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EP1675694B1 - Verfahren und steuervorrichtung zum betrieb einer walzstrasse für metallband - Google Patents

Verfahren und steuervorrichtung zum betrieb einer walzstrasse für metallband Download PDF

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Publication number
EP1675694B1
EP1675694B1 EP04790153A EP04790153A EP1675694B1 EP 1675694 B1 EP1675694 B1 EP 1675694B1 EP 04790153 A EP04790153 A EP 04790153A EP 04790153 A EP04790153 A EP 04790153A EP 1675694 B1 EP1675694 B1 EP 1675694B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
flatness
metal strip
bulge
visible
intrinsic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP04790153A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1675694A1 (de
Inventor
Johannes Reinschke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Primetals Technologies Germany GmbH
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=34399272&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=EP1675694(B1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1675694A1 publication Critical patent/EP1675694A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1675694B1 publication Critical patent/EP1675694B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B37/00—Control devices or methods specially adapted for metal-rolling mills or the work produced thereby
    • B21B37/28—Control of flatness or profile during rolling of strip, sheets or plates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B1/00—Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations
    • B21B1/22—Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations for rolling plates, strips, bands or sheets of indefinite length
    • B21B2001/225—Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations for rolling plates, strips, bands or sheets of indefinite length by hot-rolling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B38/00—Methods or devices for measuring, detecting or monitoring specially adapted for metal-rolling mills, e.g. position detection, inspection of the product
    • B21B38/02—Methods or devices for measuring, detecting or monitoring specially adapted for metal-rolling mills, e.g. position detection, inspection of the product for measuring flatness or profile of strips

Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of patent claim 1; an application is particularly suitable for operation in a hot rolling mill, e.g. in the finishing mill, but is not limited thereto.
  • the invention relates to a control device according to the preamble of patent claim 12.
  • a planarity control system for metal strip wherein a method of measuring the surface geometry of hot strip to create lines on the strip surface is used. The visible flatness thus measured is fed to a flatness control system via a flatness analysis system.
  • the object is achieved by a method of the aforementioned type, wherein for controlling the rolling stands by means of a buckling model values for the visible flatness in values for the intrinsic flatness is translated and the intrinsic flatness - as seen in material flow direction - is determined before a physical measuring location of the flatness by means of a material flow model.
  • the visible flatness is determined in the form of a bulge pattern.
  • the buckling pattern is technically easy comparable and storable with relatively little effort.
  • the bulge pattern is three-dimensional.
  • the metal strip in addition to the relative length of individual tracks of the metal strip evaluated at least one of the sizes wavelength, amplitude and phase offset of the individual tracks.
  • the bulge pattern can be detected much more accurately.
  • a multi-track laser measuring device is used to determine the bulge pattern, which enables cost-effective detection of the bulge pattern with sufficiently high precision.
  • the visible flatness is measured topometrically. In this way, areal detection of the strip surface structure and in particular of the bulge pattern becomes directly possible.
  • the translation of the plan is online.
  • a particularly exact control or regulation of the band flatness is made possible.
  • the translation of the flatness is carried out with the aid of an on-line capable approximation function.
  • on-line computing time can be saved in translating between visible and intrinsic flatness.
  • the bulge pattern is modeled by means of the buckling model by applying a fictitious temperature distribution in the transverse direction of the metal strip.
  • the thermal expansion in the belt longitudinal direction, but not in the transverse direction, corresponding to this belt temperature distribution, corresponds to a length distribution that can be assigned to the intrinsic flatness.
  • one or more flatness limit values are specified at freely selectable points within and / or after the rolling train for controlling the rolling train.
  • the flatness limits can be based on the intrinsic flatness and / or the refer to visible flatness. The fact that flatness limits can be specified anywhere within or after the rolling train, control accuracies for the rolling process can be significantly increased.
  • control device for operating a rolling train for metal strip with at least one rolling mill, wherein the control device for performing a method described above has at least one control unit which is coupled to a buckling model, which is provided with a device for measuring the visible flatness of Metal strip and coupled with a material flow model.
  • Advantageous embodiments of the control device are specified in subclaims. The advantages of the control device are analogous to those of the method.
  • a rolling train for rolling a metal strip 1 is controlled by a control computer 2.
  • the metal strip 1 can be, for example, a steel strip, an aluminum strip or a non-ferrous metal strip, in particular a copper strip.
  • the rolling train has at least two rolling stands 3.
  • the rolling stands 3 have at least work rolls 4 and, as indicated in FIG. 1 for one of the roll stands 3, as a rule also support rolls 5.
  • the rolling stands 3 could also have more rollers, for example, axially displaceable intermediate rollers.
  • the metal strip 1 passes through the rolling train in its longitudinal direction x, wherein the transverse direction y of the metal strip 1 is largely parallel to the axes of the work rolls 4.
  • the rolling train shown in Figure 1 is designed as a finishing train for hot rolling of steel strip. While the present invention is particularly suited for use in a multi-stand finishing line for hot rolling steel strip, it is not limited thereto; in particular, the rolling line may be formed as a cold rolling line (tandem mill) and / or rolling a non-ferrous metal (eg, aluminum , Copper or another non-ferrous metal) may be formed.
  • a cold rolling line tandem mill
  • a non-ferrous metal eg, aluminum , Copper or another non-ferrous metal
  • the control device 2 has a control unit 11. This in turn has a module 10 for profile and flatness control, which is coupled to a material flow model 9.
