Randbedingungen für die Beschleunigungs- und Verzögerungsrampen der Dressierstraße III anhand von Untersuchungen des Schlupfs von Anlagenrollen

Technische Universität Braunschweig
Institut für Dynamik und Schwingungen

Studienarbeit

bei der SALZGITTER AG

Thema :

Randbedingungen für die Beschleunigungs- und
Verzögerungsrampen der Dressierstraße III anhand von
Untersuchungen des Schlupfs von Anlagenrollen

betreut am :
Institut für Dynamik und Schwingungen
der Technischen Universität Braunschweig

Bearbeiter: 

cand. mach. David Gaczek

INHALTSVERZEICHNIS

Erklärung ...  I
Danksagung  ...  II
Abbildungsverzeichnis  ...  III
Tabellenverzeichnis  ...   IV
Verwendete Formelzeichen  ...  VI
Abkürzungen und Indizes  ...  VII
Einleitende Worte  ...  ………. 1

1 Einführung  ...  2
1.1 Materialfluss bei der Blechherstellung  ...  2
1.2 Das Walzen  ...  3
1.3 Kaltwalzwerke  ...  5
1.4 Das Dressieren  ...  5
1.4.1 Die Wichtigkeit und Bedeutung des Dressiergrads  ...  6
1.4.2 Fehler und deren Ursachen bei der Dressiergradmessung  ...  7

2 Die Dressierstraße III und die zu untersuchende Problematik  ...  8
2.1 Der Vorteil einer zweigerüstigen Ausführung  ...  9
2.2 Dressiermodi  ...  9
2.3 Der Bandverlauf und die einzelnen Rollenfunktionen  ...  10
2.4 Das Nassdressiermittel  ...  11
2.5 Die Bandzugbereiche  ...  12
2.6 Die Dressiergradmessung  ...  13
2.6.1 Die Problematik bei der Dressiergradmessung über das Rollensystem  ...  13
2.6.2 Die Auswirkungen der Problematik  ...  14
2.6.3 Zu betrachtende Rollen  ...  14
2.6.4 Annahmen bei der Untersuchung  ...  15

3 Beschleunigung und Antrieb einer Rolle  ...  16
3.1 Darstellung der Haftreibungskraft in Abhängigkeit bekannter Größen an einem allgemeinen verlustfreien Rolle – Band – Modell  ...  17
3.2 Verlustfreie Rollenbeschleunigung / Rollenverzögerung  ...  23
3.3 Berücksichtung der entstehenden Lagerverluste  ...  25
3.4 Verluste durch weitere Einflussfaktoren  ...  26
3.5 Rampensteilheit als Randbedingung  ...  27

4 Die Rollen der Dressierstraße III  ...  28
4.1 Wahl der bezeichnenden Indizes  ...  28
4.2 Rollendurchmesser  ...  29
4.3 Geometrische Rollenanordnung  ...  29
4.3.1 Berechnung der Position der Bandberuhigungsrolle  ...  30
4.3.2 Horizontale und vertikale Rollenabstände verschiedener Dressiermodi  ...  33
4.4 Rollenähnlichkeiten  ...  35
4.5 Massenträgheitsmomente  ...  35

5 Umschlingungswinkel  ...  37
5.1 Wahl des Berechnungsansatzes und Erläuterung seiner Vorteile  ...  37
5.2 Der Vektorielle Ansatz  ...  38
5.2.1 Erster Schritt : Skizzendarstellung  ...  38
5.2.2 Herleitung des vektoriellen Ansatzes  ...  39
5.2.3 Beispielhafte Berechnung des Umschlingungswinkels an der Bandberuhigungsrolle  ...  42
5.2.4 Auffälliger relevanter Sonderfall  ...  45
5.2.4.1 Mögliche Ansätze und Bedingungen zum Ausschließen des Sonderfalls  ...  46
5.3 Ergebnisse der Umschlingungswinkel  ...  49
5.4 Anmerkungen  ...  51

