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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Arbeitswalze zur Erzeugung
einer Metallfolie durch Walzen einer Metallbahn von Blechen oder
Bändern
und insbesondere durch Kaltwalzen von Metall. Die Erfindung ist
insbesondere jedoch nicht ausschließlich geeignet für die Produktion
von Aluminium oder Aluminiumlegierungsfolie, insbesondere wenn eine
Walzung mit geschlossenem Spalt angewendet wird. Der Begriff Metall,
wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, ist auf Metall- und/oder dessen
Metalllegierung bezogen verwendet. Beispielsweise kann das Metall
Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, insbesondere eine Folienlegierung
sowie AA8006, AA1045 oder AA1200 sein.
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Verfahren
zum Kaltwalzen von Metallblechen oder Bändern, um eine Metallfolie
auszubilden, sind im Stand der Technik gut bekannt und verwenden
Arbeitswalzen, die aus Stahl erzeugt sind und einen E-Modul von
etwas über
200 GPa aufweisen. Das Metallblech wird anfangs einem Walzen mit
offenem Spalt unterzogen, bis es dünn genug ist, um ein Walzen
mit geschlossenem Spalt erforderlich zu machen.
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Unter
Bezugnahme auf 1 sind im Walzen mit geschlossenen
Spalt gegenüberliegende
Kantenregionen der umfänglichen
Oberflächen
der Arbeitswalzen 1 in Kontakt über die Längskanten des Metallbandes 6,
so dass die Dicke des auslaufenden Bands durch Abflachen der Oberfläche der
Walzen gesteuert wird. Hier werden die Längskanten des Metallbands als
diejenigen angesehen, die diejenigen Kanten des Metallbands sind,
welche parallel in der Verlaufsrichtung sind. Zum Walzen mit offenem
Spalt stehen die Arbeitswalzen nicht über die Längskanten des Metallbands in
Kontakt miteinander.
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Die
internationale Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer WO99/48627
beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Metallfolie durch Kaltwalzen
einer Metallplatte, das anfangs Arbeitswalzen verwendet, die einen
E-Modul zwischen 210 GPa und 310 GPa zur Ausführung eines Walzens mit offenem
Spalt und später
Arbeitswalzen verwendet, die einen E-Modul oberhalb 540 GPa zum
Ausführen
des Walzens von zumindest einigen dieser Stiche aufweist, die mit
geschlossenem Spalt durchgeführt
worden wären,
wenn übliche
Stahlwalzen verwendet worden wären.
Der Schlussstich oder die Stiche werden unter Verwendung von Arbeitswalzen
durchgeführt,
die einen E-Modul zwischen 210 GPa und 310 GPa aufweisen. Dieses
Dokument erwähnt
nicht Arbeitswalzen, die einen E-Modul unterhalb von 200 GPa aufweisen,
oder deren Verwendung. Tatsächlich
gibt dieses Dokument vor, dass "härtere" Walzen (es werden
jeweils Walzen mit einem höheren E-Modul
gemeint) beim Walzen mit nahezu geschlossenem Spalt verwendet werden
sollten. Ebenso spricht dieses Dokument nicht die Frage an, wie
die Walzgeschwindigkeit angehoben werden könnte.
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Die
DE 19702325 beschreibt
ein Verfahren zur Erzeugung von Walzen oder Walzensätzen zur
Dämpfung
der Vibration. Dieses Dokument lehrt die Verwendung einer hohlen
Walze oder einer Walze, die eine Longitudinalbohrung aufweist, die
sich entlang der Achse der Walze erstreckt und die beispielsweise
mit Blei oder Wolfram gefüllt
sein kann, um die Vibrationseigenschaften der Walze zu verändern. Dabei
gibt sie keinen Hinweis darauf, dass die Bohrung oder die Füllung den
effektiven E-Modul der Walze verändert.
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Die
US 2,187,250 beschreibt
ein Verfahren zur Kompensierung von Walzenablenkungen. Eine der Ausführungsformen
beschreibt die Verwendung einer Komposit-Rolle, die eine Zentralwelle
umfasst, die von der der äußeren Stahlhülle mittels
einer Zwischenschicht aus einem Material wie gegossenem Eisen getrennt ist,
welches einen vergleichsweise geringen E-Modul aufweist. Die zentrale
Welle ist kronenförmig,
so dass die Zwischenschicht in der Mitte dünner als an den Enden ist.
Auf diese Weise wird der elastische Effekt der Zwischenschicht an
den Kanten deutlicher als an dem Zentrum der Walze verspürt, was
dazu neigt, Ablenkungskräfte
zu eliminieren.
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Die
US 3,503,242 beschreibt
eine Komposit-Arbeitswalze, die so gestaltet ist, dass sie das Problem der
Flachheit des gewalzten Produkts überwindet. Die Walze ist so
ausgestaltet, dass sie sich lokal elastisch deformiert und eine
lokale Unebenheit im Produkt korrigiert. Die Walze umfasst eine äußere Hülse aus
einem harten Material, welches von der zentralen Umgebung über eine
dünne Schicht
aus einem Material mit niedrigem Elastizitätsmodul sowie hartem Gummi
oder einem anderen Elastomer, Polyurethan, Neopren-Butadien-Styren
oder ähnlichen
elastomeren Materialien getrennt ist.