  • the control device 2 gives scaffold controllers 6 setpoints for profile and flatness actuators, not shown. The scaffold controllers 6 then adjust the actuators according to the predetermined setpoints.
  • the input variables supplied to the control device 2 include, for example, turn-key data such as an input thickness of the metal strip 1 and, for each rolling stand 3, a rolling force and a stitching decrease.
  • the input variables generally also include a final thickness, a nominal profile value, a nominal thickness contour and a desired flatness profile of the metal strip 1 at the outlet of the rolling train. Most of the rolled metal strip 1 should be as flat as possible.
  • the metal strip 1 has flatness errors, as shown by way of example and schematically in FIGS. 2a, 2b and 2c.
  • Flatness defects of the metal strip 1 can be measured at a location x2, as indicated in FIG. 1, for example by means of a multi-track laser measuring device 13.
  • Figure 2b shows a concentric bulge of the metal strip 1.
  • Figure 2b shows flatness defects at the edges of the metal strip 1.
  • Figure 2c shows bulges of the metal strip 1, which occur repeatedly in the longitudinal direction x of the metal strip 1, in particular in two areas in the transverse direction y of the metal strip 1.
  • the bulging of the metal strip 1 is caused in particular by internal stresses in the metal strip 1. Internal stresses in the metal strip 1 are also referred to as intrinsic band flatness ip.
  • FIG. 3 shows the division of a metal strip 1 into fictitious tracks S1 to Sn or into measurement tracks S1 'to Sm'. If one were to cut the metal strip 1 into narrow longitudinal strips or into tracks S1 to Sn, then one could measure an unequal band length distribution (the intrinsic strip length distribution) which is the cause of the internal stresses in the metal strip 1.
  • the multi-track laser measuring device 13 detects the relative length of the metal strip 1 per measuring track S1 'to Sm' and preferably additionally determines variables such as the wavelength, amplitude and / or the phase offset of the individual tracks S1 'to Sm'. It is crucial that for corresponding fictitious tracks S1 to Sn and measurement tracks S1 'to Sm', the associated intrinsic or measured relative lengths do not match.
  • the hot rolling of metal strip 1 distinguishes between intrinsic strip flatness ip and visible strip flatness vp.
  • the intrinsic band flatness ip denotes, as stated above, the Band length distribution over the tracks S1 to Sn.
  • the visible flatness vp results from the buckling behavior of the band, which is dependent, inter alia, on variables such as the strip thickness, the strip width, the modulus of elasticity of the metal strip 1 and the overall tension under which the metal strip 1 is located.
  • the visible flatness vp at a location x2 at the outlet of the rolling train, in particular a finishing train is measured and fed to a bulge model 12.
  • the measurement of the visible flatness vp takes place according to the invention such that not only the visible band length distribution over the bandwidth in the transverse direction y is the output of a measuring device, but the three-dimensional buckling pattern of the band can be reconstructed from the measuring device output variables. Accordingly, not only the (relative) length of the individual measuring tracks S1 'to Sm' but also the wavelength and phase offset for each track S1 'to Sm' are output by the measuring device in a multi-track laser measuring system.
  • a topometric flatness measurement is preferably based on a strip projection method. Strip patterns are projected onto the surface of the metal strip 1 and recorded continuously with the aid of a matrix camera.
  • the intrinsic flatness ip is preferably calculated at a location x1 between or after the rolling stands 3, in particular between and / or after the rolling stands 3 of a finishing train.
  • the calculation is preferably carried out by means of a material flow model 9 (see FIG. 1), which is preferably part of a control unit 11.
  • the intrinsic flatness ip calculated by the material flow model 9 can be compared ip with the aid of the bulge model 12 with the measured visible flatness vp.
  • a cold rolling mill would be in principle also a measurement of intrinsic flatness ip on the metal strip 1 possible.
  • the relationship between an intrinsic flatness ip between the rolling stands 3 and an intrinsic flatness ip after the last of the rolling stands 3 is established via the material flow model 9.
  • Input variables such as the strip thickness contours of the metal strip 1 and flatness courses or flatnesses before and after passing through a rolling stand 3 can be supplied to the material flow model 9.
  • the material flow model 9 determines online the intrinsic flatness profile of the metal strip 1 after passing through the roll stand 3 and a rolling force curve in the transverse direction y of the metal strip 1 and leads him to a roll deformation model, not shown.
  • the roll deformation model is not shown in detail part of a control unit 11.
  • the roll deformation model determines rolling deformations and leads them to a setpoint determiner, not shown, on the basis of the determined roller deformations and a scaffold-outlet contour of the metal strip 1, the setpoints for the profile and planarity actuators in each single roll stand 3 determined.
  • the material flow model 9 and the profile and flatness control implemented in the module 10 can be adapted to the measurement data of the visible flatness vp.
  • the visible flatness vp or for the corresponding visible band unevenness lower and upper bounds can be specified, which can be translated with the aid of the bulge model 12 into bounds for the intrinsic flatness ip or intrinsic unplanarity.
  • the bulge model 12 calculates the bulge pattern of the metal strip 1 from the intrinsic unevenness.
  • the visible bulge pattern can in turn be determined from the calculated buckling pattern.
  • inverse modeling is used.
