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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Vorhersage der Bildung von Hitzefurchen auf einem in
Kaltwalzung befindlichen Stahlband, und eine
Thermosensorwalze zur Verwendung für das Vorhersageverfahren.
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Während der Kaltwalzung eines Metallbandes, zum
Beispiel eines Stahlbandes, kann das Metallband auf die
Oberfläche einer Arbeitswalze aufbrennen. Das Brennen
verursacht die Bildung von Oberflächenmängeln, zum
Beispiel sogenannter Hitzefurchen, auf der Oberfläche des zu
walzenden Metallbandes. Die Oberfläche der Arbeitswalze
wird durch das Brennen ebenfalls beschädigt. Die
schadhafte Oberflächenstruktur der Arbeitswalze kann dann auf
die Oberfläche eines folgenden Bandes übertragen werden.
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Die Bildung von Hitzefurchen wird hauptsächlich im
wesentlichen durch Brennen verursacht, das aus der
Zerstörung des Ölfilms der Oberfläche des Bandes resultiert.
Wenn beispielsweise ein Metallband mit hohem
Reduktionsverhältnis oder mit einer hohen Walzgeschwindigkeit unter
der Bedingung, daß die Schmierung durch einen Ölfilm
schlecht ist oder ein Kühlmittel eine zu geringe
Kühlfunktion ausübt, kalt gewalzt wird, steigt die Temperatur
des Metallbandes infolge der durch die Reibung zwischen
dem Metallband und der Arbeitswalze erzeugten Wärme, der
plastischen Verformung des Metallbandes, des Mangels an
Schmieröl, usw.. Infolgedessen steigt der Druck und/oder
die Temperatur des Ölfilms bei dem Walzenangriff, was zu
einer Zerstörung des Ölfilms führt und das Brennen
zwischen der Arbeitswalze und des in Walzung befindlichen
Metallbandes verursacht.
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Die Bildung von Hitzefurchen verursacht
verschiedene Arten von Mängeln, wie etwa Verschlechterung der
Oberflächeneigenschaft des gewalzten Produkts, die
Verringerung des Ausbeuteverhältnisses und eine Erniedrigung der
Arbeitsleistung.
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Daher ist es nötig, die Temperatur des Metallbandes
bei der Walzung dicht unterhalb des Walzenangriffs
während der Kaltwalzung unter einem bestimmten Wert zu
halten.
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Bisher wurde jedoch kein geeigneter Sensor zur
Bestimmung der Temperatur eines Metallbandes vorgeschlagen,
um das Entstehen von Hitzefurchen zu verhindern.
Gegenwärtig werden die Walzbedingungen, wie etwa das
Reduktionsverhältnis und die Walzgeschwindigkeit, in einem sich
auf experimentelle Voraussage stützenden
Sicherheitsbereich festgesetzt, um die Kaltwalzung ohne die Bildung
von Hitzefurchen durchzuführen. Daher erfolgt die Walzung
nicht bei maximaler Ausnutzung der Kapazität des
Walzwerkes, was zu einer Herabsetzung der Produktionsleistung
führt.
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Durch die japanische Patent-Offenlegungsschrift 62-
199209 wurde ein Verfahren zur direkten Bestimmung der
Temperatur eines in Walzung befindlichen Metallbandes
unter Benutzung eines Infrarot-Strahlungsthermometers
vorgeschlagen, das am Ausgangsteil eines Walzwerkes
angeordnet ist. Bei diesem Verfahren ist das
Strahlungsthermometer, dessen Meßbereich bei der Wellenlänge der
Infrarotstrahlen arbeitet, in einem zylindrischen Behälter
enthalten, und an der offenen Seite des zylindrischen
Behälters sind eine Lichtabschirmplatte und eine
Luftzufuhrdüse angeordnet. Komprimierte Luft wird durch die
Luftzufuhrdüse auf die Oberfläche des Metallbandes gestrahlt,
um so den Walzöldampf von der Oberfläche des Metallbandes
wegzuspülen. Daher wird die Temperatur des Metallbandes
berührungslos bestimmt.
