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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer
kontinuierlichen Kaltverformung und Dickenreduktion eines Metallbands
in einer Kaltverformungsanlage, die mindestens zwei aufeinander
folgende Walzgerüste umfasst.
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Unter Kaltverformung und Reduktion wird vor allem ein Vorgang
verstanden, der auf Englisch "skin-pass" genannt wird, oder ein
Zweitreduktions-Walzvorgang, "DR" genannt; bei diesem Vorgang
werden im Allgemeinen Anlagen verwendet, die mindestens zwei
aufeinander folgende Gerüste umfassen, von denen eines, das so
genannte Reduktionsgerüst, den wesentlichen Teil der
Dickenreduktion des Bands allein ausführt; bei einer Anlage mit zwei
Gerüsten ist das Reduktionsgerüst das Vorgerüst oder erste Gerüst
und bei einer Anlage mit drei Gerüsten ist das Reduktionsgerüst
das zweite Gerüst, dasjenige in der Mitte der Anlage.
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Ein Walz- oder Kaltverformungsgerüst einer derartigen Anlage
umfasst zwei Arbeitswalzen, die sich in entgegengesetzten
Richtungen drehen und in deren Spalt ein Metallband reduziert
und/oder kaltverformt werden kann; abhängig von der Walzkraft
der Walzen wird die Dicke des Metallbands reduziert, seine Länge
dagegen erhöht.
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Bei einem gegebenen Metallband hängt das erhaltene
Längungsverhältnis bzw. der Längungsgrad von der Walzkraft des Gerüsts
ab; bei einem "skin-pass" ist der Längungsgrad niedrig, während
er bei einem "DR"-Vorgang rund 60 Prozent erreichen kann.
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Bei diesen Anlagen muss die Drehgeschwindigkeit der Walzen von
zwei aufeinander folgenden Gerüsten, kürzer
"Gerüstgeschwindig
keit" genannt, präzisionsgesteuert sein, sodass zwischen den
Gerüsten eine Bandspannung aufrechterhalten wird, die
ausreichend hoch ist, um das Auftreten von Falten zu vermeiden, und
dennoch ausreichend niedrig, dass das Band nicht reißen kann.
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Zwischen zwei aufeinander folgenden Gerüsten hängt das
Gerüstgeschwindigkeits-Differenzial also vom Längungsgrad des
Bands ab.
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Zum Steuern dieser Anlagen wird also im Allgemeinen zum einen
der Längungsgrad des Bands beim Durchlaufen der Anlage und
zum anderen die Spannung des Bands zwischen den Gerüsten
gemessen und abhängig von den gemessenen Werten auf die
folgenden Wirkglieder eingewirkt: die Walzkraft jedes Gerüsts und
die Geschwindigkeit der Walzen jedes Gerüsts.
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Zum Messen des Längungsgrads des Bands in einem Gerüst
werden im Allgemeinen die Geschwindigkeit des herauskommenden
Bands und die Geschwindigkeit des einlaufenden Bands
gemessen, da sich der Längungsgrad aus der Differenz zwischen diesen
gemessenen Geschwindigkeiten herleiten lässt. Im britischen
Patent 794 290 ist ein solches Verfahren beschrieben, bei dem die
Geschwindigkeitsmessungen mithilfe von Tachometern ausgeführt
werden, die an den Auflagerollen des Bands vor und nach der
Anlage angeordnet sind.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen dieser
Wirkglieder abhängig von den Messungen.
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Bei einer Anlage mit nur zwei Gerüsten beschreibt der Artikel von
Yuli Shimoyama et al. mit dem Titel "Kawaski continuous
annealing line at Chiba" - IRON & STEEL ENGINEER, Band 69, Nr. 11,
1992, S. 35-41, auf Seite 37, linke Spalte, drei Verfahren zum
Regeln, die in Fig. 4 dieser Druckschrift veranschaulicht sind:
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- Regelung nach Modus 1: Der Längungsgrad wird durch den
Zug zwischen den Gerüsten geregelt.
