EP1457274A2 - Verfahren und Vorrichtung zur Vermeidung von Schwingungen - Google Patents

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EP1457274A2
EP1457274A2 EP04003584A EP04003584A EP1457274A2 EP 1457274 A2 EP1457274 A2 EP 1457274A2 EP 04003584 A EP04003584 A EP 04003584A EP 04003584 A EP04003584 A EP 04003584A EP 1457274 A2 EP1457274 A2 EP 1457274A2
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EP
European Patent Office
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roller
rolling
vibrations
roll
actuator
Prior art date
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EP04003584A
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English (en)
French (fr)
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EP1457274B1 (de
EP1457274A3 (de
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Norman Dipl.-Ing. Eisenköck
Georg Dipl.-Ing. Keintzel
Karl Dr. Dipl.-Ing. Mayrhofer
Kurt Prof. Dipl.-Ing. Dr. Schlacher
Johann-Martin Dipl.-Ing. Holl
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SIEMENS VAI METALS Technologies GmbH
Original Assignee
Voest Alpine Industrienlagenbau GmbH
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Publication of EP1457274A3 publication Critical patent/EP1457274A3/de
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    • 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
    • B21B37/007—Control for preventing or reducing vibration, chatter or chatter marks

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for avoiding Vibrations, especially 3rd and 5th octave vibrations, in a rolling mill at least one roll stand with roll adjustment and at least one roll set.
  • Both types of vibration have in common that there are movements of the roller set and thus there is a deviation from the target roll gap.
  • the defects on the rolling stock show different degrees of surface defects, as geometrical defects or as combinations thereof.
  • Monitoring systems are known from the prior art. Watch these systems or measure the vibration condition of the rolling mill or the rolling stands and reduce the rolling speed in the event of vibrations, in order to reduce vibrations and avoid instabilities.
  • a disadvantage of Procedures that use monitoring systems is a significant drop in productivity, due to a reduction in the rolling speed.
  • Rolling mills with passive vibration damping systems are also known.
  • the energy of an occurring vibration is reduced and by means of dampers so the risk of damage is reduced.
  • these systems can have surface defects insufficiently avoid the rolling stock, so that the task of a faultless Generate rolling stock so that it is not solved.
  • US 5,724,846 describes a method for combating vibrations (octave vibrations) in a rolling mill for rolling strip.
  • the Rolling system imprinted a vibration component that is relative to an existing one Vibration is asynchronous to vertical vibrations of the rollers avoid.
  • the solution described always goes from an existing one Vibration, which is used as the basis for the countermeasure. at This solution is not sufficient for rolling mills, because of changing operating conditions despite the countermeasure, defects still occur on the rolled strip can.
  • resonating vibrations that are characterized by a negative Damping can be characterized by that described in US Pat. No. 5,724,846 Invention no solution can be found.
  • a device can be found in US Pat. No. 6,387,214 B1 measured vibration by means of an actuator the vibration state of a roller being affected. The solution only offers an indication of how the vibrations be reduced, but not how they can be avoided. In the case of unstable No solution is offered to vibration conditions.
  • the object is according to the inventive method according to the characterizing Part of claim 1 solved.
  • the method according to the invention is the generation of vibrations that lead to malfunctions of the rolling operation or Defects in the rolling stock can be avoided and a vibration and trouble-free Operation ensured.
  • a controller, a mathematical control law and submodels the Parts of the system describe, includes, is supplied, the determination is made at least one temporally variable manipulated variable in real time, the manipulated variable being Input signal for at least one actuator to act on at least one Roll of the roll set of a roll stand and / or the rolling stock is used.
  • the system behavior is determined by a mathematical Description, all relevant physical influences and relationships and the material behavior of system components and rolling stock taken into account, by linear or non-linear or from combinations of linear and non-linear sub-models are described, creating one for the controlled system sufficiently accurate simulation is achieved.
  • the controller takes into account the essential system nonlinearities, such as. the rolling force model, actuator etc., the energy required for Raising of the vibration leads, withdrawn or it is achieved that in the system Rolling mill stored energy takes a minimum.
  • the math Control law is based on linear and / or non-linear equations and / or Differential equations and / or differential equations the manipulated variable (s) as Function of the measured variable (s) determined. A control scheme for this is shown in FIG. 1.
  • the sub-models include the modules and the system behavior a hydraulic and / or a mechanical and / or a rolling force model. through of the sub-models, the rolling mill is adequately described and in the regulatory law mapped, in addition to the behavior of the system parts and the system load the behavior of the entire rolling mill is mapped with high accuracy.
  • a continuous supply of the size to the controller and the determination of at least one time-variable manipulated variable in real time becomes a permanent monitoring and a permanent intervention in the plant behavior reached. Due to the application of the system via at least one Actuator, energy is continuously withdrawn from the oscillatory system, so that the formation or generation of octave vibrations is reliably prevented.
  • the measured size is used as an indicator of the system condition and kept at defined values.
  • the vertical is measured Acceleration of the roller set used.
  • the vertical acceleration has turned out to be a good indicator of the vibration condition in the roll stand, because thereby information about the current movement situation of the rollers and thus the Load roll gap is given.
  • the operating status can be determined using a simple measurement installation be recorded precisely and inexpensively.
  • Another simple embodiment of the invention sees the measured variable as Use the cylinder pressure of the roller adjustment before.
