EP1368143A2 - 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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EP1368143A2 EP02726119A EP02726119A EP1368143A2 EP 1368143 A2 EP1368143 A2 EP 1368143A2 EP 02726119 A EP02726119 A EP 02726119A EP 02726119 A EP02726119 A EP 02726119A EP 1368143 A2 EP1368143 A2 EP 1368143A2
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Definitions

  • the invention relates to a method for the targeted adjustment of the surface structure of rolling stock during cold rolling in skin pass rolling stands, with a partial transfer of the surface structure of the work rolls to the rolling stock.
  • the rolling stock contains imprecision and pronounced yield strengths, which can lead to the formation of flow figures in the subsequent further processing.
  • the rolling stock is subjected to cold forming (cold re-rolling) with a low degree of deformation of only up to 3%.
  • the surface of the rolling stock is then additionally smoothed, combined with a deliberate partial transfer of the surface structure of the work rolls to the rolling stock in order to set a certain surface roughness.
  • This desired surface roughness or surface structure of the rolling stock helps u. a. to avoid problems with deep drawing (abrasion and adhesion wear due to metallic contact as well as uncontrolled flow) and inadequate paintability.
  • the transfer of the surface structure of the work rolls to the rolling stock is decisively influenced by a large number of rolling parameters and by the thickness of the rolling stock, the initial roughness of the rolling stock, the roughness of the work rolls, the re-rolling speed and the re-rolling temperature.
  • Kurt Steinhoff Examination of the re-rolling of metallic coated sheet
  • Umformtechnische Kunststoffen, Volume 47, Verlag Stahl-Eisen it has been shown to be advantageous for carrying out the re-rolling that the re-rolling in two passes improves the transfer
  • the distribution of the degrees of deformation in the individual passes is important, since the leveling effect, which is already pronounced at low degrees of deformation in the first finishing pass, leads to favorable transfer conditions in the second pass.
  • the object of the invention is to provide a method by which a coordination of the individual rolling-relevant parameters is made possible, so that a prediction of the coefficient of friction in the roll gap and the change in the surface of the rolling stock by re-rolling (skin passaging) and based on this a presetting of the rolling parameters is possible becomes.
  • the task is solved for a multi-stand skin pass mill with the characterizing features of claim 1 in that with the aid of a tribological model for the mathematical description of the Friction in the roll gap, the change in the roughness of the rolling stock in the rolling process of a single or multi-stand, preferably two-stand skin pass mill in an optimization calculation with variation of the rolling parameters, taking into account the existing machine limit, and the results obtained are used to preset at least some of the rolling parameters used for the calculation.
  • the calculation is carried out so that the rolling stock has a constant roughness at all rolling speeds behind the last stand.
  • the calculation is carried out in such a way that the total degree of dressing (sum of the degrees of skin passage of the individual stands) is kept constant.
  • FIG. 4 normal pressure profile P in the roll gap
  • Fig. 8 strip roughness Ra as a function of the rolling speed v.
  • FIGS. 1 to 4 show the typical interplay of the partial models that are required for an entire tribological model of the roll gap.
  • FIG. 1 shows a vertical partial section through a roll gap 1, in which the rolled strip 3 is located between the upper work roll 2 and the lower work roll (not shown).
  • the rolling direction runs from left to right in accordance with arrow direction 4.
  • the surfaces of the work rolls 2 and the roll belt are wetted with an emulsion 5, which is enriched with oil as a result of the pressure increase in the gusset between the roll belt 3 and the work roll 2.
  • This oil-enriched emulsion 6 is now carried along with the roll band 3 through the roll gap 1 from left to right in the course of the rolling.
  • the relevant quantities are plotted as a function of the roll gap coordinate WSK, namely starting from a value of -10 mm (area of the infeed) over +/- 0 mm up to +4 mm (area of separation of work roll and rolled strip).
  • FIGS. 2 to 4 in which the development of the coefficient of friction ⁇ (FIG. 2), the development of the load-bearing component T of the surface roughness (FIG. 3) and the development of the normal pressure P in the roll gap (FIG. 4) as a function of this roll gap coordinate WSK are shown, are arranged below the roll gap representation of Figure 1 that the roll gap coordinates WSK correspond to each other.
  • an inlet wedge forms, causing a pressure increase 7 of the lubricant (oil-enriched suspensions 6) due to hydrodynamic effects (for example from the roll gap coordinate WSK -10 mm to approximately -8 mm), which continues until the even yield stress minus the retraction tension is reached and the tape becomes plastic.
  • the load-bearing component T see FIG. 3) - that is the ratio between the microscopic contact surface of the roughness peaks from belt 3 and work roll 2 to the macroscopic contact surface - can be calculated in a partial model at the inlet.
  • This partial model describes the development of the surface roughness (from point 8 onwards) with a roll gap coordinate WSK of approximately -8 mm to approximately point 9 with a roll gap coordinate WSK of approximately +2 mm) and the associated increase in the load bearing component T as it passes through the roll gap 1 ,
  • the rolling stock in the roll gap is divided into vertical strips. It is assumed that the rolling pressure P acting on such a strip passes through the strip unchanged in the vertical direction. Since the thickness of the strip during cold rolling is small compared to the length of the roll gap, this assumption is justified.
  • the change in the roll pressure P with the roll gap coordinate can be derived as a function of the local friction situation and the local strength of the material.
  • the model used here was expanded by taking into account the elastic-plastic material behavior and the elastic flattening of the work rolls as a function of the roll pressure distribution. This is particularly necessary with regard to skin pass rolling applications.
  • the strip roughness values Ra plotted in FIG. 8 result from the skin pass degrees D in the two roll stands G1, G2 (see FIG. 7), the intermediate stand train Z (see FIG. 6) and the resulting rolling forces K (see FIG. 5). The results obtained can now be used to preset the skin pass process.

