arbeitswalze mit einem Durchmesser von 750 mm würde etwa eine
halbe Stunde für dieselbe Änderung benötigen. Es ist
bekannt, ein flüssiges Kühlmittel auf eine Walze
aufzusprühen, um ihre Balligkeit zu steuern. Die thermische
Trägheit üblicher Walzen begrenzt jedoch die
Nützlichkeit solcher Bemühungen.
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Neben dem Maß und der Form stellt sich für den
Hersteller des Bandes weiter das bekannte Problem des
"Randabfalls" oder Ausfederns, was ein anderer Aspekt balliger
Walzen ist. Der Operator einer Walze muß auf derselben
Walze Blätter verschiedener Breite, wie sie der Kunde
bestellt, walzen. Ein von Rand zu Rand vollständig
flaches Band konnte vor meiner im folgenden zu
beschreibenden Erfindung nur erreicht werden, wenn das Band
dieselbe Breite wie die Walze hat. Wenn ein schmales
Band zu walzen war, wurden die paarweisen Walzenenden,
die über das Band hinausragen, auf jeder Seite
zusammengedrückt, wodurch ein angeschrägter Rand an dem Band
erzeugt wurde, der sich nach innen von vielleicht 25 mm
bis in manchen Fällen hin zu etwa 100 mm, erstreckte.
Dieser Rand mußte in einem weiteren Arbeitsgang
weggeschnitten werden, was den Ertrag der Walze minderte.
Ein Verfahren, das sich mit diesem Problem beschäftigt,
wurde von Feldmann und anderen in dem am 30. Oktober
1984 erteilten US-Patent 4 479 374 vorgeschlagen. Dort
wird ein Walzenstand offenbart, der drehbankartige
Werkzeuge hat, die eingestellt werden, um die Enden der
Arbeitswalze, die über das Band hinausragen,
abzutrennen. Bei einem derartigen Walzen muß so geplant werden,
daß alle Aufträge für breite Blätter gewalzt werden,
bevor Aufträge für schmalere Blätter gewalzt werden.
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Die DE-A-2 408 769 offenbart eine Hilfswalze zum Führen
des heißen Stahlsandes, der bei einem kontinuierlichen
Gußformen auftritt. Die Walze weist einen Kern auf, der
mit einem schraubenförmigen Kühlkanal versehen ist, der
auf der Fläche des Kerns angeordnet ist und weist
weiter eine dünne zylindrische Schale auf, die auf den
Kern aufgesetzt ist.
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Die DE-A-27 07 907 offenbart eine Walze zum Führen des
heißen Bandes, das bei einem kontinuierlichen Gußformen
entsteht, wobei eine zylindrische Schale auf einen
Mittelkern, der mit schraubenförmigen Rippen versehen ist,
aufgeschrumpft wird. Kühlflüssigkeit wird in die von
den Rippen begrenzten Passagen an einem mittigen Ort
entlang der Walze zugeführt und läuft entlang dieser
Passage zu einem der Enden der Walze. Auch hier sind
keine Mittel offenbart, um eine "Balligkeit" der Walze
einzustellen. Eine solche Steuerung wäre auch bei die
Bandführung betreffenden Anwendungen nicht nötig.
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DE-B-1003946 offenbart eine Walze, die Kühlmittel in
der Form von schraubenförmig ausgebildeten Kerben auf
einer Walzenwelle, die von einer zylindrischen
Walzenmanschette umgeben wird, aufweist. Die zusammengesetzte
Walze ist eine Kalanderwalze zum Verarbeiten von Gummi
oder Kunststoffen. Die radiale Höhe der Rippen zwischen
den Kerben auf der Walze ist wesentlich geringer als
die Breite der Rippen, was eine schnelle Expansion oder
Kontraktion der Manschette durch die Rippe unmöglich
macht. In der DE-B-1003946 soll die Temperatur in einem
engen Bereich von 160ºC bis 180ºC gesteuert werden.
