EP3323519B1 - Verfahren zur hydrostatischen abstützung von arbeitswalzen für das kaltwalzen hochfester und/oder dünner bänder - Google Patents

Verfahren zur hydrostatischen abstützung von arbeitswalzen für das kaltwalzen hochfester und/oder dünner bänder Download PDF

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EP3323519B1
EP3323519B1 EP17202005.9A EP17202005A EP3323519B1 EP 3323519 B1 EP3323519 B1 EP 3323519B1 EP 17202005 A EP17202005 A EP 17202005A EP 3323519 B1 EP3323519 B1 EP 3323519B1
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Johannes Alken
Markus SCHELLMANN
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    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
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    • B21B13/14—Metal-rolling stands, i.e. an assembly composed of a stand frame, rolls, and accessories having counter-pressure devices acting on rolls to inhibit deflection of same under load; Back-up rolls
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B45/00—Devices for surface or other treatment of work, specially combined with or arranged in, or specially adapted for use in connection with, metal-rolling mills
    • B21B45/02—Devices for surface or other treatment of work, specially combined with or arranged in, or specially adapted for use in connection with, metal-rolling mills for lubricating, cooling, or cleaning
    • B21B45/0203—Cooling
    • B21B45/0206—Coolants
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B45/00—Devices for surface or other treatment of work, specially combined with or arranged in, or specially adapted for use in connection with, metal-rolling mills
    • B21B45/02—Devices for surface or other treatment of work, specially combined with or arranged in, or specially adapted for use in connection with, metal-rolling mills for lubricating, cooling, or cleaning
    • B21B45/0239—Lubricating
    • B21B45/0242—Lubricants
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B29/00—Counter-pressure devices acting on rolls to inhibit deflection of same under load, e.g. backing rolls ; Roll bending devices, e.g. hydraulic actuators acting on roll shaft ends

Definitions

  • the present invention relates to a method for the hydrostatic support of work rolls for rolling metal strips in a rolling mill with supporting shells pressed along the length of the work rolls.
  • the process is not only particularly suitable for the cold rolling of high-strength and/or thin metal strips.
  • the oil-based cooling lubricants Compared to water-based systems, the oil-based cooling lubricants have the disadvantages of flammability and the significantly poorer heat transfer and lower heat capacity. This severely limits the productivity of rolling mills.
  • the emulsions have the disadvantage that the oil-based droplets first have to settle on the roller and strip surface so that the lubricating additives they contain and the higher viscosity of the oil phase can develop their effect.
  • Another disadvantage of emulsions is the insufficient filterability, since dirt particles in the size of the oil droplets cannot be removed from the coolant without simultaneously discharging the oil phase.
  • biological decomposition and changes in the droplet size distribution can unintentionally change the properties of the coolant.
  • the EP 2 797 701 B1 describes a process for rolling metallic materials using single-phase and therefore finely filterable, water-based cooling lubricants with water-soluble forming additives (tribologically active additives).
  • roll stands for rolling high-strength and/or thin strips have a horizontal support for the work roll to prevent horizontal deflection.
  • Known scaffolding types are MKW, Z-High / 18-High, 12-roller scaffold and 20-roller scaffold.
  • the support forces are transmitted through mechanical contact of metallic rollers with the work rolls, the inhomogeneous wear of the work rolls can result, with correspondingly unfavorable effects on the surface quality of the strip.
  • rollers and support bearings wear out, since high contact pressures occur due to the small contact surfaces, which is associated with increased maintenance and costs.
  • the coolant from the rolling process is used as the fluid for the hydrostatic support.
  • the applications known to date are either a rolling oil with a viscosity of less than 8 cSt at 40°C or an emulsion whose effective viscosity in relation to the support system is very close to the viscosity of water.
  • high volume flows and small gap widths between the supporting shell and the roller are required due to this inherently low viscosity.
  • Higher volume flow is associated with higher pump performance and thus higher energy consumption.
  • the temperature of the emulsion cannot be lowered below 40°C for the support apparatus either, as otherwise organic decomposition will occur in dead spaces of lines or support shells.