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Die Atmosphäre, in der die Temperatur des
Metallbandes durch das Infrarot-Strahlungthermometer bestimmt
wird, ist jedoch im allgemeinen durch Walzöldampf und
dergleichen verunreinigt. Die Oberfläche des Metallbandes
ist mit dem Film des Walzöls bedeckt. In diesem Zustand
variiert das Strahlungsverhältnis von der Oberfläche des
Metallbandes in hohem Maße mit den Bedingungen. Ferner
ändert sich das Strahlungsverhältnis auch in Abhängigkeit
von der Art des zu walzenden Metallbandes und dem Grad
der Säurebeizung. Diese Bedingungen wirken als
Störfaktoren für die bestimmten Werte und verringern die
Zuverlässigkeit der Bestimmungen. Ferner wird es hierdurch
unmöglich, das Strahlungsverhältnis unter stabilen Bedingungen
vorher festzusetzen, und es ist schwierig, das
Änderungssystem des Strahlungsverhältnisses entsprechend der
aktuellen Temperatur des Metallbandes zu erhalten.
Infolgedessen kann der festgestellte Wert der Temperatur des
Metallbandes nicht mit großer Genauigkeit erwartet werden,
so daß die Bildung von Hitzefurchen nicht mit großer
Zuverlässigkeit vorausgesagt werden kann.
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Die vorliegende Erfindung zielt daher auf die
Schaffung eines Verfahrens zur Bestimmung der Temperatur
eines Metallbandes bei der Walzung eben unterhalb des
Arbeitswalzenangriffs unter stabilen Bedingungen und ohne
irgendwelche nachteiligen Störeinflüsse.
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In "Angewandte Technologie: Bandprofilmessung" in
Instrument Practice, Band 27, Nr. 9, September 1970, ist
eine Anordnung beschrieben, bei der Thermoelemente in
unterschiedlichen Tiefen in einer Arbeitswalze eines
Walzwerks angeordnet worden sind, um die thermische Ermüdung
zu überwachen. Dies liefert jedoch keine genaue Messung
der Temperatur des Blechmaterials selbst, wie sie nötig
ist, um die Bildung von Hitzefurchen vorherzusagen.
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Die vorliegende Erfindung zielt auch auf die
Verbesserung der Genauigkeit der Vorhersage der Bildung von
Hitzefurchen unter Bezugnahme auf die bestimmte
Temperatur.
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Die vorliegende Erfindung zielt ferner auf die
Bestimmung der Temperatur des Metallbandes bei der Walzung
mit hoher Genauigkeit unter Benutzung mehrerer
Thermoelemente,
die alle in unterschiedlicher Tiefe in eine
Thermosensorwalze eingebettet sind, die mit dem zu walzenden
Metallband in Berührung kommt.
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Nach der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zur Vorhersage der Bildung von Hitzefurchen in einem
Metallband in einem Walzwerk vorgesehen, bei dem man
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einen oder mehrere Temperaturbestimmungsblöcke, von
denen jeder mehrere in unterschiedlichen Tiefen von der
Oberfläche angeordnete Thermoelemente hat, an einer
Temperaturfühlerwalze anbringt,
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die genannte Temperaturfühlerwalze am Ausgang des
Walzwerks in einer Position in Berührung mit dem
Metallband anordnet,
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mittels der genannten Thermoelemente die
Temperaturen des Inneren der genannten Temperaturfühlerwalze in
den genannten unterschiedlichen Tiefen feststellt,
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auf Basis der Messungen von den Thermoelementen die
Temperatur des in Walzung befindlichen Metallbandes
gerade unterhalb des Angriffs einer Arbeitswalze berechnet,
und
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die berechnete Temperatur mit einer erwarteten,
zuvor aus dem Reduzierungsverhältnis und den
Walzgeschwindigkeitsdaten abgeleiteten Temperatur der
Hitzefurchenbildung vergleicht.
