[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Planheitssteuerung
eines Metallbandes beim Walzen, insbesondere beim reduzierenden Walzen, mit Hilfe
mindestens eines Walzgerüstes mit Arbeitswalzen, Mitteln zum zumindest teilweisen
Erwärmen der Arbeitswalzen und einer Steuerung, bei welchem bzw. bei welcher der Wärmebedarf
bandkantennaher Bereiche der Arbeitswalzen bestimmt wird und die entsprechenden Bereiche
der Arbeitswalzen erwärmt werden.
[0002] Beim Walzen, insbesondere beim reduzierenden Walzen, von Metallen ist die Ausbildung
von Bandkantenfehlern ein bekanntes Problem. Aufgrund der aus der Umformarbeit zur
Materialdickenreduzierung entstehenden Umformwärme und der Reibungswärme bildet sich
beim Walzen ein thermisches Profil in den Arbeitswalzen aus. Infolge des sich ausbildenden
thermischen Profils in den Arbeitswalzen kommt es zu einer lokalen Wärmedehnung und
somit zu unterschiedlichen Durchmesserzuwächsen der Arbeitswalzen. Die aus dem Sprung
des thermischen Profils an der Bandkante resultierenden senkrecht zur Walzrichtung
verlaufenden Inhomogenitäten der Verformung der Arbeitswalzen lokalisieren sich insbesondere
im Bereich der Bandkanten. Diese führen zu typischen Planheitsfehlern der Bandkanten
nach dem Walzen.
[0003] Bei den konventionellen Verfahren wird über mechanische Planheitsstellglieder wie
Arbeitswalzenbiegung, aufblasbare Stützwalzen oder hinterschliffene Arbeitswalzen
versucht, die Planheit der Bandkanten positiv zu beeinflussen. Diese Verfahren können
zwar das allgemeine Planheitsbild des Walzproduktes verbessern, eine Vermeidung oder
Reduzierung von Bandkantenfehlern ist mit ihnen jedoch nicht möglich.
[0004] Bei neueren noch in der Entwicklung befindlichen Verfahren werden zur Lösung des
Problems die Walzenränder mit heißen Schmierstoffen, zumeist durch Aufsprühen (hot
edge spray), beaufschlagt, wobei die Beaufschlagung abhängig von einem Planheitsmesswert
einer hinter dem Walzspalt angeordneten Planlageerfassung gesteuert wird. Durch die
zusätzliche Energiezufuhr in den bandkantennahen Bereichen der Arbeitswalzen kann
das sich ausbildende thermische Profil der Arbeitswalzen derart beeinflusst werden,
dass die Inhomogenitäten der Verformung der Arbeitswalzen außerhalb des zu walzenden
Metallbandes liegen. Aufgrund der schlechten Temperaturführung bei diesem Verfahren
gelingt dies jedoch nur eingeschränkt.
[0005] Nachteilig bei den bisher bekannten Verfahren ist nun, dass aufgrund der Regelung
mit Hilfe einer Planlageerfassung nur eine Ausregelung bereits entstandener Bandkantenfehler
erfolgen kann. Die Bandkantenfehler können somit nicht unterbunden werden. Darüber
hinaus muss bei dem "hot-edge-spray" Verfahren eine relativ hohe Heizleistung zur
Verfügung gestellt werden, um Bandkantenfehler tatsächlich zu beeinflussen, da es
bei dem oben genannten Verfahren aufgrund der nachführenden Regelung zu größeren Temperaturgradienten
kommt, die unter Verwendung hoher Heizleistungen ausgeregelt werden müssen.
[0006] Ausgehend von dem erläuterten Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur
Verfügung zu stellen, mit welchem bzw. mit welcher das Auftreten von Bandkantenfehlern
effektiver verhindert werden kann.
[0007] Erfindungsgemäß ist die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe für ein Verfahren
zur Planheitssteuerung eines Metallbandes beim Walzen dadurch gelöst, dass der Wärmebedarf
der bandkantennahen Bereiche der Arbeitswalzen vorherbestimmt und abhängig davon die
Mittel zum zumindest teilweisen Erwärmen der Arbeitswalzen gesteuert werden. Das erfindungsgemäße
Vorherbestimmen des Wärmebedarfs der bandkantennahen Bereiche der Arbeitswalzen und
die entsprechende Steuerung der Mittel zum zumindest teilweisen Erwärmen der Arbeitswalzen
gewährleistet, dass sich die Arbeitswalzen über die Bandkante hinaus homogen thermisch
ausdehnen und der Walzspalt damit auch im Bereich der Bandkanten konstant bleibt.
