Verfahren und Computerprogramm zum Steuern eines Walzprozesses

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Computerprogramm zum Steuern eines Walzprozesses, bei dem ein Metallband mithilfe von mindestens zwei Walzen flachgewalzt wird. Die Erfindung betrifft grundsätzlich alle Arten von Walzprozessen, wie zum Beispiel Kaltwalzen, Warmwalzen oder Fertigwalzen; sie findet jedoch bevorzugte Anwendung bei Kaltwalzprozessen.

Im Stand der Technik, zum Beispiel aus der japanischen Patentanmeldung JP 55061309 A ist ein derartiges Verfahren grundsätzlich bekannt. Es wird dort beschrieben, dass die Stabilität des Walzprozesses von der jeweiligen Lage eines so genannten neutralen Punktes abhängt. Dabei bezeichnet der neutrale Punkt diejenige Position auf dem Umfang einer Arbeitswalze, bei dem die Um- fangsgeschwindigkeit der Arbeitswalze mit der Geschwindigkeit des gewalzten Materials übereinstimmt. Zur Gewährleistung der Stabilität des Walzprozesses lehrt die besagte japanische Patentanmeldung, den Bandzug so zu regeln, dass die Lage des neutralen Punktes immer innerhalb eines Kontaktbogens zwischen der Walze und dem gewalzten Material liegt.

Die Berechnung der Lage des neutralen Punktes ist allerdings nur für idealplastisches Material trivial und kann nur für derartige Materialien aus messbaren Parametern des Walzprozesses ermittelt werden. Die Verwendung der traditionell berechneten (relativen) Lage des neutralen Punktes als Kriterium für die Stabilität eines Walzprozesses ist deshalb bei nicht-ideal-plastischem Material, das heißt insbesondere bei elastisch-plastischem Material, wie zum Beispiel bei realen Metallen, nur eingeschränkt möglich. Der Grund dafür besteht darin, dass die (relative) Lage des neutralen Punktes für Walzprozesse von realen Metallen mithilfe von messbaren Walzparametem traditionell nur recht un- genau bestimmt werden kann.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein bekanntes Verfahren und Computerprogramm zum Steuern eines Walzprozesses nach Maßgabe der relativen Lage des neutralen Punktes zwischen einer Walze und einem zu walzenden Metallband im Hinblick auf das reale Verhalten des Metallbandes während des Walzprozesses zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch das in Patentanspruch 1 beanspruchte Verfahren gelöst. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der ebenen Fließspannung k _e des Metallbandes und die Größe des hydrostatischen Druckes p _N ^H in dem neutralen Punkt als nicht direkt messbare Prozessparameter jeweils mithilfe eines mathematischen Modells für den individuellen Walzpro- zess auf Basis einer ersten und einer zweiten Gruppe von messbaren Prozessparametern geschätzt werden und dass die relative Lage des neutralen Punktes auf Basis der geschätzten Größen für die ebene Fließspannung k _e und den hydrostatischen Druck p _N ^H auf Basis der ersten Gruppe von messbaren Pro- zessparametern sowie auf Basis des ebenen Elastizitätsmoduls E ^* des Metallbandes und der Kompressibilität K des Metallbandes berechnet wird.

Durch die Berücksichtigung der ebenen Fließspannung des Metallbandes und der Größe des hydrostatischen Druckes in dem neutralen Punkt kann die relati- ve Lage des neutralen Punktes wesentlich präziser, das heißt realitätsnäher und genauer, berechnet werden als dies in der Vergangenheit der Fall war. Dies gilt insbesondere deswegen, weil mit der Berücksichtigung des hydrostatischen Druckes die Volumenkompression des Metallbandes während des Walzprozesses Eingang in die Berechnung der Lage des neutralen Punktes findet. Außerdem wird die Auffederung des Bandes nach Durchlaufen der engsten Stelle des Walzspaltes berücksichtigt. Diese Berücksichtigung ist insbesondere für Werte des Parameters der Voreilung um Null besonders wichtig. Die erfindungsgemäß mögliche realitätsnähere Information über die tatsächliche Lage des neutralen Punktes ermöglicht es einer Steuerungseinrichtung oder einer Bedienperson, welche den Walzprozess beobachtet oder steuert, schneller und

effizienter in den Walzprozess einzugreifen, um seine Stabilität zu gewährleisten.

