DE69515251T2

DE69515251T2 - Formen von dünnen metallurgischen Produkten zwischen zwei Zylindern

Info

Publication number: DE69515251T2
Application number: DE69515251T
Authority: DE
Inventors: Jacques Barbe; Pierre Delassus; Yves Grandgenevre; Francois Mazodier; Jean-Marie Pelletier; Elias Sarkis; Luc Vendeville
Original assignee: Thyssen Stahl AG; USINOR SA
Current assignee: Thyssen Stahl AG; USINOR SA
Priority date: 1994-10-28
Filing date: 1995-10-19
Publication date: 2000-09-28
Anticipated expiration: 2015-10-20
Also published as: EP0709152A1; CN1130106A; DK0709152T3; CN1077461C; GR3033480T3; BR9505010A; JPH08229639A; AU685677B2; KR100394475B1; FI107889B; AU3448595A; ZA958911B; FR2726210B1; FI955098A; DE69515251D1; CA2161557A1; FR2726210A1; UA35617C2; RO115335B1; ES2144589T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Herstellung metallischer Gegenstände, die im allgemeinen eben und dünn sind, wie z. B. Bänder aus Stahl oder anderen Metallen durch Verformung des Gegenstandes bei Durchlauf zwischen zwei Walzen mit im wesentlichen parallelen Achsen, welche eine Druckkraft auf den Gegenstand ausüben gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 (Verfahren) und 7 (Vorrichtung), die auf beispielsweise der JP-A-61078537 beruhen.
Sie eignet sich insbesondere für das Stranggießen von Metallen und Legierungen zwischen zwei Walzen, bei dem ein erheblicher thermischer Austausch zwischen dem gegossenen Metall und den stark gekühlten Walzen auftritt, welche zwei Wände der Gießform bilden, welche das geschmolzene Metall aufnimmt, wobei sie sich auch für andere Umformverfahren eignet, beispielsweise für das Walzen.
Eines der Hauptprobleme für den Erhalt eines Qualitätsgegenstandes besteht darin, praktisch ständig den Walzspalt zu kennen, um auf die Einstellungen der Dicke und der Wölbung einwirken zu können, sodass ein Gegenstand mit guter geometrischer Qualität erhalten wird, d. h. mit einem Querschnitt gewünschter konstanter Form und Abmessung über die gesamte Länge des Gegenstandes.
Unter dem Ausdruck "Walzspalt" wird im folgenden nicht nur der mittlere Abstand verstanden, der die Walzen auf Höhe der Engstelle zwischen ihnen trennt (engste Durchlaufstelle, die in der die beiden Achsen der beiden Walzen durchsetzenden gemeinsamen Ebene liegt), sondern auch die Form des Durchlaufs an der Engstelle, die im allgemeinen nicht genau rechtwinklig ist, sei es absichtlich im Hinblick auf den Erhalt eines Gegenstandes mit einer geringfügigen Querwölbung, sei es aufgrund von Verformungen der Anlage und der Walzen.
Diese Verformungen sind das Resultat von durch den Gegenstand ausgeübten Kräften, welche bewirken:
- eine Abstandsvergrößerung der Walzen durch eine Verschiebung ihres Stützgerüstes oder durch ein Zurückziehen der Einstellanordnung auf Höhe ihrer Lager (wobei die Variationen der Abstandsvergrößerung nicht notwendigerweise für die beiden Seiten der Walzen identisch sind, sodass eine Asymmetrie des Spaltes bezüglich der senkrecht zu den Walzenachsen angeordneten Mittenebene auftritt),
- eine Durchbiegung der Wellen der Walzen,
- oder sogar eine Durchbiegung der Walzenwand.
Diese Verformungen resultieren auch aus einem thermischen Austausch, der einen über die gesamten Walzen auftretenden thermischen Wölbungseffekt während deren Erwärmung hervorruft sowie auf zyklischen örtlichen Verformungen während der Drehung der Walzen aufgrund der aufeinanderfolgenden Berührungen und Trennungen eines jeden Walzenbereichs mit bzw. von dem hergestellten Gegenstand, insbesondere im Fall des Gießens zwischen Walzen, bei dem der gegossene Gegenstand bei Berührung mit den Walzen erstarrt.
Um die Form und die Abmessungen dieses Spaltes so genau wie möglich zu kennen, ist es erforderlich, den Abstand an der Engstelle zwischen den Walzen zu messen und zwar nicht nur an einem Punkt an der Walzenbreite, sondern entlang dieser gesamten Breite oder wenigstens an mehreren Punkten entlang der beiden die Engstelle begrenzenden Erzeugenden.
Da es jedoch nicht möglich ist, diese Messungen während eines Gießverfahrens durchzuführen, wurde bereits vorgeschlagen, Meßgeräte für die Dicke und für das Profil zu verwenden, mit denen die Form und die Abmessungen des Gegenstandes nach seiner Herstellung bestimmt wurden. Neben den hohen Kosten derartiger Meßgeräte weisen diese noch den Nachteil auf, dass sie in der Praxis nur sehr weit entfernt von der Engstelle angeordnet werden können, sodass die durchgeführte Messung die Größe des Spaltes nur mit einer relativ großen Verzögerung wiedergibt. Im Fall einer Abweichung von dieser Größe kann die Korrektur nur relativ spät durchgeführt werden, wodurch Unregelmäßigkeiten entlang des Längsprofils des hergestellten Gegenstandes auftreten.
Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile zu beseitigen und insbesondere eine schnelle kontinuierliche Bestimmung des Spaltes während der Herstellung des Gegenstandes durchzuführen, derart, dass praktisch ohne Verzögerung auf die Einstellteile für die Lage der Walzen oder auf die Steuerteile anderer Parameter des Herstellungsschrittes eingewirkt werden kann, um einen Spalt beizubehalten, dessen erforderliche Form und Abmessungen konstant sind, beispielsweise mittels einer Steueranordnung für die Walzen- Wölbung.
Im Hinblick darauf betrifft die Erfindung ein Verfahren zur kontinuierlichen Bestimmung des Spaltes an der Engstelle zwischen zwei Walzen mit im wesentlichen parallelen Achsen einer Anlage zur Warmverformung eines dünnen metallischen Gegenstandes bei Durchlauf dieses Gegenstandes zwischen den beiden Walzen, wobei sie dadurch gekennzeichnet ist, dass in einem Anfangszustand bei Abwesenheit des Gegenstandes und im kalten Zustand die Größe des Spaltes in der Mitte, d. h. wenigstens in einer mittigen Querebene der Anlage gemessen wird und dass während der Verformung des Gegenstandes für jede Walze:
- die Variationen bezüglich des Anfangszustandes gemessen werden der Position wenigstens dreier Punkte der Oberfläche der Walze auf einer um 180º bezüglich der Engstelle angeordneten Mantellinie, d. h. diametral gegenüberliegend zur Engstelle, wobei diese Punkte wenigstens in der mittigen Ebene und in zwei sekundären Ebenen parallel zur mittigen Ebene und beidseits der mittigen Ebene angeordnet sind,