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Die
EP-A-0815970 beschreibt eine Komposit-Walze, die so aufgebaut ist,
dass sie über
ihre Länge eine
variable Elastizität
aufweist, um so das Abflachungs-Verhalten der Walze in bestimmten
Abschnitten zu variieren, um somit den Kantendruck und die Wand-Schärfung zu
reduzieren.
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Dabei
bestehen viele Nachteile, die mit den konventionellen Techniken
zum Folienwalzen von Metallblechen verbunden sind. Obwohl die Verwendung
von Arbeitswalzen mit hohem E-Modul eine größere Reduktion der Dicke des
Metalls pro Stich ermöglicht,
ist deren Nachteil der, dass sie eine schlechte Flachheit der Folie
produzieren. Die Verwendung von Arbeitswalzen mit niedrigem E-Modul
hat, obwohl sie das Problem einer schlechten Ebenheit des Metalls
verhindert, den Nachteil der Beschränkung der Reduktion durch Walzenabflachung
bei späteren
Stichen.
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In
konventionellen Walzverfahren mit geschlossenem Spalt werden, um
eine geringe Dicke der Folie zu erzielen, hohe Lasten angewendet,
um einen hohen Druck auf das Metall über die Arbeitswalzen aufzubringen,
jedoch hat dies den Nachteil, dass oberhalb einer bestimmten Belastung
nur die Deformation der Arbeitswalze eintritt und dies zu keiner
weiteren Reduktion der Dicke führen
wird.
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Ein
weiterer Nachteil ist der, dass derzeit die Geschwindigkeit der
Walzstraße
dazu verwendet wird, die Ausgangsdicke der Folie zu steuern. Wenn
die Walzen frisch grundiert sind und die Reibung zwischen den Walzen
und der Folie hoch ist, kann das Blech schneller gewalzt werden.
Wenn die Arbeitswalzen sich abreiben, werden sie ebener und die
Reibung sinkt ab. Um die Verringerung der Belastung, die daraus
resultiert, zu kompensieren, muss die Walzstraße verlangsamt werden, was
deren Produktivität
begrenzt. Große
Mühen werden
derzeit auf die Beibehaltung einer hohen Reibung mittels verschiedener
Walzen-Schleiftechniken verwendet. Wenn die Arbeitswalzen sich eben
abreiben, müssen
sie aus der Walzstraße
entfernt werden und wieder aufgeraut werden, um deren hohe Reibungseigenschaften
wieder zu erzielen. In den meisten Folienwalzstraßen müssen die
Walzen nach nur wenigen Stunden der Verwendung wieder aufgeraut
werden.
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Der
Erfinder hat herausgefunden, dass die Reduzierung des effektiven
E-Moduls von zumindest einer der Arbeitswalzen, obwohl sich dies
intuitiv widerspricht, diesen Problemen begegnet und insbesondere
eine angehobene Geschwindigkeit der Walzstraße ermöglicht.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Arbeitswalze zur Verwendung bei der Reduktion
der Dicke von Metallblech zur Verfügung gestellt, wobei diese
Arbeitswalze eine Komposit-Struktur
aufweist, die eine feste zylindrische Schicht (11, 12)
umfasst, die eine Kernschicht umfasst, auf der zumindest eine weitere
zylindrische Schicht (10, 13, 14) ausgebildet
ist, die mit der Kernschicht verbunden ist, und wobei der E-Modul des Materials
der Schicht (11, 13) unterhalb der äußersten
(10, 14) der weiteren zylindrischen Schichten
geringer als der der äußersten
Schicht (10, 14) ist, wobei diese Arbeitswalze
dadurch gekennzeichnet, dass ist, dass:
- a)
Der Elastizitätsmodul
des Materials der Schicht (11, 13) unterhalb der äußersten
(10, 14) weiteren zylindrischen Schichten im Bereich
von 40 GPa bis 150 GPa eingestellt ist; und
- b) die radiale Dicke der äußersten
(10, 14) der weiteren zylindrischen Schichten
geringer als die der Schicht (11, 13) unterhalb
der äußersten
(10, 14) Schicht ist und eine maximale radiale
Dicke von 20 mm aufweist;
um so den effektiven Elastizitätsmodul
des Verbundaufbaus in einen Bereich von 40 GPa bis 190 GPa zu bringen,
und wobei:
- c) die weitere zylindrische Schicht oder die weiteren zylindrischen
Schichten einen konstanten Querschnitt über die Arbeitslänge der
Arbeitswalze aufweist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der effektive Elastizitätsmodul
der Arbeitswalze geringer als 180 GPa, vorzugsweise geringer als
150 GPa und besonders bevorzugt geringer als 120 GPa. In dieser
Beschreibung werden Arbeitswalzen, die einen effektiven Elastizitätsmodul
von geringer als 190 GPa aufweisen, als nachgiebige Walzen bezeichnet.
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Der
Elastizitätsmodul
ist eine inhärente
Eigenschaft eines Materials: beispielsweise ist der Elastizitätsmodul
für Stahl
etwa 210 GPa, wohingegen der für
Aluminium etwa 70 GPa ist. Die Nachgiebigkeit ist eine Eigenschaft
eines Aufbaus, die direkt bezogen ist auf die Verschiebung (des
Aufbaus) infolge einer darauf aufgegebenen Belastung. Die Nachgiebigkeit
ist daher nicht allein abhängig
von den inhärenten
Eigenschaften des Materials, die den Aufbau ausbilden – in diesem
Fall der Elastizitätsmodul – sondern
ebenso vom Aufbau selbst und insbesondere dessen Geometrie.
