22. Februar 2007 47 935 K

Betriebsforschungsinstitut VDEh-I nstitut für angewandte Forschung GmbH

Sohnstraße 65, 40237 Düsseldorf

"Verfahren zum Walzen von Bandmaterial"

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Walzen von Bandmaterial.

Beim Walzen können parallele periodische Streifen auf den Walzen entstehen (vgl.

Fig. 1). Diese auch als Querschläge, Riffel oder Rattermarken bezeichneten äquidistanten Streifen sind Formfehler der Walzen (Polygon-Effekt) und / oder Schwankungen der Oberflächenrauheit, die durch unterschiedliches Reflexionsverhalten sichtbar werden (Fig. 2). Je nach Anlagenbauart und Prozeßbedingungen können Wellenlängen w von ca. 10 bis 50 mm auftreten. Die

Amplituden a (vgl. Fig. 2) können Werte von "nicht meßbar" bis 10 μm annehmen.

Bei der Entstehung derartiger Schläge kann prinzipiell zwischen zwei Mechanismen unterschieden werden:

a) die Riffel entstehen innerhalb des Walzgerüstes, d.h. während des Walzprozesses,

b) die Riffel entstehen außerhalb des Walzgerüstes, d.h. beim Schleifen der WaI- zen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Walzen von Bandmaterial vorzuschlagen, das die Bildung von Riffeln innerhalb eines Walzgerüstes, also während des Walzprozesses vermeidet.

Diese Aufgabe wird durch die nebengeordneten Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.

Bei der Riffelbildung im Walzgerüst ist das dynamische Verhalten der Anlage, insbe- sondere die Schwingungen der Walzen, für die Riffelbildung verantwortlich. Diese speziellen Schwingungen sind abhängig von der Anlage (beispw. Eigendynamik, Zustand der Bauteile), abhängig vom Prozeß (beispw. Walzgeschwindigkeit, Walzkräfte, Bandzüge, Schmierung,) und abhängig vom Produkt (beispw. Bandmaterial, Abmessungen, Abnahme, Härte,). Unter bestimmten Bedingungen, wie z. B. bestimmten Verhältnissen von Walzgeschwindigkeit zu Schwingfrequenz, führen diese

Schwingungen zu den beschriebenen Veränderungen auf den Walzenoberflächen. Aufgrund der meist weicheren Stützwalzen sowie deren höheren Rauheit gegenüber der der Arbeitswalzen, bilden sich Riffel in der Regel stärker auf den Stützwalzen aus. Da diese Ausprägung der Querschläge über einen längeren Zeitraum erfolgt, werden Fehler auf den Arbeitswalzen außerdem kaum bemerkt.

Haben die Querschläge auf den Stützwalzen einen gewissen Grad erreicht, werden sie auf der Walze als hell-dunkel Schattierungen sichtbar und meist akustisch als "Pfeifen" hörbar. Bei weiterem Einsatz besteht die Gefahr der übertragung der Riffel über die Arbeitswalze auf die Bandoberfläche. Fig. 3 verdeutlicht diesen Mechanismus, wobei die Wellenlänge auf dem Band aufgrund der Umformung größer als die auf den Walzen sein kann.

Rattermarken auf Walzen wirken sich somit negativ auf die Produktqualität und/oder auf die Produktivität aus. Des Weiteren erhöhen diese Rattermarken die Instandhaltungskosten durch die zusätzlichen Wechsel der Walzen.

