EP4630953A1 - VERFAHREN ZUR ANWENDUNGSORIENTIERTEN GESTALTUNG UND/ODER ZUR OPTIMIERUNG DER VERSCHLEIß- UND ODER BELASTUNGSBESTÄNDIGKEIT EINES TRIBOLOGISCH BEANSPRUCHTEN BAUTEILS IN EINEM WALZWERK - Google Patents

VERFAHREN ZUR ANWENDUNGSORIENTIERTEN GESTALTUNG UND/ODER ZUR OPTIMIERUNG DER VERSCHLEIß- UND ODER BELASTUNGSBESTÄNDIGKEIT EINES TRIBOLOGISCH BEANSPRUCHTEN BAUTEILS IN EINEM WALZWERK

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Publication number
EP4630953A1
EP4630953A1 EP23821564.4A EP23821564A EP4630953A1 EP 4630953 A1 EP4630953 A1 EP 4630953A1 EP 23821564 A EP23821564 A EP 23821564A EP 4630953 A1 EP4630953 A1 EP 4630953A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
component
data
roller
wear
load
Prior art date
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Pending
Application number
EP23821564.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Joachim Ohlert
Matthias Kipping
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 Group 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
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Priority claimed from DE102023208923.8A external-priority patent/DE102023208923A1/de
Application filed by SMS Group GmbH filed Critical SMS Group GmbH
Publication of EP4630953A1 publication Critical patent/EP4630953A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/17—Mechanical parametric or variational design
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/27—Design optimisation, verification or simulation using machine learning, e.g. artificial intelligence, neural networks, support vector machines [SVM] or training a model
    • 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
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/04—Ageing analysis or optimisation against ageing

Definitions

  • the invention relates to a method for application-oriented design and/or optimization of the wear and/or load resistance of a mechanically, in particular tribologically stressed component in a rolling mill, in particular a roller or a roller system for engaging in rolling stock in a rolling mill, in particular in a hot rolling mill.
  • the invention relates in particular but not exclusively to a method for the application-oriented development of layer systems on components, preferably rollers, in order to increase or optimally adapt the wear and/or load capacity.
  • a layer system within the meaning of the present application is primarily understood to mean the composition of the layer itself, its heat treatment, its surface quality, its surface geometry, its surface topography, its connection to the substrate or the base body.
  • a roller as a stressed component in a rolling mill is known, for example, from WO 2009/130079A1.
  • This publication relates to a roller for transporting continuously cast steel strands on a roller table or in a continuous casting machine, with a roller body that comprises a roller shell made of a base material and a wear layer applied to the base material by build-up welding with a welding filler material, which encloses the roller shell surface, the base material of the roller shell being steel.
  • the build-up welding is carried out as a single-layer welding.
  • the roller is restored after wear by the roller shell is prepared as a turned part and a single-layer weld overlay is applied to the base material with a certain minimum thickness.
  • the weld layer is then turned back to a closed single-surface roller shell surface while maintaining a minimum thickness of the wear layer.
  • rollers such as those described in WO 2009/130079A1
  • coatings that perform different functions, for example increased wear resistance, increased bending or torsion resistance under static, dynamic or shrinking stress, increased temperature resistance, a certain thermal expansion or thermal conductivity, and increased corrosion resistance.
  • Rollers of the type mentioned above are usually designed for a wide variety of applications, for example as strand guide rollers in continuous casting plants or for installation in roller tables downstream of the continuous casting plant or as rollers which are otherwise designed to engage with the rolled material, such as rollers in rolling stands.
  • rollers are often provided with coatings that take on different functions. Coatings are provided that give the roller increased wear resistance, increased bending or torsion resistance under static, dynamic or oscillating loads, high temperature resistance, high or low thermal expansion or improved thermal conductivity as well as increased corrosion resistance in order to be able to increase the performance of the entire roller in this way.
  • the description of wear resistance occupies a special position among the types of resistance described above, as it is difficult to describe quantitatively. Wear is a phenomenon that can arise in detail from abrasion, adhesion, surface disruption and corrosion or from combinations of these. The result Wear is a system property. It is therefore as different and individual as the system in question itself. Wear pattern recognition and correlation with other patterns can lead to a corresponding advance in increasing wear resistance.
  • the invention is therefore based on the object of providing a method for designing a layer system which, on the one hand, facilitates the design and development of an overall layer consisting of several partial layers with properties of the component optimized with regard to the application and from which, on the other hand, measures for the production and processing as well as the restoration or repair or maintenance of the component can be derived.
  • the object is solved by the features of claim 1.
  • Advantageous embodiments of the invention emerge from the subclaims.
  • One aspect of the invention relates to a method for the application-oriented design of a mechanically, in particular tribologically stressed component in a rolling mill and/or optimization of the wear and/or load resistance of the component, in particular a roller or a roller system for engaging in hot rolling stock in a rolling mill, wherein the at least one component has at least one base body made of a base material and at least one functional layer, in particular a wear layer, designed with regard to an expected load, wherein the method comprises the following steps: the acquisition of tribological data during the manufacture and/or restoration of at least one component, the acquisition of wear and/or load data resulting from the operational use of the component, the correlation of the tribological data from the manufacture and/or restoration of the component with the wear and/or load data from operation in an electronic database and the automatic load-oriented design and/or modification of the structure of the component depending on findings resulting from a preferably computer-implemented evaluation of the correlated data.
  • the roller comprises a roller body which has a roller shell made of a base material and at least one wear layer designed with regard to an expected stress.
  • a ruler or other, in particular planar, means for guiding the rolling stock can also be considered as a component within the meaning of the invention.
  • a roller for engaging in rolling stock within the meaning of the present invention is a roller which is designed as a roller table roller, roller of a rolling mill, guide roller of a continuous casting machine or another unit which is intended in particular for supporting, treating and/or transporting the hot rolling stock.
  • An essential aspect of the invention is the correlation of measurement data resulting from an operational application of the component with measurement data from the manufacture and/or restoration of the component.
  • the tribological data from the manufacture of the component for example using a processing machine as a measuring and testing instrument, are correlated with wear and/or load data from the operational application of the component.
  • This operational wear and/or load data can be recorded intermittently or continuously and is preferably recorded location-dependently, i.e. in relation to the geometry of the outer surface of the component. Machining processes with geometrically defined and indeterminate cutting edges can be used as tribometers according to the invention.
  • the precise, location-dependent recording and evaluation of measurement data and other information on the global and local load state of the mechanical component during operation in a rolling mill or other metal production plant can be used to design a tailor-made layer system that provides the required properties depending on the location and thus has the load capacity required for the respective application.
  • the mechanical load is often maximum in the area of the surface and from there more or less continuously decreases, even with these geometries, more complicated load profiles with load peaks or critical conditions far from the surface often occur, which can be precisely recorded and countered with coordinated property profiles of the layer system.
  • This means that at least one of the layers or a part of one of the layers or the layer is constructed in such a way in terms of material and microstructure that the property relevant for the application is optimal at the relevant point.
  • the new function is also provided for the machining center and data analysis during mechanical processing.
  • the tribological data are measurement data that are selected from a group of measurement data comprising torques, cutting forces, feed forces, friction forces, friction coefficients and temperatures during machining of a roller shell, for example in a machine tool, and surface roughness of the shell surface of the component immediately after machining.
  • This measurement data can be recorded, for example, via a machine control system of a processing machine.
  • the processing machine can, for example, record the forces for the feed of a spindle or the reaction forces occurring on a tool holder or tool holder when machining the roller shell surface as well as the material removal.
  • the material removal and the resulting variables such as surface quality and the shape and position of the surfaces are important variables.
  • Examples of possible data are: specific loads (e.g. point load, line load, surface pressure) speeds (e.g. uniform, non-uniform), slip etc. surface properties (e.g. roughness, waviness, profile, surface hardness, friction coefficient, structure of the grooves) ambient media (e.g. air, water, particles) material temperature time
  • Data from production e.g. from machine tools, e.g. new production, rework
  • Data from planning systems (usually a subset of automation systems)
  • Data from quality systems Data from monitoring systems
  • the wear and/or load data from the operation of the component can be measurement data which are either temporarily recorded on the component in operation or recorded online during operation.
  • the processing history of a component in particular a roll, can be recorded electronically during production and/or restoration.
  • the component can be linked to a corresponding data set, which can also be physically linked to the component, for example via a machine-readable code physically connected to the component.
  • the wear of the component can be recorded manually or automatically and assigned to the corresponding data set. In this way, a large number of data correlations can be generated, which can also be used, for example, to set up a software-controlled/software-based development tool.
  • the measurement data relevant to the load, which are recorded during operation of the component can include variables such as strip temperature and rolling force as well as roller temperature and surface pressure during operation.