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Erfundungsgemäß wird eine Bandwalzenanordnung
vorgeschlagen mit einer Walze mit einer einstellbaren
Balligkeit, die eine im wesentlichen nicht nachgiebige
Metallwelle mit einer auf diese aufgeschrumpften
Metallhülse aufweist, wobei die Welle eine Mehrzahl von
parallelen, umlaufenden Kerben in ihrer Oberfläche
aufweist, die miteinander verbunden sind und voneinander
entlang der Welle beabstandet sind, so daß sie die
zwischen sich umschlossene Fläche in Rippen aufteilt,
deren Enden die Hülse berühren, wobei die Rippen eine
radiale Erstreckung haben, die erheblich größer als die
axiale Erstreckung ist und der Abstand zwischen
einander gegenüberliegenden Rippen kleiner als ihre radiale
Erstreckung ist, um einen größeren Wärmeübergang
zwischen den Rippen und dem Wärmeübertragungsfluid als
zwischen der Walzenhülse und dem Wärmeübergangsfluid zu
bewirken, damit die Walzenhülse nach außen gedrückt
wird, wenn die Rippen thermisch bei einem Erwärmen
durch das Wärmeübertragungsfluid radial nach außen
expandieren und zum Kontrahieren der Walzenhülse radial
nach innen, wenn die Rippen bei Abkühlung durch das
Wärmeübertragungsfluid thermisch kontrahiert werden,
wobei die umlaufenden Kerben einen Mittelabschnitt oder
eine Wärmeaustauschzone, die mittig bezüglich der
Längsenden der Walzen angeordnet ist und die außermittigen
Abschnitte, die den Enden der Walze an einer der Seiten
des Mittelabschnitts angeordnet sind, definieren, wobei
die Walzenanordnung Kanäle zum Einführen eines
Erwärmungs- oder Abkühlungs-Wärmeübertragungsfluids in
die Zonen und zum Abführen des Fluids aus den Zonen,
eine Quelle für eine heiße Wärmeaustauschflüssigkeit,
die außerhalb der Walze angeordnet ist, eine Quelle
einer kalten Wärmeaustauschflüssigkeit, die außerhalb der
Walze angeordnet ist, und Ventilmittel, die eine
Verbindung der Quelle für die warme
Wärmeübertragungsflüssigkeit und die Quelle für die kalte
Wärmeübertragungsflüssigkeit mit den Kanälen, aufweist, wodurch in einer
ersten Position des Ventilmittels das Ventilmittel die
heiße Wärmeaustauschflüssigkeit mit dem Mittelabschnitt
und die kalte Wärmeaustauschflüssigkeit hinzu und weg
von den außermittigen Abschnitten führen kann und das
Ventil in einer zweiten Position die heiße
Wärmeübertragungsflüssigkeit hinzu und weg von den außermittigen
Abschnitten und die kalte Wärmeübertragungsflüssigkeit
hin zu und weg von dem Mittelabschnitt führen kann.
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Fig. 1 zeigt das Walzen eines balligen Werkstücks
in einer Bandwalze mit flachen Walzen nach
dem Stand der Technik.
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Fig. 2 zeigt das Walzen eines flachen Werkstücks
in einer Bandwalze mit flachen Walzen nach
dem Stand der Technik.
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Fig. 3 zeigt das Walzen eines flachen Werkstücks
in einer Bandwalze mit balligen Walzen nach
dem Stand der Technik.
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Fig. 4 ist eine Schnittansicht einer 4-stöckigen
Walzenanordnung, deren Walzen
erfindungsgemäß ausgebildet sind.
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Fig. 5 ist eine Einzelheit einer Walze nach meiner
Erfindung.
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Fig. 6A ist eine schematische Schnittansicht einer
Walze nach meiner Erfindung, die die
Richtungen zeigt, in denen die drei Komponenten
der Wärmströmungen in dieser verlaufen.
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Fig. 6B ist eine schematische Schnittansicht einer
Walze nach dem Stand der Technik, die die
Richtungen zeigt, in denen die beiden
Komponenten der Wärmeströmungen in dieser
verlaufen.
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Fig. 7 ist eine Einzelheit eines zweiten
Ausführungsbeispiels einer Walze nach meiner
Erfindung.
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Fig. 8 ist eine Einzelheit eines dritten
Ausführungsbeispiels einer Walze nach meiner
Erfindung.
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Fig. 9 ist eine Schnittansicht von Fig. 8 entlang
der Ebene IX-IX.
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Fig. 10 ist eine schematische Darstellung einer
Wärmetausch-Flüssigkeitszufuhr-Vorrichtung
für Walzen nach meiner Erfindung in dem
Zustand des Zuströmens und der Richtung des
Flüssigkeitsstromes in diese.
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Fig. 11 zeigt ein Profil einer Walze nach meiner
Erfindung, die durch die Vorrichtung nach
Fig. 10 gezeigt wird, wobei die sich
ergebende konvexe Balligkeit der Walze überhöht
dargestellt ist.
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Fig. 12 ist eine schematische Darstellung einer
Wärmetausch-Flüssigkeitszufuhr-Vorrichtung
für die Walzen nach meiner Erfindung in dem
Zustand des Rückstroms und der Richtung des
Flüssigkeitsstroms in diese.
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Fig. 13 ist ein Profil einer Walze nach meiner
Erfindung, die von der Vorrichtung nach Fig.
12 versorgt wird, wobei die sich ergebende
konkave Balligkeit der Walze in überhöhter
Form dargestellt ist.
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In dem Stand der Technik sind drei Zustände des
Betriebs von Bandwalzen bekannt. Diese sind in den Fig.
1, 2 und 3 überhöht dargestellt.
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Der eine oder der andere dieser Zustände tritt auf,
wenn ein Metallband auf einer Walze, die breiter als
das Band selbst ist, ausgewalzt wird. In Fig. 1 wird
ein Werkstück 11, das vor der Verarbeitung eine
positive Balligkeit hat, zwischen flachen Arbeitswalzen 12
geführt, die üblicherweise von Stützwalzen 13 gestützt
werden. Das Werkstück deformiert die Arbeitswalzen 12
in ihrem Mittelabschnitt 14. Die deformierten
Arbeitswalzen deformieren entsprechend die Stützwalzen 13 in
ihrem Mittelabschnitt 15. Diese Deformation der Walzen
ist in der Mitte zwischen den Enden der Walzen am
größten, wie gezeigt, und nimmt zu den Enden der Walzen ab.
