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Dokumentenidentifikation DE102006028369A1 20.12.2007
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Prozesskontrolle beim Walzen von Metallen
Anmelder Aluminium Norf GmbH, 41468 Neuss, DE
Erfinder Schimmelpfennig, Joachim, Dipl.-Ing., 41334 Nettetal, DE
Vertreter COHAUSZ & FLORACK, 40211 Düsseldorf
DE-Anmeldedatum 19.06.2006
DE-Aktenzeichen 102006028369
Offenlegungstag 20.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.12.2007
IPC-Hauptklasse B21B 38/10(2006.01)A, F, I, 20060619, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B21B 37/66(2006.01)A, L, I, 20060619, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prozesskontrolle beim Walzen von Metallen, insbesondere Aluminium oder Aluminiumlegierungen, sowie ein Walzgerüst mit Arbeitswalzen zum Walzen von Metallen, insbesondere von Aluminium oder Aluminiumlegierungen, und Mittel zur Durchführung einer Prozesskontrolle des Walzprozesses. Die Aufgabe, ein Verfahren zur Prozesskontrolle beim Walzen von Metallen, insbesondere Aluminium oder Aluminiumlegierungen, zur Verfügung zu stellen, mit welchem Prozessparameter des Walzspaltes während des Walzens direkt ermittelt werden können, so dass der Einfluss von Schwingungen des Walzgerüstes auf die Banddicke reduziert und gleichzeitig der Anteil an Ausschussbändern gesenkt werden kann, wird dadurch gelöst, dass unter Verwendung mindestens einer Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung Prozessparameter während des Walzens ermittelt werden, wobei Ultraschallwellen durch mindestens einen Ultraschallsender in die Arbeitswalzen in Richtung des Walzspaltes eingekoppelt werden und die eingekoppelten Ultraschallwellen mit mindestens einem Ultraschallempfänger wieder empfangen werden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prozesskontrolle beim Walzen von Metallen, insbesondere Aluminium oder Aluminiumlegierungen sowie ein Walzgerüst mit Arbeitswalzen zum Walzen von Metallen, insbesondere von Aluminium oder Aluminiumlegierungen und Mitteln zur Durchführung einer Prozesskontrolle des Walzprozesses.

Beim Warmwalzen sowie beim Kaltwalzen ist es wünschenswert das gewalzte Band mit einer möglichst konstanten Dicke zu fertigen. Unvermeidbare Unrundheiten der Walzen, insbesondere der Stützwalzen, verursachen jedoch während des Walzbetriebes periodische Schwankungen der tatsächlichen Auslaufdicke des Bandes. Zur Steuerung der Banddicke werden Banddickenregelsysteme verwendet, welche üblicherweise darauf basieren, die Banddicke am Einlauf der Arbeitswalzen sowie am Auslauf der Arbeitswalzen zu messen, über Modellrechnungen Stellgrößen zu bestimmen und über entsprechende Stellbefehle das Anstellsystem des Walzgerüstes zu steuern. Es hat viele verschiedene Versuche gegeben, die periodischen Schwankungen der Banddicke während des Walzen zu eliminieren. Beispielsweise ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 33 31 822 A1 ein Verfahren zur Regelung der Banddicke bekannt, bei welchem über die Walzenanstellung, die Walzkraft und die Federkonstante des Walzgerüst indirekt die Größe des Walzspaltes ermittelt wird. Die ermittelte Größe des Walzspaltes wird mit direkt ermittelten und zeitlich verzögerten Banddickenmesswerten korrigiert. Die so ermittelte Größe für den Walzspalt wird zur Steuerung der Walzenanstellung der Arbeitswalzen und damit zur Prozesskontrolle des Walzens verwendet. Weitere Verfahren zur Prozesskontrolle beim Walzen von Metallen sind aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 103 27 663 A1 bekannt. Da die Prozessparameter im Walzspalt bisher nur indirekt bestimmt werden konnten, war eine Eliminierung der Schwankungen der Banddicke nicht möglich, da alle bekannten Verfahren nicht schnell genug Schwingungen des Walzgerüsts ausregeln konnten. Zudem fehlte die Möglichkeit wichtige Parameter für die Prozesskontrolle, beispielsweise das Spannungsprofil der Arbeitswalzen zeitnah zu bestimmen und der Prozesskontrolle zuzuführen.

