DE4200608C3 - Steuerung der Temperierung einer temperierbaren Walze - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuerung der Temperierung einer temperierbaren Walze, die in Ge­ stalt einer Heizwalze, die also am Außenumfang Tem­ peraturen von etwa 250°C annehmen kann und zur Wärmebehandlung einer Materialbahn dient, für sich genommen aus der DE-OS 37 20 132 bekannt ist.

Eine temperierbare Walze der in Rede stehenden Art umfaßt im allgemeinen ein dickwandiges Walzenrohr, welches die ganze Walze darstellen oder aber die Hohl­ walze einer hydraulisch innen abgestützten durchbie­ gungssteuerbaren Walze sein kann. Im letzteren Fall umfaßt die Hohlwalze ein sie durchgreifendes undreh­ bares Querhaupt, an welchem im Innern der Hohlwalze eine hydraulische Stützeinrichtung angeordnet ist, die Kräfte von innen gegen den Innenumfang der Hohlwal­ ze ausübt.

Bei der aus der DE-OS 37 20 132 bekannten Walze ist die Temperierung eine Beheizung. Die Erfindung be­ trifft aber gleichermaßen eine kühlbare Walze, bei der die Temperatur des arbeitenden Walzenumfangs unter die Umgebungstemperatur abgesenkt wird, um einer Materialbahn Wärme zu entziehen.

Die dickwandigen Walzenrohre bestehen im allge­ meinen aus Stahl und sind gegossen. Sie reagieren sehr empfindlich auf Temperaturunterschiede insbesondere in radialer Richtung, weil diese zu hohen Wärmespan­ nungen führen, die Risse verursachen können. Aus die­ sem Grunde müssen zum Beispiel beheizbare Walzen mit ganz geringer Geschwindigkeit auf ihre Arbeitstem­ peratur gebracht werden.

Aus dem gleichen Grunde wird in der DE-OS 37 20 132 angestrebt, daß die Heizleistungen der inne­ ren Heizeinrichtung und der äußeren Heizeinrichtung so bemessen und aufeinander abgestimmt werden, daß die Temperaturdifferenz zwischen dem Innenumfang des Walzenrohrs und dem Außenumfang bei allen Tem­ peraturen möglichst gleich Null ist. Diese Art der Steue­ rung sei daher kurz mit "ΔT = 0" bezeichnet.

Diese Art der Steuerung ist jedoch nicht in jeder Hinsicht optimal, wie im folgenden anhand des Beispiels einer Heizwalze dargestellt werden soll, die gegen eine Gegenwalze arbeitet und mit dieser einen Walzspalt bildet, durch den eine Materialbahn hindurchgeleitet wird. Im stationären Betrieb eines solchen Systems ist die Wärme, die die Materialbahn im Walzspalt auf­ nimmt, die von der Heizwalze abgestrahlte Wärmeener­ gie sowie die Energie, die die Walze an den Lagern durch Leitung an die Stützkonstruktion und durch Kon­ vektion an die Umgebungsluft abgibt, von der äußeren Heizeinrichtung aufzubringen. Auf die innere Heizein­ richtung entfallen nur weit geringere Anteile, nämlich die Wärmeverluste an den Zu- und Ableitungen, die meist noch isoliert sind, und die Wärmeverluste durch Übergang von Wärme an die gegebenenfalls vorhande­ ne innere hydraulische Stützeinrichtung. Die Steuerung nach der Methode "ΔT = O" bedeutet nämlich, daß keine Wärmeenergie der inneren Heizeinrichtung radial durch das Walzenrohr an die den arbeitenden Walzen­ umfang bildende Außenseite transportiert wird. Es fin­ det in radialer Richtung kein Wärmetransport statt. Die äußere Heizeinrichtung, der also praktisch die Gesamt­ heizung im Betrieb zufällt, ist heute ganz überwiegend als induktive Beheizung ausgebildet, bei der längs der Walze eine Anzahl von induktiven Polschuhen mit Wicklungen angeordnet ist. Wegen der heute vorhande­ nen Begrenzungen in der Leistungsdichte solcher induk­ tiven Schuhheizungen führt das wegen des hohen Lei­ stungsbedarfs der äußeren Heizeinrichtung häufig zu der Notwendigkeit mehrerer Schuhreihen. Eine solche Konstruktion ist einerseits relativ teuer, andererseits wegen der Vielzahl der Elemente weniger betriebssi­ cher und schließlich insbesondere am äußeren Walzen­ umfang extrem platzaufwendig, so daß Zusatzeinrich­ tungen wie Schaber und dergleichen nur noch schwierig unterzubringen sind.

