Anagmérnöki Tudományok, 37. kötet, 1. szám (2012), pp. 309 319. HIDEGEN HENGERELT ALUMÍNIUM SZALAG LENCSÉSSÉGÉNEK VIZSGÁLATA INVESTIGATION OF CROWN OF COLD ROLLED ALUMINIUM STRIP PÁLINKÁS SÁNDOR Miskolci Egyetem, Anyagtudományi Intézet 3515 Miskolc-Egyetemváros femsanyi@uni-miskolc.hu A síkfekvés és a hengerelt szalag profiljának szabályozása a hengerlés folyamán jelenleg is sok problémát vet fel az iparban. A hideghengerléssel előállított szalag síkfekvése szorosan összefügg a hengerlés folyamán kialakuló hengerréssel. A kiszámolt hengerlési paramétereket össze kell vetni a hengerlési kísérletek során kapott eredményekkel. Létezik egy határ, ahol a lemez szélessége mentén a szálhosszúság nem állandó, de a lemez síkfekvő. Ennek kimutatására egy mérőeszközt fejlesztettem ki, amely egyelőre kísérleti körülmények között megoldást nyújthat az adott problémára. Kulcsszavak: hengerlés, hengerrés, síkfekvés, szalag, lencsésség. A lot of problems arise concerning the control of flatness and profile of rolled strip during manufacturing. The flatness of strip made by cold rolling is in a close relationship with the roll gap developing during rolling. The calculated values of rolling parameters shall be compared with the obtained experimental results. There is a range where the length of strand is not constant along the width of sheet but the sheet is flat. In order to demonstrate it, a measurement device has been developed by which the aforementioned problem of flatness can be solved in experimental circumstances. Keywords: rolling, roll gap, flatness, strip, crown. Bevezetés Egy belső feszültségektől mentes termék hideghengerlésének lényeges feltétele az, hogy a szalagszélesség mentén a fajlagos alakváltozás azonos legyen. A hengerrés alakjának tehát szúrásról-szúrásra követnie kell a szélesség irányú alakváltozás szúrásonkénti egyenlőségének követelményét. A hengerrés alakját a köszörült alapdomborításon kívül a hengerlési erőből, mint megoszló terhelésből származó kihajlás (mechanikai terhelés) és a hengertest egyenlőtlen felmelegedéséből származó hődomborítás (hőterhelés) együttesen szabja meg [1]. A hengerelni kívánt alapanyag szempontjából kielégítendő feltétel (1) az, hogy a szalag befutó lencséssége (δh be ) és a szélessége mentén állandó nyújtási tényező (λ) határozza meg a szalag kifutó lencsésségét (δh ki ). δhbe δh ki = λ (1)
310 Pálinkás Sándor A terhelés alatt lévő hengerrés alakját befolyásoló tényezők a következőek: Köszörült alapdomborítás, A hengerrendszer rugalmas alakváltozása, A mechanikai résalak szabályozás, A hengerrés hőokozta alakváltozása (hődomborítás), Zónahűtés. A hengerrés alakját befolyásoló tényezők közül a hengerrendszer rugalmas alakváltozását és a hengerrés hőokozta alakváltozást nem tudjuk befolyásolni. Viszont ezeknek a hatását kompenzálni tudjuk a köszörült alapdomborítással, a nagy időállandójú zónahűtéssel, valamint a kis időállandójú mechanikai résalak szabályozással (hengerhajlítás, hengereltolás, CVC technológia stb.). A terhelt hengerrés alakját befolyásoló tényezők eredőjeként kialakul egy hengerrés alak (1. ábra), ha ez a kialakult hengerrés alak nem egyezik meg azzal, amit az alapanyag kíván, akkor belső feszültség vagy hullám alakul ki. A lencsésség értelmezése 1. ábra. A hengerrés változásának elvi ábrája [4] A hideghengerlési technológiával előállított szalagok ideális mértani alakja a párhuzamos síklapokkal határolt hasáb. A valóságos alak az ideálistól, a gyártás műszaki és technológiai feltételeitől függően többé kevésbé eltér. Ezt az eltérést lencsésségnek nevezzük. A kifutó szalag lencsésségét a 2. ábra jelölése alapján a (2) képlet szerint számolhatjuk. δh ki = h köz ki h szél ki (2)
