DE19912796A1

DE19912796A1 - Planheitsregelung zur Erzielung von planem Kaltband

Info

Publication number: DE19912796A1
Application number: DE19912796A
Authority: DE
Inventors: Folker Haase; Wolfgang Sauer
Original assignee: SMS Demag AG
Current assignee: SMS Siemag AG
Priority date: 1999-03-15
Filing date: 1999-03-15
Publication date: 2000-10-12
Also published as: EP1161313A1; CN1343146A; ES2182801T3; JP2003504206A; KR20010112335A; DE50000828D1; EP1161313B1; ATE228401T1; BR0009025A; TR200102682T2; WO2000054900A1; AU4741600A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Walzen eines Walzbandes in einer Bandstrasse mit zumindest zwei Walzgerüsten oder einem Einzelgerüst mit jeweils oberen und unteren ggf. einstellbaren Arbeitswalzen, die sich ggf. unmittelbar oder über Zwischenwalzen an Stützwalzen abstützen und in denen zur Zustandsänderung des Walzbandes mindestens ein Stich gewalzt wird, wobei für das Walzband eine Zielspannungsverteilung bzw. eine beliebige Zielunplanheitsform vorgegeben und mit der faktisch erreichten Spannungsverteilung verglichen wird, und zur Verfügung stehende mechanisch oder physikalisch wirksame Stellglieder in der Art eingesetzt werden, daß die Differenz zwischen vorgegebener und faktisch erreichter Spannungssverteilung möglichst weitgehend minimiert wird. Dabei wird neben der eigentlichen Spannungsverteilung im warmen Band auch die Bandtemperaturverteilung über die Bandbreite erfaßt und hieraus rechnerisch die Spannungsverteilung ermittelt, welche sich nach dem Abkühlen des Bandes einstellen würde, wenn das Band im warmen Zustand mit der hinter dem Walzspalt bestehenden Temperaturverteilung spannungsfrei wäre, und daß diese temperaturinduzierte Spannungsverteilung zur Korrektur der faktisch erreichten Spannung benutzt wird, bevor diese mit der Zielunplanheitsform verglichen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Walzen eines Walzbandes in einer Bandstrasse mit zumindest zwei Walzgerüsten oder einem Einzelgerüst mit jeweils oberen und unteren ggf. einstellbaren Arbeitswalzen, die sich ggf. unmittelbar oder über Zwischenwalzen an Stützwalzen abstützen und in denen zur Zustandsänderung des Walzbandes mindestens ein Stich gewalzt wird, wobei für das Walzband eine Zielspannungsverteilung bzw. eine beliebige Zielunplanheitsform vorgegeben und mit der faktisch erreichten Spannungsverteilung verglichen wird, und zur Verfügung stehende mechanisch oder physikalisch wirksame Stellglieder in der Art eingesetzt werden, daß die Differenz zwischen vorgegebener und faktisch erreichter Spannungsverteilung möglichst weitgehend minimiert wird.

Die Planheitsmessung von kaltgewalztem Band erfolgt gewöhnlich mittels Planheitsmessrollen, welche die aktuelle Spannungsverteilung über die Bandbreite messen. Die Messung erfolgt üblicherweise auf der Auslaufseite des Walzgerüstes, wo mittlere Bandtemperaturen zwischen 80 und 160°C auftreten. Sinngemäß gilt das auch für andere Metalle wie Aluminium oder Kupfer.

Erfahrungsgemäß treten zwischen Bandmitte und Bandkante Temperaturgradienten in der Größenordnung von 10°-30°C auf. In Fig. 1 sind dazu beispielhaft zwei beim Reversierwalzen von Edelstahl gemessene Bandtemperaturverteilungen aufgetragen. Geht man von dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Stahl von etwa 1.2 10^-5/Grad und einem Elastizitätsmodul von 210 000 N/mm² aus, so induziert ein Temperaturunterschied von 10 Grad bereits eine Spannungsdifferenz von etwa 25 N/mm² im kaltgewalzten Stahlband; angestrebt wird aber üblicherweise, die Spannungsunterschiede über der Bandbreite unter 20 N/mm² zu halten. Ohne Planheitsregelung hätte diese temperaturinduzierte Spannung keinen Einfluß auf die Planheit des Endproduktes, dem abgekühlten Band, zumindest dann nicht, wenn sie im elastischen Bereich bleibt.