Zudem macht es ingenieurmäßig wenig Sinn, eine in­ nere Heizeinrichtung zu haben, die im wesentlichen nur während des Auf- und Abheizens zur Anpassung der Temperatur am Innenumfang des Walzenrohrs an die des Außenumfangs zum Einsatz kommt.

Der Erfindung liegt ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 die Aufgabe zugrunde, die bei der Methode "ΔT = 0" durch die ungleichmäßige Verteilung der Heizleistungen auftretenden Mißhelligkeiten zu redu­ zieren.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 wieder­ gegebene erfindungsgemäße Steuerung gelöst.

Das Grundprinzip besteht darin, eine Aufteilung der Temperierleistungen dahin vorzunehmen, daß der inne­ ren Temperiereinrichtung der Ausgleich der systembe­ dingten Anteile zufällt, während die äußere Temperier­ einrichtung für die bahnbedingten Anteile zuständig ist.

Im Falle einer Heizwalze ist also die innere Heizein­ richtung in ihrer Leistung so einzustellen, daß mit ihrer Hilfe neben den Wärmeverlusten in den Rohrleitungen und gegebenenfalls in der Hydraulik auch die Strah­ lungs- und Konvektionsverluste des Walzenrohrs abge­ deckt werden. Die äußere Heizeinrichtung steuert die Wärmemenge bei, die von der Materialbahn fortgeführt wird.

Bei dieser Art der Steuerung wird ein Temperatur­ gradient zwischen dem Innenumfang und dem Außen­ umfang des Walzenrohrs in Kauf genommen, der jedoch deutlich niedriger ist als bei einer Beheizung des Wal­ zenrohrs nur vom Innern her. Gegenüber dieser Metho­ de nimmt der Temperaturgradient in Abhängigkeit vom Walzendurchmesser, von der Geschwindigkeit sowie der Beschaffenheit der Papierbahn (Flächengewicht, Dicke, Feuchte usw.) beispielsweise um 30 bis 40% ab, so daß die Wärmespannungen in einer erträglichen Größenordnung verbleiben.

Andererseits hat die erfindungsgemäße Steuerung den Vorteil, daß ein Überschießen der Temperatur der Walzenoberfläche im Falle eines Materialbahnrisses vermieden werden kann. Gemeint ist besonders eine Walze zur Behandlung von Papierbahnen mit höheren Temperaturen. Bei solchen Anordnungen in Kalandern oder dergleichen muß ab und zu mit einem Papierbahn­ riß gerechnet werden.

Bei der Methode "ΔT = 0" kann zwar ein solches Überschießen vermieden werden, indem die äußere Heizeinrichtung bei einem Riß der Materialbahn sofort wesentlich reduziert wird. Bei der Beheizung nur von innen her schießt jedoch bei einem Riß der Material­ bahn die Temperatur an der äußeren Walzenoberfläche nach oben, da die Temperatur des Wärmeträgerme­ diums im Innern der Walze wegen der Wärmespannun­ gen nur langsam zurückgefahren werden kann und von außen nur begrenzt Kühlleistung zur Verfügung steht. Wegen des von innen nach außen bestehenden starken Temperaturgradienten und der innen viel höheren Tem­ peratur wandert die in den inneren Bereichen des Wal­ zenrohrs gespeicherte Wärmeenergie dem Gradienten folgend rasch nach außen und steigert dort die Tempe­ ratur, weil keine Wärmeabnahme mehr erfolgt.

Beider erfindungsgemäßen Steuerung wird bei einem Riß der Materialbahn ebenso wie bei "ΔT = 0" die äußere Heizeinrichtung weggeschaltet. Da die innere Heizeinrichtung die systembedingten Anteile deckt und insbesondere die Strahlungs-, Leitungs- und Konvek­ tionsverluste des Walzenrohrs ausgleicht, die von dem Wegfall der Materialbahn nicht wesentlich berührt wer­ den, bleibt die Temperatur am arbeitenden Walzenum­ fang bei einem Fehlen der Materialbahn sogar unverän­ dert. Die Walze läuft bei einem Riß der Materialbahn einfach weiter, und es entsteht keine Fehlproduktion und keine Gefährdung der Gegenwalzen durch Über­ hitzung.