  • the current operating state is very good via the cylinder pressures, for example the positioning cylinder, shown, so that an exact Prediction of the system behavior and avoidance of a control intervention Octave vibrations are possible.
  • the measured variable is vertical position of the piston of the roller adjustment. Because the vertical Position of the roller set or the rollers of the roller set the load roll gap define, is the vibration behavior from deviations from a position easily derivable.
  • Another embodiment is through the use of the tension condition achieved in the rolling stock as the measured size.
  • this also Coupling the stands of the rolling mill over the rolling stock and the overlapping ones Vibrations shown in the rolling stands.
  • the Acting on the roller of the roller set in the or the directions of the Roll set we have a targeted influence the vibration behavior and thus the load roll gap reached. It is advantageous also the possibility to use the existing employment in the respective scaffolding, additional units can thus be avoided.
  • the admission provides a particularly advantageous embodiment of the method at least one roller before the adjusting device of the roller set. by virtue of this feature is avoided by coupling employment and intervention of vibrations in a superimposed process a very simple and inexpensive Solution found.
  • FIG Actuation of the roller via the axial roller displacement device of the roller set in front Another possible embodiment of the method according to the invention is seen in FIG Actuation of the roller via the axial roller displacement device of the roller set in front.
  • the method according to the invention provides for the avoidance of 3rd and 5th octave vibrations through a permanent reduction in vibrational energy, i.e. one Continuous energy dissipation from the vibrating mill stand system, especially the roller set. Due to the continuous energy dissipation ensures that there are no oscillations or vibrations, especially those train with high energy content, which leads to significant system damage or too Errors in the rolling stock.
  • a particular embodiment sees the reduction of vibrations in particular in the direction of the rollers. This simplified solution leaves vibrations with a direction other than the direction of attack. This will make it easy Solution for the procedure found that meets the requirement for safe avoidance 3rd and 5th octave vibrations.
  • the device according to the invention for avoiding vibrations, e.g. Third and 5th octave vibrations, in a rolling mill with at least one rolling stand with roller adjustment and at least one roller set comprises at least one Measuring device for the permanent measurement of a size of the rolling mill, one Controller that characterizes a mathematical control law and the state of the system Includes sub-models to which the measured size can be supplied, with the help this controller can determine at least one time-variable manipulated variable in real time is, and furthermore at least one actuator to which the manipulated variable can be fed and via the at least one of the rolls of the roll set and / or the rolling stock can be acted upon.
  • a Controller that characterizes a mathematical control law and the state of the system Includes sub-models to which the measured size can be supplied, with the help this controller can determine at least one time-variable manipulated variable in real time is, and furthermore at least one actuator to which the manipulated variable can be fed and via the at least one of the rolls of the roll set and
  • a hydraulic is used as the actuator Control element used. Due to the combination with existing in scaffolding, other hydraulic actuators, e.g. the hydraulic roller adjustment or the axial roller displacement becomes a robust and safe solution with high Flexibility achieved regardless of the system type.
  • a further special embodiment sees a piezoelectric actuating element as Actuator that is characterized by high dynamics and high energy density distinguished, so that a very high precision is achieved in the control intervention.
  • the Actuator is installed in the rolling mill in such a way that it is dynamic, not but static loads can act on the piezoelectric actuator. This ensures that overloads do not damage the piezo-electric actuator being able to lead.
  • the combination makes a particularly advantageous embodiment of the device achieved by different actuators because of the different Characteristics of the actuators partial frequencies are very well covered can.
  • Oscillations or vibrations represent a disruptive effect for rolling processes that appears as a defect in the rolling stock. Usually surface defects occur in particular and thickness deviations on the rolling stock.
  • Deviations from the target thickness of the rolling stock cause great costs because they are always a minimum thickness must be guaranteed by the manufacturer. All positive thickness deviations that is, thicknesses greater than the guaranteed minimum thickness a very significant cost factor as this affects the total production quantity of the rolling mill must be moved. A reduction in thickness deviations, tighter thickness tolerances means a lot for the mill operator high savings potential. For many processing steps cause too large thickness deviations on the rolling stock, especially when forming, do not acceptable disturbances, so that larger thickness deviations an elimination of the Make rolling good necessary. This leads to very high reject costs.
  • Rolling processes for the production of rolling stock is in addition to avoiding damage an overall more stable rolling process on the system and defects on the rolling stock reached. This allows tighter thickness tolerances on the rolling stock to be maintained and failures can be avoided by surface defects. Thickness tolerance is understood those rolling stock thicknesses that are a permissible deviation from a target thickness represent, i.e. do not exceed certain predefined deviations.
  • usual Information is given as a percentage of the rolling stock thickness or in absolute terms of the permissible deviations in ⁇ amount from the nominal thickness, the information being frequent in ⁇ m.
  • Tab. 1 shows typical thickness tolerances of a tandem cold rolling mill. These thickness tolerances apply to strip-shaped rolling stock with the exception of short sections at the strip head and at the strip foot, whereby the lengths of these sections are defined by guarantee formulations that take into account the specific characteristics of a system and can therefore vary.
  • Figure 1 shows the basic structure of the controlled system, but not here Controller mathematics or the sub-models is discussed.
  • Sizes 2 are measured using sensors or the sensors 1 required for this Rolling system recorded. These measured variables 2 are fed to a controller 3.
  • the Controller 3 contains a mathematical control law and the system status characterizing sub-models. With the help of the controller 3 is at least in real time a time-variable manipulated variable 4 is determined and fed to the actuator system 5.