  • a progressive expansion of the database and its automated analysis using suitable analytical and/or numerical calculation methods provide a continuous increase in knowledge and an improved understanding of relationships that are used for application-oriented optimization of the wear and load resistance of the component. Such a method can also advantageously be used to automatically change the operational load on the component via a system control system.
  • the machines and machining centers used to manufacture and/or rework the component can each take on the functions of a measuring instrument with regard to load and resilience.
  • a measuring instrument with regard to load and resilience.
  • data and information on the load in the form of torques, cutting forces, forces, friction coefficients and temperatures can be recorded on the one hand and a load capacity directly related to the load, such as in particular wear resistance (for example erosion and surface quality), can be determined under the respective boundary conditions.
  • the wear data preferably comprise measured surface properties selected from a group of measurement data on the roughness, waviness and profile of the component, the surface hardness, the coefficient of friction of the lateral surface of the component and the structure of the wear traces in the lateral surface of the component.
  • the load data can, for example, be selected from a group of data comprising point loads acting on the component, line loads, Surface pressures, in the case of a roll the rotational speed and the slip of the roll during operation as well as the temperature and/or nature of the rolling stock and/or the media used for rolling stock cooling.
  • a service life prediction for the outer surface of the component is derived from the correlation of data from the production and/or restoration and the wear and/or load data, for example with the aid of at least one expert system and/or using methods based on machine learning methods.
  • the processing machine as a measuring and testing instrument, to build a software-based development tool.
  • a tailor-made coating system can be designed that provides the required properties depending on the location and thus has the load-bearing capacity necessary for the respective application.
  • the data recorded before and after industrial use i.e. before the first delivery and during subsequent revision, with regard to, for example, layer thickness, surface quality, hardness, wear and damage, are compared with each other and correlated with the loads during production and also during industrial operation, e.g. in a rolling mill.
  • the measurement data from production and operation can be processed using physical models and/or artificial intelligence methods. are compared and evaluated, also using physical models and/or artificial intelligence methods, the comparison can be carried out with the above-mentioned information on the resilience of the layer or component, on the basis of which recommendations for action for modification or further development of the component and/or adaptation or optimization of the process parameters in industrial operation can be made.
  • Examples of such artificial intelligences are neural networks, adaptive algorithms, evolutionary algorithms, genetic algorithms, or the like.
  • Examples known from the state of the art include: Bayesian belief networks, decision trees, so-called hidden Markov models, case-based reasoning, k-nearest neighbors, self-organizing maps, instance-based learning, support vector machines, artificial neural networks (ANN), recurrent neural networks (RNN), deep neural networks (DNN) or convolutional neural networks (CNN). Any conceivable combination of such designs can also be used.
  • automatic changes can be made during the manufacture of the mechanical component, for example, changes to the material and coating.
  • the changes can also or instead affect the operation.
  • This approach if used systematically and with constant refinement and continuous expansion of the database, can lead to the creation of a completely new development tool that helps to significantly reduce or even eliminate the need for complex laboratory-scale tests.
  • a variant of the procedure is characterized by an automatic evaluation of the recorded data and the development of an automated recommendation for action on the design and/or layout of the component.
  • the data collection, automatic evaluation and the development of a recommendation for action (optimization suggestion, evaluation) for the developer form a common system.
  • This system integrates and links a number of individual algorithms to form an overall algorithm. This provides at least one analysis of the system under consideration with the result that the system generates an optimization suggestion. An evaluation of the current state and optimizations can also be carried out.
  • a component for engaging hot rolling stock in a hot rolling mill which comprises a base body made of a base material and at least one functional layer made of at least one material different from the base material, wherein the material of the at least one functional layer has a higher wear resistance than the base material, wherein the base body comprises at least one further outer layer as a sacrificial layer, which at least partially encloses the at least one functional layer and the sacrificial layer consists of a material that has a lower wear resistance than the at least one functional layer.
  • the component can be designed as a roller.
  • a roller for engaging hot rolling stock in the sense of the present invention is a roller or roll as Roller table roller, roll of a rolling mill, roll of a continuous casting machine or continuous casting guide or other unit intended to support, handle and/or transport the hot rolled stock.
  • the component can comprise a roller body made of at least one base material and a roller shell with at least one functional layer, preferably with at least one wear layer.
  • the roller body and/or the roller shell are, for example, essentially cylindrical, wherein the shell surface of the roller can be conical or cambered.
  • the shell body of the roller can have a plurality of layers that can form a composite with corresponding material properties.
  • At least one outer layer of the roller shell is designed as a so-called functional layer, which means that the material of the functional layer has the desired properties for engagement with the rolling stock with regard to wear resistance or temperature resistance or hardness or ductility.
  • a functional layer within the meaning of the invention is understood to mean a wear protection layer which consists of a material which is more wear-resistant with respect to the base material of the component and/or with respect to other layers of the component.
  • the sacrificial layer does not meet all the requirements for engaging with the rolling stock, in particular this sacrificial layer has a lower wear resistance.
  • the sacrificial layer can nevertheless meet the desired application-specific properties.
  • the base body of the component comprises one or more supplementary layers which are arranged below at least one functional layer.
  • the sacrificial layer can, for example, be applied above a hard layer and form the outermost surface of the component. This can be machined to provide a desired surface quality, for example a certain surface roughness.
  • the sacrificial layer can completely or partially enclose an outer functional layer. If the component has an additional soft layer above a hard layer that has been mechanically reworked, this has various advantages. In this way, it is easier to achieve a good surface quality when coating. Furthermore, mechanical processing of the sacrificial layer is much easier. The sacrificial layer can be reworked using a simpler and more cost-effective process, such as turning or reversing to a nominal diameter. Finally, the tool used for this is cheaper and easier to handle. The valuable hard layer or functional layer is completely or almost completely retained, since the application and removal of the softer layer can be optimally tailored to the application. The thickness of the softer layer can be freely selected within wide limits and thus adapted to the requirements of the overall system.
  • the at least one functional layer consists of a relatively harder and/or more wear-resistant material than the sacrificial layer.
  • the functional layer can, for example, have a radially extending structural and/or property gradient in the case of a roller as a component.
  • the functional layer can have a hardness gradient from the inside to the outside, for example from softer to harder.
  • the functional layer can, for example, comprise a steel that contains a certain proportion of hard foreign phases such as tungsten carbide or titanium carbide These foreign phases can be distributed in a layer, ie continuously, in such a way that a hardness gradient is achieved.
  • a hard functional layer in the sense of the present invention forms a shell surface of the component with a softer cover layer as a sacrificial layer.
  • steel Almost all common types of steel can be used as the material for the base body, for example structural steels such as S355J or tempering steels such as 25CrMo4.
  • a wear-resistant hot-work steel such as 1.2344 or a high-speed steel such as 1.3344 can be considered as a material for at least one functional layer.
  • martensitic stainless steels based on 1.4057 nickel-based alloys such as Inconel 625 and Inconel 718 or cobalt-based alloys such as Stellite 6 and Stellite 21 are also suitable.
  • Particularly wear-resistant layers also contain hard phases such as tungsten carbides and/or titanium carbides. In extreme cases, the volume fraction of the hard phases can exceed that of the matrix.
  • a plurality of functional layers are provided which have different properties and/or consist of different materials.
  • the plurality of functional layers can, for example, form a radial structural and/or property gradient of the roller shell.
  • the outer surface of the component is designed as a single-surface outer surface, ie it has no steps or diameter jumps.
  • the outer surface of a roller as a component can be cylindrical, conical, cambered or S-shaped.
  • a further aspect of the invention relates to a method for producing or restoring a component for engaging in hot rolling stock in a hot rolling mill, in particular for producing or restoring a roll of the type described above, with a roll body which comprises a roll shell made of a base material and at least one functional layer made of at least one material different from the base material, comprising the following processing steps:
  • the sacrificial layer consists of a material which differs from the material properties of the functional layer in terms of material properties and which has a lower wear resistance than the at least one functional layer
  • the application of the at least one functional layer and/or the sacrificial layer can be carried out, for example, by deposition welding, thermal spraying, casting, vapor deposition, plasma coating, centrifugal casting, dusting, galvanic coating or chemical coating.
  • Post-processing can be done by turning and/or milling and/or grinding.
  • the invention is explained below with reference to an embodiment shown in the drawings, which in the specific case relates to a roller as a tribologically stressed component.
  • Figure 1 is a schematic representation of a partial section through a roller
  • FIG. 2 is a schematic representation of several production stages of the
  • Figure 3 is a schematic representation of the manufacturing or repair process of a roll according to the invention by means of several partial sectional views
  • Figure 4 shows a partial section through a roller according to the invention after a certain operating time
  • Figure 5 is a schematic representation of a multilayer system of a roll according to the invention.
  • the roller 1 shown in Figures 1 and 2 is shown as a partial sectional view, with the sectional view being shown above an axis of symmetry of the roller 1.