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- Regelung nach Modus 1 (die Bezugszeichen beziehen sich auf
Fig. 1):
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- Regelung der Längung durch das Verhältnis zwischen der
Geschwindigkeit des "S-Blocks" 1' weiter vorne und der
des ersten Gerüsts 2 weiter hinten;
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- Regelung (System "ATL" mit Totband) des Zugs zwischen
dem "S-Block" 1' und dem ersten Gerüst 2 abhängig vom
gleichen Geschwindigkeitsverhältnis und der Walzkraft
des ersten Gerüsts 2.
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- Regelung nach Modus 3, die der Regelung von Modus 2
entspricht, bei der aber die Messungen des Längungsgrads
durch Messungen der Dicke ersetzt werden ("THG").
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Modus 2 ist schematisch im Schaubild von Fig. 1 dargestellt, in
der 1', 2 und 3 den "S-Block", das erste Gerüst und das zweite
Gerüst bezeichnen, 4A und 4B dagegen die Vorrichtung zum
Messen des Längungsgrads.
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Bei einer Anlage mit drei Gerüsten beschreibt der Artikel von C.
SILVY-LELIGOIS mit dem Titel "Régulation d'allongement en
double réduction à Sollac Basse-Indre" - REVUE de MÉTALLURGIE,
Band 89, Nr. 12, 1992, S. 1101-1109, eine andere Strategie des
Regelns:
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- Regelung der Züge zwischen den Gerüsten durch die
Geschwindigkeit
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- Regelung der Längung durch die Walzkraft des Gerüsts 2 und
den Zug zwischen den Gerüsten 2 und 3.
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Diese Strategie ist in Fig. 2 schematisch dargestellt, die eine
Nachbildung von Fig. 3 des genannten Artikels ist; in dieser
Figur bezeichnen die Bezugszeichen 1, 2 und 3 das erste, zweite
und dritte Gerüst und 4A, 4B die Vorrichtung zum Messen des
Längungsgrads.
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Fig. 3 schließlich zeigt den Stand der Technik bei einer Anlage
mit nur zwei Gerüsten 2 und 3:
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- Regelung des Zugs zwischen den Gerüsten durch die
Geschwindigkeit
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- Regelung der Längung durch die Walzkraft und optional
durch den Zug zwischen den Gerüsten.
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Ein solches Regelschaubild wird auch in der FR 2 584 631
(MITSUBISHI) beschrieben.
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Wie in den Fig. 1 bis 3 veranschaulicht ist, wird diese Art von
Kaltverformungsanlagen mit einer doppelten Regelung gesteuert:
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A - Regelung der Geschwindigkeiten der beiden aufeinander
folgenden Gerüste abhängig vom Wert der Spannung des Bands
zwischen diesen Gerüsten, der so beschaffen ist, dass das Band nicht
reißen oder Falten auftreten können.
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B - Regelung der Walzkraft des Reduktionsgerüsts abhängig von
der Differenz zwischen dem von diesem Gerüst bewirkten
Längungsgrad des Bands und einem vorher festgelegten Einstellwert
für den Längungsgrad.
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Die Übertragungsfunktion der Regelung B ist komplex, denn das
Gesetz des Verhaltens von Kraft zu Längung ist ganz und gar
nicht linear; dieses Gesetz des Verhaltens ähnelt dem klassischen
Gesetz des Verhaltens von Zug zu Längung, wie in Fig. 4
dargestellt.
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Nach diesem Gesetz beginnt der Zug nach und nach mit von Null
ausgehender, wachsender Längung sehr stark anzusteigen und
sinkt dann leicht in unregelmäßier Weise ab, bevor er wieder
leicht ansteigt und sich stabilisiert.
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Da sich das Einwirken auf die Walzkraft (Wirkglied der Regelung
B) auf den Spannungswert des Bands zwischen zwei Gerüsten
(Messung von Regelung A) auswirkt, besteht eine Wechselwirkung
zwischen Regelkreis A und Regelkreis B.
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Also muss die Ansprechzeit der Regelung A ausreichend kurz im
Vergleich zu derjenigen der Regelung B sein, damit die
Veränderungen der Walzkraft keine Risse des Bands oder Falten zwischen
zwei aufeinander folgenden Gerüsten nach sich ziehen können.
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So ist bei diesem Verfahren die Regelung B vom "Totband"-Typ.
