Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation von Kräften bzw. Kraftanteilen, resultierend aus Horizontalbewegungen der Walzen in Walzgerüsten für das Warm- und Kaltwalzen von Flachprodukten, ausgerüstet mit Arbeitswalzen und mit einer oder mehreren Stützwalzen, mit hydraulischen Anstellungen und mit Kraftmesseinrichtungen auf der gegenüberliegenden Seite des Walzspaltes und mit hydraulischen Einrichtungen zur Horizontalverschiebung der Arbeitswalzen.
Bei der Walzung von Flachprodukten in Warm- und Kaltwalzanlagen besteht das Problem, daß alle beteiligten Walzen während des Walzprozesses in unterschiedlicher Richtung axial im Gerüst verlaufen und durch Andrücken an die jeweils vorhandenen Verriegelungen Axialkräfte erzeugen. Aus diesen Axialkräften entstehen mit der zugeordneten Reaktionskraft im Abstand von Walzmitte bis zur Berührung mit der Nachbarwalze freie Kräftepaare. Jedes dieser Kräftepaare bewirkt Reaktionskräfte in den Walzenlagern und damit in den beiden Ständerräumen des Gerüstes.
Es ist bereits Stand der Technik, im Gerüst entstehende vertikale Kräfte, beispielsweise Kräfte aus den Eigengewichten, der Walzenbalancierung und der Walzenbiegung rechnerisch oder meßtechnisch zu erfassen und bei der Messung der Kräfte in den beiden Walzenständern zu berücksichtigen. Solche Kompensationen werden jedoch für die Reaktionskräfte aus den beschriebenen Axialkräften der Walzen nicht durchgeführt.
In dem vorveröffentlichten Dokument GB 20 41 269 A wird ein Sechs-Walzengerüst beschrieben, bei welchem die Zwischenwalzen gegensinnig verschoben werden. Aus der Walzenverschiebung resultieren Kräfte und Momente, die auf das Walzgerüst einwirken und ausgeregelt werden müssen. Hierzu ist ein Regelkreis vorgesehen, bei welchem die Walzkräfte der unteren Stützwalze auf beiden Seiten gemessen werden und ein Mittelwert gebildet wird. Ferner werden die hydraulischen Kräfte der Verstellzylinder gemessen und gemittelt. Die gemittelten Kräfte werden gegebenenfalls unter Einbeziehung eines Sollwertes einem Regler zugeführt, der als Stellgröße die motorisch betätigte Anstellung der oberen Stützwalzen beeinflußt. Dabei kommt es nicht darauf an, ob die Anstellung der Stützwalzen elektromechanisch oder hydraulisch erfolgt. Eine Kompensation von linienflüchtigen und vagabundierenden Axialkräfte an den Walzen und deren Reaktionskräfte ist mit diesem vorbekannten Regelverfahren nicht beabsichtigt und nicht möglich.
Figur 1 der vorliegenden Anmeldungsunterlagen beschreibt das Grundproblem von linienflüchtigen und vagabundierenden Axialkräfte beispielhaft an der oberen Stützwalze 1 eines Quarto-Gerüstes. Die horizontal wirkenden Kräfte T sind linienflüchtige Vektoren, das heißt, sie können längs ihrer Wirkungslinie verschoben werden. Demzufolge ist es belanglos, auf welcher Seite des Gerüstes die Walze verriegelt ist. Grundsätzlich entstehen solche Kräftepaare immer durch die Axialkraft im Kontaktbereich zur Nachbarwalze. Die einzelnen Kräfte überlagern sich und äußern sich in unterschiedlichen Axialkräften an allen beteiligten Walzen mit entsprechend schwer zu übersehenden Reaktionskräften in den Walzenständern.
Insbesondere bei Reversiergerüsten zeigen die Reaktionskräfte in den Walzenständern außerordentlich nachteilige Wirkungen. Bei Umkehrung der Drehrichtung ändert sich auch die Schraubrichtung aller beteiligten Walzen. Die Walzen laufen zur jeweils gegenüberliegenden Seite, was eine Umkehr der Axialkräfte zur Folge hat. Die Reaktionskräfte in den Walzenständern ändern sich entsprechend, mit dem Ergebnis, daß die in den Ständern angeordneten Kraftmeßeinrichtungen Veränderungen melden, die mit dem eigentlichen Walzprozeß nicht in Verbindung stehen. Die Folge sind fehlerhafte Reaktionen aller Regelkreise, die von den in den Walzenständern gemessenen Kräften abhängen, wie die Planheitsregelung, die automatische Kalibrierung zur parallelen Einstellung des Walzspaltes, die Roll Alignment Control zur Kompensation der Wirkungen einer außermittigen Lage des Walzproduktes und weitere Regelkreise, je nach Art des Walzgerüstes und des Walzproduktes.