  • the roller 1 comprises a roller body 2 made of steel as the base material and a roller shell which comprises at least one so-called functional layer 3.
  • a supplementary layer 4 can be arranged below the functional layer 3.
  • the functional layer 3 is usually applied as a wear protection layer with corresponding material properties, for example by welding, to the supplementary layer 4 or directly to the roller body 2.
  • the outer surface of the roller 1 In order for the outer surface of the roller 1 to have the appropriate surface quality, i.e. surface roughness or surface flatness in accordance with the specifications, it is machined after the functional layer 3 has been applied, i.e. usually turned to the nominal diameter of the roller 1 and ground accordingly.
  • the state of the roller 1 after the functional layer 3 has been applied is shown in Figure 2A, the state after the surface has been machined is shown in Figure 2B.
  • the functional layer 3 and a supplementary layer 4 can be optimized and matched to one another as a layer system in terms of the desired properties in an application-oriented manner. According to the invention, it is particularly provided that the wear layer at least in the form of the functional layer 3 described above, a supplementary layer 4 provided approximately below the wear layer and a sacrificial layer 5 optionally provided on the functional layer 3 are designed and optimized as a layer system in accordance with an expected load.
  • the layer structure of the roller shell can comprise a plurality of functional layers 3 and supplementary layers 4, as shown for example in Figure 5.
  • the method according to the invention provides for the use of both production data and operating data and, if appropriate, also data from tests or from the specialist literature for the design of the layer system of the roll shell, wherein the method in particular provides for the correlation of the measurement data recorded during the manufacture or restoration of the roll 1, in particular the measurement data recorded on a machine tool or grinding machine, with operating data from the use of the roll 1.
  • the operating data include wear and/or load data resulting directly from the operational use of roll 1 as well as data derived from automation systems and/or data from monitoring systems of a rolling mill in which roll 1 is used.
  • the above-mentioned data are fed as input data into an expert system or a system based on artificial intelligence and are related to each other both spatially and temporally in relation to the geometry of roll 1 and processed accordingly.
  • the different data sets are correlated with each other.
  • Relevant information, such as patterns, changes and differences, are synthesized using computer-aided algorithms.
  • the results are in turn written into data sets and converted into a machine-readable form.
  • the process includes the automatic load-oriented design and/or modification of the structure of the roll shell.
  • the process includes an automatic change in the operational load on the roll by appropriate control intervention in the process control of the rolling mill.
  • the processed data are used for a lifetime prediction of roll 1.
  • Figures 3 and 4 refer to a structure of the roller shell of the roller 1, which comprises a sacrificial layer 5 in addition to the functional layer 3.
  • Figure 3A shows the state of the roller 1 after application of the functional layer 3 made of a wear-resistant and hard and/or tough material, which the wear properties have more favorable properties than the base material of the roller body 2 and/or a supplementary layer 4 arranged therebetween.
  • the base material of the roller body 2 and/or a supplementary layer 4 arranged therebetween can consist, for example, of a relatively soft material based on the austenitic stainless steel 1.4404.
  • the functional layer 3 which was applied by build-up welding in the described embodiment of the invention, consists, for example, of a wear-resistant hot-work steel such as 1 .2344 or a high-speed steel such as 1.3344 comprising foreign phases of tungsten carbide and/or titanium carbide, which achieve a corresponding wear resistance of the functional layer 3.
  • a sacrificial layer 5 is applied to the functional layer 3, which consists, for example, of the same material as the other supplementary layers or of a different material, since the sacrificial layer can, for example, have a lower ductility than the supplementary layers further inside (e.g. buffer layers) or, for example, unlike these, does not have to meet any special requirements with regard to heat conduction and/or thermal expansion.
  • the sacrificial layer 5 does not meet the application-specific requirements for the wear resistance and/or hardness and/or toughness of the material.
  • the roller shell After application of the sacrificial layer 5, the roller shell has an excess dimension which is reduced to the nominal diameter of the roller 1 in a further process step by appropriate post-processing such as milling, grinding or turning and, as illustrated in Figure 3C, finally has the desired surface roughness in accordance with the specifications from the application of the roller 1.
  • Figure 4 shows a partial section through the roller 1 according to the invention after a certain period of use or operation. Parts of the sacrificial layer 5 have been worn away as a result of stress, parts of which are still present. Parts of the functional layer 3 are also worn away, with the wear in both layers generally being different. The thickness of the functional layer 3 becomes uniform over time.
  • Figure 5 illustrates a multi-layer system of the casing of the roller 1, which comprises a plurality of functional layers 3 and a plurality of supplementary layers 4, which are arranged in such a way that a radial hardness gradient is achieved.
  • a sacrificial layer 5, which is not shown in Figure 5, is optionally applied above the layer arrangement of functional layers 3. This is also reworked, as in the example according to Figure 3, by appropriate post-processing with regard to the surface roughness and with regard to the nominal diameter of the roller 1.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur anwendungsorientierten Gestaltung und/oder Optimierung der Verschleiß- und/oder Belastungsbeständigkeit eines mechanisch, insbesondere tribologisch beanspruchten Bauteils in einem Walzwerk, insbesondere einer Rolle (1) oder eines Rollensystems zum Eingriff in Walzgut in einem Walzwerk, wobei das Bauteil einen Grundwerkstoff und wenigstens eine hinsichtlich einer zu erwartenden Beanspruchung ausgelegte Funktionsschicht (3) aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: - die Erfassung von tribologischen Daten bei der Herstellung und/oder Wiederherstellung wenigstens eines Bauteils, - die Erfassung von Verschleiß und/oder Belastungsdaten, die aus der betrieblichen Anwendung des Bauteils resultieren, - die Korrelation der tribologischen Daten aus der Herstellung und/oder Wiederherstellung des Bauteils mit den Verschleiß- und/oder Belastungsdaten aus den Betrieb in einer elektronischen Datenbank und - die automatische belastungsorientierte Auslegung und/oder Veränderung des Aufbaus des Bauteils und/oder die automatische Veränderung der betriebsbedingten Belastung des Bauteils.

Description

Verfahren zur anwendungsorientierten Gestaltung und/oder zur Optimierung der Verschleiß- und oder Belastungsbeständigkeit eines tribologisch beanspruchten Bauteils in einem Walzwerk
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur anwendungsorientierten Gestaltung und/oder Optimierung der Verschleiß- und/oder Belastungsbeständigkeit eines mechanisch, insbesondere tribologisch beanspruchten Bauteils in einem Walzwerk, insbesondere einer Rolle oder eines Rollensystems zum Eingriff in Walzgut in einem Walzwerk, insbesondere in einem Warmwalzwerk.
Die Erfindung betrifft insbesondere aber nicht ausschließlich ein Verfahren zur anwendungsorientierten Entwicklung von Schichtsystemen auf Bauteilen vorzugsweise Rollen, um die Verschleiß- und / oder Belastungsfähigkeit zu steigern bzw. optimal anzupassen.
Unter einem Schichtsystem im Sinne der vorliegenden Anmeldung ist in erster Linie die Zusammensetzung bzw. Komposition der Schicht selbst, deren Wärmebehandlung, deren Oberflächenqualität, deren Oberflächengeometrie, deren Oberflächentopographie, deren Anbindung an das Substrat bzw. den Grundkörper zu verstehen.
Eine Rolle als beanspruchtes Bauteil in einem Walzwerk ist beispielsweise aus der WO 2009/130079A1 bekannt. Diese Veröffentlichung betrifft eine Rolle zum Transportieren von stranggegossenen Stahlsträngen auf einem Rollgang oder in einer Stranggießmaschine, mit einem Rollenkörper, der einen Rollenmantel aus einem Grundwerkstoff und eine durch Auftragsschweißen auf den Grundwerkstoff mit einem Schweißzusatzwerkstoff aufgebrachte Verschleißschicht umfasst, die die Rollenmanteloberfläche einschließt, wobei der Grundwerkstoff des Rollenmantels Stahl ist. Die Auftragsschweißung ist als Einlagenschweissung ausgeführt. Die Wiederherstellung der Rolle nach Verschleiß erfolgt dadurch, dass der Rollenmantel als Drehteil vorbereitet wird und dass eine einlagige Auftragsschweißung auf den Grundwerkstoff mit einer bestimmten Mindestdicke aufgebracht wird. Anschließend wird die Schweißschicht auf eine geschlossene einflächige Rollenmanteloberfläche bei Aufrechterhaltung einer Mindestdicke der Verschleißschicht zurückgedreht.
Mechanische Bauteile sind im Betrieb häufig einer Belastung ausgesetzt, die lokal unterschiedlich ist und das Bauteil nicht gleichmäßig erfasst. Insbesondere ist häufig ein Unterschied zwischen dem Kem und dem Rand eines Bauteils zu beobachten. Bei vorwiegend zylinderförmigen Bauteilen, wie beispielsweise Scheiben und Wellen oder auch Rollen sowie bei anderen Bauteilen mit ebenen Flächen, wird vom Kern oft eine hohe Duktilität bei geringer Belastung gefordert, während der oberflächennahe Grenzbereich beispielsweise einer hohen mechanischen, thermischen und/oder korrosiven Beanspruchung ausgesetzt ist.