Das Auftreten von Bandkantenfehlern kann somit effektiv unterdrückt werden.
[0008] Das erfindungsgemäße Verfahren ist daher ein vorsteuerndes Verfahren, welches nicht
auf einen nachfolgende Messung der Planheit der Bandkante angewiesen ist, um Bankantenfehler
zu unterdrücken.
[0009] Wird gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Planheitssteuerung
eines Metallbandes beim Walzen der Wärmebedarf der neben dem Band befindlichen Zonen
der Arbeitswalzen vorherbestimmt, so kann das Erwärmen der Arbeitswalzen auf die neben
dem Band befindlichen Zonen beschränkt werden. Dabei wird nur die exakt benötigte
Energiemenge zugeführt, um den Walzspalt an der Bandkante eben zu halten.
[0010] Dadurch, dass gemäß einer weitergebildeten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens eine Planlageerfassung zur Verbesserung der Vorherbestimmung des Wärmebedarfs
einen Planheitsmesswert des Metallbandes nach dem Walzen, insbesondere mit einer Planheitsmessrolle,
ermittelt, kann die Planheit des gewalzten Metallbandes überprüft werden und Parameter
zur Vorherbestimmung des Wärmebedarfs gegebenenfalls angepasst werden.
[0011] Eine besonders exakte Planheitssteuerung wird gemäß einer nächsten vorteilhaften
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch erreicht, dass die Steuerung
durch eine zumindest teilweise kontinuierliche Prozesssimulation den Wärmebedarf vorherbestimmt.
Zusätzlich können auch Abweichungen im laufenden Betrieb der Walzen zur Vorherbestimmung
des Wärmebedarfs berücksichtigt werden.
[0012] Die Genauigkeit der Vorherbestimmung des Wärmebedarfs kann dadurch weitergesteigert
werden, indem gemäß einer weitergebildeten Ausführungsform die Prozesssimulation die
Energiebilanz, insbesondere die Energieflüsse, zwischen dem Metallband und den Arbeitswalzen
berechnet, um den Wärmebedarf vorherzubestimmen. Insbesondere können so die geleistete
Umformarbeit, die entstehende Reibungswärme sowie die Wärmeleitung vom Metallband
auf die Arbeitswalzen und umgekehrt berücksichtigt werden.
[0013] Vorteilhaft kann diese Ausführungsform weitergebildet werden, indem die Energieflüsse
abhängig von Materialdaten des Metallbandes und/oder Daten des Walzgerüstes und/oder
Daten der aktuellen Walzsituation und/oder des Planheitsmesswertes bestimmt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist damit weder auf ein bestimmtes Material des Metallbandes,
beispielsweise Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, beschränkt, noch gibt es Einschränkung
bezüglich der zu verwendenden Walzgerüste. Das Verfahren ist damit bei nahezu allen
Walzvorgängen einsetzbar, welche Planheitsfehler in Bandkantennähe als potentielle
Fehlerquelle besitzen.
[0014] Dadurch, dass gemäß einer weitergebildeten nächsten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens die Wärme zumindest teilweise kontinuierlich zugeführt wird, kommt es nicht
zur Ausbildung großer zeitlicher Temperaturschwankungen in den neben dem Band befindlichen
Zonen der Arbeitswalze, die ausgeregelt werden müssen. Die pro Walzenumdrehung einzubringende
Wärme zur Kompensation ist damit relativ gering, welches zu geringen zu installierenden
Heizleistungen und entsprechend kostengünstigen Bauweisen führt.
[0015] Erfolgt die Wärmezufuhr vor dem Einlauf des Metallbandes oder hinter dem Walzspalt,
kann die Wärme direkt neben den Bereichen der Arbeitswalzen zugeführt werden, welche
als nächstes Kontakt mit dem zu walzenden Metallband haben. Bevorzugt wird dabei die
Erwärmung der Arbeitswalze direkt hinter dem Walzspalt, da das in den Bereich der
Arbeitswalzen eingebrachte Wärmeprofil bereits durch Wärmedissipation geglättet ist,
bevor der Bereich der Arbeitswalze mit dem zu walzenden Metallband in Kontakt tritt.