  • the bulge model 12 is preferably based on the theory of elastic plate deformations.
  • the intrinsic flatness ip is modeled by applying a fictitious strip temperature distribution over the bandwidth, ie in the transverse direction y, which leads to a thermal expansion in the longitudinal direction x of the metal strip 1, namely the length distribution belonging to the intrinsic flatness ip.
  • the buckling model 12 can be used directly online.
  • an online-capable approximation function can be generated by means of an offline model, which is then used on-line for the bulge model 12.
  • the measured deflections of the metal strip 1, which are due to the buckling of the metal strip 1, usually have a much larger magnitude than the Strip thickness h. Typically, however, their magnitude is significantly less than both the typical wavelength of the buckling behavior and the bandwidth b. While the classical linear theory of plate deformation applies only when the deflections are less than or equal to about 1/5 of the strip thickness h, in the present case a non-linear description of plate distortions must be used.
  • E stands for the modulus of elasticity and ⁇ stands for the transverse contraction number of the metal strip 1.
  • L w ⁇ ⁇ : ⁇ 2 ⁇ w ⁇ x 2 ⁇ ⁇ 2 ⁇ ⁇ ⁇ y 2 - ⁇ 2 ⁇ w ⁇ y 2 ⁇ ⁇ 2 ⁇ ⁇ ⁇ x 2 - 2 ⁇ ⁇ 2 ⁇ w ⁇ x ⁇ y ⁇ ⁇ 2 ⁇ ⁇ ⁇ x ⁇ y
  • T denotes the temperature in the metal strip 1 and ⁇ x or ⁇ y the coefficient of thermal expansion in the longitudinal or transverse direction (x or y).
  • Equations (I) and (IV) form a system of two coupled, non-linear, partial differential equations. If you now use suitable boundary conditions such as free edges or periodic boundary conditions Head and foot of a band segment, the equations (I) and (IV) can be solved numerically in an iterative manner.
  • the invention relates to a method and a control device for operating a rolling train for metal strip 1, which has at least one rolling stand 3, wherein the intrinsic planarity ip of the metal strip 1 at the outlet of the rolling train is determined.
  • it is proposed to determine the visible flatness vp or buckling behavior of the metal strip 1 at the outlet of the rolling train or preferably to measure and a Beulmodells 12 in the intrinsic planarity ip of the metal strip 1 to translate.
  • the visible flatness can thus be used online with the aid of the Beulmodells 12 for controlling the rolling mills of the rolling mill.
  • the visible flatness vp according to the invention can preferably be better regulated online with the aid of the buckling model 12.
  • the buckling model 12 is online capable and establishes a one-to-one relationship between the absolute intrinsic flatness ip of the rolled metal strip 1 and the actually measured visual defects of the metal strip 1, ie the visible flatness vp. For the first time, the verification, adaptation and tuning of a matrix flow model 9 based on the intrinsic flatness or its corresponding profile and flatness control with respect to the actual measured values is made possible.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Control Of Metal Rolling (AREA)
  • Metal Rolling (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1; eine Anwendung eignet sich insbesondere für den Betrieb in einem Warmwalzwerk, z.B. in der Fertigstraße, ist jedoch nicht darauf beschränkt.
  • Des weiteren betrifft die Erfindung eine Steuervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 12.
  • Aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 198 51 554 A1 ist es bekannt, das Profil und/oder die Planheit eines Metallbandes beim Auslaufen aus einer Walzstraße zu ermitteln und zur Voreinstellung einer Walzstraße zu verwenden. Die gemessene sichtbare Planheit wird hier einem neuronalen Netz in Form von Eingangsparametern zugeführt.
  • Aus der DE 197 584 66 A1 ist ein Planheits-Regelungssystem für Metallband bekannt, wobei ein Verfahren zum Messen der Oberflächengeometrie von Warmband unter Erzeugung von Linien auf der Bandoberfläche eingesetzt wird. Die so gemessene sichtbare Planheit wird über ein Planheitsanalysesystem einer Planheitsregelung zugeführt.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Walzstraße für Metallband derart zu betreiben, dass eine Steuerung bereitgestellt wird, die gewährleistet, dass eine geforderte sichtbare Planheit des gewalzten Metallbandes innerhalb vorgegebener Schranken zuverlässig und mit hinreichender Genauigkeit eingehalten wird.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, wobei zur Steuerung der Walzgerüste mittels eines Beulmodells Werte für die sichtbare Planheit in Werte für die intrinsische Planheit übersetzt werden und mittels eines Materialflussmodells die intrinsische Planheit - in Materialflussrichtung gesehen - vor einem physikalischen Messort der Planheit bestimmt wird.
  • Durch die erfindungsgemäß mit Hilfe des Beulmodells mögliche Berücksichtigung sowohl der sichtbaren Planheit der Walzstrasse als auch der intrinsischen Planheit können äußerst hohe Anforderungen hinsichtlich der Güte der sichtbaren Planheit des Metallbandes erfüllt werden, obwohl die sichtbare Planheit bzw. Welligkeit des Metallbandes beim Walzen unter Zug, also zwischen den Walzgerüsten, mitunter völlig verschwindet und somit innerhalb der Walzstrasse in vielen Fällen praktisch nicht messbar ist. Durch die Übersetzung von Werten für die sichtbare Planheit in Werte für die intrinsische Planheit bzw. Werten für die intrinsische Planheit in Werte für die sichtbare Planheit können mittels des Materialflussmodells berechnete intrinsische Bandplanheiten und am Auslauf einer Walzstraße gemessene sichtbare Bandplanheiten an einander angepasst bzw. verifiziert werden.
