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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Kaltwalzen metallischen
Bandes gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Die Erfindung kann beispielsweise zur Herstellung
von Bändern
aus Eisen- und Nichteisenlegierungen verwendet werden.
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Während des
Kaltwalzens von warmgewalzten Bändern
(Stahlbändern)
können
Störungen,
wie ungewöhnlich
große
Schwankungen (Abweichungen vom Sollwert) der auslaufseitigen Banddicke
(auslaufseitige Dickenabweichungen), Bandzugschwankungen und Walzkraftschwankungen
besonders am Band-Kopfstück
oder Band-Endstück
auftreten, obwohl die gemessenen Schwankungen der einlaufseitigen
Banddicke (einlaufseitige Dickenabweichungen) im üblichen
und zulässigen
Rahmen bleiben. Die grafische Darstellung der Schwankungen der auslaufseitigen
Banddicke über
die Bandlänge ähnelt einem „Christbaum", so dass dieser
nachteilige Effekt nachstehend auch als „Christbaum-Effekt" bezeichnet wird.
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Ähnliche
Probleme können
auch während des
Kaltwalzens von Bändern
spezieller Legierungen auftreten welche vorher spannungsfrei geglüht oder mit
höheren
Temperaturen kaltgewalzt worden sind.
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Da
die üblichen
Banddicken-Regelungen (Monitor-Regelung oder Massenfluss-Regelung) diese auffälligen Schwankungen
nicht ausreichend reduzieren können,
stel len die betroffenen Bandabschnitte (insbesondere Band-Kopfstück, Band-Endstück) Ausschuss
dar. Um die Bandlänge außer Toleranz
möglichst
klein zu halten, wird bei Massenfluss-Regelungen oft sehr langsam
gefahren, was wiederum den Durchsatz reduziert. Existiert nur eine
Monitor-Regelung, kann auch bei niedriger Geschwindigkeit keine
Toleranzverbesserung erzielt werden.
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In 3 sind für einen derartigen problematischen
Fall die zeitlichen Verläufe
von interessierenden Größen – wie auslaufseitige
Dickenabweichung, Walzkraft, einlaufseitige und auslaufseitige Bandgeschwindigkeit,
Walzenumfangsgeschwindigkeit und Drehzahl der einlaufseitigen Haspel – am Band-Kopfstück dargestellt.
Insbesondere sind die sehr starken auslaufseitigen Dickenabweichungen
während
der Anfangsphase des Kaltwalzens klar zu erkennen.
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In 4 sind für einen derartigen problematischen
Fall die zeitlichen Verläufe
von interessierenden Größen – wie auslaufseitige
Dickenabweichung, Walzkraft, einlaufseitige und auslaufseitige Bandgeschwindigkeit,
Walzenumfangsgeschwindigkeit und Drehzahl der einlaufseitigen Haspel – am Band-Endstück dargestellt.
Insbesondere sind die sehr starken auslaufseitigen Dickenabweichungen
und Walzkraftschwankungen während
der Endphase des Kaltwalzens klar zu erkennen.
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Beide 3, 4 zeigen ein wesentlich höheres Walzkraft-Niveau
im Bereich der Störungen (Schwankungen),
welches nicht durch bessere Schmierung im Walzspalt bei größerer Geschwindigkeit
erklärt
werden kann. Die Frequenz der auftretenden nachteiligen Schwankungen
entspricht der Drehzahl der einlaufseitigen Haspel. Die Amplituden
fallen – je
nach betrachtetem Fall – Band-Kopfstück bzw. Band-Endstück – stark
ab bzw. steigen stark an. Die Wellenlänge der Dickenabweichungen
hängt ab
vom Umfang der einlaufseitigen Haspel, verlängert um das Verhältnis zwischen
einlaufseitiger und auslaufseitiger Banddicke.
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5 zeigt eine Skizze zur
Erläuterung
der physikalischen Ursachen des am Band-Kopfstück auftretenden „Christbaum-Effektes.