Die Ränder 16 des sich ergebenden Bandes sind auf eine
Dicke zusammengequetscht, die geringer als das
gewünschte Maß ist. Es entsteht so der oben erwähnte
"Randabfall", diese Ränder müssen weggeschnitten
werden, wie dies oben angegeben ist.
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In Fig. 2 ist das die Arbeitswalzen 12 erreichende
Werkstück 17 flach. Es deformiert flache Arbeitswalzen
12 in ihren Mittelabschnitten 18. Die deformierten
Arbeitswalzen deformieren die Stützwalzen 13 in ihren
Mittelabschnitten 19. Diese Deformationen sind jedoch
über den größten Teil ihrer Erstreckung relativ flach.
Die Ränder 20 des sich ergebenden Bandes sind jedoch,
wie vorher, auf eine Dicke zusammengedrückt, die
geringer als das gewünschte Maß ist und müssen daher
weggeschnitten werden.
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Fig. 3 zeigt die Wirkung bei einem ursprünglich flachen
Werkstück 13 und gewollt balligen Arbeitswalzen 12 und
Stützwalzen 13, wobei die Erstreckung der Balligkeit
mehr oder weniger der Breite des Werkstücks entspricht.
Unter Last sind die deformierten Bereiche 22 der
Arbeitswalzen und der Stützwalzen im Profil über den
größten Teil des Werkstücks 21 relativ flach. In
Bereichen 23 und 24, wo die Balligkeit in die Enden der
Walzen ausläuft, ist jedoch ein Randanstieg oder ein
negativer Randabfall 25 gegeben. Durch sorgfältige
Konturierung der Arbeitswalzen und der Stützwalzen können
die Ränder des Bandes auf dem Maß des Mittelpunkts des
Bandes gehalten werden. Dies gilt aber nur für eine
Bandbreite.
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Meine Erfindung ist schematisch in Fig. 4 wiedergeben,
die einen Satz von Arbeitswalzen 30 und Stützwalzen 31
zeigt, wobei nur eine der Stützwalzen voll dargestellt
ist. Die beiden Arten von Walzen weisen vorzugsweise
eine Welle 35 mit einer auf diese aufgeschrumpften
Hülse 36, wie dies im folgenden in den Einzelheiten
beschrieben werden wird.
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Die Arbeitswalzen 30 haben Wellen 35 mit einer Mehrzahl
von auf dem Umfang angeordneten
Wärmeaustauschelementgruppen 32, die in dieser eingesetzt sind, von denen
nur zwei gezeigt sind, und die vorzugsweise gleichmäßig
auf jeder Seite einer zentralen Elementengruppe 33
angeordnet sind. Die einzelnen
Wärmeaustauscheinheitgruppen 32 und Wärmeaustauscheinheiten 33 werden jeweils
durch Bohrungen wie 41 und 45, die sich an den Enden
der Walze erstrecken, und durch Querbohrungen, die
später erläutert werden, mit einem Erwärmungs- und
Kühlungsfluid versorgt, das außerhalb der Walzen erzeugt
wird. An den Walzenenden sind die Bohrungen mit einer
externen Versorgung einer Wärmeaustauschflüssigkeit
durch ein Drehgelenk 26 verbunden. Die Zusatzwalzen 31
sind ähnlich ausgebildet. Wenn eine Anzahl von
einzelnen Wärmeaustauscheinheiten 32 Seite-an-Seite zusammen
angeordnet sind, ist es manchmal erwünscht, einzelne
Eingangs- und Ausgangs-Querbohrungen 27 und 28 für jede
Einheit 32 vorzusehen, wobei die Querbohrungen mit
einem Drehgelenk 29 in dem Inneren der Welle verbunden
sind. Das nicht-drehende Element des Gelenks und
- nicht gezeigte - Zufuhr und Abfuhrleitungen zu
dieser,
erstrecken sich dann durch das Ende der Welle,
wodurch das Flüssigkeitszufuhrsystem für den
Wärmeaustausch in der Walze erleichtert wird. Durch eine
Änderung des Aufwärm- oder Kühlungsmediums, das zu den
jeweiligen Wärmeaustauschelementen geführt wird, kann die
Balligkeit oder Kontur der Walzenhülse 36 für ein Band
jeder Breite eingestellt werden. Wenn beispielsweise
ein relativ schmales Band zu walzen ist, werden die
drei äußeren Wärmeaustauschelemente 32 an jedem Ende
der Walze nicht erwärmt oder vielleicht gekühlt, die
beiden Einheiten 32 an jeder Seite der zentralen
Einheit 32 können erwärmt und die mittlere Einheit 33
könnte erwärmt werden, um eine maximale Balligkeit in
dem Bereich zu erhalten.
