DE4141086C2 - Verfahren zur Steuerung von Rohrkontiwalzwerken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung von Rohrkontiwalzwerken gemäß dem Gattungsbegriff des Hauptanspruches.

Das Rohrkontiverfahren ist anlagemäßig gekennzeichnet durch ein Schrägwalzwerk als Lochaggregat mit einem in gleicher Walzlinie liegenden Kontiwalzwerk als Streckaggregat (siehe K. H. Brensing, B. Sommer; Stahlrohr-Handbuch 10. Auflage, Vulkan-Verlag Essen 1986, III. Herstellverfahren Kapitel 2.3 Rohrkontiverfahren, Seite 132 bis 137). Rohrkontiwalzwerke mit einer frei mitlaufenden Dornstange als Innenwerkzeug bestehen im Regelfall aus sieben bis neun dicht hintereinander liegenden Duo-Gerüsten. Diese Duo-Gerüste sind in ihrer Winkellage um 90 Grad versetzt angeordnet und in ihrer Horizontalen um 45 Grad geneigt. Als Innenwerkzeug dient eine Dornstange konstanten Durchmessers, welche vor dem Walzen geschmiert und in den Hohlblock eingefädelt wird. Hohlblock und Dornstange werden gemeinsam in das Walzwerk eingestoßen und in fünf bis sieben Gerüsten die Wanddicke durch Walzen auf der Dornstange reduziert. In den letzten beiden Gerüsten wird das so erzeugte Kontirohr lediglich gerundet. Nach dem Walzen wird durch eine Kette die Dornstange aus dem Rohr herausgezogen, gekühlt und für einen neuen Walzvorgang bereitgestellt. Üblicherweise sind etwa neun bis fünfzehn Dornstangen gleicher Abmessung im Umlauf.

Bedingt durch je nach Gerüstplatz unterschiedlichen Verschleiß der Walzen werden die eingesetzten Gerüste nach vorgegebenen maximalen Stichzahlen einzeln aus- und mit neu überdrehten Walzen wieder eingebaut. Dies führt dazu, daß in der Kontistaffel immer andere Kombinationen von Walzendurchmessern im Einsatz sind. Um hierzu die richtigen Drehzahlen zu finden, sind zwei Verfahren bekannt.

Im ersten Fall werden für einen normierten arbeitenden Walzendurchmesser die Drehzahlreihen für die zu walzenden Abmessungen berechnet. Diese Berechnungsmodelle arbeiten mit rein geometrischen Größen und empirisch ermittelten Faktoren. Eine echte umformtechnische Berechnung findet nicht statt. Über einen vorgegebenen Algorithmus werden dann für die aktuell eingebauten und vermessenen Walzendurchmesser die arbeitenden Durchmesser ermittelt und über den Ansatz gleicher Umfangsgeschwindigkeiten die passenden Drehzahlreihen bestimmt.

Bei einer Variante dieses Verfahrens ist das obige Berechnungsmodell, d. h. Berechnung der Drehzahlreihen für einen normierten Durchmesser und anschließendes Umrechnen für den aktuellen Durchmesser direkt in einem Rechner hinterlegt. Off-line wird dann bei Vorgabe der aktuell eingesetzten Walzendurchmesser die Drehzahlreihe bestimmt.

Im zweiten Fall wird die Drehzahlreihe so bestimmt, daß sich zwischen den Gerüsten ein definierter Längsspannungszustand einstellt. Dieser soll in der Regel Null sein. Im internationalen Sprachgebrauch wird dies als "free tension rolling" bezeichnet. Hierzu werden umformtechnische Berechnungsmodelle verwendet, in welche direkt die jeweiligen gerüstplatzspezifischen Walzendurchmesser eingehen. Es werden nicht nur die Geometrie, sondern auch die auftretenden Umformkräfte berücksichtigt.

