Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Walzgerüstes zum Stufenwalzen von Metallband. Der Begriff "Stufenwalzen" meint ein Walzen des Metallbandes mit unterschiedlichen Dicken in einzelnen Abschnitten des Metallbandes.

Derartige Verfahren zum Stufenwalzen von Metallband sind im Stand der Technik grundsätzlich bekannt, so z. B. aus der europäischen Patentanmeldung EP 1 121 990 A2. Diese Patentanmeldung offenbart ein Walzgerüst mit Arbeitswalzen, welche einen Walzspalt aufspannen. Dem Walzgerüst sind einlaufseitig ein Abwickelhaspel und ein Bandspeicher vorgeschaltet zum Zuführen von Metallband mit einer konstanten Ausgangsdicke in das Walzgerüst. Auslaufseitig sind dem Walzgerüst - in Materialflussrichtung gesehen - ein Bandspeicher und ein Aufwickelhaspel nachgeschaltet. Insbesondere der Aufwickelhaspel wird unter Berücksichtigung des jeweils geänderten Coil-Durchmessers auf den Mittelwert der Auslaufgeschwindigkeit des Metallbandes aus dem Walzgerüst geregelt. Auf diese Weise wird im Mittel so viel Band auf den Aufhaspel aufgewickelt, wie Band den Walzspalt verlässt. Die mindestens eine Rolleneinheit in dem auslaufseitigen Bandspeicher, bei der es sich beispielsweise um eine Tänzerrolle handelt, wird kraftgeregelt, so dass ein gewollter Bandzug vorliegt.

Diese Funktion des auslaufseitigen Bandspeichers als Stellglied zur Regelung des auslaufseitigen Bandzugs hat den Nachteil, dass die Position der Rolleneinheit bzw. der Tänzerrolle aufgrund der besagten Kraftregelung grundsätzlich unbestimmt ist. Diese Unbestimmtheit der Position der Rolleneinheit führt in Verbindung mit dem schnell durchlaufenden Metallband zu Instabilitäten. Dies gilt deshalb, weil insbesondere der Bandspeicher während seines Betriebes, gegebenenfalls auch in Verbindung mit dem Aufwickelhaspel als ein FederMasse-System betrachtet werden kann, welches bei Betrieb im Bereich seiner Resonanzfrequenz zu einem unkontrollierten Aufschaukeln neigt. Im Ergebnis ist festzustellen, dass die gewünschte Regelung des Bandzugs auf der Auslaufseite mit Hilfe des auslaufseitigen Bandspeichers als kraftgeregeltem Stellglied lediglich suboptimal funktioniert.

Weiterhin ist es im Stand der Technik bekannt, den auslaufseitigen Bandzug des Metallbandes mit Hilfe des Aufwickelhaspels als Stellglied auf einen vorgegebenen auslaufseitigen Soll-Bandzug zu regeln.

Letztere Regelung funktioniert hinreichend gut, solange mit niedriger Walzgeschwindigkeit gewalzt wird und insbesondere Dickenunterschiede zwischen einzelnen Abschnitten des Metallbandes lediglich durch langsame Änderungen des Walzspaltes in das Metallband eingebracht werden.

Erfolgen diese Änderungen des Walzspaltes und die damit einhergehenden Dickenunterschiede in dem Metallband jedoch relativ schnell, ist diese Regelung nicht geeignet. Das von dem Aufwickelhaspel zu einem Coil aufgewickelte Metallband wiegt typischerweise mehrere Tonnen, beispielsweise 25 t. Deshalb ist die Massenträgheit des auslaufseitigen Aufwickelhaspels, insbesondere wenn er mit dem besagten Coil beladen ist, zu groß, um schnelle Änderungen in der Dicke des Metallbandes im Hinblick auf einen konstanten Bandzug auszuregeln.

Die europäische Patentanmeldung EP 3 210 681 A1 offenbart alle Merkmale des Oberbegriffs des Verfahrensanspruchs 1.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein bekanntes Verfahren zum Betreiben eines Walzgerüstes zum Stufenwalzen von Metallband in alternativer Weise dahingehend weiterzubilden, dass der auslaufseitige Bandzug auch bei schnellen Änderungen der Größe des Walzspaltes und daraus resultierenden schnellen Dickenänderungen in dem gewalzten Metallband, hinreichend konstant gehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird durch das in Patentanspruch 1 beanspruchte Verfahren gelöst. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl des Abwickelhaspels auf eine konstante Abwickel-Soll-Drehzahl geregelt wird.

