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WO2000054900A1 - Planheitsregelung zur erzielung von planem kaltband - Google Patents

Planheitsregelung zur erzielung von planem kaltband Download PDF

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WO2000054900A1
WO2000054900A1 PCT/DE2000/000831 DE0000831W WO0054900A1 WO 2000054900 A1 WO2000054900 A1 WO 2000054900A1 DE 0000831 W DE0000831 W DE 0000831W WO 0054900 A1 WO0054900 A1 WO 0054900A1
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temperature
flatness
stresses
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Folker Haase
Wolfgang Sauer
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Priority to BR0009025-5A priority patent/BR0009025A/pt
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B37/00—Control devices or methods specially adapted for metal-rolling mills or the work produced thereby
    • B21B37/28—Control of flatness or profile during rolling of strip, sheets or plates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B2261/00—Product parameters
    • B21B2261/20—Temperature
    • B21B2261/21—Temperature profile

Definitions

  • the invention relates to a method for rolling a rolled strip in a strip mill with at least two roll stands or a single stand, each with upper and lower optionally adjustable work rolls, which are supported, if necessary, directly or via intermediate rolls on support rolls and in which at least one stitch is used to change the condition of the rolled strip is rolled, a target stress distribution or any target unevenness form is specified for the rolled strip and compared with the actually achieved stress distribution, and available mechanically or physically effective actuators are used in such a way that the difference between the predetermined and the actually achieved stress distribution is as large as possible is minimized.
  • the flatness measurement of cold rolled strip is usually done using
  • Flatness measuring rollers which measure the current tension distribution over the bandwidth. The measurement is usually carried out on the outlet side of the roll stand, where average strip temperatures between 80 and 160 ° C occur. The same applies analogously to other metals such as aluminum or copper.
  • the contour of the roll gap should be controlled so that the
  • Band flatness or a specific form of flatness is retained or is achieved.
  • the measured variable is the stress distribution in the warm band, which is associated with the temperature-induced stress described (in the example above, more than 25 N / mm 2 ).
  • a voltage component corresponding to the temperature-induced voltage, but with the opposite sign is additionally superimposed in the cooled band of the target unevenness form.
  • target stress distributions or target non-flatness shapes could in principle also be specified for a given product together with a given rolling or special cooling strategy in such a way that the cooled product is sufficiently flat.
  • search for the required objective functions or non-flatness forms is a complex empirical one
  • Cooling lubricant flows and the larger surface area / volume ratio at the strip edge, especially when wound up, as a result of which the temperature usually drops towards the strip edge.
  • the degree of deformation when rolling thin steel strips is usually higher at the strip edge because of the embedding of the rolled material in the roller, and nevertheless the temperature at the edge is lower overall due to the effects just described.
  • the aim of the present invention is to find a method for flatness control with which it is no longer necessary to distinguish between the measurable flatness in the warm state immediately behind the roll gap and the different cold uneveness forms of the cooled bundles for different products and rolling strategies, and with the warm state the same flatness or non-flatness shapes can be specified.
  • the strip temperature distribution over the strip width is also detected, and from this the tension distribution is calculated, which would occur after the strip had cooled down if the strip was in the warm state with the one behind Roll gap existing temperature distribution would be stress-free, and that this temperature-induced stress distribution is used to correct the actually achieved stress before it is compared with the target non-flatness form.
  • Formulation of the target function for flatness can be done in such a way that the best possible flatness of the cooled covenant is achieved directly.
  • the invention does not use the temperature measurement as a measurement variable directly linked to the unevenness (this task is performed by the tension measuring roller), but according to the technological knowledge of the Unplanarity causes as a supplementary correction quantity to the tensile stress in the hot strip, which can now be measured directly, so that the control can reach cold strip with a defined flatness in each individual case.
  • the strip is computationally broken down into strips in the running direction, conveniently, but not necessarily with a strip width, as specified by the tension measuring roller used. In many technically executed cases this is approx. 52 mm and usually also corresponds to the division of the nozzles on the chilled beam. For each of these strips i, an average temperature T is determined from the temperature signals. If the temperature signals are not in one - in the specified
  • Example - given a 52 mm division an interpolation must first be made to this strip division.
  • an average temperature T m is calculated over the entire bandwidth.
  • the method according to the invention has further advantages: By eliminating the inspection of the cooled coil, the determination of target unevenness for the hot strip is considerably simplified. Scattered cold unevenness due to temperature fluctuations are avoided. Differences in target unevenness for different products are reduced.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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  • Metal Rolling (AREA)
  • Manufacturing Of Steel Electrode Plates (AREA)
  • Train Traffic Observation, Control, And Security (AREA)
  • Electrotherapy Devices (AREA)
  • Outside Dividers And Delivering Mechanisms For Harvesters (AREA)
  • Casting Or Compression Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)
  • Lining Or Joining Of Plastics Or The Like (AREA)
  • Shaping Of Tube Ends By Bending Or Straightening (AREA)

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 Spannungsverteilung 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

Planheitsregelung zur Erzielung von planem Kaltband
Beschreibung
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 Zustandsanderung 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 Figur 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 210000 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-2 349 61 1 und DE-A-2 554 246). 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
Kühlschmiermittelfiüsse 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-2 349 61 1 und DE-A-2 554 246 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 Firmeπdruckschrift "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 Spannungverteilung 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-2 349 61 1 und DE-A-2 554 246 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 vorgeben 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 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 Tm über die gesamte Bandbreite errechnet. Auf der Auslaufseite wird die Differenz der Streifentemperaturen TA, von der mittleren Temperatur 7" Am mit ΔTA, bezeichnet ΔΓA, = rA, - rAm. (1 )
Indem die Werte ΔTA, mit dem thermischen Ausdehnungkoeffizienten des Walzgutes α auf der Auslaufseite multipliziert werden, erhält man eine gedachte relative Längenänderung Δ A, / Am
Figure imgf000008_0001
dieser Streifen im Vergleich zur mittleren Länge 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 Am gehalten, welche die mittlere Bandtemperatur vorgibt. Diese streifenbezogene
Spannung σTA- beträgt dann
Ojtsi = "^' Δ^"A' ^ ^-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 σa
Bei temperaturunabhängigen Werkstoffwerten α und E ist dies der negative Ausdruck von (3): σaι = E- Δ A// Am = E α Δ7" A/ . (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 m zurückgezogen, sondern verharren im Prinzip auf leicht unterschiedlichen Längen L, ≠Lm, was zu etwas verminderten Spannungen führt, als nach (4) berechnet wird.
Um diese Längenkontour L, 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, in unserem Fall, wenn die Bandlänge 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

Patentansprüche
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 Zustandsanderung 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 Spannungverteilung 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.
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