Hidegen hengerelt alumínium szalag lencsésségének vizsgálata 311 2. ábra. Az ideális lencsésség elvi ábrája A síkfekvési holt sáv A síkfekvés elvi feltételét (1. képlet) üzemi körülmények között kielégíteni nem lehet. Ez azonban nem jelenti azt, hogy síkfekvő szalagot hengerelni sem lehet. A szalag geometriai méreteitől függően képes elviselni bizonyos mértékű egyenlőtlen alakváltozást anélkül, hogy rajta hullámok képződnének. Az egyenlőtlen alakváltozás hatására a szalagban hosszirányú húzó- és nyomófeszültségek ébrednek, melyek arányosak az egyenlőtlen alakváltozás mértékével. A hullám ott alakul ki ahol ezek a feszültségek egy a szalag méreteire jellemző értéket meghaladnak. A kritikus nyomófeszültséghez hozzárendelhető egy kritikus alakváltozási tényező. A szalag lencsésségének megváltozása szintén annak a következménye, hogy a szalag szélessége mentén a nyújtási tényező különböző. A lencsésség megváltozásának azt a tartományát, amin belül szalag nem válik hullámossá síkfekvési holtsávnak (flatness dead band) nevezték el, ez a 3. ábrán a B-vel jelölt szakasz, ha a szalag lencsésségének megváltozása nem esik bele ebbe a tartományba, akkor az, középhullámot vagy szélhullámot okoz. Minden adott ötvözésű és méretű szalagra meghatározható egy határdiagram, a 3. ábrán látható diagram alacsony karbontartalmú acélra vonatkozik és Yoshiaki Takashima [2] készítette el. 3. ábra. Síkfekvési holtsáv diagram [3]
312 Pálinkás Sándor Az általam fejlesztett mérési módszer Kidolgoztam egy mérési módszert [5], amely alkalmas a hengerelt lemezek lencsésségének mérésére, ezáltal alumínium esetén is meg lehet határozni a síkfekvési holtsáv diagramot. A mérés elve a 4. ábrán látható, a lényege, hogy a vizsgálandó lemez mindkét oldalára 15 -os szögből lézervonalat vetítek, majd a lézervonalat mind a két oldalon a lemezre merőlegesen egy-egy 12 megapixel felbontású fényképezőgép segítségével detektálom. A mérés folyamata, kiértékelése 4. ábra. A mérőeszköz elvi vázlata A méréshez 1 mm névleges vastagságú, 200 mm széles AlMg3 anyagminőségű hidegen hengerelt lemezt használtam. A vizsgálat során készült fényképeket egy speciálisan erre a célra kifejlesztett képelemző szoftver segítségével elemeztem, amely a lézervonal képpontjainak koordinátáit egy adatfájlba menti. Ezután a lemez két oldaláról elmentett képpontokat, a korábban meghatározott váltószám (1 mm = 17 képpont) segítségével átszámoltam milliméterbe, majd x-y koordinátarendszerben ábrázoltam. A kapott pontsorozatra mindkét esetben harmadfokú polinomot illesztettem (5. és 6. ábra).
Hidegen hengerelt alumínium szalag lencsésségének vizsgálata 313 5. ábra. Az 1-es oldalra illesztett görbe 6. ábra. A 2-es oldalra illesztett görbe Az 5. és 6. ábrából jól látszik, hogy a lemez két oldalának görbülete ellentétes, ez azért van, mert hengerlés folyamán a lemez a belső feszültségek miatt keresztirányban meggörbült. Ahhoz, hogy a két oldal görbeségének különbségét meg tudjam határozni az 1-es oldal mérési eredményeit ellentétes előjellel láttam el. Majd az 1-es oldal görbéjének végpontjait, a 2-es oldal végpontjaihoz illesztettem. A számításokat Microsoft Excel segítségével végeztem, és a kapott eredményeket diagramban ábrázoltam (7. és 8. ábra). Az egyenestől való eltérés [képpont] 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 50 100 150 200 250 A lemez szélessége [mm] 2-es oldal 1-es oldal 7. ábra. A program által meghatározott görbületek
314 Pálinkás Sándor 0,3 A lemez lencséssége [mm] 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 0 50 100 150 200 250 A lemez szélessége [mm] A hengerlési kísérlet bemutatása 8. ábra. A program által meghatározott lencsésség A kutatásomhoz rendelkezésemre álló alapanyag egy keskenyszalag tekercs, melynek anyagminősége: AlMg3, szélessége 200 mm, vastagsága 1 mm. A kísérlethez 500 mm hosszú mintákat vettem. A kísérleti tervet az 1. táblázatban foglaltam össze. Minta Hengerlési Hengerhajlítás száma sebesség Alakváltozás Várható 1.a. Alapnyomás ~2bar 10 m/min 3% szélhullámos 1.b. 