  • Mittels des Beulmodells wird erstmalig ein eineindeutiger Zusammenhang zwischen intrinsischer und sichtbarer Planheit des Metallbandes hergestellt. Somit wird es erstmals möglich, nicht nur eine Voreinstellung auf Grundlage von Planheitsmessungen vorzunehmen, sondern die sichtbare Planheit zu einer genauen Steuerung bzw. Regelung des laufenden Walzvorgangs zu verwenden.
  • Mit Vorteil wird die sichtbare Planheit in Form eines Beulmusters ermittelt. Das Beulmuster ist datentechnisch leicht vergleichbar und mit verhältnismäßig geringem Aufwand speicherbar.
  • Mit Vorteil ist das Beulmuster dreidimensional.
    Mit Vorteil wird zur Ermittlung des Beulmusters des Metallbandes neben der relativen Länge einzelner Spuren des Metallbandes mindestens eine der Größen Wellenlänge, Amplitude und Phasenversatz der einzelnen Spuren ausgewertet. Das Beulmuster kann so wesentlich genauer erfasst werden.
  • Mit Vorteil wird zur Ermittlung des Beulmusters ein Mehrspur-Laser-Messgerät verwendet, was eine kostengünstige Erfassung des Beulmusters bei ausreichend hoher Präzision ermöglicht.
  • Mit Vorteil wird die sichtbare Planheit topometrisch gemessen. Derart wird eine flächenhafte Erfassung der Bandoberflächenstruktur und insbesondere des Beulmusters direkt möglich.
  • Mit Vorteil erfolgt die Übersetzung der Planheiten online. Derart wird eine besonders exakte Steuerung bzw. Regelung der Bandplanheit ermöglicht.
  • Mit Vorteil erfolgt die Übersetzung der Planheiten unter Zuhilfenahme einer on-line-fähigen Approximationsfunktion. Derart kann On-line-Rechenzeit bei der Übersetzung zwischen sichtbarer und intrinsischer Planheit eingespart werden.
  • Mit Vorteil wird ausgehend von der intrinsischen Planheit des Metallbandes dessen Beulmuster mittels des Beulmodells durch Aufbringen einer fiktiven Temperaturverteilung in Querrichtung des Metallbandes modelliert. Die dieser Bandtemperaturverteilung entsprechende thermische Ausdehnung in Bandlängsrichtung, nicht aber in Querrichtung, entspricht einer der intrinsischen Planheit zuordenbaren Längenyerteilung. Derart muss lediglich ein Segment begrenzter Länge modelliert werden und es können die Modellgleichungen der elastischen Plattenverformungen mit großen Auslenkungen mit geeigneten Randbedingungen an den Segmentkanten aufgestellt werden.
  • Mit Vorteil werden zur Steuerung der Walzstraße ein oder mehrere Planheitsgrenzwerte an frei wählbaren Punkten innerhalb und/oder nach der Walzstraße vorgegeben. Die Planheitsgrenzwerte können sich auf die intrinsische Planheit und/oder die sichtbare Planheit beziehen. Dadurch, dass Planheitsgrenzwerte überall innerhalb bzw. nach der Walzstraße vorgegeben werden können, können Regelgenauigkeiten für den Walzprozess wesentlich erhöht werden.
  • Die Aufgabe wird auch gelöst durch eine Steuervorrichtung zum Betrieb einer Walzstraße für Metallband mit mindestens einem Walzgerüst, wobei die Steuervorrichtung zur Durchführung eines zuvor beschriebenen Verfahrens mindestens eine Regelungseinheit aufweist, die mit einem Beulmodell gekoppelt ist, welches mit einer Vorrichtung zum Messen der sichtbaren Planheit des Metallbandes und mit einem Materialflussmodell gekoppelt ist. Vorteilhafte Ausbildungen der Steuervorrichtung sind in Unteransprüchen angegeben. Die Vorteile der Steuervorrichtung ergeben sich analog zu denen des Verfahrens.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Figuren. Dabei zeigen:
    • FIG 1
    eine mehrgerüstige Walzstraße zum Walzen von Metallband und eine der Walzstraße zugeordnete Steuervorrichtung,
    FIG 2a-2c
    Beispiele für Metallbänder mit Planheitsfehlern,
    FIG 3
    die Untergliederung eines Metallbandes in Spuren,
    FIG 4
    einen Ausschnitt einer mehrgerüstigen Walzstraße mit Steuervorrichtung,
    FIG 5
    die Geometrie eines Abschnitts eines Metallbandes.
  • Gemäß Figur 1 wird eine Walzstraße zum Walzen eines Metallbandes 1 von einem Steuerrechner 2 gesteuert. Das Metallband 1 kann beispielsweise ein Stahlband, ein Aluminiumband oder ein Buntmetallband, insbesondere ein Kupferband, sein. Die Walzstraße weist mindestens zwei Walzgerüste 3 auf.
