DE10110323A1 - Verfahren zur gezielten Einstellung der Oberflächenstruktur von Walzgut beim Kaltnachwalzen in Dressier-Walzgerüsten - Google Patents

Verfahren zur gezielten Einstellung der Oberflächenstruktur von Walzgut beim Kaltnachwalzen in Dressier-Walzgerüsten

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Abstract

Zur gezielten Einstellung der Oberflächenstruktur von Walzgut (3) beim Kaltnachwalzen in Dressier-Walzgerüsten, wobei eine teilweise Übertragung der Oberflächenstruktur der Arbeitswalzen (2) auf das Walzgut (3) erfolgt, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass unter Zuhilfenahme eines tribologischen Modells zur mathematischen Beschreibung der Reibungsverhältnisse im Walzspalt (1) die Veränderung der Rauheit des Walzgutes (3) im Walzprozess einer ein- oder mehrgerüstigen, vorzugsweise zweigerüstigen Dressierstraße in einer Optimierungsrechnung mit Variation der Walzparameter unter Berücksichtigung der vorhandenen Maschinengrenzen berechnet und die erhaltenen Ergebnisse zur Voreinstellung zumindest eines Teils der zur Berechnung herangezogenen Walzparameter verwendet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gezielten Einstellung der Oberflächenstruk­ tur von Walzgut beim Kaltnachwalzen in Dressier-Walzgerüsten, wobei eine teil­ weise Übertragung der Oberflächenstruktur der Arbeitswalzen auf das Walzgut erfolgt.
Durch die vorangegangene Warm- oder Kaltumformung mit anschließendem Glü­ hen enthält das Walzgut Unplanheiten und ausgeprägte Streckgrenzen, die zur Bildung von Fließfiguren bei der nachfolgenden weiteren Verarbeitung führen kön­ nen. Um diese Unplanheiten zu beseitigen und die Entstehung von Fließfiguren zu vermeiden, wird das Walzgut einer Kaltumformung (Kaltnachwalzen) mit einem geringen Verformungsgrad von nur bis zu 3% unterworfen. Bei dieser Kaltumfor­ mung findet dann zusätzlich eine Glättung der Walzgutoberfläche statt, verbunden mit einer gewollten teilweisen Übertragung der Oberflächenstruktur der Arbeits­ walzen auf das Walzgut zur Einstellung einer bestimmten Oberflächenrauheit. Diese gewollte Oberflächenrauheit bzw. Oberflächenstruktur des Walzgutes hilft u. a., Probleme beim Tiefziehen (Abrasions- und Adhäsionsverschleiß durch metalli­ schen Kontakt sowie unkontrolliertes Fließen) und eine unzureichende Lackierbar­ keit zu vermeiden.
Die Übertragung der Oberflächenstruktur der Arbeitswalzen auf das Walzgut wird dabei durch eine Vielzahl von Walzparametern sowie von der Walzgutdicke, der Ausgangsrauheit des Walzgutes, der Rauheit der Arbeitswalzen, der Nachwalzge­ schwindigkeit und der Nachwalztemperatur entscheidend beeinflusst.
Als Vorteil für die Durchführung des Nachwalzens hat sich nach einer Untersu­ chung von Kurt Steinhoff ("Untersuchung des Nachwalzens von metallisch be­ schichtetem Feinblech", Umformtechnische Schriften, Band 47, Verlag Stahl- Eisen) gezeigt, dass durch das Nachwalzen in zwei Stichen eine Verbesserung der Übertragung erzielt werden kann. Dabei ist die Verteilung der Umformgrade in den Einzelstichen von Bedeutung, da der schon bei geringen Umformgraden im ersten Nachwalzstich ausgeprägte Einebnungseffekt zu günstigen Übertragungs­ voraussetzungen im zweiten Stich führt.