- mindestens in der mittigen Ebene die Variation der Position eines auf einer um 90º bezüglich der Engstelle versetzten Mantellinie angeordneten Punktes bezüglich des Anfangszustandes gemessen wird,
- durch ein Rechenverfahren oder durch experimentelle Kurven die Variationen der Länge des Walzenradius in diesen Ebenen zwischen der Engstelle und einer der Stellen bei 90º oder 180º bestimmt werden,
- ausgehend von diesen Messungen der Variationen der Positionen der Punkte in der mittigen Ebene bzw. an den um 90º und 180º bezüglich der Engstelle versetzten Stellen und der Variation der Länge des Radius in der mittigen Ebene einerseits zwischen der Engstelle und der Stelle bei 90º und andererseits zwischen den Stellen bei 90º und bei 180º der Wert der Verschiebung der Walze in der Mitte und der Wert der Variation der Länge des Radius an der Engstelle bezüglich des Anfangszustandes abgeleitet wird
- und dass daraus die momentane Größe des Spaltes in der Mitte ausgehend von dieser Größe des Spaltes in der Mitte im kalten Zustand und dem Wert der Verschiebung in der Mitte und dem Wert der Variation der Länge des Radius sowie das Profil des Spaltes abgeleitet werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erkennt man also genau schnell und kontinuierlich während der Herstellung des Gegenstandes die genauen Abmessungen und die Form des Spaltes, wodurch dafür gesorgt werden kann, dass letztere die zulässigen Toleranzen nicht überschreiten oder, sofern dies der Fall ist, unmittelbar eine Korrektur durchgeführt werden kann mit Hilfe verschiedener Betätigungseinrichtungen, die üblicherweise in einer derartigen Anlage vorhanden sind. Damit läßt sich ein Qualitätsgegenstand mit konstantem Querschnitt über seine gesamte Länge erhalten.
Vorzugsweise werden außerdem die Variationen der Positionen der Punkte der Oberfläche in den sekundären Ebenen und bei 90º bezüglich der Engstelle gemessen. Damit läßt sich genau eine Asymmetrie des Spaltes feststellen, d. h. der Unterschied der Abstände zwischen den Walzen zwischen ihren beiden Rändern, ausgehend von der Messung der Variationen der Positionen der Punkte, die in den sekundären Ebenen bzw. an den beiden um 90º und um 180º versetzten Stellen angeordnet sind.
Vorteilhafterweise wird weiterhin das thermische Profil einer von der Engstelle entfernten Mantellinie bestimmt, die sich an der Stelle befindet, an der die Variationen der Positionen wenigstens dreier Punkte dieser Mantellinie gemessen werden, ausgehend von einer von Parametern abhängigen Funktion, die die thermische Verformung an einem Punkt dieser Mantellinie als Funktion der axialen Position dieses Punktes festlegt und ausgehend von dieser Messung der Variationen der Positionen dieser wenigstens drei Punkte das thermische Profil der Mantellinie an der Engstelle bestimmt wird, ausgehend von diesem thermischen Profil der von der Engstelle entfernten Mantellinie und der Bestimmung der Variationen der Länge des Radius der Walze in den Ebenen zwischen der Engstelle und der Stelle der von der Engstelle beabstandeten Mantellinie.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Verformung dünner metallischer Gegenstände, wie z. B. Bänder, die zwei Walzen mit im wesentlichen parallelen Achsen aufweist, die zwischen sich eine Engstelle bilden, die in der gemeinsamen Ebene ihrer beiden Achsen verläuft sowie eine Stützanordnung aufweist, die mit Lagern versehen ist, in denen sich die axialen Enden von Wellen der Walzen drehen und ein Gerüst aufweist, auf dem die Stützanordnung wenigstens einer der Walzen geführt wird und verschiebbar angeordnet ist in Richtung einer Annäherung aneinander oder Entfernung voneinander der Walzen. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie für jede Walze eine Anordnung zur Messung der Position der der Engstelle diametral gegenüberliegenden Mantellinie aufweist an wenigstens drei Punkten, die in einer mittigen Ebene senkrecht zu den Achsen und in zwei Sekundärebenen parallel zur mittigen Ebene und in der Nähe der Ränder der Walzen angeordnet sind und eine Anordnung zur Messung in der mittigen Ebene der Position einer um 90º zur Engstelle versetzt angeordneten Mantellinie aufweist.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung zur genauen Messung der Asymmetrie des Spaltes außerdem eine Anordnung zur Messung der Position der um 90º versetzt zur Engstelle angeordneten Mantellinie in den beiden Sekundärebenen auf.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Meßanordnungen Positionsfühler, die an der Stützanordnung für die Walzen befestigt sind, wobei die Vorrichtung außerdem eine Anordnung zur Messung der Variationen des Abstandes der Lager aufweist.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel, mit dem die Anordnung zur Abstandsmessung der Lager vermieden werden kann, weist die Anordnung zur Messung der Position der der Engstelle diametral gegenüberliegenden Mantellinie am Gerüst befestigte Fühler auf.
Die Vorrichtung weist auch eine Rechenanordnung auf, die mit den Meßanordnungen verbunden ist, um
- die Variationen der gemessenen Positionen der Mantellinien zu berechnen,
- durch ein Rechenmodell unter Berücksichtigung der Gießparameter und/oder ausgehend von experimentellen Daten die Variationen der Länge des Radius der Walze in diesen Ebenen zwischen der Engstelle und einer der um 90º oder 180º versetzten Stellen zu bestimmten,
- ausgehend von diesen Variationen der Positionen und der Variationen der Länge des Radius den Wert der Verschiebung der Walzen in der Mitte und den Wert der Variation der Länge des Radius an der Engstelle bezüglich des Anfangszustandes zu berechnen und
- daraus die momentane Größe des Spaltes in der Mitte abzuleiten, ausgehend von der Größe des Spaltes in der Mitte im kalten Zustand und dem Wert der Verschiebung in der Mitte sowie dem Wert der Variation der Länge des Radius, sowie das Profil des Spaltes.
Weitere Besonderheiten und Vorteile gehen aus der nachfolgenden Beschreibung einer erfindungsgemäßen Anlage zum Stranggießen dünner Stahlbänder zwischen Walzen und eines Verfahrens zur kontinuierlichen Bestimmung des Spaltes zwischen den Gießwalzen hervor.