Die Erklärung
für den
am Band-Kopfstück
auftretenden „Christbaum-Effekt" ist, dass das in
einer Lagervorrichtung befindliche Coil mit dem warmgewalzten Band
nicht einheitlich über
das gesamte Volumen, sondern asymmetrisch abkühlt. Über die Auflage- bzw. Berührungsflächen des
Coils mit der Lagervorrichtung wird dem Coil schneller und intensiver
Wärme entzogen als über die
lediglich mit Luft „umspülten" Außenmantelflächen des
Coils. Auf diese Weise entstehen nach dem Warmwalzen über den
Querschnitt des Coils betrachtet Zonen unterschiedlicher Temperatur,
wie der linke Abschnitt von 5 zeigt.
In nachteiliger Weise fällt
die Temperatur des Bandes abschnittsweise unter die Rekristallisations-Temperatur
ab, was zu starken Schwankungen (Variationen, Abweichungen vom gewünschten
Wert) der Härte
in Abhängigkeit der
Bandlänge
beim Band, d. h. beim Band-Kopfstück vor dem Kaltwalzen führt, wie
der rechte Abschnitt der 5 zeigt.
Die genaue Ausbildung des Profils dieser Schwankungen der Härte hängt stark von
den genauen Bedingungen und den hieraus resultierenden asymmetrischen
Temperaturverhältnissen
während
der Lagerung des Coils ab.
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Die
Erklärung
für den
am Band-Endstück auftretenden „Christbaum-Effekt" ist, dass der gekühlte Aufwickeldorn
des Coils nicht rasch genug aus dem heißen Coil entfernt wird. Die
ablaufende Kühlflüssigkeit
führt zu
asymmetrischen Kühlungsbedingungen
und Abschnitte des Bandes können
unter die Rekristallisations-Temperatur abkühlen. Dies wiederum verursacht
starke Schwankungen der Härte
in Abhängigkeit
der Bandlänge
beim Band, d. h. beim Band-Endstück
vor dem Kaltwalzen.
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In
gleicher Weise kann eine nicht einheitliche Rekristallisation aufgrund
asymmetrischer Temperaturbedingungen während eines Spannungsfrei-Glühens ähnliche
Probleme bezüglich
schwankender Härte
während
des Kaltwalzens nach erfolgtem Glühen verursachen.
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Ferner
kann auch eine nicht einheitliche Erholung während der Lagerung des Coils
nach dem Kaltwalzen mit höheren
Temperaturen eines Bandes spezieller Legierung zu den vorstehend
beschriebenen Problemen bezüglich
schwankender Härte
führen.
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Diese
nachteiligen Schwankungen der Härte verursachen
nachteilige Schwankungen hinsichtlich der Walzkraft und der auslaufseitigen
Banddicke während
eines nachfolgenden Kaltwalzens.
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Abhängig von
den Walzbedingungen, wie der Dimensionierung des Bandes, kann die
Empfindlichkeit des Verhältnisses
von Banddicken- zur Härteschwankung
in einem weiten Bereich – beispielsweise
5μm/MPa...
50μm/MPa – variieren.
Die Schwankungen hinsichtlich des Massenflusses und des Bandzuges
werden hauptsächlich
durch die aus der schwankenden Härte
resultierenden Schwankungen der auslaufseitigen Banddicke verursacht.
Deshalb messen Walzanlagen mit ihren Banddicken-Erfassungseinrichtungen
die Schwankungen indirekt hinsichtlich der Härte mit einer höheren Empfindlichkeit als
beispielsweise offline durchgeführte
Zugfestigkeitsprüfungen
ausgewählter
Bandstücke. Übliche Banddicken-Erfassungseinrichtungen
erreichen eine Messgenauigkeit im Bereich +/- 0,3μm.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren
zum Kaltwalzen metallischen Bandes anzugeben, mit dem wirksam eine Härteschwankung
erkannt wird und insbesondere verhindert werden kann, dass Band-Kopfstücke und Band-Endstücke mit
schwankender auslaufseitiger Banddicke entstehen.
