EP1378299A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Exzentrizität eines Hohlblocks - Google Patents

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EP1378299A1
EP1378299A1 EP03012968A EP03012968A EP1378299A1 EP 1378299 A1 EP1378299 A1 EP 1378299A1 EP 03012968 A EP03012968 A EP 03012968A EP 03012968 A EP03012968 A EP 03012968A EP 1378299 A1 EP1378299 A1 EP 1378299A1
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EP
European Patent Office
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hollow block
wall thickness
measuring device
rolling mill
eccentricity
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03012968A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Sauerland
Karl Heinz Häusler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SMS Group GmbH
Original Assignee
SMS Meer GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SMS Meer GmbH filed Critical SMS Meer GmbH
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B38/00—Methods or devices for measuring, detecting or monitoring specially adapted for metal-rolling mills, e.g. position detection, inspection of the product
    • B21B38/04—Methods or devices for measuring, detecting or monitoring specially adapted for metal-rolling mills, e.g. position detection, inspection of the product for measuring thickness, width, diameter or other transverse dimensions of the product
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B19/00—Tube-rolling by rollers arranged outside the work and having their axes not perpendicular to the axis of the work
    • B21B19/02—Tube-rolling by rollers arranged outside the work and having their axes not perpendicular to the axis of the work the axes of the rollers being arranged essentially diagonally to the axis of the work, e.g. "cross" tube-rolling ; Diescher mills, Stiefel disc piercers or Stiefel rotary piercers
    • B21B19/04—Rolling basic material of solid, i.e. non-hollow, structure; Piercing, e.g. rotary piercing mills
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B2261/00—Product parameters
    • B21B2261/02—Transverse dimensions
    • B21B2261/08—Diameter
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B37/00—Control devices or methods specially adapted for metal-rolling mills or the work produced thereby
    • B21B37/78—Control of tube rolling

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the eccentricity of a hollow block, preferably in the inlet of a rolling mill, that of a cross rolling mill succeeds, especially in the run-in of a continuous rolling mill or a push bench system, into which the hollow block enters in the direction of the longitudinal axis of the hollow block, by means of at least one measuring device which measures the wall thickness of the hollow block can determine a length and circumference position of the hollow block. Furthermore
  • the invention relates to a device for determining the eccentricity of a Hollow block.
  • steel pipes are required, for example can be made by a method in which the cylindrically shaped Starting material in a cross rolling mill using an axial fixed hole dome is formed into a tubular hollow block. to Forming the cylindrically shaped starting material into a seamless one The raw material is rolled over the perforated dome.
  • a process is known for example from EP 0 940 193 A2.
  • the pipe to be processed passes a rolling mill in the direction of conveyance a number of roll stands are arranged one behind the other of the tube.
  • each Roll stands are mounted on the rolls, which each move the tube by one during the rolling process contact defined circumferential section.
  • Roll stand several, for example three rolls together so that the tube in the is contacted by the rollers essentially over its entire circumference.
  • the Pipe is thus rolled to a reduced diameter and thereby to one brought exact shape.
  • the tube should have an ideal shape after rolling, i. H. the cylindrical Contour of the outer circumference and that of the inner circumference should be two concentric Form circles. In fact, there are always tolerances in the finished pipe, so that a certain eccentricity of the circular contour of the inner circumference relative to that the outer circumference.
  • a crucial quality parameter in pipe manufacturing is the pipe wall thickness, which is measured and monitored in the production process.
  • ultrasonic measuring methods are known.
  • Ultrasonic thickness measurement method Determine using the pulse-echo method using the transit time measurement of an ultrasonic pulse the wall thickness.
  • Another very important parameter or another important quality criterion of hollow blocks and their precursors is the eccentricity of the hollow block.
  • the wall thickness measuring devices mentioned are used, for example Such a wall thickness measuring device is positioned in the outlet of a cross rolling mill becomes. This makes it possible with relatively little effort in the process To determine wall thickness. After the hollow block in the exit of the cross rolling mill rotates, a number of wall thickness measuring points can be used with such a wall thickness measuring device be determined over the circumference of the hollow block, the determination the eccentricity can be used.
  • the eccentricity in question is not just an eccentric one Offset of the outside diameter of the hollow block relative to the inside diameter of the hollow block, this offset along the length coordinate of the hollow block remains constant or stationary, but the eccentricity "wanders" towards the length coordinate of the hollow block in such a way that there is a helical course of the inner surface of the hollow block relative to outer surface of the hollow block results.
  • This course of eccentricity is through the rolling process in the cross rolling mill, so that the circulation character similar to the course of a corkscrew.
  • the course of this eccentricity is determined by the so-called main inner helix, the pitch or Lay length from the process in the cross rolling mill and there from the feed angle of the cross rolling mill.
  • the course of eccentricity is repeated periodically with the lay length.
  • Other eccentricities of a circulating character with a large pitch or low frequency are superimposed z. B. by non-uniform heating of the block in the rotary hearth furnace.
  • the invention is therefore based on the object of a method and an associated one To create device with which the disadvantages mentioned are overcome can be.