Weil die Parameter Fließspannung und hydrostatischer Druck im neutralen Punkt zwar für die präzisere Berechnung der relativen Lage des neutralen Punktes erforderlich sind, aber während des Walzprozesses nicht einfach als Messparameter messbar sind, werden sie erfindungsgemäß mithilfe eines mathematischen Modells, was individuell auf jeden einzelnen Walzprozess anpassbar ist, simuliert und vorzugsweise in Echtzeit berechnet, um für die Berechnung der realen Lage des neutralen Punktes rechtzeitig zur Verfügung zu stehen. Vorteilhafterweise werden als Eingangsgrößen für das mathematische Modell jedoch lediglich Prozessparameter verwendet, die während des Walzprozesses gemessen werden können.

Erfindungsgemäß wird die relative Lage ξ des neutralen Punktes vorteilhafter- weise gemäß folgender Formel berechnet:

wobei fsiip : die Voreilung; σ _A : die Bandausgangsspannung;

K : die Kompressibilität des Metallbandes;

P _N : den Druck im Walzspalt im neutralen Punkt senkrecht (normal) zum Metallband; q _N : den Druck im Walzspalt im neutralen Punkt in Längsrichtung des Metallbandes; k _e : die ebene Fließspannung;

E ^* : den ebenen Elastizitätsmodul des Metallbandes; h _E : die Banddicke am Eingang; und

h _A : die Banddicke am Ausgang;

repräsentiert.

Der Walzprozess wird dann als stabil laufend eingestuft, wenn der berechnete Wert ξ für die relative Lage des neutralen Punktes zwischen einem unteren

Schwellenwert von ca. 0,12 und einem oberen Schwellenwert von circa 0,4 liegt.

Liegt der Wert ξ unterhalb des unteren Schwellenwertes, so ist dies ein Indiz dafür, dass der Walzprozess instabil ist; er ist dann durch geeignete Maßnah- men, wie zum Beispiel die Erhöhung des Bandzugs am Ausgang, eine Reduzierung des Bandzugs am Eingang oder eine Erhöhung der Reibung im Walzspalt wieder zu stabilisieren.

Im anderen Fall, wenn der Wert ξ für die relative Lage des neutralen Punktes oberhalb des oberen Schwellenwertes von circa 0,4 liegt, so ist dies ein Indiz dafür, dass die Reibung im Walzspalt zu hoch und damit der Verschleiß der Walzen ebenfalls zu hoch ist; es ist dann durch geeignete Maßnahmen entsprechend gegenzusteuern.

Zu Dokumentationszwecken ist es vorteilhaft, wenn die erfindungsgemäß berechnete relative Lage des neutralen Punktes vorzugsweise über ihren Zeitablauf gespeichert wird. Unabhängig davon ist es für eine schnelle Einleitung von Maßnahmen zur Stabilisierung des Walzprozesses oder für eine Beseitigung von zu hohen Reibkräften im Walzspalt vorteilhaft, wenn die erfindungsgemäß berechnete relative Lage des neutralen Punktes auf einer Anzeigeeinrichtung, vorzugsweise in Echtzeit, für eine Bedienperson veranschaulicht wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des beanspruchten Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die oben genannte Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch ein Computerprogramm für eine Steuereinrichtung zum Steuern eines Walzprozesses gemäß dem oben beschriebenen Verfahren gelöst.

Der Beschreibung sind insgesamt drei Figuren beigefügt, wobei

Fig. 1 ein Walzenpaar zur Ausbildung eines Walzspaltes mit durchgeführtem Metallband;

Fig. 2 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und

Fig.3 verschiedene mögliche Positionsbereiche für die relative Lage des neutralen Punktes in einem Walzspalt

zeigt.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die genannten Figuren in Form von Ausführungsbeispielen detailliert beschrieben.

Figur 1 zeigt ein Walzgerüst mit einem Walzenpaar, bei dem die Walzen 200 vertikal übereinander angeordnet sind und wobei zwischen den beiden Walzen 200 ein Walzspalt ausgebildet ist. Zum Durchführen eines Walzprozesses wird ein Metallband 100 durch den Walzspalt hindurch geschoben und dabei flachgewalzt. Sowohl die obere wie auch die untere (Arbeits-) Walze 200 berührt dabei das Metallband 100 in einem Kontaktbogen, der bei der oberen Walze 200 durch die Bogenlänge des Winkels α repräsentiert ist.