  • the actuator system 5 is applied to the rolling system (section) 6, whereby the vibration state of the rolling mill 6 is influenced in a targeted manner.
  • acting Disturbance variables 7 are taken into account via the measured variables 2.
  • Fig. 2 is a frame of a rolling mill 6 with the schematically indicated main components shown. Via a controller 3 and a servo valve 12 an actuator 5, indicated here as a hydraulic cylinder, is acted upon. So that is done in addition to the positioning movement also the application to avoid Vibrations. Signals of a path or Position measurement 9, a pressure measurement 10 or an acceleration measurement 11 indicated with an accelerometer 13. In addition, you can Input variables that affect the rolling stock, e.g. Stress conditions in the rolling stock 14.15 or combinations of these sizes are used. to Determination of the stress conditions in the rolling stock can e.g. not shown here Measuring devices that measure touching the rolling stock are used. Actuators for application e.g. of the hydraulic cylinder are not closer here shown, their corresponding arrangement represents for the expert due to his Knowing, however, is not a problem. In a possible embodiment, as here shown, the hydraulic cylinder for roller adjustment is also used Avoidance of vibrations.
  • the hydraulic cylinder for roller adjustment is also used Avoidance of vibration

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermeidung von Schwingungen, insbesondere von 3. und 5. Oktav-Schwingungen, in einer Walzanlage mit zumindest einem Walzgerüst mit Walzenanstellung und zumindest einem Walzensatz. Auf Basis permanent gemessener Größen und einem Regler, ein Regelgesetz und Teilmodelle umfassend, wird in Echtzeit zumindest eine Stellgröße ermittelt und über zumindest einen Aktuator zumindest eine Walze und/ oder das Walzgut permanent beaufschlagt. Es wurde ein Verfahren und eine Vorrichtung entwickelt, sodass die Entstehung von 3. und 5. Oktav-Schwingungen nicht nur verringert, sondern die Entstehung der Schwingungen verhindert werden, wobei die Schwingungsenergie im Walzwerk reduziert wird. Die Anwendung des Verfahrens auf die Herstellung von Walzgut ermöglicht die Einhaltung engerer Toleranzen. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermeidung von Schwingungen, insbesondere 3. und 5. Oktav-Schwingungen, in einer Walzanlage mit zumindest einem Walzgerüst mit Walzenanstellung und zumindest einem Walzensatz.
Bei Walzanlagen ist es bekannt, dass es unter bestimmten Betriebszuständen zu unerwünschten Schwingungen bzw. Vibrationen kommt, die zu erheblichen Schäden an der Anlage, als auch zu Defekten am Walzprodukt führen können. Durch eine Überlagerung von Schwingungen, deren Ursachen im Detail noch nicht vollständig geklärt sind, können aufklingende Schwingungen, also Schwingungen mit einer negativen Dämpfung, entstehen. Eine Folge daraus sind instabile Schwingungszustände bzw. Vibrationen mit einem sehr hohen Energieinhalt. Neben den genannten Schäden an der Anlage können aber auch unzulässige Abweichungen bei den geometrischen Abmaßen und unerwünschte Oberflächenmuster bzw. Oberflächendefekte am Walzgut auftreten. Beides bedeutet für die Produktion erhebliche Kosten, da die fehlerhaften Walzprodukte als Ausschuss ausgeschieden werden müssen.
Dem Fachmann sind aus der Vielzahl bei Walzprozessen auftretenden Vibrationen zwei typische Gruppen bekannt, die nach ihren Merkmalen, wie z.B. der Frequenz und ihrer Wirkung in 3. und 5. Oktav-Schwingungen unterteilt werden. 3. Oktav-Schwingungen treten in einem Frequenzbereich von etwa 100 bis 350 Hz auf und sind von einem sehr hohen Energieinhalt gekennzeichnet, so dass auch erhebliche mechanische Schäden an der Walzanlage auftreten können. Diese Schwingungen werden von einem lauten Geräusch begleitet. Die angegebenen Frequenzen hängen dabei von der jeweiligen Anlagenkonfiguration und den Walzparametern ab und können daher auch davon abweichen. Am Walzensatz tritt zwischen den Walzen häufig eine entgegengesetzt gerichtete Schwingung auf, wobei es zu Dehnungen der Gerüstständer kommt. Stick-Slip Effekte können weitere Ursachen für die Schwingungen sein, wobei auch Unterschiede an den Antriebsmomenten der Walzen Ursache für die Vibrationen sein können. Ein besonderes Merkmal dieser Schwingungen stellt das Auftreten von instabilen Schwingungszuständen dar.
5. Oktav-Schwingungen treten in einem Frequenzbereich von etwa 500 bis 800 Hz auf und führen zu Oberflächendefekten am Walzgut und werden tlw. erst durch diese Defekte am Walzgut detektiert. Dabei schwingen die Arbeitswalzen relativ zu den Stützwalzen.
Beiden Schwingungstypen ist gemein, dass es dabei zu Bewegungen des Walzensatzes und somit zu einer Abweichung vom Sollwalzspalt kommt. Je nach Schwingungstyp zeigen sich die Defekte am Walzgut unterschiedlich ausgeprägt als Oberflächendefekte, als geometrische Defekte oder auch als Kombinationen davon.
