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Untersuchungen des Spannungs- und Deformationszustandes großer Stütz- und Arbeitswalzen unter betriebsnahen Belastungen

Hinnemann, Michael

Stütz- und Arbeitswalzen in Grobblech- und Warmbandwalzwerken unterliegen im Walzprozess starken äußeren Belastungen, welche in einem komplexen Spannungs- und Deformationszustand resultieren. Wirkende Kräfte haben eine elastische Deformation der Walzen zur Folge, die die Qualität und Maßhaltigkeit des Walzgutes maßgeblich bestimmen. Die Dimensionierung der Walzen zum Einsatz in einem Walzgerüst wird in der Regel durch Erfahrungswerte oder Festigkeitsberechnungen bestimmt, stützen sich jedoch nicht auf Messwerte von Untersuchungen realer Größenordnungen. Experimentelle Ergebnisse sind in der Literatur höchstens von Walzen im Labormaßstab zu finden. Eine Übertragung auf reale Abmessungen wird häufig vollzogen, ist jedoch aufgrund der Komplexität der Walzen mit allen Randbedingungen (Inhomogenitäten, Struktur) nicht sinnvoll. Um auch Erkenntnisse über das Spannungs- und Deformationsverhalten von Arbeits- und Stützwalzen mit realitätsgetreuen Abmessungen zu erhalten, wurde als Ziel dieser Arbeit ein Großprüfstand konzipiert und gebaut, um eine Kombination aus einer Arbeits- und Stützwalze unter betriebsnahen Lasten zu untersuchen. So konnte neben dem Spannungszustand auch das Durchbiegeverhalten der Walzen gemessen werden. Zur Beeinflussung der Biegelinie wurde zusätzlich der Einfluss einer Walzengegenbiegung und einer Walzenschränkung untersucht. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war das Aufstellen von Rechenmodellen, welche durch die experimentellen Untersuchungen validiert werden sollten. Neben einem Balkenmodell auf Basis der finiten Elemente wurde der gesamte Prüfstand mit der FE-Software COMSOL Multiphysics simuliert. Diese Arbeit verschafft zusätzlich einen Überblick über den Stand der Technik hinsichtlich der zur Warmband- und Grobblecherzeugung eingesetzten Walzenwerkstoffe, den Herstellungsverfahren von Verbundgusswalzen, welche in diesen Werken überwiegend eingesetzt werden und den Möglichkeiten zur Beeinflussung der Planheit eines Bandes oder Bleches durch gezielte Modifikation der Walzen oder des Walzprozesses.

Such rolls as for instance backup and work rolls used in plate and hot-strip rolling mills are exposed to severe external loads which can be derived from stress and deformation conditions of complex nature. Furthermore, active forces result in roll deformations which have a decisive and substantial impact on quality and dimensional stability of the rolled stock. Dimensioning of the rolls that are going to be used in a roll stand will usually be determined by empirical values or strength calculations; however, neither empirical values nor strength calculations are based on measured values of actual magnitudes as examined. Experimental results can at best be found in literature on rolls in lab-scale. Although transmission to real dimensions is rather customary, it is not reasonable to do so because of the complexity of the rolls, including all marginal conditions (as for instance non-homogeneity and structure). It was the aim of this study to draft and build a large-scale test bench in order to also gain knowledge of the stress and deformation behaviour of backup and work rolls with realistic dimensions on the one hand, and to be able to examine the combination of backup and work roll with operation-near loads on the other. This way, both the stress condition as well as the roll bending behaviour could be measured. For influencing the bending line, investigations have additionally been made on the influence of a roll counter bending system and a roll crossing system. Another goal of this study was to establish calculation models which were to be validated by means of experimental investigations. In addition to a beam model based on finite elements, the entire test bench was simulated by means of the COMSOL Multiphysics FEsoftware. This study provides an additional survey on the state-of-the-art technology in regard to the roll materials used for production of plates and hot strips, the production processes of compound- cast rolls which will predominantly be employed in these mills as well as the possibilities of influencing the strip or plate flatness owing to a tailor-made modification of the rolls or the rolling process.

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Hinnemann, Michael: Untersuchungen des Spannungs- und Deformationszustandes großer Stütz- und Arbeitswalzen unter betriebsnahen Belastungen. 2018.

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