  • Another disadvantage of using multi-phase MWF is the occurrence of partial separation into the components (e.g. in water and oil in the case of emulsions) in the area of the support apparatus, which has a disruptive effect on the uniformity of the flow and thus on the support effect.
  • the supporting shells are therefore subject to high wear and tear and must be replaced regularly.
  • the water-based single-phase cooling lubricant is used for roller and strip cooling as well as roller gap lubrication and has an increased viscosity of > 8 cSt (measured at a temperature of 40° C.) compared to water and rolling oils.
  • the water-based single-phase cooling lubricant for lubricating the roll gap is applied to the roll gap at a higher temperature than the water-based single-phase cooling lubricant for supporting the work roll via the supporting shell.
  • a lower temperature means higher viscosity and thus more effective hydrostatic and/or hydrodynamic support, and additionally improved heat dissipation from the work roll. It is therefore advantageous to temper the water-based, single-phase cooling lubricant for supporting the work roll in such a way that its viscosity is higher than the viscosity of the water-based, single-phase cooling lubricant for lubricating the roll gap. For this purpose, a separate supply of the water-based, single-phase cooling lubricant to the support shell and to the roll gap lubrication is being considered.
  • the water-based single-phase cooling lubricant for lubricating the roll gap or the water-based single-phase cooling lubricant for supporting the work roll in quantity, pressure or temperature over the strip width to be rolled. In this way, the flatness of the strip can be influenced.
  • another particularly advantageous embodiment of the method according to the invention provides for the horizontal position and the contact pressure of the supporting shells to be preset as a function of the rolling conditions, or to change this presetting during the rolling process.
  • the above-mentioned settings are made or controlled by a process model and adjusted online according to a target specification of how the strip to be rolled should look.
  • the water-based single-phase cooling lubricant is adjusted in such a way that it has a lower pressure-viscosity dependence (high viscosity for support in connection with not too high viscosity in the roll gap under high pressure) compared to mineral oils.
  • the water-based single-phase cooling lubricant will also be used as a medium for hydraulic cylinders or bearings in the scaffolding area. This means that any leaks that occur are unproblematic.
  • the coolant emerging from the supporting shells is guided in such a way that it also ensures the lubrication of the roll gap.
  • a separate application device for lubricating the roll gap can thus be dispensed with.
  • a targeted different temperature control of the coolant for support and roller gap lubrication as suggested above is then no longer possible, but heating the coolant in contact with the roller in the area of the supporting shell achieves a comparable effect, since the fluid entering the roller gap has a higher temperature than in the flow to the bearing frame.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur hydrostatischen Abstützung von Arbeitswalzen für das Walzen metallischer Bänder in einem Walzwerk mit über die Länge der Arbeitswalzen angedrückten Stützschalen. Das Verfahren ist nicht nur aber besonders geeignet für das Kaltwalzen hochfester und/oder dünner metallischer Bänder.
  • Beim Kaltwalzen metallischer Bänder werden in aller Regel Fluide auf die Walzen und/oder das Band aufgebracht, die sog. Kühlschmierstoffe (KSS). Sie haben im Wesentlichen die folgenden Funktionen:
    • Kühlen von Walzen und Band (Abfuhr der Umform- und Reibungswärme).
    • Schmierung der Wirkfuge (Einstellung geeigneter tribologischer Verhältnisse im Walzspalt).
    • Reinigung von Walzen und Band sowie Abtransport der Schmutzpartikel.
  • Zur Erfüllung der o.g. Funktionen sollte ein Kühlschmierstoff folgende Eigenschaften aufweisen:
    • Hohe Wärmekapazität, guter Wärmeübergang.
    • Genügender Schmierfilmeinzug zur Erzielung eines Mischreibungszustandes durch prozeßangepaßte Viskosität des Kühlschmierstoffs und Einstellung eines prozeßangepaßten Grenzreibungszustandes durch tribologisch aktive Additive.
    • Gute Waschwirkung und gute Filtrierbarkeit.
  • In der industriellen Kaltwalzpraxis haben sich folgende KSS-Systeme durchgesetzt:
    • Einphasige ölbasierte KSS (Walzöle).
    • Wasserbasierte KSS mit dispergierten ölbasierten Tröpfchen (Emulsionen).