6 Haftreibungskoeffizienten  ...  52
6.1 Allgemeines zur Reibung und Reibungskoeffizienten  ...  52
6.2 Experimentelle Bestimmung von Haftreibungskoeffizienten µ0  ...  54
6.3 Die Oberflächen der Anlagenrollen  ...  55
6.4 Haftreibungskoeffizienten für die Wolfram – Carbid – Beschichtung  ...  56
6.4.1 Versuchsvorbereitung  ...  56
6.4.2 Versuchsaufbau  ...  58
6.4.3 Versuchsdurchführung und Ergebnisse  ...  59
6.5 Haftreibungskoeffizienten für hartverchromte Oberflächen  ...  61
6.5.1 Versuchsvorbereitung  ...  61
6.5.2 Versuchsaufbau  ...  61
6.5.3 Versuchsdurchführung und Ergebnisse  ...  62
6.6 Diskussion und Deutung der Versuchsergebnisse  ...  64
6.7 Weitere Einflüsse und dadurch mögliche Beeinträchtigungen des Haftreibungskoeffizienten  ...  67

7 Der Bandzug  ...  68
7.1 Der Bandzug an einer bestimmten Rolle  ...  68
7.2 Randbedingungen in Abhängigkeit des gemessenen Bandzugs  ...  70
7.3 Diskussion des gemessenen Bandzugs FBZ  ...  71
7.3.1 Die Grenzen des Bandzugs  ...  71
7.3.2 Spezifische Bandzüge  ...  71
7.3.3 Charakteristische Stähle und die Vorgabe spezifischer Bandzüge  ...  72
7.3.4 Die Bandzugmessung und ihr Einfluss auf den Anlagenbetrieb  ...  72
7.4 Die Verluste im Bandzug  ...  73
7.4.1 Verluste durch das Biegen des Blechs um Rollen (statische Verluste)  ...  74
7.4.2 Verluste durch Fliehkräfte und Trägheitskräfte (dynamische Verluste)  ...  75
7.4.2.1 Fliehkräfte  ...  75
7.4.2.2 Trägheitskräfte  ...  80
7.5 Zusammenfassung zum Bandzug  ...  81

8 Randbedingungen  ...  82
8.1 Bestimmung kritischer Bandzüge FBZ,krit  ...  82
8.2 Untersuchung der Randbedingungen  ...  84
8.2.1 Berechnung am Beispiel der Billy – Rolle 2  ...  ... 84
8.2.2 Ergebnisse der Untersuchung an allen Rollen und Dressiervarianten  ...  86
8.3 Aktuelle Beschleunigungs- und Verzögerungsrampen  ...  88
8.4 Diskussion der Untersuchungsergebnisse  ...  89
8.5 Optimierung der Dressierstraße III  ...  90

9 Zusammenfassung  ...  94

A1 Anhang 1 : Abbildungen und Tabellen  ...  95
A1.1 Zu Kapitel 1  ...  95
A1.2 Zu Kapitel 2  ...  95
A1.3 Zu Kapitel 3  ...  95
A1.4 Zu Kapitel 4  ...  96
A1.5 Zu Kapitel 5  ...  107
A1.6 Zu Kapitel 6  ...  108

A2 Anhang 2 : Ergänzungen  ...  117
A2.1 Die Werkstoffdichten der Rollen  ...  117
A2.2 Erläuterte Herleitung des vektoriellen Ansatzes zur Bestimmung von Umschlingungswinkeln  ...  121
A2.3 Experimentelle Untersuchung auf Bandzugverluste durch Biegung des Blechs um Anlagenrollen  ...  130

LITERATURHINWEISE  ...  138

Erklärung
Danksagung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis 1
Verwendete Formelzeichen
Abkürzungen und Indizes

[in Downloaddatei enthalten]

Einleitende Worte

Ein Automobil ist ein beispielhaftes Produkt, das überwiegend aus Stahl bzw. Blech besteht. Seine Entwicklung, äußere Erscheinung, Sicherheit sowie Wirtschaftlichkeit rücken immer mehr in den Vordergrund und hängen zu einem großen Teil von der Technologie des Stahlblechs bzw. Feinblechs ab, aus dem sowohl die Karosserie als auch viele stabilisierende und tragende Einzelteile hergestellt werden. Die hohen Qualitätsanforderungen an das Blech erfordern bei der Herstellung unter anderem das entscheidende Dressieren des Materials.