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Es ist für meine Erfindung wesentlich, daß der
Wärmeübergang hin zu und weg von der Walzenhülse schnell
ist. Ein Ausführungsbeispiel der Walze, die
diesbezüglich zufriedenstellend ist, ist im Schnitt in Fig. 5
gezeigt. Die Walze weist eine Welle 35 und eine auf
diese aufgeschrumpfte Hülse 36 auf. Die Hülse 36 ist in
üblicher Weise ausgebildet. Die Welle 35 ist mit einem
Paar von einander gegenüberliegend angeordneten
spiraligen Umfangskerben 37 und 38 versehen, die sich in
einer Kerbe 39 in der Mitte der Walze treffen. Die
Kerbe ist durch eine Querbohrung 40 mit einer Längsbohrung
41 verbunden, die sich durch das eine Ende der Welle zu
- nicht gezeigten - äußeren Zufuhrmitteln für ein
Wärmeaustauschmedium erstreckt. Das äußere Ende der Kerbe
37 ist durch eine Querbohrung 43 mit einer Längsbohrung
45 verbunden, die sich durch die Welle 35 und dem
äußeren Ende der Kerbe 38 erstreckt, die entsprechend mit
einer Bohrung 45 durch eine Querbohrung 44 verbunden
ist.
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Die oben beschriebene Anordnung schafft zwei
Steuerabschnitte 37 und 38. Um die Balligkeit der Walze zu
erhöhen, wird in beide Abschnitte durch Bohrungen 40 und
41 ein Wärmemedium zugeführt und durch die Bohrungen
43, 44 und 45 abgeführt. Um die Balligkeit zu mindern,
wird das Erwärmungsmedium durch ein Kühlmedium ersetzt
oder aber das Erwärmungsmedium durch die Bohrungen 43,
44 und 45 eingebracht und durch die Bohrungen 40 und 41
abgezogen. Die Anordnung wird erheblich verbessert
durch Verbinden der Mittelkerbe 47 des Abschnitt 37
durch eine Querbohrung 49 zu einer Längsbohrung 51 und
der Mittelkerbe 48 des Abschnitts 38 durch eine
Querbohrung 50 zu der Längsbohrung 51, wodurch vier
Steuerabschnitte gebildet werden. Die Mittelabschnitte müssen
natürlich nicht dieselbe Größe haben und es ist nicht
immer erwünscht, diese zu betreiben, um eine
symmetrische Balligkeit zu bewirken.
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Der Umfangswalzenabschnitt, der Rippen 53 zwischen den
Kerben 57 und 48 die in Fig. 5 gezeigt sind, ausbildet,
muß ausreichend fest sein, um dem Walzdruck zu
widerstehen, sollte jedoch nicht dicker als erforderlich
sein, so daß die Wärmeübertragung von dem Medium in den
Kerben zu der Hülse schnell ist. In Fig. 6A ist das
Wärmeübertragungsmedium dargestellt, wie es durch die
axiale Bohrung 41 und die Querbohrung 40 in die
Mittelkerbe 39 von Fig. 9 eingebracht wird, um Wärme auf die
Rippen 53, die der Kerbe 39 benachbart ist, zu
übertragen. Die Rippen und die Kerbe können spiralförmig sein,
wie dies in Fig. 5 gezeigt ist, oder aber unabhängig
kreisförmig, wie in Fig. 6A gezeigt. Unabhängige
kreisförmige Kerben müssen natürlich miteinander verbunden
sein, wenn sie nicht gesondert mit Eingangs- und
Ausgangsleitungen
oder durch axiale oder Querbohrungen
verbunden sind. Sie können durch Bohrungen 54 oder
Kanäle 57 in alternierenden Stegen bequem verbunden sein.
In Fig. 6A hat jede Rippe 53 in der Welle 35 einer
Walze nach meiner Erfindung eine radiale Erstreckung, die
etwa dem fünffachen ihrer einer axialen Erstreckung
entspricht. Die primäre oder hauptsächliche
Wärmeübertragung von dem heißen Fluid in der Leitung 41 erfolgt
durch die Rippen 53, die in Fig. 6A durch kleine Pfeile
angegeben sind. Dort ist ein großer Kontaktbereich
zwischen dem warmen Fluid und den Rippen auf beiden Seiten
der Kerbe 37 gegeben. Von dem Wärmefluid ist dort ein
Sekundärübergang von Wärme direkt auf die Hülse 36
gegeben, der auch durch Pfeile an den Außenrändern der
Kerben 37 dargestellt ist, die relativ eng sind.
Schließlich gibt es einen dritten Wärmeübergang des
Fluids zu der Welle 35 an dem Boden der Kerben 37.