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Mathematisch
ist eine nachgiebige Arbeitswalze die, deren Deformation der Walze
h geteilt durch den Rollendruck p ist und die definiert ist wie
folgt: Nachgiebigkeit
= h/p (1)
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Für die Zwecke
der vorliegenden Anmeldung kann die Nachgiebigkeit als direkt abhängig vom
Elastizitätsmodul
angesehen werden, es sollte jedoch angemerkt werden, dass die Nachgiebigkeit
einer Arbeitswalze sich verändern
wird, wenn deren Geometrie verändert
wird und insbesondere wenn deren Durchmesser geändert wird. Somit wird in der
vorliegenden Diskussion angenommen, dass die geometrischen Eigenschaften der
Arbeitswalze und insbesondere deren Durchmesser konstant sind. Der
Effekt des Walzendurchmessers auf die Geschwindigkeit des Walzens
wird speziell im Folgenden diskutiert.
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Der
Grund dafür,
warum die Nachgiebigkeit im Kontext dieser Erfindung wichtig ist,
ist der, dass herausgefunden wurde, dass bei Ansteigen der Nachgiebigkeit
der Walze es möglicht
wird, die Geschwindigkeit der Walzstraße zu erhöhen. Da der Elastizitätsmodul
eine signifikante, wenn auch nicht einzige, Komponente der Nachgiebigkeit
ist, wird hieraus ersichtlich, dass die Reduzierung des Elastizitätsmoduls,
der wiederum die Nachgiebigkeit erhöht, wobei sämtliche anderen Dinge gleich
bleiben, ebenso ermöglicht,
die Geschwindigkeit der Walzstraße zu erhöhen. Die Herausforderung ist
die, eine Arbeitswalze zur Verfügung
zu stellen, die einerseits einen derart reduzierten Elastizitätsmodul
aufweist, jedoch andererseits eine Arbeitsoberfläche aufweist, die gegen Abrieb
hart ist.
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Die
vorliegende Erfindung kann durch die Verwendung von nachgiebigen
Walzen das Erfordernis für eine
hohe Reibung zur Erzielung einer Folie mit dünner Dicke ersetzen. Dies führt zur
Möglichkeit,
mit ebeneren Arbeitswalzen zu walzen, was sowohl ein schnelleres
Walzen als auch seltenere Arbeitswalzen-Wechsel zur Wiederaufrauung
ermöglichen.
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Zusätzlich verbessert
die Verwendung einer oder mehrerer nachgiebiger Walzen die Flachheit
des Blechs. Es wird vermutet, dass eine Unebenheit aus einem Missverhältnis zwischen
dem Dickenprofil des in den Rollenspalt eintretenden Bands und dem
Rollenspaltprofil resultiert. Dieser Unterschied bewirkt eine ungleichmäßige Verlängerung
des Bands von Ort zu Ort über
die Bandbreite und infolgedessen eine Unebenheit. Lokale Verschiebungen
der Walzen über
die Walzenbreite können
diese Unterschiede in gewissem Maße ausgleichen. Nachgiebige
Walzen ermöglichen
den Ausgleich größerer Unterschiede
ohne die Unebenheit des aus der Walzstraße auslaufenden Bands zu erhöhen. Durch
die Verwendung von nachgiebigen Walzen neigen Variationen des Dickenprofils
des einlaufenden Bands eher dazu beibehalten zu werden als Variationen
der Dicke, die in Variationen der Länge überführt werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
werden die nachgiebigen Walzen bei deren Verwendung so positioniert,
dass gegenüberliegende
Kantenabschnitt von deren umfänglichen
Oberflächen
die korrespondierenden Kantenbereiche der anderen Arbeitswalze oder
Walzen berühren
(Walzen mit geschlossenem Spalt). Alternativ hierzu werden die nachgiebigen
Walzen bei deren Verwendung so positioniert, dass deren gegenüberliegende
Kantenbereiche sich beinahe berühren,
jedoch die korrespondierenden Kantenbereiche der anderen Arbeitswalze
oder Walzen nicht tatsächlich
berühren
(Walzen mit nahezu geschlossenem Spalt). In beiden Umständen können die
nachgiebigen Walzen in Kombination mit der Geschwindigkeitssteuerung
verwendet werden, um die gewünschte
Dicke der Folie zu erreichen. Die nachgiebigen Walzen ermöglichen
die Verwendung einer höheren
Geschwindigkeit, um die vorgegebene Dicke zu erzielen.
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Wie
bereits erwähnt,
ist der Elastizitätsmodul
eine Materialeigenschaft und somit für eine vorgegebenes Material
nicht leicht zu verändern.
In einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird eine Komposit-Arbeitswalze verwendet, die einen
effektiven Elastizitätsmodul
aufweist, der sehr unterschiedlich von dem von festem Stahl ist.