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Die durch die individuell in unterschiedlicher
Tiefe eingebetteten Thermoelemente erhaltenen
Temperaturdaten unterliegen verschiedenen Einflüssen infolge des
Wärmeübergangs auf die Oberfläche der Thermosensorwalze, der
Wärmeübergänge von dem in Walzung befindlichen Metallband
auf die Thermosensorwalze und des Wärmeübergangs
innerhalb der Thermosensorwalze. In dieser Hinsicht kann
dagegen die Temperatur des Metallbandes aus der thermischen
Abstufung und ihrer zeitlichen Änderung auf Basis der
internen Temperaturdaten der Thermosensorwalze berechnet
werden. Der auf diese Weise erhaltene Temperaturwert hat
eine hohe Zuverlässigkeit, die im Unterschied zu der
Meßmethode mit einem Infrarot-Strahlungsthermometer durch
Störfaktoren kaum beeinflußt wird.
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Tatsächlich ist die Bildung von Hitzefurchen dann
wahrscheinlich, wenn die Temperatur des Metallbandes eine
Hitzefurchen-Bildungstemperatur überschreitet, die in
enger Beziehung zu dem Walzverhältnis, der
Walzgeschwindigkeit usw. steht. Die Temperatur der Hitzefurchenbildung
kann experimentell erhalten werden als eine Funktion des
Walzverhältnisses, der Walzgeschwindigkeit usw..
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Infolgedessen kann die Bildung von Hitzefurchen mit
großer Genauigkeit vorausgesagt werden, wenn man den
berechneten Wert, der die durch die Thermosensorwalze
erhaltene Temperatur des Metallbandes darstellt, mit der
Temperaturhöhe der Hitzefurchenbildung vergleicht. Die
anderen Ziele und Merkmale der vorliegenden Erfindung
ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung
mit der beigefügten Zeichnung.
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Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das ein System zur
Berechnung der Temperatur eines Metallbandes nach der
vorliegenden Erfindung zeigt.
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Fig. 2 ist eine Schnittdarstellung einer
Thermosensorwalze.
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Fig. 3 ist eine Umrißdarstellung, die ein Walzwerk
zeigt, in dem die Thermosensorwalze enthalten ist.
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Fig. 4 ist Diagramm, das den Vorteil der
vorliegenden Erfindung im Vergleich mit einem herkömmlichen
Verfahren zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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Das System zur Berechnung der Temperatur eines
Metallbandes nach der vorliegenden Erfindung umfaßt eine
Thermosensorwalze 1, einen Transmitter 2, einen Empfänger
3, einen A/D-Umsetzer 4 und einen Rechner 5, wie in Fig.
1 gezeigt ist. Die Temperaturdaten innerhalb der
Thermosensorwalze
1 werden in FM-Signale umgesetzt und von dem
Transmitter 2 auf den Empfänger 3 übertragen. Die
Temperaturdaten werden dann durch den A/D-Umsetzer 4 in
digitale Daten umgesetzt und an den Rechner 5 geliefert.
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In dem Rechner 5 wird auf der Basis der gelieferten
Daten eine Temperatur Tv eines in der Walzung
befindlichen Metallbandes 7 gerade eben unterhalb des
Arbeitswalzenangriffs berechnet. Die Temperatur Tv wird mit einer
Hitzefurchenbildungstemperatur Ts verglichen, die
aufgrund des Walzverhältnisses, der Walzgeschwindigkeit usw.
zur Meßzeit abgeschätzt wird.
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Wenn die Temperatur Tv des Metallbandes höher als
die Temperatur Ts der Hitzefurchenbildung ist, hat man
festgestellt, daß die Bildung von Hitzefurchen
wahrscheinlich ist. Im Falle eines solchen Auftretens kann
ein sichtbares Alarmsignal, etwa eine Blitzlampe, oder
ein hörbares Alarmsignal, etwa ein Summer, ausgelöst
werden. Wenn ferner die Temperatur Tv des Metallbandes so
schnell ansteigt daß sie wahrscheinlich die Temperatur
Ts der Hitzefurchenbildung in wenigen Minuten
überschreitet, so daß die Bildung von Hitzefurchen vorhergesagt
wird, wird das gleiche Alarmsignal ebenfalls erzeugt.