Der Begriff "Stufenwalzen" meint das Walzen eines zusammenhängenden Metallbandes mit unterschiedlichen Dicken in einzelnen Abschnitten. Insbesondere in einem nachlaufenden Abschnitt des Metallbandes ist die Dicke anders als in einem dazu benachbarten vorlaufenden Abschnitt des Metallbandes. Der Unterschied zwischen den Dicken beträgt Δh. Anstelle des Begriffs "Stufenwalzen" wird auch der Begriff "flexibles Walzen" synonym verwendet.

Die beanspruchte Regelung des Bandzugs mit Hilfe des Aufwickelhaspels als Stellglied bildet die Grundlage für das erfindungsgemäße Konstanthalten des auslaufseitigen Bandzugs. Diese Regelung ist gut geeignet zum Konstanthalten des Bandzugs, wenn sich die Dicke des Metallbandes im Auslauf des Walzgerüstes nicht oder nur vergleichsweise langsam ändert. Vergleichsweise langsam bedeutet in diesem Zusammenhang so langsam, dass eine daraus resultierende Änderung des Bandzugs trotz der großen Massenträgheit des Aufwickelhaspels mit diesem ausgeregelt werden kann. Um jedoch darüber hinaus auch quasi überlagerte schnelle Änderungen des Bandzugs ausregeln bzw. kompensieren zu können, ist der besagten Regelung des Bandzugs mit Hilfe des Aufwickelhaspels eine Positionsregelung der Rolleneinheit in dem auslaufseitigen Bandspeicher überlagert. Die Rolleneinheit in dem auslaufseitigen Bandspeicher hat eine wesentlich geringere Massenträgheit als der Aufwickelhaspel und kann deshalb sehr flexibel, d. h. sehr schnell auf höher frequente Änderungen des Bandzugs reagieren, wie sie aus schnellen Änderungen der Dicke des Metallbandes resultieren. Die beanspruchte Positionsregelung der Rolleneinheit des auslaufseitigen Bandspeichers bietet im Unterschied zu der aus dem Stand der Technik bekannten Kraftregelung der Rolleneinheit den Vorteil, dass die

Position der Rolleneinheit während der Regelung jeweils in Form von Soll-Positionen fest vorgegeben wird. Mit dieser festen Vorgabe der Soll-Positionen ist auch der jeweilige Bandzug fest eingestellt. Anders als bei einer Kraftregelung der Rolleneinheit bietet die beanspruchte Positionsregelung der Rolleneinheit den Vorteil einer größeren Stabilität des auslaufseitigen Bandzugs auch bei dynamischer Änderung des Walzspaltes bzw. der Dicke des Metallbandes.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die aus dem vorgegebenen Dickenunterschied resultierende notwendige Änderung der Soll-Position der Rolleneinheit in einem Prozessmodell für das Stufenwalzen zeitlich vorausberechnet, vorzugsweise bevor oder während der Dickenunterschied durch eine Änderung des Walzspaltes zwischen den Arbeitswalzen des Walzgerüstes realisiert wird. Im Falle dieser Vorausberechnung kann die Rolleneinheit bereits sehr frühzeitig auf ihre neue geänderte Sollposition eingestellt bzw. vorgesteuert werden. Dies erfolgt vorzugsweise spätestens sobald die Größe des Walzspaltes um den Dickenunterschied Δh geändert wird. Diese erfindungsgemäße Vorsteuerung bietet den Vorteil, dass die erforderliche Änderung der Position der Rolleneinheit zeitlich nicht später als die Dickenänderung erfolgt, wodurch eine ansonsten zwischenzeitlich temporär entstehende Instabilität des Bandzugs wirkungsvoll verhindert werden kann.