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Diese
Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch
die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Die
mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass es für
die Sicherstellung einer hohen Qualität hinsichtlich des kaltgewalzten
Bandes von großer
Wichtigkeit ist, Variationen (Schwankungen) der Härte des
(beispielsweise warmgewalzten) einlaufseitigen Bandes möglichst schnell
zu identifizieren, denn dies ist hilfreich, um die während des
Kaltwalzens aufgrund schwankender Härte auftretenden Probleme beherrschen
zu können
und und folglich die mittels des Kaltwalzens wünschenswert hohe Produktqualität hinsichtlich
auslaufseitiger Banddicke zu erzielen. Durch frühzeitige Identifikation der
Härteschwankung
können
ebenfalls die Warmwalz- bzw.
Glüh- und
Lagerbedingungen gleicher Bänder
verbessert werden.
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Weitere
Vorteile sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele erläutert. Es
zeigen:
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1 eine Anordnung zur Identifikation,
Erfassung und Kompensation eines bei einem Band auftretenden „Christbaum-Effektes",
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2 einen Vergleich der zwischen
einer üblichen
Massenfluss-Regelung und einer Massenfluss-Regelung & Härte-Kompensation
erzielten Resultate,
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3 interessierende Größen – wie auslaufseitige
Dickenabweichung, Walzkraft, einlaufseitige und auslaufseitige Bandgeschwindigkeit,
Walzenumfangsgeschwindigkeit und Drehzahl der einlaufseitigen Haspel – am Band-Kopfstück,
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4 interessierende Größen – wie auslaufseitige
Dickenabweichung, Walzkraft, einlaufseitige und auslaufseitige Bandgeschwindigkeit,
Walzenumfangsgeschwindigkeit und Drehzahl der einlaufseitigen Haspel – am Band-Endstück,
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5 eine Skizze zur Erläuterung
der physikalischen Ursachen des am Band-Kopfstück auftretenden „Christbaum-Effektes".
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In 1 ist eine Anordnung zur
Identifikation, Erfassung und Kompensation eines bei einem Band
aufgrund schwankender Härte
auftretenden „Christbaum-Effektes
dargestellt. Die Figur zeigt ein zum Kaltwalzen geeignetes Walzgerüst mit Bandwickelvorrichtungen
und Erfassungseinrichtungen (Sensoren) für wichtige Messwerte (Prozesssignale, Größen, Informationen).
Es ist ein allgemein bekanntes Walzgerüst 1 mit oberer Stützwalze 2,
unterer Stützwalze 3,
oberer Zwischenwalze 4, unterer Zwischenwalze 5,
oberer Arbeitswalze 6 und unterer Arbeitswalze 7 zu
erkennen. Ein Band 8 durchläuft den zwischen den Arbeitswalzen 6, 7 gebildeten
Walzspalt. Die Bewegungsrichtung des Bandes 8 ist mit einem
Pfeil bezeichnet. Dieses Band 8 wird von einer einlaufseitigen
Haspel (Abwickler, Abhaspel) 9 abgewickelt. Das Band 8 gelangt über eine
einlaufseitige Umlenkrolle 10 (Messrolle zur Erfassung
des Bandzuges des einlaufseitigen Bandes) zum Walzgerüst 1.
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Das
Band 8 verlässt
das Walzgerüst 1 und gelangt über eine
auslaufseitige Banddicken-Erfassungseinrichtung 11 zur
Erfassung von Schwankungen der auslaufseitigen Banddicke Δh1 und eine auslaufseitige Umlenkrolle 12 (Messrolle
zur Erfassung des Bandzuges des auslaufseitigen Bandes) zu einer auslaufseitigen
Haspel (Aufhaspel, Aufwickler) 13 zum Aufwickeln des kaltgewalzten
Bandes. Eine Messeinrichtung 14 dient zur Erfassung der
auslaufseitigen Bandgeschwindigkeit v1.
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Eine
(vorzugsweise hydraulische) Walzspaltregelung (HGC) 15 beaufschlagt
das Walzgerüst 1 mit
oberer Stützwalze 2,
oberer Zwischenwalze 4 und oberer Arbeitswalze 6.
