EP1161313B1 - Planheitsregelung zur erzielung von planem kaltband - Google Patents
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Classifications
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- B21B—ROLLING OF METAL
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Definitions
- the invention relates to a method for rolling a rolled strip in a Belt mill with at least two roll stands or a single stand with each upper and lower, if necessary, adjustable work rolls, which may be immediate or Support on intermediate rollers on support rollers and in which to change the state of the rolled strip is rolled at least one pass, one for the rolled strip Target stress distribution or any target unevenness form specified and with the actually achieved voltage distribution is compared and available standing mechanically or physically effective actuators used in the way be that the difference between predetermined and factually achieved Stress distribution is minimized as much as possible.
- the flatness measurement of cold rolled strip is usually done using Flatness measuring rollers, which show the current tension distribution over the bandwidth measure up.
- the measurement is usually carried out on the outlet side of the roll stand, where average strip temperatures between 80 and 160 ° C occur. This applies analogously also for other metals such as aluminum or copper.
- the contour of the roll gap is to be controlled in such a way that the strip flatness or a specific non-flatness shape is maintained or achieved.
- the measured variable is the stress distribution in the warm band, which is associated with the temperature-induced stress described (in the example above, more than 25 N / mm 2 ). This means that the known flatness control with a target flatness or target function for flat strip will also regulate this temperature-induced tension in the warm strip. After the temperature difference has cooled and subsided, a voltage component corresponding to the temperature-induced voltage, but with the opposite sign, is additionally superimposed in the cooled band of the target unevenness form.
- target stress distributions or target non-flatness forms could be for one given product together with a given rolling or special
- cooling strategy can also be specified in such a way that an adequate one Flatness of the cooled product is preserved.
- search for the required objective functions or unplanned forms an elaborate empirical Process that involves unwinding the federal government with sampling for each product makes necessary.
- the aim of the present invention is to find a method for flatness control, with that no longer directly between the measurable flatness in the warm state behind the nip and for various products and strategies Different cold unevenness forms of the cooled coils can be distinguished must and with the same in the warm state the same flatness or non-flatness forms can be specified.
- the advantage of this proposal according to the invention is that the Formulation of the target function for flatness can be done in such a way that on the best possible flatness of the cooled bundle is achieved directly.
- the uses Invention the temperature measurement not as a directly linked to the flatness Measured variable (this task is performed by the tension measuring roller), but according to the technological knowledge of the causes of unplanarity as one Supplementary correction variable for the tensile stress in the warm, which can now be measured directly Strip, so that the control system specifically cooled cold strip in each individual case can achieve defined flatness.
- Target flatness for the hot strip significantly simplified. Scatters of Cold unevenness due to temperature fluctuations are avoided. Differences in target unevenness for different products are reduced.
- the target unevenness needs not to be adjusted. Bundles previously rolled in cold operation and consequently can cool off on the order of magnitude after each stitch can be rolled further after a shorter time, unless the permissible Total temperature is exceeded. Then also here applies that through the new Proceed the goal of unpredictability regardless of the waiting time between stitches becomes.
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Walzen eines Walzbandes in einer
Bandstrasse mit zumindest zwei Walzgerüsten oder einem Einzelgerüst mit jeweils
oberen und unteren ggf. einstellbaren Arbeitswalzen, die sich ggf. unmittelbar oder
über Zwischenwalzen an Stützwalzen abstützen und in denen zur Zustandsänderung
des Walzbandes mindestens ein Stich gewalzt wird, wobei für das Walzband eine
Zielspannungsverteilung bzw. eine beliebige Zielunplanheitsform vorgegeben und mit
der faktisch erreichten Spannungsverteilung verglichen wird, und zur Verfügung
stehende mechanisch oder physikalisch wirksame Stellglieder in der Art eingesetzt
werden, daß die Differenz zwischen vorgegebener und faktisch erreichter
Spannungsverteilung möglichst weitgehend minimiert wird.
