WIDDER, Markus (Grüntalerstrasse 39, Linz, A-4020, AT)
SEILINGER, Alois (Griesmayrstrasse 16a, Linz, A-4040, AT)
WIDDER, Markus (Grüntalerstrasse 39, Linz, A-4020, AT)
Patentansprüche:
1. Walzgerüst zur Herstellung von Walzband oder Blech mit Arbeitswalzen, die sich an Stützwalzen oder Zwischenwalzen und Stützwalzen abstützen, wobei die Arbeitswalzen und/oder Zwischenwalzen im Walzgerüst gegeneinander axial verschiebbar angeordnet sind und jede Arbeits- und/oder Zwischenwalze eine über die gesamte wirksame Ballenlänge verlaufende, gekrümmte, durch eine trigonometrische Funktion beschreibbare Ballenkontur aufweist und sich diese beiden Ballenkonturen ausschließlich in einer bestimmten relativen Axialstellung der Walzen des Walzenpaares im unbelasteten Zustand komplementär ergänzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützwalzen eine komplementäre Ballenkontur aufweisen und im unbelasteten Zustand eine teilweise oder vollständige Ergänzung der Ballenkonturen der Stützwalzen und der unmittelbar benachbarten Arbeitswalzen oder Zwischenwalzen auftritt.
2. Walzgerüst nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine vollständige Ergänzung der Ballenkonturen der Stützwalzen und der unmittelbar benachbarten Arbeitswalzen oder Zwischenwalzen im unverschobenen Zustand der unmittelbar benachbarten Arbeitswalzen oder Zwischenwalzen auftritt.
3. Walzgerüst nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine unvollständige Ergänzung der Ballenkonturen der Stützwalzen und der unmittelbar benachbarten Arbeitswalzen oder Zwischenwalzen im unverschobenen Zustand der unmittelbar benachbarten Arbeitswalzen oder Zwischenwalzen unter der Bedingung auftritt, dass bei einem Stützwalzenradius R B (X) entsprechend der Formel
RB(X) = Ro + k.r B (x)
mit R B (x) Stützwalzenradius an der Stelle x der axialen Stützwalzenerstreckung
R 0 Radiusoffset r B (x) Kontur an der Stelle x der axialen Stützwalzenerstreckung k Korrekturfaktor der Korrekturfaktor k im Intervall 0 < k < 2 unter Ausschluss des Wertes k=1 festgelegt ist.
4. Walzgerüst nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ballenkontur der Arbeitswalzen oder der Zwischenwalzen oder der Stützwalzen in mindestens einem der Randbereiche ihrer Längserstreckung Anfasungen aufweist und in diesen Randbereichen korrigierte Ballenkonturen bilden, die sich durch Subtraktion einer beliebigen mathematischen Anfasungsfunktion von der Konturfunktion ergeben, wobei die Steigung der Ballenkontur und die Steigung der korrigierten Ballenkontur im übergangspunkt von der Ballenkontur zur korrigierten Ballenkontur gleich sind.
5. Walzgerüst nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anfasungsfunktion eine Kreisfunktion ist.
6. Walzgerüst nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
Anfasungsfunktion eine Sinusfunktion ist.
7. Walzgerüst nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anfasungsfunktion eine Funktion 2. Ordnung ist. |
Walzqerüst zur Herstellung von Walzband oder Blech
Die Erfindung betrifft ein Walzgerüst zur Herstellung von Walzband oder Blech mit Arbeitswalzen, die sich an Stützwalzen oder Zwischenwalzen und Stützwalzen abstützen, wobei die Arbeitswalzen und/oder Zwischenwalzen im Walzgerüst gegeneinander axial verschiebbar angeordnet sind und jede Arbeits- und/oder Zwischenwalze eine über die gesamte wirksame Ballenlänge verlaufende, gekrümmte, durch eine trigonometrische Funktion beschreibbare Ballenkontur aufweist und sich diese beiden Ballenkonturen ausschließlich in einer bestimmten relativen Axialstellung der Walzen des Walzenpaares im unbelasteten Zustand komplementär ergänzen.
Bei Quarto-Walzgerüsten oder Sexto-Walzgerüsten gehört es zur gängigen Praxis, zumindest die beiden Arbeitswalzen oder die beiden Zwischenwalzen mit einer speziellen Ballenkontur auszustatten und axial wirkende Verstelleinrichtungen für diese Arbeitswalzen oder Stützwalzen vorzusehen, um die Walzspaltkontur in Abhängigkeit vom aktuellen Walzbandprofil einstellen zu können.