Aus diesem Grund ist es allgemein bekannt, Rollen, wie sie beispielsweise in der WO 2009/130079A1 beschrieben sind, mit Beschichtungen zu versehen, die unterschiedliche Funktionen übernehmen, zum Beispiel eine erhöhte Verschleißbeständigkeit, eine erhöhte Biege- oder Torsionsbeständigkeit bei statischer, dynamischer oder schwindender Beanspruchung, eine erhöhte Temperaturbeständigkeit, eine bestimmte Wärmeausdehnung oder Wärmeleitfähigkeit sowie erhöhte Korrosionsbeständigkeit.
Rollen der vorstehend genannten Art sind üblicherweise für unterschiedlichste Anwendungen ausgelegt, beispielsweise als Strangführungsrollen in Stranggießanlagen oder zum Einbau in der Stranggießanlage nachgeordneten Rollgängen oder als Rollen, die anderweitig zum Eingriff in das Walzgut ausgebildet sind, wie beispielsweise Rollen in Walzgerüsten.
Unterschiedliche Belastungsanforderungen an die Rollen stellen unterschiedliche Anforderungen an die Verschleißfestigkeit, die Materialzusammensetzung und die Oberflächenbeschaffenheit der Rollen. Aus diesem Grunde werden Rollen oftmals mit Beschichtungen versehen, die unterschiedliche Funktionen übernehmen. Dazu werden Beschichtungen vorgesehen, die der Rolle eine erhöhte Verschleißbeständigkeit, eine erhöhte Biege- oder Torsionsbeständigkeit bei statischer, dynamischer oder schwingender Beanspruchung, eine hohe Temperaturbeständigkeit, hohe oder niedrige Wärmeausdehnung oder eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit sowie erhöhte Korrosionsbeständigkeit vermitteln, um auf diese Art und Weise die Leistungsfähigkeit der gesamten Rolle steigern zu können. Die Beschreibung der Verschleißbeständigkeit nimmt unter den oben beschriebenen Widerstandsarten eine Sonderstellung eine, da sie quantitativ nur schwer zu beschreiben ist. Der Verschleiß ist eine Erscheinung, die im Einzelnen durch Abrasion, Adhäsion, Oberflächenzerrüttung sowie durch Korrosion oder durch Kombinationen daraus entstehen kann. Das Ergebnis Verschleiß ist eine Systemeigenschaft. Es ist damit so unterschiedlich und individuell wie das betrachtete System an sich. Eine Verschleißmustererkennung sowie die Korrelierung mit andern Mustern kann zu einem entsprechenden Vorschritt bei der Steigerung der Verschleißbeständigkeit führen.
Bei dieser Vorgehensweise kommt dem Entwurf und der Entwicklung eines aus mehreren Teilschichten bestehenden Systems von Schichten, mit dem ein Bauteil, wie eine Rolle gestaltet werden kann, eine besondere Bedeutung zu.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Gestaltung eines Schichtsystems bereitzustellen, das einerseits den Entwurf und die Entwicklung einer aus mehreren Teilschichten bestehenden Gesamtschicht mit hinsichtlich des Anwendungsfalls optimierten Eigenschaften des Bauteils erleichtert und aus dem andererseits auch Maßnahmen zur Herstellung und Bearbeitung sowie Wiederherstellung oder Reparatur oder Instandsetzung des Bauteils abgeleitet werden können. Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1 . Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ein Gesichtspunkt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur anwendungsorientierten Gestaltung eines mechanisch, insbesondere tribologisch beanspruchten Bauteils in einem Walzwerk und/oder Optimierung der Verschleiß- und/oder Belastungsbeständigkeit des Bauteils, insbesondere einer Rolle oder eines Rollensystems zum Eingriff in heißes Walzgut in einem Walzwerk, wobei das wenigstens eine Bauteil wenigstens einen Grundkörper aus einem Grundwerkstoff und wenigstens eine hinsichtlich einer zu erwartenden Beanspruchung ausgelegte Funktionsschicht, insbesondere Verschleißschicht aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: die Erfassung von tribologischen Daten bei der Herstellung und/oder Wiederherstellung wenigstens eines Bauteils, die Erfassung von Verschleiß- und/oder Belastungsdaten, die aus der betrieblichen Anwendung des Bauteils resultieren, die Korrelation der tribologischen Daten aus der Herstellung und/oder Wiederherstellung des Bauteils mit den Verschleiß- und/oder Belastungsdaten aus dem Betrieb in einer elektronischen Datenbank und die automatische belastungsorientierte Auslegung und/oder Veränderung des Aufbaus des Bauteils in Abhängigkeit von sich aus einer vorzugsweise computerimplementierten Auswertung der korrelierten Daten ergebenden Erkenntnissen
Wenn das Bauteil als Rolle ausgebildet ist, umfasst die Rolle einen Rollenkörper, der einen Rollenmantel aus einem Grundwerkstoff und wenigstens eine hinsichtlich einer zu erwartenden Beanspruchung ausgelegte Verschleißschicht aufweist. Als Bauteil im Sinne der Erfindung kann beispielsweise auch ein Lineal oder andere insbesondere planare Mittel zur Führung des Walzguts in Betracht kommen.
Eine Rolle zum Eingriff in Walzgut im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine Rolle, die als Rollgangrolle, Walze eines Walzwerks, Führungsrolle einer Stranggießmaschine oder eines anderen Aggregats ausgebildet ist, die insbesondere zur Stützung, Behandlung und/oder zum Transport des heißen Walzguts vorgesehen ist.
Ein wesentlicher Gesichtspunkt der Erfindung ist die Korrelation von Messdaten, die aus einer betrieblichen Anwendung des Bauteils resultieren, mit Messdaten aus einer Herstellung und/oder Wiederherstellung des Bauteils. Dabei werden erfindungsgemäß die tribologischen Daten aus der Herstellung des Bauteils beispielsweise mit einer Bearbeitungsmaschine als Mess- und Prüfinstrument mit Verschleiß- und/oder Belastungsdaten aus der betrieblichen Anwendung des Bauteils korreliert. Diese betrieblichen Verschleiß- und/oder Belastungsdaten können intermittierend oder fortlaufend erfasst werden und werden vorzugsweise ortsabhängig, das heißt bezogen auf die Geometrie der Mantelfläche des Bauteils erfasst. Spanabhebende Verfahren mit geometrisch bestimmter und unbestimmte Schneide können erfindungsgemäß als Tribometer genutzt werden.
Darüber hinaus kann durch die genaue, auch ortsabhängige Erfassung und Auswertung von Messdaten und anderweitigen Informationen über den globalen und lokalen Belastungszustand des mechanischen Bauteils im Betrieb in einem Walzwerk oder einer anderen Anlage zur Herstellung von Metall ein maßgeschneidertes Schichtsystem entworfen werden, das ortsabhängig die erforderlichen Eigenschaften zur Verfügung stellt und also die für den jeweiligen Anwendungsfall notwendige Belastbarkeit aufweist. Wenngleich bei zylinderförmigen Bauteilen wie Rollen häufig die mechanische Belastung im Bereich der Oberfläche maximal ist und von dort aus mehr oder weniger kontinuierlich abnimmt, so treten dennoch auch bei diesen Geometrien oftmals kompliziertere Belastungsprofile mit Belastungsspitzen oder kritischen Zuständen fern der Oberfläche auf, die genau erfasst werden können und denen mit darauf abgestimmten Eigenschaftsprofilen des Schichtsystems begegnet werden kann. Das bedeutet, dass wenigstens eine der Schichten oder ein Teilbereich einer der Schichten bzw. der Schicht hinsichtlich Werkstoff und Mikrostruktur so aufgebaut ist, dass an der betreffenden Stelle die für den Anwendungsfall relevante Eigenschaft optimal ist.
Naturgemäß kann in dem Maße, wie der Umfang und die Qualität der Daten und Informationen über den globalen und lokalen Belastungszustand zunehmen, und sich diese mit Daten und Informationen korrelieren lassen, die den Zustand des Schichtsystems global und lokal beispielsweise hinsichtlich Verschleiß, Oberflächenermüdung, Korrosion, Beständigkeit gegen Temperatur, Beständigkeit gegen Zunderpartikel etc. charakterisieren, die Eignung der unterschiedlichen Beschichtungen, Beschichtungsverfahren, Beschichtungswerkstoffe etc. zunehmend genauer und besser detektiert und bewertet werden und eine zunehmend anwendungsoptimierte Auswahl und Entwicklung von Einzelschichten und/oder Gesamtschicht vorgenommen werden. Auch physikalisch oder technisch basierte Phänomene wie Verschleißmechanismen lassen sich so detailliert analysieren und geeignete Wirkprinzipien, um diesen zu begegnen, identifizieren oder zumindest Eigenschaften und/oder Eigenschaftsprofile von Beschichtungen zu deren Vermeidung extrahieren. Ebenso können Handlungsanweisungen zur Modifikation des tribologischen Systems, d.h. bspw. des Kontakts von Metallband und Bauteil, und/oder des generellen Betriebs, d.h. vor allem der Fahrweise der Walzanlage, generiert werden.