Solch eine Komposit-Arbeitswalze wird vorzugsweise als ein Kern
erzeugt, auf dem eine oder mehrere zylindrische Schichten befestigt
sind. In allen Fällen
wird die äußerste Schicht,
die die Arbeitsoberfläche
der Walze ausbildet, aus einem vergleichsweise harten Material sowie
Stahl oder Chrom gefertigt, um als abriebresistente Oberfläche der
Walze zu agieren. Unterhalb der äußersten
Schicht liegt eine Schicht aus einem nachgiebigen Material sowie
Aluminium, Kupfer, Magnesium vor und es ist die Anwesenheit dieser nachgiebigen
Schicht, die den Arbeitswalze insgesamt deren Eignung verleiht.
Die Regelung der Dicke der äußeren Schicht
(die als einen hohen Elastizitätsmodul
aufweisend angenommen wird) sowie der inneren Schicht (die als einen
geringen Elastizitätsmodul
aufweisend angesehen wird) ermöglicht
die Einstellung des Grads an Nachgiebigkeit, wie im Folgenden detaillierter
beschrieben werden wird.
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In
einer Komposit-Walze, die nur eine einzelne zylindrische Schicht
oberhalb des Kerns aufweist, ist diese einzelne Schicht dann die
harte äußere Schicht
und der Kern ist die nachgiebige innere Schicht. Wo zwei Schichten
oberhalb des Kerns vorliegen, kann der Kern aus einem harten Material
sowie Stahl gefertigt sein und die nachgiebige innere Schicht nimmt
die Form einer Zwischenschicht an, die zwischen dem Kern und der äußersten
Schicht liegt. Noch weitere Schichten können verwendet werden, wenn
dies notwendig ist, um besondere Eigenschaften zu erzielen.
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Die äußerste Schicht
der Komposit-Walze muss ausreichend dick sein, andernfalls ist sie
schwierig herzustellen. Zusätzlich
hierzu wird bevorzugt, eine gewisse Überdicke zur Verfügung zu
stellen, um eine Wiederaufrauung der Walze zu ermöglichen,
wenn sie Abrieb unterliegt. Auf der anderen Seite wird, je dicker
die äußerste Schicht
ist, desto größer der
Effekt der nachgiebigen inneren Schicht verdeckt werden und daher wurde
ein Kompromiss erzielt. Die absolut minimale radiale Dicke ist möglicherweise
etwa 4 mm mit etwa 5 mm als bevorzugte minimaler Dicke. Jedoch können auch äußere Schichten,
die noch dünner
sind, verwendet werden und haben den Vorteil der Bereitstellung
einer maximalen Nachgiebigkeit. Beispielsweise können äußere Schichten aus Metall oder
Karbiden mit nur 20 Mikrometer Dicke durch Flamm- oder Plasma-Sprühablagerung
aufgebracht werden. Wenn diese Schichten gerieben sind, können sie
durch Wiederaufsprühen
eher repariert werden als durch Wiederaufrauung. Die maximale radiale
Dicke zur Verhinderung eines exzessiven Verdeckens des Effekts der
inneren Schicht ist 20 mm. Jedoch ist die maximale Dicke vorzugsweise
etwa 15 mm und noch bevorzugter etwa 8 mm.
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In
Ausführungsformen,
bei denen die innere Schicht die Form einer Zwischenschicht annimmt,
die zwischen einem Kern und der äußersten
Schicht positioniert ist, ist die Zwischenschicht vorzugsweise zwischen 20
und 40 mm dick. Jedoch wird ein gewisser Vorteil mit einer dünneren Zwischenschicht
erzielt, beispielsweise etwa 5 mm, jedoch ist die bevorzugte minimale
Dicke 10 mm. In jedem Fall wird bevorzugt, dass die äußerste Schicht
in radialer Richtung dünner
als die Zwischenschicht ist.
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Vorzugsweise
liegt der Elastizitätsmodul
des Materials der inneren Schicht im Bereich von etwa 50 GPa bis
etwa 150 GPa, was Magnesium am unteren Ende (etwa 44 GPa) sowie
Kupfer am oberen Ende (etwa 120 GPa) abdeckt. Der bevorzugte Bereich
ist jedoch etwa 40 GPa bis 120 GPa mit Aluminium (etwa 70 GPa) als
bevorzugtes Material. Materialien mit sehr geringem Elastizitätsmodul,
beispielsweise flexible Kunststoffmaterialien oder Gummi, sind nicht
geeignet, da diese nicht eine ausreichende Festigkeit aufweisen,
um die sehr bemerkenswerten Antriebskräfte, die beim Walzen der Metalle
aufgebracht werden, zu übertragen.
Darüber
hinaus wird die äußere Hülle der
Walze in der Lage sein, sich zu sehr in Bezug auf den Kern zu bewegen. Zusätzlich werden
solche Materialien dazu neigen, nur in der Weise einer flexiblen
Kupplung zu wirken und werden nicht den erforderlichen Komposit-Effekt
bereitstellen. Vielmehr ist das, was erforderlich ist, ein Aufbau,
bei dem die äußerste harte
Schicht und die innere nachgiebige Schicht zusammenwirken, um den
erforderlichen effektiven Elastizitätsmodul zur Verfügung zu
stellen.