Doch auch unter der Voraussetzung, daß die verwendete Theorie das Umformverhalten exakt beschreibt, treten in der Praxis Bedingungen auf, die die Verformung und damit den Längsspannungszustand beeinflussen. Die zweite Methode kommt dem Wunsch der Walzwerker am nächsten, nämlich alle Abmessungen und Werkstoffe unter optimierten immer gleichen und während der Walzphase konstanten Bedingungen walzen zu können. Bedingungen die den Längsspannungszustand beeinflussen sind bei dem hier betrachteten Rohrkontiwalzen mit frei mitlaufender Dornstange insbesondere die instationären Phasen beim Füllen und Leeren des Walzwerkes. Dadurch, daß die Stange nach außen kraftfrei ist, müssen die auf die Stange einwirkenden Reibkräfte aufsummiert zu Null werden. Damit stellt sich, abhängig von der Anzahl der aktiven Gerüste, die Stangengeschwindigkeit entsprechend anders ein. Bei Walzdrehzahlen, die während der Walzphase konstant gehalten werden, ist damit von vornherein ein zwischengerüstspannungsfreies oder spannungskonstantes Walzen in allen Walzphasen nicht möglich.

Weitere wichtige Größen, die die Umformung beeinflussen, sind die Walzendurchmesser selbst, der Werkstoff des zu walzenden Hohlblockes sowie der Werkstoff der Walzen, die Stichzahl, die Walzenanstellung, die Hohlblockabmessung, die aktuelle Temperatur von Hohlblock, Kontirohr und Dornstange sowie der Schmiermitteltyp. Bei dem erstgenannten Verfahren der Drehzahlberechnung wird lediglich die Hohlblockabmessung berücksichtigt und dies auch nur insoweit, als diese Größe mit ihrem Sollwert in die Rechnung einfließt. Beim zweitgenannten Verfahren wird die aktuelle Walzendurchmesserkombination berücksichtigt und mehr oder weniger der Werkstoffeinfluß. Auch hier wird jedoch nur mit Sollwerten gearbeitet. Durch die Komplexität des Umformmodells ist eine direkte Korrektur der Drehzahlreihe unmittelbar vor oder beim Walzen nicht möglich.

Eine solche Steuerung ist durch die Schrift JP 61-1401 0 A bekannt. Offenbart wird dort ein Verfahren zur Steuerung von Rohrkontiwalzwerken mit einer frei mitlaufenden Dornstange als Innenwerkzeug, bei dem für den Walzprozeß kennzeichnende Prozeßgrößen erfaßt und mit vorgegebenen Sollwerten verglichen und daraus Steuersignale zur Anpassung der Drehzahlreihe in Abhängigkeit von direkt meßbaren bzw. vorgebbaren Prozeßgrößen abgeleitet werden.

Nachteilig ist hierbei, dass mit den gewonnenen Werten keine gezielte Ursachenforschung für die festgestellte Abweichung möglich ist. Aus diesem Grunde ist auch eine zielgerichtete Einflußnahme auf das Erzeugnis nur in einem gewissen Umfang möglich.

Bekannt ist weiterhin (Dr. G. Pfeiffer, "Ursache der Ungleichmäßigkeit im Stoffluß des Rohrkonti-Verfahrens und Maßnahmen zur Verbesserung der Walzbedingungen", Juli 1974, Dissertation, TU Clausthal) für die instationären Phasen des Füllens und Leerens Steuerelemente einzusetzen, die für diese Vorgänge gezielt Drehzahländerungen vornehmen. Diese werden auch Bauchsteuerungen genannt. Andere Einflußgrößen bleiben jedoch unberücksichtigt.

Bekannt ist weiterhin, durch Messen von Drehmoment und Walzkraft die Zwischengerüst­ spannungen zu regeln. Dieses Verfahren wird nur bei Rohrkontiwalzwerken mit kontrolliert geführter Stange (JP 62-244511 A) angewandt. Bisher arbeitet dieses Verfahren jedoch nicht zufriedenstellend. Der Grund ist folgender: Im Gegensatz zu Drahtstraßen oder anderen kontinuierlich arbeitenden Profilstraßen stehen beim Rohrkontiwalzen im Gerüst nur etwa 50% des Umfanges unter Formzwang. Dies führt dazu, daß insbesondere bei größeren Drehzahländerungen Wanddicken- und Durchmesserschwankungen innerhalb des Rohres auftreten können, die größer sind, als die durch die Zwischengerüstspannungen verursachten.