Aus dem Stand der Technik sind Monitoringsysteme bekannt. Diese Systeme beobachten bzw. messen den Schwingungszustand der Walzanlage bzw. der Walzgerüste und reduzieren im Falle auftretender Vibrationen die Walzgeschwindigkeit, um so die Vibrationen zu reduzieren bzw. Instabilitäten zu vermeiden. Nachteilig bei Verfahren, die Monitoringsysteme benutzen, ist ein erheblicher Produktivitätsrückgang, bedingt durch eine Reduktion der Walzgeschwindigkeit.
Weiters sind Walzanlagen mit passiven Schwingungsdämpfungssystemen bekannt. Dabei wird mittels Dämpfer die Energie einer auftretenden Schwingung reduziert und so die Gefahr von Schäden reduziert. Diese Systeme können aber Oberflächenfehler am Walzgut nur unzureichend vermeiden, sodass die Aufgabe, ein fehlerfreies Walzgut zu erzeugen, damit nicht gelöst wird.
Die US 5,724,846 beschreibt ein Verfahren zur Bekämpfung von Vibrationen (Oktav-Schwingungen) in einer Walzanlage zum Walzen von Band. Dabei wird der Walzanlage eine Schwingungskomponente aufgeprägt, die relativ zu einer vorliegenden Vibration asynchron ist, um vertikale Schwingungen der Walzen zu vermeiden. Die beschriebene Lösung geht dabei aber immer von einer existierenden Schwingung aus, die als Basis für die Gegenmaßnahme herangezogen wird. Bei Walzwerken reicht diese Lösung nicht aus, da aufgrund von sich ändernden Betriebszuständen trotz der Gegenmaßnahme dennoch Defekte am Walzband auftreten können. Insbesondere für aufklingende Schwingungen, die sich durch eine negative Dämpfung charakterisieren, kann durch die in der US 5,724,846 beschriebene Erfindung keine Lösung gefunden werden.
Aus der US 6,387,214 B1 ist eine Vorrichtung zu entnehmen, wobei auf Basis einer gemessenen Vibration mittels eines Aktuators der Vibrationszustand einer Walze beeinflusst wird. Die Lösung bietet aber nur einen Hinweis darauf, wie die Vibrationen reduziert werden, nicht aber, wie sie vermieden werden können. Für den Fall instabiler Schwingungszustände wird keine Lösung geboten.
Es ist ein grundsätzliches Merkmal, dass instabile Schwingungszustände nur durch Regelungen, also durch Rückführungen des Informationssignals beseitigt und damit stabilisiert werden können. Eine ausführliche Erläuterung dieser Tatsache findet sich in den untenstehenden Veröffentlichungen wieder:
  • Kailath T.: "Linear Systems", Prentice Hall, 1980.
  • Franklin G., Powell D., Emami-Naeini A.: "Feedback Control of Dynamic Systems", Fourth Edition, Prentice Hall, 2002.
  • Vidyasagar M.: "Nonlinear Systems Analysis", Second Edition, Prentice Hall, 1993.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein Verfahren, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1, weiter zu entwickeln, sodass Schäden an der Walzanlage bzw. Defekte am Walzgut aufgrund von Schwingungen bzw. Vibrationen vermieden bzw. ausgeschlossen werden.
Die Aufgabe wird entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Entstehung von Vibrationen, die zu Störungen des Walzbetriebes bzw. zu Defekten am Walzgut führen können, vermieden und ein vibrations- und störungsfreier Betrieb sichergestellt. Auf Basis wenigstens einer permanent gemessenen Größe, die einem Regler, der ein mathematisches Regelgesetz und Teilmodelle, die Teile der Anlage beschreiben, umfasst, zugeführt wird, erfolgt die Ermittlung zumindest einer zeitlich veränderlichen Stellgröße in Echtzeit, wobei die Stellgröße als Eingangssignal für wenigstens einen Aktuator zur Beaufschlagung mindestens einer Walze des Walzensatzes eines Walzgerüstes und/ oder des Walzgutes dient.
Zur Vorhersage des Verhaltens der Regelstrecke ist neben einer hinreichend präzisen Erfassung des Betriebszustands auch eine präzise Beschreibung der Anlage bzw. des Anlagenverhaltens nötig. Dabei wird das Anlagenverhalten durch eine mathematische Beschreibung, die alle maßgeblichen physikalische Einflüsse und Zusammenhänge und das Werkstoffverhalten von Anlagenkomponenten und Walzgut berücksichtigt, durch lineare oder nichtlineare bzw. aus Kombinationen von linearen und nichtlinearen Teilmodellen beschrieben, wodurch eine für die Regelstrecke hinreichend genaue Simulation erreicht wird.
Durch den Regler wird unter Berücksichtigung der wesentlichen System-Nichtlinearitäten, wie z.B. das Walzkraftmodell, Aktuator etc., die Energie, die zum Aufklingen der Schwingung führt, entzogen bzw. es wird erreicht, dass die im System Walzwerk gespeicherte Energie ein Minimum annimmt. Mit dem mathematischen Regelgesetz wird basierend auf linearen und/ oder nichtlinearen Gleichungen und/oder Differenzialgleichungen und/ oder Differenzengleichungen die Stellgröße(n) als Funktion der Messgröße(n) ermittelt. Ein Regelschema dazu ist in Fig. 1 dargestellt.