In der beigefügten Zeichnung zeigen:
- Fig. 1 eine teilweise und vereinfachte Darstellung der Gießvorrichtung,
- Fig. 2 einen axialen Halbschnitt durch eine in dieser Vorrichtung vorgesehenen Walze,
- Fig. 3 eine vereinfachte Draufsicht auf die Gießvorrichtung, und
- Fig. 4 eine Stirnansicht der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung als Schnitt entlang der Ebene P&sub1; in Fig. 3.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zum Stranggießen weist in an sich bekannter Weise zwei Walzen 10, 11 mit parallelen Achsen auf, die in einer waagrechten Ebene P angeordnet sind, die innen gekühlt sind und die durch eine nicht dargestellte Antriebsanordnung in Drehungen versetzt werden. In vereinfachter Weise ist eine derartige Walze in Fig. 2 dargestellt, wobei sie eine Welle 12, einen mit der Welle verbundenen Körper 31 und einen Außenmantel 32 aufweist, welcher die Gießoberfläche bildet und der in an sich bekannter Weise am Körper gehalten wird.
In herkömmlicher Weise ist zum Erhalt eines Bandes mit einer geringfügigen Querwölbung (die erforderlich ist für spätere Bearbeitungen des Bandes durch einen Kaltwalzvorgang) die äußere Oberfläche 34 des Mantels 32 geringfügig nach innen gewölbt. Aus diesem Grund ist das (in Richtung der Achse der Walze gesehene) Längsprofil dieser Oberfläche, die entsprechend bearbeitet wurde, konkav ausgestaltet. Diese Konkavität wird dabei im kalten Zustand derart festgelegt, dass bei Erwärmung und auf Höhe der Engstelle die gewünschte Innenwölbung beibehalten wird unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die ursprünglich ausgebildete Konkavität durch den Effekt der thermischen Wölbung bei Erwärmung des Mantels zu einer Reduzierung neigt.
In Fig. 2 ist in übertriebener Weise die Form und die Oberfläche des Mantels dargestellt und zwar mittels der punktierten Linie 35 im kalten Zustand und im warmen Zustand durch die Linie 34, wobei die Linie 36 eine gerade theoretische Mantellinie (oder Erzeugende) bezeichnet, bezüglich derer die Innenwölbung, d. h. die genannte Konkavität definiert ist.
In Fig. 1 erkennt man weiterhin, dass die Wellen 12 in Lagern oder Einbauten 13F, 13M, 14F, 14M gehalten werden, in denen sie sich drehen.
Die Lager 13F, 14F der Walze 10 sind durch eine Stützanordnung miteinander verbunden, beispielsweise eine Traverse 15F, die fest bezüglich des Gerüstes 16 der Vorrichtung angeordnet ist. Die Lager 13M, 14M der anderen Walze 11 sind ebenfalls über eine Traverse 15M miteinander verbunden, die am Gerüst 16 geführt ist, sodass sie auf ihm verschiebbar sind, wobei die Position der Lager 13M und 14M über Druckzylinder 17 einstellbar ist, welche auch die Gegenkraft aufbringen zu der vom gegossenen Gegenstand ausgehenden auf die Walzen in Richtung ihrer Abstandsvergrößerung einwirkenden Kraft.
Die Vorrichtung weist außerdem eine Meßanordnung für die Position der Oberfläche 34 einer jeden Walze auf. Diese Meßanordnung enthält für jede Walze eine Gesamtheit 20 von Fühlern 22 zur Messung der Position der Oberfläche 34 auf einer Mantellinie dieser Oberfläche, die in der horizontalen Ebene P angeordnet ist, welche der Engstelle diametral gegenüberliegt sowie an mehreren Stellen entlang dieser Mantellinie. In Fig. 1 sind drei Fühler 22 dargestellt, von denen einer in der senkrechten mittigen Ebene P&sub3; angeordnet ist und die Position eines Punktes mißt, der im wesentlichen in der Mitte der Mantellinie angeordnet ist, während die beiden anderen in den entsprechenden sekundären senkrechten Ebenen P&sub1; und P&sub5; angeordnet sind in der Nähe der Ränder der Gießoberfläche 34. Zur Erhöhung der Präzision der Messungen können zusätzliche Fühler verwendet werden, die in Zwischenstellungen angeordnet werden.
Die Gesamtheit 20 der Fühler 22 steht bezüglich des Gerüstes 16 fest. Diese Fühler sind Fühler, die aus Anwendungen der Triangulationsmessung bekannt sind, beispielsweise Laserstrahlfühler, welche in der Lage sind, geringe Entfernungsvariationen festzustellen, wobei sie entfernt von dem Punkt angeordnet werden können, dessen Position bestimmt werden soll. Diese Fühler 22 sind derart angeordnet, dass sie die Oberfläche der Walze 11 durch eine Öffnung 18 hindurch beobachten können, die zu diesem Zweck in die Traverse 15M der Stützanordnung dieser Walze eingearbeitet ist. Auf diese Weise ist die von den Fühlern durchgeführte Messung eine direkte Messung der Position der beobachteten Punkte der Oberfläche der Walze 11 bezüglich des Gerüstes 16 und damit unabhängig von der Position der Lager 13M, 14M.
Die Messanordnung für die Position der Oberfläche 34 weist außerdem eine Gesamtheit 21 von Fühlern 23 auf, die unterhalb der Walze 11 in einer senkrechten Ebene angeordnet ist, welche im wesentlichen die Achse der Walze durchsetzt, wobei diese Gesamtheit bezüglich der Lager 13M, 14M feststeht und sich damit mit ihnen verschiebt. Die Fühler 23 sind beispielsweise Kapazitätsfühler oder Induktionsfühler für die Nahmessung. Die Gesamtheit 21 weist drei Fühler 23 auf, die in denselben senkrechten Ebenen angeordnet sind, wie die Fühler 22 der Gesamtheit 20, sodass sie die Messung der Position der Mantellinie der Oberfläche 34 an drei Punkten ermöglichen die um 90º zur Engstelle versetzt sind und zwar stromabwärts zu letzterer bezüglich der Drehrichtung der Walze.
In ähnlicher Weise sind zwei Gesamtheiten 24, 25 von Fühlern in der Nähe der zweiten Walze 10 angeordnet. Es sei betont, dass aufgrund der Tatsache, dass die Lager 13F und 14F dieser Walze bezüglich des Gerüstes 16 feststehen, die Fühler der Gesamtheit 24 ebenfalls Kapazitätsfühler oder Induktionsfühler sein können.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel, das in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist, können derartige Fühler, die in der Lage sind, Messungen ausschließlich für kurze Distanzen durchzuführen, anstelle der Fühler 22 verwendet werden zur Messung der Positionen der Punkte der der Engstelle gegenüberliegenden Mantellinie auf der Walze 11. In diesem Fall stehen die Fühler fest bezüglich der Stützanordnung 15M für diese Walze, wobei zusätzliche Fühler vorgesehen sind zur Messung der Position dieser Stützanordnung bezüglich des Gerüstes, beispielsweise Fühler 26, die derart angeordnet sind, dass sie die Abstandsvariationen zwischen den Lagern der beiden Walzen messen.