Ein Walzgerüst der gattungsbildenden Art ist bereits aus der AT 410765 B bekannt. Die Walzballenkontur dieser in der Fachwelt unter der Bezeichnung SmartCrown® bekannten Walzen ist mathematisch durch eine modifizierte Sinusfunktion beschreibbar. Durch geeignete Wahl der Konturparameter ergibt sich dabei ein kosinusförmiger Leerwalzspalt, der durch Axialverschiebung der Walzen in seiner Amplitude gezielt beeinflusst werden kann.
Bei Einsatz von Arbeitswalzen bzw. Zwischenwalzen mit dieser speziellen Ballenkontur und zylindrisch geformten Stützwalzen in Quarto- oder Sexto-Walzgerüsten, wie im Normalfall üblich, ist es unvermeidbar, dass es im laufenden Walzbetrieb zu inhomogenen Lastverteilungen zwischen den Stützwalzen und den unmittelbar benachbarten Walzen kommt. Da der mit Hilfe der konturierten Walzen abzudeckende Balligkeitsbereich immer durch die Anforderungen des Walzprozesses bestimmt werden, wie beispielsweise durch unterschiedliche Prozessparameter, Dimensionen und verformungstechnische Eigenschaften des Walzgutes, ist der Verschiebehub der konturierten Walzen die einzige
Einflussgröße, mit welcher sich die Ausgeprägtheit der Inhomogenität der Lastverteilung beeinflussen lässt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die zuvor beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und ein Walzgerüst vorzuschlagen, bei dem Inhomogenitäten in der Lastverteilung entlang der Kontaktlinie der Stützwalzen und ihrer Nachbarwalzen zu minimieren und insbesondere örtliche Belastungsspitzen im Lastverteilungsverlauf abzubauen und damit die Einsatzdauer der Walzen und die notwendigen Nachschleifintervalle zu vergrößern.
Diese Aufgabe wird bei einem Walzgerüst der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, dass die Stützwalzen eine komplementäre Ballenkontur aufweisen und im unbelasteten Zustand eine teilweise oder vollständige Ergänzung der Ballenkonturen der Stützwalzen und der unmittelbar benachbarten Arbeitswalzen oder Zwischenwalzen auftritt.
Bei einem Quartogerüst bezieht sich diese teilweise oder vollständige Ergänzung der Ballenkonturen auf die beiden Stützwalzen und die jeweils benachbarten Arbeitswalzen. Bei einem Sextogerüst bezieht sich diese teilweise oder vollständige Ergänzung der Ballenkonturen auf die beiden Stützwalzen und die jeweils benachbarten Zwischenwalzen.
Aus prozesstechnischer Sicht ist ein möglichst kurzer Verschiebehub der Arbeitswalzen von Vorteil, da damit sowohl die Verschiebezeit als auch die anlagentechnisch vorzusehenden Verschiebeführungen kurz gehalten werden können. Ein kurzer Verschiebehub führt allerdings dazu, dass bei einem vorgegebenen Profilstellbereich der Arbeitswalzen größere Durchmesserunterschiede über der Ballenlänge auftreten als bei einem längeren Verschiebehub. Diese Nachteile aus einem kurzen Verschiebehub können durch die komplementäre Ergänzung der Ballenkonturen von Stützwalzen und benachbarten Walzen wesentlich reduziert werden.
Die Walzen im Walzgerüst sind nach einer möglichen Ausführungsform der Erfindung so ausgerichtet, dass eine vollständige Ergänzung der Ballenkonturen der Stützwalzen und der unmittelbar benachbarten Arbeitswalzen oder Zwischenwalzen im unverschobenen Zustand der unmittelbar benachbarten Arbeitswalzen oder Zwischenwalzen auftritt.
Da der maximale Verschiebehub in der Regel jedoch wesentlich kleiner als die Walzenballenlänge ist, treten auch in einem verschobenen Zustand der Walzen im
unbelasteten Zustand zwischen den Walzen wesentlich kleinere Spalte als bei zylindrischen Stützwalzen auf, wodurch es in jedem Betriebszustand zu einer annähernd homogenen Lastverteilung zwischen den Walzen kommt.