Bei instabilen Arbeitspunkten nimmt die im System gespeicherte Energie und damit auch die Amplituden der Schwingungen im zeitlichen Verlauf zu. Ohne Einwirken auf das System durch einen gezielten Regeleingriff, oder wie bei bekannten Systemen durch eine Reduktion der Bandgeschwindigkeit, können Bandrisse, schwere Schäden an der Anlage, Anlagenstillstände und damit sehr hohe Kosten auftreten. Durch eine Reduktion der Bandgeschwindigkeit wird erreicht, dass das System wieder stabil wird und die Amplitude abnimmt, jedoch unter dem bereits beschriebenen Nachteil einer verringerten Produktivität.
Entsprechend den Baugruppen und dem Anlagenverhalten, umfassen die Teilmodelle ein hydraulisches und/ oder ein mechanisches und/ oder ein Walzkraftmodell. Mittels der Teilmodelle wird die Walzanlage hinreichend beschrieben und im Regelgesetz abgebildet, wobei neben dem Verhalten der Anlagenteile und der Anlagenbelastung das Verhalten der gesamten Walzanlage mit hoher Genauigkeit abgebildet wird.
Ein mögliches hydraulisches Teilmodell ist in der untenstehenden Veröffentlichung im Detail beschrieben.
  • Kugi A.: "Nonlinear Control Based on Physical Models", Lecture Notes in Control and Information Sciences 260, Springer, 2000.
  • Merritt H. E.: "Hydraulic Control Systems", John Wiley & Sons 1967.
Weitere Beschreibungen zu möglichen Modellen zur Hydraulik und zur Walzkraftermittlung finden sich in der Veröffentlichung:
  • Kugi A., Schlacher K., Keintzel G.: "Position Control and Active Eccentricity compensation in Rolling Mills", at - Automatisierungstechnik S. 342-349, Oldenbourg, 1999.
Ausführliche Hinweise auf die Walzkraftmodelle und den spezifischen Aufgabenstellungen bei gekoppelten Walzgerüsten in Walzwerksanlagen finden sich in den Literaturstellen:
  • Grabmair G., Schlacher K., Kugi A.: "Coupling effects in multi stand rolling mills", Metal Forming 2000, pp. 295-301, 2000.
  • Bland D., Ford H., Ellis F.: "Cold rolling with strip tension", Part I, Journal of the Iron and Steel Institute, pp. 57-72, 1951.
  • Bland D., Ford H., Ellis F.: "Cold rolling with strip tension", Part II, Journal of the Iron and Steel Institute, pp. 239-245, 1952.
  • Bland D., Ford H.: "Cold rolling with strip tension", Part III, Journal of the Iron and Steel Institute, pp. 245-249, 1952.
  • Jortner D., Osterle J., Zorowski C.: "An analysis of cold strip rolling", Int. J. Mech. Sci., Vol.2, pp. 179-194, 1960.
In Verknüpfung mit dem Regelgesetz gelingt es, auf Basis einer präzisen Vorhersage des Anlagenverhaltens, eine oder mehrere Stellgrößen zu ermitteln und über wenigstens einen Aktuator den Betriebszustand der Walzanlage derart zu beeinflussen, dass die Entstehung von 3. und 5. Oktav-Schwingungen für alle Betriebszustände der Anlage verhindert werden. Damit wird sichergestellt, dass beispielsweise für hohe Walzgeschwindigkeiten und geringe Walzgutdicken die Entstehung von Oktav-Schwingungen verhindert wird.
Durch die permanente Beobachtung des Anlagenzustands, über zumindest eine permanent gemessene Größe, einer laufenden Zuführung der Größe an den Regler und der Ermittlung wenigstens einer zeitlich veränderlichen Stellgröße in Echtzeit, wird eine permanente Überwachung und ein permanenter Eingriff in das Anlagenverhalten erreicht. Aufgrund der Beaufschlagung der Anlage über wenigstens einen Aktuator, wird dem schwingungsfähigen System laufend Energie entzogen, sodass die Ausbildung bzw. die Entstehung von Oktav-Schwingungen sicher verhindert wird. Die gemessene Größe wird als Indikator für den Anlagenzustand herangezogen und bei definierten Werten gehalten.
Nach einer besonderen Ausführungsform wird als gemessene Größe die vertikale Beschleunigung des Walzensatzes herangezogen. Die vertikale Beschleunigung hat sich als guter Indikator für den Schwingungszustand im Walzgerüst herausgestellt, da dadurch Auskunft über die aktuelle Bewegungssituation der Walzen und damit des Lastwalzspaltes gegeben wird. Über eine einfache Messinstallation kann der Betriebszustand präzise und kostengünstig erfasst werden.
Eine weitere einfache Ausführung der Erfindung sieht als gemessene Größe die Verwendung des Zylinderdrucks der Walzenanstellung vor. Durch diese Ausgestaltung wird der aktuelle Betriebszustand sehr gut über die Zylinderdrücke, beispielsweise der Anstellzylinder, abgebildet, sodass auf Basis der Messung eine exakte Vorhersage des Anlagenverhaltens und über einen Regeleingriff die Vermeidung von Oktav-Schwingungen möglich ist.
In einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens wird als gemessene Größe die vertikale Position des Kolbens der Walzenanstellung herangezogen. Da die vertikale Position des Walzensatzes bzw. der Walzen des Walzensatzes den Lastwalzspalt definieren, ist aus Abweichungen von einer Anstellposition das Schwingungsverhalten gut ableitbar.
Eine weitere Ausführungsform wird durch die Verwendung des Zugspannungszustands im Walzgut als gemessene Größe erreicht. Damit wird insbesondere auch die Kopplung der Gerüste der Walzanlage über das Walzgut und der sich überlagernden Schwingungen in den Walzgerüsten abgebildet.
In einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mehrere permanent gemessene Größen als Eingangsgrößen für den Regler herangezogen. Durch die Kombination zweier oder mehrerer gemessener Größen wird der aktuelle Betriebszustand sehr präzise erfasst, sodass über die Regelstrecke eine bestmögliche Beeinflussung des Schwingungsverhaltens erzielt wird. Dabei werden Kombinationen zumindest zweier gemessener Größen wie z.B. der vertikalen Beschleunigung und/ oder des Zylinderdrucks der Walzenanstellung und/ oder der vertikalen Position des Kolbens der Walzenanstellung und/ oder des Zugspannungszustands im Walzgut herangezogen, wobei die Ausführung den Bedürfnissen der Walzanlage entsprechend gewählt wird. Eine Anpassung der erfindungsgemäßen Regelung an die jeweilige Anlagensituation ist damit noch präziser möglich.
Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Beaufschlagung der Walze des Walzensatzes in der oder den Anstellrichtungen des Walzensatzes. Durch diese Maßnahme wir unmittelbar eine gezielte Beeinflussung des Schwingungsverhaltens und damit des Lastwalzspaltes erreicht. Vorteilhaft ist auch die Möglichkeit die bestehende Anstellung in den jeweiligen Gerüsten zu nutzen, zusätzliche Aggregate können damit vermieden werden.
Eine Erweiterung dieses Erfindungsgedankens für Anwendungen mit besonders hohen Ansprüchen wird durch eine Beaufschlagung der Walze des Walzensatzes in mehreren Richtungen erreicht. Da die 3. und 5. Oktav-Schwingungen sich tlw. nicht einer einzelnen Bewegungsrichtung zuordnen lassen, sondern dreidimensionale Wirkbewegungen verursachen, gelingt durch das Einwirken der Aktuatoren in mehreren Richtungen eine noch effizientere Vermeidung von Schwingungen. Insbesondere ist damit für beliebige Walzenanordnungen bzw. Walzgerüstkonfigurationen eine Lösung für ein Regelungsverfahren zur Vermeidung von 3. und 5. Oktav-Schwingungen gegeben.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht die Beaufschlagung wenigstens einer Walze über die Anstellvorrichtung des Walzensatzes vor. Aufgrund dieses Merkmals wird durch die Kopplung von Anstellung und Eingriff zur Vermeidung von Schwingungen in einem überlagerten Prozess eine sehr einfache und kostengünstige Lösung gefunden.
Eine weitere mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht eine Beaufschlagung der Walze über die axiale Walzenverschiebevorrichtung des Walzensatzes vor. Durch die Nutzung eines, in vielen Walzgerüsten standardgemäß bereits vorhandenen, Aktuators kann eine sehr einfache Lösung gefunden werden. Durch die Kombination dieser Lösung mit einer Beaufschlagung über die Walzenanstellung wird eine sehr flexible Lösung erreicht, die allen Ansprüchen gerecht wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht die Vermeidung von 3. und 5. Oktav-Schwingungen durch eine permanente Reduktion der Schwingungsenergie, also einer kontinuierlichen Energieabfuhr aus dem schwingungsfähigen System Walzgerüst, insbesondere dem Walzensatz, vor. Durch die kontinuierliche Energieabfuhr wird sichergestellt, dass sich keine Schwingungen bzw. Vibrationen, insbesondere solche mit hohem Energieinhalt ausbilden, die zu erheblichen Anlagenschäden oder auch zu Fehlern am Walzgut führen können.
Eine besondere Ausführungsform sieht die Reduktion von Schwingungen insbesondere in Anstellrichtung der Walzen vor. Diese vereinfachte Lösung lässt Schwingungen mit anderer Richtung als der Anstellrichtung außer Acht. Damit wird eine einfache Lösung für das Verfahren gefunden, die der Forderung nach sicherer Vermeidung von 3. und 5. Oktav-Schwingungen gerecht wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Vermeidung von Schwingungen, wie z.B. 3. und 5. Oktav-Schwingungen, in einer Walzanlage mit zumindest einem Walzgerüst mit Walzenanstellung und zumindest einem Walzensatz umfasst wenigstens eine Messeinrichtung, zum permanenten Messen einer Größe der Walzanlage, einen Regler, der ein mathematisches Regelgesetz und den Anlagenzustand charakterisierende Teilmodelle umfasst, dem die gemessene Größe zuführbar ist, wobei mit Hilfe dieses Reglers in Echtzeit zumindest eine zeitlich veränderliche Stellgröße ermittelbar ist, und weiters zumindest einen Aktuator, dem die Stellgröße zuführbar ist und über den mindestens eine der Walzen des Walzensatzes und/ oder das Walzgut beaufschlagbar sind/ ist.
Durch diesen einfachen Aufbau wird eine kostengünstige Lösung gefunden, die weitgehend auf robusten und betriebssicheren Komponenten aufsetzt. Durch die erfindungsgemäße Reglerlösung wird erreicht, dass die Walzanlage das gewünschte, durch die Sollgröße vorgegebene, Verhalten zeigt.