[0016] Gemäß einer nächsten vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
erfolgt die Wärmezufuhr durch Induktion und/oder Konvektion und/oder Strahlung. Dies
gewährleistet einerseits, dass die Wärmezufuhr, beispielsweise durch Widerstandserwärmung
mittels Stromfluss durch die Arbeitswalzen selbst, Infrarotstrahlung, Laserstrahlung
oder aber das Aufsprühen mit heißen Schmierstoffen, besonders genau kontrolliert und
dosiert werden kann und andererseits, dass die benötigten Wärmequellen entsprechend
klein und kompakt ausgeführt werden können.
[0017] Erfindungsgemäß werden die bisher bekannten Vorrichtungen zur Planheitssteuerung
beim Walzen eines Metallbandes mit mindestens einem Walzgerüst mit Arbeitswalzen und
Mitteln zum zumindest teilweisen Erwärmen der Arbeitswalzen dadurch verbessert, dass
eine genaue Energiedosis gewährleistende Mittel, insbesondere induktiv arbeitende
Mittel, zum zumindest teilweisen Erwärmen der Arbeitswalzen vorgesehen sind. Durch
eine genaue Dosierung der zugeführten Wärme können auch bisher bekannte Vorrichtung
zur Planheitssteuerung deutlich verbessert werden, da die bisher bekannten Systeme
nur eine ungenaue Temperaturführung zulassen. Durch die verbesserte Temperaturführung
kann das thermische Profil der Arbeitswalzen in Bandkantennähe genauer eingestellt
und die Bandkantenfehler reduziert werden. Dabei eignen sich insbesondere induktiv
arbeitende Mittel zum teilweisen Erwärmen der Arbeitswalzen zum Einsatz in einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung, da sie die benötigten Energiemengen bereitstellen können, eine genaue
Dosierung dieser Energiemengen zulassen und darüber hinaus nicht störanfällig sind.
[0018] In dem bei einer weitergebildeten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Planheitssteuerung beim Walzen eines Metallbandes, eine den Wärmebedarf an den
bandkantennahen Bereichen der Arbeitswalzen vorherbestimmende und die Mittel zum zumindest
teilweisen Erwärmen der Arbeitswalzen steuernde Steuerung vorgesehen ist, kann das
Auftreten von Bandkantenfehlern effektiv unterbunden werden und die Qualität der Walzprodukte
weitergesteigert werden.
[0019] Die Vorherbestimmung des Wärmebedarfs der bandkantennahen Bereiche der Arbeitswalzen
kann weiter verbessert werden, indem gemäß einer nächsten weitergebildeten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, eine Planheitsmessrolle
zur Planlageerfassung des Metallbandes nach dem Walzen vorgesehen ist. Wie bereits
geschildert, können durch die nachträgliche Überprüfung der Planheit die Parameter
zur Vorherbestimmung des Wärmebedarfs angepasst werden.
[0020] Werden die Mittel zum zumindest teilweisen Erwärmen der Arbeitswalzen vor dem Einlauf
des Metallbandes und/oder hinter dem Walzspalt angeordnet, so kann auf einfache Weise
der Arbeitswalze in den bandkantennahen Bereichen die Wärme vor dem Kontakt mit dem
zu walzenden Metallband zugeführt werden. Bevorzugt wird, wie oben bereits erwähnt,
dabei die Anordnung der Mittel zum zumindest teilweisen Erwärmen hinter dem Walzspalt,
da die Dissipation der zugeführten Wärme bis zum Kontakt der Arbeitswalzen mit dem
zu walzenden Metallband zu einem besonders homogenen thermischen Profil der Arbeitswalzen
führt.
[0021] Eine besonders genaue und schnelle Vorherbestimmung des Wärmebedarfs an den bandkantennahen
Bereichen der Arbeitswalzen wird gemäß einer nächsten Ausführungsform dadurch erreicht,
dass ein Prozessrechner mit integriertem Simulationsmodul als Steuerung vorgesehen
ist.
[0022] Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Planheitssteuerung beim Walzen
eines Metallbandes. Hierzu wird beispielsweise einerseits verwiesen auf die den Patentansprüchen
1 und 10 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die Beschreibung eines
Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt
- Fig. 1
- schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Planheitssteuerung
beim Walzen eines Metallbandes und
- Fig. 2
- den Verlauf des thermischen Profils einer Arbeitswalze im Bereich der Bandkante.