Ausgehend von diesem bekannten Stand der Technik, die geprägt ist durch hohe Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften der zu walzenden Materialien und gekoppelt daran hohe Anforderungen an die Oberflächengüte (insbesondere Homogenität über Breite und Länge des Walzgutes), wurden neue Konzepte des Kaltnachwalzens entwickelt, die insbesondere zum zweigerüstigen Dressierstra­ ßenkonzept führte. Im Anlagentyp dieser neuen Dressier-Technologie stehen ver­ schiedene Parameter zur Verfügung, um die Anforderungen nach konstantem ein­ zustellenden Dressiergrad bei konstanter Oberflächengüte, z. B. bei variierender Geschwindigkeit (Anfahr- und Abbremsphase) nachzukommen. In diesem Stra­ ßentyp stehen u. a. die Verteilung der Einzeldressiergrade, der Zwischengerüst­ zug, in gewissem Rahmen die Haspelzüge und die resultierende Walzkraft zur Verfügung, um die erzielte Bandrauhigkeit konstant zu halten.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, durch das eine Abstim­ mung der einzelnen walzrelevanten Parameter ermöglicht wird, so dass eine Vor­ hersage der Reibungszahl im Walzspalt und der Veränderung der Oberfläche des Walzgutes durch das Nachwalzen (Dressieren) und darauf basierend eine Vorein­ stellung der Walzparameter ermöglicht wird.
Die gestellte Aufgabe wird für eine mehrgerüstige Dressierstraße mit den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass unter Zuhilfenah­ me eines tribologischen Modells zur mathematischen Beschreibung der Rei­ bungsverhältnisse im Walzspalt die Veränderung der Rauheit des Walzgutes im Walzprozess einer ein- oder mehrgerüstigen, vorzugsweise zweigerüstigen Dres­ sierstraße in einer Optimierungsrechnung mit Variation der Walzparameter unter Berücksichtigung der vorhandenen Maschinengrenze berechnet und die erhalte­ nen Ergebnisse zur Voreinstellung zumindest eines Teils der zur Berechnung he­ rangezogenen Walzparameter verwendet werden.
Zur optimierenden Berechnung ist es zweckmäßig, das tribologische Modell aus miteinander verknüpften Teilmodellen aufzubauen, so dass zunächst getrennt voneinander verschiedene Parameter berechnet und dann die erhaltenen Ergeb­ nisse miteinander verknüpft werden. So lassen sich beispielsweise in Abhängig­ keit von den Walzspaltkoordinaten die Reibungszahl µ, der Traganteil T und dar­ aus das Walzdruckgebirge (Druckverteilung im Walzspalt) berechnen. In diesen Berechnungen werden walzrelevante Parameter mit einbezogen und optimierend variiert, wobei insbesondere die für eine zweigerüstige Dressierstraße zur Verfü­ gung stehenden Parameter
  • - Verteilung der Einzeldressiergrade
  • - Zwischengerüstzug
  • - Haspelzüge
  • - resultierende Walzkraft
  • - Walzgeschwindigkeit
berücksichtigt werden müssen. Als Zielgröße ist dabei vorzusehen, dass die Be­ rechnung so vorgenommen wird, dass das Walzgut in allen Walzgeschwindigkei­ ten hinter dem letzten Gerüst eine konstante Rauheit hat. Als zweite Zielgröße wird die Berechnung so vorgenommen, dass der Gesamtdressiergrad (Summe der Dressiergrade der einzelnen Gerüste) konstant gehalten wird.
Zur Veranschaulichung des Prinzips der Erfindung sind nachfolgend einige Zu­ sammenhänge graphisch dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Vertikalteilschnitt durch einen Walzspalt,
Fig. 2 Verlauf der Reibungszahl µ im Walzspalt,
Fig. 3 Verlauf des Traganteils T im Walzspalt,
Fig. 4 Normaldruckverlauf P im Walzspalt,
Fig. 5 Walzkraft K als Funktion der Walzgeschwindigkeit v,
Fig. 6 Zwischengerüstzug Z als Funktion der Walzgeschwindigkeit v,
Fig. 7 Dressiergrad D als Funktion der Walzgeschwindigkeit v,
Fig. 8 Bandrauheit Ra als Funktion der Walzgeschwindigkeit v.
In den Fig. 1 bis 4 ist das typische Zusammenspiel der Teilmodelle dargestellt, die für ein gesamtes tribologisches Modell des Walzspalts erforderlich sind.