  • Die Walzgerüste 3 weisen zumindest Arbeitswalzen 4 und - wie in Figur 1 für eines der Walzgerüste 3 angedeutet - in der Regel auch Stützwalzen 5 auf. Die Walzgerüste 3 könnten auch noch mehr Walzen aufweisen, beispielsweise axial verschiebbare Zwischenwalzen.
  • Das Metallband 1 durchläuft die Walzstraße in seiner Längsrichtung x, wobei die Querrichtung y des Metallbandes 1 weitestgehend parallel zu den Achsen der Arbeitswalzen 4 ist.
  • Die in Figur 1 gezeigte Walzstraße ist als Fertigstraße zum Warmwalzen von Stahlband ausgebildet. Die vorliegende Erfindung ist zwar besonders für die Anwendung bei einer mehrgerüstigen Fertigstraße zum Warmwalzen von Stahlband geeignet, jedoch nicht darauf beschränkt, insbesondere könnte die Walzstraße auch als Kaltwalzstraße (Tandemstraße) ausgebildet sein und/oder zum Walzen eines Nicht-Eisen-Metalls (z.B. Aluminium, Kupfer oder ein anderes Buntmetall) ausgebildet sein.
  • Die Steuervorrichtung 2 weist eine Regelungseinheit 11 auf. Diese weist ihrerseits ein Modul 10 zur Profil- und Planheitssteuerung auf, das mit einem Materialflussmodell 9 gekoppelt ist. Die Steuervorrichtung 2 gibt Gerüstreglern 6 Sollwerte für nicht näher dargestellte Profil- und Planheitsstellglieder vor. Die Gerüstregler 6 stellen die Stellglieder dann entsprechend den vorgegebenen Sollwerten ein.
  • Die der Steuervorrichtung 2 zugeführten Eingangsgrößen umfassen beispielsweise Stichplandaten wie eine Eingangsdicke des Metallbandes 1 sowie für jedes Walzgerüst 3 eine Walzkraft und eine Stichabnahme. Die Eingangsgrößen umfassen in der Regel ferner eine Enddicke, einen Sollprofilwert, einen Soll-Dickenkontur- und einen Soll-Planheitsverlauf des Metallbandes 1 am Auslauf der Walzstraße. Meist soll das gewalzte Metallband 1 so plan wie möglich sein.
  • Oft weist das Metallband 1 jedoch Planheitsfehler auf, wie sie in den Figuren 2a, 2b und 2c beispielhaft und schematisch dargestellt sind. Planheitsfehler des Metallbandes 1 können an einem Ort x2, wie in Figur 1 angedeutet, beispielsweise mittels eines Mehrspur-Laser-Messgeräts 13 gemessen werden.
  • Figur 2a zeigt eine zentrische Ausbeulung des Metallbands 1. Figur 2b zeigt Planheitsfehler an den Rändern des Metallbandes 1. Figur 2c zeigt Ausbeulungen des Metallbandes 1, die in Längsrichtung x des Metallbandes 1 wiederholt auftreten, und zwar insbesondere in zwei Bereichen in Querrichtung y des Metallbandes 1.
  • Das Beulen des Metallbandes 1 wird insbesondere durch innere Spannungen im Metallband 1 verursacht. Innere Spannungen im Metallband 1 werden auch als intrinsische Bandplanheit ip bezeichnet.
  • Figur 3 zeigt die Einteilung eines Metallbandes 1 in fiktive Spuren S1 bis Sn bzw. in Mess-Spuren S1' bis Sm'. Würde man das Metallband 1 in schmale Längsstreifen bzw. in Spuren S1 bis Sn zerschneiden, so könnte man dabei eine ungleiche Bandlängenverteilung (die intrinsische Bandlängenverteilung) messen, die ursächlich für die inneren Spannungen im Metallband 1 ist. Das Mehrspur-Laser-Messgerät 13 erfasst die relative Länge des Metallbandes 1 pro Mess-Spur S1' bis Sm' und ermittelt vorzugsweise zusätzlich Größen wie beispielsweise die Wellenlänge, Amplitude und/oder den Phasenversatz der einzelnen Spuren S1' bis Sm'. Entscheidend ist, dass für übereinstimmende fiktive Spuren S1 bis Sn und Mess-Spuren S1' bis Sm' die zugehörigen intrinsischen bzw. gemessenen relativen Längen nicht übereinstimmen.
  • Wie auch aus Figur 4 hervorgeht, wird beim Warmwalzen von Metallband 1 zwischen intrinsischer Bandplanheit ip und sichtbarer Bandplanheit vp unterschieden. Die intrinsische Bandplanheit ip bezeichnet, wie vorangehend ausgeführt, die Bandlängenverteilung über die Spuren S1 bis Sn. Die sichtbare Planheit vp ergibt sich aus dem Beulverhalten des Bandes, das unter anderem abhängig ist von Größen wie der Banddicke, der Bandbreite, dem E-Modul des Metallbandes 1 sowie dem Gesamtzug, unter dem sich das Metallband 1 befindet.