Eine einlaufseitige Bandzugregelung (TC) 16 bzw. eine auslaufseitige
Bandzugregelung (TC) 17 beaufschlagen die einlaufseitige Haspel 9 bzw.
die auslaufseitige Haspel 13. Im Hinblick auf die Reduzierung
bzw. Beseitigung des negativen „Christbaum-Effektes" sind eine Identifikations- und
Detektionseinrichtung 18 sowie eine nachgeschaltete Kompensations-
und Überwachungseinrichtung 19 von
großer
Bedeutung. Als eingangsseitige Signale empfangen diese beiden Einrichtungen 18/19:
- • die
Winkelgeschwindigkeit wo respektive Drehzahl, Drehfrequenz, Umlaufgeschwindigkeit
der einlaufseitigen Haspel 9,
- • die
Winkelgeschwindigkeit w1 respektive Drehzahl,
Drehfrequenz, Umlaufgeschwindigkeit der auslaufseitigen Haspel 17,
- • die
aktuelle Walzkraft Fr der hydraulischen
Walzspaltregelung 15,
- • den
mittels einlaufseitiger Umlenkrolle 10 gebildeten Bandzug
Ft0 des einlaufseitigen Bandes,
- • den
mittels auslaufseitiger Umlenkrolle 12 gebildeten Bandzug
Ft1 des auslaufseitigen Bandes,
- • die
mittels Messeinrichtung 14 gewonnene auslaufseitige Bandgeschwindigkeit
v1 und
- • die
mittels Banddicken-Erfassungseinrichtung 11 gewonnenen
Schwankungen Δh1 der auslaufseitigen Banddicke.
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Die
auslaufseitige Bandgeschwindigkeit v1 kann
auch mit Hilfe anderer Messgrößen geschätzt werden.
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Als
ausgangsseitige Signale geben diese beiden Einrichtungen 18/19 bedarfsweise
folgende Signale ab:
- • eine Haspel-Geschwindigkeits-Korrektur Δv0 an die Bandzugregelung 16 für die einlaufseitige Haspel 9,
- • eine
Haspel-Geschwindigkeits-Korrektur Δv1 an die
Bandzugregelung 17 für
die auslaufseitige Haspel 13 und
- • ein
Korrektursignal Δs
an die hydraulische Walzspaltregelung 15 für die Stützwalzen-Position
der oberen Stützwalze 2 (bzw.
der unteren Stützwalze bei
Unterwalzenanstellung) des Walzgerüstes 1.
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Wie
bereits aus den vorstehenden Erläuterungen
hervorgeht, verursachen die Schwankungen (Variationen) der Härte beim
einlaufenden Band relativ große
auslaufseitige Dickenabweichungen, Bandzugschwankungen und Walzkraftschwankungen
mit einer Frequenz, welche der Drehzahl (bzw. einem Vielfachen der
Drehzahl) der einlaufseitigen Haspel 9 entspricht, während gleichzeitig
typischerweise keine signifikante Dickenabweichungen beim einlaufseitigen
Band mit einer derartigen Frequenz auftreten.
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Das
Prinzip der mittels der Identifikations- und Detektionseinrichtung 18 durchgeführten „Christbaum-Effekt"-Detektion besteht
nun darin, Schwankungen (Abweichungen) der auslaufseitigen Banddicke Δh1, Schwankungen (Abweichungen) der Walzkraft
Fr, Schwankungen (Abweichungen) des Bandzuges
Ft0 des einlaufenden Bandes und Schwankungen
(Abweichungen) des Bandzuges Ft1 des auslaufenden
Bandes aufzufinden, deren Frequenz gleich ist der Frequenz der Drehzahl
der einlaufseitigen Haspel 9 oder deren Frequenz gleich
ist einem Vielfachen der Drehzahl der einlaufseitigen Haspel 9. Diese
Identifikation und Detektion kann mit Hilfe von Kreuz-Korrelation
oder Fast-Fourier-Transformation oder mit Hilfe eines Störgrößenbeobachters
erfolgen.