Mit der Planheitsregelung soll die Kontur des Walzspaltes so geregelt werden, daß die Bandplanheit oder eine gezielte Unplanheitsform erhalten bleibt oder erzielt wird. Ein Problem besteht aber gerade darin, daß die Meßgröße die Spannungsverteilung im warmen Band ist, die mit der beschriebenen temperaturinduzierten Spannung (im obigen Beispiel mehr als 25 N/mm²) behaftet ist. Das heißt, die bekannte Planheitsregelung mit einer target flatness oder Zielfunktion für planes Band wird auch diese temperaturinduzierte Spannung im warmen Band ausregeln. Nach dem Auskühlung und Abklingen des Temperaturunterschiedes wird im abgekühlten Band der Zielunplanheitsform ein Spannungsanteil entsprechend der temperaturinduzierten Spannung jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen zusätzlich überlagert.

Die Ziel-Spannungsverteilungen oder Ziel-Unplanheitsformen könnten für ein gegebenes Produkt zusammen mit einer gegebenen Walz- bzw. speziellen Kühlstrategie im Prinzip auch so vorgegeben werden, daß man eine ausreichende Planheit des abgekühlten Produktes erhält. Allerdings ist die Suche nach den erforderlichen Zielfunktionen oder Unplanheitsformen ein aufwendiger empirischer Prozeß, der für jedes Produkt ein Abwickeln des Bundes mit Probenentnahme erforderlich macht.

Technologisch zufriedenstellender wäre es, nicht mehr zwischen der meßbaren Planheit im warmen Zustand unmittelbar hinter dem Walzspalt und den für verschiedene Produkte und Walzstrategien verschiedenen Kaltunplanheitsformen der abgekühlten Bunde unterscheiden zu müssen.

In den Jahren 1973 und 1975 ist in Ermangelung einer damals noch nicht entwickelten direkten Messung der Bandspannung mittels Zugspannungsmessrollen und nachfolgender Regelung oder Messung der lokalen Bandlängung vorgeschlagen worden, die Bandtemperaturverteilung selber zu messen (DE-A-23 49 611 und DE-A-25 54 246). Unterschiede in der Bandtemperatur über der Breite werden dort in direkter Weise als Unterschied im Umformgrad über der Breite interpretiert und dieser Unterschied im Umformgrad wiederum als Ursache für Planheitsfehler. Indem nun die Temperaturunterschiede im Band in direkter Weise in Unterschiede der Kühlmittelbeaufschlagung auf die Walze umgerechnet werden, sollte die Walzenkontur und damit die lokalen Umformgrade verändert werden.

Dieses Verfahren ist mindestens deshalb unvollständig, weil Temperaturunterschiede nicht nur wegen unterschiedlicher Umformgrade auftreten, sondern auch andere Ursachen haben, wie thermische Walzenprofile, unterschiedliche Kühlschmiermittelflüsse und das größere Verhältnis Oberfläche/Volumen an der Bandkante besonders im aufgewickelten Zustand, wodurch die Temperatur zur Bandkante hin üblicherweise abfällt. Dagegen ist der Umformgrad beim Walzen von dünnen Stahlbändern wegen der Einbettung des Walzgutes in die Walze üblicherweise an der Bandkante höher, und trotzdem ist die Temperatur an der Kante wegen der soeben beschriebenen Effekte in der Summe niedriger.