Nach einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung wird die zugrunde liegende
Aufgabe auch dann gelöst, wenn eine unvollständige Ergänzung der Ballenkonturen der
Stützwalzen und der unmittelbar benachbarten Arbeitswalzen oder Zwischenwalzen im unverschobenen Zustand der unmittelbar benachbarten Arbeitswalzen oder
Zwischenwalzen unter der Bedingung auftritt, dass bei einem Stützwalzenradius R B (X) entsprechend der Formel R B (x) = R 0 + k.r B (x) mit
R B (X) Stützwalzenradius an der Stelle x der axialen Stützwalzenerstreckung,
R 0 Radiusoffset, r B (x) Kontur an der Stelle x der axialen Stützwalzenerstreckung und k Korrekturfaktor, der Korrekturfaktor k im Intervall 0 < k ≤ 2 unter Ausschluss des Wertes k = 1 festgelegt ist.
Dieser Formalismus lässt sich ausgehend von einer Betrachtung der geometrischen Zusammenhänge bei einer vollständigen Ergänzung der Walzenballenkonturen einer Stützwalze und ihrer benachbarten Walze darstellen.
Bei einer vollständigen Ergänzung der Walzenballenkontur der Stützwalze und der benachbarten Walze (Zwischenwalze oder Arbeitswalze) sind die Achsen der beiden
Walzen im unbelasteten Zustand parallel. Für die Radien der Walzen bedeutet dies:
R N (x) Radius der Nachbarwalze an der Stelle x
R B (X) Radius der Stützwalze an der Stelle x
A Achsabstand
Durch die Definition der Kontur der Arbeits- oder Zwischenwalze ist damit auch die Kontur der Stützwalze in diesem Fall vollständig bestimmt. Der Radius setzt sich dabei aus einem Offset-Wert R 0 und der eigentlichen Kontur r B zusammen, die eine modifizierte Sinusfunktion darstellt: RB(X) = A - R N (X) = R 0 + r B (x)
mit
R 0 Radiusoffset r B (x) Kontur an der Stelle x
Eine unvollständige Ergänzung tritt daher dann auf, wenn die Konturfunktion r B durch einen
Korrekturfaktor k modifiziert wird. Daraus folgt:
R B (x) = R 0 + k.r B (x) mit k Konturfaktor (k ≠ 1 )
Für den Fall k = 1 ergibt sich die vollständige Ergänzung der Walzenballenkonturen. Bei einer Abweichung des Konturfaktors k vom Wert k = 1 ist eine vollständige Ergänzung der Walzenballenkonturen nicht mehr gegeben. Der Konturfaktor kann größer oder kleiner als 1 sein. Die Position der Extrempunkte und der Wendepunkte der Walzenballenkontur bleiben dabei unverändert. Nimmt der Konturfaktor k den Wert 0 an, wird die Stützwalzen- Ballenkontur zylindrisch. Eine ausreichende Minimierung der Inhomogenitäten in der Lastverteilung entlang der Walzenballenkontur wird mit Korrekturfaktoren im gewählten Bereich 0 < k ≤ 2 unter Ausschluss des Wertes k=1 erreicht.
Um unzulässig hohe Kantenpressungen zwischen Arbeitswalzen und Stützwalzen oder zwischen Zwischenwalzen und Stützwalzen zu vermeiden, sind Ballenenden der Walzen üblicherweise angefast und weisen in diesen Randbereichen somit eine Freistellung auf. Freistellungen dieser Art sind aus der EP 0 258 482 A1 oder der EP 1 228 818 A2 bereits bekannt. Diese Freistellungen sind bei konturierten Walzenballen in Randbereichen mit zum Rand hin zunehmenden Ballenradius durch ein zylindrisches Ballenende ausgebildet, wie dies in der EP 0 258 482 A1 dargestellt ist oder kann bei Walzen mit zylindrischer Walzenballenkontur durch einen konusförmigen Randbereich ausgebildet sein, wie dies beispielsweise in der EP 1 228 818 A2 dargestellt und beschrieben ist. Jedenfalls kommt es bei diesen bekannten Freistellungen lediglich zu einer Verlagerung der kritischen Pressung von den Ballenenden (Kanten) zum übergangsbereich zwischen der verbliebenen Ballenkontur und der Kontur der Anfasung, da bei dieser Ausgestaltung der Anfasung wiederum einen Knick im Konturverlauf des Walzenballens auftritt.