Im folgenden wird im Zusammenhang mit den Fig. 3 und 4 das Verfahren zur kontinuierlichen Bestimmung des Spaltes während des Gießvorgangs beschrieben, mit Hilfe der von den oben erwähnten Fühlern durchgeführten Messungen.
Vorab sei wiederholt, dass der tatsächliche Spalt an der Engstelle zwischen den Walzen (Walzspalt) während des Gießvorgangs abhängt von:
- der ursprünglichen Konkavität im kalten Zustand der Walzen,
- des thermischen Wölbungseffektes und der radialen Ausdehnung der Mäntel, die zu einer Verringerung dieser Konkavität während der Erwärmung der Mäntel führen,
- der Ausweichverschiebung der Gesamtanordnung der Stützteile für die Mäntel, insbesondere die Durchbiegung der Wellen der Walzen, die zu einer Vergrößerung des Abstandes zwischen den Walzen an der Engstelle führen.
Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Klemmkräfte relativ gering sind und dass der Mantel einen großen Durchmesser bezüglich seiner Breite aufweist, kann davon ausgegangen werden, dass der Mantel selbst sich nicht durchbiegt oder dass zumindest diese Durchbiegung vernachlässigbar ist. Gegebenenfalls kann jedoch diese Eigendurchbiegung des Mantels bei der Bestimmung des Spaltes berücksichtigt werden unter Verwendung einer größeren Anzahl von Fühlern für jede Gesamtheit von Fühlern.
Eine Nachgiebigkeit des Gerüstes 16 kann ebenfalls als vernachläßigbar angesehen werden. Unter Verwendung einer Fühleranordnung, wie sie in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist, kann jedoch eine eventuelle Verschiebebewegung vollständig außer acht gelassen werden, da hierbei die Variationen des Abstandes zwischen den Walzenlagern gemessen wird, wobei eine Gerüstverschiebung keinerlei Einfluß auf diese Messungen ausübt.
Um außerdem genau die Form und die Abmessungen des Spaltes an der Engstelle während des Gießvorgangs zu ermitteln, genügt es auf Höhe der Engstelle zu kennen:
- den Spalt in der Mitte, d. h. in der mittigen Ebene der Anlage,
- die Asymmetrie des Spaltes,
- und das Profil der Oberfläche der Mäntel.
Die Kenntnis dieser Werte ermöglicht es, einen Regeleinwirkung auszuüben auf:
- die Dicke des gegossenen Gegenstandes durch Steuerung gleicher Verschiebungen der beiden Klemmzylinder 17,
- die Asymmetrie in Querrichtung des Gegenstandes durch Steuerung der einzelnen Verschiebungen dieser Zylinder,
- das Profil der Wölbung durch Einwirkung auf den thermischen Austausch zwischen Gegenstand und Mantel, beispielsweise durch Veränderung der Kühlung des Mantels oder der Drehgeschwindigkeit der Walzen.
In den nachfolgenden Erklärungen wird ausgehend von den durch die verschiedenen Fühler durchgeführten Messungen die Größe des Spaltes in der Mitte, die Asymmetrie und die Form des Profils der Oberflächen der Mäntel unter Verwendung der folgenden Bezeichnungen ermittelt:
eo: Größe des Anfangsspaltes im kalten Zustand zwischen den theoretischen Mantellinien 36 der Mäntel,
e: Größe des tatsächlichen Spaltes,
b: Wert der Durchbiegung im kalten Zustand der Mantellinie der Oberfläche 34, die aus der Bearbeitung dieser Oberfläche stammt,
Δx: Wert der Verschiebung einer Walze, ed und eg: Werte der Variation des Abstandes zwischen den Lagern auf jeder Seite der Walzen gemessen durch die Fühler 26,
ΔR: Variation der Länge des Radius der Walze bezüglich ihrer Länge im kalten Zustand (aufgrund der thermischen Wölbungswirkung und der radialen Ausdehnung)
δ: Variation der Länge des Radius während der Drehung
L: Abstand zwischen den beiden Lagern einer Walze,
l: axialer Abstand einer jeden vertikalen Ebene, in der Fühler angeordnet sind, bezüglich eines Lagers
λ: Breite des Mantels
C: Werte der Variationen der Positionen eines jeden Punktes des Mantels gemessen durch die Fühler 22, 23.
Außerdem bezeichnen:
- die Ziffern 1, 2, 3 an den vorstehenden Bezeichnungen die Winkelposition, zu der der betrachtete Wert gehört: 1 zeigt dabei die Lage an der Engstelle an, 2 zeigt die um 90º versetzte Lage bezüglich der Engstelle an, 3 zeigt die um 180º versetzte Lage bezüglich der Engstelle an (diametral gegenüber der Engstelle),
- die Index-Ziffern zeigen in ähnlicher Weise die axiale Lage an: 3 entspricht dabei der Lage in der mittigen Ebene, 1 und 5 entsprechen den Lagen in den beiden sekundären Ebenen, die den Rändern der Mäntel benachbart sind (wobei die Indices 2 und 4 zusätzlichen dazwischen liegenden Ebenen entsprechen würden).
- der Buchstabe F zeigt an, dass dieser Wert der feststehenden Walze 10 zugehörig ist und der Buchstabe M zeigt an, dass die verschiebbare Walze 11 betroffen ist.
So sind beispielsweise:
C2&sub3;M der vom Fühler 23 gemessene Wert der Variation der Position des Punktes der Oberfläche 34 des Mantels der verschiebbaren Walze 11, wobei dieser Punkt um 90º versetzt zur Engstelle in der mittigen Ebene angeordnet ist.
δ23&sub1; die Variation der Länge des Radius in der sekundären Ebene P&sub1; in der Nähe des Randes des Mantels zwischen der Stelle bei 90º und der Stelle bei 180º bezüglich der Engstelle.
Schließlich wird noch mit der Bezeichnung "F/M" die Summe der zu einer einzigen Messung oder Variation für jede Walze gehörenden Werte bezeichnet (beispielsweise: C2&sub3;F/M = C2&sub3;F + C2&sub3;M), wobei mit dem Vorzeichen "+" all diese Werte versehen sind, die zu einer Spaltvergrößerung führen und mit dem Vorzeichen "-" all diejenigen versehen sind, die zu einer Spaltverkleinerung führen.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Werte von C entsprechend der Position bei 90º (Position "2"), die in den nachfolgenden Formeln verwendet werden, verzögert sind um eine Zeit, die einer Viertelumdrehung der Walze entspricht, derart, dass die Variationen der berücksichtigten Positionen in ein und derselben Rechnung bezüglich einer Mantellinie relativ sind, obwohl die Messungen dieser Variationen in unterschiedlichen Winkelstellungen durchgeführt werden, sodass eventuelle Rundungsfehler der Walzen keinen Einfluß ausüben.
Unter Anwendung dieser festgelegten Definitionen lassen sich die folgenden Gleichungen aufstellen:

a) Für die Bestimmung des Spaltes in der Mitte e&sub3;:

- Verschiebung der Welle eines Zylinders in der Mitte (in der mittigen Ebene): Δx&sub3; = C3&sub3; - (C2&sub3; - δ23&sub3;)
- Variation des Radius an der Engstelle: ΔR&sub3; = C2&sub3; + δ12&sub3; mit dem tatsächlichen Spalt in der Mitte:
e&sub3; = ursprünglicher Spalt ==> eo&sub3;
+ Innenwölbung der Walzen im kaltem Zustand ==> + b&sub3;F + b&sub3;M
+ Verschiebung der Wellen (Δx&sub3;) == > + C3&sub3;F-(C2&sub3;F-δ23&sub3;F) + C3&sub3;M - (C2&sub3;M--δ23&sub3;M)
- ΔR&sub3; an der Engstelle == > -(C2&sub3;F-δ12&sub3;F) -(C2&sub3;M--δ12&sub3;M)
woraus folgt:
e&sub3; = eo&sub3; + b&sub3;F/M + C3&sub3;F/M - 2.C2&sub3;F/M + δ23&sub3;F/M - δ12&sub3;F/M
Der Wert von δ23&sub3;-δ12&sub3;M ist gering und kann durch ein Rechenmodell bestimmt werden unter Berücksichtigung der Gießparameter, insbesondere der Geschwindigkeit und des thermischen Austauschflusses für einen gegebenen Mantel oder durch experimentelle Werte. Es sei bemerkt, dass dieser Wert gemäß dem Rechenmodell praktisch nicht mit der Kühlintensität des Mantels variiert.