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Eine
Arbeitswalze, die einen Komposit-Aufbau aufweist, wie er oben diskutiert
wurde, wird einen Elastizitätsmodul
aufweisen, der den resultierenden Elastizitätsmodul der Komponenten-Materialien aufweist,
aus denen die Walze gefertigt ist. Solch einer Arbeitswalze wird
ein effektiver Elastizitätsmodul
zugeschrieben, so dass die elastische Antwort der Komposit-Walze auf einer aufgebrachten
Belastung die gleiche ist wie die einer festen Walze mit den gleichen äußeren Dimensionen, die
aus einem Material gefertigt ist, das einen Elastizitätsmodul
aufweist, der gleich dem effektiven Elastizitätsmodul ist.
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Ein
Weg der Berechnung (Messung) des effektiven Elastizitätsmoduls
einer solchen Komposit-Walze wird im Folgenden unter Bezugnahme
auf 2 beschrieben, die einen Teil des Umfangs einer
Arbeitswalze 1 zeigt.
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Wenn
die elastische Oberflächenabweichung
einer Komposit-Walze 1 unter einem vorgegebenen Druck h
ist, ist der effektive Elastizitätsmodul
dieser Walze gleich dem Elastizitätsmodul eines Materials, welches
dann, wenn es als feste Walze mit gleichem Durchmesser ausgeformt
ist, im gleichen Maße
h unter gleichem Druck abgelenkt wird.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nunmehr beispielhaft unter Bezugnahme
auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine
Querschnittsansicht des Walzens von Metallblech mit geschlossenem
Spalt ist, die senkrecht zur Verfahrrichtung des Metallbands gesehen
ist;
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2 ein
Diagramm ist, das darstellt, wie ein effektiver Elastizitätsmodul
berechnet werden kann;
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3 eine
Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform einer nachgiebigen
Walze mit einer Komposit-Struktur
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung ist;
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4 ein
Graph der relativen Deformation über
die Schichtdicke und den effektiven Elastizitätsmodul für die Ausführungsform aus 3 ist;
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5 eine
Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform einer nachgiebigen
Walze, die einen Komposit- Aufbau
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung aufweist, ist;
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die 6A–C Graphen
der relativen Deformation über
die Schichtdicke und den effektiven Elastizitätsmodul für die Ausführungsform aus 4 ist;
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7 ein
Graph der Durchgangsgeschwindigkeit über die Schichtdicke für die Ausführungsform
aus 5 ist;
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8 ein
Graph der normalisierten Durchgangsgeschwindigkeit über den
normalisierten effektiven Elastizitätsmodul ist; und
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9 eine
Querschnittsansicht einer nachgiebigen Walze, gesehen senkrecht
zu deren Rotationsachse ist, der die Verteilung der Belastungen
in der Walze gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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Unter
Bezugnahme auf 3 wird eine nachgiebige Walze 1 gezeigt,
die einen Komposit-Aufbau aufweist. Die Walze 1 weist eine
Arbeitsoberfläche
auf, die die Form einer äußeren Schicht 10 einnimmt,
welche aus einem Material mit hohem Elastizitätsmodul, beispielsweise Stahl
erzeugt ist, wohingegen sie ein Inneres 11 aufweist, welches
aus einem Material mit geringem Elastizitätsmodul gefertigt ist, beispielsweise
Aluminium oder Kupfer, wodurch ermöglicht wird, dass die Arbeitswalze
eine Arbeitsoberfläche
aufweist, die hart gegenüber
Abrieb ist, während
sie einen effektiven Elastizitätsmodul
aufweist, der geringer als der von Stahl ist.
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Beispielsweise
kann die Komposit-Walze aus 3 aus einem
Aluminiumkern 11, der einen Elastizitätsmodul von etwa 70 GPa aufweist,
mit einer äußeren Stahlschicht 10,
die einen Elastizitätsmodul
von etwa 210 GPa aufweist, bestehen. Der Zweck ist hierbei, eine
Arbeitswalze mit einer Arbeitsoberfläche zu erzeugen, die hart gegenüber Abrieb
ist und die nicht am zu walzenden Band anhaftet, die jedoch einen effektiven
Elastizitätsmodul
und eine Nachgiebigkeit näher
an dem des darunter liegenden Aluminium aufweist. Der Aluminiumkern 11 ist
zylindrisch in seiner Form und weist einen konstanten Querschnitt über die
Arbeitslänge
der Walze auf. Die äußere Stahlschicht 10 ist
in der Form eines Hohlzylinders und durch jedes geeignete Mittel
mit dem Kern 11 verbunden, sowie Aufschrumpfen oder mittels
Klebstoffen, oder der Kern kann am Ort im Inneren der zylindrischen
Schicht 10 eingegossen sein.
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4 zeigt,
wie der effektive Elastizitätsmodul
der Komposit-Arbeitswalze durch Verändern der Dicke der äußeren Stahlschicht 10 verändert werden
kann. Die vertikale Achse zeigt die relative Deformation, die in Arbeitseinheiten
der Länge
angegeben ist, infolge des elastischen Systems der Aufbringung einer
Arbeitsbelastung. Das einzige Erfordernis ist das, dass die Deformation
verglichen mit dem Walzendurchmesser klein ist. Die gepunktete Kurve
ganz links stellt die vollständige
Deformation der Walze dar, wenn eine Kraft über den Walzendurchmesser wie
während
des Walzbetriebs aufgebracht wird. Ein Teil dieser Deformation erfolgt aufgrund
der bauchigen Deformation der Walze – sie wird leicht elliptisch – und der
Rest ist durch die lokale Deformation an der Walzenoberfläche um den
Kontaktpunkt herum begründet.