Nach einer besonderen Ausführungsform wird als Aktuator ein hydraulisches Stellelement eingesetzt. Durch die Kombination mit, in Gerüsten bereits vorhandenen, weiteren hydraulischen Stellgliedern, wie z.B. die hydraulische Walzenanstellung bzw. die axiale Walzenverschiebung wird eine robuste und sichere Lösung mit hoher Flexibilität, unabhängig vom Anlagentyp, erreicht.
Eine weitere besondere Ausführungsform sieht ein Piezo-elektrisches Stellelement als Aktuator vor, das sich durch eine hohe Dynamik und eine hohe Energiedichte auszeichnet, sodass eine sehr hohe Präzision beim Stelleingriff erreicht wird. Der Aktuator wird derart in der Walzanlage installiert, dass sehr wohl dynamische, nicht aber statische Lasten auf das piezo-elektrische Stellelement einwirken können. Dies stellt sicher, dass Überlasten nicht zu Schäden am piezo-elektrischen Stellelement führen können.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung wird durch die Kombination von verschiedenen Stellgliedern erreicht, da durch die unterschiedlichen Charakteristika der Stellglieder Teilfrequenzen jeweils sehr gut abgedeckt werden können.
Schwingungen bzw. Vibrationen stellen für Walzprozesse einen Störeffekt dar, der sich als Defekt am Walzgut abbildet. Meist treten insbesondere Oberflächendefekte und Dickenabweichungen am Walzgut auf.
Abweichungen von der Solldicke des Walzgutes verursachen große Kosten, da stets eine Mindestdicke vom Hersteller gewährleistet werden muss. Alle positiven Dickenabweichungen, also Dicken größer als die garantierte Mindestdicke, stellen somit einen sehr erheblichen Kostenfaktor dar, da dies auf die Gesamtproduktionsmenge des Walzwerkes umgelegt werden muss. Eine Verringerung der Dickenabweichungen, also engere Dickentoleranzen, bedeutet für den Walzwerksbetreiber ein sehr hohes Einsparungspotential. Für viele Weiterverarbeitungsschritte verursachen zu große Dickenabweichungen am Walzgut, insbesondere beim Umformen, nicht akzeptable Störungen, sodass größere Dickenabweichungen ein Ausscheiden des Walzgutes nötig machen. Dies führt zu sehr hohen Ausschusskosten.
Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung auf Walzprozesse zur Herstellung von Walzgut wird neben der Vermeidung von Schäden an der Anlage und Defekten am Walzgut ein insgesamt stabilerer Walzprozess erreicht. Dadurch können engere Dickentoleranzen am Walzgut eingehalten und Ausfälle durch Oberflächendefekte vermieden werden. Unter Dickentoleranz versteht man dabei jene Walzgutdicken, die eine zulässige Abweichung von einer Solldicke darstellen, also bestimmte vordefinierte Abweichungen nicht überschreiten. Übliche Angaben dazu erfolgen als Prozentangabe der Walzgutdicke oder absolut mit Angabe der zulässigen Abweichungen in ± Betrag von der Solldicke, wobei die Angabe häufig in µm erfolgt.
Die erreichbaren Dickentoleranzen stellen einen wesentlichen Entwicklungsschritt dar, da diese mit heute verfügbaren Verfahren und Einrichtungen nicht dargestellt werden können.
Gegenüber dem Stand der Technik gelingt es, durch die stabileren Walzbedingungen, Dickentoleranzen einzustellen, die zumindest um 20% enger, als heute technisch übliche Toleranzen wie z.B. in Tandemkaltwalzanlagen zu erreichen. Tab. 1 zeigt typische Dickentoleranzen einer Tandemkaltwalzanlage. Diese Dickentoleranzen gelten für bandförmiges Walzgut ausgenommen kurzer Abschnitte am Bandkopf und am Bandfuß, wobei die Längen dieser Abschnitte durch Garantieformulierungen definiert werden, die die spezifischen Besonderheit einer Anlage berücksichtigen und daher variieren können.
Banddicke Toleranz
0,25 - 0,50 mm ± 1,2 %
0,50 - 0,89 mm ± 1,0 %
0,89 - 1,60 mm ± 0,9 %
1,60 - 2,54 mm ± 0,8 %
Insbesondere für dünne und breite Bänder, die technologisch die höchsten Anforderungen stellen, bietet die erfindungsgemäße Lösung, eine gegenüber dem Stand der Technik vollkommen neue Idee und technische Ausführungsform.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren beispielhaft erläutert.
Fig.: 1 Regelschema der Regelstrecke
Fig.: 2 Anlagenschema
Figur 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau der Regelstrecke, wobei hier nicht auf die Reglermathematik bzw. die Teilmodelle eingegangen wird.
Über Messaufnehmer bzw. die dazu nötige Sensorik 1 werden Größen 2 der Walzanlage erfasst. Diese Messgrößen 2 werden einem Regler 3 zugeführt. Der Regler 3 enthält ein mathematisches Regelgesetz und den Anlagenzustand charakterisierende Teilmodelle. Mit Hilfe des Reglers 3 wird in Echtzeit wenigstens eine zeitlich veränderliche Stellgröße 4 ermittelt und der Aktuatorik 5 zugeführt. Durch die Aktuatorik 5 erfolgt eine Beaufschlagung der Walzanlage (der Strecke) 6, wobei der Schwingungszustand der Walzanlage 6 gezielt beeinflusst wird. Einwirkende Störgrößen 7 werden über die gemessenen Größen 2 berücksichtigt. In einem Vergleich der gemessenen Größen 2 mit den Sollgrößen 8 erfolgt die Einstellung des Sollzustandes bzw. der Regeleingriff in das schwingungsfähige System der Walzanlage 6.