Die Planheitsmessung von kaltgewalztem Band erfolgt gewöhnlich mittels
Planheitsmessrollen, welche die aktuelle Spannungsverteilung über die Bandbreite
messen. Die Messung erfolgt üblicherweise auf der Auslaufseite des Walzgerüstes, wo
mittlere Bandtemperaturen zwischen 80 und 160° C auftreten. Sinngemäß gilt das
auch für andere Metalle wie Aluminium oder Kupfer.
Erfahrungsgemäß treten zwischen Bandmitte und Bandkante Temperaturgradienten in
der Größenordnung von 10° - 30°C auf. In Figur 1 sind dazu beispielhaft zwei beim
Reversierwalzen von Edelstahl gemessene Bandtemperaturverteilungen aufgetragen.
Geht man von dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Stahl von etwa 1.2 10-5
/ Grad und einem Elastizitätsmodul von 210000 N/mm2 aus, so induziert ein
Temperaturunterschied von 10 Grad bereits eine Spannungsdifferenz von etwa 25
N/mm2 im kaltgewalzten Stahlband; angestrebt wird aber üblicherweise, die
Spannungsunterschiede über der Bandbreite unter 20 N/mm2 zu halten. Ohne
Planheitsregelung hätte diese temperaturinduzierte Spannung keinen Einfluß auf die
Planheit des Endproduktes, dem abgekühlten Band, zumindest dann nicht, wenn sie
im elastischen Bereich bleibt.
Mit der Planheitsregelung soll die Kontur des Walzspaltes so geregelt werden, daß die
Bandplanheit oder eine gezielte Unplanheitsform erhalten bleibt oder erzielt wird. Ein
Problem besteht aber gerade darin, daß die Meßgröße die Spannungsverteilung im
warmen Band ist, die mit der beschriebenen temperaturinduzierten Spannung (im
obigen Beispiel mehr als 25 N/mm2) behaftet ist. Das heißt, die bekannte
Planheitsregelung mit einer target flatness oder Zielfunktion für planes Band wird auch
diese temperaturinduzierte Spannung im warmen Band ausregeln. Nach dem
Auskühlung und Abklingen des Temperaturunterschiedes wird im abgekühlten Band
der Zielunplanheitsform ein Spannungsanteil entsprechend der temperaturinduzierten
Spannung jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen zusätzlich überlagert.
Die Ziel-Spannungsverteilungen oder Ziel-Unplanheitsformen könnten für ein
gegebenes Produkt zusammen mit einer gegebenen Walz- bzw. speziellen
Kühlstrategie im Prinzip auch so vorgegeben werden, daß man eine ausreichende
Planheit des abgekühlten Produktes erhält. Allerdings ist die Suche nach den
erforderlichen Zielfunktionen oder Unplanheitsformen ein aufwendiger empirischer
Prozeß, der für jedes Produkt ein Abwickeln des Bundes mit Probenentnahme
erforderlich macht.
Technologisch zufriedenstellender wäre es, nicht mehr zwischen der meßbaren
Planheit im warmen Zustand unmittelbar hinter dem Walzspalt und den für
verschiedene Produkte und Walzstrategien verschiedenen Kaltunplanheitsformen der
abgekühlten Bunde unterscheiden zu müssen.
In den Jahren 1973 und 1975 ist in Ermangelung einer damals noch nicht entwickelten
direkten Messung der Bandspannung mittels Zugspannungsmessrollen und
nachfolgender Regelung oder Messung der lokalen Bandlängung vorgeschlagen
worden, die Bandtemperaturverteilung selber zu messen (DE-A-2 349 611 und DE-A-2
554 246). Unterschiede in der Bandtemperatur über der Breite werden dort in direkter
Weise als Unterschied im Umformgrad über der Breite interpretiert und dieser
Unterschied im Umformgrad wiederum als Ursache für Planheitsfehler. Indem nun die
Temperaturunterschiede im Band in direkter Weise in Unterschiede der
Kühlmittelbeaufschlagung auf die Walze umgerechnet werden, sollte die Walzenkontur
und damit die lokalen Umformgrade verändert werden.