Insbesondere beim Walzen von Aluminium treten zusätzlich Materialablagerungen und Materialanhaftungen auf den Arbeitswalzen auf, welche zu Fehlern auf dem gewalzten Band führen. Bisher hat hierzu ein Bediener des Walzgerüstes eine Sichtkontrolle der Arbeitwalzen und des gewalzten Bandes durchgeführt und den Walzprozess beim Vorhandensein eines Oberflächenfehlers auf der Arbeitswalze gestoppt. Da auch Fehler im Millimeterbereich zu Ausschussbändern führen, wurden derartige Fehler häufig zu spät entdeckt, so dass aufgrund der hohen Walzgeschwindigkeiten bereits große Mengen fehlerhafte Bänder produziert worden sind.

Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Prozesskontrolle beim Walzen von Metallen, insbesondere Aluminium oder Aluminiumlegierungen sowie ein Walzgerüst mit Arbeitswalzen zum Walzen von Metallen und Mitteln zur Durchführung einer Prozesskontrolle des Walzprozesses zur Verfügung zu stellen, mit welchem Prozessparameter des Walzspaltes während des Walzens direkt ermittelt werden können, so dass der Einfluss von Schwingungen des Walzgerüstes auf die Banddicke reduziert und gleichzeitig der Anteil an Ausschussbändern gesenkt werden kann.

Gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben aufgezeigte Aufgabe für ein Verfahren zur Prozesskontrolle beim Walzen von Metallen dadurch gelöst, dass unter Verwendung mindestens einer Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung Prozessparameter während des Walzens ermittelt werden, wobei Ultraschallwellen durch mindestens einen Ultraschallsender in die Arbeitswalzen in Richtung des Walzspaltes eingekoppelt werden und die eingekoppelten Ultraschallwellen mit mindestens einem Ultraschallempfänger wieder empfangen werden.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass über die Einkopplung von Ultraschalwellen in die Arbeitswalzen wichtige Prozessparameter gewonnen werden können, um die Prozesskontrolle beim Walzen zu verbessern. Für Ultraschallwellen sind massive Körper wie die Arbeitswalzen zwar durchlässig. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen sowie deren Reflektion oder Transmission an Medienübergängen sind jedoch von den spezifischen Umgebungsbedingungen im Metall der Arbeitswalze bzw. an dem entsprechenden Materialübergang abhängig. Daher können durch eine Messung der eingekoppelten Ultraschallwellen mit einem Ultraschallempfänger unmittelbar Rückschlüsse auf Walzbedingungen oder Walzparameter ermittelt und zur Prozesskontrolle verwendet werden. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung der Ultraschallwellen eine einfache und sichere Überwachung des Walzvorgangs.

Vorzugsweise wird gemäß einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens das Impuls-Echo-Verfahren verwendet. Bei diesem Verfahren werden sehr kurze Ultraschallimpulse mit hoher Frequenz in die Arbeitswalze eingeleitet und nach deren Reflektion am Walzspalt wieder empfangen. Aus den Laufzeitunterschieden zwischen Senden und Empfangen des Ultraschall-Impulses sowie aus der Amplitude eines reflektierten Impulses können Prozessparameter für die Prozesskontrolle beim Walzen gewonnen werden. Üblicherweise werden hierzu Ultraschallimpulse mit einer Frequenz von 0,1 bis 100 MHz, die mit einer Wiederholfrequenz von bis zu 50 kHz emittiert werden. Die sehr hohe Impulsfrequenz dient zur Verbesserung der Ortsauflösung, da diese der halben Wellenlänge der Ultraschallwellen entspricht. Über die Wiederholfrequenz kann das Messsignal zur besseren Auswertung stabilisiert werden.