b): Asymmetrie des Spaltes:

Die an den Enden in der Nähe der Ränder und um 180º versetzt angeordneten Fühler ermöglichen es, die Asymmetrie festzustellen:
e&sub1; = eo&sub1; - b&sub1;F/M + C3&sub1;F/M - 2.C2&sub1;F/M + δ23&sub1;F/M - δ12&sub1;F/M
e&sub5; = eo&sub5; + b&sub5;F/M + C3&sub5;F/M - 2.C2&sub5;F/M + δ23&sub5;F/M - δ12&sub5;F/M
wobei festgelegt wird, dass: b&sub1; = b&sub5; (Symmetrie des Profils der ursprünglichen Innenwölbung), woraus folgt:
e&sub1; - e&sub5; = eo&sub1; - eo&sub5; + C3&sub1;F/M - C3&sub5;F/M - 2.(C2&sub1;F/M
-C2&sub5;F/M + (δ23&sub1;F/M - δ23&sub5;F/M) - (δ12&sub1;F/M - δ12&sub5;F/M)
A B
Es kann davon ausgegangen werden, dass die Ausdrücke A = (δ23&sub1;F/M - δ23&sub5;F/M) und B = (δ12&sub1;F/M - δ12&sub5;F/M) im wesentlichen Null sind, da die Bedingungen im Prinzip für jede Seite der Walzen gleich sind und da es sich um Differenzen von im wesentlichen gleich großen Werten handelt.
Andererseits weisen eo&sub1; und eo&sub5; die folgenden Werte auf:
- eo&sub1; = ed - (ed - eg).l&sub1;/L
- eo&sub5; = ed - (ed - eg).l&sub5;/L
woraus folgt:
(eo&sub1; - eo&sub5;) = [(ed - eg)/L]. (l&sub5; - l&sub1;)
woraus für den Wert der Asymmetrie folgt:
e&sub1; - e&sub5; = [(ed - eg)/L].(l&sub5; - l&sub1;) + C3&sub1;F/M - C3&sub5;F/M - 2. (C2&sub1;F/M - C2&sub5;F/M)