  • the hollow block preferably does not rotate about its longitudinal axis during the measurement. Furthermore, it can be provided that more than one measuring device is used.
  • the laser ultrasound wall thickness measurement method has been used to determine the wall thickness of the pipe proven, provided for in the training is. In the latter method in particular, it is advantageously possible for the Measurement of the wall thickness of the hollow block with one arranged in the hollow block To carry out tools, in particular with a dome rod arranged in the hollow block, which gives the process great flexibility.
  • the device for determining the eccentricity of the hollow block has at least a measuring device that measures the wall thickness of the hollow block along a length and determine the circumferential position of the hollow block.
  • the at least one measuring device for carrying out a Number of wall thickness measurements when passing the hollow block is suitable, whereby the at least one measuring device in connection with a computer means stands, which is suitable, from the measured wall thickness data via a Fourier transformation an approximate functional course of the wall thickness as Determine the function of the length coordinate and the angle of rotation of the hollow block.
  • At least one measuring device is in the area of the outlet a rolling mill, in particular an inclined rolling mill.
  • the ultrasound wall thickness measuring device used advantageously in accordance with the training has a means for introducing an ultrasonic signal into the surface of the hollow block.
  • This agent can be a laser, in particular a flash lamp-pumped Nd: YAG laser. It can also Measuring device Means for measuring a time interval between two echo ultrasound signals have the hollow block due to the introduction of the ultrasonic signal emitted; these means can be a laser, in particular a laser diode-pumped Nd: YAG laser, and an optical analyzer, in particular a Fabry-Pérot interferometer.
  • FIG. 2 where it can be seen how the measurement of the Wall thickness s of a hollow block 1 can take place.
  • the laser ultrasound wall thickness measurement method is used, which is based on eliminates the classic principle of ultrasonic transit time measurement. Out of time for the - twice - passing through an ultrasound pulse through the wall of the Hollow blocks 1 result from a known sound velocity in the material of the Hohlblocks the wall thickness s.
  • the coupling of the ultrasound at the Hot wall thickness measurement with temperatures in the range of approx. 1,000 ° C is required Non-contact, optical on the excitation as well as on the detection side Methods in which the measuring head (2 'in Fig. 1) itself in a thermal safe distance to the hollow block 1 can remain.
  • High-energy light pulses in the infrared range are in the surface of the Hollow blocks 1 absorbed. They are directed towards the wall of the hollow block by a Flashlamp-pumped Nd: YAG laser 4 (excitation laser) generates which has a wavelength of 1,064 nm with a pulse duration of less than 10 ns may have.
  • the evaporation pulse arises - because of the conservation of momentum -
  • an ultrasonic pulse that is perpendicular to the surface of the hollow block into which its wall runs.
  • the ultrasonic pulse is on the inner surface reflected from the hollow block, runs back to the outer surface of the Hollow block, is reflected again, etc., so that a in the wall of the hollow block Ultrasonic echo sequence of decreasing amplitude arises.
  • the reflected ultrasound pulse generates on the outer surface of the hollow block 1 vibrations (in the sub-miniature range) that are generated by means of a second laser 5 (Illumination or detection laser) without contact using the Doppler effect be recorded.
  • This laser 5 can be a CW laser (continuous wave Laser), namely a frequency-doubled, diode-pumped Nd: YAG laser, who works with a wavelength of 532 nm and on the point of excitation is aligned.
  • the low-frequency ultrasonic vibration compared to the light frequency leads to a frequency modulation of the on the material surface reflected light.
  • the reflected cone of light which is now the "carrier" of the ultrasound signal, is over a bright collecting optics 6 and an optical waveguide 9 an optical analyzer 7, d.
  • a demodulator in particular a confocal Fabry-Pérot interferometer is used; whose output signal contains already the ultrasound echo sequence.
  • the further amplification, filtering and signal evaluation of the ultrasound echo sequence can with a conventional electronic ultrasonic evaluation unit 8 (Evaluation computer).
  • the output signal of the evaluation computer 8 is the Wall thickness s of the hollow block 1, which is the product of the speed of sound and measured time interval is determined.
  • Fig. 1 it is shown how the eccentricity e of the hollow block 1 over the course the length coordinate z of the hollow block 1 is determined. Because of the rolling process The eccentricity runs in the cross rolling mill - as indicated in FIG. 1 e helical in the manner of a corkscrew in the direction of the longitudinal coordinate z of the hollow block 1. Three cuts are shown schematically, based on which It can be seen that the wall thickness s changes with the period of the pitch or Beat length H repeated periodically.
  • the measuring device 2 or its measuring head 2 'along the length coordinate z is moved relative to the hollow block 1.
  • the wall thicknesses s are determined and in a computer means 3 stored.
  • the approach is based on the assumption that the eccentricity changes with a Pitch or pitch length H repeated periodically.
  • the Fourier coefficients are determined by means of the Fourier analysis Course of the eccentricity of the hollow block 1 approximately as a superposition harmonic Vibrations with different amplitudes and different Show initial position angles.
  • the wall thickness s with "ideal eccentricity” is described by the eccentric amplitude s 1 (z), which is dependent on the length coordinate z of the hollow block 1.