Um die Wirksamkeit der Steuerung in Form einer Prozeßüberwachung zu verbessern, ist aus der DE 35 11 219 C2 bekannt, mittels einer Wegverfolgung jedem Prozeßzustand einen Zeitbereich seiner Wirksamkeit zuzuordnen. Es werden Prozeßzustände ausge­ wertet, bei denen erfahrungsgemäß ein für die Qualität des Fertigungsablaufes typisches Verhalten charakteristischer Prozeßgrößen beobachtet werden kann.

Innerhalb der den Prozeß spezifischen Prozeßzuständen zugeordneten Zeitbereichen werden die charakteristischen Prozeßgrößen erfaßt und ermittelt. Die gewonnenen Meßmittelwerte werden dann dem jeweiligen Prozeßzustand zugeordnet und können abgespeichert werden.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Drehzahlsteuerung der eingangs genannten Art zu verbessern, um eine erhöhte Fertigungssicherheit zu erreichen, sowie die Mittelwandschwankungen in Längsrichtung und die Wanddickenschwankungen in Umfangsrichtung zu minimieren.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. 2 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Bestandteil von Unteransprüchen.

Ähnlich wie bei den bekannten "Bauchsteuerungen" für die instationären Walzphasen werden eigenständige Automatisierungselemente eingesetzt, welche den direkt vorgebbaren oder meßbaren Einflußgrößen Rechnung tragen. Direkt vorgebbare Einflußgrößen sind der Werkstoff der Walzen, die Stichzahl, der aktuelle Walzendurchmesser, der Schmiermitteltyp, der Rohrwerkstoff sowie die Walzenanstellung. Meßbare Einflußgrößen sind die Hohlblockgeometrie mit Durchmesser, Wanddicke, Länge, die Temperatur des Hohlblockes und der Dornstange sowie die Temperatur des auslaufenden Kontirohres.

Konkret heißt dies, dass beispielsweise über ein Umformmodell für vorgegebene Abweichungen von der Hohlblockgeometrie die zugehörigen relativen Drehzahländerungen berechnet und in einer Datei hinterlegt werden. Beim Walzen werden dann die jeweils geforderten Drehzahländerungen aktiviert. Alle sogenannten Automatisierungselemente geben relative Drehzahländerungen aus. Damit ergeben sich die letztendlich wirksamen Drehzahländerungen aus einer Multiplikation der einzelnen Größen.

Die jetzt noch verbleibenden Einflüsse können als Auswirkungen der nur indirekt zu erfassenden aktuellen Reibverhältnisse interpretiert werden. Indirekt heißt, ermittelt über Kraft- und Drehmomentänderung während des Walzens. Notwendige Drehzahlkorrekturen beschränken sich dann auch nur noch auf das Ausregeln der Reibzustände. Die Automatisierungselemente ermöglichen es, diese notwendigen Änderungen klein zu halten. Ziel ist, die Automatisierungselemente so zu optimieren, daß auf eine zusätzliche Zugregelung am besten ganz verzichtet werden kann. Voraussetzung für dieses beschriebene Steuerungsverfahren ist, daß die Änderungen der Reibverhältnisse sich in einer vorgegebenen und den Walzprozeß nicht signifikant beeinflussenden Bandbreite bewegen. Störfälle wie Aussetzen der Schmierung der Dornstangen können damit nicht erfaßt werden. Dies gilt in gleicher Weise auch für die Vielzahl der elektronischen Steuerelemente, deren exaktes Arbeiten vorausgesetzt wird. Völlig falsche Meßanzeigen kann die vorgeschlagene Steuerung nicht ausgleichen.