Das dem Walzgerüst einlaufseitig zugeführte Metallband weist vorzugsweise eine konstante Ausgangsdicke auf.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens betreffend sowohl die Einlaufseite wie auch die Auslaufseite des Walzgerüstes sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Der Erfindung sind drei Figuren beigefügt, wobei

Figur 1

eine Walzanlage mit einem Walzgerüst zum Stufenwalzen von Metallband;

Figur 2

eine Detailansicht von Figur 1 zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und

Figur 3

eine Veranschaulichung der veränderten Soll-Position der Rolleneinheit in dem auslaufseitigen Bandspeicher

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die genannten Figuren in Form von Ausführungsbeispielen detailliert beschrieben. In allen Figuren sind gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Figur 1 zeigt eine Walzanlage zum Stufenwalzen von Metallband 200. Diese Anlage umfasst ein Walzgerüst 100 mit Arbeitswalzen 105, welche einen Walzspalt aufspannen. Die Größe des Walzspaltes ist beim Stufenwalzen veränderlich zum Einbringen von Dickenunterschieden Δh in das Metallband. In der Konsequenz hat dann ein vorlaufender Abschnitt 220 des Metallbandes eine andere Dicke als ein nachfolgender Abschnitt 210 des Metallbandes 200. Der Dickenunterschied beträgt Δhi; siehe Figur 2. Dabei bezeichnet der Laufparameter i mit i=1 ...I einen jeweiligen Abschnitt des Metallbandes.

Gemäß Figur 1 wird das Metallband mit vorzugsweise konstanter Ausgangsdicke ho einlaufseitig des Walzgerüstes 100 von einem Abwickelhaspel 80 bereitgestellt. Es durchläuft sodann optional einen einlaufseitigen Bandspeicher 90 bevor es in den Walzspalt zwischen den Arbeitswalzen 105 des Walzgerüstes einläuft und dort gewalzt wird. Auslaufseitig durchläuft das dann gewalzte Metallband 200 zunächst einen auslaufseitigen Bandspeicher 110, bevor es mit Hilfe eines auslaufseitigen Aufwickelhaspels zu einem Coil aufgewickelt wird.

Aufgrund von erfolgten Änderungen der Größe des Walzspaltes während des Walzens weist das zu dem Coil aufgewickelte Metallband in unterschiedlichen Abschnitten unterschiedliche Dicken auf.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des Walzgerüstes 100 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren detailliert beschrieben. Das Verfahren gilt insbesondere für das Kaltwalzen von Metallbändern; eine Anwendung des Verfahrens bei Warmband ist jedoch nicht ausgeschlossen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zielt insbesondere darauf ab, den Bandzug auf der Auslaufseite des Walzgerüstes 100 auch bei schnellen Änderungen in der Dicke des Metallbandes, wie sie beim Stufenwalzen vorkommen, konstant zu halten. Zu diesem Zweck wird der Aufwickelhaspel 120 als Stellglied für eine Bandzugregelung verwendet, bei welcher der auslaufseitige Bandzug auf einen vorgegebenen auslaufseitigen Soll-Bandzug geregelt wird.

Der Bandzug ist bei konstantem Querschnitt des Metallbandes proportional zu einer auf das Metallband wirkenden Zugkraft in Längsrichtung des Metallbandes. Die Regelung auf den konstanten Soll-Bandzug kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass das Soll-Drehmoment des Aufwickelhaspels nach Maßgabe des sich beim Aufwickeln des Coils kontinuierlich vergrößernden Radiusses des Coils zeitabhängig verändert wird. Insofern kann die beanspruchte Regelung auf einen konstanten auslaufseitigen Soll-Bandzug durch eine geeignete Regelung des Drehmomentes des Auslaufhaspels realisiert sein, wobei dann das vorzusehende Soll-Drehmoment in Abhängigkeit des sich zeitlich verändernden Coilradiusses verändert werden muss. Die besagte Regelung auf den konstanten Bandzug entspricht einer Regelung auf einen Mittelwert der Geschwindigkeit des Metallbandes am Ausgang des Walzgerüstes.

Um auch schnelle Änderungen des Walzspaltes und daraus resultierende schnelle Änderungen der Dicke des Metallbandes im Hinblick auf einen angestrebten konstanten Bandzug ausregeln zu können, ist erfindungsgemäß, wie oben beschrieben, der besagten Regelung des Bandzugs mit Hilfe des Aufwickelhaspels eine schnelle Positionsregelung für die Rolleneinheit 114 des auslaufseitigen Bandspeichers 110 überlagert. Diese Positionsregelung sieht vor, dass für jeden Abschnitt i des Metallbandes mit einer unterschiedlichen bzw. individuellen Dicke die Rolleneinheit in dem auslaufseitigen Bandspeicher auf eine individuell vorgegebene Soll-Position geregelt wird. Die Notwendigkeit für das Einstellen dieser individuellen Soll-Positionen für die unterschiedlich dicken Abschnitte des Metallbandes wird nachfolgend insbesondere unter Bezugnahme auf Figur 2 näher erläutert.