Gemäß einer nächsten vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird unter Verwendung mindestens der einen Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung die Banddicke des gewalzten Bandes im Walzspalt gemessen und zur Prozesskontrolle beim Walzen verwendet. Es hat sich gezeigt, dass die in die Arbeitswalze eingekoppelten Ultraschallwellen nicht nur am Übergang der Arbeitswalze zum Bandmaterial reflektiert werden, sondern auch in das Bandmaterial eindringen und an der gegenüberliegenden Seite der Arbeitswalze reflektiert werden. Misst man den Laufzeitunterschied zwischen den direkt am Übergang der Arbeitswalze zum Bandmaterial reflektierten Ultraschallwellen und den an der gegenüberliegenden Arbeitswalze reflektierten Ultraschallwellen, kann auf einfache Weise über trigonometrische Überlegungen die Dicke des Walzspaltes, welche dann der Banddicke im Walzspalt entspricht, ermittelt werden. Daher besteht die Möglichkeit eine unmittelbar beim Walzen gemessene Banddicke zur Prozesskontrolle zu verwenden. Die hieraus resultierende kurze Antwortzeit zur Steuerung der Anstellelemente des Walzgerüst gewährleistet, dass Schwankungen der Banddicke aufgrund von Schwingungen des Walzgerüstes deutlich reduziert werden können.

Unter Ausnutzung des akustoelastischen Effekts kann, gemäß einer nächsten weitergebildeten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, unter Verwendung der mindestens einen Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung das Spannungsprofil der Arbeitswalze gemessen werden. Aufgrund des akustoelastischen Effekts verändert sich die Schallgeschwindigkeit von Ultraschallwellen in Abhängigkeit vom Spannungszustand im Werkstoff linear bis zum Erreichen der Dehngrenze des Werkstoffes. In den Bereichen der Arbeitswalze, welche besonders unter Spannung stehen, weisen die Ultraschallwellen besonders hohe Geschwindigkeiten auf, so dass proportional zum Spannungszustand in der Arbeitswalze eine Veränderung der Laufzeit der Ultraschallwellen erfolgt. Damit ist es möglich, den Spannungszustand einer Arbeitswalze während des Walzens durch Laufzeitunterschiede der Ultraschallwellen zu bestimmen. Dieser gibt Auskunft darüber, an welchen Stellen die Arbeitswalze besonders belastet ist. Die Daten des Spannungsprofils können dann beispielsweise zur gezielten Ansteuerung der Stützwalzen und/oder der Walzenkühlung verwendet werden.

Vorzugsweise wird unter Verwendung der Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung der Walzölfilm im Walzspalt überwacht. Beim Übergang der Ultraschallwellen von einem Medium in das andere, beispielsweise von der Arbeitswalze in den Walzölfilm und das Walzgut im Walzspalt, tritt eine Reflektion auf, dessen Reflektionskoeffizent R sich wie folgt bestimmt: R = (Z2 – Z1)2/(Z2 + Z1)2 wobei für den Schallwellenwiderstand in den einzelnen Medien 1 und 2 gilt: Z1/2 = C1/2·&zgr;1/2.

Dabei ist c1/2 die Schallgeschwindigkeit in den Medien und &zgr;1/2 die Dichte. Der Schallwellenwiderstand ist proportional zur Schallgeschwindigkeit in dem Medium und die Reflektion steigt mit steigendem Unterschied in der Schallgeschwindigkeit der Medien.

Da die Schallgeschwindigkeiten in Öl ca. 1800 m/s und Stahl etwa 5920 m/s beträgt, ist die Reflektion beim Austritt der Ultraschallwellen in den Walzspalt bei vorhandenem Walzölfilm relativ groß und nur ein kleiner Teil des Ultraschallimpulses tritt in den Walzspalt ein. Die Amplitude des an diesem Übergang reflektierten Ultraschallimpulses ist entsprechend hoch. Haftet beispielsweise Aluminiummaterial an einer Stelle an der Arbeitswalze an und ist ein Walzölfilm an dieser Stelle nicht mehr vorhanden, so bricht die Amplitude des reflektierten Ultraschallimpulses jedoch ein. Dies liegt daran, dass in Aluminium die Schallgeschwindigkeit ähnlich hoch wie in Stahl ist, nämlich etwa 6300 m/s, so dass lediglich ein geringer Unterschied in dem Schallwellenwiderstand am Übergang vorliegt. Damit kann schnell und automatisiert während des Walzens festgestellt werden, dass an der Arbeitswalze Material anhaftet bzw. der Walzölfilm nicht mehr vorhanden ist. Die bisher nahezu nicht mögliche Überwachung des Walzölfilms im Walzspalt wird durch das erfindungsgemäße Verfahren erstmals ermöglicht.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich nicht nur beim Warm-, sondern auch beim Kaltwalzen von Metallen, da das erfindungsgemäße Verfahren eine direkte Bestimmung von Walzparametern ermöglicht und somit eine besonders schnelle Regelung des Walzspaltes erzielbar ist, die auch Schwingungen des Walzgerüstes berücksichtigen kann.