In Fig. 1 ist ein Vertikalteilschnitt durch einen Walzspalt 1 gezeigt, in dem zwi­ schen oberer Arbeitswalze 2 und unterer Arbeitswalze (nicht dargestellt) sich das Walzband 3 befindet. Die Walzrichtung verläuft in der gezeigten Darstellung ent­ sprechend der Pfeilrichtung 4 von links nach rechts. Zur Unterstützung des Walz­ vorgangs sind die Oberflächen der Arbeitswalzen 2 und des Walzbandes mit einer Emulsion 5 benetzt, die sich infolge des Druckanstieges im Zwickel zwischen Walzband 3 und der Arbeitswalze 2 mit Öl angereichert. Diese mit Öl angereicher­ te Emulsion 6 wird nun im Walzverlauf gemeinsam mit dem Walzband 3 durch den Walzspalt 1 von links nach rechts mitgeführt.
Bei Verwendung von Walzöl oder Nassdressiermittel entfällt dieser Anreiche­ rungsprozess. Dann wird das Schmiermittel als solches durch den Walzspalt ge­ zogen.
Zum besseren Verständnis der nachfolgenden Betrachtungen sind die relevanten Größen als Funktion der Walzspaltkoordinate WSK aufgetragen, und zwar ausge­ hend von einem Wert -10 mm (Bereich des Einlaufs) über +/- 0 mm bis zu +4 mm (Bereich der Trennung von Arbeitswalze und Walzband).
Die Fig. 2 bis 4, in denen die Entwicklung der Reibungszahl µ (Fig. 2), die Entwicklung des Traganteils T der Oberflächenrauheiten (Fig. 3) und die Entwick­ lung des Normaldrucks P im Walzspalt (Fig. 4) als Funktion dieser Walzspaltkoor­ dinate WSK dargestellt sind, sind so unterhalb der Walzspaltdarstellung der Fig. 1 angeordnet, dass die Walzspaltkoordinaten WSK einander entsprechen.
Im Zusammenschau der Fig. 1 bis 4 sind nun folgende Merkmale bei folgen­ den Walzspaltkoordinaten WSK ablesbar:
Beim Einlauf bildet sich ein Einlaufkeil, wodurch ein Druckanstieg 7 des Schmier­ mittels (mit Öl angereicherte Suspensionen 6) aufgrund hydrodynamischer Effekte erfolgt (etwa ab Walzspaltkoordinate WSK -10 mm bis etwa -8 mm), der so lange anhält, bis die ebene Fließspannung abzüglich der Rückzugsspannung erreicht wird und das Band plastisch wird. Mit der Dicke der an diesem Punkt 8 eingezo­ genen Schmierfilmschicht lässt sich der Traganteil T (siehe Fig. 3) - das ist das Verhältnis zwischen mikroskopischer Kontaktfläche der Rauheitsspitzen vom Band 3 und Arbeitswalze 2 zu der makroskopischen Kontaktfläche - am Einlauf in ei­ nem Teilmodell berechnen. Dieses Teilmodell beschreibt die Entwicklung der Ober­ flächenrauheit (etwa ab Punkt 8) bei einer Walzspaltkoordinate WSK von etwa -8 mm bis etwa Punkt 9 bei einem Walzspaltkoordinate WSK von etwa +2 mm) und den damit verbundenen Anstieg des Traganteils T beim Durchgang durch den Walzspalt 1.
Mit Hilfe des Traganteils T als Funktion der Walzspaltkoordinate WSK (siehe Fig. 3) kann die zugehörige Reibungszahl µ als Funktion der Walzspaltkoordinate WSK (siehe Fig. 2) und dann mit Hilfe der elastisch-plastischen Streifentheorie das Walzdruckgebirge (siehe Entwicklung des Normaldrucks P, Fig. 4) berechnet wer­ den.
Bei der Streifentheorie wird das sich im Walzspalt befindliche Walzgut in vertikale Streifen unterteilt. Es wird angenommen, dass der auf einen solchen Streifen wir­ kende Walzdruck P unverändert in vertikaler Richtung durch den Streifen durch­ geht. Da die Dicke des Bandes beim Kaltwalzen klein gegenüber der Länge des Walzspalts ist, ist diese Annahme gerechtfertigt. Durch Ansetzen des statischen Gleichgewichts am Streifen lässt sich die Veränderung des Walzdrucks P mit der Walzspaltkoordinate als Funktion der lokalen Reibsituation und der lokalen Festig­ keit des Materials ableiten. Das hier verwendete Modell wurde durch Berücksichti­ gung des elastisch-plastischen Materialverhaltens und der elastischen Abplattung der Arbeitswalzen in Abhängigkeit von der Walzdruckverteilung erweitert. Dies ist insbesondere im Hinblick auf Dressierwalzanwendungen erforderlich.