Vor dem Hintergrund dieser Erkenntnisse geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, ein Walzen mit stets der nahezu gleichen Walzgeschwindigkeit zu vermeiden. Auch wenn beispielsweise bei der Herstellung eines Standardprodukts eines Walzbetriebs die für die gewünschte Bandbehandlung vorgesehene Walzgeschwindigkeit nach dem bisherigen Ansätzen stets gleich vorgegeben wird, so daß an einem Walzgerüst beispielsweise mehrere Coils Bandmaterial mit der gleichen Walzgeschwindigkeit bearbeitet würden, so schlägt die Erfindung vor, die Walzgeschwindigkeit zur Vermei- düng der Bildung von Riffeln trotzdem zu variieren, obwohl die sich für die gewünschte

(gleiche) Bandbehandlung aus den übrigen Ansätzen ergebende Walzgeschwindigkeit stets gleich bleiben sollte.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Walzen von Bandmaterial in einer Walzvorrichtung, bei dem das Bandmaterial durch die Wirkung einer angetriebenen

Walze eines Walzgerüsts und/oder eines anderen Antriebsmittels mit einer Walzge-

schwindigkeit durch das Walzgerüst bewegt wird und bei dem ein für eine gewünschte Bandbehandlung einzustellender erster Sollwert für die Walzgeschwindigkeit vorgegeben ist, wird erfindungsgemäß für ein Zeitintervall ein vom für die gewünschte Bandbehandlung einzustellenden ersten Sollwert abweichender zweiter Sollwert vorgege- ben.

Der für eine gewünschte Bandbehandlung einzustellende erste Sollwert kann sich aus den Vorgaben einer Regeleinrichtung ergeben, die ausgehend von den üblichen vorgegebenen Parametern, wie beispielsweise Dickenabnahme, Bandplanheit, Walzkraft oder Antriebsleistung einen einzustellenden Sollwert für die Walzgeschwindigkeit vorgibt.

Ebenso kann die gewünschte Bandbehandlung bestimmte Walzgeschwindigkeitsvaria- tionen aufweisen, die sich beispielsweise aus einem Setup-System ergeben. So kann das zu behandelnde Band beispielsweise beim Anfahren des Walzgerüstes von einer ersten Walzgeschwindigkeit auf eine maximale Walzgeschwindigkeit beschleunigt werden, wobei diese gewünschte Bandbehandlung durch Variation des ersten Sollwerts die änderung der Walzgeschwindigkeit vorgibt. In diesem Beispielsfall könnte erfindungsgemäß zumindest zeitweilig die sich aus dem vorgabegemäß ändernden ersten Sollwert ergebende änderung der Walzgeschwindigkeit durch die Vorgabe eines abweichenden zweiten Sollwerts weiter verändert werden. Alternativ könnte erfindungsgemäß das Zeitintervall für die Abweichung vom ersten Sollwert derart gewählt werden, daß das Bandmaterial nicht mit einer konstanten maximalen Walzgeschwindigkeit bearbeitet wird, sondern diese Geschwindigkeit durch Vorgabe des abweichen- den zweiten Sollwerts geändert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist auf eine Vielzahl von Walzverfahren für Bandmaterial anwendbar. Als Walzvorrichtung werden insbesondere Warm- und Kaltwalzvorrichtungen verstanden. Ebenso ist das Verfahren jedoch auf Walzanlagen oder andere Bandmaterial bearbeitende Vorrichtungen anzuwenden.

Die Vorgabe des ersten Sollwerts aufgrund einer gewünschten Bandbehandlung umfaßt eine Vielzahl gewünschter Bandbehandlungen. So kann eine gewünschte Bandbehandlung beispielsweise eine besonders rasche Bandbehandlung sein, also das Betreiben der Anlage mit einer maximalen Walzgeschwindigkeit. Als erster Sollwert wird insbesondere die Walzgeschwindigkeit verstanden, die derzeit in Walzvorrichtungen vorgegeben werden, sei es aufgrund von Erfahrungswerten, durch Ablesen aus Tabellen oder aufgrund moderner Regeleinrichtungen, die beispielsweise auf Modellen basieren. Da sich hierdurch, insbesondere bei der Abarbeitung von "batches" die Gefahr ergibt, daß über längere Zeit mit der gleichen Walzgeschwindigkeit gearbeitet wird, sieht die Erfindung ein bewußtes Abweichen von den sich sonst aufgrund

- A -

anderer überlegungen, nämlich der gewünschten Bandbehandlung, abweichenden Walzgeschwindigkeit vor.