  • the associated circumferential distribution is represented by the cosine function and the circulating character, including the circulating speed, is adequately formulated with the current eccentric position angle ( ⁇ ).
  • the wall thickness curve is used as a mathematical approximation with an overall mean wall value with superimposed "impact vibrations". For a fixed angle ⁇ you get a conventional Fourier series in "z”.
  • the initial position angles ⁇ i, 1 of the longitudinal vibrations depend on the hollow block position during the measurement (initial angles). If the angle Lfits is varied for each longitudinal coordinate of the approximation, the entire course of the eccentricity in the hollow block 1 is described.
  • the described evaluation of the measured values for the wall thickness is running in addition to the fact that methods of interpretation or evaluation known per se are used as they are used in telecommunications, like that of frequency shift and modulation.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Length Measuring Devices Characterised By Use Of Acoustic Means (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Exzentrizität (e) eines Hohlblocks (1), vorzugsweise im Einlauf eines Walzwerkes, das einem Schrägwalzwerk nachfolgt, insbesondere im Einlauf eines Konti-Walzwerkes oder einer Stoßbankanlage, in das der Hohlblock (1) in Richtung der Längsachse (L) des Hohlblocks (1) eintritt, mittels mindestens einer Messvorrichtung (2), die die Wanddicke (s) des Hohlblocks (1) an einer Längen- (z) und Umfangsposition (φ) des Hohlblocks (1) ermitteln kann. Zur erleichterten Beurteilung der Qualität des Hohlblocks ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Verlauf der Exzentrizität (e) des Hohlblocks (1) annähernd abgebildet wird als Verlauf der Wanddicke (s) als Funktion der sich in Richtung der Längsachse (L) des Hohlblocks (1) erstreckenden Längenkoordinate (z) und des Drehwinkels (φ) um die Längenkoordinate (z) gemäß der Beziehung s(φ, z) = s0(z) + s1(z) cos (φ + δ(z)), wobei die Messvorrichtung (2) beim Passieren des Hohlblocks (1) eine Anzahl Wanddickenmessungen vornimmt und die gemessenen Werte einem Rechnermittel (3) zuleitet, das diese einer Fourier-Transformation unterzieht, um für den funktionalen Verlauf der Wanddicke (s) als Funktion der Längenkoordinate (z) und des Drehwinkels (φ) eine Näherung zu ermitteln. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Exzentrizität eines Hohlblocks, vorzugsweise im Einlauf eines Walzwerkes, das einem Schrägwalzwerk nachfolgt, insbesondere im Einlauf eines Konti-Walzwerkes oder einer Stoßbankanlage, in das der Hohlblock in Richtung der Längsachse des Hohlblocks eintritt, mittels mindestens einer Messvorrichtung, die die Wanddicke des Hohlblocks an einer Längen- und Umfangsposition des Hohlblocks ermitteln kann. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Bestimmung der Exzentrizität eines Hohlblocks.
In vielen Bereichen der Technik werden Rohre aus Stahl benötigt, die beispielsweise durch ein Verfahren hergestellt werden können, bei dem zylindrisch geformtes Ausgangsmaterial in einem Schrägwalzwerk unter Einsatz eines axial feststehenden Lochdoms zu einem rohrförmigen Hohlblock umgeformt wird. Zur Umformung des zylindrisch geformten Ausgangsmaterials zu einem nahtlosen Rohr wird das Ausgangsmaterial über den Lochdom gewalzt. Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der EP 0 940 193 A2 bekannt.
Beim Streckreduzierwalzen und beim Reduzier- und Maßwalzen nahtloser Stahlrohre passiert das zu bearbeitende Rohr eine Walzstraße, in der in Förderrichtung des Rohres hintereinander eine Anzahl Walzgerüste angeordnet sind. In jedem Walzgerüst sind Walzen gelagert, die beim Waizvorgang das Rohr jeweils um einen definierten Umfangsabschnitt kontaktieren. Insgesamt wirken dabei in jedem Walzgerüst mehrere, beispielsweise drei Walzen so zusammen, dass das Rohr im wesentlichen über seinen gesamten Umfang von den Walzen kontaktiert wird. Das Rohr wird damit auf einen reduzierten Durchmesser gewalzt und dabei auf eine genaue Form gebracht.
Das Rohr soll nach dem Walzen eine ideale Form haben, d. h. die zylindrische Kontur des Außenumfangs und die des Innenumfangs sollen zwei konzentrische Kreise bilden. Tatsächlich gibt es indes stets Toleranzen im Fertigrohr, so dass eine gewisse Exzentrizität der Kreiskontur des Innenumfangs relativ zu derjenigen des Außenumfangs vorliegt.
Ein entscheidender Qualitätsparameter bei der Rohrherstellung ist die Rohrwanddicke, die im Produktionsprozess gemessen und überwacht wird. Zur Ermittlung der Wanddicke des Rohres sind Ultraschall-Messverfahren bekannt. Ultraschall-Dicken-Messverfahren nach der Impuls-Echo-Methode ermitteln über die Laufzeitmessung eines Ultraschallimpulses die Wanddicke.