  • Gemäß Figur 4 wird die sichtbare Planheit vp an einem Ort x2 am Auslauf der Walzstraße, insbesondere eine Fertigstraße, gemessen und einem Beulmodell 12 zugeführt. Die Messung der sichtbaren Planheit vp erfolgt erfindungsgemäß derart, dass nicht nur die sichtbare Bandlängen-Verteilung über die Bandbreite in Querrichtung y Ausgabegröße einer Messeinrichtung ist, sondern aus den Messeinrichtungs-Ausgabegrößen das dreidimensionale Beulmuster des Bandes rekonstruierbar ist. Bei einem Mehrspur-Lasermesssystem wird dementsprechend nicht nur die (relative) Länge der einzelnen Mess-Spuren S1' bis Sm', sondern auch Wellenlänge und Phasenversatz für jede Spur S1' bis Sm' von der Messeinrichtung ausgegeben. Bei einer topometrischen Messung der sichtbaren Planheit vp wird die Oberflächenstruktur des Metallbandes 1 flächenhaft und dreidimensional über große Bereiche des Metallbandes 1 erfasst. Eine topometrische Bandplanheitsmessung beruht vorzugsweise auf einem Streifen-Projektions-Verfahren. Dabei werden Streifenmuster auf die Oberfläche des Metallbandes 1 projiziert und mit Hilfe einer Matrix-Kamera kontinuierlich erfasst.
  • Die intrinsische Planheit ip wird vorzugsweise an einem Ort x1 zwischen bzw. nach den Walzgerüsten 3, insbesondere zwischen und/oder nach den Walzgerüsten 3 einer Fertigstraße, berechnet. Die Berechnung erfolgt dabei vorzugsweise mittels eines Materialflussmodells 9 (siehe Figur 1), das vorzugsweise Bestandteil einer Regelungseinheit 11 ist. An einem Ort x2 am Auslauf der Walzstraße, an dem die sichtbare Planheit vp gemessen wird, kann die vom Materialflussmodell 9 berechnete intrinsische Planheit ip unter Zuhilfenahme des Beulmodells 12 mit der gemessenen sichtbaren Planheit vp verglichen werden. Insbesondere bei einem Kaltwalzwerk wäre grundsätzlich auch eine Messung der intrinsischen Planheit ip am Metallband 1 möglich.
  • Durch das Beulmodell 12 wird ein eineindeutiger Zusammenhang zwischen intrinsischer Planheit ip und sichtbarer Planheit vp hergestellt, soweit dies möglich ist. So kann beispielsweise bei einem sehr dicken Metallband 1 mit moderater intrinsischer Unplanheit aus dem Beulverhalten nicht auf die intrinsische Planheit ip geschlossen werden, da ein derartiges Metallband 1 in der Regel nicht beult.
  • Die Ermittlung der unterschiedlichen Planheiten (ip bzw. vp) erfolgt vorzugsweise in nachfolgender Reihenfolge:
    1. 1. Die sichtbare Planheit vp, die dem Beulverhalten des Metallbandes 1 entspricht, wird in der Regel nach einem letzten Walzgerüst 3 beispielsweise am Auslauf einer Fertigstraße gemessen.
    2. 2. Mittels des Beulmodells 12 wird die intrinsische Planheit ip des Metallbandes 1 am Messort der sichtbaren Planheit vp (vgl. Schritt 1.) ermittelt.
    3. 3. Mittels des Materialflussmodells 9 wird die intrinsische Planheit ip zwischen den Walzgerüsten 3, also beispielsweise innerhalb der Fertigstraße, bestimmt. Die intrinsische Planheit kann so - in Materialflussrichtung gesehen - vor dem physikalischen Messort der Planheit, hier der intrinsischen Planheit, bestimmt werden.
  • Der Zusammenhang zwischen einer intrinsischen Planheit ip zwischen den Walzgerüsten 3 und einer intrinsischen Planheit ip nach dem letzten der Walzgerüste 3 wird über das Materialflussmodell 9 hergestellt. Dem Materialflussmodell 9 können Eingangsgrößen wie die Banddickenkonturen des Metallbandes 1 sowie Planheitsverläufe bzw. Planheiten vor und nach dem Durchlaufen eines Walzgerüstes 3 zugeführt werden. Das Materialflussmodell 9 ermittelt online den intrinsischen Planheitsverlauf des Metallbandes 1 nach dem Durchlaufen des Walzgerüstes 3 sowie einen Walzkraftverlauf in Querrichtung y des Metallbandes 1 und führt ihn einem nicht näher dargestellten Walzenverformungsmodell zu. Das nicht näher dargestellte Walzenverformungsmodell ist vorzugsweise Bestandteil einer Regelungseinheit 11. Das Walzenverformungsmodell ermittelt Walzenverformungen und führt sie einem nicht näher dargestellten Sollwertermittler zu, der anhand der ermittelten Walzenverformungen und eines gerüst-auslaufseitigen Konturverlaufs des Metallbandes 1 die Sollwerte für die Profil- und Planheitsstellglieder in jedem einzelnen Walzgerüst 3 ermittelt.
  • Durch die Verwendung des Beulmodells 12 können das Materialflussmodell 9 und die im Modul 10 implementierte Profil- und Planheitssteuerung (siehe jeweils Figur 1) den Messdaten der sichtbaren Planheit vp angepasst werden. Für die sichtbare Planheit vp bzw. für die entsprechende sichtbare Bandunplanheit können untere und obere Schranken angegeben werden, die unter Zuhilfenahme des Beulmodells 12 in Schranken für die intrinsische Planheit ip bzw. intrinsische Unplanheit übersetzt werden können. Das Beulmodell 12 berechnet aus der intrinsischen Unplanheit das Beulmuster des Metallbandes 1. Aus dem berechneten Beulmuster lässt sich wiederum die sichtbare Unplanheit ermitteln. Für den Umkehrschluss wird eine inverse Modellierung verwendet.