Die Abweichung durch Vorgabe eines zweiten Sollwerts für ein Zeitintervall kann Zeit- intervalle innerhalb der Bearbeitung eines einzigen Bandmaterials umfassen. Die erfindungsgemäßen Vorteile werden jedoch bereits erreicht, wenn anstelle eines ersten Sollwerts ein zweiter Sollwert für die Bearbeitung eines der nachfolgenden Coils vorgegeben wird (Anspruch 2).

Die änderung der Vorgabe eines Sollwerts vom ersten Sollwert zum zweiten Sollwert kann beispielsweise durch eine einer herkömmlichen Regeleinrichtung nachgeschalteten zweiten Regeleinrichtung erfolgen, bei der der erste Sollwert ein Eingangswert ist und der Ausgang für bestimmte Zeitintervalle nicht der erste, sondern der zweite Sollwert ist. Alternativ kann die erfindungsgemäß vorgesehene Vorgabe des zweiten SoII- werts bereits in der den ersten Sollwert ermittelnden Regeleinrichtung berücksichtigt werden.

Grundlage kann eine meßtechnische Analyse des jeweiligen Walzwerks zur Bestimmung eines Modells des allgemeinen dynamischen Verhaltens sein.

Ausgehend von diesem Modell kann unter Berücksichtigung von Expertenwissen ein Verfahren entwickelt werden, das auf Basis der vorhandenen Prozeßsignale und der Produktkenndaten eine Diagnose des aktuellen Anlagenverhaltens, eine Prognose bezüglich möglicher Riffelentstehung und letztlich in einer Entscheidungsfindung eine Vorgabe für das jeweils nachfolgende Walzprogramm berechnet. Die Ergebnisse dieses Algorithmus können für den Anlagenfahrer sichtbar gemacht werden, der dann manuell den Prozeß beeinflußt, oder aber für eine automatische Optimierung des Prozesses genutzt werden (Fig. 4). Im einfachsten Fall kann die Einstellung einer optimalen Walzgeschwindigkeit hinreichend für eine Reduzierung von Stützwalzenschlägen sein.

Bevorzugt wird durch das Regelwerk schon vor Entstehung der Riffel, d.h. vor sichtbaren Auswirkungen auf dem Band und auch vor sieht- oder hörbaren Auswirkungen auf der Stützwalze, in den Prozeßablauf eingegriffen.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind keine Messungen der Bandoberfläche und auch keine Messungen von Schwingungen im Gerüst notwendig, so daß keine zusätzliche Sensorik beim Betrieb notwendig ist.

Der Regelalgorithmus arbeitet vorzugsweise sehr stabil und ist unempfindlich gegenüber Parameterschwankungen im Prozeß.

Günstig ist es, wenn in gewissen Intervallen und insbesondere bei änderungen am Walzgerüst oder gravierenden Umstellungen des prinzipiellen Prozeßablauf oder Walzgutes eine Anpassung der Regelparameter erfolgt.

Der allgemeine Zusammenhang zwischen entstehender (Fehler-)Wellenlänge (vgl. Fig. 1 ), der Frequenz und der Walzgeschwindigkeit lautet:

Frequenz(t) ^* Wellenlänge(t) = Walzgeschwindigkeit(t) (1)

Handelt es sich bei der Frequenz um eine Eigenfrequenz, so ist sie unabhängig von der Walzgeschwindigkeit, d.h. die Frequenz bleibt während des Walzvorgangs konstant. Betreibt man die Anlage häufig mit der gleichen Maximalgeschwindigkeit, ergibt der folgende Zusammenhang:

EigenfrequenZkonstant ^* Wellenlänge(t) = Maximalgeschwindigkeit _konst ant (2)

Maximalgeschwindigkeitkonstant => Wellenlänge _konstant = (3) Eigenfrequenz _konstan ,

Die entstehende Wellenlänge auf der Walze und/oder dem Walzgut ist somit ebenfalls konstant. Erschwerend kommt hinzu, daß sich dieser Prozeß auch noch selbst verstärkt, da die entstehenden Wellen gerade die Eigenfrequenz anregen und zu größe- ren Amplituden führen, was wiederum schneller eben diese Wellen entstehen läßt.