5 bar 10 m/min 3% szélhullámos 1.c. 8 bar 10 m/min 3% hullámmentes 1.d. 11 bar 10 m/min 3% hullámmentes 1.e. 14 bar 10 m/min 3% középhullámos 1.f. 17 bar 10 m/min 3% középhullámos 2.a. Alapnyomás ~2bar 10 m/min 2% szélhullámos 2.b. 5 bar 10 m/min 2% szélhullámos 2.c. 8 bar 10 m/min 2% hullámmentes 2.d. 11 bar 10 m/min 2% hullámmentes 2.e. 14 bar 10 m/min 2% középhullámos 2.f. 17 bar 10 m/min 2% középhullámos 3.a. Alapnyomás ~2bar 10 m/min 1% szélhullámos 3.b. 5 bar 10 m/min 1% szélhullámos 3.c. 8 bar 10 m/min 1% hullámmentes 3.d. 11 bar 10 m/min 1% hullámmentes 3.e. 14 bar 10 m/min 1% középhullámos 3.f. 17 bar 10 m/min 1% középhullámos 1. táblázat. A hengerlési kísérlet összefoglaló táblázata Az 1. táblázat utolsó oszlopában saját tapasztalataim alapján a kísérlet előtt leírtam, hogy a hengerlés után a hullámosság szempontjából milyen lemezekre lehet számítani.
Hidegen hengerelt alumínium szalag lencsésségének vizsgálata 315 A kísérlet előkészítése során a tekercsből 500 mm hosszú mintákat vettem, és gondoskodtam arról, hogy később a kiinduló lemezeket is mérni tudjam, ezért olyan mintákat is tettem félre, amelyek nem kerültek hengerlésre. Erre azért volt szükség, hogy a lemezeken bekövetkezett lencsésség változást nyomon tudjam követni. A hengerlési kísérleteket a Miskolci Egyetem Anyagtudományi Intézet képlékenyalakító laboratóriumában található kvartó elrendezésű VON ROLL gyártmányú hengerállványon végeztem. A célom az volt, hogy a hengerhajlítás változtatásával hengerlési kísérletet végezzek, és különböző alakváltozások mellett megtaláljam a hullámképződés határát. A hengerlési kísérlet kiértékelése A kísérlet során mért átlagos hengerlési erőket és a minták alakjának változását (tapasztalat) a 2. táblázatban foglaltam össze. A 9. ábrán bemutatott diagramon ábrázoltam a hengerlési erő változását a különböző alakváltozások esetén a hengerhajlító hidraulika 1 nyomásának függvényében. A diagramból látszik, hogy abban a nyomástartományban, ahol hullámmentes volt a lemez, a görbéknek szélsőértéke van, az 1. sorozatnál minimuma, a 2. és 3. sorozatnál maximuma. Annak kiderítése, hogy az első sorozat görbéjének jellege miért ellentétes, további vizsgálatokat igényel. A 2. és 3. sorozatnál egyértelműen látszik, hogy a szélhullám és középhullám létrehozásához kisebb erő szükséges, mint a lemez teljes szélessége mentén történő hullámmentes alakításhoz. Az 1. sorozatnál a nagyobb alakváltozás miatt a szélhullám, ill. középhullám létrehozásához szükséges erő nagyobb, mint a lemez teljes szélessége mentén történő hullámmentes alakításhoz szükséges erő. 1. sorozat 2. sorozat 3. sorozat Minta Hengerlési Hengerlési Hengerhajlítás Alakváltozás Tapasztalat száma sebesség erő 1.a. Alapnyomás ~2bar 10 m/min 3% 45518 N szélhullámos 1.b. 5 bar 10 m/min 3% 46902 N szélhullámos 1.c. 8 bar 10 m/min 3% 46322 N szélhullámos 1.d. 11 bar 10 m/min 3% 44371 N hullámmentes 1.e. 14 bar 10 m/min 3% 45491 N középhullámos 1.f. 17 bar 10 m/min 3% 46743 N középhullámos 2.a. Alapnyomás ~2bar 10 m/min 2% 40395 N szélhullámos 2.b. 5 bar 10 m/min 2% 40233 N szélhullámos 2.c. 8 bar 10 m/min 2% 41884 N szélhullámos 2.d. 11 bar 10 m/min 2% 42475 N hullámmentes 2.e. 14 bar 10 m/min 2% 41930 N középhullámos 2.f. 17 bar 10 m/min 2% 41311 N középhullámos 3.a. Alapnyomás ~2bar 10 m/min 1% 37463 N szélhullámos 3.b. 5 bar 10 m/min 1% 37573 N szélhullámos 3.c. 8 bar 10 m/min 1% 38073 N hullámmentes 3.d. 11 bar 10 m/min 1% 38678 N hullámmentes 3.e. 14 bar 10 m/min 1% 38375 N középhullámos 3.f. 17 bar 10 m/min 1% 38442 N középhullámos 2. táblázat. A hengerlési kísérlet kiértékelésének összefoglaló táblázata 1 A munkahengerek csapágytőkéiben oldalanként 6 db dugattyú található, a hengerhajlítás során ezek a dugattyúk az olajnyomástól függően különböző erővel feszítik szét a csapágytőkéket és ennek következtében a munkahengerek meghajlanak.