Weist die Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung eine Mehrzahl an Ultraschallsendern und -empfängern auf, welche in axialer Richtung entlang der Arbeitswalzen angeordnet sind, kann der Walzspalt, das Spannungsprofil und der Walzölfilm der Arbeitswalze über die gesamte Breite der Arbeitswalze bestimmt bzw. überwacht werden und einer entsprechenden Prozesskontrolle zugeführt werden. Denkbar ist jedoch auch, dass eine einzige Kombination aus Ultraschallsender und -empfänger verwendet wird, die beispielsweise bewegbar an der Arbeitswalze angeordnet ist und diese periodisch überwacht.

Vorzugsweise sind die Ultraschallsender und -empfänger über ein flüssiges Medium, insbesondere über eine Walzemulsion, an die Arbeitswalzen angekoppelt, so dass die Verluste beim Austritt bzw. beim Eintritt der Ultraschallwellen in die Arbeitswalzen möglichst gering gehalten werden kann. Die Verwendung von Walzemulsion ist besonders vorteilhaft, da diese im Walzprozess allgegenwärtig ist und beispielsweise ein einfaches Abstreifen der Walzemulsion von der Arbeitswalze zur Beseitigung ausreicht.

Sind die Ultraschallsender und -empfänger der Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung in axialer Richtung der Arbeitswalze gesehen v-förmig angeordnet, kann durch eine einfache Anordnung der Ultraschallsender und -empfänger der Walzspalt der Arbeitswalzen vermessen werden. Bei dieser Anordnung kann der Ultraschall vom Ultraschallsender direkt in die Arbeitswalze eingekoppelt werden. Es ist jedoch auch denkbar, einen kombinierten Sender und Empfängerkopf als Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung zu verwenden.

Gemäß einer zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben hergeleitete Aufgabe für ein Walzgerüst dadurch gelöst, dass eine Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung vorgesehen ist, welche mindestens einen Ultraschallsender und -empfänger aufweist, wobei mit dem Ultraschallsender Ultraschallwellen durch mindestens eine Arbeitswalze in Richtung des Walzspaltes emittierbar und mit dem Ultraschallempfänger die vom Ultraschallsender emittierten und am Walzspalt und/oder vom Material im Walzspalt reflektierten Ultraschallwellen empfangbar sind.

Wie bereits zu dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben, ermöglicht das erfindungsgemäße Walzgerüst, über die Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung den Walzspalt und zur Prozesskontrolle des Walzens benötigte Parameter, wie beispielsweise das Vorhandensein eines Walzölfilmes, direkt zu messen. Entsprechend ausgerüstete Walzgerüste ermöglichen damit eine besonders gute Prozesskontrolle, da bisher im Wesentlichen nur indirekte Messwerte, beispielsweise in Bezug auf die Größe des Walzspaltes, zur Prozesskontrolle verwendet wurden.

Umfasst die Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung eine Mehrzahl an Ultraschallsendern und -empfängern, welche in axialer Richtung der Arbeitswalzen angeordnet sind, kann die Arbeitswalze im Walzgerüst über ihre gesamte Arbeitslänge überwacht und der Walzspalt über die gesamte Arbeitslänge eingestellt werden.

Eine in axialer Richtung der Arbeitswalzen gesehen v-förmige Anordnung der Ultraschallsender und -empfänger gewährleistet eine minimale Anzahl an Medienübergängen der Ultraschallwellen oder Ultraschallimpulsen vom Sender zum Empfänger. Aufgrund der hieraus resultierenden maximalen Signalstärke im Ultraschallempfänger, wird die Messgenauigkeit verbessert.