Eine weitere sehr wichtige Kenngröße bzw. ein weiteres wichtiges Qualitätskriterium von Hohlblöcken und deren Vorprodukten ist die Exzentrizität des Hohlblocks. Zur Gewinnung dieser Kenngröße in einem möglichst frühzeitigen Produktionsstadium werden die erwähnten Wanddickenmessgeräte eingesetzt, wobei beispielsweise im Auslauf eines Schrägwalzwerkes ein solches Wanddickenmessgerät positioniert wird. Damit ist es mit relativ geringem Aufwand möglich, im Prozess die Wanddicke zu ermitteln. Nachdem der Hohlblock im Auslauf des Schrägwalzwerks rotiert, kann mit einem solchen Wanddickenmessgerät eine Anzahl Wanddicken-Messpunkte über dem Umfang des Hohlblocks ermittelt werden, die der Bestimmung der Exzentrizität zugrunde gelegt werden können.
Bei der in Rede stehenden Exzentrizität handelt es sich nicht nur um einen exzentrischen Versatz des Außendurchmessers des Hohlblocks relativ zum Innendurchmesser des Hohlblocks, wobei dieser Versatz entlang der Längenkoordinate des Hohlblocks konstant bzw. ortsfest bliebe, sondern die Exzentrizität "wandert" in Richtung der Längenkoordinate des Hohlblocks in einer solchen Weise, dass sich ein wendelartiger Verlauf der inneren Oberfläche des Hohlblocks relativ zur äußeren Oberfläche des Hohlblocks ergibt. Dieser Exzentrizitätsverlauf ist durch den Walzprozess im Schrägwalzwerk bedingt, so dass sich der Umlaufcharakter ähnlich wie der Verlauf eines Korkenziehers ergibt. Der Verlauf dieser Exzentrizität wird durch die sog. Haupt-lnnenwendel bestimmt, deren Ganghöhe bzw. Schlaglänge sich aus dem Prozess im Schrägwalzwerk und dort aus dem Vorschubwinkel des Schrägwalzwerks ergibt. Der Exzentrizitätsverlauf wiederholt sich periodisch mit der Schlaglänge. Weitere Exzentrizitäten umlaufenden Charakters mit großer Ganghöhe bzw. niedriger Frequenz entstehen überlagert z. B. durch ungleichförmige Durchwärmung des Blockes im Drehherdofen.
Die Messung des Exzentrizitätsverlaufs über der Längenkoordinate des Hohlblocks, also die Erfassung der inneren Oberfläche des Hohlblocks relativ zur äußeren Oberfläche des Hohlblocks über die Längenkoordinate des Hohlblocks, ist am Auslauf eines Schrägwalzwerkes aus folgenden Gründen problematisch:
Zunächst ist hier nur ein sehr geringer Raum für die Messeinrichtung vorhanden, so dass ein nicht ausreichender Einbauplatz für die Messeinrichtung vorliegt. Zum anderen ist es nicht möglich, die volle Länge des Hohlblocks rotierend zu erfassen. Gerade der letztgenannte Aspekt ist aus walztechnischer Sicht bedeutsam, weil Hohlblöcke gerade an den Enden besonders ausgeprägte Exzenter aufweisen.
Das hat dazu geführt, dass auch andere Messkonzeptionen ins Auge gefasst wurden. Es wurden zusätzliche Messrollgänge bzw. Messmanipulatoren eingesetzt, auf denen der Hohlblock rotiert und der Messkopf am Hohlblock in Längsrichtung vorbeibewegt wird. Aus Gründen der Taktzeit sowie aufgrund der damit verbundenen Kosten sind diese Vorgehensweisen jedoch mit Nachteilen verbunden. Weiterhin wurde es auch als nachteilig erkannt, dass derartige Systeme nur schwer an vorhandenen Walzlinien nachgerüstet werden können.
Mit den vorbekannten Verfahren und Einrichtungen ist es also nur sehr schwer bzw. aufwendig möglich, insbesondere im Einlauf eines nachfolgenden Walzwerkes, also beispielsweise eines Konti-Walzwerkes oder einer Stossbankanlage, die Exzentrizität eines Hohlblocks in ihrer räumlichen Erstreckung entlang der Hohlblock-Längenkoordinate zu erfassen und damit ein für die Praxis sinnvoll verwertbares Maß für die Exzentrizität anzugeben.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung zu schaffen, mit dem bzw. mit der die genannten Nachteile überwunden werden können.
Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist verfahrensgemäß dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Exzentrizität des Hohlblocks annähernd abgebildet wird als Verlauf der Wanddicke s als Funktion der sich in Richtung der Längsachse z des Hohlblocks erstreckenden Längenkoordinate und des Drehwinkels  um die Längenkoordinate gemäß der Beziehung s(,z) = s0(z) + s1(z) cos (+δ (z)), wobei
s0
die mittlere Wanddicke des Hohlblockes,
s1
die der mittleren Wanddicke S0 überlagerte Wanddickenamplitude und
δ
der von der Längenkoordinate z abhängige Lagewinkel ist,
wobei ferner die Messvorrichtung beim Passieren des Hohlblocks eine Anzahl Wanddickenmessungen vornimmt und die gemessenen Werte einem Rechnermittel zuleitet, das diese einer Fourier-Transformation unterzieht, um für den funktionalen Verlauf der Wanddicke s als Funktion der Längenkoordinate z und des Drehwinkels  eine Näherung der Form s(, z)≅ s0* + ∑ si,1 cos( + 2 π/pi z + ξi,1) zu ermitteln, wobei
s0*
und
si,1
die ermittelten Fourier-Koeffizienten für die Wanddicke des Hohlblocks bei Summation über die Anzahl der Fourier-Reihenelemente und
pi
und
ξi,1
die Fourier-Koeffizienten für die Ganghöhen bzw. für die Anfangslagewinkel bei Summation über die Anzahl der Fourier-Reihenelemente sind.