316 Pálinkás Sándor Hengerlési erő változása Hengerlési erő [N] 48000 47000 46000 45000 44000 43000 42000 41000 40000 39000 38000 37000 36000 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Hidraulika nyomás [bar] 1. sorozat 2. sorozat 3.sorozat 9. ábra. A hengerlési erő változása különböző alakváltozások esetén Megállapítható, hogy az elvégzett kísérlet sikeres volt, sikerült olyan mintákat létrehozni, különböző alakváltozások mellett, amelyekben a lemez alakja szélhullámosból középhullámosba megy át, és az átmenetben mindegyik sorozatnál sikerült hullámmentes lemezeket is létrehozni. Ez több szempontból is előnyös számomra, egyrészt sikerült olyan lemezeket hengerelni, amelyeknek, ha később megmérem a lencsésségét, sikerül megszerkesztenem a síkfekvési holt sáv diagramot, másrészt bizonyossá vált, hogy a VON ROLL hengerállvány hengerhajlító hidraulika rendszerének nyomáskorlátját egyenlőre nem kell feloldani. Jelenleg a hidraulika rendszer nyomáskorlátja 18,6 bar, ez bizonyíthatóan elég arra, hogy kis alakváltozások esetén létrehozzunk középhullámot, a nyomáskorlátot biztonsági okokból iktatták be a rendszerbe, a hidraulika rendszer tápszivattyúja 40 bar nyomást képes létrehozni, ha átállítanák a nyomást a maximális értékre, akkor nagyobb alakváltozások esetén is el lehetne végezni a bemutatott kísérletet. Lencsésség mérésére alkalmas egyedi mérőeszköz fejlesztése Jelenlegi kutatásaim arra irányulnak, hogy pontosan feltérképezzem a hengerlés során kialakuló hengerrést, amely a hengerelt szalag alakját, ezáltal a síkfekvését is befolyásolja. Mivel a VON ROLL kísérleti hengerállványon ennek vizsgálata nem megoldott, ezért lehetőséget kerestem arra, hogyan lehetne mégis a szalag alakját mérni és kifejlesztettem a 10. ábrán látható mérőeszközt, amely alkalmas a hengerelt keskenyszalag lencsésségének mérésére.