Als Maß bzw. Kriterium für die Stabilität eines individuellen Walzprozesses wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die relative Lage des so genannten neutralen Punktes verwendet. In Figur 1 ist der neutrale Punkt beispielhaft mit dem Bezugszeichen N bezeichnet. Der neutrale Punkt bezeichnet die jenige Position auf dem Umfang einer Walze, bei dem die Umfangsgeschwindigkeit

der Walze mit der Geschwindigkeit des gewalzten Materials, insbesondere des gewalzten Metallbandes übereinstimmt.

Die Materialflussrichtung ist in Figur 1 durch die horizontalen Pfeile angedeutet; sie verläuft dort von links nach rechts. Der Parameter R bezeichnet den Radius der Walze 200, der Parameter VE bezeichnet die Geschwindigkeit des Metallbandes 100 am Eingang des Walzspaltes, der Parameter v _A bezeichnet die Geschwindigkeit des Metallbandes am Ausgang des Walzspaltes und der Parameter VN bezeichnet die Geschwindigkeit des Metallbandes 100 auf Höhe des neutralen Punktes N. Alle weiteren in Figur 1 dargestellten Parameter werden weiter unten näher erläutert.

Eine Einschätzung über die Stabilität eines Walzprozesses und eine Entscheidung über das Einleiten von Maßnahmen zur Stabilisierung des Walzprozesses können um so genauer vorgenommen werden, desto präziser bzw. realitätsnä- her die aktuelle Position des neutralen Punktes bekannt ist.

Anhand von Figur 2 wird deshalb das erfindungsgemäße Verfahren erläutert, mit dessen Hilfe eine sehr präzise und realitätsnahe Berechnung der relativen Lage des neutralen Punktes während eines Walzprozesses jederzeit möglich ist.

Erfindungsgemäß erfolgt die Berechnung der relativen Lage ξ. des neutralen Punktes N gemäß folgender Formel:

wobei fsiip : die Voreilung;

σA : die Bandausgangsspannung;

K : die Kompressibilität des Metallbandes (100);

PN : den Druck im Walzspalt im neutralen Punkt senkrecht (normal) zum Metallband; q _N : den Druck im Walzspalt im neutralen Punkt in Längsrichtung des Metallbandes; k _e : die ebene Fließspannung;

E ^* : den ebenen Elastizitätsmodul des Metallbandes (100); h _E : die Banddicke am Eingang; und h _A : die Banddicke am Ausgang des Walzspaltes;

repräsentiert.

Die Berechnung der relativen Lage ζ des neutralen Punktes erfolgt in Figur 2 in Block A. Dabei sind die in die Berechnung von ξ einfließenden oben genannten Parameter in Figur 2 ebenfalls dargestellt. Von diesen Parametern bilden die Voreilung f _s ii _P , die Höhe h _E des Metallbandes am Eingang des Walzspaltes, die Höhe hA am Ausgang des Walzspaltes sowie die Bandspannung σ _A am Ausgang des Walzspaltes eine erste Gruppe von Prozessparametern, welche während eines Walzprozesses jederzeit direkt messbar sind. Der ebene Elastizi- tätsmodul E ^* des Metallbandes 100 sowie die Kompressibilität K des Metallbandes sind grundsätzlich bekannt. Nicht grundsätzlich bekannt und auch nicht messbar während eines Walzprozesses, sind dagegen die für die erfindungsgemäße Berechnung der relativen Lage ξ des neutralen Punktes weiterhin erforderlichen Werte für die ebene Fließspannung k _e und den Druck p _N ^H im WaIz- spalt im neutralen Punkt senkrecht, das heißt normal zum Metallband. Weil die beiden letztgenannten Parameter nicht direkt messbar sind, werden sie erfindungsgemäß auf Basis der ersten Gruppe von Parametern sowie auf Basis einer zweiten Gruppe von Parametern, mithilfe eines mathematischen Modells für den individuellen Walzprozess abgeschätzt. Die zweite Gruppe von Prozesspa- rametern umfasst die Bandeingangsspannung σ _E am Eingang des Walzspaltes,

die Walzenkraft F, die Breite des Metallbandes b, den Radius R ₀ der (Arbeits-) Walze 200 sowie den ebenen Elastizitätsmodul E ^* _R der Walze. Auch die Prozessparameter der zweiten Gruppe sind während eines Walzprozesses individuell messbar, so dass die gesuchten Werte für die ebene Fließspannung k _e und für den Druck p _N ^H im Walzspalt im neutralen Punkt senkrecht zum Metall- band somit alleine aus messbaren Parametern berechnet werden können. Die Berechnung erfolgt vorzugsweise in Echtzeit, damit die Werte für ξ möglichst aktuell zur Verfügung stehen, um ein gezieltes und wirkungsvolles Eingreifen in den Walzprozess - falls notwendig - zu ermöglichen.