Dieses Verfahren ist mindestens deshalb unvollständig, weil Temperaturunterschiede
nicht nur wegen unterschiedlicher Umformgrade auftreten, sondern auch andere
Ursachen haben, wie thermische Walzenprofile, unterschiedliche
Kühlschmiermittelflüsse und das größere Verhältnis Oberfläche/Volumen an der
Bandkante besonders im aufgewickelten Zustand, wodurch die Temperatur zur
Bandkante hin üblicherweise abfällt. Dagegen ist der Umformgrad beim Walzen von
dünnen Stahlbändern wegen der Einbettung des Walzgutes in die Walze üblicherweise
an der Bandkante höher, und trotzdem ist die Temperatur an der Kante wegen der
soeben beschriebenen Effekte in der Summe niedriger.
Das in den Patentanmeldungen DE-A-2 349 611 und DE-A-2 554 246 beschriebene
Verfahren hat sich demzufolge auch nicht durchgesetzt, sondern wurde später durch
die beschriebene direkte Messung der Zugspannungsverteilung mit nachfolgender
Regelung ersetzt. Dabei ist eines der Stellglieder dieser Regelung weiterhin die lokale
Steuerung der Kühlmittelmenge der Arbeitswalze, die üblicherweise den Restfehler
minimieren soll, der von den anderen Stellgliedern wie Walzenbiegung, Verschiebung
oder auch der aufblasbaren Walze nicht abgedeckt werden kann.
In der Firmendruckschrift "ABB Automation and Drives (Dokument 3BSE005258) vom
17.02.94, Seite 3" ist der technische Stand der Planheitsregelung zu diesem Zeitpunkt
wie folgt zusammengefaßt:
Diesen Stand der Technik findet man auch in der europäischen Patentanmeldung EP
0850704 A1 ergänzt durch den Hinweis, daß zur Erzielung eines in kaltem Zustand
planen Bandes beim warmen Band über die Bandlängen unterschiedliche
Unplanheitsformen vorgegeben werden. Keine Aussagen findet man beim Stand der
Technik darüber, was die genaue Ursache eines im kalten Zustand unplanen Bandes
ist, nämlich wie oben beschrieben, das dem technischen Stand entsprechende
Regelkonzept selbst, im Zusammenspiel mit inhomogenen Temperaturverteilungen
über die Bandbreite. Ebenfalls keine Aussagen findet man darüber, was man neben
bloßer Empirie ("im warmen Band unterschiedliche Unplanheitsformen") dagegen tun
kann.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Planheitsregelung zu finden,
mit dem nicht mehr zwischen der messbaren Planheit im warmen Zustand unmittelbar
hinter dem Walzspalt und den für verschiedene Produkte und Wafzstrategien
verschiedenen Kaltunplanheitsformen der abgekühlten Bunde unterschieden werden
muß und mit dem im warmen Zustand die gleichen Planheits- bzw Unplanheitsformen
vorgegeben werden können.
Zur Lösung der Aufgabe ist vorgesehen, daß neben der eigentlichen
Spannungsverteilung im warmen Band auch die Bandtemperaturverteilung über die
Bandbreite erfaßt und hieraus rechnerisch die Spannungsverteilung ermittelt wird,
welche sich nach dem Abkühlen des Bandes einstellen würde, wenn das Band im
warmen Zustand mit der hinter dem Walzspalt bestehenden Temperaturverteilung
spannungsfrei wäre, und daß diese temperaturinduzierte Spannungverteilung zur
Korrektur der faktisch erreichten Spannung benutzt wird, bevor diese mit der
Zielunplanheitsform verglichen wird.
Der Vorteil dieses erfindungsgemäßen Vorschlages besteht darin, daß die
Formulierung der Zielfunktion für die Planheit gezielt so erfolgen kann, daß auf
direktem Wege eine bestmögliche Planheit des abgekühlten Bundes erreicht wird. Im
Gegensatz zu der Absicht der DE-A-2 349 611 und DE-A-2 554 246 benutzt die
Erfindung die Temperaturmessung nicht als eine direkt mit der Unplanheit verknüpfte
Messgröße (diese Aufgabe übernimmt die Zugspannungsmessrolle), sondern
entsprechend der technologischen Erkenntnisse der Unplanheitsursachen als eine
ergänzende Korrekturgröße zur mittlerweile direkt meßbaren Zugspannung im warmen
Band, so daß die Regelung in jedem Einzelfall gezielt abgekühltes Kaltband mit
definierter Planheit erreichen kann.