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Der primare Wärmeübergang, der in Fig. 6A gezeigt ist,
ist viel größer als der zweite und der dritte
Wärmeübergang und ist auch in der Nähe der Querbohrung 40
größer als entfernt von dieser Bohrung. Fig. 6B zeigt
die beiden Komponenten des Wärmeübergangs bei
vorbekannten Walzen, deren Balligkeit thermisch kontrolliert
werden, wie sie in Kalandern und anderen Vorrichtungen,
in denen ein zu walzendes Material erwärmt werden muß,
verwendet werden. Die Welle 112 ist mit einer
spiraligen Kerbe 111 an ihrem Umfang und einer auf diese
aufgesetzten Hülse 113 versehen. Die Welle 112 ist an
ihrer Mittellinie zur Bildung eines axialen Kanals 114
mit einer Bohrung gesehen und im Inneren ist ein
koaxialer Kanal 115 mit kleinerem Durchmesser angeordnet,
der mit Öffnungen 118 in den Kanal 114 mit Abständen
über seine Länge versehen ist. Der Kanal 114 ist über
eine Röhre 116 mit einem Ende einer spiraligen Kerbe
111 und über eine Röhre 117 mit dem anderen Ende der
Kerbe verbunden. Ein Teil des Wärmeübergangs von der
Kerbe 117 auf die Hülse 113 ist durch die Pfeile
"sekundär" markiert, da er in einem gewissen Maße der
Sekundärkomponente von Fig. 6A entspricht. Eine weitere
Komponente des Wärmeübergangs von der Leitung 114 zu
der Welle 112, die mit "tertiär" markiert ist,
entspricht der tertiären Komponente von Fig. 6A. In Fig.
6B gibt es keine erhebliche Komponente, die dem
Wärmeübergang, der in Fig. 6A mit "primär" markiert ist,
entspricht.
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Der Durchmesser der Rippen hängt natürlich von der
Größe der Walze, ihrer Funktion und der Natur der
gewünschten Steuerung ab. Bei kontinuierlich arbeitenden
Walzen ist es wichtig, ein Maß (Dicke entlang des
Bandes) und ein Profil (die Dicke über dem Band) zu haben,
der in Sekunden oder Teilen davon korrigiert wird.
Hydraulische Zylinder bewirken eine schnelle Korrektur
des Maßes. Verschiedene Verfahren werden für die
Profilkorrektur verwendet, die schnellste ist ein
hydraulisches Krümmen der Walze, die langsamste war, vor
meiner hier beschriebenen Erfindung, die Zuführung von
Wärme und den Abzug von Wärme von dem Walzkörper. Die
Zeit, die für den Wärmeübergang durch einen Körper
erforderlich ist, steigt ungefähr mit dem Quadrat des
Weges, der benötigt wird. Bei üblichen Walzenanordnungen
würde dies zu lange dauern, um eine Änderung der
Balligkeit zu bewirken. Es hat sich gezeigt, daß bei
Stahlwalzen, wie sie hier beschrieben worden sind, das
Verhältnis der Rippenlänge, des radialen Abstands von
der Basis der Rippe zu seiner Oberfläche, zu seiner
axial gemessenen Breite wünschenswert in dem Bereich
von etwa 4 bis etwa 10 für eine zeitgleiche Korrektur
der Balligkeit liegt.
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Bei einem kontinuierlichen Walzen ist es von größter
Bedeutung, daß Änderungen des Maßes und des Profils
innerhalb von Sekunden oder Teilen davon korrigiert
werden. Hydraulische Zylinder bewirken eine schnelle
Korrektur des Maßes. Für eine Korrektur des Profils des
Bandes werden verschiedene Verfahren verwendet, wobei
die schnellste ein hydraulisches Biegen der Walze ist
und das langsamste das Einbringen oder Abführen von
Wärme in oder aus dem Walzenkörper. Das üblichste
Verfahren zum Wärmeaustausch ist das Besprühen der Walze
außen und innen, dies ist jedoch für ein zeitgerechtes
Arbeiten zu langsam.
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Bei der Walze nach meiner Erfindung, wie sie in Fig. 6A
gezeigt ist, ist eine Hülse 36 auf die
aufrechtstehenden Rippen 53, die in der Welle 35 der Walze
ausgebildet sind, aufgeschrumpft. Das Schlankheitsverhältnis
L/T dieser Rippen wird so groß wie möglich gehalten,
ohne die mechanische Steifigkeit der Walze in größerem
Ausmaße zu berühren. Bei den Stützwalzen ist der
Minimalwert L/T ungefähr 4 und der Maximalwert ungefähr 10.
Ein Verbiegen dieser Rippen unter den schweren
Schrumpf- und Walzkräften wird durch deren Verankerung
miteinander durch Stangen oder dgl. wie in den Fig. 8
und 9 gezeigt, verhindert.
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Zum Bewirken einer konvexen Balligkeit wird ein heißes
Fluid in die Mitte der Walze eingeführt, wodurch die
mittleren Rippen an den Bereichen 53' um einen gewissen
Wert ΔL expandieren. Bei dem Strömen durch die Kerben
37 zwischen den Rippen 53 nimmt die Fluidtemperatur um
ein berechenbares Ausmaß ab, wobei jede der
nachfolgenden Rippen um einen geringeren Betrag gegenüber der
vorangehenden um einen kleinen Betrag δL abnimmt. Durch
Ändern des Fluidvolumens und der Temperatur kann der
Betrag der Balligkeit der Walze um ein vorgegebenes Maß
eingestellt werden und schnell durch Messen des Bandes
in einem geregelten Betrieb geändert werden.
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Für eine konkave Balligkeit der Walze wird der Strom
umgekehrt.
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Die Gesamtexpansion der Walze besteht aus drei Sub-
Expansionen:
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1. Die Primär-Rippenexpansion, die wegen
des Verhältnisses der Länge der
Rippe zu der Wandstärke der Rippe
am größten ist. Dieser laterale
Wärmeaustausch ist das
Hauptsteuerungsmerkmal, das die Hülse mit
einer Zunahme der Temperatur
herausdrückt und die Hülse aufgrund der
Schrumpfung und der Walzkräfte mit
einer Abnahme der Temperatur
kollabieren läßt.