Es ist diese lokale Deformation, die die relevanteste für das Walzen
mit geschlossenem Spalt ist und die durchgezogene Kurve ganz links
zeigt somit nur die lokale Deformation. Es wird ersichtlich, dass
die lokale Deformation bei viel geringeren Dicken als die totale
Deformation unabhängig
von der Schichtdicke wird; dies war erwartet worden, da die Oberflächeneffekte
nur über
eine kleine Distanz in die Walze hinein wirken. Es wird ebenso bemerkt
werden können, dass
wenn die äußere Schicht
vergleichsweise dick ist (mehr als 20 mm) die Deformation ähnlich der
von festem Stahl wird, wohingegen dann, wenn die Schicht vergleichsweise
dünn ist
(beispielsweise 1 mm) sie sehr ähnlich
der von Aluminium ist.
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Daher
würde eine
dicke Hülse
aus Stahl, die auf einer Aluminiumbasis aufgeschrumpft wurde, eine Walze
mit einer Nachgiebigkeit erzeugen, die nur leicht unterhalb der
von reinem Aluminium ist und somit würde die Walze einen Elastizitätsmodul
von 43% von dem von Stahl aufweisen. Die Verwendung solch einer Komposit-Struktur
für die
Arbeitswalzen würde
somit ein Walzen von Folien ermöglichen,
das 50% schneller als die bei Verwendung von Stahl-Arbeitswalzen
angewendeten konventionellen Geschwindigkeiten ist.
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Die
zwei Kurven ganz rechts zeigen den effektiven Elastizitätsmodul
für verschiedene
Dicken der Schicht 10. Wie vorab liegen dabei zwei Kurven
vor: eine durchgezogene Kurve für
die totale Deformation sowie eine gepunktete Kurve für die lokale
Deformation. Beide Kurven stellen dar, wie die Deformation der Oberfläche mit
dem Elastizitätsmodul
von einem Wert von etwa 70 GPa (übereinstimmend
mit festem Aluminium) bis 200 GPa (übereinstimmend mit etwas weniger
als festem Stahl) variiert. Diese Deformation hängt von der Dicke ab, die beim
Walzen mit geschlossenem Spalt gewalzt würde, was mit Walzen aus festem
Stahl von etwa 0,050 bis etwa 0,006 mm variieren kann. Mit geeigneten
Walzen könnte
das Walzen mit geschlossenem Spalt bei dickerer Dicke beginnen.
In der Praxis würde
die Geschwindigkeit der Walzstraße so angehoben, dass sie ein
Walzen bei geschlossenem Spalt bei etwa der gleichen Dicke bringen
würde,
wie dies mit Walzen aus festem Stahl eintreten würde.
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Der
in 3 gezeigte effektive Elastizitätsmodul der Komposit-Arbeitswalze
kann durch erstes Ablesen eines speziellen Werts der Schichtdicke
an der lokalen Deformation/Schichtdicken-Kurve und anschließendes Ablesen über die
Horizontale an der lokalen Deformations-/Elastizitätsmoduls-Kurve erhalten werden, um
den Wert des Elastizitätsmoduls
zu erhalten. Beispielsweise kann dies bei der Dicke der Schicht 10 von
10 mm aus der Kurve der lokalen Deformation/Schichtdicke bei einem
Wert von etwa 0,55 abgelesen werden, der dann über die Horizontale auf die
Kurve der lokalen Deformation/Elastizitätsmodul abgelesen werden, um
einen Wert des effektiven Elastizitätsmoduls von etwa 152 GPa zu
ergeben.
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Ein ähnlicher
Aufbau für
eine geeignete Walze ist in 5 gezeigt.
In diesem Fall besteht die Walze aus einem Kern 12 aus
Stahl mit einer Zwischenschicht 13, die aus einem Material
mit geringerem Elastizitätsmodul
gefertigt ist, sowie Aluminium, sowie einer äußeren Schicht 14,
die aus einem Material mit höheren
Elastizitätsmodul
gefertigt ist, sowie Stahl oder Chrom. Die Zwischenschicht 13 weist
einen gleichmäßigen Querschnitt über die
Länge der
Walze auf, d.h. deren radiale Dicke ist an sämtlichen Punkten über die
Walze die gleiche. Dieser Aufbau kann unter Verwendung einer alten,
abgetragenen Stahlwalze produziert werden, auf die die Aluminium-Zwischenschicht 13 entweder
mechanisch in der Form einer Hülse
oder beispielsweise unter Verwendung von Flamm-Sprühen
aufgebracht wird. Schließlich
wird die äußere Schicht 14 über die
Oberseite der Zwischenschicht aufgebracht. Die äußere Schicht 14 kann
beispielsweise elektrolytisch oder mittels Flamm- oder Plasma-Sprühen aufgebracht
werden.
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Die
Graphen aus 6 stimmen mit denen der 4 überein,
beziehen sich jedoch auf die Ausführungsform aus 5.