Es besteht die demzufolge die Aufgabe, die Reaktionskräfte in den Walzenständern ohne Einrichtung zusätzlicher Meßstellen im Walzgerüst mit ausreichender Sicherheit zu bestimmen.
Die Lösung der Aufgabe gelingt bei einem Verfahren zur Kompensation von Kräften bzw. Kraftanteilen, resultierend aus Horizontalbewegungen der Walzen in Walzgerüsten gemäß der eingangs genannten Gattung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Die Erfindung eröffnet die Möglichkeit, alle in einem Walzgerüst auftretenden, vagabundierenden Kräfte aus Horizontalbewegungen der Walzen kontinuierlich zu bestimmen und die hieraus resultierenden Kraftanteile in den gemessenen Walzkräften zu kompensieren. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 7.
Die Erfindung wird anhand der Fig. 2 bis Fig. 5 näher beschrieben.
Moderne Walzgerüste für kalt- und warmgewalzte Flachprodukte werden heute nahezu ausschließlich mit hydraulischen Anstellungen 2 als Stellglied für die Dickenregelung ausgerüstet. Die Anstellzylinder der hydraulischen Anstellung befinden sich oberhalb der oberen Stützwalzeneinbaustücke 3 oder unterhalb der unteren Stützwalzeneinbaustücke 4. In einer bevorzugten Ausführungsform befinden sich zusätzlich auf der vom Walzspalt her gesehen gegenüberliegenden Seite des Gerüstes in den beiden Walzenständern Kraftmeßeinrichtungen 5, mit denen die im Walzprozeß auftretenden Kräfte in den beiden Walzenständern kontinuierlich gemessen werden.
Die beiden Hydraulikzylinder der hydraulischen Anstellung liefern über den Hydraulikdruck in bevorzugter Weise zusätzliche Meßwerte für die Kräfte in den beiden Walzenständern, so daß insgesamt ohne zusätzlichen Aufwand Meßwerte für die Kräfte in den beiden Walzenständern oberhalb der oberen Stützwalzeneinbaustücke und unterhalb der unteren Stützwalzeneinbaustücke zur Verfügung stehen.
Ein weiteres Merkmal moderner Walzgerüste für das Warm- und Kaltwalzen von Flachprodukten sind verschiebbare Arbeitswalzen 6, z.B. für die Beeinflussung des Walzspaltprofils oder zur Vergleichmäßigung des Walzenverschleißes. In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Verschieben der Arbeitswalzen 6 mit Hilfe von Hydraulikzylindern 7. Unabhängig davon, ob während einer Betriebsphase die beiden Arbeitswalzen verschoben werden oder sich in einer bestimmten Position befinden, entstehen in den Hydraulikzylindern 7 Drücke in Abhängigkeit von den von den Arbeitswalzen 6 ausgehenden Axialkräften. Die Axialkräfte der Arbeitswalzen können demzufolge in bevorzugter Weise ohne zusätzlichen Aufwand durch Druckmessung in den Verschiebezylindern bestimmt werden. Hiermit stehen insgesamt sechs Meßwerte für vertikale und horizontale Kräfte im Walzgerüst zur Verfügung.
Figur 2 zeigt eine Analyse der Kräfte in einem Walzgerüst. Aufgenommen wurden lediglich die Kräfte F aus dem Walzprozeß und die Axialkräfte T der Walzen. Auf die Darstellung von Balancierkräften, Biegekräften und Gewichtskräften wurde verzichtet, da die Kompensation dieser Kräfte bekannt ist.
Der Ansatz der Gleichgewichtsbedingungen für horizontale Kräfte T, vertikale Kräfte F und Momente M am oberen und unteren Walzensatz führt zu insgesamt sechs Gleichungen. Diese sechs nachfolgenden Gleichungen GL geben das Kräftegleichgewicht wie folgt wieder:
- T2 (rA + rS) + Tw (2rA + rS) = 0
- T3 (rA + rS)- Tw (2rA + rS) = 0
Aus diesen sechs Gleichungen lassen sich mit mathematischen Umformungen die Gleichungen für die von den Stützwalzen ausgehenden Kräfte T1 und T4 sowie die im Walzspalt auftretende Tangentialkraft Tw bestimmen. Damit sind alle im Gerüst auftretenden horizontal wirkenden Kräfte bekannt.