Zum gleichen Zweck dienen auch die vorzugsweise vorgesehenen Mittel zur akustischen Ankopplung der Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung an die Arbeitswalze. Beispielsweise können die Ultraschallsender und -empfänger der Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung in einem Walzemulsionsstrahl angeordnet sein, welcher den Ultraschallsender bzw. -empfänger vollständig umgibt und kontinuierlich gegen die Arbeitswalze gerichtet ist. Darüber hinaus ist auch eine Anordnung vorstellbar, bei welchem die Arbeitswalze in einer Wanne mit Walzemulsion eintaucht, in welchem ein Ultraschallsender oder -empfänger angeordnet ist.

Schließlich weisen der/die Ultraschallsender- und/oder -empfänger akustische Linsen zur Ein- bzw. zur Auskopplung der Ultraschallwellen auf. Ultraschallwellen lassen sich durch einfache geometrische Körper, häufig aus Kunststoff, bündeln und fokussieren. Durch die Bündelung und Fokussierung kann unter Berücksichtigung der Brechung der Ultraschallwellen beim Medienübergang gezielt ein Strahlungsfeld in der Walze eingestellt werden, welches zu besonders guten Messergebnissen führt. Beispielsweise sollte die Einkopplung der Ultraschallwellen dazu führen, dass das in die Arbeitswalze eintretende Strahlenbündel möglichst wenig divergiert, so dass am Walzspalt eine möglichst hohe Intensität reflektiert wird.

Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten das erfindungsgemäße Verfahren zur Prozesskontrolle beim Walzen sowie das erfindungsgemäße Walzgerüst weiterzubilden und auszugestalten. Hierzu wird verwiesen einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und 10 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Die Zeichnung zeigt in

1a) in einer schematischen, radialen Schnittansicht die Arbeitswalzen gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Walzgerüstes,

1b) in einer schematischen, radialen Schnittansicht die Arbeitswalzen gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Walzgerüstes,

2 in einer radialen Schnittansicht den Strahlengang der Ultraschallimpulse im Bereich des Walzspaltes im Ausführungsbeispiel aus 1a),

3 in einer schematischen, radialen Schnittansicht den Strahlengang der Ultraschallwellen bei der Spannungsprofilvermessung des Ausführungsbeispiels aus 1a),

4 in einem Zeit-Amplituden Diagramm einen typischen Signalverlauf bei der Vermessung des Spannungsprofils aus 3,

5a), b) Ankopplungsmittel der Ultraschallsender und -empfänger gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Walzgerüstes und

6a, b) verschiedene Linsengeometrien von Ultraschallsendern und -empfängern.

Eine schematische, radiale Schnittansicht die Arbeitswalzen 1, 2 eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Walzgerüstes 3 zeigt 1a). Das erfindungsgemäße Walzgerüst 3 weist eine Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung 4, 5 und nicht dargestellte Mittel zur Prozesskontrolle auf. Der Ultraschallsender 4 koppelt in die Arbeitswalze 1 Ultraschallwellen 6, beispielsweise in Form von Impulsen, ein. Die Ultraschallimpulse weisen beispielsweise Frequenzen im Bereich von 0,1 bis 100 MHz auf.

Üblicherweise werden die Ultraschallimpulse mit einer Wiederholfrequenz von bis zu 50 kHz emittiert, um die Messung des reflektierten Signals zu stabilisieren. Der Ultraschallimpuls 6 wird vom Ultraschallsender 4 in die Arbeitswalze 1 eingekoppelt, verlässt die Arbeitswalze 1 im Bereich des Walzspaltes und wird an der gegenüberliegenden Arbeitswalze 2 erneut reflektiert, um anschließend in die Arbeitswalze 1 einzukoppeln und vom Ultraschallempfänger 5 als Ultraschallimpuls 7 gemessen zu werden. In der 1a) ist darüber hinaus eine Stützwalze 9 dargestellt, über welche die Lastverteilung der Arbeitswalzen 1 eingestellt werden kann.