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Ein solches Verfahren zum Steuern einer Kaltverformungsanlage
weist zahlreiche Nachteile beim Regeln des Längungsgrad des
Bands (Regelung B) auf, darunter:
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- eine zu lange Ansprechzeit, denn sie muss länger sein als die
der Regelung A;
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- eine unzureichende Präzision, vor allem infolge des Totbands
und der Komplexität (Nicht-Linearität) der
Übertragungsfunktion.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, diese Nachteile zu
beheben.
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Hierzu hat die Erfindung ein Verfahren zum Steuern einer
kontinuierlichen Kaltverformung und zur Dickenreduktion eines
Me
tallbands B zum Gegenstand, bei dem das Metallband den Spalt
der Arbeitswalzen von mindestens zwei aufeinander folgenden
Walzgerüsten durchläuft, nämlich ein Vorgerüst, das den
wesentlichen Teil der Dickenreduktion sicherstellt, und ein Nachgerüst,
und bei dem zur kontinuierlichen Regelung der
Drehgeschwindigkeit und der Walzkraft der Walzen des Dickenreduktionsgerüsts
das durch dieses Gerüst bewirkte Längungsverhältnis des Bands
und die Bandspannung hinter diesem Gerüst gemessen werden,
gekennzeichnet, durch die folgenden Schritte:
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- Regelung der Geschwindigkeit der Walzen dieses Gerüsts
relativ zu der Geschwindigkeit der Walzen des Nachgerüsts in
Abhängigkeit von dem gemessenen Längungsverhältnis,
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- Regelung der Walzkraft dieses Gerüsts in Abhängigkeit von
der danach gemessenen Spannung,
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wobei die Ansprechzeit zur Regelung der Walzkraft viel größer
als die Ansprechzeit zur Regelung der Geschwindigkeit
gewählt wird.
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Vorzugsweise wird die Walzkraft dieses Gerüsts so eingestellt,
dass die gemessene Spannung in einem vorbestimmten
Wertebereich bleibt und eine eventuelle Änderung der Walzkraft nur
erfolgt, wenn die Spannung des Bands außerhalb dieses Bereichs
liegt; diese Art der Regelung wird in klassischer Weise als
"Regelung vom Totband-Typ" bezeichnet.
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Die Erfindung wird besser verständlich bei der Lektüre der
folgenden Beschreibung, die unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen als nicht einschränkendes Beispiel gegeben wird.
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Fig. 1 bis 3 sind Schautbilder der Regelung nach dem Stand
der Technik.
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Fig. 4 zeigt ein typisches Gesetz des Verhaltens der Änderung
des Zugs (N/mm2) des Bands abhängig von seiner Längung (%) in
einem Reduktions- und/oder Kaltverformungsgerüst.
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Fig. 5 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer
Reduktions- und/oder Kaltverformungsanlage mit zwei Gerüsten, die
von dem erfindungsgemäßen Verfahren gesteuert werden kann.
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Fig. 6 und 7 sind Schaubilder der erfindungsgemäßen
Regelung.
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Fig. 8 und 9 veranschaulichen die Regelungsleistungen einer
Kaltverformungsanlage, die in der Stabilität des Längungswertes
in Prozent abhängig von der Zeit in Sekunden ausgedrückt sind,
bei einer Regelung nach dem Stand der Technik (Fig. 8) und
einer erfindungsgemäßen Regelung (Fig. 9).
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In den Fig. 1 bis 3 und 5 bis 7 läuft das Band
konventionsgemäß von links nach rechts (siehe Pfeil von Fig. 5).
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Unter Bezugnahme auf Fig. 5 umfasst die Anlage zum
kontinuierlichen Kaltformen von Metallband in Durchlaufrichtung des
Bands B eine Abrolleinrichtung 7, einen Eingangs-S-Block 1', ein
erstes Gerüst 2 und dann ein zweites Gerüst 3, einen Ausgangs-S-
Block 5 und eine Aufrolleinrichtung 6.
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Die Abrolleinrichtung 7 und die Aufrolleinrichtung 6 sind von
herkömmlicher Art und werden nicht im Detail beschrieben.