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2. Eine sekundäre Expansion der Hülse
(durch den radialen Wärmeaustausch
zwischen dem Wärmefluid und der
Manschette). Es muß nicht auf diese
weitaus langsamere und geringere
Wirkung auf die Balligkeit der
Walze gewartet werden.
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3. Tertiäre Expansion durch den
radialen Wärmeaustausch zwischen dem
Wärmefluid und der Welle, die noch
langsamer ist und praktisch
vernachläßigt werden kann.
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Der Betrag der thermischen Expansion (ΔL) der Rippen 53
in der radialen Richtung, d. h. in Richtung auf die
Walzenhülse 36 entsprechend der bekannten Formeln für
die thermische Expansion, ist direkt proportional zu
der Länge der Rippen, der Zunahme der Temperatur (ΔT)
der Rippen und dem Koeffizienten der thermischen
Expansion des Rippenmaterials. Die Rippengeometrie nach
meiner Erfindung maximiert die Länge als auch den
Oberflächenbereich, der mit dem Wärmeübertragungsmedium in
Takt ist. Diese Merkmale maximieren die Länge und die
ΔT Faktoren in der bekannten thermischen
Expansionsgleichung. Da die Rippen 53 durch das heiße Fluid, das
durch die Kerben 37 strömt, schnell erwärmt werden,
expandieren die Rippen schnell radial nach außen,
wodurch die Enden 53' der Rippen die Walzenhülse 36 nach
außen in eine Position drücken, die in Fig. 6A durch
die gestrichelten Linien 36' angegeben sind. Es wird so
ein neues Profil der Balligkeit der Walze gebildet. Bei
einem umgekehrten Betrieb oder bei dem Kühlbetrieb
tritt die umgekehrte Wirkung auf und die Walzenhülse 36
zieht sich schnell der radialen Einziehung der
gekühlten Rippen folgend aufgrund der Schrumpfpassung
zwischen der Hülse und der Welle und auch aufgrund der auf
sie ausgeübten Walzkräfte zusammen.
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Mein innerer Walzenaufbau schafft:
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a) die größte Fläche für einen
effizienten Wärmeaustausch unter
Beibehaltung der mechanischen
Festigkeit,
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b) die schnellste maximale
Formänderung pro Zeiteinheit,
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c) die beste Fluidpumpeffizienz, die
durch den sich erstreckenden
Fluidweg durch die Rippen bewirkt wird,
was einen maximalen
Temperaturgradienten erlaubt,
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d) eine noch schnellere Reaktion kann
durch Ausbilden der Rippen aus
einem hochleitfähigen Material wie
Bronze oder Aluminiumlegierungen
bewirkt werden.
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Walzen nach dem Stand der Technik (Fig. 6B) haben über
große Bereiche des dünnen Materials keinen primären,
lateralen Wärmeaustausch. Lediglich sekundäre und
tertiäre radiale Austausche sind über sehr lange
Zeiteinheiten möglich. L/T nähert sich R/W < 1 an, wobei L der
Walzenradius und W die Rollenbreite ist, ohne
praktische Wirkung auf die Walzenexpansion. Es ergibt sich
daraus, daß die Einwirkungsflüssigkeit in die Kerben
zwischen die Rippen in der Mitte der Walze eingeben und
an den Enden der Walze abgeführt werden sollte.
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Eine verbesserte Wärmeübertragung hin zu und weg von
den Rippen kann durch Verwendung eines Metalls für die
Rippen mit einer höheren Leitfähigkeit als die von
Stahl erzielt werden. In Fig. 7 ist eine Stahlwelle 35
mit einer umlaufenden Höhlung 63 in seiner Fläche
unterhalb der Hülse 36 ausgebildet. In der Höhlung sind
Gruppen 64 von ringförmigen Rippen 65 wie in Fig. 8
befestigt, die eine höhere thermische Leitfähigkeit als
Stahl haben. Bronze mit einer thermischen
Leitfähigkeit, die etwa das Vierfache derjenigen von Stahl
beträgt, ist für solche Zwecke kommerziell erhältlich.
Jede Rippe 65 ist von den benachbarten Rippen entlang
der Achse der Walze beabstandet, wie in Fig. 8 gezeigt,
jedoch nur um einen Betrag, der geeignet ist, eine
Zirkulation des Wärmeaustauschfluids zwischen diesen zu
erlauben. Die Rippen in jeder Gruppe 64 werden durch
ihre Längsversteifungen 66, die durch Löcher in den
Rippen verlaufen, zusammengehalten. In der Bodenfläche
67 der Höhlung 63 ist ein Kanal 68 ausgebildet, der
sich längs unterhalb einer oder mehrerer der Rippen der
Gruppe 64 in der Höhlung 63 erstreckt und mit den
Räumen zwischen gleichen Rippen 65 in diesen Gruppen
verbindet. Eine Querbohrung 70, die sich von dem Kanal 68
öffnet, schafft eine Verbindung mit der Längsbohrung
71, die sich durch ein Ende der Welle 35 erstreckt.