Hierzu ist neben der Datenanalyse im Betrieb wiederum die neuartige Funktion vorgesehen, die dem Bearbeitungszentrum und der Datenanalyse während der mechanischen Bearbeitung zukommt. Bei einer bevorzugten Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die tribologischen Daten Messdaten sind, die ausgewählt sind aus einer Gruppe von Messdaten umfassend Drehmomente, Schnittkräfte, Vorschubkräfte, Reibkräfte, Reibungskoeffizienten und Temperaturen bei einer spanabhebenden Bearbeitung eines Rollenmantels, beispielsweise in einer Werkzeugmaschine, und Oberflächenrauigkeiten der Mantelfläche des Bauteils unmittelbar nach der Bearbeitung. Diese Messdaten können beispielsweise über eine Maschinensteuerung einer Bearbeitungsmaschine erfasst werden. An der Bearbeitungsmaschine können beispielsweise die Kräfte für den Vorschub einer Spindel oder die an einer Werkzeugaufnahme oder Werkzeughaltung auftretenden Reaktionskräfte bei der Bearbeitung der Rollenmantelfläche sowie der Materialabtrag erfasst werden. Der Materialabtrag und die daraus entstehenden Größen wie Oberflächengüte sowie die Form und Lage der Flächen sind wichtige Größen.
Diese Daten werden vorzugsweise in Bezug auf die Geometrie eines Bauteils sowohl ortsbezogen als auch zeitbezogen erfasst.
Beispiel für mögliche Daten sind: spezifische Belastungen (z.B. Punktlast, Streckenlast, Flächenpressung) Geschwindigkeiten (z.B. gleichförmig, ungleichförmig), Schlupf etc. Oberflächeneigenschaften (z.B. Rauigkeit, Welligkeit, Profil, Oberflächenhärte, Reibungskoeffizient, Struktur der Riefen) Umgebungsmedien (z.B. Luft, Wasser, Partikel) Material Temperatur Zeit
Zeitdauer
Weg physikalische Daten chemische Daten elektrische Daten
Beispiele für mögliche Datenquellen sind:
Daten aus der Fertigung (z.B. von Werkzeugmaschinen, z.B. Neufertigung, Nacharbeit)
Daten aus dem Betrieb (vor, nach, während des Betriebs)
Daten aus Literatur, Versuchen, etc.
Daten aus Automatisierungssystemen (zum Betrieb der Walzanlage)
Daten aus Planungssystemen (meist Untermenge der Automatisierungssysteme) Daten aus Qualitätssystemen Daten aus Überwachungssystemen
Die Verschleiß- und/oder Belastungsdaten aus dem Betrieb des Bauteils können Messdaten sein, welche entweder zeitweise an dem im Betrieb befindlichen Bauteil aufgenommen werden oder während des Betriebs online erfasst werden.
Im einfachsten Fall kann die Bearbeitungshistorie eines Bauteils, insbesondere einer Rolle, bei der Herstellung und/oder Wiederherstellung elektronisch erfasst werden. Das Bauteil kann mit einem entsprechenden Datensatz verknüpft werden, der beispielsweise auch körperlich mit dem Bauteil verknüpft sein kann, beispielsweise über einen mit dem Bauteil körperlich verbundenen maschinenlesbaren Code. Bei einer Außerbetriebnahme des betreffenden
Bauteils kann der Verschleiß des Bauteils manuell oder auch automatisch erfasst werden und dem entsprechenden Datensatz zugeordnet werden. Auf diese Art und Weise können eine Vielzahl von Datenkorrelationen erzeugt werden, die beispielsweise auch für den Aufbau eines softwaregesteuerten/softwarebasierten Entwicklungswerkzeugs verwendet werden können. Die für die Belastung relevanten Messdaten, die während des Betriebs des Bauteils erfasst werden, können Größen wie Bandtemperatur und Walzkraft sowie Rollentemperatur und Flächenerpressung während des Betriebs umfassen. Ein fortschreitender Ausbau der Datenbasis und deren automatisierte Analyse mittels geeigneter analytischer und/oder numerischer Berechnungsverfahren liefern einen kontinuierlichen Zuwachs an Erkenntnissen und ein verbessertes Verständnis von Zusammenhängen, die zur anwendungsorientierten Optimierung der Verschleiß- und Belastungsbeständigkeit des Bauteils genutzt werden. Mit einem solchen Verfahren lässt sich auch in vorteilhafter Art und Weise über eine Anlagensteuerung eine automatische Veränderung der betriebsbedingten Belastung des Bauteils bewirken.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können die zur Herstellung und/oder Nachbearbeitung des Bauteils verwendeten Maschinen und Bearbeitungszentren jeweils die Funktionen eines Messinstruments hinsichtlich Belastung und Belastbarkeit übernehmen. So können beispielsweise beim Schleifen des Rollenmantels einer Rolle als Bauteil einerseits Daten und Informationen zur Belastung in Form von Drehmomenten, Schnittkräften, Streitkräften, Reibkoeffizienten und Temperaturen aufgenommen werden und andererseits eine unmittelbar beanspruchungsbezogene Belastbarkeit, wie insbesondere die Verschleißbeständigkeit (beispielsweise Abtragung und Oberflächenqualität), unter den jeweiligen Randbedingungen ermittelt werden.
Die Verschleißdaten umfassen vorzugsweise gemessene Oberflächeneigenschaften, die ausgewählt sind aus einer Gruppe von Messdaten zur Rauigkeit, Welligkeit und dem Profil des Bauteils, der Oberflächenhärte, dem Reibungsbeiwert der Mantelfläche des Bauteils und der Struktur der Verschleißspuren in der Mantelfläche des Bauteils.
Die Belastungsdaten können beispielsweise ausgewählt sein aus einer Gruppe von Daten umfassend auf das Bauteil einwirkende Punktlasten, Streckenlasten, Flächenpressungen, bei einer Rolle die Umdrehungsgeschwindigkeit und den Schlupf der Rolle im Betrieb sowie die Temperatur und/oder Beschaffenheit des Walzguts und/oder der bei einer Walzgutkühlung verwendeten Medien.
In einer Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung wird aus der Korrelation von Daten aus der Herstellung und/oder Wiederherstellung und den Verschleiß- und/oder Belastungsdaten eine Lebensdauervorhersage für die Mantelfläche des Bauteils abgeleitet, beispielsweise unter Zuhilfenahme mindestens eines Expertensystems und/oder unter Anwendung von Verfahren, die auf Methoden des maschinellen Lernens basieren.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, die Korrelation von Messdaten zu Belastung und Belastbarkeit vorzugsweise unter Nutzung der Bearbeitungsmaschine als Mess- und Prüfinstrument zum Aufbau eines softwarebasierten Entwicklungswerkzeugs zu verwenden.
Darüber hinaus kann durch die genaue, auch ortsabhängige Erfassung und Auswertung von Messdaten und anderweitigen Informationen über den globalen und lokalen Belastungszustand des mechanischen Bauteils im Betrieb in einem Walzwerk oder einer anderen Anlage zur Herstellung von Metall ein maßgeschneidertes Schichtsystem entworfen werden, das ortsabhängig die erforderlichen Eigenschaften zur Verfügung stellt und also die für den jeweiligen Anwendungsfall notwendige Belastbarkeit aufweist.
Die vor und nach dem industriellen Einsatz, also vor der erstmaligen Auslieferung und bei der späteren Überarbeitung aufgenommenen Daten hinsichtlich bspw. Schichtdicke, Oberflächenbeschaffenheit, Härte, Verschleißzustand, Schädigung werden miteinander verglichen und mit den Belastungen während der Herstellung und darüber hinaus auch während des industriellen Betriebs bspw. in einem Walzwerk korreliert. Die Messdaten aus Herstellung und Betrieb können dabei mittels physikalischer Modelle und/oder Methoden der Künstlichen Intelligenz einander gegenübergestellt und bewertet werden, ebenfalls mittels physikalischer Modelle und/oder Methoden der Künstlichen Intelligenz kann der Abgleich mit den genannten Informationen zur Belastbarkeit von Schicht bzw. Bauteil durchgeführt werden, auf dessen Basis Handlungsempfehlungen für Modifikation bzw. Weiterentwicklung des Bauteils und/oder Anpassung bzw. Optimierung der Prozessparameter im industriellen Betrieb erfolgen können.