Bevorzugt dreht sich der Hohlblock während der Messung nicht um seine Längsachse. Weiterhin kann vorgesehen werden, dass mehr als eine Messvorrichtung zum Einsatz kommt. Zur Ermittlung der Wanddicke des Rohres hat sich das Laser-Ultraschall-Wanddicken-Messverfahren bewährt, das fortbildungsgemäß vorgesehen ist. Gerade bei letztgenanntem Verfahren ist es vorteilhaft möglich, die Messung der Wanddicke des Hohlblocks bei einem im Hohlblock angeordneten Werkzeug, insbesondere bei im Hohlblock angeordneter Domstange, vorzunehmen, was dem Verfahren eine große Flexibilität verleiht.
Die Vorrichtung zur Bestimmung der Exzentrizität des Hohlblocks weist mindestens eine Messvorrichtung auf, die die Wanddicke des Hohlblocks an einer Längen- und Umfangsposition des Hohlblocks ermitteln kann. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die mindestens eine Messvorrichtung zur Durchführung einer Anzahl Wanddickenmessungen beim Passieren des Hohlblocks geeignet ist, wobei die mindestens eine Messvorrichtung mit einem Rechnermittel in Verbindung steht, das geeignet ist, aus den gemessenen Wanddickendaten über eine Fourier-Transformation einen näherungsweisen funktionalen Verlauf der Wanddicke als Funktion der Längenkoordinate und des Drehwinkels des Hohlblocks zu ermitteln.
Weiterbildungsgemäß ist mindestens eine Messvorrichtung im Bereich des Auslaufs eines Walzwerkes, insbesondere eines Schrägwalzwerkes, angeordnet.
Die fortbildungsgemäß mit Vorteil eingesetzte Ultraschall-Wanddicken-Messvorrichtung hat ein Mittel zum Einleiten eines Ultraschallsignals in die Oberfläche des Hohlblocks. Dabei kann es sich bei diesem Mittel um einen Laser, insbesondere um einen blitzlampen-gepumpter Nd:YAG-Laser, handeln. Femer kann die Messvorrichtung Mittel zum Messen eines Zeitintervalls zwischen zwei Echo-Ultraschallsignalen aufweisen, die der Hohlblock infolge der Einleitung des Ultraschallsignals emittiert; diese Mittel können einen Laser, insbesondere einen dioden-gepumpten Nd:YAG-Laser, und einen optischen Analysator, insbesondere ein Fabry-Pérot-Interferometer, aufweisen.
Mit dem erfindungsgemäßen Vorschlag ist es möglich, die Exzentrizität in einem Hohlblock in einfacher Weise zu bestimmen und darzustellen und damit eine schnelle und praxisgerechte Aussage über die Qualität des Hohlblocks zu machen Es ist mit der Erfindung also in einfacher Weise möglich, sich ein Bild über den räumlichen Verlauf der Exzentrizität über der Längenkoordinate des Hohiblocks zu verschaffen und hieraus eine praxistaugliche Aussage über die Größe und Lage der Exzentrizität zu gewinnen. Die zum Einsatz kommenden Näherungen ermöglichen es insbesondere, in sehr einfacher Weise praktisch verwertbare Beurteilungskriterien für die Qualität des Hohlblocks abzuleiten.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1
schematisch in dreidimensionaler Ansicht einen Hohlblock mit Exzentrizität samt einer Messvorrichtung zu deren Erfassung; und
Fig. 2
schematisch das Prinzip der Messung der Wanddicke eines Hohlblocks.
Zunächst sei auf Fig. 2 Bezug genommen, wo zu sehen ist, wie die Messung der Wanddicke s eines Hohlblocks 1 erfolgen kann.
Es kommt das Laser-Ultraschall-Wanddickenmessverfahren zum Einsatz, das auf das klassische Prinzip der Ultraschall-Laufzeitmessung abstellt. Aus der Zeit für das - zweimalige - Durchlaufen eines Ultraschallimpulses durch die Wand des Hohlblocks 1 ergibt sich bei bekannter Schallgeschwindigkeit im Material des Hohlblocks die gesuchte Wanddicke s. Die Ankopplung des Ultraschalls bei der Heißwanddickenmessung mit Temperaturen im Bereich von ca. 1.000 °C erfordert sowohl auf der Anregungs- als auch auf der Detektionsseite berührungslose, optische Methoden, bei denen der Messkopf (2' in Fig. 1) selber in einem thermisch sicheren Abstand zum Hohlblock 1 verbleiben kann.