  • Das Beulmodell 12 basiert vorzugsweise auf der Theorie elastischer Plattenverformungen. Die intrinsische Planheit ip wird dadurch modelliert, dass eine fiktive Bandtemperaturverteilung über die Bandbreite, d.h. in Querrichtung y, aufgebracht wird, die zu einer thermischen Ausdehnung in Längsrichtung x des Metallbandes 1 führt, und zwar gleich der zur intrinsischen Planheit ip gehörigen Längenverteilung.
  • Man betrachte nun ein wie in Figur 5 dargestelltes Bandsegment mit der Länge a, der Breite b und der Dicke h. In der Zeichnung angegeben sind ferner die Längsrichtung x, Querrichtung y sowie eine Lotrechte z. Modelliert wird lediglich ein Bandsegment mit einer Länge a von einer halben oder einer ganzen Grundbeullänge, und zwar mit periodischen Randbedingungen an Kopf- und Fußenden des Bandsegments. Die Randbedingungen an den Bandkanten sind die freier Ränder. Die Modellgleichungen sind partielle Differentialgleichungen sowie die dazugehörigen Randbedingungen, die beispielsweise mittels Finiter-Differenzen-Verfahren oder Finiter-Elemente-Verfahren gelöst werden können.
  • In Abhängigkeit von der Rechenzeit des Lösungsalgorithmus kann das Beulmodell 12 unmittelbar online eingesetzt werden. Alternativ kann mittels eines Offline-Modells eine onlinefähige Approximationsfunktion generiert werden, die dann on-line für das Beulmodell 12 eingesetzt wird.
  • Um die Funktionsweise des Beulmodells 12 besser zu verstehen, muss man zunächst erkennen, dass beispielsweise beim Warmwalzen eines Metallbandes 1 die gemessenen Ablenkungen des Metallbandes 1, die auf das Beulen des Metallbandes 1 zurückzuführen sind, in der Regel eine deutlich größere Größenordnung aufweisen, als die Banddicke h. Typischerweise ist ihre Größenordnung jedoch bedeutend geringer als sowohl die typische Wellenlänge des Beulverhaltens wie auch die Bandbreite b. Während die klassische, lineare Theorie der Plattenverformung nur gilt, wenn die Ablenkungen kleiner gleich ungefähr 1/5 der Banddicke h sind, muss im vorliegenden Fall eine nicht-lineare Beschreibung der Plattenverwerfungen angewandt werden. Neben den in Figur 5 gezeigten Größen, die das Metallband 1 beschreiben, wird auch auf das Elastizitätsmodul, kurz E-Modul zurückgegriffen, wobei in der Regel von einem konstanten E-Modul ausgegangen wird. Das nicht-lineare Beulverhalten lässt sich nun wie folgt beschreiben: D h ⋅ ∇ 4 ⁢ w x ⁢ y = p h + L w x ⁢ y , Φ x ⁢ y
    Figure imgb0001
  • Dabei sind in der Bandebene wirkende Kräfte in Form eines Potentials Φ, das gemeinhin auch als Airy's Spannungs-("stress")-Funktion bezeichnet wird, ausgedrückt.
    w bezeichnet die vertikale Verschiebung ("displacement") des Metallbandes 1 während p die von außen wirkende Druckverteilung beschreibt, die in der Lotrechten z wirkt. D wird durch nachfolgende Gleichung definiert: D : = E ⁢ h 3 12 ⁢ 1 - v 2
    Figure imgb0002
  • Dabei steht E für das E-Modul und ν steht für die Querkontraktionszahl des Metallbandes 1.
  • Außerdem gilt für den Term L(w,Φ) aus Gleichung (I): L w ⁢ Φ : = ∂ 2 ⁢ w ∂ x 2 ⁢ ∂ 2 ⁢ Φ ∂ y 2 - ∂ 2 ⁢ w ∂ y 2 ⁢ ∂ 2 ⁢ Φ ∂ x 2 - 2 ⁢ ∂ 2 ⁢ w ∂ x ∂ y ⁢ ∂ 2 ⁢ Φ ∂ x ∂ y
    Figure imgb0003
  • Macht man nun noch Annahmen hinsichtlich thermisch verursachter innerer Spannungen ("stresses") und Dehnungen ("strains"), so ergibt sich: 1 E ⋅ ∇ 4 ⁢ Φ x ⁢ y + κ x ⁢ ∂ 2 ⁢ T x ⁢ y ∂ y 2 + κ y ⁢ ∂ 2 ⁢ T x ⁢ y ∂ x 2 = ∂ 2 ⁢ w ∂ x ∂ y 2 - ∂ 2 ⁢ w ∂ x 2 ⁢ ∂ 2 ⁢ w ∂ y 2 = - 1 2 ⁢ L w x ⁢ y , w x ⁢ y
    Figure imgb0004
  • Dabei bezeichnet T die Temperatur im Metallband 1 und κx bzw. κy den Koeffizienten der thermischen Expansion in Längs- bzw. Querrichtung (x bzw. y).