Jeder der Graphen A, B und C in 6 zeichnet
die relative Deformation über
die radiale Dicke einer äußeren Schicht 14 aus
Stahl für
unterschiedliche radiale Dicken der Zwischenschicht 13 auf:
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6A – Zwischenschicht-Dicke
= 10 mm
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6B – Zwischenschicht-Dicke
= 20 mm
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6C – Zwischenschicht-Dicke
= 30 mm
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6A zeigt,
dass dann, wenn die äußere Stahlschicht 14 10
mm dick ist, der effektive Elastizitätsmodul etwa 180 GPa ist, was
recht nah an dem Wert für
festen Stahl von 210 GPa ist. Die korrespondierenden Werte für die 6B und 6C sind
163 GPa bzw. 157 GPa.
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7 stellt
den Effekt unterschiedlicher Dicken der äußeren Schicht 14 auf
die Geschwindigkeit des Walzens mit geschlossenem Spalt dar. Insbesondere
zeigt der Graph die Erhöhung
der Geschwindigkeit, die über
die Verwendung von Walzen aus festem Stahl erzielbar ist. Der Graph
bezieht sich auf die Ausführungsform
aus 4 und zeigt separat die Geschwindigkeiten für unterschiedliche
radiale Dicken der Zwischenschicht 13. Die untere Kurve
gilt für
eine Zwischenschicht aus Aluminium mit 10 mm Dicke, die mittlere
Kurve gilt für
20 mm dickes Aluminium und die obere Kurve gilt für 30 mm
dickes Aluminium.
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8 stellt
direkter den Effekt unterschiedlicher effektiver Elastizitätsmodule
auf die Geschwindigkeit des Walzens mit geschlossenem Spalt dar.
Die horizontale Achse des Graphen ist eine dimensionslose Größe, die
den gemessenen effektiven Elastizitätsmodul verglichen mit dem
von festem Stahl darstellt. Der Graph gilt für sämtliche Walzen innerhalb der
normalen zu erwartenden Größenordnungen
und für
sämtliche
repräsentativen
Belastungen. Die drei Kurven betreffen Zuführwalzstraßen-Belastungen von 0,5 bis
0,7 kN/mm, wobei diese Werte typisch für diejenigen sind, die beim
Walze von Folie mit geschlossenem Spalt auftreten. Die Walzstraßen-Belastung ist als
Belastung in kN/Breiteneinheit der Walze ausgedrückt.
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Wie
bereits erwähnt
ist es vorteilhaft, eine äußere Stahlschicht
zu verwenden, die so dick wie möglich ist,
da diese Schicht während
ihres Einsatzes wiederholten Wiederaufrauungen unterzogen wird.
Aus diesem Grund ist es ebenso vorteilhaft, eine vergleichsweise
dicke darunter liegende Aluminiumschicht zu verwenden, um einen
effektiven Elastizitätsmodul
zu erzielen, der signifikante Geschwindigkeits-Erhöhungen ergibt.
Jedoch hat das Anheben der Schichtdicke über 30 mm nur einen vergleichsweise
geringen Effekt, wie dies beim Vergleich der 6B und 6C ersichtlich
wird, wenn nur eine geringere Reduktion im effektiven Elastizitätsmodul
für eine
Veränderung
der Schichtdicke von 20 bis 30 mm erzielt wurde.
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Darüber hinaus
kann ein zu große
Anhebung der Dicke der Aluminiumschicht ein anderes Problem bewirken.
Der höhere Wärme-Expansionskoeffizient
des Aluminiums bewirkt einen Anstieg der Wärmeexpansion der Walze, die
Anlass zum Ansteigen eines thermischen Verzugs (unterschiedliche
Expansion zwischen dem Bandzentrum und der Bandkante) bewirken kann – was Anlass
für Probleme
bezüglich
der Bandflachheit geben kann. Aus diesen Gründen ist eine geeignete Kombination
der Dicken der Zwischenschicht und der äußeren Schicht 30 mm für die Zwischen-(Aluminium)-Schicht
und zwischen 5 und 8 mm für
die äußere (Stahl)-Schicht.
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Andere
Komposit-Aufbauten, die einen effektiven Elastizitätsmodul
aufweisen, der geringer als der von Stahl ist, können in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung ins Auge gefasst werden und ein Beispiel hiervon ist unten
angegeben.
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Unter
Verwendung eines Satzes von nachgiebigen Walzen, wie sie oben beschrieben
wurden, wird eine ebene Walzenabflachung unter Verwendung einer
geringeren Belastung durch Verwendung eines Materials oder eines
Walzen-Aufbaus erzielt, der einen geringen effektiven Elastizitätsmodul
aufweist. Dem konventionellen Denken entgegenlaufend ermöglicht dies
der Walzstraße,
bei höheren
Geschwindigkeiten für
eine vorgegebene Dicke und vorgegebene Reibungsbedingungen betrieben
zu werden.
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Das
Maß der
Walzenabflachung ist ebenso durch den lokalen Druck zwischen dem
Blech und den Arbeitswalzen beeinflusst. Dieser Druck sinkt mit
ansteigender Geschwindigkeit ab. Somit senkt eine ansteigende Geschwindigkeit
die Walzenabflachung ab und senkt die gewalzte Dicke ab. Aufgrund
dieses Effekts wird die Geschwindigkeit normalerweise dazu verwendet,
die Dicke des Blechs zu steuern. Eine größere Geschwindigkeit erzeugt
ein dünneres
Blech, eine geringere Geschwindigkeit führt zu einem dickeren Blech. Durch
eine nachgiebigere Gestaltung der Arbeitswalzen, wie dies in der
vorliegenden Erfindung erfolgt, ermöglicht dies die gleiche Dicke
der zu walzenden Folie mit einer schneller laufenden Walzstraße. Dies
hat große Produktivitäts-Vorteile.