Bei der erfindungsgemäßen Steuerung entsteht eine Verringerung des Kostenaufwandes für die äußere Heizeinrichtung, da die ohnehin vorhandene Innenhei­ zung zu 30 bis 50% auch im stationären Betrieb mit Materialbahn zum Leistungseintrag herangezogen wird und dieser sich somit gleichmäßiger verteilt. Wegen der dadurch möglichen Verringerung der Zahl von am Au­ ßenumfang der Walze anzubringenden Komponenten ergibt sich außer einer höheren Betriebssicherheit auch mehr Platz am Walzenumfang für die Anbringung von Schabern und ähnlichem.

Die Einstellung der Wärmeleistung der inneren Tem­ periereinrichtung kann bei nicht mit der temperierbaren Walze in Berührung befindlicher Materialbahn erfolgen, und zwar so, daß am Außenumfang der temperierbaren Walze die im Betrieb, wenn also die Materialbahn an der temperierbaren Walze anliegt und Wärme abführt oder abgibt, angestrebte Temperatur vorliegt, die sich dann beim Hinzufügen der Materialbahn nicht ändert, weil der dann neu auftretende Wärmebedarf durch die gleichzeitig zugeschaltete äußere Heizeinrichtung ge­ deckt wird.

Bei einer Änderung der Breite der Material­ bahn kann durch eine Änderung der Wirkungsbreite der äußeren Heizeinrichtung relativ leicht eine Anpassung der Beheizung an die Bahnbreite erfol­ gen, was für sich genommen aus der US-PS 50 76 891 bekannt ist. Die innere Heizeinrich­ tung bleibt hiervon unberührt.

Die Wirkungsweise der Erfindung ist vorstehend überwiegend am Beispiel einer Heizwalze erläutert worden, doch versteht es sich, daß die Gesichtspunkte für den Fall einer Kühlwalze in entsprechender Weise gelten.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Er­ findung an einer Heizwalze schematisch dargestellt.

Die als Ganzes mit 10 bezeichnete Heizwalze umfaßt eine dickwandige Hohlwalze 1 aus Hartguß, welche ei­ nen Innenumfang 2 und einen Außenumfang 3 aufweist. In die Hohlwalze 1 sind unter der Oberfläche achsparal­ lele, über den Umfang gleichmäßig verteilte Längsboh­ rungen 4 eingebracht, die nach einem bestimmten Sy­ stem von einem fluiden Wärmeträgermedium durch­ strömt werden. Die Längsbohrungen 4 stehen über Lei­ tungen 5 und 6 mit einem Wärmetauscher 7 in Verbin­ dung. Die Längsbohrungen 4 und der Wärmetauscher 7 bilden zusammen die "innere Heizeinrichtung 12". Die Verbindung der Längsbohrungen 4 mit dem Wärmetau­ scher 7 wird nur schematisch durch die Leitungen 5, 6 dargestellt. Tatsächlich sind an den Enden der Walze 10 Drehanschlüsse für die Zuleitung des fluiden Wärmeträ­ germediums vorgesehen.

Die Hohlwalze 1 kann alleine den Walzenkörper bil­ den und an den Enden Walzenzapfen aufweisen, in de­ nen sie in einem Walzenständer gelagert ist. Es ist aber auch möglich, daß die Hohlwalze 1 die Hohlwalze einer durchbiegungssteuerbaren Walze ist, bei der die Hohl­ walze 1 der Länge nach von einem undrehbaren Quer­ haupt 8 durchgriffen ist, welches an den Enden aus der Hohlwalze 1 hervorsteht und dort in einem äußeren Walzenständer abgestützt ist. Die Hohlwalze 1 dreht sich um das undrehbare Querhaupt 8. An diesem ist eine hydraulische Stützeinrichtung 9 angebracht, welche auf der Seite des Walzspalts 11 gegen den Innenumfang 2 der Hohlwalze 1 wirkt und die zur Bildung des Linien­ drucks in dem Walzspalt 11 erforderliche Kraft auf­ bringt. Das undrehbare Querhaupt 8 biegt sich unter dieser Kraft durch. Es hat ringsum Abstand vom Innen­ umfang 2 der Hohlwalze 1, so daß die Durchbiegung möglich ist, ohne daß die vorbeilaufende Hohlwalze 1 berührt wird.