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen
angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungs- Figur 2 erläutert. Das Band
wird in Laufrichtung rechnerisch in Streifen zerlegt, praktischerweise, aber nicht
notwendigerweise mit einer Streifenbreite, wie sie von der verwendeten
Zugspannungsmessrolle vorgeben ist. Diese beträgt in vielen technisch ausgeführten
Fällen ca. 52 mm und entspricht in der Regel auch der Teilung der Düsen auf den
Kühlbalken. Für jeden dieser Streifen i wird aus den Temperatursignalen eine mittlere
Temperatur Ti ermittelt. Sind die Temperatursignale nicht in einer - im angegebenen
Beispiel - 52 mm Teilung gegeben, so muß vorher noch eine Interpolation auf diese
Streifenteilung erfolgen. Außerdem wird eine mittlere Temperatur T m über die
gesamte Bandbreite errechnet. Auf der Auslaufseite wird die Differenz der
Streifentemperaturen T A i von der mittleren Temperatur T Am mit ΔT A i bezeichnet
ΔT A i = T A i - T A m .
Indem die Werte ΔT A i mit dem thermischen Ausdehnungkoeffizienten des Walzgutes α
auf der Auslaufseite multipliziert werden, erhält man eine gedachte relative
Längenänderung ΔL A i /L Am
ΔL A i / L Am = α·ΔT A i
dieser Streifen im Vergleich zur mittleren Länge L Am aller dieser Streifen. Da diese
Streifen aber zusammenhängend sind, können sie diese Längenänderung nicht
einnehmen, sondern sie werden unter Spannung (annähernd) auf der Länge L Am
.gehalten, welche die mittlere Bandtemperatur vorgibt. Diese streifenbezogene
Spannung σTA i beträgt dann
σTA i =-E·ΔL A i /L Am ,
mit E als dem Elastizitätsmodul des Walzgutes.
Das Vorzeichen ergibt sich aus der Konvention, daß Zugspannungen mit positivem und Druckspannungen mit negativem Vorzeichen versehen sind.
Werden jegliche Spannungsgradienten von den Stellgliedern im warmen Band ausgeregelt, so verbleibt im abgekühlten Band die Spannung σa
Bei temperaturunabhängigen Werkstoffwerten α und E ist dies der negative Ausdruck von (3):σa i = E · ΔL A i /L Am = E α ΔT A i .
Die Formeln (2) bis (4) geben eine erste Näherung für die Umrechnung von der
Temperaturverteilung auf die Spannungsverteilung an, denn:
Das Vorzeichen ergibt sich aus der Konvention, daß Zugspannungen mit positivem und Druckspannungen mit negativem Vorzeichen versehen sind.
Werden jegliche Spannungsgradienten von den Stellgliedern im warmen Band ausgeregelt, so verbleibt im abgekühlten Band die Spannung σa
Bei temperaturunabhängigen Werkstoffwerten α und E ist dies der negative Ausdruck von (3):
- die Werkstoffwerte α und E sind nicht völlig temperaturunabhängig und
- die einzelnen Streifen werden nicht völlig auf die durch die mittlere Temperatur
vorgegebene Länge L m zurückgezogen, sondern verharren im Prinzip auf leicht
unterschiedlichen Längen Li≠L m, was zu etwas verminderten Spannungen führt,
als nach (4) berechnet wird.
Um diese Längenkontour Li zu berechnen kann ein ähnliches Verfahren gewählt werden, wie es im Kapitel "Thermoelastic coupling" auf Seite 20 des Artikels Thermal camber model for hot and cold rolling für eine zylindrische Walze beschrieben wurde. Die dort resultierende Formel (26) für den zylindrischen Fall läßt erkennen, daß die radiale Ausdehnungskontur R(z) verschwindet, wenn R sehr groß wird. Analog verschwindet auch die longitudinale Bandlängenkontur Li in unserem Fall, wenn die Bandlänge L m sehr groß wird, womit die Berechnung nach (1)-(4) praktisch ausreicht
Im Vergleich zu empirisch ermittelten Zielfunktionen, welche implizit einen thermisch
induzierten Spannungsanteil enthalten können, hat das erfindungsgemäße Verfahren
weitere Vorteile:
Durch den Wegfall der Inspektion des abgekühlten Bundes ist die Ermittlung von
Zielunplanheiten für das warme Band wesentlich vereinfacht. Streuungen der
Kaltunplanheit aufgrund von Temperaturschwankungen werden vermieden.