Es wird davon ausgegangen, dass das Metallband 200 mit einer Ausgangsdicke ho in den Walzspalt zwischen den Arbeitswalzen 105 des Walzgerüstes 100 einläuft. In dem Walzspalt erfährt das Metallband 200 zunächst eine Dickenreduzierung um einen Dickenunterschied Δh_i, wie in Figur 2 gezeigt. Diese Dickenreduktion Δhi des Metallbandes auf der Auslaufseite des Walzgerüstes 100 führt zu einer Änderung der Auslaufgeschwindigkeit Vex i des Metallbandes aus dem Walzgerüst um einen Betrag ΔVex i in dem vorlaufenden Abschnitt 220 des Metallbandes, insbesondere gegenüber der vereinfachend als konstant angenommenen Umfangsgeschwindigkeit VU der Arbeitswalzen 105 des Walzgerüstes 100.

Die Änderung der Ausgangsgeschwindigkeit ΔVex i ist abhängig von einer Vielzahl von Parametern, wie sie in der nachfolgenden physikalischen Funktion nicht abschließend aufgelistet sind.

ΔVi = f (ho, Δhi, η: Reibwert im Walzspalt, kf: Fließkurve des zu walzenden Materials, Rauheit -, Durchmesser- und Umfangsgeschwindigkeit VU der Arbeitswalzen, Grad der Schmierung im Walzspalt, Temperatur, Rauheit des Metallbandes, Zugkraft FZug i auf Metallband am Ausgang des Walzgerüstes vor dem auslaufseitigen Bandspeicher, Zugkraft Fzug Hi auf das Metallband am Auslauf des auslaufseitigen Bandspeichers, etc).

Die Änderung der Ausgangsgeschwindigkeit ΔVex i wird typischerweise von einem Prozessmodell auf Basis von initialisierten Werten für die einzelnen Parameter vorausberechnet. Bei den initialisierten Werten handelt es sich vielfach nur um Schätz- bzw. Erfahrungswerte, weil die Werte von vielen der Parameter nicht genau bekannt bzw. reproduzierbar sind. Während der Durchführung des Walzprozesses ist es deshalb empfehlenswert, die einzelnen Parameter mit Hilfe eines Beobachters zu beobachten, d.h. messtechnisch zu erfassen und ihre beobachteten bzw. gemessenen Werte mit den aktuell im Prozessmodell verwendeten Werten zu vergleichen. Im Falle einer erkannten Abweichung einzelner Parameterwerte empfiehlt sich dann eine Anpassung des Prozessmodells, um dieses ständig weiter zu verbessern.

Die Gesamtgeschwindigkeit Vex i des Metallbandes am Auslauf des Walzgerüstes in Transportrichtung des Metallbandes vor dem auslaufseitigen Bandspeicher 110 berechnet sich zu: $$\mathrm{Vex}\mathrm{i}=\mathrm{VU}+\Delta \mathrm{Vex}\mathrm{i}$$

Davon zu unterscheiden ist die Geschwindigkeit des Metallbandes VHi am Auslauf des auslaufseitigen Bandspeichers 110 bzw. Einlauf des Aufwickelhaspels 120.

Durch Aufintegrieren der Geschwindigkeitsdifferenz Vex i-VHi über der Zeit lässt sich die aus der ursprünglichen Dickenänderung Δhi resultierende Längenänderung ΔS i des Metallbandes auf der Auslaufseite des Walzgerüstes berechnen gemäß folgender Formel: $$\Delta \mathrm{s}\mathrm{i}={\displaystyle \int \left(\mathit{Vex}i-\mathit{VHi}\right)}\mathrm{dt}$$