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In
diesem Zusammenhang ist zu bemerken, dass lokale Erhebungen und
Unrundheiten des Coils ebenfalls Bandzugschwankungen und Schwankungen
hinsichtlich der auslaufseitigen Banddicke erzeugen, deren Frequenz
gleich ist der Frequenz und deren Harmonischen der Drehzahl der
einlaufseitigen Haspel 9. Im Unterschied zu den durch den „Christbaum-Effekt", d. h. aufgrund
schwankender Härte verursachten
Schwankungen nimmt die Amplitude. dieser durch lokale Erhebungen
/ Unrundheiten des Coils verursachten Schwankungen des Bandzuges und
der auslaufseitigen Banddicke jedoch mit zunehmender Umlaufgeschwindigkeit
/ Drehzahl der einlaufseitigen Haspel zu, während die Amplitude der durch
den „Christbaum-Effekt", bei Härteschwankungen
in den äußeren Lagen,
verursachten Schwankungen mit zunehmender Umlaufgeschwindigkeit
/ Drehzahl (abnehmender Coil-Durchmesser) der einlaufseitigen Haspel
im Gegensatz hierzu abnimmt.
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Bei
Auftreten von lokalen Erhebungen und Unrundheiten des Coils weist
das Profil der Bandzugschwankungen impulsförmige Anregungen mit nachfolgenden
Schwingungen auf und ist keinesfalls rein sinusförmig. Zwar verursachen die
Bandzugschwankungen aufgrund von lokalen Erhebungen und Unrundheiten
des Coils ebenfalls Schwankungen der auslaufseitigen Banddicke,
jedoch sind diese Dickenabweichungen relativ klein im Vergleich
zu den Dickenabweichungen aufgrund des „Christbaum-Effektes".
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Für die Identifikation
eines „Christbaum-Effektes" werden die Abhaspel
Drehharmonischen von Banddicke, Walzkraft und Bandzug ermittelt.
Mit der Bandzugharmonischen und einem Online-Walzspalt-Modells wird
eine Walzkraft-, und Banddickenharmonische berechnet. Ist die gemessene
Walzkraft- und Dickenamplitude um einen vorgegebenen Schwellwert
größer als
die berechnete Werte und liegt keine Haspeldrehzahlabhängigkeit
vor, ist damit die Härteschwankung
erkannt.
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Nach
Identifikation und Detektion des „Christbaum-Effektes" werden die Schwankungen (Variationen)
der Härte
bzw. das Amplituden-Verhältnis
der Schwankungen der Härte
mit Hilfe eines Online-Walzspalt-Modells geschätzt.
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Nach
Detektion eines „Christbaum-Effektes" ergeben sich prinzipiell
zwei unterschiedliche Vorgehensweisen, um die gewünschte hohe
Produktqualität
hinsichtlich des Kriteriums „Schwankungen
der auslaufseitigen Banddicke" zu
erzielen:
- 1) Das Band wird nach dem Kaltwalzen
(erster Stich) geglüht,
um die Schwankungen hinsichtlich der Härte zu beseitigen. Die aufgrund
der schwankenden Härte
des Bandes resultierenden Schwankungen hinsichtlich der auslaufseitigen Banddicke
des ersten Durchganges (Stiches) müssen dann im darauffolgenden
Stich durch die Dickenregelung kompensiert werden.
- 2) Es erfolgt online eine Kompensation der aufgrund der Härteschwankungen
resultierenden Schwankungen der auslaufseitigen Banddicke.
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Bei
der Vorgehensweise 2) werden die mit Hilfe des vorstehend erwähnten Online-Walzspalt-Modells
gewonnenen geschätzten
Schwankungen der Härte
verwendet, um die resultierenden auslaufseitigen Dickenabweichungen
und Bandzugschwankungen durch Einsatz einer dynamischen Walzspalt-Positionierung
und durch Vorgabe von Haspel-Geschwindigkeits-Korrekturen für die einlaufseitige
und die auslaufseitige Haspel zu kompensieren. Dies erfolgt mit
Hilfe der Kompensations- und Überwachungseinrichtung 19,
welche folgende Signale abgibt:
- • eine Haspel-Geschwindigkeits-Korrektur Δv0 an die Bandzugregelung 16 für die einlaufseitige Haspel 9,
- • eine
Haspel-Geschwindigkeits-Korrektur Δv1 an die
Bandzugregelung 17 für
die auslaufseitige Haspel 13 und
- • ein
Korrektursignal Δs
an die hydraulische Walzspaltregelung 15 für die Stützwalzen-Position
der oberen Stützwalze 2 (bzw.
der unteren Stützwalze bei
Unterwalzenanstellung) des Walzgerüstes 1.