c): Profil

Es läßt sich zeigen, dass das Eigenprofil der thermischen Wölbung der Oberfläche 34 einer jeden Walze, die sich dem Profil im kalten Zustand überlagert, die folgende Form aufweist:
Y = K(ΔΦ).[2.e-β(λ/2) - e-β(x) - e-β(λ-x)]
wobei β eine Konstante ist, sodass K zu berechnen ist, das eine Funktion des Temperaturgradienten durch die Mantelwand ist.
Um einen eventuellen Symmetriefehler bezüglich der mittigen Ebene zu berücksichtigen, muß man zumindest einen Punkt der Kurve auf jeder Seite kennen, sodass mindestens drei Fühler erforderlich sind. Unter Bildung des Mittelwertes, der von den in der Nähe der Ränder angeordneten Fühler gemessenen Werte kann das Profil des Zylinders bezüglich seiner Achse bestimmt werden.
In dem Fall, in dem drei Fühler bei 180º vorhanden sind, jedoch nur ein einziger Fühler bei 90º, muß der Wert der Wölbung bei 180º genommen werden. Sofern mindestens drei Fühler bei 90º vorhanden sind, kann der Wert der Wölbung bei 90º genommen werden, der, da er näher an der Engstelle liegt, in seinem Wert näher an demjenigen der Engstelle liegt, wodurch das Profil an der Engstelle genauer bestimmt werden kann.
Um das Profil an der Engstelle, ausgehend vom Profil bei 90º oder bei 180º zu kennen, müssen die Variationen des Radius zwischen der Engstelle und der Stelle, an der die Wölbung erfasst wird, integriert werden,
woraus folgt:
ΔRi = C2i - δ12i
woraus folgt, wenn die Wölbung an der Stelle bei 90º versetzt zur Engstelle gemessen wird:
Y&sub1; = C2&sub3; - C2&sub1; + δ12&sub3; - δ12&sub1;
Y&sub5; = C2&sub3; - C2&sub5; + δ12&sub3; - δ12&sub5;
Die Werte von δ12&sub3;, δ12&sub1; und δ12&sub5; können, wie oben ausgeführt, mittels eines Modells bestimmt werden, entweder als Funktion der Gießparameter oder als Differenz des Wertes der Wölbung zwischen 180 und 90º oder auch mittels Kurven oder experimenteller Werte.
Bei Kenntnis von Y&sub1; und Y&sub5; läßt sich also das Profil einer jeden Walze an der Engstelle bestimmen.
Wie man sieht, ermöglichen die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren die präzise und kontinuierliche Bestimmung des tatsächlichen Spaltes zwischen zwei Walzen während des Gießverfahrens, indem dieser durch seinen Wert in der Mitte definiert wird sowie seine eventuell vorhandene Asymmetrie bezüglich der mittigen Ebene und die Form der Mantellinie einer jeden Walze an der Engstelle.
Der oder die Fühler, die um 90º versetzt bezüglich der Engstelle angeordnet sind, dienen insbesondere zur Bestimmung des Einflusses der Variationen des Radius und des Profils der Walzen aufgrund des Effektes der thermischen Wölbung, da an dieser Stelle bei 90º die Verformungen aufgrund der mechanischen Auswirkungen der in Richtung auf eine Abstandsvergrößerung einwirkenden Kräfte auf die Walzen, vernachlässigbar sind. Es ist auch möglich, die entsprechenden Messungen oberhalb der Walze um 90º versetzt und stromaufwärts der Engstelle durchzuführen. Aus Gründen des Raumbedarfs ist es jedoch leichter, die Fühler unterhalb der Walzen anzuordnen. Außerdem ist im Hinblick auf Messungen der thermischen Wölbung die letztere Position vorteilhaft, da die Wölbungsvariationen zwischen der Engstelle und der Stelle bei 90º stromabwärts geringer sind als zwischen der Engstelle und einer Stelle bei 90º stromaufwärts der Engstelle, da im Vergleich dieser beiden letzteren Stellen die Erwärmung aufgrund des Beginns der Berührung des geschmolzenen Metalls mit dem Mantel stärker ist als die Abkühlung, welche der Trennung des gegossenen Bandes von der Walzenoberfläche folgt.
Die verschiedenen oben angegebenen Messungen ermöglichen es in der Tat, die Variation des im Einsatz befindlichen Spaltes zu bestimmen bezüglich des Spaltes in kaltem Zustand ohne Krafteinwirkung auf die Walzen, wobei diese Variationen hervorgerufen werden sowohl durch die während des Gießvorgangs einwirkenden Kräfte als auch durch die thermischen Verformungen der Walzen. Es wird also davon ausgegangen, dass die Form des Profils der Walzen in kaltem Zustand bekannt ist. In der Praxis wird also ausgehend von der gewünschten Form der Mantellinie im warmen Zustand zum Erhalt des Profils des Spaltes entsprechend dem gewünschten Querprofil des hergestellten Bandes (wobei diese Form durch eine mathematische Funktion definiert ist), die Gleichung für die Kurve des Profils im kalten Zustand abgeleitet, die von der Bearbeitungsmaschine für das Profil der Walzen verwendet wird, wobei diese Gleichung für das Profil im kaltem Zustand die Profiltiefe an einem Punkt als Funktion der axialen Position dieses Punktes ergibt. Umgekehrt bedeutet dies, dass bei Kenntnis des Profils des Spaltes im kalten Zustand durch die Messung des Wertes des Spaltes in der Mitte und durch diese Gleichung für das Profil im kalten Zustand und bei Kenntnis der Variationen der Positionen und der Form, wie sie oben definiert wurden, für jede Walze das Profil des Spaltes im warmen Zustand mit ausreichender Genauigkeit ermittelt werden kann.
Im vorstehenden wurde davon ausgegangen, dass die Form des Profils einer Mantellinie der Walze eine Kurve ist, die durch eine mathematische Funktion definiert ist, wobei die von den in den drei Ebenen P&sub1;, P&sub3;, P&sub5; angeordneten Fühlern durchgeführten Messungen es ermöglichen, die Parameter dieser Kurve zu definieren sowie ihre Position in der Anlage. Man erkennt leicht, dass, wenn man über eine erhebliche Anzahl von Fühlern in zu P&sub3; parallelen Ebenen verfügt, zusätzlich zu den Ebenen P&sub1; und P&sub5;, die also entlang der Breite der Walzenoberfläche 34 verteilt sind, die Position von mehreren Punkten des Profils durch direkte Messung ermittelt werden kann, woraus eine präzise Kenntnis des Profils der Walze folgt und damit des Spaltes, ohne dass es erforderlich ist, die Form des ursprünglichen Profils zu kennen.
Es ist klar, dass die Erfindung nicht nur auf das Stranggießen beschränkt ist, sondern, wie bereits eingangs erwähnt, sich auch für Walzvorgänge ebener metallischer Produkte oder dgl. eignet.

Claims

1. Verfahren zur kontinuierlichen Bestimmung des Spaltes an der Engstelle zwischen zwei Walzen (10, 11) mit im wesentlichen parallelen Achsen einer Anlage zur Warmverformung eines dünnen metallischen Gegenstandes bei Durchlauf dieses Gegenstandes zwischen den beiden Walzen, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Anfangszustand bei Abwesenheit des Gegenstandes und im kalten Zustand die Größe des Spaltes in der Mitte (eo&sub3;), d. h. in einer mittigen Querebene (P&sub3;) der Anlage gemessen wird und dass während der Verformung des Gegenstandes für jede Walze:

- die Variationen (C3&sub1;, C3&sub3;, C3&sub5;) bezüglich des Anfangszustandes gemessen werden der Position wenigstens dreier Punkte der Oberfläche der Walze auf einer um 180º bezüglich der Engstelle angeordneten Mantellinie, d. h. diametral gegenüberliegend zur Engstelle, wobei diese Punkte wenigstens in der mittigen Ebene (P3) und in zwei sekundären Ebenen (P1, P5) parallel zur mittigen Ebene und beidseits der mittigen Ebene angeordnet sind,

- mindestens in der mittigen Ebene die Variation (C2&sub3;) der Position eines auf einer um 90º bezüglich der Engstelle versetzten Mantellinie angeordneten Punktes bezüglich des Anfangszustandes gemessen wird,

- durch ein Rechenverfahren oder durch experimentelle Kurven die Variationen (δ12) der Länge (R) des Walzenradius in diesen Ebenen zwischen der Engstelle und einer der Stellen bei 90º oder 180º bestimmt werden,

- ausgehend von diesen Messungen der Variationen der Position der Punkte in der mittigen Ebene bzw. an den um 90º und 180º bezüglich der Engstelle versetzten Stellen und der Variation der Länge des Radius in der mittigen Ebene einerseits zwischen der Engstelle und der Stelle bei 90º (δ12&sub3;) und andererseits zwischen den Stellen bei 90º und bei 180º (δ13&sub3;) der Wert (Δx&sub3;) der Verschiebung der Walze in der Mitte und der Wert (ΔR&sub3;) der Variation der Länge des Radius an der Engstelle bezüglich des Anfangszustandes abgeleitet wird,