Figur 3 zeigt die Zusammenstellung des Gleichungssatzes.
Von besonderem Interesse ist die Ableitung einer Mittenabweichung X für die Lage der resultierenden Walzkraft im Walzspalt (vgl. Fig. 2). Diese Größe läßt sich ebenfalls aus den sechs Meßwerten im Walzbetrieb kontinuierlich ableiten. Die Gleichung für die Mittenabweichung X ist in Fig. 3 angegeben. Die Größe X kann herangezogen werden für die automatische Kalibrierung, d.h. für das automatische Parallelstellen der beiden Arbeitswalzen, indem nach einem Walzenwechsel das Gerüst ohne Walzgut mit drehenden Walzen vorgespannt und die aus den sechs Meßwerten errechnete Außermittigkeit X errechnet wird. Durch Schwenken mit der hydraulischen Anstellung wird der Wert X auf Null geregelt mit dem Ergebnis einer einwandfreien Parallellage von oberer und unterer Walze.
Eine weitere Verwendung der Mittenabweichung X ist die Überwachung des Walzprozesses, insbesondere bei Reversiergerüsten, bei denen ein Verlaufen des Bandes bzw. des Bleches aus der Gerüstmitte eintreten kann. Die Mittenabweichung X kann zur Meldung solcher Ereignisse und zu einer entsprechenden Korrektur herangezogen werden.
Selbstverständlich kann die automatische Kalibrierung und Überwachung des Walzprozesses auch dadurch erfolgen, daß anstelle der Einführung einer Mittenabweichung eine Korrektur (Kompensation) der gemessenen Kräfte F1 bis F4 mit Hilfe der errechenbaren Reaktionskräfte aus den Axialkräften erfolgt. Die hierzu erforderlichen Gleichungen für die Summe der Reaktionskräfte aus allen beteiligten Walzen sind mit R1 bis R4 in Figur 4 angegeben. Nach einer solchen Kompensation können die Meßwerte F1 bis F4 in an sich bekannter Weise durch Differenzbildung F1 minus F2 bzw. F3 minus F4 für die Walzenkalibrierung und für die Überwachung des Walzprozesses herangezogen werden.
In den Gleichungen zur Bestimmung der Walzen-Axialkräfte und der Außermittigkeit zeigt sich als besonders vorteilhaft, daß die Meßwerte für die Axialkräfte im oberen bzw. unteren Gerüstbereich immer als Differenzwerte in die Auswertung eingehen. Dies hat zur Folge, daß die in den Meßwerten enthaltenen Reibungskräfte, insbesondere bei den Meßwerten aus den Anstellzylindern nicht in die Auswertung eingehen, soweit die Reibungskräfte auf beiden Gerüstseiten gleich groß sind. Dies gilt für eine Aufnahme der Meßwerte während beidseitiger Zufahrbewegungen oder beidseitiger Auf fahrbewegungen der hydraulischen Anstellungen. Bei einer Schwenkbewegung würden sich die Reibungskräfte beider Gerüstseiten addieren. Die Meßwertaufnahme während einer Schwenkbewegung ist deshalb im betrieblichen Ablauf zu unterdrücken.
Als vorteilhaft erweist sich auch die Nutzung der gemessenen und errechneten Axialkräfte T1 bis T4 und Tw zur Überwachung des Erhaltungszustandes und der einwandfreien Walzenschliffe. Hoher Verschleißzustand und Fehler im Walzenschliff erhöhen die Verschränkung der Walzen zueinander und führen zu erhöhten Axialkräften. Die Anzeige dieser Kräfte ist demzufolge ein hervorragendes Mittel zur kontinuierlichen Überwachung des Walzwerks.
Figur 4 zeigt den Gleichungssatz für die Reaktionskräfte aus den Axialkräften und für die Reaktionskräfte aus der Außermittigkeit der Walzkraft.
Figur 5 enthält ein Rechenbeispiel mit angenommenen Walzgerüstdaten und Walzdaten und den hieraus mit Hilfe der oben angegebenen Gleichungen errechneten Walzen-Axialkräfte und Reaktionskräfte.