Das in den Patentanmeldungen DE-A-23 49 611 und DE-A-25 54 246 beschriebene Verfahren hat sich demzufolge auch nicht durchgesetzt, sondern wurde später durch die beschriebene direkte Messung der Zugspannungsverteilung mit nachfolgender Regelung ersetzt. Dabei ist eines der Stellglieder dieser Regelung weiterhin die lokale Steuerung der Kühlmittelmenge der Arbeitswalze, die üblicherweise den Restfehler minimieren soll, der von den anderen Stellgliedern wie Walzenbiegung, Verschiebung oder auch der aufblasbaren Walze nicht abgedeckt werden kann.

In der Firmendruckschrift "ABB Automation and Drives (Dokument 3BSE005258) vom 17.02.94, Seite 3" ist der technische Stand der Planheitsregelung zu diesem Zeitpunkt wie folgt zusammengefaßt:

1. Definition einer Ziel-Planheit
2. Messen der Band-Planheit
3. Berechnung des Planheitsfehlers
4. Beschreibung der Funktion jedes mechanischen Walzspaltstellgliedes mittels Einflussfunktionen
5. Bestmögliche Überlagerung der Einflussfunktionen um den Planheitsfehler zu eliminieren
6. Verwendung der Walzspaltstellglieder um den Walzspalt einzustellen
7. Verwendung der lokal einstellbaren Walzenkühlung zur selektiven Einstellung des Walzspaltes durch thermisch hervorgerufene Arbeitswalzen- Durchmesseränderungen.

Diesen Stand der Technik findet man auch in der europäischen Patentanmeldung EP 0850704 A1 ergänzt durch den Hinweis, daß zur Erzielung eines in kaltem Zustand planen Bandes beim warmen Band über die Bandlängen unterschiedliche Unplanheitsformen vorgegeben werden. Keine Aussagen findet man beim Stand der Technik darüber, was die genaue Ursache eines im kalten Zustand unplanen Bandes ist, nämlich wie oben beschrieben, das dem technischen Stand entsprechende Regelkonzept selbst, im Zusammenspiel mit inhomogenen Temperaturverteilungen über die Bandbreite. Ebenfalls keine Aussagen findet man darüber, was man neben bloßer Empirie ("im warmen Band unterschiedliche Unplanheitsformen") dagegen tun kann.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Planheitsregelung zu finden, mit dem nicht mehr zwischen der messbaren Planheit im warmen Zustand unmittelbar hinter dem Walzspalt und den für verschiedene Produkte und Walzstrategien verschiedenen Kaltunplanheitsformen der abgekühlten Bunde unterschieden werden muß und mit dem im warmen Zustand die gleichen Planheits- bzw. Unplanheitsformen vorgegeben werden können.

Zur Lösung der Aufgabe ist vorgesehen, daß neben der eigentlichen Spannungsverteilung im warmen Band auch die Bandtemperaturverteilung über die Bandbreite erfaßt und hieraus rechnerisch die Spannungsverteilung ermittelt wird, welche sich nach dem Abkühlen des Bandes einstellen würde, wenn das Band im warmen Zustand mit der hinter dem Walzspalt bestehenden Temperaturverteilung spannungsfrei wäre, und daß diese temperaturinduzierte Spannungsverteilung zur Korrektur der faktisch erreichten Spannung benutzt wird, bevor diese mit der Zielunplanheitsform verglichen wird.

Der Vorteil dieses erfindungsgemäßen Vorschlages besteht darin, daß die Formulierung der Zielfunktion für die Planheit gezielt so erfolgen kann, daß auf direktem Wege eine bestmögliche Planheit des abgekühlten Bundes erreicht wird. Im Gegensatz zu der Absicht der DE-A-23 49 611 und DE-A-25 54 246 benutzt die Erfindung die Temperaturmessung nicht als eine direkt mit der Unplanheit verknüpfte Messgröße (diese Aufgabe übernimmt die Zugspannungsmessrolle), sondern entsprechend der technologischen Erkenntnisse der Unplanheitsursachen als eine ergänzende Korrekturgröße zur mittlerweile direkt meßbaren Zugspannung im warmen Band, so daß die Regelung in jedem Einzelfall gezielt abgekühltes Kaltband mit definierter Planheit erreichen kann.

Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungs-Figur 2 erläutert. Das Band wird in Laufrichtung rechnerisch in Streifen zerlegt, praktischerweise, aber nicht notwendigerweise mit einer Streifenbreite, wie sie von der verwendeten Zugspannungsmessrolle vorgegeben ist. Diese beträgt in vielen technisch ausgeführten Fällen ca. 52 mm und entspricht in der Regel auch der Teilung der Düsen auf den Kühlbalken. Für jeden dieser Streifen i wird aus den Temperatursignalen eine mittlere Temperatur T_i ermittelt. Sind die Temperatursignale nicht in einer - im angegebenen Beispiel - 52 mm Teilung gegeben, so muß vorher noch eine Interpolation auf diese Streifenteilung erfolgen. Außerdem wird eine mittlere Temperatur T_m über die gesamte Bandbreite errechnet. Auf der Auslaufseite wird die Differenz der Streifentemperaturen T_Ai von der mittleren Temperatur T_Am mit ΔT_Ai bezeichnet

ΔT_Ai = T_Ai-T_Am (1).

Indem die Werte ΔT_Ai mit dem thermischen Ausdehnungkoeffizienten des Walzgutes α auf der Auslaufseite multipliziert werden, erhält man eine gedachte relative Längenänderung ΔL_Ai/L_Am

ΔL_Ai/L_Am = α.ΔT_Ai (2)

dieser Streifen im Vergleich zur mittleren Länge L_Am aller dieser Streifen. Da diese Streifen aber zusammenhängend sind, können sie diese Längenänderung nicht einnehmen, sondern sie werden unter Spannung (annähernd) auf der Länge L_Am gehalten, welche die mittlere Bandtemperatur vorgibt. Diese streifenbezogene Spannung σ_TAi beträgt dann

σ_TAi = -E.ΔL_Ai/L_Am (3),

mit E als dem Elastizitätsmodul des Walzgutes.

Das Vorzeichen ergibt sich aus der Konvention, daß Zugspannungen mit positivem und Druckspannungen mit negativem Vorzeichen versehen sind.

Werden jegliche Spannungsgradienten von den Stellgliedern im warmen Band ausgeregelt, so verbleibt im abgekühlten Band die Spannung σ_a.

Bei temperaturunabhängigen Werkstoffwerten α und E ist dies der negative Ausdruck von (3):

σ_ai = E.ΔL_Ai/L_Am = E α ΔT_Ai (4).

Die Formeln (2) bis (4) geben eine erste Näherung für die Umrechnung von der Temperaturverteilung auf die Spannungsverteilung an, denn:

- die Werkstoffwerte α und E sind nicht völlig temperaturunabhängig und
- die einzelnen Streifen werden nicht völlig auf die durch die mittlere Temperatur vorgegebene Länge L_m zurückgezogen, sondern verharren im Prinzip auf leicht unterschiedlichen Längen L_i ≠ L_m, was zu etwas verminderten Spannungen führt, als nach (4) berechnet wird.
Um diese Längenkontur L_i zu berechnen kann ein ähnliches Verfahren gewählt werden, wie es im Kapitel "Thermoelastic coupling" auf Seite 20 des Artikels Thermal camber model for hot and cold rolling für eine zylindrische Walze beschrieben wurde. Die dort resultierende Formel (26) für den zylindrischen Fall läßt erkennen, daß die radiale Ausdehnungskontur R(z) verschwindet, wenn R sehr groß wird. Analog verschwindet auch die longitudinale Bandlängenkontur L_i in unserem Fall, wenn die Bandlänge L_m sehr groß wird, womit die Berechnung nach (1)-(4) praktisch ausreicht.