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Die "S"-Blöcke 1', 5, die sich aus zwei Auflagerollen für das Band
zusammensetzen, dienen klassischerweise dazu, die Spannung
des Bands B zu variieren; eine der Walzen jedes Blocks ist mit
nicht dargestellten Tachometern 4A, 4B versehen, die die
Durchlaufgeschwindigkeit des Bands B in den Blöcken 1', 5 präzise
messen.
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Jedes Gerüst, 2, 3 umfasst zwei Arbeitswalzen, die jeweils von
einer Auflagewalze gestützt werden; nicht dargestellte Mittel
erlauben es, die Walzkraft der Arbeitswalzen von einem Gerüst zum
anderen zu variieren. Andere nicht dargestellte Mittel erlauben es,
die Drehgeschwindigkeit der Arbeitswalzen jedes Gerüsts zu
variieren.
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Schließlich umfasst die Anlage zur Kaltverformung auch (nicht
dargestellte) Mittel zum Messen der Spannung des Bands
zwischen den Gerüsten 2 und 3.
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Im Folgenden wird die Punktionsweise der erfindungsgemäßen
Kaltverformungsanlage beschrieben.
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Während das Band B die Anlage durchläuft (in Richtung des Pfeils
am Band B zwischen den Gerüsten 2 und 3, siehe Fig. 5), wird
beim letzten Gerüst, also dem Gerüst 3 kein Schmiermittel auf
das Band im Spalt dieses Gerüsts gespritzt, sodass dort keine
oder nur eine sehr geringe Längung des Bands B erhalten wird;
die Walzkraft des Gerüsts 3 kann in an sich bekannter Weise die
Ebenheit des Bands B am Ausgang des Gerüsts regeln; die sehr
geringe Längung kann in der Größenordnung von 0,1 bis 0,5
Prozent liegen und bleibt ausreichend stabil, um die Regelung nicht
zu stören.
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Während das Band B die Anlage durchläuft, erfolgt
erfindungsgemäß die folgende doppelte Regelung:
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A' - Regelung der Geschwindigkeiten der aufeinander folgenden
Vor- und Nachgerüste 2 beziehungsweise 3 abhängig von der
Differenz zwischen dem Längungsgrad, den das Band am Vorgerüst 2
erfährt und einem vorbestimmten Einstellwert für den
Längungsgrad.
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B' - Regelung der Walzkraft des Vorgerüsts 2 abhängig von der
Differenz zwischen der zwischen dem Vorgerüst 2 und dem
Nachgerüst 3 gemessenen Spannung und einem vorbestimmten
Einstellwert für die Spannung.
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Fig. 6 zeigt dann das Regelschaubild für die
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- Regelung des Zugs zwischen den Gerüsten durch die
Walzkraft des Vorgerüsts 2 und die
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- Regelung der Längung durch die Geschwindigkeit.
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Bei der Regelung A' leitet sich die Messung des Längungsgrads
des Vorgerüsts 2 in klassischer Weise von den in 4A, 4B auf der
Höhe des Eingangs-S-Blocks 1' und des Ausgangs-S-Blocks 5
ausgeführten Geschwindigkeitsmessungen nach Abzug des
verminderten Längungsgrads des Gerüsts 3 ab.
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Die Regelung B' ist vorzugsweise eine Regelung "mit Totband", das
heißt, auf die Walzkraft wird nur eingewirkt, wenn die
Bandspannung einen vorbestimmten Wertebereich verlässt, wobei das
Maximum beispielsweise bei der Reißgefahr liegt und das Minimum
bei der Gefahr des Auftretens von Falten.
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Erfindungsgemäß muss der Vorteil aus der Regelung B' es
erlauben, dass die Ansprechzeit dieser Regelung weit höher ist als die
Ansprechzeit der Regelung A'.
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Als Variante kann der Regelungsvorgang B' sogar "manuell" vom
Betreiber der Anlage durchgeführt werden.