Bei der Salzgitter AG erfolgt das Dressieren an einer weltweit ersten zweigerüstigen Dressierstraße, für die im Rahmen dieser Arbeit Beschleunigungs- und Verzögerungsrampen aufgestellt werden sollen, bei denen ein unerwünschter Schlupf zwischen Anlagenrollen und dem Blech ausgeschlossen werden kann. Kapitel 1 erläutert zunächst einige Prozesse bei der Blechherstellung sowie die Grundlagen des Walzens, um ein besseres Verständnis der anschließenden Ausführungen zu ermöglichen. Im anschließenden Kapitel 2 wird die Dressierstraße III im Kaltwalzwerk der Salzgitter AG sowie die an ihr zu untersuchende Problematik vorgestellt und konkretisiert. Kapitel 3 wird dann ein theoretisches Modell behandeln, an dem die Randbedingungen aufgestellt werden. Die Parameter und Größen, von denen die Randbedingungen abhängen, werden in den darauf folgenden Kapiteln behandelt. Daher befassen sich Kapitel 4 mit den Daten der Anlagenrollen, Kapitel 5 mit der Geometrie der Dressierstraße und Kapitel 6 mit den Haftreibungskoeffizienten. Nach der Diskussion des Bandzugs in Kapitel 7 schließt Kapitel 8 mit der untersuchten Randbedingungen und Vorschlägen zur elektrischen Anpassung und Optimierung der Anlage ab.

1 Einführung

1.1 Materialfluss bei der Blechherstellung

Eine grobe Übersicht des Materialflusses bei der Blechherstellung und der dabei stattfindenden Prozesse sowie deren Zwischenprodukte kann einleitend wie im folgenden Bild darstellt werden.

Bild 1.1 : Materialfluss bei der Blechherstellung

[...]

Im Stahlwerk wird das vom Hochofen gelieferte Roheisen gemäß Kundenanforderungen durch Roheisenentschwefelung, Primärmetallurgie (LD - Konverter) und Sekundärmetallurige (VPL - Anlage) zu Rohstahl und an den (Strang-) Gießanlagen zu Vorbrammen verarbeitet. Im Warmwalzwerk erfolgt anschließend die Weiterverarbeitung zu Grobblech bzw. Warmband, wo die angelieferten Rohbrammen an so genannten Brammenstraßen zunächst zum Vormaterial für nachfolgende Blech- und Bandstraßen vorgewalzt werden. Das von der Brammenstraße kommende Halbzeug (Vorbrammen) mit noch Dicken bis zu ca. 350 mm wird anschließend an einer aus mehreren Walzgerüsten bestehenden Warmbandstraße zu Bändern ausgewalzt, die unmittelbar von der Fertigwalze aus zu Ringen bzw. Coils aufgewickelt werden und als Vormaterial für nachfolgende Kaltwalzprozesse dienen. Das warmgewalzte Blechmaterial möglicher Dicken zwischen 1,5 mm und 12,5 mm wird schließlich an das Kaltwalzwerk übergeben [8].

1.2 Das Walzen

Das Walzen ist ein spanloser, formgebender Druckumformprozess, bei dem gemäß der Definition spanloser Formgebung unter Einfluss äußerer Kräfte eine Veränderung der ursprünglichen Form oder Gestalt eines Körpers erzwungen wird und hierbei plastisch erfolgt [8]. Es ist definiert als ein stetiges oder schrittweise stattfindendes Druckumformen mit einem oder mehreren sich drehenden Werkzeugen (Walzen), die auf einen Teil der Werkstückoberfläche Druckspannungen aufbringen, im Werkstück dadurch innere Spannungen herbeiführen und ihn somit in der Umformzone zum Fließen bringen. Die Krafteinleitung kann dabei durch angetriebene oder durch vom Walzgut geschleppte Walzen erfolgen.

Unterschieden werden die Walzverfahren in DIN 8583, Blatt 2 nach den Gesichtspunkten Kinematik, Werkzeuggeometrie und Werkstückgeometrie [12]. 

Nach der Kinematik lassen sich die Verfahren in Längswalzen, Querwalzen und Schrägwalzen unterteilen, bei denen das Walzgut sich entweder ohne Drehung senkrecht zu den Walzenachsen bewegt, um seine eigene Achse ohne translatorische Bewegungen rotiert, oder wie beim Schrägwalzen sowohl translatorische als auch rotatorische Bewegungen erfährt [12].

Da Walzen an der Berührungsfläche mit dem Walzgut entweder zylindrisch bzw. konisch geformt sind oder aber von diesen abweichende Formen haben können, lassen sich Walzverfahren unter dem Aspekt der Werkzeuggeometrie in Flachwalzen und Profilwalzen unterteilen [12].

Nach dem letzten Ordnungsgesichtspunkt – der Werkstückgeometrie – wird ein Walzvorgang danach bezeichnet, ob ein Vollkörper oder ein Hohlkörper gewalzt wird. 

Somit ergibt sich bei der Unterscheidung der Walzverfahren nach DIN 8583 das folgende Ordnungssystem.

[....]