Ein tribologisches Modell dieser Art wird nie in der Lage sein, die Reibung exakt vorherzusagen, eine Adaption wird auch weiterhin erforderlich sein. Trotzdem hat das Stützen auf physikalische Grundmodelle den Vorteil, dass eine Veränderung der Einflussgrößen auch eine physikalisch sinnvolle Antwort des Modells hervor­ bringt. Damit ist auch eine Extrapolierbarkeit auf nicht adaptierte Parameterkombi­ nationen in gewissem Umfang möglich.
Eine beispielhafte Veranschaulichung der Verwendung eines derartigen mathema­ tischen tribologischen Modells mit den erhaltenen Ergebnissen einer Beispielrech­ nung für eine zweigerüstige Dressierstraße ist in den folgenden Fig. 5 bis 8 dargestellt.
Die Einstellungen der Beispielsrechnung wurden in Abhängigkeit von der Walzge­ schwindigkeit v so vorgenommen, dass das Band in allen Geschwindigkeiten hin­ ter Gerüst 2 eine konstante Rauheit hat. Gleichzeitig wurde auch der Gesamtdres­ siergrad (Summe der Dressiergrade D von Gerüst 1 (G1) und Gerüst 2 (G2)) kon­ stant gehalten.
Aufgrund der Dressiergrade D in den beiden Walzgerüsten G1, G2 (siehe Fig. 7), dem Zwischengerüstzug Z (siehe Fig. 6) und den resultierenden Walzkräften K (siehe Fig. 5) ergeben sich die in Fig. 8 aufgetragenen Bandrauheitswerte Ra. Die erhaltenen Ergebnisse können nun zur Voreinstellung des Dressierprozesses mit herangezogen werden.

Claims (5)

1. Verfahren zur gezielten Einstellung der Oberflächenstruktur von Walzgut beim Kaltnachwalzen in Dressier-Walzgerüsten, wobei eine teilweise Übertragung der Oberflächenstruktur der Arbeitswalzen (2) auf das Walzgut (3) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass unter Zuhilfenahme eines tribologischen Modells zur ma­ thematischen Beschreibung der Reibungsverhältnisse im Walzspalt (1) die Verän­ derung der Rauheit des Walzgutes (3) im Walzprozess einer ein- oder mehrge­ rüstigen, vorzugsweise zweigerüstigen Dressierstraße in einer Optimierungsrech­ nung mit Variation der Walzparameter unter Berücksichtigung der vorhandenen Maschinengrenzen berechnet und die erhaltenen Ergebnisse zur Voreinstellung zumindest eines Teils der zur Berechnung herangezogenen Walzparameter ver­ wendet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das tribologische Modell aus miteinander verknüpften Teilmodellen besteht, durch die u. a. folgende Berechnungen durchgeführt werden:
  • - Verknüpfung des Traganteils (T) mit der Reibungszahl (µ) (Reibmodell)
  • - Anstieg des Traganteils (T) beim Durchgang durch den Walzspalt (1) - Entwicklung der Oberflächenrauheit (Ra) als Funktion der Walzspalt­ koordinate (WSK)
  • - Berechnung des Walzdruckgebirges (Entwicklung des Normaldrucks P) als Funktion der Walzspaltkoordinate (WSK).
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung eines konstanten Dressiergrades (D) bei konstanter Oberflächengüte (konstante Bandrauheit Ra) zusätzlich insbesondere die Walzparameter:
  • - Verteilung der Einzeldressiergrade (D)
  • - Zwischengerüstzug (Z)
  • - Haspelzüge
  • - resultierende Walzkraft (K)
  • - Walzgeschwindigkeit (Anfahr- und Abbremsphase) (v)
zur Berechnung der Voreinstellung im mathematischen tribologischen Modell be­ rücksichtigt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Be­ rechnung des tribologischen Modells so vorgenommen wird (Berechnung der Walzparameter in Abhängigkeit von der Walzgeschwindigkeit v), dass das Walz­ gut (3) in allen Walzgeschwindigkeiten (v) hinter dem letzten Gerüst eine konstan­ te Rauheit (Ra) hat.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung des tribologischen Modells so vorgenommen wird, dass der Gesamt­ dressiergrad (Summe der Dressiergrade D der einzelnen Gerüste) konstant gehal­ ten wird.
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