  • Die ölbasierten KSS haben gegenüber wasserbasierten Systemen die Nachteile der Brennbarkeit sowie des deutlich schlechteren Wärmeübergangs und geringerer Wärmekapazität. Dadurch wird die Produktivität von Walzanlagen stark eingeschränkt.
  • Die Emulsionen haben hingegen den Nachteil, dass sich die ölbasierten Tröpfchen erst auf Walzen- und Bandoberfläche absetzen müssen, damit die in ihnen enthaltenen schmieraktiven Additive und die höhere Viskosität der Ölphase ihre Wirkung entfalten. Weiterer Nachteil von Emulsionen ist die ungenügende Filtrierbarkeit, da Schmutzpartikel in der Größenordnung der Öltröpfchen dem KSS nicht entzogen werden können ohne auch gleichzeitig die Ölphase auszutragen. Außerdem kann biologische Zersetzung und Veränderung der Tröpfchengrößenverteilung die Eigenschaften des KSS ungewollt verändern.
  • Um die Vorteile der traditionellen KSS-Systeme zu nutzen, ohne aber die aufgeführten Nachteile einzugehen, wurde in der EP 2 797 701 B1 ein Verfahren zum Walzen von metallischen Werkstoffen unter Nutzung einphasiger und damit feinstfiltrierbarer, wasserbasierter Kühlschmierstoffe mit wasserlöslichen Umformadditiven (tribologisch aktive Additive) beschrieben.
  • Je hochfester und/oder dünner die Bänder beim Kaltwalzen werden, desto kleiner ist der technologisch sinnvolle Arbeitswalzendurchmesser. Es ist bekannt, dass schlanke Arbeitswalzen (kleiner Durchmesser, verbunden mit einer großen Ballenlänge) eine horizontale Instabilität aufweisen, d.h. die obere Arbeitswalze biegt sich durch die Horizontalkomponente der Walzkraft bspw. in Walzrichtung aus, die Folgen sind unkontrollierbare Planheit bis hin zu Walzenbrüchen.
  • Aus diesem Grund weisen Walzgerüste zum Walzen hochfester und/oder dünner Bänder eine horizontale Abstützung der Arbeitswalze gegen horizontale Ausbiegung auf. Bekannte Gerüstarten sind MKW, Z-High / 18-High, 12-Rollengerüst und 20-Rollengerüst. In allen Fällen werden die Stützkräfte durch mechanischen Kontakt von metallischen Rollen mit den Arbeitswalzen übertragen, der inhomogenen Verschleiß der Arbeitswalzen nach sich ziehen kann, mit entsprechend ungünstigen Auswirkungen auf die Oberflächenqualität des Bandes. Darüber hinaus verschleißen bei den bisher bekannten mechanischen Abstützvorrichtungen Rollen und Stützlager, da hohe Kontaktpressungen aufgrund der kleinen Kontaktflächen auftreten, was mit einem erhöhten Wartungs- und Kostenaufwand verbunden ist.
  • Einen anderen Weg, nämlich die hydrostatische Abstützung mittels seitlich an den Arbeitswalzen angedrückten Stützschalen, wird in der DE 38 11 952 A1 beschrieben. Der Oberbegriff von Anspruch 1 basiert auf diesem Dokument.
  • Als Fluid für die hydrostatische Abstützung wird der KSS des Walzprozesses eingesetzt. Es handelt sich bei den bisher bekannten Anwendungen entweder um ein Walzöl mit Viskosität kleiner 8 cSt bei 40°C oder um eine Emulsion, deren effektive Viskosität in Bezug auf das Stützsystem der Viskosität von Wasser sehr nahe kommt. Zur Erzielung ausreichender Stützkräfte werden aufgrund dieser prinzipbedingt niedrigen Viskosität hohe Volumenflüsse und niedrige Spaltbreiten zwischen Stützschale und Walze benötigt. Höherer Volumenfluß ist mit einer höheren Pumpenleistung und damit höherem Energieverbrauch verbunden. Die Temperatur der Emulsion kann auch für den Stützapparat nicht unter 40°C gesenkt werden, da es ansonsten zu einer organischen Zersetzung in Toträumen von Leitungen oder Stützschalen kommt. Ein weiterer Nachteil bei der Verwendung mehrphasiger KSS ist das Auftreten partieller Separation in die Bestandteile (bspw. in Wasser und Öl bei Emulsionen) im Bereich des Stützapparates, die sich störend auf die Gleichmäßigkeit des Strömungsflusses und damit der Stützwirkung auswirkt. Die Stützschalen unterliegen daher hohem Verschleiß und müssen regelmäßig getauscht werden.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur hydrostatischen Abstützung von Arbeitswalzen für das Kaltwalzen metallischer Bänder in einem Walzwerk mit über die Länge der Arbeitswalzen angedrückten Stützschalen vorzuschlagen, mit der die oben genannten Nachteile überwunden werden können.
  • Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst, insbesondere dadurch, dass einphasige, wasserbasierte, mit wasserlöslichen Umformadditiven versetzte Kühlschmierstoffe in die Stützschale eingepresst werden, um hierdurch eine horizontale hydrostatische und/oder hydrodynamische Abstützung der Arbeitswalze von einer oder zwei Seiten über die Stützschale(n) durchzuführen.
  • In einer anderen Ausführungsform ist es vorgesehen, dass der wasserbasierte einphasige Kühlschmierstoff für die Walzen- und Bandkühlung sowie die Walzspaltschmierung eingesetzt wird und gegenüber Wasser und Walzölen eine erhöhte Viskosität von > 8 cSt (gemessen bei einer Temperatur von 40°C) aufweist.
  • Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, wird der wasserbasierte einphasige Kühlschmierstoff zur Walzspaltschmierung wird mit einer höheren Temperatur in den Walzspalt aufgebracht als der wasserbasierte einphasige Kühlschmierstoff für die Stützung der Arbeitswalze über die Stützschale. Eine niedrigere Temperatur bedeutet höhere Viskosität und damit effektivere hydrostatische und/oder hydrodynamische Stützung, und zusätzlich noch eine verbesserte Wärmeabfuhr aus der Arbeitswalze. Deshalb ist es vorteilhaft, den wasserbasierten einphasigen Kühlschmierstoff zur Stützung der Arbeitswalze so zu temperieren, dass seine Viskosität höher ist, als die Viskosität des wasserbasierten einphasigen Kühlschmierstoffs zur Walzspaltschmierung. Hierzu ist angedacht eine getrennte Zuführung des wasserbasierten einphasigen Kühlschmierstoffes zur Stützschale und zur Walzspaltschmierung durchzuführen.
  • Des Weiteren ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, den wasserbasierten einphasigen Kühlschmierstoff der Walzspaltschmierung oder den wasserbasierten einphasigen Kühlschmierstoff zur Stützung der Arbeitswalze in Menge, Druck oder Temperatur über die zu walzende Bandbreite zu variieren. Hierdurch kann eine Beeinflussung der Bandplanheit erreicht werden.
  • Um eine stabile Anlage der Stützschale bei vertretbaren Horizontalkräften zu gewährleisten, ist es in einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, die horizontale Lage und den Anpressdruck der Stützschalen in Abhängigkeit von den Walzbedingungen eine Voreinstellung vorzunehmen oder diese Voreinstellung während des Walzprozesses zu verändern. Dabei werden die o.g. Einstellungen durch ein Prozessmodell vorgenommen, bzw. gesteuert und entsprechend einer Zielvorgabe, wie das zu walzende Band auszusehen hat, online eingeregelt.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der wasserbasierte einphasige Kühlschmierstoff so eingestellt, dass dieser eine gegenüber Mineralölen niedrigere Druck-Viskositäts-Abhängigkeit (hohe Viskosität für Stützung in Verbindung mit nicht zu hoher Viskosität im Walzspalt unter hohem Druck) aufweist.
  • Des Weiteren ist es vorgesehen, dass der wasserbasierte einphasige Kühlschmierstoff auch als Medium für Hydraulikzylinder oder Lager im Gerüstbereich eingesetzt wird. Hierdurch werden auftretende Leckagen unproblematisch.