Beispiele für derartige künstliche Intelligenzen sind neuronale Netzwerke, adaptive Algorithmen, evolutionäre Algorithmen, genetische Algorithmen, oder dergleichen. Aus dem Stand der Technik bekannte Beispiele sind u.a.: Bayes’sche Zuverlässigkeitsnetzwerke (Bayesian belief network), Entscheidungsbäume (decision tree), sog. hidden Markov-Modelle, fallorientierte Überlegung (case- based reasoning), k-nächste Nachbarn, sich selbst organisierende Karten (selforganizing maps), fallorientiertes Lernen (instance-based learning), Stützvektormaschinen (Support Vector Machine), künstliche Neuronale Netzwerke (ANN: Artificial Neural Network), rekurrente neuronale Netze (RNN: recurrent neural network), tiefe neurale Netze (DNN: deep neural network) oder faltende neuronale Netze (CNN: convolutional neural network). Auch jede denkbare Kombination aus derartigen Ausbildungen kann zum Einsatz kommen.
Erfindungsgemäß können automatische Änderungen bei der Herstellung des mechanischen Bauteils vorgenommen werden, die z.B. Werkstoff und Beschichtung betreffen. Wie oben erwähnt, können die Änderungen zusätzlich oder stattdessen auch den Betrieb betreffen. Dieses Vorgehen kann bei systematischer Nutzung und stetiger Verfeinerung sowie kontinuierlichem Ausbau der Datenbasis in die Schaffung eines völlig neuen Entwicklungswerkzeugs münden, das aufwändige Versuche im Labormaßstab deutlich zu reduzieren hilft oder sogar überflüssig macht.
Wenn das Bauteil in regelmäßigen Abständen ausgebaut und instandgesetzt wird und bei dieser Gelegenheit mittels geeigneter Messverfahren bei der Bearbeitung und unter Verwendung der hierzu verwendeten Maschine der aktuelle Zustand aufgenommen wird, lassen sich daraus automatisch Regeln für eine Gestaltung des Schichtaufbaus der Mantelfläche des Bauteils herleiten. Unabhängig davon, ob ein partielles Abtragen einer äußeren Schicht des Bauteils erfolgen muss, weil entweder die ursprüngliche Oberflächenqualität nicht mehr vorhanden ist und erneut hergestellt werden muss oder weil die Eigenschaften des oberflächennahen Schichtbereichs aufgrund der zurückliegenden Beanspruchung nicht mehr dem Ausgangszustand entsprechen oder weil andere Gründe für den Oberflächenabtrag vorliegen, kann die mechanische Bearbeitung dazu genutzt werden, das Eigenschaftsprofil der Gesamtschicht zu verändern.
Eine Variante des Verfahrens zeichnet sich durch eine automatische Auswertung der erfassten Daten und die Entwicklung einer automatisierten Handlungsempfehlung zur Gestaltung und/oder Auslegung des Bauteils aus.
Die Datenerfassung, die automatische Auswertung und die Entwicklung einer Handlungsempfehlung (Optimierungsvorschlag, Bewertung) für den Entwickler bilden ein gemeinsames System. Dieses System integriert und verknüpft eine Anzahl von einzelnen Algorithmen zu einem gesamten Algorithmus. Dieser liefert mindestens eine Analyse des betrachteten Systems mit dem Ergebnis, dass das System einen Optimierungsvorschlag erzeugt. Eine Bewertung von Istzustand und Optimierungen kann ebenfalls vorgenommen werden.
Bei Bauteilen wie beispielsweise Rollen, die regelmäßig und in kurzen Abständen von Tagen oder maximal Wochen überholt werden müssen, kann vorgesehen sein, die Mantelfläche des Bauteils, beispielsweise den Rollenmantel aus Einzelschichten aufzubauen, die nur in Teilbereichen auf die zu erwartende Belastung abgestimmt sind. Die Methodik der Erfassung und Aufbereitung der Daten des Verfahrens kann wie folgt dargestellt werden: , Strukturieren, Muster erkennen ilk
Nach einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Bauteil zum Eingriff in heißes Walzgut in einem Warmwalzwerk bereitgestellt, das einen Grundkörper aus einem Grundwerkstoff und wenigstens eine Funktionsschicht aus wenigstens einem von dem Grundwerkstoff verschiedenen Werkstoff umfasst, wobei der Werkstoff, der wenigstens einen Funktionsschicht eine höhere Verschleißfestigkeit als der Grundwerkstoff aufweist, wobei der Grundkörper wenigstens eine weitere äußere Schicht als Opferschicht umfasst, die die wenigstens eine Funktionsschicht wenigstens teilweise umschließt und die Opferschicht aus einem Werkstoff besteht, der eine geringere Verschleißfestigkeit als die wenigstens eine Funktionsschicht aufweist.
Das Bauteil kann als Rolle ausgebildet sein. Eine Rolle zum Eingriff in heißes Walzgut im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine Rolle oder Walze als Rollgangrolle, Walze eines Walzwerks, Walze einer Stranggießmaschine oder Stranggussführung oder eines anderen Aggregats, die zur Stützung, Behandlung und/oder zum Transport des heißen Walzguts vorgesehen ist.
Wenn das Bauteil als Rolle ausgebildet ist, kann dieses einen Rollenkörper aus wenigstens einem Grundwerkstoff sowie einen Rollenmantel mit wenigstens einer Funktionsschicht, vorzugsweise mit wenigstens einer Verschleißschicht umfassen, Der Rollenkörper und/oder der Rollenmantel sind beispielsweise im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet, wobei die Mantelfläche der Rolle konisch oder bombiert ausgestaltet sein kann. Der Mantelkörper der Rolle kann eine Vielzahl von Schichten aufweisen, die einen Verbund mit entsprechenden Materialeigenschaften ausbilden können. Wenigstens eine äußere Schicht des Rollenmantels ist als sogenannte Funktionsschicht ausgebildet, das heißt, dass der Werkstoff der Funktionsschicht die gewünschten Eigenschaften zum Eingriff in das Walzgut im Hinblick auf Verschleißfestigkeit oder Temperaturbeständigkeit oder Härte oder Duktilität aufweist.
Unter einer Funktionsschicht im Sinne der Erfindung ist eine Verschleißschutzschicht zu verstehen, die aus einem bezüglich des Grundwerkstoffs des Bauteils und/oder bezüglich anderer Schichten des Bauteils verschleißfesterem Werkstoff besteht.
Vorzugsweise weist die Opferschicht nicht alle Anforderungen zum Eingriff in das Walzgut auf, insbesondere weist diese Opferschicht eine geringere Verschleißfestigkeit auf. Hinsichtlich der Oberflächenbeschaffenheit (Rauigkeit, Welligkeit und Maßhaltigkeit) kann die Opferschicht gleichwohl die gewünschten anwendungsspezifischen Eigenschaften erfüllen.
Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass der Grundkörper des Bauteils ein oder mehrere Ergänzungsschichten umfasst, die unterhalb wenigstens einer Funktionsschicht angeordnet sind. Die Opferschicht kann beispielsweise oberhalb einer harten Schicht aufgebracht sein und die äußerste Mantelfläche des Bauteils bilden. Diese kann so bearbeitet sein, dass sie eine gewünschte Oberflächenqualität bereitstellt, beispielsweise eine bestimmte Rauigkeit der Oberfläche.
Die Opferschicht kann eine äußere Funktionsschicht ganz oder teilweise umschließen. Wenn das Bauteil oberhalb einer harten Schicht zusätzlich eine weiche Schicht aufweist, die mechanisch nachbearbeitet wurde, hat das verschiedene Vorteile. Auf diese Art und Weise ist es einfacher, beim Beschichten eine gute Oberflächenqualität einzustellen. Weiterhin ist eine mechanische Bearbeitung der Opferschicht wesentlich einfacher. Die Opferschicht kann mittels eines einfacheren und kostengünstigeren Verfahrens, wie beispielsweise durch Drehen bzw. Rückdrehen auf einen Nenndurchmesser nachbearbeitet werden. Schließlich ist das hierzu verwendete Werkzeug kostengünstiger und einfacher handhabbar. Die wertvolle harte Schicht bzw. Funktionsschicht bleibt vollständig oder nahezu vollständig erhalten, da das Aufbringen und Entfernen der weicheren Schicht optimal auf den Anwendungsfall abgestimmt werden kann. Die Dicke der weicheren Schicht kann in weiten Grenzen frei gewählt und so an die Anforderungen des Gesamtsystems angepasst werden.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Funktionsschicht aus einem verhältnismäßig härteren und/oder verschleißfesteren Werkstoff als die Opferschicht besteht.
Die Funktionsschicht kann beispielsweise bei einer Rolle als Bauteil einen radial verlaufenden Struktur- und/oder Eigenschaftsgradienten aufweisen. Beispielsweise kann die Funktionsschicht von innen nach außen einen Härtegradienten, beispielsweise von weicher nach härter aufweisen.