Um die Belastung an den Endbereichen der Walzenballen weiter zu vergleichmäßigen und damit Spitzenbelastungen durch Pressung abzubauen, weist die Ballenkontur der Arbeitswalzen oder der Zwischenwalzen oder der Stützwalzen in mindestens einem der
Randbereiche ihrer Längserstreckung Anfasungen auf, die in diesen Randbereichen korrigierte Ballenkonturen bilden, die sich durch Subtraktion einer beliebigen mathematischen Anfasungsfunktion von der Konturfunktion ergeben, wobei die Steigung der Ballenkontur und die Steigung der korrigierten Ballenkontur im übergangspunkt von der Ballenkontur zur korrigierten Ballenkontur gleich sind.
Sehr gute Ergebnisse hinsichtlich einer Minimierung und Vergleichmäßigung der Lastverteilung werden erzielt, wenn die Anfasungsfunktion von einer Kreisfunktion gebildet ist. ähnlich gute Ergebnisse werden auch erzielt, wenn die Anfasungsfunktion von einer Sinusfunktion oder einer Funktion 2. Ordnung, beispielsweise einer parabolischen Funktion gebildet ist.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung nicht einschränkender Ausführungsbeispiele, wobei auf die beiliegenden Figuren Bezug genommen wird, die Folgendes zeigen:
Fig. 1 die schematische Darstellung eines Quarto-Gerüstes mit konturierten Arbeitswalzen und zylindrischen Stützwalzen gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 2 die typische Lastverteilung zwischen Arbeitswalzen und Stützwalzen in einem Quarto-Gerüst gemäß Figur 1 ,
Fig. 3 die schematische Darstellung eines Quarto-Gerüstes mit konturierten Arbeitswalzen und komplementären Stützwalzen gemäß der Erfindung.
Fig. 4 die typische Lastverteilung zwischen Arbeitswalzen und Stützwalzen in einem Quarto-Gerüst mit der erfindungsgemäßen Walzenausbildung gemäß Figur 3,
Fig. 5 die schematische Darstellung eines Sexto-Gerüstes mit konturierten Stützwalzen und komplementären Zwischenwalzen gemäß der Erfindung,
Fig. 6 die schematische Darstellung eines Quarto-Gerüstes mit konturierten Arbeitswalzen und komplementären Stützwalzen gemäß der Erfindung mit einem Korrekturfaktor k=0,75,
Fig. 7 die erfindungsgemäße Kontur der oberen Stützwalze mit einer kreisförmigen Anfasung im Vergleich mit einer Ballenkontur gemäß Stand der Technik.
In den Figuren 1 bis 4 wird die Lastverteilung zwischen Stützwalzen und Arbeitswalzen bei einer Walzenballenkontur gemäß dem Stand der Technik der Lastverteilung zwischen Stützwalzen und Arbeitswalzen bei einer Walzenballenkontur gemäß der Erfindung am Beispiel eines Quarto-Gerüstes gegenübergestellt.
Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung die Walzenanordnung in einem Quarto- Gerüst zum Walzen eines Metallbandes B, insbesondere eines Stahlbandes mit Arbeitswalzen 1 und Stützwalzen 2. Die axial verschiebbaren Arbeitswalzen 1 weisen jeweils eine durch eine modifizierte Sinusfunktion beschreibbare Ballenkontur 3 auf. Diese Ballenkonturen 3 ergänzen sich in einer bestimmten relativen Axialstellung der Walzen des Arbeitswalzenpaares komplementär. Die Arbeitswalzen 1 werden von Stützwalzen 2 gestützt, die eine zylindrische Ballenkontur 4 aufweisen und auf die Arbeitswalzen einwirkende Walzkräfte abstützen. Die Lastverteilung zwischen der oberen Arbeitswalze 1 und der oberen Stützwalze 2 ist für diesen Fall der Walzenballengestaltung in Figur 2 dargestellt, wobei die spezifische Kraft zwischen den Walzen über die Ballenlänge aufgetragen ist und einerseits Belastungsspitzen im Kantenbereich hervortreten und andererseits Maximal- und Minimalwerte entsprechend dem sinusförmigen Konturverlauf auftreten. Für vier ausgewählte Werte der maximalen relativen Axialverschiebung (Verschiebehub) der Arbeitswalzen zueinander sind Lastverteilungskurven dargestellt.