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Die Thermosensorwalze 1 ist mit einem
Temperaturbestimmungsblock 12 ausgerüstet, in den mehrere
Thermoelemente 11a, 11b eingebettet sind. Das Bestimmungsende des
Thermoelements 11a ist in einer Lage angeordnet, die
dichter an der äußeren Oberfläche der Thermosensorwalze 1
ist als die des Bestimmungsendes des anderen
Thermoelements 11b, aber die Thermoelemente 11a, 11b sind so dicht
aneinander wie möglich in axialer Richtung und in
Umfangsrichtung der Thermosensorwalze 1 angeordnet.
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Mehrere ähnliche Temperaturbestimmungsblöcke 12,
die alle weitere Thermoelementpaare 11a, 11b tragen,
können in axialer Richtung der Thermosensorwalze 1
angeordnet sein. Wenn mehrere Temperaturbestimmungsblöcke 12
benutzt werden, ist es möglich, die Temperaturverteilung
längs der Querrichtung des in Walzung befindlichen
Metallbandes 7 eben unterhalb des Arbeitswalzenangriffs zu
berechnen.
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Mehrere gleiche Temperaturbestimmungsblöcke 12
können auch in Umfangsrichtung der Thermosensorwalze 1
angeordnet werden. Infolge dieser Umfangsanordnung mehrerer
Temperaturbestimmungsblöcke 12 ist es möglich, die
Temperatur des in Walzung befindlichen Metallbandes 7 an
mehreren Meßpunkten für jede Drehung der Sensorwalze 1 zu
bestimmen
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Die von den Thermoelementen 11a, 11b erhaltenen
Temperaturdaten werden durch eine Ausgleichsleitung 8 dem
Transmitter 5 zugeführt, der an einer Seitenfläche der
Thermosensorwalze 1 angebracht ist.
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Die Berechnung der Temperatur Tv des in Walzung
befindlichen Metallbandes 7 eben unterhalb des
Arbeitswalzenangriffs auf Basis der internen Temperaturdaten der
Thermosensorwalze 1 erfolgt in einer Weise, wie sie
nachfolgend erklärt wird.
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Vorausgesetzt, daß die Temperaturen an zwei Punkten
mit den Tiefen x&sub1; und x&sub2; (x&sub1; < x&sub2;) von der Oberfläche der
Thermosensorwalze 1 T&sub1; bzw. T&sub2; sind, wird der
Wärmedurchgang längs der geraden Linie durch diese zwei Punkte und
einem Extrapolationspunkt auf der Oberfläche des
Temperaturbestimmungsblocks 12 wie folgt berechnet:
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Die Temperatur Tf der Oberfläche der
Thermosensorwalze 1 und der Wärmefluß q auf der Oberfläche der
Thermosensorwalze 1 werden durch die folgenden Formeln
angegeben.
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Tf = AT&sub1; + BT&sub2; + CT'&sub1; + DT'&sub2; ...... (1)
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q = ET&sub1; + FT&sub2; + GT'&sub1; + HT'&sub2; ...... (2)
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Darin sind T'&sub1; und T'&sub2; die ersten Ableitungen dT&sub1;/dt
bzw. dT&sub2;/dt der Temperaturen T&sub1; und T&sub2; nach der Zeit t,
und die Konstanten A - H sind Werte, die durch die Tiefen
x&sub1;, x&sub2; und das Material des Temperaturbestimmungsblocks
12 bestimmt sind.
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Die Temperatur Tr des in Walzung befindlichen
Metallbandes 7 in Berührung mit der Thermosensorwalze wird
angegeben durch die Formel (3), wobei angenommen wird,
daß der Wärmedurchgang zwischen dem in Walzung
befindlichen Metallband 7 und der Thermosensorwalze 1 gleich a&sub1;
ist.