Ein gegenüber dem Ausführungsbeispiel aus 1a) vereinfachtes, zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Prozesskontrolle beim Walzen zeigt 1b). Das Walzgerüst in 1b) umfasst keine Stützwalzen, so dass die Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung 4a die Ultraschallwellen senkrecht in Richtung Walzspalt in die Arbeitswalze 1a einkoppeln kann. Die Laufzeit des eingekoppelten und am Materialübergang vom Walzgut in die zweite Arbeitswalze 2a reflektierte Ultraschalimpulses 6a ist damit unmittelbar proportional zur Dicke des gewalzten Bandes 8a. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung 4a aus einem einzigen Sender-Empfänger-Prüfkopf bestehen.

In 2 ist der Bereich des Walzspaltes 10 aus 1a) noch einmal vergrößert dargestellt. Der Ultraschallimpuls 6 koppelt im Walzspalt in das Walzgut 8 ein und wird an der Arbeitswalze 2 zurückreflektiert. Der zurückreflektierte Ultraschallimpuls 7 wird dann vom Empfänger 5, welcher in 2 nicht dargestellt ist, wieder empfangen. Aus der Laufzeit, welche der Ultraschallimpuls 6, 7 im Bereich des Walzgutes benötigt, kann über einfache trigonometrische Berechnungen die Dicke des Walzgutes h und damit der Walzspalt selber berechnet werden. Allerdings kann der reflektierte Ultraschallimpuls 7 nur dann gemessen werden, wenn das Walzgut 8 über einen, nicht dargestellten Walzölfilm an die Arbeitswalze 1 angebunden ist, d.h. das kein Luftspalt zwischen Arbeitswalze und Walzgut 8 besteht. Ein Luftspalt würde aufgrund des großen Schallwellenwiderstandunterschiedes zu einer kompletten Reflektion des Ultraschallimpulses 6 am Walzspalt führen.

Im Gegensatz zu den bisher bekannten Verfahren zur Bestimmung des Walzspaltes, kann unter Verwendung der Ultraschallmesstechnik die Größe des Walzspaltes direkt aus Laufzeitunterschieden unter Anwendung einfacher geometrischer Überlegungen ermittelt werden. Es steht mit diesem Messwert ein Ist-Wert der Walzspaltgröße zur Verfügung, welcher ideal als Stellgröße zur Prozesskontrolle verwendet werden kann.

Die 3 zeigt in einer axialen, schematischen Schnittansicht den Verlauf der Ultraschallwellen 6, 7, welche an dem Übergang zwischen Arbeitswalze 1 und Walzgut 8 reflektiert werden. Die Laufzeit des emittierten Ultraschallimpulses 6 und des reflektierten Ultraschallimpulses 7 hängt aufgrund des akustoelastischen Effektes und der elastischen Walzenverformung insbesondere auch von dem Spannungszustand der Arbeitswalze ab. Durch eine in axialer Richtung fortlaufende Anordnung von Ultraschallsendern und -empfängern 4, 5 wird ermöglicht, ein Spannungsprofil der gesamten Arbeitswalze über die gesamte Arbeitsbreite der Walzen zu bestimmen. Der akustoelastische Effekt besagt, dass im Bereich der elastischen Verformung eines Werkstoffes die Schallgeschwindigkeit proportional mit zunehmender Spannung ansteigt. Aufgrund der hohen Kräfte, welche über die Arbeitswalzen 1 auf das Walzgut ausgeübt werden, erhöht sich auch die Schallgeschwindigkeit in den Bereichen, welche besonderen Spannungen unterliegen, deutlich. Unterschiedliche Spannungszustände der Arbeitswalzen machen sich daher durch unterschiedliche Laufzeiten für den Ultraschallimpuls 6, 7 bemerkbar.

Zwar ist die Schallgeschwindigkeit in Festkörpern, beispielsweise in Stahl, darüber hinaus abhängig von der Temperatur des Materials. Allerdings steigt auch hier die Schallgeschwindigkeit mit zunehmender Temperatur linear an, wobei der Temperaturanstieg pro Temperaturzunahme um zwei Größenordnungen geringer ist als der akustoelastische Effekt. Damit ist sichergestellt, dass auch bei Korrektur der Schallgeschwindigkeit aufgrund einer Temperaturkompensation der Arbeitswalzen der Spannungszustand der Arbeitswalzen prozesssicher gemessen werden kann.