Dieses Einprägen der Wellen läßt sich durch eine geringfügige Variation der Maximalgeschwindigkeit reduzieren, da sich mit veränderter Walzgeschwindigkeit (Eigenfrequenz ist konstant) eine andere Fehler-Wellenlänge ergibt.

Maximalgeschwindigkeitkonstant ⁺ Offset(t)

=> Wellenlänge(t) = (4)

EigenfrequenZkonstant

Die eingeprägten Wellen haben jetzt eine von der Zeit abhängige Wellenlänge. Wenn sich die Wellenlänge häufig genug ändert, "verschmieren" sich die eingeprägten Fehler-Wellen. Es ergeben sich somit nur noch im viel geringeren Maße gleichmäßige Wellen auf der Walze und/oder dem Walzgut. Dadurch wird die Beeinträchtigung des Walzprozesses deutlich reduziert, was zur Qualitätsverbessung und/oder geringeren Instandhaltungskosten führt, da ein Walzenwechsel seltener erforderlich ist.

Kernpunkt für die erfolgreiche Verminderung von Querschlägen ist die geeignete Variation der maximalen Geschwindigkeit. Die Formel (4) zeigt exemplarische nur eine Möglichkeit die maximale Geschwindigkeit zu verändern.

Die Veränderung der maximalen Geschwindigkeit kann kontinuierlich (mehrmals während der Produktion eines Coils) oder von Coil zu Coil stattfinden. Eine Möglichkeit zur Veränderung der maximalen Geschwindigkeit sind Zufallszahlen, trigonometrische Veränderungen, Table-look-up Verfahren oder modellbasierte Ansätze. Besonders hilfreich ist es, wenn die Geschwindigkeiten, die die kritische Eigenfrequenz stark anre- gen, vermieden werden. Die Ermittlung von besonders kritischen Geschwindigkeiten kann beispielsweise experimentell, mit statistischen oder analytischen Modellen bzw. Mischformen davon erfolgen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung von Rattermarken auf einer Stützwalze;

Fig. 2 die Darstellung der Ausprägung der Rattermarken auf der Walzenoberfläche, wobei oben eine periodische Formabweichung und unten eine periodische

Rauheitsschwankung dargestellt sind;

Fig. 3 die Auswirkung von Stützwalzen mit Rattermarken auf das Band;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms für ein Verfahren zur

Vermeidung von Rattermarken auf den Walzen und

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Regelung für ein Walzgerüst.

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung parallele periodische Streifen auf

Walzen, die zum rotierenden Druckumformen von Flachmaterial eingesetzt werden. Fig. 3 verdeutlicht den Mechanismus der übertragung der Riffel über die Arbeitswalzen auf die Bandoberfläche, wobei die Wellenlänge auf dem Band aufgrund der Umformung größer als die auf den Walzen ist.

Fig. 5 zeigt ein Walzgerüst 1 , durch das ein Band 2 geführt wird und dabei umgeformt wird. Dem Walzgerüst 1 nachgeschaltet ist eine Messvorrichtung 3 zur Bestimmung von charakteristischen Eigenschaften des Bandes oder der Anlage. Das Meßergebnis der Meßeinrichtung 3 wird einem Regler 4 zugeführt. Der Regler 4 ermittelt einen ersten Sollwert für die Walzengeschwindigkeit der Walzen des Walzgerüsts 1. Dieser erste Sollwert wird einer zweiten Regeleinrichtung 5 zugeführt. Diese

Regeleinrichtung 5 kann anstelle des ersten Sollwerts einen zweiten Sollwert ausgeben, so dass für ein Zeitintervall ein vom für die gewünschte Bandbehandlung einzelnen Sollwert abweichender zweiter Sollwert vorgegeben wird.