Figur 3 zeigt in einer schematischen Darstellung die Walzenanordnung in einem Quarto- Gerüst mit Arbeitswalzen 1 und Stützwalzen 2. Die axial verschiebbaren Arbeitswalzen 1 weisen jeweils eine durch eine modifizierte Sinusfunktion beschreibbare Ballenkontur 3 auf, wobei sich diese Ballenkonturen in einer bestimmten relativen Axialstellung der Arbeitswalzen komplementär ergänzen. Die beiden Stützwalzen 2 weisen ebenfalls eine sich ergänzende komplementäre Ballenkontur 4 auf, die ebenfalls von einer modifizierten Sinusfunktion gebildet ist, wobei sich die Ballenkonturen der benachbarten, zusammenwirkenden Arbeitswalze 1 und Stützwalze 2 in einem unbelasteten Zustand vollständig ergänzen. Die Lastverteilung zwischen der oberen Arbeitswalze 1 und der oberen Stützwalze 2 ist für diesen Fall der Walzenballengestaltung in Figur 4 dargestellt. Belastungsspitzen im Kantenbereich treten in Abhängigkeit von der Axialverschiebung unterschiedlich stark hervor. Insgesamt zeigt sich über den Walzballenverlauf bei der
erfindungsgemäßen Ausführung jedoch bereits eine grundlegende Vergleichmäßigung der Lastverteilung.
Figur 5 zeigt in einer schematischen Anordnung die Walzenanordnung in einem Sexto- Gerüst mit Arbeitswalzen 1 , Zwischenwalzen 5 und Stützwalzen 2, wobei die Arbeitswalzen über die Zwischenwalzen an den Stützwalzen abgestützt sind. Die Arbeitswalzen 1 sind mit einer zylindrischen Ballenkontur 3 ausgestattet. Nach einer weiteren möglichen Ausgestaltung kann sich die Ballenkontur der Arbeitswalzen jedoch auch an der Ballenkontur der benachbarten Zwischenwalzen orientieren. Die Zwischenwalzen 5 weisen eine durch eine modifizierte Sinusfunktion beschreibbare Ballenkontur 6 auf. Gleichermaßen weisen die Stützwalzen 2 eine durch eine Sinusfunktion beschreibbare Ballenkontur 4 auf. Die Ballenkonturen 4 der Stützwalzen 2 und die Ballenkontur der Zwischenwalzen 5 ergänzen sich in der unverschobenen Axialstellung der axial verstellbaren Zwischenwalzen 5 im unbelasteten Zustand vollständig.
Figur 6 zeigt Arbeitswalzen 1 und Stützwalzen 2 in einem Quarto-Gerüst in einer schematischen Darstellung, wobei der grundsätzliche Aufbau der Ballenkonturen 3, 4 der Ausführungsform nach Figur 3 folgt. Allerdings ist der Konturverlauf durch einen Konturfaktor k = 0,75 verändert, wodurch im unbelasteten Zustand nur mehr eine teilweise Ergänzung der Ballenkonturen der Stützwalze 2 und der unmittelbar benachbarten Arbeitswalze 1 auftritt.
Nach einer nicht dargestellten Ausführungsform ist es gleichermaßen bei einem Sexto- Gerüst analog der Figur 5 möglich, den Konturverlauf der Stützwalzen und der Zwischenwalzen durch einen Korrekturfaktor k zu verändern, wodurch im unbelasteten Zustand nur mehr eine teilweise Ergänzung der Ballenkonturen der Stützwalze und der unmittelbar benachbarten Zwischenwalze auftritt.
In Figur 7 ist der Verlauf der Walzenballenkontur 7 einer Stützwalze oder Zwischenwalze oder Arbeitswalze über die Ballenlänge dargestellt. Mit strichpunktierten Linien 8, 9 sind aus dem Stand der Technik bekannte Möglichkeiten der Anfasung einer Walze in deren Endbereichen dargestellt, um hohe Kantenpressungen zu vermeiden. Die Anfasung entsprechend der strichpunktierten Linie 8 erzeugt einen zylindrischen Endbereich und die Anfasung entsprechend der strichpunktierten Linie 9 einen konusförmigen Endbereich an den Walzen, wobei in beiden Fällen ein Knick 10 im Konturverlauf über die Ballenlänge auftritt, der eine umlaufende Kante auf der Walze bildet. Eine Verbesserung der
Belastungsverhältnisse ergibt sich durch eine sich an die Ballenkontur allmählich annähernde Anfasung, wodurch beiderseits eine korrigierte Ballenkontur entsteht, die durch die punktierten Linien 11 und 12 veranschaulicht ist. Im übergangspunkt P der Ballenkontur in die korrigierte Ballenkontur weisen beide Kurvenverläufe dieselbe Steigung wie die Tangente t auf.