Im Vergleich zu empirisch ermittelten Zielfunktionen, welche implizit einen thermisch induzierten Spannungsanteil enthalten können, hat das erfindungsgemäße Verfahren weitere Vorteile:
Durch den Wegfall der Inspektion des abgekühlten Bundes ist die Ermittlung von Zielunplanheiten für das warme Band wesentlich vereinfacht. Streuungen der Kaltunplanheit aufgrund von Temperaturschwankungen werden vermieden. Unterschiede in den Zielunplanheiten für verschiedene Produkte werden vermindert. Bei Anwendung der neuen Kühlstrategien für das Band brauchen die Zielunplanheiten nicht angepaßt zu werden. Bunde, die bisher im Kalteinsatz gewalzt werden und demzufolge nach jedem Stich größenordnungsmäßig einen Tag auskühlen, können nach kürzerer Zeit weiter gewalzt werden, sofern nicht die zulässige Gesamttemperatur überschritten wird. Auch hier gilt dann, daß durch das neue Verfahren das Ziel Unplanheit von der Wartezeit zwischen den Stichen unabhängig wird.

Claims

1. Verfahren zum Walzen eines Walzbandes in einer Bandstrasse mit zumindest zwei Walzgerüsten oder einem Einzelgerüst mit jeweils oberen und unteren ggf. einstellbaren Arbeitswalzen, die sich ggf. unmittelbar oder über Zwischenwalzen an Stützwalzen abstützen und in denen zur Zustandsänderung des Walzbandes mindestens ein Stich gewalzt wird, wobei für das Walzband eine Zielspannungsverteilung bzw. eine beliebige Zielunplanheitsform vorgegeben und mit der faktisch erreichten Spannungsverteilung verglichen wird, und zur Verfügung stehende mechanisch oder physikalisch wirksame Stellglieder in der Art eingesetzt werden, daß die Differenz zwischen vorgegebener und faktisch erreichter Spannungsverteilung möglichst weitgehend minimiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß neben der eigentlichen Spannungsverteilung im warmen Band auch die Bandtemperaturverteilung über die Bandbreite erfaßt und hieraus rechnerisch die Spannungsverteilung ermittelt wird, welche sich nach dem Abkühlen des Bandes einstellen würde, wenn das Band im warmen Zustand mit der hinter dem Walzspalt bestehenden Temperaturverteilung spannungsfrei wäre, und daß diese temperaturinduzierte Spannungsverteilung zur Korrektur der faktisch erreichten Spannung benutzt wird, bevor diese mit der Zielunplanheitsform verglichen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturinduzierte Spannungsverteilung von der faktischen Spannungsverteilung subtrahiert wird, die resultierende Spannungsverteilung mit der Zielunplanheitsform verglichen wird, daraus die Differenz errechnet und zur Verfügung stehende mechanisch oder physikalisch wirksame Stellglieder in der Art eingesetzt werden, daß die Differenz möglichst weitgehend minimiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturinduzierte Spannungsverteilung zu der Zielunplanheitsform addiert wird, die faktisch ermittelte Planheitsverteilung mit dieser Summenverteilung verglichen wird, daraus die Differenz errechnet und zur Verfügung stehende mechanisch oder physikalisch wirksame Stellglieder in der Art eingesetzt werden, daß die Differenz möglichst weitgehend minimiert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Sinne eines technologischen Kompromisses mehrerer Gesichtspunkte der Planheitsreglung die temperaturinduzierte Spannungsverteilung vor der Weiterverarbeitung mit einem Verstärkungsfaktor multipliziert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Sinne einer technologischen Profilgewichtung dieser Verstärkungsfaktor für jeden Bandstreifen einen unterschiedlichen Wert hat.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandtemperaturverteilung hinter dem Walzspalt meßtechnisch, vorzugsweise berührungslos erfaßt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandtemperaturverteilung hinter dem Walzspalt aus einem Rechenmodell abgeleitet wird.