Hidegen hengerelt alumínium szalag lencsésségének vizsgálata 317 10. ábra. Az általam fejlesztett mérőeszköz A mérőeszköz felépítését az 11. ábra szemlélteti. Az ábrán középen található a vonallézert előállító egység, amely egy használaton kívüli lézernyomtatóból lett kiszerelve. Ebben található egy lencserendszer, valamint egy forgó tükör. Ennek jobb oldalán a lézerdióda látható, a lézernyomtatók infra lézerdiódát használnak, mivel ennek fénye az emberi szem számára nem látható, ezért a használata körülményes lett volna, így kicseréltem egy 650 nm hullámhosszú látható fényű lézerdiódára. A baloldalon látható kör alakú alkatrész egy változtatható ellenállás, amely a lézerdióda működéséhez szükséges 3 voltot állítja elő, mivel a rendelkezésre álló tápegység nem tudta volna biztosítani a lézerdióda működéséhez szükséges feszültséget. A tápegység biztosítja a tükör forgatómotorjához a szükséges 24 voltot, valamint egy 5 voltos engedélyező jelet. 11. ábra. A mérőeszköz felépítése
318 Pálinkás Sándor A rendszer óriási előnye a pontosság, ami abból fakad, hogy lézernyomtatókban használatos egységet használ, és köztudott, hogy manapság a nyomtatók rendkívül nagy felbontásban képesek a nyomtatásra. Emellett még a szélességtartomány is megfelelő, mivel egy A/4-es lap szélességi mérete 210 mm, így a kísérleteim során használt 200 mm széles lemezek vizsgálata nem okoz gondot. Az előzőekben bemutatott méréseket (5. és 6. ábra) ezzel a mérőeszközzel végeztem el, mivel ezzel a mérőeszközzel egyszerre csak egy oldalon lehet vizsgálni a lemezt, ezért a kétoldalas méréseket úgy végeztem, hogy először felvételt készítettem a lemez egyik oldaláról, majd megfordítottam a lemezt, és elvégeztem a mérést a másik oldalon is. Az így készült fényképfelvételeket képelemző szoftver segítségével elemeztem. Ábrázoltam a képpontok koordinátáit, harmadfokú polinomot illesztettem a kapott pontsorozatra, majd ennek segítségével meghatároztam a lencsésséget. Azáltal, hogy a lemezt a vizsgálat során átfordítottam a másik oldalára jelentős mérési hiba keletkezett. Ezek a mérések alkalmasak voltak arra, hogy bemutassam az általam kifejlesztett mérési módszert, viszont pontos mérések végzésére nem alkalmasak, ezért megterveztem a 12. árán látható mérőeszközt, amely a régi mérőeszköz továbbfejlesztett változata. Az új mérőeszköz alkalmas arra, hogy egyszerre mindkét oldalon méréseket végezzek, mivel ennél már két lézeregységet, és két fényképezőgépet fogok használni. A bemutatott hengerlési kísérlet folyamán sikerült lencsésség mérésre alkalmas mintákat előállítani. Az új mérőeszköz gyártása jelenleg folyamatban van az Anyagtudományi Intézet műhelyében. Amint a mérőeszköz elkészül meg tudom mérni a kísérlet során előállított lemezek, illetve a kiinduló darabok lencsésségét, ezáltal lehetőségem lesz a síkfekvési holt sáv diagramot meghatározni. Összefoglalás 12. ábra. Az általam tervezett új mérőeszköz A cikk első részében bemutattam a terhelt hengerrés alakját befolyásoló tényezőket, valamint ezt felhasználva magyarázatot adtam a síkfekvési hibák kialakulására. A következő részben a lencsésséget és a síkfekvési holt sávot értelmeztem. Az általam fejlesztett mérési módszer segítségével kidolgoztam egy vizsgálati módszert a hengerelt lemezek lencséssé-
Hidegen hengerelt alumínium szalag lencsésségének vizsgálata 319 gének vizsgálatára, amely alkalmas a hengerlés során keresztirányban meggörbült lemezek lencsésségének meghatározására is. A vizsgálat során készült felvételeket egy speciálisan erre a célra fejlesztett képelemző szoftverrel elemeztem. Tervem, hogy a kifejlesztett új mérőeszközzel megmérjem a befutó lencsésséget, majd a hengerhajlítás változtatásával végzett hengerlési kísérlet során előállított mintákon megmérjem a kifutó lemez lencsésségét, ezáltal lehetőségem lesz a síkfekvési holt sáv diagramot meghatározni. Köszönetnyilvánítás A tanulmány/kutató munka a TÁMOP-4.2.1. B-10/2/KONV-2010-0001 jelű projekt részeként az Új Magyarország Fejlesztési Terv keretében az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg. Irodalom [1] Voith Márton: Alakítástechnológiák komplex fejlesztése, Miskolc, 2003. p. 183. [2] Takashima, Y., et al, Studies on Strip Crown Control for Hot Strip Rolling Double Chock Work Bending System (DC-WRB), IHI Engineering Review, Vol. 12, No. 3, Oct. 1979, pp. 28 34. [3] Vladimir B. Ginzburg: Steel-Rolling Technology Theory and Practice, Marcel Dekkel, 1989. pp. 759 761. [4] Sándor Pálinkás: Investigation of the shape of roll gap of experimental mill stand. IN-TECH 2010. International Conference, 14-16 September 2010, Prague, Czech Republic, p. 436 439. [5] Sándor Pálinkás János Tóth Investigation of the flatness of rolled aluminium sheet, International Review of Applied Sciences and Engineering, Vol. 2, No. 1, June 2011, pp. 57 62.