[0023] Das in Figur 1 dargestellte Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Planheitssteuerung
beim Walzen eines Metallbandes 1 weist zwei Arbeitswalzen 2,3 in einem Walzgerüst,
Mittel 4 zum zumindest teilweisen Erwärmen der Arbeitswalze 2, eine Steuerung 5 sowie
eine Planheitsmessrolle 6 auf. Wird nun das Metallband 1 mit dieser Vorrichtung gewalzt,
so berechnet die Steuerung 5 in einer Simulation des Walzprozesses zunächst die ideelle
Walzarbeit die geleistet werden muss. Diese setzt sich zusammen aus der Umformarbeit
zur Materialdickenreduzierung, der dabei entstehenden Umformwärme und der Reibungswärme
im eigentlichen Walzprozess. In der Prozesssimulation wird nun für den Energieumsatz
im Walzspalt die dem Band bzw. der Arbeitswalze zugeführte spezifische Wärmeleistung
bezogen auf die Kontaktfläche berechnet. Aus der Summe dieser Wärmeleistung ergibt
sich dann die Wärmeleistung, die der Arbeitswalze 2 zugeführt werden muss, um einen
Sprung im thermischen Profil der Arbeitswalze 2 im Bereich der Bandkante zu kompensieren.
Dabei greift die Steuerung 5 der Mittel 4 zum zumindest teilweisen Erwärmen der Arbeitswalze
2 bei der Vorherbestimmung des Wärmebedarfs über eine Prozesssimulation auf die Daten
8 des Walzgerüstes sowie Materialdaten 9 des zu walzenden Werkstoffes zurück. Als
Mittel 4 zum zumindest teilweisen Erwärmen der Arbeitswalzen 2 ist hier eine induktive
Wärmequelle vorgesehen, welche hinter dem Walzspalt 7 angeordnet ist. Diese Anordnung
erlaubt eine Glättung des auf der Arbeitswalze entstehenden thermischen Profils in
Umfangrichtung durch Wärmedissipation, welches durch die exakt arbeitende induktive
Wärmequelle beeinflusst wird. Das thermische Profil der Arbeitswalze 2 ist damit auch
in axialer Richtung nahezu konstant. Zusätzlich kann mit Hilfe der Planheitsmessrolle
6, die hinter dem Walzspalt 7 angeordnet ist, eine Planlageerfassung durchgeführt
werden, deren Daten zur Verbesserung der Vorherbestimmung des Wärmebedarfs herangezogen
werden können. Ein Bandkantenfehler kann somit durch die Korrektur des Profils der
Arbeitswalze bereits vor seiner Entstehung unterbunden werden.
[0024] Die Vorherbestimmung des Wärmebedarfs soll nun anhand einer Beispielrechnung erläutert
werden. Zu Grunde gelegt werden dabei folgende typische Daten eines Aluminiumbandstiches:
Stichabnahme |
0,5 mm an 0,275 mm, |
Bandbreite |
1325 mm, |
Legierung |
AA 1050, |
Bandtemperatur |
25°C, |
Walzgeschwindigkeit |
1200 m/min, |
Bandvorzug |
15 kN, |
Bandrückzug |
10 kN, |
Arbeitswalzendurchmesser |
370 mm, |
Öltemperatur |
38°C. |
[0025] Anhand dieser Daten ergibt die Prozesssimulation eine ideelle Walzarbeit von 919
kW. Aus der Energiebilanz der Umformarbeit zur Materialdickenreduzierung, der dabei
entstehenden Umformwärme und der Reibungswärme im Walzprozess ergibt sich aus der
Simulation des Energieumsatzes im Walzspalt, dass dem Band eine spezifische Wärmeleistung
von 44,6 W/mm
2 und der Walze eine Wärmeleistung von 7,8 W/mm
2 bezogen auf die Kontaktfläche zugeführt wird. Die Berechnung ergibt, dass die Mittel
4 zum zumindest teilweisen Erwärmen der Arbeitswalze der Arbeitswalze 2 neben der
Bandkante eine Leistung von 52 W/mm
2 zuführen muss.