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Diese neue Konfiguration der Regelung der Kaltverformungsanlage
bringt folgende Vorteile mit sich:
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- eine sehr hohe Präzision des Längungsgrads des Bands: Bei
Längungsgraden, die einer "Skin-pass"-Operation
entsprechen und im Allgemeinen zwischen 0,4 Prozent und 4 Prozent
betragen, wird eine Präzision von ±0,05 Prozent erreicht;
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- eine sehr "robuste" Regelung dank der linearen
Übertragungsfunktion der Regelung A', denn die Messungen der
Bandgeschwindigkeit wirken auf ein Geschwindigkeits-
Wirkglied;
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- eine sehr hohe Gleichmäßigkeit in der Präzision und eine sehr
kurze Ansprechzeit, wodurch sich der Bandabfall erheblich
verringern lässt, wobei das Geschwindigkeits-Wirkglied viel
schneller ist als das Walzkraft-Wirkglied, bei der Regelung A'
wird eine Ansprechzeit von 200 ms erreicht.
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Dank dieser Vorteile lässt sich der Bandabfall bei der Produktion
zu verringern.
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Bei einer Walz- und/oder Kaltverformungsanlage mit drei
aufeinander folgenden Gerüsten 1, 2 und 3, bei der das Gerüst 2 das
Reduktionsgerüst ist, kann die Erfindung folgendermaßen
eingesetzt werden:
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- Das erste Gerüst 1 erfüllt die Funktion des "S-Blocks" 1' der
zuvor beschriebenen Anlage, wobei seine Geschwindigkeit zur
Regelung des Zugs vor dem zweiten Gerüst 2 dient (siehe
Fig. 7); das erste Gerüst bewirkt wie das letzte Gerüst 3 im
vorhergehenden Beispiel praktisch keine Längung; das erste
Gerüst hat also die Aufgabe, das Band einzuklemmen.
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- Die beiden anderen Gerüste funktionieren wie die Gerüste 2
und 3 des vorhergehenden Beispiels.
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Die erfindungsgemäße Regelungsstrategie ist in diesem Fall in
Fig. 7 veranschaulicht:
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- Regelung des ersten Zugs zwischen den Gerüsten durch die
Geschwindigkeit wie beim Stand der Technik (Fig. 2),
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- Regelung des zweiten Zugs zwischen den Gerüsten nach dem
Gerüst 2 durch die Walzkraft von Gerüst 2, welches das
Gerüst ist, das den größten Teil der Dickenreduktion
übernimmt,
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- Regelung der Längung durch die relative Geschwindigkeit der
Gerüste 2 und 3.
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Das folgende Beispiel veranschaulicht die Vorteile der Erfindung.
Beispiel
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Das Ziel dieses Beispiels besteht darin, die Leistungen der
erfindungsgemäßen Regelung mit denen einer klassischen Regelung
nach dem Stand der Technik bei einer Walzoperation von
Stahlband zu vergleichen, die nach dem Ausglühen durchgeführt wird
(so genannte "doppelte Reduktion").
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Um die Leistungen zu bewerten, wird das Längungsverhältnis des
Bands in Prozent abhängig von der Zeit in Sekunden bei einer
absichtlich ausgelösten Störung am Reduktionsgerüst gemessen und
es werden die Schwankungen des Längungsverhältnisses
gemessen; die Regelungsleistungen sind umso besser, je geringer diese
Schwankungen sind und desto stabiler das Längungsverhältnis
ist.
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Fig. 8 veranschaulicht die Schwankungen im klassischen Fall,
bei dem die Züge durch die Geschwindigkeit und die Längung
(oder Dicke) des Bands entweder direkt von der Walzkraft des
Reduktionsgerüsts oder indirekt vom Zug zwischen den Gerüsten
mit erneutem Zentrieren durch die Walzkraft des
Reduktionsgerüsts geregelt werden; es sind große Schwankungen der Längung
feststellbar: ±3 Prozent um den Durchschnittswert von 37,5
Prozent.
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Fig. 9 zeigt bei derselben Störung die Schwankungen in dem
Fall, dass der Zug zwischen den Gerüsten erfindungsgemäß durch
die Walzkraft des Reduktionsgerüsts und die Längung direkt von
der Geschwindigkeit des letzten Gerüsts geregelt werden; es ist
eine so gut wie konstante Längung festzustellen, da die
Schwankungen um einen Faktor von mindestens 5 gegenüber dem
vorhergehenden Fall verringert sind.