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Description

Verfahren zur gezielten Einstellung der Oberflächenstruktur von Walzgut beim Kaltnachwalzen in Dressier-Walzgerüsten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gezielten Einstellung der Oberflächenstruktur von Walzgut beim Kaltnachwalzen in Dressier-Walzgerüsten, wobei eine teilweise Übertragung der Oberflächenstruktur der Arbeitswalzen auf das Walzgut erfolgt.
Durch die vorangegangene Warm- oder Kaltumformung mit anschließendem Glühen enthält das Walzgut Unplanheiten und ausgeprägte Streckgrenzen, die zur Bildung von Fließfiguren bei der nachfolgenden weiteren Verarbeitung füh- ren können. 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 Kaltumformung findet dann zusätzlich eine Glättung der Walzgutoberfläche statt, verbunden mit einer gewollten teilweisen Übertragung der Ober- flächenstruktur der Arbeitswalzen auf das Walzgut zur Einstellung einer bestimmten Oberflächenrauheit. Diese gewollte Oberflächenrauheit bzw. Oberflächenstruktur des Walzgutes hilft u. a., Probleme beim Tiefziehen (Abrasionsund Adhäsionsverschleiß durch metallischen Kontakt sowie unkontrolliertes Fließen) und eine unzureichende Lackierbarkeit zu vermeiden.
Die Übertragung der Oberflächenstruktur der Arbeitswalzen auf das Walzgut wird dabei durch eine Vielzahl von Walzparametern sowie von der Walzgutdik- ke, der Ausgangsrauheit des Walzgutes, der Rauheit der Arbeitswalzen, der Nachwalzgeschwindigkeit und der Nachwalztemperatur entscheidend beein- flusst. Als Vorteil für die Durchführung des Nachwalzens hat sich nach einer Untersuchung von Kurt Steinhoff („Untersuchung des Nachwalzens von metallisch beschichtetem 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 Übertragungsvoraussetzungen 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 Dressierstraßenkonzept führte. Im Anlagentyp dieser neuen Dressier- Technologie stehen verschiedene Parameter zur Verfügung, um die Anforderungen nach konstantem einzustellenden Dressiergrad bei konstanter Oberflächengüte, z. B. bei variierender Geschwindigkeit (Anfahr- und Abbremsphase) nachzukommen. In diesem Straßentyp stehen u. a. die Verteilung der Einzeldressiergrade, der Zwischengerüstzug, in gewissem Rahmen die Haspelzü- ge und die resultierende Walzkraft zur Verfügung, um die erzielte Bandrauhigkeit konstant zu halten.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, durch das eine Abstimmung der einzelnen walzrelevanten Parameter ermöglicht wird, so dass eine Vorhersage der Reibungszahl im Walzspalt und der Veränderung der Oberfläche des Walzgutes durch das Nachwalzen (Dressieren) und darauf basierend eine Voreinstellung der Walzparameter ermöglicht wird.
Die gestellte Aufgabe wird für eine mehrgerüstige Dressierstraße mit den kenn- zeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass unter Zuhilfenahme eines tribologischen Modells zur mathematischen Beschreibung der Reibungsverhältnisse im Walzspalt die Veränderung der Rauheit des Walzgutes im Walzprozess einer ein- oder mehrgerustigen, vorzugsweise zweigerüstigen Dressierstraße in einer Optimierungsrechnung mit Variation der Walzparameter unter Berücksichtigung der vorhandenen Maschinengrenze berechnet und die erhaltenen Ergebnisse zur Voreinstellung zumindest eines Teils der zur Berechnung herangezogenen 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 Er- gebnisse miteinander verknüpft werden. So lassen sich beispielsweise in Abhängigkeit von den Walzspaltkoordinaten die Reibungszahl μ, der Traganteil T und daraus das Walzdruckgebirge (Druckverteilung im Walzspalt ) berechnen. In diesen Berechnungen werden walzrelevante Parameter mit einbezogen und optimierend variiert, wobei insbesondere die für eine zweigerüstige Dressier- straße zur Verfügung stehenden Parameter
- Verteilung der Einzeldressiergrade
- Zwischengerüstzug
- Haspelzüge - resultierende Walzkraft
- Walzgeschwindigkeit
berücksichtigt werden müssen. Als Zielgröße ist dabei vorzusehen, dass die Berechnung so vorgenommen wird, dass das Walzgut in allen Walzgeschwin- digkeiten 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 Figuren 1 bis 4 ist das typische Zusammenspiel der Teilmodelle dargestellt, die für ein gesamtes tribologisches Modell des Walzspalts erforderlich sind.