[0026] Die Wirkung dieser Wärmezuführung wird in der schematischen Darstellung des bandkantennahen
Bereichs der Arbeitswalzen 10 in Fig. 2 dargestellt. Fig. 2 zeigt dabei den Bereich
einer Bandkante eines Metallbandes 1 sowie das thermische Profil 11,12 der Arbeitswalzen
im Bandkantenbereich 10 mit und ohne Kantenerwärmung. Das thermische Profil der Arbeitswalzen
ohne Kantenerwärmung 11 ist im Bereich der Bandkante nicht homogen, da aufgrund der
nach außen hin abnehmenden Temperatur der Arbeitswalze der Durchmesser der Arbeitswalze
bereits im Bereich der Bandkante abnimmt. Wird nun eine zusätzliche Heizzone 4 im
Bandkantenbereich 10, insbesondere direkt neben den Zonen der Arbeitswalze, welche
im Kontakt mit dem Metallband stehen, angeordnet, so kann durch gezielte Zuführung
von Wärme das thermische Profil der Arbeitswalzen verändert werden. Wie das thermische
Profil der Arbeitswalzen mit Kantenerwärmung 12 zeigt, ist durch die zusätzliche Wärmezufuhr
mittels der Wärmequelle 4 das thermische Profil im Bereich der Bandkanten konstant.
Das komplette Metallband unterliegt damit den gleichen Walzbedingungen, so dass Bandkantenfehler
verhindert werden. Durch die zusätzliche Wärmezufuhr wird der ebene Teil der Walzspaltöffnung
um die in Fig. 2 mit δX bezeichnete Strecke über die Berührfläche mit dem Metallband
1 hinausgezogen.
1. Verfahren zur Planheitssteuerung eines Metallbandes beim Walzen, insbesondere beim
reduzierenden Walzen, mit Hilfe mindestens eines Walzgerüstes mit Arbeitswalzen, Mitteln
zum zumindest teilweisen Erwärmen der Arbeitswalzen und einer Steuerung, bei welchem
der Wärmebedarf bandkantennaher Bereiche der Arbeitswalzen bestimmt wird und die entsprechenden
Bereiche der Arbeitswalzen erwärmt werden,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Wärmebedarf der bandkantennahen Bereiche der Arbeitswalzen vorherbestimmt und
abhängig davon die Mittel zum zumindest teilweisen Erwärmen der Arbeitswalzen gesteuert
werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, dass
der Wärmebedarf der neben dem Band befindlichen Zonen der Arbeitswalzen vorherbestimmt
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Planlageerfassung zur Verbesserung der Vorherbestimmung des Wärmebedarfs einen
Planheitsmesswert des Metallbandes nach dem Walzen insbesondere mit einer Planheitsmessrolle
ermittelt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuerung durch eine zumindest teilweise kontinuierliche Prozesssimulation den
Wärmebedarf vorherbestimmt.
5. Verfahren nach Anspruch 4
dadurch gekennzeichnet, dass
die Prozesssimulation die Energiebilanz, insbesondere die Energieflüsse, zwischen
dem Metallband und den Arbeitswalzen berechnet, um den Wärmebedarf vorherzubestimmen.
6. Verfahren nach Anspruch 5
dadurch gekennzeichnet, dass
die Energieflüsse abhängig von Materialdaten des Metallbandes und/oder Daten des Walzgerüstes
und/oder Daten der aktuellen Walzsituation und/oder des Planheitsmesswertes bestimmt
werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wärme zumindest teilweise kontinuierlich zugeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wärmezufuhr vor dem Einlauf des Metallbandes oder hinter dem Walzspalt erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wärmezufuhr durch Induktion und/oder Konvektion und/oder Strahlung und/oder Wärmeleitung
erfolgt.
10. Vorrichtung zur Planheitssteuerung beim Walzen eines Metallbandes mit mindestens einem
Walzgerüst mit Arbeitswalzen und Mitteln zum zumindest teilweisen Erwärmen der Arbeitswalzen
dadurch gekennzeichnet, dass
eine genaue Energiedosis gewährleistende Mittel, insbesondere induktiv arbeitende
Mittel, zum zumindest teilweisen Erwärmen der Arbeitswalzen vorgesehen sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10
dadurch gekennzeichnet, dass
eine den Wärmebedarf an den bandkantennahen Bereichen der Arbeitswalzen vorherbestimmende
und die Mittel zum zumindest teilweisen Erwärmen der Arbeitswalzen steuernde Steuerung
vorgesehen ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Planheitsmessrolle zur Planlageerfassung des Metallbandes nach dem Walzen vorgesehen
ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12
dadurch gekennzeichnet, dass
die Mittel zum zumindest teilweisen Erwärmen der Arbeitswalzen vor dem Einlauf des
Metallbandes und/oder hinter dem Walzspalt angeordnet sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Prozessrechner mit integriertem Simulationsmodul als Steuerung vorgesehen ist.