Diese Längenänderung ΔS i muss in dem auslaufseitigen Bandspeicher 110 kompensiert werden, damit die Aufgabe der Erfindung gelöst und die Längenänderung keinen negativen Einfluss auf die Konstanz des Bandzugs auf der Auslaufseite des Walzgerüstes hat. Zu diesem Zweck sieht die vorliegende Erfindung vor, aus dieser berechneten Längenänderung Δsi eine erforderliche Änderung der Soll-Position Δpi der Rolleneinheit in dem auslaufseitigen Bandspeicher 110 derart zu berechnen, dass die besagte Längenänderung Δs in dem Bandspeicher vorzugsweise vollständig kompensiert wird. In Fig. 3 ist die Änderung der Soll-Position Δpi der Rolleneinheit beispielhaft dargestellt. Die besagte Änderung der Soll-Position Δpi entspricht beispielhaft in grober Näherung der Hälfte der Längenänderung Δsi des Metallbandes, wobei jedoch zusätzlich noch Winkelbeziehungen und die Längenabschnitte des in dem auslaufseitigen Bandspeicher geführten Metallbandes zu berücksichtigen sind. Die Änderung der Soll-Position Δp i der Rolleneinheit erfolgt erfindungsgemäß im Rahmen einer Positions-Steuerung oder Positions-Regelung, welche der traditionellen Bandzugregelung des Metallbandes auf der Auslaufseite des Walzgerüstes überlagert ist.

Die Rolleneinheit hat Vergleich zu dem Aufwickelhaspel, insbesondere wenn dieser das zu einem Coil aufgewickelte Metallband trägt, nur eine wesentlich geringere Masse und Massenträgheit. Deshalb kann die Rolleneinheit bzw. der Bandspeicher vorteilhafterweise viel schneller auf schnelle Längenänderungen des Metallbandes, wie sie insbesondere beim Stufenwalzen auftreten, reagieren als der wesentlich trägere Aufwickelhaspel. Die Längenänderungen sind proportional zu Änderungen im Bandzug gemäß der folgenden Proportionalitätsbeziehung: $$\Delta {\mathrm{F}}_{\mathrm{Zug}}\mathrm{i}=\Delta \mathrm{s}\mathrm{i}\cdot \left(\frac{\mathrm{E}\cdot \mathrm{A}}{L}\right)$$ mit

ΔF_Zug

Änderung des Bandzugs

Δs

Längenänderung des Metallbandes aufgrund einer Dickenänderung des Metallbandes

E

E-Modul des Metallbandes

A

Querschnittsfläche des Metallbandes

L

gespannte Länge des Metallbandes.

Während der auslaufseitige Aufwickelhaspel 120 aufgrund seiner Massenträgheit das Metallband 200 im Wesentlichen mit einer konstanten Umfangsgeschwindigkeit VHi, welche einer mittleren Auslaufgeschwindigkeit des Metallbandes aus dem Walzgerüst 100 auch bei geänderten Dicken entspricht, aufwickelt, kompensiert der erfindungsgemäße positionsgeregelte Bandspeicher die in Figur 2 dargestellten Schwankungen der auslaufseitigen Bandgeschwindigkeit Vex i um den besagten Mittelwert VHi. Auf diese Weise wird die erfindungsgemäße Aufgabe, nämlich den auslaufseitigen Bandzug auch bei hochdynamischen Änderungen des Walzspaltes und damit der Dicke des auslaufseitigen Bandes konstant zu halten, gewährleistet.

80

Abwickelhaspel auf der Einlaufseite

90

einlaufseitiger Bandspeicher

100

Walzgerüst

105

Arbeitswalzen des Walzgerüstes

110

auslaufseitiger Bandspeicher

114

Rolleneinheit

120

Aufwickelhaspel

200

Metallband

210

nachlaufender Metallbandabschnitt

220

vorlaufender Metallbandabschnitt

Δhi

Dickenunterschied zwischen dem vorlaufenden und dem nachfolgenden Abschnitt des Metallbandes

Δsi

Änderung der Sollposition der Rolleneinheit des Bandspeichers

Δvi

Änderung der Auslaufgeschwindigkeit des Metallbandes aus dem Walzgerüst aufgrund des Dickenunterschiedes Δh

P_{Soll v}

Sollposition des vorlaufenden Abschnitts des Metallbandes

P_{Soll n}

Sollposition des nachlaufenden Abschnitts des Metallbandes

I bzw. v

(voreilender ) Abschnitt des Metallbandes

i+1 bzw. n

(nacheilender) Abschnitt des Metallbandes

Vo

Geschwindigkeit des Metallbandes am Eingang des Walzgerüstes

Vex i

Geschwindigkeit des Metallbandes am Auslauf des Walzgerüstes vor dem auslaufseitigen Bandspeicher

VHi

Geschwindigkeit des Metallbandes hinter dem auslaufseitigen Bandspeichers am Einlauf des Aufwickelhaspels.

VU

Umfangsgeschwindigkeit der Arbeitswalzen