Hochenergetische Licht-Pulse im Infrarotbereich werden in der Oberfläche des Hohlblocks 1 absorbiert. Sie werden von einem auf die Wand des Hohlblocks ausgerichteten, blitzlampen-gepumpten Nd:YAG-Laser 4 (Anregungslaser) erzeugt, der eine Wellenlänge von 1.064 nm bei einer Pulsdauer von weniger ais 10 ns haben kann. Die vom Laser 4 auf die Oberfläche des Hohlblocks 1 aufgebrachte Energie (Ultraschallsignal), die von der Wand des Hohlblocks absorbiert wird, führt teilweise zur Verdampfung einer sehr dünnen Oberflächenschicht (Materialablation im nm-Bereich). Durch den Verdampfungs-lmpuls entsteht - wegen der Impulserhaltung - im Hohlblock 1 ein Ultraschall-Impuls, der senkrecht zur Oberfläche des Hohlblocks in die dessen Wand läuft. Der Ultraschall-Impuls wird an der Innenoberfläche des Hohlblocks reflektiert, läuft zurück zur Außenoberfläche des Hohlblocks, wird erneut reflektiert usw., so dass in der Wand des Hohlblocks eine Ultraschall-Echofolge abnehmender Amplitude entsteht.
Der reflektierte Ultraschallimpuls erzeugt auf der Außenoberfläche des Hohlblocks 1 Schwingungen (im Sub-Miniaturbereich), die mittels eines zweiten Lasers 5 (Beleuchtungs- oder Erfassungslaser) berührungslos unter Nutzung des Doppler-Effekts erfasst werden. Dieser Laser 5 kann ein CW-Laser sein (Continuous Wave Laser), namentlich ein in der Frequenz verdoppelter, diodengepumpter Nd:YAG-Laser, der mit einer Wellenlänge von 532 nm arbeitet und auf den Punkt der Anregung ausgerichtet ist. Die im Vergleich zur Lichtfrequenz niederfrequente Ultraschallschwingung führt zu einer Frequenz-Modulation des an der Materialoberfläche reflektierten Lichts.
Der reflektierte Lichtkegel, der jetzt "Träger" des Ultraschallsignales ist, wird über eine lichtstarke Sammeloptik 6 und einen Lichtwellenleiter 9 einem optischer Analysator 7, d. h. einem Demodulator, zugeführt, wobei insbesondere ein konfokales Fabry-Pérot-Interferometer zum Einsatz kommt; dessen Ausgangssignal beinhaltet bereits die Ultraschall-Echofolge.
Die weitere Verstärkung, Filterung und Signalauswertung der Ultraschall-Echofolge kann mit einer üblichen elektronischen Ultraschall-Auswerteeinheit 8 (Auswerterechner) erfolgen. Das Ausgangssignal des Auswerterechners 8 ist die Wanddicke s des Hohlblocks 1, die aus dem Produkt von Schallgeschwindigkeit und gemessenem Zeitintervall bestimmt wird.
In Fig. 1 ist dargestellt, wie die Exzentrizität e des Hohlblocks 1 über dem Verlauf der Längenkoordinate z des Hohlblocks 1 ermittelt wird. Aufgrund des Walzprozesses im Schrägwalzwerk verläuft ― wie es in Fig. 1 angedeutet ist ― die Exzentrizität e wendelförmig nach Art eines Korkenziehers in Richtung der Längenkoordinate z des Hohlblocks 1. Schematisch dargestellt sind drei Schnitte, anhand derer zu sehen ist, dass sich die Wanddicke s mit der Periode der Ganghöhe bzw. Schlaglänge H periodisch wiederholt.
Zur Erfassung der Exzentrizität e als Funktion der Längenkoordinate z und des Drehwinkels werden eine Anzahl Wanddickenmessungen vorgenommen, wozu die Messvorrichtung 2 bzw. deren Messkopf 2' entlang der Längenkoordinate z relativ zum Hohlblock 1 bewegt wird. Die Wanddicken s werden ermittelt und in einem Rechnermittel 3 gespeichert.
Zur Darstellung der Exzentrizität der Längenkoordinate z und des Drehwinkels  wird ein funktionaler Ansatz verwendet, wie er durch die Beziehung s(,z) = s0(z) + s1(z) cos (+ δ (z)) definiert ist, wobei
s0
die mittlere Wanddicke des Hohlblockes 1,
s1
die der mittleren Wanddicke s0 überlagerte Wanddickenamplitude und
δ
der von der Längenkoordinate z abhängige Lagewinkel ist.
Der Ansatz geht also von der Annahme aus, dass sich die Exzentrizität mit einer Ganghöhe bzw. Schlaglänge H periodisch wiederholt.