  • Die Gleichungen (I) und (IV) bilden ein System zweier gekoppelter, nicht-linearer, partieller Differentialgleichungen. Setzt man nun noch geeignete Randbedingungen ein wie beispielsweise freie Ränder bzw. periodische Randbedingungen an Kopf- und Fußende eines Bandsegments, so können die Gleichungen (I) und (IV) numerisch in iterativer Weise gelöst werden.
  • Der Grundgedanke der Erfindung lässt sich wie folgt zusammenfassen:
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Steuervorrichtung zum Betrieb einer Walzstraße für Metallband 1, die mindestens ein Walzgerüst 3 aufweist, wobei die intrinsische Planheit ip des Metallbandes 1 am Auslauf der Walzstraße ermittelt wird. Um die Einhaltung einer geforderten sichtbaren Planheit vp des gewalzten Metallbandes 1 innerhalb vorgegebener Schranken zuverlässig und mit hinreichender Genauigkeit zu gewährleisten, wird vorgeschlagen, die sichtbare Planheit vp bzw. das Beulverhalten des Metallbandes 1 am Auslauf der Walzstraße zu ermitteln bzw. vorzugsweise zu messen und mittels eines Beulmodells 12 in die intrinsische Planheit ip des Metallbandes 1 zu übersetzen. Die sichtbare Planheit kann so online unter Zuhilfenahme des Beulmodells 12 zu Steuerung der Walzgerüste der Walzstraße verwendet werden. In der gesamten Walzstraße kann die sichtbare Planheit vp erfindungsgemäß vorzugsweise online unter Zuhilfenahme des Beulmodells 12 besser reguliert werden.
  • Das Beulmodell 12 ist online-fähig und stellt eine eineindeutige Beziehung zwischen der absoluten intrinsischen Planheit ip des gewalzten Metallbandes 1 und dem tatsächlich gemessenen visuellen Defekten des Metallbandes 1, also der sichtbaren Planheit vp, her. Erstmals wird die Verifikation, Anpassung und Abstimmung eines auf der intrinsischen Planheit fußenden Matrialflussmodells 9 bzw. seiner entsprechenden Profil- und Planheitssteuerung in Bezug auf die tatsächlichen Messwerte ermöglicht.

Claims (14)

  1. Verfahren zum Betrieb einer Walzstraße für Metallband (1), die mindestens ein Walzgerüst (3) aufweist, wobei eine sichtbare Planheit (vp) des Metallbandes (1) am Auslauf der Walzstraße gemessen wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung des mindestens einen Walzgerüsts mittels eines Beulmodells (12) Werte für die sichtbare Planheit (vp) in Werte für die intrinsische Planheit (ip) übersetzt werden und mittels eines Materialflussmodells (9) die intrinsische Planheit (ip) vor einem physikalischen Messort der Planheit bestimmt wird.
  2. Verfahren nach Patentanspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die sichtbare Planheit (vp) in Form eines Beulmusters ermittelt wird.
  3. Verfahren nach Patentanspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Beulmuster dreidimensional ist.
  4. Verfahren nach Patentanspruch 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Beulmusters neben der relativen Länge einzelner Spuren (S1 bis Sn) des Metallbandes (1) mindestens eine der Größen Wellenlänge, Amplitude und Phasenversatz der einzelnen Spuren (S1 bis Sn) ausgewertet wird.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Patentansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der intrinsischen Planheit (ip) ein Mehrspur-Laser-Messgerät (13) verwendet wird.
  6. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass die sichtbare Planheit (vp) topometrisch gemessen wird.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Patentansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Beulmodells (12) Werte für die intrinsische Planheit (ip) in Werte für die sichtbare Planheit (vp) übersetzt werden.
  8. Verfahren nach Patentanspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Übersetzung der Planheiten (ip bzw. vp) online erfolgt.
  9. Verfahren nach Patentanspruch 7 oder 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Übersetzung der Planheiten (ip bzw. vp) unter Zuhilfenahme einer online-fähigen Approximationsfunktion erfolgt.
  10. Verfahren nach einem der vorstehenden Patentansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von der intrinsischen Planheit (ip) des Metallbandes (1) dessen Beulmuster mittels des Beulmodells (12) durch Aufbringen einer fiktiven Temperaturverteilung in Querrichtung (y) des Metallbandes (1) ermittelt wird.
  11. Verfahren nach einem der vorstehenden Patentansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung der Walzstraße ein oder mehrere Planheitsgrenzwerte an frei wählbaren Punkten vorgegeben werden.
  12. Steuervorrichtung (2) zum Betrieb einer Walzstraße für Metallband (1) mit mindestens einem Walzgerüst (3), wobei die Steuervorrichtung (2) mindestens eine Regelungseinheit (11) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinheit (11) zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der vorstehenden Patentansprüche mit einem Beulmodell (12) gekoppelt ist, welches mit einer Vorrichtung zum Messen der sichtbaren Planheit (vp) des Metallbandes (1) und mit einem Materialflussmodell (9) gekoppelt ist.
  13. Steuervorrichtung (2) nach Patentanspruch 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Messung der sichtbaren Planheit (vp) ein Mehrspur-Laser-Messgerät (13) ist.
  14. Steuervorrichtung (2) nach Patentanspruch 12 oder 13,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Beulmodell (12) zur Ermittlung eines Beulmusters des Metallbandes (1) mit mindestens einem topometrischen Messsystem gekoppelt ist.
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