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Bei
Tandem-Walzanlagen werden außer
der Stützwalzen-Position
und Haspel-Geschwindigkeiten auch
die Walzenumfangsgeschwindigkeiten der Gerüste korrigiert.
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Eine
Kompensations-Überwachung
schaltet die Kompensation „Haspel-Drehzahl-Korrektur Δv0 + Haspel-Drehzahl-Korrektur Δv1 + Korrektursignal Δs" automatisch auf die Bandzugregelungen 16 + 17 und die
hydraulische Walzspaltregelung 15. Falls die bestehen bleibenden
Walzkraftschwankungen harmonische Planheits-Schwankungen beim auslaufseitigen
Band verursachen, werden diese Effekte durch eine Regelung mit Störgrößenaufschaltung
der Walzenbiegung kompensiert. Mit anderen Worten wird der nachteilige
Effekt der Walzkraftschwankung auf die Bandplanheit durch eine Biegevorsteuerung
kompensiert.
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2 zeigt einen Vergleich
zwischen dem mit Hilfe einer üblichen
Massenfluss-Regelung
erzielten Resultat und dem Resultat, welches mit Hilfe einer gemäß den vorstehenden
Erläuterungen
realisierten Massenfluss-Regelung & Härte-Kompensation erzielt wird.
Im linken Bildteil ist die Bandgeschwindigkeit in Abhängigkeit
der Bandlänge
gezeigt, während
im rechten Bildteil die auslaufseitige Banddickenschwankung (um
den Idealwert Banddickenschwankung = Null schwankend) in Abhängigkeit
der Bandlänge
für die
beiden Fälle
- • Einsatz
einer Massenfluss-Regelung
- • Einsatz
einer Massenfluss-Regelung und einer Härte-Kompensation.
dargestellt
ist. Die positive Wirkung der Härte-Kompensation,
d. h. die relativ starke Herabsetzung (Abschwächung) der Schwankungen der
auslaufseitigen Banddicke auf einen tolerierbaren Werte, ist deutlich zu
erkennen.
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- 1
- Walzgerüst
- 2
- obere
Stützwalze
- 3
- untere
Stützwalze
- 4
- obere
Zwischenwalze
- 5
- untere
Zwischenwalze
- 6
- obere
Arbeitswalze
- 7
- untere
Arbeitswalze
- 8
- Band
- 9
- einlaufseitige
Haspel (Abhaspel)
- 10
- einlaufseitige
Umlenkrolle (Messrolle)
- 11
- auslaufseitige
Banddicken-Erfassungseinrichtung
- 12
- auslaufseitige
Umlenkrolle (Messrolle)
- 13
- auslaufseitige
Haspel (Aufhaspel)
- 14
- Messeinrichtung
zur Erfassung der auslaufseitigen Bandgeschwindigkeit
- 15
- hydraulische
Walzspaltregelung
- 16
- einlaufseitige
Bandzugregelung
- 17
- auslaufseitige
Bandzugregelung
- 18
- Identifikations-
und Detektionseinrichtung
- 19
- Kompensations-
und Überwachungseinrichtung
- Ft0
- Bandzug
des einlaufseitigen Bandes
- Ft1
- Bandzug
des auslaufseitigen Bandes
- Fr
- Walzkraft
- Δh1
- Schwankungen
der auslaufseitigen Banddicke
- Δs
- Korrektursignal
für Stützwalzen-Position
- v1
- auslaufseitige
Bandgeschwindigkeit
- Δv0
- Haspel-Geschwindigkeits-Korrektur
für einlaufseitige
Haspel
- Δv1
- Haspel-Geschwindigkeits-Korrektur
für auslaufseitige
Haspel
- w0
- Winkelgeschwindigkeit
respektive Drehzahl der einlaufseitigen Haspel
- w1
- Winkelgeschwindigkeit
respektive Drehzahl der auslaufseitigen Haspel