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Der
Effekt der Veränderung
des Elastizitätsmoduls
der Arbeitswalze wird im Folgenden in der Tabelle aus Resultaten
eines theoretischen Modells gemäß der vorliegenden
Erfindung dargestellt.
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Es
kann aus der obigen Tabelle ersehen werden, dass durch eine 50%-ige
Veränderung
des Elastizitätsmoduls
eine 38%-ige Veränderung
der Walzgeschwindigkeit erzielt werden kann. Somit können dann, wenn
der Elastizitätsmodul
der Arbeitswalzen auf 100 GPa halbiert wird, die Walzgeschwindigkeiten
für die gleiche
Dicke und andere Bedingungen um 38% angehoben werden.
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Die
Verteilung der Belastungen in einer solchen Komposit-Arbeitswalze sind
in 9 gezeigt, welche einen Abschnitt der äußeren Hülle 10/14 der
Walze darstellt. Es kann ersehen werden, dass die Belastungen aus
dem Kontakt mit der Metallhülse
am Ort 15 des Kontakts sehr intensiv sind, jedoch ebenso
im Substrat vorliegen. Die Eigenschaften des Substrats werden daher
den effektiven Elastizitätsmodul
einer Komposit-Walze
beeinflussen.
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Obwohl
die oben angegebenen Ausführungsformen
beispielhaft sich auf Walzen mit geschlossenem Spalt beziehen, kann
das Verfahren in ebenso vorteilhafter Weise auf Walzen mit nahezu
geschlossenem Spalt und Kaltwalzen mit offenem Spalt angewendet
werden. Der Begriff Walzen mit nahezu geschlossenem Spalt bezieht
sich auf Arbeitswalzen, die bei ihrer Verwendung derart positioniert
sind, dass die gegenüberliegenden
Kanten von deren umfänglichen
Oberflächen
sehr nahe beieinander stehen, sich jedoch nicht berühren.
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Nachgiebige
Walzen können
ebenso dann verwendet werden, wenn Metallblech gestapelt gewalzt wird,
wodurch die Anzahl von zur Produktion von Folie einer erforderlichen
Dicke benötigten
Stiche minimiert wird. Stapelwalzen ist ein Prozess, bei dem ein
Sandwich von zwei oder mehreren Schichten eines Metallblechs in
den Walzenspalt zwischen den Arbeitswalzen eingeführt wird.
Bei der Separation der zwei oder mehreren Bleche weisen die Seiten,
die in Kontakt mit den Arbeitswalzen waren, eine glänzende Oberfläche auf und
die inneren Oberflächen
sind matt.
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Das
Vorliegen eines Vorzugs und eines Rückzugs in der Ebene des Metallbands
kann ebenso die Walzbelastung direkt beeinflussen. Ein Rückzug ist
etwa zweimal so effektiv bei der Reduzierung der Walzbelastung wie
ein Vorzug. Es ist daher ein bevorzugtes Merkmal des Verfahrens,
nachgiebige Walzen zu verwenden, welche einen Rückzug aufweisen, der während des
Walzprozesses auf das Metallblech aufgebracht wird.
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Es
wird weiter bevorzugt, eine Walzstraße zu verwenden, die Walzgerüste mit
vier übereinander
angeordneten Walzen mit Arbeitswalzen mit geringen Durchmessern
von typischerweise zwischen 200 und 450 mm und Stützwalzen
mit Durchmesser von typischerweise zwischen 800 und 1000 mm aufweisen.
Die Verwendung von Arbeitswalzen mit geringem Durchmesser hilft
dabei, die Walzbelastung über
den Dicken-Reduktionsbereich beim Kontakt zwischen dem Band und
den Arbeitswalzen zu reduzieren. Jedoch ist die vorliegende Erfindung
nicht auf die Verwendung von Walzgerüsten mit vier Walzen beschränkt, sondern
andere Typen von Walzgerüsten
können
vorteilhafter Weise verwendet werden.
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Es
wurde oben erwähnt,
dass der Walzendurchmesser, der eine Komponente der Nachgiebigkeit
der Walze insgesamt ist, ebenso einen Effekt auf die Geschwindigkeit
des Walzens aufweist. Tatsächlich
ist der Effekt des Walzendurchmessers auf die Geschwindigkeit des
Walzens im Modus mit geschlossenem Spalt sehr ähnlich dem des effektiven Elastizitätsmoduls.
Somit würde
eine 10%-ige Abnahme des effektiven Elastizitätsmoduls den gleichen Effekt
ergeben wie ein 10%-iger Anstieg des Walzendurchmessers. Da jedoch Walzgerüste so gestaltet
sind, dass sie nur in einem sehr kleinen Bereich von Walzendurchmessern
betrieben werden, ist es einfacher, den effektiven Elastizitätsmodul
als Mittel für
die Anhebung der Geschwindigkeit zu verwenden als den Walzendurchmesser.