Die Funktionsschicht kann beispielsweise einen Stahl umfassen, der einen bestimmten Anteil harter Fremdphasen wie Wolframkarbid oder Titankarbid umfasst. Diese Fremdphasen können in einer Schicht, d. h. kontinuierlich, so verteilt sein, dass ein Härtegradient erzielt wird. Ein solcher Härtegradient stellt sich jedoch ohne weiteres dann ein, wenn eine harte Funktionsschicht im Sinne der vorliegenden Erfindung mit einer weicheren Deckschicht als Opferschicht eine Mantelfläche des Bauteils bilden.
Als Werkstoff für den Grundkörper kommen nahezu alle gängigen Stahlsorten in Betracht, beispielsweise Baustähle wie beispielsweise der S355J oder Vergütungsstähle wie beispielsweise der 25CrMo4.
Als Werkstoff für die wenigstens eine Funktionsschicht kommen beispielsweise ein verschleißbeständiger Warmarbeitsstahl wie der 1.2344 oder ein Schnellarbeitsstahl wie der 1.3344 in Betracht. Darüber hinaus sind martensitische Edelstähle beispielsweise auf Basis des 1.4057, Nickel-Basis-Legierungen wie Inconel 625 und Inconel 718 oder Kobalt-Basis-Legierungen wie Stellite 6 und Stellite 21 geeignet. Besonders verschleißbeständige Schichten enthalten zudem Hartphasen wie Wolfram karbide und/oder Titankarbide. Der Volumenanteil der Hartphasen kann im Extremfall den der Matrix übertreffen
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Bauteils gemäß der Erfindung ist eine Vielzahl von Funktionsschichten vorgesehen, die unterschiedliche Eigenschaften aufweisen und/oder aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.
Die Vielzahl von Funktionsschichten können beispielsweise einen radialen Struktur- und/oder Eigenschaftsgradienten des Rollenmantels bilden.
Bei einer bevorzugten Variante des Bauteils gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die Mantelfläche des Bauteils als einflächige Mantelfläche ausgebildet ist, d. h., dass diese keine Absätze bzw. Durchmessersprünge aufweist. Wie vorstehend bereits erwähnt, kann die Mantelfläche einer Rolle als Bauteil zylindrisch, konisch, bombiert oder S-förmig konturiert sein. Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung oder Wiederherstellung eines Bauteils zum Eingriff in heißes Walzgut in einem Warmwalzwerk, insbesondere zur Herstellung oder Wiederherstellung einer Rolle der vorstehend beschriebenen Art, mit einem Rollenkörper, der einen Rollenmantel aus einem Grundwerkstoff und wenigstens eine Funktionsschicht aus wenigstens einem von dem Grundwerkstoff verschiedenen Werkstoff umfasst, umfassend die folgenden Bearbeitungsschritte:
Bereitstellen eines Grundkörpers aus einem Grundwerkstoff,
Aufbringen wenigstens einer verschleißfesten Funktionsschicht auf den Grundkörper,
Aufbringen einer äußeren Opferschicht auf die Funktionsschicht, wobei die Opferschicht aus einem Werkstoff besteht, der hinsichtlich der Materialeigenschaften von den Materialeigenschaften der Funktionsschicht abweicht und der eine geringere Verschleißfestigkeit als die wenigstens eine Funktionsschicht aufweist,
Nacharbeiten der Mantelfläche des Bauteils, insbesondere der Rolle unter Durchmesserverringerung auf eine geschlossene Rollenmantelfläche mit einem vorgegebenen Außendurchmesser.
Das Aufbringen der wenigstens einen Funktionsschicht und/oder der Opferschicht kann beispielsweise durch Auftragsschweißen, thermisches Spritzen, Gießen, Bedampfen, Plasmabeschichten, Schleudergießen, Bestäuben, galvanisches Beschichten oder chemisches Beschichten erfolgen.
Eine Nachbearbeitung kann durch Drehen und/oder Fräsen und/oder Schleifen erfolgen. Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert, welches in dem konkreten Fall eine Rolle als tribologisch beanspruchtes Bauteil betrifft.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Teilschnitts durch eine Rolle,
Figur 2 eine schematische Darstellung mehrerer Fertigungsstufen der in
Figur 1 dargestellten Rolle,
Figur 3 eine schematische Darstellung des Herstellungs- oder Wiederherstellungsverfahrens einer Rolle gemäß der Erfindung anhand von mehreren Teilschnittansichten,
Figur 4 einen Teilschnitt durch eine erfindungsgemäße Rolle nach einer bestimmten Betriebszeit,
Figur 5 eine schematische Darstellung eines Mehrschichtsystems einer Rolle gemäß der Erfindung.
Es wird zunächst Bezug genommen auf die Figur 1 und 2, die mehrere Teilschnittansichten einer Rolle in verschiedenen Fertigungszuständen zeigen.
Die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Rolle 1 ist jeweils als Teilschnittansicht dargestellt, wobei die Schnittansicht oberhalb einer Symmetrieachse der Rolle 1 dargestellt ist. Die Rolle 1 umfasst einen Rollenkörper 2 aus einem Stahl als Grundwerkstoff sowie einen Rollenmantel, der wenigstens eine sogenannte Funktionsschicht 3 umfasst. Unterhalb der Funktionsschichte 3 kann eine Ergänzungsschicht 4 angeordnet sein. Entweder bei der Neuherstellung oder bei der Wiederherstellung der Rolle 1 wird die Funktionsschicht 3 in der Regel als Verschleißschutzschicht mit entsprechenden Matenaleigenschaften, beispielsweise durch Auftragsschweißen, auf die Ergänzungsschicht 4 oder unmittelbar auf den Rollenkörper 2 aufgebracht. Damit die Mantelfläche der Rolle 1 die entsprechende Oberflächenbeschaffenheit, d. h. Oberflächenrauheit bzw. Oberflächenebenheit entsprechend den Vorgaben hat, wird diese nach Aufbringung der Funktionsschicht 3 maschinell nachbearbeitet, d. h. in der Regel auf den Nenndurchmesser der Rolle 1 abgedreht und entsprechend geschliffen. Der Zustand der Rolle 1 nach Aufbringung der Funktionsschicht 3 ist in Figur 2A dargestellt, der Zustand nach der maschinellen Bearbeitung der Oberfläche ist in Figur 2B veranschaulicht
Die Funktionsschicht 3 sowie eine Ergänzungsschicht 4 können als Schichtensystem hinsichtlich der gewünschten Eigenschaften anwendungsorientiert optimiert und aufeinander abgestimmt werden. Erfindungsgemäß ist insbesondere vorgesehen, dass die Verschleißschicht wenigstens in Form der vorstehend beschriebenen Funktionsschicht 3, eine etwa unterhalb der Verschleißschicht vorgesehene Ergänzungsschicht 4 sowie eine gegebenenfalls auf der Funktionsschicht 3 vorgesehene Opferschicht 5 als Schichtsystem entsprechend einer zu erwartenden Beanspruchung ausgelegt und optimiert werden. Der Schichtaufbau des Rollenmantels kann eine Vielzahl von Funktionsschichten 3 und Ergänzungsschichten 4 umfassen, wie dies beispielsweise in Figur 5 gezeigt ist.
Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung ist vorgesehen, sowohl Fertigungsdaten als auch Betriebsdaten und gegebenenfalls auch Daten aus Versuchen oder aus der Fachliteratur zur Auslegung des Schichtensystems des Rollenmantels zu verwenden, wobei das Verfahren insbesondere vorsieht, die bei der Herstellung oder Wiederherstellung der Rolle 1 , insbesondere die an einer Werkzeugmaschine oder Schleifmaschine erfassten Messdaten, mit Betriebsdaten aus dem Einsatz der Rolle 1 zu korrelieren. Die Betriebsdaten umfassen Verschleiß- und/oder Belastungsdaten, die unmittelbar aus der betrieblichen Anwendung der Rolle 1 resultieren sowie Daten, die aus Automatisierungssystemen und/oder Daten aus Überwachungssystemen einer Walzanlage abgeleitet werden, in welcher die Rolle 1 Anwendung findet.
Die vorstehend genannten Daten werden als Eingangsdaten in ein Expertensystem oder ein auf künstlicher Intelligenz basierendes System eingespeist, und sowohl bezogen auf die Geometrie der Rolle 1 örtlich als auch zeitlich miteinander in Beziehung gesetzt und entsprechend verarbeitet. Die unterschiedlichen Datensätze werden miteinander korreliert. Relevante Informationen, beispielsweise Muster, Veränderungen und Unterschiede werden mittels computergestützter Algorithmen synthetisiert. Die Ergebnisse werden wiederum in Datensätze geschrieben und in eine maschinenlesbare Form überführt.