"O"-Ringe 72 aus Gummi oder einem ähnlichen Material
sind zwischen der Welle 35 und jedem Ende der Gruppe 64
eingepaßt, um jede Gruppe 64 von benachbarten Gruppen
abzudichten. Um Rippengruppen 64 in der Höhlung 63 zu
bilden, sind diese in Hälften durch einen Durchmesser
geteilt, wie dies in Fig. 9 gezeigt ist, die Hälften
sind durch eine Dichtung 73 abgedichtet. Die
Trennebenen der verschiedenen Gruppen 64 sind winklig
gegeneinander versetzt, wie dies in Fig. 9 durch gestrichelte
Linien dargestellt ist. Die geteilten Rippengruppen 64
werden auf der Welle 35 während der Montage durch
Drähte
74 gehalten, die um Befestigungsbolzen 66 gezogen
werden.
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Die Vorrichtung zur Zufuhr eines Wärmeaustauschfluids
zu meiner Walze ist schematisch in zwei Zuständen in
den Fig. 10 und 12 gezeigt. Die sich ergebenden
Balligkeiten der Walzen sind in überhöhter Form in den Fig.
11 bzw. 13 wiedergeben. Die Walze selbst ist in den
Fig. 10 und 12 nicht dargestellt. Nur eine Darstellung
der spiraligen Kerben 37 und 38 von Fig. 5, die die
Walzenwärmeaustauschzonen bilden, und ihre
Verbindungsbohrungen 41, 50 und 51. Ein System 76 für heißes
Wasser oder eine andere Wärmeaustauschflüssigkeit weist
ein Reservoir, eine Pumpe, einen Erwärmer und eine
Ventilanordnung auf, die ein Heißwasserzufuhrrohr 78 hat,
das diese mit einem Zuteilungsventil 18 verbindet, das
heißes Wasser zu der Leitung 82 und auch zu einer
Leitung 88 führt, die wiederum das heiße Wasser zu dem
System 76 rückführt, und zwar in dosierten Mengen, wie
dies im folgenden beschrieben wird. Ein System 77 für
kaltes Wasser oder eine andere Wärmetauschflüssigkeit
weist ein Reservoir, eine Pumpe, eine Kühlung und eine
Ventilanordnung auf, mit einer Zufuhrpumpe 79, die
dieses mit einem Dosierventil 81 verbindet, das kaltes
Wasser zu der Leitung 83 zuführt und auch zu einer
Leitung 85, die das kalte Wasser zu dem System 77
rückführt und zwar entsprechend dosiert, wie zu beschreiben
sein wird.
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Ein Auslaß 78 des Heißwassersystems verbindet weiter
mit einem Rohr 88, das Wasser durch ein Dreiwege-Ventil
90 liefert. Ein Auslaß des Ventils 90 führt das heiße
Wasser durch das Rohr 92 zu dem System 76 zurück. Der
andere Auslaß des Ventils 90 verbindet mit dem Rohr 96,
das wiederum durch die Bohrung 45 in der Walze und
Querbohrungen 44 und 43 an den äußeren Enden der
spiraligen Kerben 38 und 37 verbindet. Der Auslaß 79 des
Kaltwassersystems verbindet weiter mit dem Rohr 89, das
kaltes Wasser zu einem Drei-Wege-Ventil 91 führt. Ein
Auslaß des Ventils 91 führt kaltes Wasser durch das
Rohr 93 zu dem System 77 zurück. Der andere Auslaß des
Ventils 91 verbindet mit dem Rohr 97, das wiederum
durch die Bohrung 45 in der Walze in der Walze und
Querbohrungen 43 und 44 mit den äußeren Enden der
spiraligen Kerben 37 und 38 verbindet. Die Verbindung 39
der spiraligen Kerben 43 und 44 verbinden über die über
die Querbohrung 40 und die Bohrung 41 mit einem Zugang
eines Vierwege-Ventils 94. Die Mittelkerben der
Wärmeaustauschzonen 37 bzw. 38 verbinden über Querbohrungen
49 und 50 mit der Längsbohrung 51, die mit einem
zweiten Zugang des Vierwege-Ventils 94 verbunden ist. Der
dritte Zugang ist mit Leitungen 82 und 83, wie oben
erwähnt, verbunden, der vierte Zugang über eine Leitung
95 und Leitungen 86 und 87 mit dem Heißwassersystem 76
bzw. dem Kaltwassersystem 77.
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Ein Temperatursensor 97 ist an der Leitung 91
angebracht und ein Temperatursensor 98 ist an der Leitung
41 angebracht. Die Temperatursensoren 97 und 98 wandeln
die Temperatur des Wassers, die sie messen, in
elektrische Signale. Der Sensor 97 ist über eine Leitung 100
mit einem Mikroprozessor 104 und mit dem Sensor 98 und
über Leitung 102 und 103 mit den Dosierventilen 80 bzw.