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Tr = Tf + q/a&sub1; ...... (3)
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Die Temperatur Tv des in Walzung befindlichen
Metallbandes 7 gerade unterhalb des Arbeitswalzenangriffs
wird angegeben durch die Formeln (4) und (5), worin die
Temperatur eines Kühlmittels oder einer äußeren
Atmosphäre Tc ist, die Dicke des in Walzung befindlichen
Metallbandes 7 gleich h ist, die Dicke des in Walzung
befindlichen Metallbandes 7 gleich s ist, die spezifische Wärme
des in Walzung befindlichen Metallbandes 7 gleich cs ist
und die Zeit, die das Metallband 7 braucht, um durch die
Position gerade unterhalb des Arbeitswalzenangriffs zu
der Thermosensorwalze 1 zu gelangen, gleich t ist:
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Tv = (Tr - Tc) xexp(K) + Tc ...... (4)
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K = 2 x a&sub2; t/ ( s x cs x h) ...... (5)
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Unter Benutzung dieser Formeln (1) - (5) wird die
Temperatur Tv des in Walzung befindlichen Metallbandes 7
eben unterhalb des Arbeitswalzenangriffs des Walzwerks 6
aus den Temperaturen T&sub1; und T&sub2; an zwei Punkten in der
Thermosensorwalze berechnet, wobei die Abstufung der
Temperatur in der Thermosensorwalze senkrecht zu ihrer
Oberfläche berücksichtigt wird.
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Es können drei oder mehr Thermoelemente in einem
Temperaturbestimmungsblock 12 eingebettet werden, um so
eine entsprechende Anzahl von Meßpositionen zu erhalten.
Die Temperaturen an zwei Meßpositionen, die aus diesen
drei oder mehr Meßpositionen gewählt werden, werden
bestimmt, die Temperatur Tv des in Walzung befindlichen
Metallbandes gerade unterhalb des Arbeitswalzenangriffs
wird in der gleichen Weise wie oben erwähnt berechnet,
und die Berechnung wird mehrere Male wiederholt. Der
gemittelte Wert der Berechnungsergebnisse wird als die
Temperatur Tv des in Walzung befindlichen Metallbandes 7
angesehen. Auf diese Weise wird die Genauigkeit der
Berechnung erhöht.
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Wie oben erwähnt, erhält man nach der vorliegenden
Erfindung kontinuierlich die Temperatur Tv des in Walzung
befindlichen Metallbandes 7 eben unterhalb des
Arbeitswalzenangriffs des Walzwerks 6 durch die Berechnung unter
Benutzung der oben angegebenen Formeln und im Vergleich
mit der Temperatur Ts der Hitzefurchenbildung, die
aufgrund des Reduktionsverhältnisses, der
Walzgeschwindigkeit, usw. zum Meßzeitpunkt vorhergesagt wird. Demgemäß
sind die für die Temperatur Tv enthaltenen Daten stabil
und unbeeinflußt von Störungen, wie etwa eine Änderung
der Walzatmosphäre oder des Ölfilms, so daß der Vergleich
der Temperatur Tv mit der Temperatur Ts mit hoher
Genauigkeit durchgeführt wird. Dadurch kann die Bildung von
Hitzefurchen vorhergesagt werden. Eine Maßnahme, um die
Bildung von Hitzefurchen im voraus zu verhindern, indem
man zum Beispiel sogleich die Walzgeschwindigkeit
herabsetzt oder die Kühlintensität des Kühlmittels steigert,
kann eingeleitet werden, wenn man die Voraussage
berücksichtigt.
Demzufolge kann der Walzbetrieb unter maximaler
Ausnutzung der Kapazität des Walzwerks 6 unter
Walzbedingungen durchgeführt werden, die sehr nahe bei der
Hitzefurchenbildung liegen. Daher wird ein Walzprodukt
mit ausgezeichnetem Oberflächenaussehen ohne die Bildung
von Hitzefurchen bei erhöhter Produktivität erhalten.