Aus dem Spannungsprofil können leicht Parameter für die Prozesskontrolle des Walzens, insbesondere für die Walzenkühlung aber auch für die Ansteuerung der Arbeits- und/oder Stützwalzen 1, 2 und 9 gewonnen werden, welche eine gleichmäßige Lastverteilung auf den Arbeitswalzen und damit eine über die Breite der Arbeitswalzen gleichmäßige Ausbildung des Walspaltes gewährleisten sollen.

Wie bereits oben beschrieben, findet an Medienübergängen, analog zu den Brechungsgesetzen der Optik, eine Reflektion an den Grenzflächen statt. So ergibt sich aus dem vom Ultraschallsender 4 emittierten Ultraschallimpuls 6, 7 eine am Ultraschallempfänger 5 messbare Amplitude, welche von der Reflektion des Ultraschallimpulses am Übergang zwischen der Arbeitswalze 1 und dem Walzgut 8 abhängig ist. Ist an einer Stelle der Arbeitswalze 1 kein ausreichender Walzölfilm vorhanden und haftet Material, beispielsweise Aluminium, an dieser Stelle an der Arbeitswalze 1 an, so findet nahezu keine Reflektion an dem Übergang zwischen Arbeitswalze und Materialanhaftung statt, da Aluminium und Stahl ähnliche Schallwellenwiderstände aufweisen. Die Amplitude des reflektierten Ultraschallimpulses 7 sinkt damit deutlich ab. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es daher möglich, das Anhaften von Material an der Arbeitswalze unmittelbar festzustellen, sobald am Walzspalt nur eine geringe Reflektion des Ultraschallimpulses 6 stattfindet. Die Amplitude des reflektierten Ultraschallimpulses 7 kann also verwendet werden, um das Vorhandensein eines ausreichenden Walzölfilms zu überwachen bzw. Materialanhaftungen zu detektieren. Dabei ergibt sich die charakteristische Amplitude bei vorhandenem Walzölfilm aus dem deutlichen Unterschied des Schallwellenwiderstandes beider Materialien. Bisher konnten derartige Materialanhaftungen lediglich durch Fehler im gewalzten Band festgestellt werden, so dass häufig große Mengen an Ausschussmaterial gefertigt wurden, bevor die Fehler erkannt wurden.

Sowohl die gewonnenen Daten über das Spannungsprofil der Arbeitswalze 1 als auch die Daten über die Überwachung des Walzölfilms können an die nicht dargestellten Mittel zur Prozesskontrolle des Walzens weitergeleitet werden, um beispielsweise eine automatische Überwachung von Materialanhaftungen zu erzielen oder die Größe des Walzspaltes unmittelbar zu steuern.

Einen beispielhaften Signalverlauf bei der Auswertung der empfangenen Ultraschallimpulse 6, 7 zeigt das Diagramm aus 4. Auf der x-Achse ist in 4 die Zeit aufgetragen und auf der y-Achse die gemessenen Amplituden. Das Diagramm in 4 zeigt zwei Amplitudenwerte a0 und a1 zu den Zeitpunkten t0 und t1. Die Zeitachse t ist mit dem Ultraschallsender 4 synchronisiert, so dass der Ultraschallimpulse t0 der Amplitude a0 dem am Walzspalt reflektierten Ultraschallimpuls 6, 7 entspricht. Die Amplitude a0 kann daher als Maß für das Vorhandensein eines Walzölfilms verwendet werden. Der Zeitpunkt t0 dagegen kann als Laufzeit zur Bestimmung des Spannungsprofils verwendet werden. Die Zeitdifferenz zwischen t0 und t1 gibt dann ein Maß für die Größe des Walzspaltes h an.