Unterschiede in den Zielunplanheiten für verschiedene Produkte werden vermindert.
Bei Anwendung der neuen Kühlstrategien für das Band brauchen die Zielunplanheiten
nicht angepaßt zu werden. Bunde, die bisher im Kalteinsatz gewalzt werden und
demzufolge nach jedem Stich größenordnungsmäßig einen Tag auskühlen, können
nach kürzerer Zeit weiter gewalzt werden, sofern nicht die zulässige
Gesamttemperatur überschritten wird. Auch hier gilt dann, daß durch das neue
Verfahren das Ziel Unplanheit von der Wartezeit zwischen den Stichen unabhängig
wird.
Claims (7)
- Verfahren zum Walzen eines Walzbandes in einer Bandstrasse mit zumindest zwei Walzgerüsten oder einem Einzelgerüst mit jeweils oberen und unteren ggf. einstellbaren Arbeitswalzen, die sich ggf. unmittelbar oder über Zwischenwalzen an Stützwalzen abstützen und in denen zur Zustandsänderung des Walzbandes mindestens ein Stich gewalzt wird, wobei für das Walzband eine Zielspannungsverteilung bzw. eine beliebige Zielunplanheitsform vorgegeben und mit der faktisch erreichten Spannungsverteilung verglichen wird, und zur Verfügung stehende mechanisch oder physikalisch wirksame Stellglieder in der Art eingesetzt werden, daß die Differenz zwischen vorgegebener und faktisch erreichter Spannungsverteilung möglichst weitgehend minimiert wird.
dadurch gekennzeichnet, daß neben der eigentlichen Spannungsverteilung im warmen Band auch die Bandtemperaturverteilung über die Bandbreite erfaßt und hieraus rechnerisch die Spannungsverteilung ermittelt wird, welche sich nach dem Abkühlen des Bandes einstellen würde, wenn das Band im warmen Zustand mit der hinter dem Walzspalt bestehenden Temperaturverteilung spannungsfrei wäre, und daß diese temperaturinduzierte Spannungverteilung zur Korrektur der faktisch erreichten Spannung benutzt wird, bevor diese mit der Zielunplanheitsform verglichen wird. - Verfahren nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturinduzierte Spannungsverteilung von der faktischen Spannungsverteilung subtrahiert wird, die resultierende Spannungsverteilung mit der Zielunplanheitsform verglichen wird, daraus die Differenz errechnet und zur Verfügung stehende mechanisch oder physikalisch wirksame Stellglieder in der Art eingesetzt werden, daß die Differenz möglichst weitgehend minimiert wird. - Verfahren nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturinduzierte Spannungsverteilung zu der Zielunplanheitsform addiert wird, die faktisch ermittelte Planheitsverteilung mit dieser Summenverteilung verglichen wird, daraus die Differenz errechnet und zur Verfügung stehende mechanisch oder physikalisch wirksame Stellglieder in der Art eingesetzt werden, daß die Differenz möglichst weitgehend minimiert wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß im Sinne eines technologischen Kompromisses mehrerer Gesichtspunkte der Planheitsreglung die temperaturinduzierte Spannungsverteilung vor der Weiterverarbeitung mit einem Verstärkungsfaktor multipliziert wird. - Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß im Sinne einer technologischen Profilgewichtung dieser Verstärkungsfaktor für jeden Bandstreifen einen unterschiedlichen Wert hat. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5;
dadurch gekennzeichnet, daß die Bandtemperaturverteilung hinter dem Walzspalt meßtechnisch, vorzugsweise berührungslos erfaßt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5;
dadurch gekennzeichnet, daß die Bandtemperaturverteilung hinter dem Walzspalt aus einem Rechenmodell abgeleitet wird.
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