Der inneren Heizeinrichtung 12 ist eine äußere Heiz­ einrichtung 13 zugeordnet, die als induktive Heizein­ richtung ausgebildet ist und mehrere längs der Walze 10 angeordnete induktive Polschuhe 14 umfaßt.

Die Polschuhe 14 sind ebenso wie der Wärmetau­ scher 7 über Leitungen mit einer als Ganzes mit 20 bezeichneten Steuereinrichtung verbunden, die der in­ neren bzw. äußeren Heizeinrichtung 12 bzw. 13 jeweils bestimmte Anteile an Heizleistung zuweist, die symbo­ lisch durch die Felder 30 und 40 dargestellt sind.

Die Heizwalze 10 bildet mit einer Gegenwalze 15 den Walzspalt 11, durch den eine Warenbahn 16 im Sinne des Pfeiles 17 hindurchläuft. Dabei nimmt die Waren­ bahn 16 von dem den arbeitenden Walzenumfang bil­ denden Außenumfang 3 der Walze 10 Wärme mit, die durch die symbolische Fläche 30 dargestellt ist und von der äußeren Heizeinrichtung 13 geliefert wird.

Die Walze 10 ist im Betrieb sehr heiß und verliert Wärme durch Abstrahlung, die durch das Feld 41 sym­ bolisiert ist. Außerdem geht Wärme durch Konvektion, d. h. durch Aufheizung der Umgebungsluft verloren. Dies entspricht dem Feld 42. Das Feld 43 stellt einen Wärmeanteil dar, der durch Leitung an den Enden der Walze 10 an dem Maschinenständer oder dergleichen verlorengeht. 44 sind die Wärmeverluste, die in den Lei­ tungen 5 und 6 auftreten. 45 sind Wärmeverluste, die durch Übertragung von Wärme an die hydraulische Stützeinrichtung 9 eintreten und ebenfalls aus der Wal­ ze 10 abgeführte Wärme darstellen. Alle diese Kompo­ nenten zusammen bilden den Energiebetrag 40, und die­ ser Energiebetrag wird ausschließlich über die innere Heizeinrichtung 12 beigesteuert.

30 ist also der bahnbedingte Wärmeanteil, 40 der sy­ stem- oder walzenbedingte Wärmeanteil. Wenn die Bahn 16 reißt und keine Wärme mehr vom Umfang 3 der Walze 10 abgenommen wird, wird die äußere Heiz­ einrichtung 13 sofort abgeschaltet. An den Wärmeverlu­ sten in der Walze 10 ändert sich dadurch nichts. Die innere Heizeinrichtung 12 ist weiter tätig, so daß die Wärmeverluste der Walze 10 ausgeglichen werden und diese keinerlei Änderung ihres Temperaturzustandes erfährt. Sobald die Bahn 10 wieder eingefädelt ist, wird die äußere Heizeinrichtung 13 wieder eingeschaltet und steuert den Bahnanteil 30 bei.

Claims (1)

1. Steuerung zur Aufrechterhaltung einer ange­ strebten Außentemperatur einer Walze zur Be­ handlung einer Materialbahn, die durch den Spalt dieser Walze mit einer Gegenwalze geführt ist, mit einer inneren Temperiereinrichtung, die von innen her der Walze Wärme zuführt oder Wärme aus der Walze abführt,
   mit einer äußeren Temperiereinrichtung, die im Falle der Erwärmung eine induktive Heizung ist, die die Walze von außen her temperiert,
   und mit einer an die beiden Temperiereinrichtun­ gen angeschlossenen Steuereinrichtung, die die Wärmeleistungen der beiden Temperiereinrichtun­ gen steuert,
   dadurch gekennzeichnet,
   daß die Wärmeleistung der inneren Temperierein­ richtung (12) so bemessen ist, daß sie bei Wärmezu­ fuhr sämtliche Wärmeverluste bzw. bei gekühlter Walze sämtliche Kälteverluste selbst ausgleicht, so daß die Wärmeleistung bzw. Kühlleistung der äu­ ßeren Temperiereinrichtung (13) nur die mit der Materialbahn (16) ausgetauschte Wärmemenge zu decken hat, und
   daß durch Einstellung der Wirkungsbreite der äußeren Temperiereinrichtung (13) eine Anpas­ sung der Temperierung in Breitenrichtung an die Breite der Materialbahn (16) erfolgt.