In Figur 3 sind verschiedene Bereiche für mögliche relative Lagen ξ des neutralen Punktes in dem Walzspalt zwischen den beiden Walzen 200 veranschaulicht. Zu erkennen ist zunächst ein schraffierter Bereich, der durch einen unteren Schwellenwert von ca. 0,12 und einen oberen Schwellenwert von 0,4 für den Wert von ξ begrenzt ist. Wenn ξ in dem schraffierten Bereich liegt, das heißt wertmäßig zwischen dem oberen und dem unteren Schwellenwert liegt, dann wird der Walzprozess als stabil eingestuft; es brauchen dann keine Maßnahmen getroffen zu werden, um stabilisierend in den Walzprozess einzugreifen.

Anders verhält es sich dagegen, wenn der erfindungsgemäß berechnete Wert zwischen 0,08 und 0,12 liegt; dann wird der Walzprozess als kritisch, das heißt weniger stabil gegenüber Schwankungen der Prozeßparameter eingestuft. Noch kritischer, weil noch instabiler ist der Walzprozess bei noch kleineren Werten von ξ insbesondere bei Werten zwischen 0 und 0,08. In den beiden ge- nannten Fällen von Instabilität ist der Walzprozess durch geeignete Maßnahmen zu stabilisieren, wobei der Umfang der Maßnahmen (evtl. auch in Kombination) von dem Grad der Instabilität abhängt. Eine Stabilisierung des Walzprozesses kann erreicht werden durch eine Erhöhung des Bandzugs σ _A am Ausgang des Walzspaltes, durch eine Reduzierung des Bandzugs OE am Eingang des Walzspaltes und/oder durch eine Erhöhung der Reibung im Walzspalt. Letztere kann zum Beispiel durch eine Erhöhung der Rauheit der Walze 200,

durch eine Reduzierung der Schmiermittelmenge und/oder durch eine Reduzierung der Walzgeschwindigkeit erreicht werden.

Bei Werten von ξ über 0,12, insbesondere bei Werten von ξ zwischen 0,12 und 0,4 ist der Walzprozess überstabil, anschaulich gesprochen ist dann die Reibung im Walzspalt zu groß. Dies hat den Nachteil, dass die auftretenden Kräfte und damit einhergehend der Verschleiß der Walzen zu groß sind. Abhilfe können hier geeignete Maßnahmen, wie eine Reduzierung des Bandzugs OA am Ausgang des Walzspaltes, eine Erhöhung des Bandzugs σε am Eingang des Walzspaltes und/oder eine Reduzierung der Reibung zwischen Walze 200 und Metallband 100 leisten. Eine Reduzierung der Reibung kann durch eine Verringerung der Rauheit der Walze, durch eine Erhöhung der Schmiermittelmenge und/oder durch Erhöhen der Walzgeschwindigkeit realisiert werden. Auch die in diesem Absatz aufgezeigten Maßnahmen können einzeln oder in Kombination angewandt werden, je nach erforderlicher Intensität.

Die soeben diskutierten Maßnamen können nach Maßgabe des berechneten Wertes für die Lage ξ des neutralen Punktes entweder automatisch oder durch eine Bedienperson eingeleitet werden. Wenn die Eingriffe durch eine Bedienperson eingeleitet werden sollen, ist es hilfreich, wenn die jeweils aktuelle Lage des neutralen Punktes in einer Darstellung ähnlich wie Figur 3 für die Bedienperson auf einer Anzeigeeinrichtung visualisiert wird. Die Bedienperson kann dann aufgrund der veranschaulichten aktuellen Lage ξ des neutralen Punktes sofort erkennen, ob der Walzprozess aktuell stabil, instabil oder überstabil verläuft und je nachdem geeignete Maßnahmen veranlassen.

Zu Dokumentationszwecken ist es vorteilhaft, wenn der Wert ξ in seinem Zeitverlauf gespeichert wird.

Vorteilhafterweise wird die erfindungsgemäße Berechnung des Wertes ξ für die neutrale Lage des Punktes in einem Computerprogramm für eine Steuereinrichtung zum Steuern eines Walzprozesses realisiert.