Zur akustischen Ankopplung der Ultraschallempfänger und -sender 4, 5 an die Arbeitswalze 1 sind in 5a) und b) zwei verschiedene prinzipielle Ausführungsformen in einer Schnittansicht dargestellt. Die Schnittansichten zeigen die Arbeitswalze 1 sowie den hier beispielhaft dargestellten Ultraschallsender 4. In 5a) ist der Ultraschallsender 4 in einem Behälter 11 beinhaltend ein Ankopplungsmedium, beispielsweise eine Walzemulsion, angeordnet. Der Behälter 11 ist so angeordnet, dass die Arbeitswalze 1 in das überlaufende Ankopplungsmedium 12 eintaucht und so eine akustische Ankopplung des Ultraschallsenders 4 an die Arbeitswalze 1 gewährleistet. In 5b) weist der Behälter 11 eine Düse auf, aus welcher das Ankopplungsmedium 12 in einem Strahl austritt. Die Verwendung einer Düse, wie in 5b) dargestellt, ermöglicht die Ankopplung an die Arbeitswalzen 1 von einer beliebigen Stelle.

Schließlich zeigt 6 in einer Schnittansicht verschiedene Ausführungsformen eines Ultraschallsenders 4 zur Einkopplung von Ultraschallwellen oder Ultraschallimpulsen in die Arbeitswalze 1. Wie aus dem Vergleich der 6a) und 6b) deutlich wird, kann durch die Wahl der akustischen Linse 13 die Einkopplung und die Divergenz des Strahlenbündels 14 eingestellt werden. Üblicherweise wird ein möglichst enges Strahlenbündel eingestellt, so dass trotz des langen Strahlenganges innerhalb der Arbeitswalze 1 eine ausreichende Signalstärke vom Ultraschallempfänger 5 empfangen werden kann.


Anspruch[de]
Verfahren zur Prozesskontrolle beim Walzen von Metallen, insbesondere Aluminium oder Aluminiumlegierungen, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwendung mindestens einer Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung Prozessparameter während des Walzens ermittelt werden, wobei Ultraschallwellen durch mindestens einen Ultraschallsender in die Arbeitswalzen in Richtung des Walzspaltes eingekoppelt werden und die eingekoppelten Ultraschallwellen mit mindestens einem Ultraschallempfänger wieder empfangen werden. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Impuls-Echo-Verfahren verwendet wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwendung der mindestens einen Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung die Banddicke im Walzspalt gemessen und zur Prozesskontrolle beim Walzen verwendet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwendung der mindestens einen Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung das Spannungsprofil der Arbeitswalze gemessen wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwendung der mindestens einen Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung der Walzölfilm im Walzspalt überwacht wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall warm- oder kaltgewalzt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung eine Mehrzahl an Ultraschallsendern und -empfängern aufweist, welche in axialer Richtung entlang der Arbeitswalzen angeordnet sind. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallsender und -empfänger über ein flüssiges Medium, insbesondere über eine Walzemulsion, an die Arbeitswalzen angekoppelt sind. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallsender und -empfänger in axialer Richtung der Arbeitswalze gesehen v-förmig angeordnet sind. Walzgerüst mit Arbeitswalzen (1, 2) zum Walzen von Metallen, insbesondere von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und Mitteln zur Durchführung einer Prozesskontrolle des Walzprozesses, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung (4, 5) vorgesehen ist, welche mindestens einen Ultraschallsender (4) und -empfänger (5) aufweist, wobei mit dem Ultraschallsender (4) Ultraschallwellen oder Ultraschallimpulse (6, 7) durch mindestens eine Arbeitswalze (1) in Richtung des Walzspaltes emittierbar und mit dem Ultraschallempfänger (5) die vom Ultraschallsender (4) emittierten und am Walzspalt und/oder vom Material im Walzspalt reflektierten Ultraschallwellen oder Ultraschallimpulse (4, 5) empfangbar sind. Walzgerüst nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung (4, 5) eine Mehrzahl an Ultraschallsendern und -empfängern umfasst, welche in axialer Richtung der Arbeitswalzen (1, 2) angeordnet sind. Walzgerüst nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallsender (4) und -empfänger (5) in axialer Richtung der Arbeitswalzen (1, 2) gesehen v-förmig angeordnet sind. Walzgerüst nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (11, 12) zur akustischen Ankopplung der Ultraschall-Sender-Empfänger-Anordnung (4, 5) an die Arbeitswalze (1, 2) vorgesehen sind. Walzgerüst nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Ultraschallsender- und/oder -empfänger (4, 5) akustische Linsen (13) zur Bündelung der Ultraschallwellen (6, 7) oder Ultraschallimpulse aufweisen.






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