- und dass daraus die momentane Größe (e&sub3;) des Spaltes in der Mitte ausgehend von dieser Größe des Spaltes in der Mitte im kalten Zustand und dem Wert der Verschiebung in der Mitte und dem Wert der Variation der Länge des Radius sowie das Profil des Spaltes abgeleitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass außerdem die Variationen der Position der Punkte der Oberfläche in den sekundären Ebenen und bei 90º bezüglich der Engstelle gemessen werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Profil bestimmt wird einer von der Engstelle entfernten Mantellinie, die sich an der Stelle (2) befindet, an der die Variationen (C2&sub1;, C2&sub3;, C2&sub5;) der Positionen wenigstens dreier Punkte dieser Mantellinie gemessen werden, ausgehend von einer von Parametern abhängigen Funktion, die die thermische Verformung (Y) an einem Punkt dieser Mantellinie als Funktion der axialen Position (1) dieses Punktes festlegt und ausgehend von dieser Messung der Variationen der Positionen dieser wenigstens drei Punkte das thermische Profil der Mantellinie an der Engstelle ausgehend von diesem thermischen Profil der von der Engstelle entfernten Mantellinie und der Bestimmung der Variationen (δ12) der Länge des Radius der Walze in den Ebenen zwischen der Engstelle und der Stelle der von der Engstelle beabstandeten Mantellinie bestimmt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Asymmetrie (e&sub1; - e&sub5;) des Spaltes bestimmt wird ausgehend von der Messung der Variationen (C3&sub1;, C3&sub5;, C2&sub1;, C2&sub5;) der Positionen der in den sekundären Ebenen und an den Stellen bei 90º und bei 180º versetzt angeordneten Punkten.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass diese Variationen (C3) der Positionen der bei 180º versetzt angeordneten Punkte bezüglich einer im Raum feststehenden Bezugsstelle gemessen werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass diese Variationen (C3) der Positionen der bei 180º bezüglich einer Stützanordnung (15F, 15M) für die Walzen versetzt angeordneten Punkte gemessen werden, die Lager aufweist in denen sich die Enden von die Walzen tragenden Wellen drehen und dass die Variationen (ed, eg) des Abstandes der Lager voneinander auf Höhe eines jeden Endes gemessen werden.

7. Vorrichtung zur Verformung dünner metallischer Gegenstände, wie z. B. Bänder, die zwei Walzen (10, 11) mit im wesentlichen parallelen Achsen aufweist, die zwischen sich eine Engstelle bilden, die in der gemeinsamen Ebene (P) ihrer beiden Achsen verläuft sowie eine Stützanordnung (15F, 15M) aufweist, die mit Lagern (13, 14) versehen ist, in denen sich die axialen Enden von Wellen (12) der Walzen drehen und ein Gerüst (16) aufweist, auf dem die Stützanordnung wenigstens einer der Walzen geführt wird und verschiebbar angeordnet ist in Richtung einer Annäherung aneinander oder Entfernung voneinander der Walzen, dadurch gekennzeichnet, dass sie für jede Walze eine Anordnung (22) zur Messung der Position der der Engstelle diametral gegenüberliegenden Mantellinie aufweist an wenigstens drei Punkten, die in einer mittigen Ebene (P3) senkrecht zu den Achsen und in zwei Senkundärebenen (P1, P5) parallel zur mittigen Ebene und in der Nähe der Ränder der Walzen angeordnet sind und eine Anordnung zur Messung (23) in der mittigen Ebene der Position einer um 90º zur Engstelle versetzt angeordneten Mantellinie aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie außerdem eine Anordnung (23) zur Messung der Position der um 90º versetzt zur Engstelle angeordneten Mantellinie in den beiden Sekundärebenen aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnungen Positionsfühler (22) sind, die an der Stützanordnung für die Walzen befestigt sind und dass sie ausserdem eine Anordnung (26) zur Messung der Variationen des Abstandes der Lager aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (22) zur Messung der Position der der Engstelle diametral gegenüberliegenden Mantellinie am Gerüst befestigte Fühler sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Walzen (10, 11) gekühlte Gießwalzen sind zur Berührung mit geschmolzenem Metall in einer Anlage zum Stranggießen zwischen Walzen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Rechenanordnung aufweist, die mit den Messanordnungen (22, 23) verbunden ist, um

- die Variationen der gemessenen Positionen der Mantellinien zu berechnen,

- durch ein Rechenmodell unter Berücksichtigung der Gießparameter und/oder ausgehend von experimentellen

- Daten die Variationen (δ12) der Länge (R) des Radius der Walze in den Ebenen (P&sub1;, P&sub3;, P&sub5;) zwischen der Engstelle und einer der um 90º oder 180º versetzten Stellen zu bestimmen,

- ausgehend von diesen Variationen der Positionen und der Variationen der Länge des Radius den Wert (Δx3) der Verschiebung der Walze in der Mitte und den Wert (ΔR3) der Variation der Länge des Radius an der Engstelle bezüglich des Anfangszustandes zu berechnen und

- daraus die momentane Größe (e&sub3;) des Spaltes in der Mitte abzuleiten ausgehend von der Größe des Spaltes in der Mitte im kalten Zustand und dem Wert der Verschiebung in der Mitte sowie dem Wert der Variation der Länge des Radius sowie das Profil des Spaltes.

13. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnungen Kapazitätsfühler oder Induktionsfühler oder Laserstrahlfühler aufweisen.