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Die Thermosensorwalze der in Fig, 2 gezeigten
Konstruktion kann auf verschiedenen anderen technischen
Gebieten als der Berechnung der Temperatur des Metallbandes
während des Walzens benutzt werden. Wenn beispielsweise
mehrere Temperatursensorwalzen längs einer
Durchlaufstrecke in einem Wärmebehandlungsofen angeordnet sind,
kann die Temperatur des Materials in dem Ofen mit großer
Genauigkeit kontrolliert werden.
Beispiel
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Bei diesem Beispiel wurde ein Quarto-Walzwerk 6
benutzt. Das Walzwerk 6 war mit einem
Temperaturbestimmungsblock 12 ausgestattet. Die Thermoelemente 11a und
11b waren in Tiefen von 0,3 mm bzw. 0,8 mm von der
Oberfläche der Thermosensorwalze 1 in den
Temperaturbestimmungsblock 12 eingebettet. Die mit dem
Temperaturbestimmungsblock 12 ausgerüstete Thermosensorwalze 1 wurde auf
der Ausgangsseite des Walzwerks 6 angeordnet.
Austenitischer Edelstahl wurde als Metallband 7 mit einem
Reduktionsverhältnis von 30 Prozent bei einer
Walzgeschwindigkeit von 600 m/min. gewalzt. Die Temperatur Ts der
Hitzefurchenbildung war unter diesen Bedingungen
experimentel 170ºC.
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Eine Temperatur Tr des in Walzung befindlichen
Metallbandes 7 in Kontakt mit dem Thermosensor 1 und eine
Temperatur Tv des Metallbandes 7 eben unterhalb des
Arbeitswalzenangriffs wurden nach der erfindungsgemäßen
Methode bestimmt. Die Veränderungen dieser Temperaturen Tr,
Tv, sind in Fig. 4 dargestellt. Zum Vergleich werden in
Fig. 4 auch die Temperaturwerte Tr und Tv des
Metallbandes 7 dargestellt, die unter Benutzung eines
Infrarotstrahlungsthermometers bestimmt wurden.
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Aus Fig. 4 ist zu entnehmen, daß die unter
Benutzung des Infrarotstrahlungsthermometers erhaltenen
Temperaturen Tr, Tv sich in der Streubreite von ± 30ºC
unregelmäßig veränderten. Diese Abweichung wird
wahrscheinlich dadurch verursacht, daß die Änderung der
Walzatmosphäre die durch das Infrarotstrahlungsthermometer
bestimmten Werte beeinflußt. Es war schwierig, die Bildung
von Hitzefurchen auf der Grundlage dieser sich
unregelmäßig verändernden Temperatur Tv des Metallbandes voraus
zusagen. Außerdem war die Vorhersage über die Bildung von
Hitzefurchen von geringer Genauigkeit und nicht
zuverlässig.
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Auf der anderen Seite war die Temperatur Tv des
Metallbandes bei der Walzung gerade unterhalb des
Arbeitswalzenangriffs bei etwa 160ºC stabil, wenn sie nach der
vorliegenden Erfindung bestimmt wurde. Daher erhielt man
die genaue Information darüber, daß die Temperatur Tv des
in Walzung befindlichen Metallbandes 7 eben unterhalb des
Arbeitswalzenangriffs niedriger als die Temperatur Ts der
Hitzefurchenbildung lag, durch Vergleich der genannten
Temperatur Tv mit der vorher experimentel bestätigten
Temperatur Ts (= 170ºC) der Hitzefurchenbildung mit
großer Zuverlässigkeit. Bezugnehmend auf diese Information
wurde der Walzbetrieb unter der gleichen Walzbedingung
fortgesetzt. Dadurch wurde ein kaltgewalztes
Edelstahlband mit ausgezeichneter Oberflächenbeschaffenheit ohne
Bildung von Hitzefurchen erzeugt.