Die zuvor beschriebene Steuerung kann verbessert werden, wenn sie mit einer an sich bekannten Prozeßüberwachung (DE 35 11 219 C2) kombiniert wird. Auch bei gleichem Rohrwerkstoff und Abmessung des Kontirohres ist ein Vergleich mit optimalen Walzungen jedoch ohne weiteres nicht möglich. Der Grund ist, daß die restlichen Einflußgrößen in ihrer Kombination im grunde nie gleich sind. Es sei hierzu nur an die wechselnden aktuellen Walzendurchmesser erinnert. Optimale Walzungen sind solche, bei denen eine Analyse der Kraft- und Drehmomentänderungen ein zwischengerüstspannungskonstantes Walzen anzeigt und das Vermessen der Kontirohre einen konstanten Wanddickenverlauf in Längsrichtung sowie geringe Wanddickenschwankungen in Umfangsrichtung ergibt.

Ein Vergleich wird jedoch möglich, wenn die Meßwerte für Drehmoment oder/und Kraft normiert werden. Statt des Drehmomentes kann ersatzweise auch die Stromaufnahme verwendet werden. Am besten eignet sich für die Normierung das dritte Gerüst, da an diesem Gerüst die geometrischen Einflüsse des Hohlblockes zumindestens theoretisch bereits abgeglichen sind. Weiter werden vor dem Normieren über bekannte Umformmodelle, die den Einfluß des Durchmessers beschreiben, die genannten Meßwerte für einen vorgegebenen fiktiven aber immer gleichen Walzendurchmesser umgerechnet. Damit erhält man Sollwerte und Bandbreiten für Drehmomente oder Ströme und Kräfte, die unabhängig vom Werkstoff und der aktuellen Walzendurchmesserkombination nur noch abmessungsabhängig sind.

Überschreiten die Meßwerte Drehmoment bzw. Strom und Kraft die entsprechenden abmessungsabhängigen Grenzwerte, so ist dann zusammen mit den direkt erfaßten Größen eine sicherere Fehlerzuordnung als bisher möglich.

Claims (4)

1. Verfahren zur Steuerung von Rohrkontiwalzwerken mit einer Dornstange als Innenwerkzeug, bei dem für den Walzprozeß kennzeichnende Prozeßgrößen erfaßt und mit vorgegebenen Sollwerten verglichen und daraus Steuersignale zur Anpassung der Drehzahlreihe in Abhängigkeit von direkt meßbaren bzw. vorgebbaren Prozeßgrößen abgeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung der Drehzahlreihe über voneinander unabhängig arbeitende Steuerelemente erfolgt, wobei die direkt meßbaren Größen die Hohlblockgeometrie mit Durchmesser, Wanddicke, Länge und die Temperaturen von Dornstange, Hohlblock und auslaufendem Kontirohr sind und die direkt vorgebbaren Größen die Sollabmessungen von Hohlblock und Kontirohr, die aktuellen Werte von Walzendurchmesser, Dornstangendurchmesser, die Stichzahl und der Rohrwerkstoff, der Walzenwerkstoff und der Schmiermitteltyp sind, und wobei aus den gemessenen bzw. vorgebbaren Prozeßgrößen jeweils zunächst einzeln relative Drehzahländerungen berechnet werden und hieraus dann durch Multiplikation der einzelnen Größen miteinander die notwendigen Drehzahländerungen abgeleitet werden.

2. Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass Walzkräfte, Drehmomente bzw. Ströme gemessen werden und diese über ein Umformmodell für einen fest vorgegebenen fiktiven Walzendurchmesser umgerechnet werden, in der Weise, dass von einem Gerüst die für den vorgegebenen Walzendurchmesser umgerechneten Größen wie Walzkraft, Drehmoment oder Strom, die zu einem vorgegebenen Zeitpunkt bzw. Zeitraum gemessen wurden, als Bezugsgröße zur Normierung aller anderen gemessenen Walzkräfte, Drehmomente oder Ströme verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Bezugsgrößen Meßwerte des dritten Gerüstes verwendet werden.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bezugsgrößen Mittelwerte während der stationären Walzphase sind.