Aus den Ergebnissen werden Handlungsempfehlungen und/oder Anweisungen für den Anlagenbetreiber und/oder den Anlagenhersteller sowie für die Optimierung und/oder Weiterleitung der Rollen abgeleitet. Das Verfahren umfasst dabei einmal die automatische belastungsorientierte Auslegung und/oder Veränderung des Aufbaus des Rollenmantels. Zusätzlich oder alternativ umfasst das Verfahren eine automatische Veränderung der betriebsbedingten Belastung der Rolle durch entsprechenden Steuereingriff in die Prozesssteuerung der Walzanlage.
Weiterhin zusätzlich oder alternativ werden die aufbereiteten Daten für eine Lebensdauervorhersage der Rolle 1 verwendet.
Die Figuren 3 und 4 beziehen sich auf einen Aufbau des Rollenmantels der Rolle 1 , der zusätzlich zu der Funktionsschicht 3 eine Opferschicht 5 umfasst.
Figur 3A zeigt den Zustand der Rolle 1 nach Aufbringung der Funktionsschicht 3 aus einem verschleißfesten und harten und/oder zähen Werkstoff, der hinsichtlich der Verschleißeigenschaften günstigere Eigenschaften hat als der Grundwerkstoff des Rollenkörpers 2 und/oder eine dazwischen angeordnete Ergänzungsschicht 4. Der Grundwerkstoff des Rollenkörpers 2 und/oder einer dazwischen angeordneten Ergänzungsschicht 4 kann beispielsweise aus einem relativ weichen Material auf der Basis des austenitischen Edelstahls 1.4404 bestehen. . Die Funktionsschicht 3, die bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung durch Auftragsschweißen aufgebracht wurde, besteht beispielsweise aus einem verschleißbeständigen Warmarbeitsstahl wie dem 1 .2344 oder einem Schnellarbeitsstahl wie dem 1.3344 umfassend Fremdphasen aus Wolframcarbid und/oder Titankarbid, die eine entsprechende Verschleißfestigkeit der Funktionsschicht 3 erzielen.
Die Funktionsschicht 3 erfüllt unmittelbar nach deren Aufbringung auf den Rollenkörper 2 gemäß Figur 3A keineswegs die Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit des fertigen Bauteils. In einem nächsten Schritt, der in Figur 3B veranschaulicht ist, wird auf die Funktionsschicht 3 eine Opferschicht 5 aufgebracht, die beispielsweise aus einem aus dem gleichen Werkstoff wie die übrigen Ergänzungsschichten besteht oder aber aus einem anderen Werkstoff, da die Opferschicht beispielsweise eine geringere Duktilität aufweisen kann als die weiter innen liegenden Ergänzungsschichten (z.B. Pufferlagen) oder beispielsweise anders als diese keine besonderen Anforderungen hinsichtlich Wärmeleitung und/oder Wärmeausdehnung erfüllen muss. Die Opferschicht 5 erfüllt nicht die anwendungsspezifischen Anforderungen an die Verschleißfestigkeit und/ oder Härte und/oder Zähigkeit des Werkstoffs.
Nach Aufbringen der Opferschicht 5 weist der Rollenmantel ein Übermaß auf, das in einem weiteren Verfahrensschritt durch entsprechende Nachbearbeitung wie Fräsen, Schleifen oder Drehen auf den Nenndurchmesser der Rolle 1 reduziert wird und, wie das in Figur 3C veranschaulicht ist, schlussendlich die gewünschte Oberflächenrauheit entsprechend den Vorgaben aus der Anwendung der Rolle 1 aufweist. Figur 4 zeigt einen Teilschnitt durch die Rolle 1 gemäß der Erfindung nach einer gewissen Standzeit bzw. Betriebszeit. Teile der Opferschicht 5 sind infolge von Beanspruchung abgetragen, Teile davon sind noch vorhanden. Ebenfalls abgenutzt sind Teile der Funktionsschicht 3, wobei der Abtrag in beiden Schichten in der Regel unterschiedlich stark ist. Die Dicke der Funktionsschicht 3 vereinheitlicht sich im Laufe der Zeit.
Figur 5 veranschaulicht ein mehrschichtiges System des Mantels der Rolle 1 , das eine Vielzahl von Funktionsschichten 3 und eine Vielzahl von Ergänzungsschichten 4 umfasst, die so angeordnet sind, dass ein radialer Härtegradient erzielt wird. Oberhalb der Schichtenanordnung aus Funktionsschichten 3 wird gegebenenfalls eine Opferschicht 5 aufgetragen, die in Figur 5 nicht dargestellt ist. Diese wird ebenso, wie bei dem Beispiel gemäß Figur 3 durch entsprechende Nachbearbeitung hinsichtlich der Oberflächenrauigkeiten und hinsichtlich des Nenndurchmessers der Rolle 1 nachbearbeitet.
Bezugszeichenliste
1 Rolle
2 Rollenkörper 3 Funktionsschicht
4 Ergänzungsschicht
5 Opferschicht

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur anwendungsorientierten Gestaltung eines mechanisch, insbesondere tribologisch beanspruchten Bauteils in einem Walzwerk, und/oder zur Optimierung der Verschleiß- und/oder Belastungsbeständigkeit des Bauteils, insbesondere einer Rolle (1 ) oder eines Rollensystems zum Eingriff in Walzgut in einem Walzwerk, wobei das Bauteil wenigstens einen Grundkörper aus einem Grundwerkstoff und wenigstens eine hinsichtlich einer zu erwartenden Beanspruchung ausgelegte Funktionsschicht (3), insbesondere Verschleißschicht aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: die Erfassung von tribologischen Daten bei der Herstellung und/oder Wiederherstellung wenigstens eines Bauteils, die Erfassung von Verschleiß und/oder Belastungsdaten, die aus der betrieblichen Anwendung des Bauteils resultieren, die Korrelation der tribologischen Daten aus der Herstellung und/oder Wiederherstellung des Bauteils mit den Verschleiß- und/oder Belastungsdaten aus dem Betrieb in einer elektronischen Datenbank und die automatische belastungsorientierte Gestaltung des Bauteils und/oder Auslegung und/oder Veränderung des Aufbaus der Funktionsschicht (3) und/oder die automatische Veränderung der betriebsbedingten Belastung des Bauteils.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die tribologischen Daten Messdaten sind, die ausgewählt sind aus einer Gruppe von Messdaten umfassend Drehmomente, Schnittkräfte, Vorschubkräfte, Reibkräfte, Reibungskoeffizienten und Temperaturen bei einer spanabhebenden Bearbeitung des Bauteils, insbesondere des Rollenmantels und Oberflächenrauigkeiten der Rollenmantelfläche unmittelbar nach der Bearbeitung des Rollenmantels Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die tribologischen Daten in Bezug auf die Geometrie eines Bauteils sowohl ortsbezogen als auch zeitbezogen erfasst werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleiß- und/oder Belastungsdaten aus dem Betrieb des Bauteils Messdaten sind, welche entweder zeitweise an dem in Betrieb befindlichen Bauteil aufgenommen werden oder während des Betriebs online erfasst werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißdaten gemessene Oberflächeneigenschaften umfassen, die ausgewählt sind aus einer Gruppe von Messdaten zur Rauigkeit, Welligkeit, dem Profil, der Oberflächenhärte, Reibungsbeiwert der Mantelfläche des Bauteils und der Struktur der Verschleißspuren in der Funktionsschicht (3). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Belastungsdaten ausgewählt sind aus einer Gruppe von Daten umfassend auf das Bauteil einwirkende Punktlasten, Streckenlasten, Flächenpressungen, bei einer Ausbildung des Bauteils als Rolle die Umdrehungsgeschwindigkeiten und den Schlupf der Rolle sowie der Temperatur und/oder Beschaffenheit des Walzguts und/oder der bei einer Walzgutkühlung verwendeten Medien.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine automatische Auswertung der korrelierten Daten unter Zuhilfenahme wenigstens eines Expertensystems und/oder unter Anwendung von Verfahren, die auf Methoden des maschinellen Lernens basieren, insbesondere auf künstlichen neuronalen Netzen, tiefen künstlichen neuronalen Netzen, Entscheidungsbäumen, Ensemble-Methoden basierend auf Entscheidungsbäumen, linearen oder nichtlinearen Regressionsmodellen mit oder ohne Regularisierung, Support-Vector-Machines mit linearen, polynomialen oder anderen Kernel-Funktionen, oder dergleichen.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund einer automatische Auswertung der korrelierten Daten Änderungen bei der Herstellung insbesondere bei Gestaltung und/oder der Auslegung des mechanischen Bauteils vorgenommen werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine automatische Auswertung der erfassten Daten und die Entwicklung einer automatisierten Handlungsempfehlung zur Gestaltung und/oder Auslegung des Bauteils.
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