In Figur 1 ist ein Vertikalteilschnitt durch einen Walzspalt 1 gezeigt, in dem zwischen oberer Arbeitswalze 2 und unterer Arbeitswalze (nicht dargestellt) sich das Walzband 3 befindet. Die Walzrichtung verläuft in der gezeigten Darstellung entsprechend der Pfeilrichtung 4 von links nach rechts. Zur Unterstützung des Walzvorgangs 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 angereicherte 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 gezogen.
Zum besseren Verständnis der nachfolgenden Betrachtungen sind die relevan- ten Größen als Funktion der Walzspaltkoordinate WSK aufgetragen, und zwar ausgehend von einem Wert -10 mm (Bereich des Einlaufs) über +/- 0 mm bis zu +4 mm (Bereich der Trennung von Arbeitswalze und Walzband).
Die Figuren 2 bis 4, in denen die Entwicklung der Reibungszahl μ (Fig. 2), die Entwicklung des Traganteils T der Oberflächenrauheiten (Fig. 3) und die Ent- Wicklung des Normaldrucks P im Walzspalt (Fig. 4) als Funktion dieser Walzspaltkoordinate WSK dargestellt sind, sind so unterhalb der Walzspaltdarstellung der Figur 1 angeordnet, dass die Walzspaltkoordinaten WSK einander entsprechen.
Im Zusammenschau der Figuren 1 bis 4 sind nun folgende Merkmale bei folgenden Walzspaltkoordinaten WSK ablesbar:
Beim Einlauf bildet sich ein Einlaufkeil, wodurch ein Druckanstieg 7 des Schmiermittels (mit Öl angereicherte Suspensionen 6) aufgrund hydrodynami- scher 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 eingezogenen 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 einem Teilmodell berechnen. Dieses Teilmodell beschreibt die Entwicklung der Oberflächenrauheit (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 werden.
Bei der Streifentheorie wird das sich im Walzspalt befindliche Walzgut in vertikale Streifen unterteilt. Es wird angenommen, dass der auf einen solchen Streifen wirkende Walzdruck P unverändert in vertikaler Richtung durch den Streifen durchgeht. 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 Reibsituati- on und der lokalen Festigkeit des Materials ableiten. Das hier verwendete Modell wurde durch Berücksichtigung 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 Mo- dells hervorbringt. Damit ist auch eine Extrapolierbarkeit auf nicht adaptierte Parameterkombinationen in gewissem Umfang möglich.
Eine beispielhafte Veranschaulichung der Verwendung eines derartigen mathematischen tribologischen Modells mit den erhaltenen Ergebnissen einer Bei- spielrechnung für eine zweigerüstige Dressierstraße ist in den folgenden Figuren 5 bis 8 dargestellt.
Die Einstellungen der Beispielsrechnung wurden in Abhängigkeit von der Walzgeschwindigkeit v so vorgenommen, dass das Band in allen Geschwindigkeiten hinter Gerüst 2 eine konstante Rauheit hat. Gleichzeitig wurde auch der Ge- samtdressiergrad (Summe der Dressiergrade D von Gerüst 1 (G1) und Gerüst 2 (G2)) konstant 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

Patentansprüche
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 mathematischen Beschreibung der Reibungsverhältnisse im Walzspalt (1) die Veränderung der Rauheit des Walzgutes (3) im Walzprozess einer ein- oder mehrgerustigen, vorzugsweise zweigerüstigen Dressierstraße in einer Op- timierungsrechnung 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.
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) (Reibmo- dell)
* Anstieg des Traganteils (T) beim Durchgang durch den Walzspalt (1) -Entwicklung der Oberflächenrauheit (Ra) als Funktion der Walz- spalt-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 berücksichtigt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung des tribologischen Modells so vorgenommen wird
(Berechnung der Walzparameter in Abhängigkeit von der Walzgeschwindigkeit v), dass das Walzgut (3) in allen Walzgeschwindigkeiten (v) hinter dem letzten Gerüst eine konstante 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 Gesamtdressiergrad (Summe der Dressiergrade D der einzelnen Gerüste) konstant gehalten wird.
EP02726119A 2001-03-03 2002-02-28 Verfahren zur gezielten einstellung der oberflächenstruktur von walzgut beim kaltnachwalzen in dressier-walzgerüsten Expired - Lifetime EP1368143B1 (de)

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