  • In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der aus den Stützschalen austretende KSS so geführt, daß er die Schmierung des Walzspalts mit gewährleistet. Damit kann auf eine separate Aufbringungseinrichtung zur Walzspaltschmierung verzichtet werden. Eine gezielte andere Temperierung des KSS für Stützung und Walzspaltschmierung wie oben vorgeschlagen ist dann zwar nicht mehr möglich, durch die Erwärmung des KSS im Kontakt mit der Walze im Bereich der Stützschale wird aber ein vergleichbarer Effekt erzielt, da das in den Walzspalt gelangende Fluid eine höhere Temperatur als im Vorlauf zur Stützschale aufweist.

Claims (7)

  1. Verfahren zur hydrostatischen Abstützung von Arbeitswalzen für das Walzen metallischer Bänder in einem Walzwerk mit über die Länge der Arbeitswalzen angedrückten Stützschalen, dadurch gekennzeichnet, dass ein einphasiger, wasserbasierter, mit wasserlöslichen Umformadditiven versetzter Kühlschmierstoff in die Stützschalen eingepresst wird, um hierdurch eine horizontale hydrostatische und/oder hydrodynamische Abstützung der Arbeitswalzen von je einer oder zwei Seiten über die Stützschalen durchzuführen, wobei der wasserbasierte einphasige Kühlschmierstoff für die Walzen- und Bandkühlung sowie für die Walzspaltschmierung eingesetzt wird und eine Viskosität von > 8 cSt (gemessen bei einer Temperatur von 40°C) aufweist und der wasserbasierte einphasige Kühlschmierstoff zur Walzspaltschmierung mit einer höheren Temperatur in den Walzspalt aufgebracht wird, als der wasserbasierte einphasige Kühlschmierstoff für die Stützung der Arbeitswalze über die Stützschale.
  2. Verfahren zur hydrostatischen Abstützung von Arbeitswalzen für das Walzen metallischer Bänder in einem Walzwerk mit über die Länge der Arbeitswalzen angedrückten Stützschalen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wasserbasierte einphasige Kühlschmierstoff der Walzspaltschmierung oder der wasserbasierte einphasige Kühlschmierstoff zur Stützung der Arbeitswalze in Menge, Druck oder Temperatur über die zu walzende Bandbreite variiert wird.
  3. Verfahren zur hydrostatischen Abstützung von Arbeitswalzen für das Walzen metallischer Bänder in einem Walzwerk mit über die Länge der Arbeitswalzen angedrückten Stützschalen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass, die horizontale Lage und der Anpressdruck der Stützschalen in Abhängigkeit von den Walzbedingungen eine Voreinstellung vorgenommen wird oder diese Voreinstellung während des Walzprozesses verändert wird,
  4. Verfahren zur hydrostatischen Abstützung von Arbeitswalzen für das Walzen metallischer Bänder in einem Walzwerk mit über die Länge der Arbeitswalzen angedrückten Stützschalen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Voreinstellungen in Bezug auf die horizontale Lage und dem Anpressdruck der Stützschalen durch ein Prozessmodell vorgenommen und/oder entsprechend einer Zielvorgabe online eingeregelt werden.
  5. Verfahren zur hydrostatischen Abstützung von Arbeitswalzen für das Walzen metallischer Bänder in einem Walzwerk mit über die Länge der Arbeitswalzen angedrückten Stützschalen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der wasserbasierte einphasige Kühlschmierstoff so eingestellt wird, dass dieser eine gegenüber Mineralölen niedrigere Druck-Viskositäts-Abhängigkeit (hohe Viskosität für Stützung in Verbindung mit nicht zu hoher Viskosität im Walzspalt unter hohem Druck) aufweist.
  6. Verfahren zur hydrostatischen Abstützung von Arbeitswalzen für das Walzen metallischer Bänder in einem Walzwerk mit über die Länge der Arbeitswalzen angedrückten Stützschalen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der wasserbasierte einphasige Kühlschmierstoff auch als Medium für Hydraulikzylinder oder Lager im Gerüstbereich eingesetzt wird.
  7. Verfahren zur hydrostatischen Abstützung von Arbeitswalzen für das Walzen metallischer Bänder in einem Walzwerk mit über die Länge der Arbeitswalzen angedrückten Stützschalen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der aus dem Stützapparat austretende wasserbasierte einphasige Kühlschmierstoff zur Walzspaltschmierung genutzt wird.
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