81 verbunden. Der Mikroprozessor 104 ist über eine
Leitung 101 mit dem Temperatursensor 98 verbunden. Ein
Rückführsignal 105 von einem Formsensor in einer Walze
oder einer anderen, nicht gezeigten, stromabwärts
angeordneten Anordnung wird auf Leitungen 99 und 101
aufgebracht.
Manuelle Eingaben 106 in den Mikroprozessor
104 erlauben es, eine gewünschte Balligkeit vorzugeben.
Meine oben beschriebene Vorrichtung wird die Temperatur
entlang der Walze derart steuern, daß die Balligkeit
der Walze das gewünschte Profil beibehält. Fig. 11
zeigt die so erreichte Balligkeit der Walze.
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Fig. 10 zeigt die Steuervorrichtung in dem Zustand
eines vorwärts gerichteten Stromes, d. h., in einem
Zustand, in dem heißes Wasser zu den Verbindungskanälen
der Wärmeaustauschzonen 37 und 38 und kaltes Wasser zu
den äußeren Enden jeder Zone zugeführt. Die Richtung
des durch die Pfeile gezeigten Stromes wird durch die
Drei-Wege-Ventile 90 und 91 und das durch Vier-Wege-
Ventil 94 gesteuert. Heißes Wasser von den Leitungen 78
und 82 läuft durch das Vier-Wege-Ventil 94 in die
Leitung 41 und die Verbindung der Wärmeaustauschzonen 37
und 38 in der Walze. Kaltes Wasser aus der Leitung 89
fließt durch die Leitung 79 und die Bohrung 45 zu den
Querbohrungen 43 und 44 und zu den äußeren Enden der
Wärmeaustauschzonen 37 und 38. Wasser, das die Zonen
durch Querbohrungen 49 und 50 und die Röhre 51 bei
einer mittleren Temperatur verläßt, fließt durch das
Vier-Wege-Ventil 94, das es durch die Röhre 95 zu den
Röhren 86 und 87 leitet. Ob das rückfließende Wasser zu
dem Heizwassersystem 76 oder aber zu dem
Kaltwassersystem 77 gelangt, wird durch die Dosierventile 80 und 81
bestimmt, die so eingestellt sind, daß wenn das eine
zur Erhöhung des Wasserstroms, der zu seinem System
rückzirkuliert, wirkt, etwa als heißes Wasser durch das
Ventil 80 und die Röhre 84 zu dem Heizwassersystem 76,
das andere zur Verringerung der Strömung von kaltem
Wasser, das durch das Ventil 81 und die Röhre 85 zu dem
Kaltwassersystem 77 zirkuliert. Unter diesen
Verhältnissen
geht die Masse des rückkehrenden Wassers durch
die Röhre 95 durch die Röhre 87 zu dem Kaltwassersystem
77.
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Die Dosierventile 80 und 81 werden automatisch den
Temperaturen des Wassers, das den Wärmeaustauschzonen 37
und 38 zugeführt wird und den Temperaturen des diese
Zonen verlassenden Wassers entsprechend gesteuert. Die
erstgenannte Temperatur wird durch den Temperatursensor
98 und die zweitgenannte durch den Temperatursensor 97
gemessen. Geeignete Dosierventile und
Temperatursensoren sind kommerziell erhältlich. Die Signale von den
Temperatursensoren 97 und 98 werden gemeinsam mit einem
Signal 105 von einem Walzenformsensor, der stromabwärts
der jeweiligen Walze angeordnet ist, vorzugsweise in
einer Meßwalze, einem Mikroprozessor 104 zugeführt, der
Steuersignale zu den Dosierventilen 80 und 81
aussendet. Manuelle Steuerungsbefehle 106 werden in den
Mikroprozessor eingegeben, um eine vorgegebene Balligkeit
einzustellen.
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Fig. 12 zeigt denselben Zustand wie Fig. 10, aber bei
einem umgekehrt gerichteten Strom. Die beiden
Dosierventile 80 und 81 und das Vier-Wege-Ventil 94 sind in
ihre zweite oder umgekehrten Positionen eingestellt,
wie gezeigt. Die Pfeile in den Figuren zeigen die
Flußrichtung in dem Zustand des rückwärts gerichteten
Stroms. Die Enden der Walze werden erwärmt und seine
Mitte wird gekühlt, was das Walzenprofil nach Fig. 13
erzeugt.
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Obwohl heißes und kaltes Wasser die bequemsten heißen
und kalten Wärmeaustauschfluide bilden, kann meine
Erfindung auch mit anderen Flüssigkeiten oder mit Gasen
verwirklicht werden. Überhitztes Wasser oder Dampf
können beispielsweise als heißes Wärmeaustauschmedium
verwendet werden.
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In den nachfolgenden Ansprüchen schließt der Begriff
"Mittelabschnitt" einen einzigen Mittelabschnitt
umlaufender Kerben und Abschnitte auf, die einander auf
gegenüberliegenden Seiten der Mittelebene rechtwinklig zu
der Walzenachse einschließen.
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In der vorangehenden Beschreibung habe ich gegenwärtig
bevorzugte Ausführungsbeispiele meiner Erfindung
erläutert. Es versteht sich jedoch, daß meine Erfindung im
Umfang der nachfolgenden Ansprüche auch anders
verwirklicht werden kann.