Die gemessenen Wanddicken werden, wie bereits gesagt, in einem Rechnermittel 3 hinterlegt. In diesem erfolgt eine Fourier-Transformation (in Fig. 1 mit FFT markiert: Fast Fourier Transformation), um für den funktionalen Verlauf der Wanddicke s als Funktion der Längenkoordinate z und des Drehwinkels  eine Näherung der Form s(,z)≅ s0* + ∑si,1 cos(+ 2π/pi z + ξi,1) zu ermitteln. Hierbei sind:
s0*
und
si,1
die ermittelten Fourier-Koeffizienten für die Wanddicke des Hohlblocks 1 bei Summation (i) über die Anzahl (n) der Fourier-Reihenelemente und
pi
und
ξi,1
die Fourier-Koeffizienten für die Ganghöhen bzw. für die Anfangslagewinkel bei Summation (i) über die Anzahl (n) der Fourier-Reihenelemente.
Mittels der Fourier-Analyse werden also die Fourier-Koeffizienten ermittelt, um den Verlauf der Exzentrizität des Hohlblocks 1 näherungsweise als Superposition harmonischer Schwingungen mit unterschiedlicher Amplitude und unterschiedlichen Anfangslagewinkeln abzubilden.
Die in Fig. 1 im Rechnermittel 3 vermerkte "FFT" - "Fast Fourier Transformation"-weist auf eine bevorzugte Durchführung der Fourier-Transformation hin. Details hierzu finden sich beispielsweise in "Hütte - Die Grundlagen der Ingenieurwissenschaften", 29. Auflage, S. B 34 ff.
In der obengenannten Näherung wird die Wanddicke s bei "idealer Exzentrizität" durch die von der Längenkoordinate z des Hohlblocks 1 abhängige Exzenteramplitude s1(z) beschrieben. Die zugehörige Umfangsverteilung ist durch die Cosinus-Funktion wiedergegeben und der Umlaufcharakter einschließlich der Umlaufgeschwindigkeit ist mit dem aktuellen Exzenterlagenwinkel (δ) hinreichend formuliert. Als mathematische Näherung wird der Wanddickenverlauf mit einem Gesamt-Mittelwandwert mit überlagerten "Schlagschwingungen" angesetzt. Für einen festen Winkel  erhält man eine herkömmliche Fourier-Reihe in "z". Dabei sind die Anfangslagewinkel ξi,1 der Längsschwingungen abhängig von der Hohlblocklage während der Messung (Anfangswinkei). Variiert man zu jeder Längs-Koordinate der Näherung entsprechend den Winkel , ist der gesamte Verlauf der Exzentrizität im Hohlblock 1 beschrieben.
Die beschriebene Auswertung der gemessenen Werte für die Wanddicke läuft damit darauf hinaus, dass an sich bekannte Interpretations- bzw. Auswertemethoden herangezogen werden, wie sie in der Nachrichtentechnik Verwendung finden, wie die der Frequenzverschiebung und Modulation.
Zu erwähnen ist noch, dass die Messung der Wanddicke mittels des erläuterten Ultraschall-Messverfahrens auch bei sich im Hohlblock befindlicher Dornstange erfolgreich erfolgen kann.
Es wurde bereits erwähnt, dass mehr als eine Wanddickenmessvorrichtung 2 zum Einsatz kommen kann. Dann wird das System nicht nur einkanalig, sondern mehrkanalig realisiert. Es können namentlich mehrere Wanddickenmessvorrichtungen äquidistant über den Umfang des Hohlblocks angeordnet werden.
Für eine hinreichend genaue Abbildung der sich räumlich erstreckenden Exzentrizität als Funktion der Längenkoordinate z und des Drehwinkels  ist es auch wichtig, dass eine genügend hohe Abtastfrequenz eingehalten wird. Hier geht es namentlich darum, minimale Abtastfrequenzen gemäß dem Shannonschen Abtasttheorem einzuhalten. Details hierzu finden sich in "Hütte - Die Grundlagen der Ingenieurwissenschaften", 29. Auflage, S. H 68 f. So kann beispielsweise bei 50 Hz-Abtastrate die Schlagfrequenz einer Vorschubspirale im Hohlblock mit 40 mm Ganghöhe noch bestimmt werden, wenn ein Hohlblock mit weniger als 1 m/s ohne Rotation am Messkopf vorbei bewegt wird.
Es sei noch folgendes angemerkt: In obigen Ausführungen wurde speziell darauf eingegangen, dass die zu vermessende und abzubildende "Wendel" im Hohlblock als wendelartiger Verlauf der inneren Oberfläche des Hohlblocks ausgebildet ist. Genauso kann das beschriebene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung auch zum Einsatz kommen, wenn sich die "Wendel" auf der äußeren Oberfläche des Hohlblocks befindet.