In Fig. 2 ist ein Gerüst einer Walzanlage 6 mit den schematisch angedeuteten wichtigsten Bauelementen dargestellt. Über einen Regler 3 und ein Servoventil 12 wird ein Aktuator 5, hier als Hydraulikzylinder angedeutet, beaufschlagt. Damit erfolgt neben der Anstellbewegung auch die Beaufschlagung zur Vermeidung von Schwingungen. Als Eingangsgrößen für einen Regler 3 sind Signale einer Weg- oder Positionsmessung 9, einer Druckmessung 10 oder einer Beschleunigungsmessung 11 mit einem Beschleunigungsaufnehmer 13 angedeutet. Darüber hinaus können Eingangsgrößen, die das Walzgut betreffen, wie z.B. Spannungszustände im Walzgut 14,15 oder auch Kombinationen dieser Größen zur Anwendung kommen. Zur Bestimmung der Spannungszustände im Walzgut können z.B. hier nicht dargestellte Messeinrichtungen, die berührend am Walzgut messen, verwendet werden. Aktuatoren zur Beaufschlagung z.B. des Hydraulikzylinders sind hier nicht näher dargestellt, deren entsprechende Anordnung stellt für den Fachmann aufgrund seines Wissens jedoch kein Problem dar. In einer möglichen Ausführungsform, wie hier dargestellt, wird der Hydraulikzylinder zur Walzenanstellung zusätzlich zur Vermeidung von Schwingungen beaufschlagt.

Claims (19)

  1. Verfahren zur Vermeidung von Schwingungen, insbesondere 3. und 5. Oktav-Schwingungen, in einer Walzanlage mit zumindest einem Walzgerüst mit Walzenanstellung und zumindest einem Walzensatz, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine permanent gemessene Größe der Walzanlage einem Regler (3), der ein mathematisches Regelgesetz und den Anlagenzustand charakterisierende Teilmodelle umfasst, zugeführt, mit Hilfe dieses Reglers (3) in Echtzeit zumindest eine zeitlich veränderliche Stellgröße (4) ermittelt, zumindest einem Aktuator (5) zugeführt und durch den Aktuator (5) mindestens eine der Walzen des Walzensatzes und/ oder das Walzgut beaufschlagt wird, wobei die Regelgrößen bei definierten Sollwerten gehalten werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass lineare und/ oder nichtlineare Teilmodelle Einsatz finden.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilmodelle ein hydraulisches Modell und/ oder ein mechanisches Modell und/ oder ein Walzkraftmodell umfassen.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als gemessene Größe die vertikale Beschleunigung des Walzensatzes herangezogen wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als gemessene Größe der Zylinderdruck der Walzenanstellung herangezogen wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als gemessene Größe die Kolbenposition der Walzenanstellung herangezogen wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als gemessene Größe der Zugspannungszustand im Walzgut herangezogen wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als gemessene Größen Kombinationen der vertikalen Beschleunigung und/ oder des Zylinderdrucks der Walzenanstellung und/ oder der vertikalen Position des Walzensatzes und/ oder des Zugspannungszustands herangezogen werden.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beaufschlagung der Walze des Walzensatzes in Anstellrichtung erfolgt.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beaufschlagung der Walze des Walzensatzes in mehreren Richtungen erfolgt.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beaufschlagung der Walze über die Anstellvorrichtung des Walzensatzes erfolgt.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beaufschlagung der Walze über eine axiale Walzenverschiebevorrichtung des Walzensatzes erfolgt.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Beaufschlagung der Walze der Energieinhalt von Schwingungen in Anstellrichtung reduziert und/ oder eliminiert wird.
  14. Vorrichtung zur Vermeidung von Schwingungen, insbesondere 3. und 5. Oktav-Schwingungen, in einer Walzanlage mit zumindest einem Walzgerüst mit Walzenanstellung und zumindest einem Walzensatz zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Messeinrichtung (9,10,11), zum permanenten Messen einer Größe der Walzanlage, und ein Regler (3), der ein mathematisches Regelgesetz und den Anlagenzustand charakterisierende Teilmodelle umfasst, dem die gemessene Größe (2) zuführbar ist, vorgesehen sind und mit Hilfe dieses Reglers (3) in Echtzeit zumindest eine zeitlich veränderliche Stellgröße (4) ermittelbar ist, und weiters zumindest einen Aktuator (5) umfasst, dem die Stellgröße (4) zuführbar ist und über den mindestens eine der Walzen des Walzensatzes und/ oder das Walzgut beaufschlagbar ist/ sind.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (5) als hydraulisches und/ oder servo-hydraulisches Stellelement ausgebildet ist.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator als piezo-elektrisches Stellelement ausgebildet ist.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator Kombinationen von verschiedenen Stellelementen umfasst.
  18. Verfahren zur Herstellung von Walzgut nach einem Verfahren entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 13.
  19. Bandförmiges Walzgut hergestellt nach einem Verfahren, charakterisiert nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 14 und Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Walzgut Dickenabweichungen aufweist, die zumindest 20% geringer als die folgenden Dickentoleranzen sind. Banddicke Toleranz 0,25 - 0,50 mm ± 1,2 % 0,50 - 0,89 mm ±1,0% 0,89 - 1,60 mm ± 0,9 % 1,60 - 2,54 mm ± 0,8 %
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