Bezugszeichenliste:
1
Hohlblock
2
Messvorrichtung
2'
Messkopf
3
Rechnermittel
4
Mittel zum Einleiten eines Ultraschallsignals (Anregungslaser)
5
Beleuchtungslaser
6
Sammeloptik
7
Fabry-Pérot-Interferometer
8
Auswerterechner
9
Lichtwellenleiter
e
Exzentrizität
L
Längsachse
s
Wanddicke
H
Ganghöhe, Schlaglänge
z
Längenkoordinate des Hohlblocks
()
Drehwinkel (Umfangsrichtung des Hohlblocks)
s0
mittlere Wanddicke des Hohlblockes
s1
überlagerte Wanddickenamplitude
δ
Lagewinkel
n
Anzahl der Fourier-Reihenelemente
s0*
Fourier-Koeffizient für die Wanddicke
si,1
Fourier-Koeffizient für die Wanddicke (i = 1,..., n)
pi
Fourier-Koeffizient für die Ganghöhe (i = 1,..., n)
ξi,1
Fourier-Koeffizient für den Anfangslagewinkel (i = 1,..., n)

Claims (9)

  1. Verfahren zur Bestimmung der Exzentrizität (e) eines Hohlblocks (1), vorzugsweise im Einlauf eines Walzwerkes, das einem Schrägwalzwerk nachfolgt, insbesondere im Einlauf eines Konti-Walzwerkes oder einer Stoßbankanlage, in das der Hohlblock (1) in Richtung der Längsachse (L) des Hohlblocks (1) eintritt, mittels mindestens einer Messvorrichtung (2), die die Wanddicke (s) des Hohlblocks (1) an einer Längen- (z) und Umfangsposition bzw. Drehwinkel () des Hohlblocks (1) ermitteln kann,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Exzentrizität (e) des Hohlblocks (1) annähernd abgebildet wird als Verlauf der Wanddicke (s) als Funktion der sich in Richtung der Längsachse (L) des Hohlblocks (1) erstreckenden Längenkoordinate (z) und des Drehwinkels () um die Längenkoordinate (z) gemäß der Beziehung s(,z) = s0(z) + s1(z) COS (+ δ (z)), wobei s0 die mittlere Wanddicke des Hohlblockes (1) ist, wobei s1 die der mittleren Wanddicke s0 überlagerte Wanddickenamplitude ist und wobei δ der von der Längenkoordinate (z) abhängige Lagewinkel ist,
    wobei die Messvorrichtung (2) beim Passieren des Hohlblocks (1) eine Anzahl Wanddickenmessungen vornimmt und die gemessenen Werte einem Rechnermittel (3) zuleitet, das diese einer Fourier-Transformation unterzieht, um für den funktionalen Verlauf der Wanddicke (s) als Funktion der Längenkoordinate (z) und des Drehwinkels () eine Näherung der Form s(, z) ≅ s0 * + ∑Si,1 cos( + 2π/pi z + ξi,1) zu ermitteln, wobei s0* und si,1 die ermittelten Fourier-Koeffizienten für die Wanddicke des Hohlblocks (1) bei Summation (i) über die Anzahl (n) der Fourier-Reihenelemente sind und wobei pi und ξi,1 die Fourier-Koeffizienten für die Ganghöhen bzw. für die Anfangslagewinkel bei Summation (i) über die Anzahl (n) der Fourier-Reihenelemente sind.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass sich der Hohlblock (1) während der Messung nicht um seine Längsachse (L) dreht.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Wanddicke (s) des Hohlblocks (1) mittels des Laser-Ultraschall-Wanddicken-Messverfahrens gemessen wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Wanddicke (s) des Hohlblocks (1) bei einem im Hohlblock (1) angeordneten Werkzeug, insbesondere bei im Hohlblock (1) angeordneter Domstange, gemessen wird.
  5. Vorrichtung zur Bestimmung der Exzentrizität (e) eines Hohlblocks (1), vorzugsweise im Einlauf eines Walzwerkes, das einem Schrägwalzwerk nachfolgt, insbesondere im Einlauf eines Konti-Walzwerkes oder einer Stoßbankaniage, in das der Hohlblock (1) in Richtung der Längsachse (L) des Hohlblocks (1) eintritt, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    wobei die, Vorrichtung mindestens eine Messvorrichtung (2) aufweist, die die Wanddicke (s) des Hohlblocks (1) an einer Längen- (z) und Umfangsposition () des Hohlblocks (1) ermitteln kann,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (2) zur Durchführung einer Anzahl Wanddickenmessungen beim Passieren des Hohlblocks (1) geeignet ist, wobei die Messvorrichtung (2) mit einem Rechnermittel (3) in Verbindung steht, das geeignet ist, aus den gemessenen Wanddickendaten (s) über eine Fourier-Transformation einen näherungsweisen funktionalen Verlauf der Wanddicke (s) als Funktion der Längenkoordinate (z) und des Drehwinkels () des Hohlblocks (1) zu ermitteln.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Messvorrichtung (2) im Bereich des Auslaufs eines Walzwerkes, insbesondere eines Schrägwalzwerkes, angeordnet ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Messvorrichtung (2) als Ultraschall-Wanddicken-Messvorrichtung ausgebildet ist, die ein Mittel (4) zum Einleiten eines Ultraschallsignals in die Oberfläche des Hohlblocks (1) aufweist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (2) Mittel (5, 6, 7, 8) zum Messen eines Zeitintervalls zwischen zwei Echo-Ultraschallsignalen aufweist, die der Hohlblock (1) infolge der Einleitung des Ultraschallsignals emittiert.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (5, 6, 7, 8) einen Laser (5), insbesondere einen dioden-gepumpten Nd:YAG-Laser, und einen optischen Analysator (7), insbesondere ein Fabry-Pérot-Interferometer, aufweisen.
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