Optimisation of the roll geometry for production conditions
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2012-11-30
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
79 + app. 105
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 156/2012
Abstract
In the coating and calendering processes in the paper industry the rolls are in direct contact with the paper and give it the final surface structure and finish. The knowledge about the relation of the roll geometry to the paper quality and to the runnability can be used to improve the operation of the rolls and the machine. Similar methods can be applied to steel mill rolls even though the rolling process and the rolls are different. The importance of the roll geometry for the quality of the end-product was seen in the end-product analysis results. The geometry components of the individual rolls in coating and in calendering sections were identifiable in the paper analyses. Similar results were observed in the rolling process in the steel mills. The major difference between the rolls in the paper and steel industry was that the measured paper quality variations in the paper industry correlated with the static and dynamic geometry errors of the rolls, but in the steel industry the observed variations correlated with the positions of the key grooves in the bearing arrangement of the backup rolls. A cost effective solution to the geometry related problems would be to find a way to reduce the observed geometry errors in the current rolls or to reduce their effects on the end-product. This was the main target of this research. Methods to achieve this were developed. After the introduction of a roll geometry measurement device, a compensation machining technology was developed and the static geometry of the filled calender rolls was improved. The development of the dynamic roll geometry measuring device for the geometry errors of the fast rotating rolls led to the the compensation method of the dynamic geometry errors of the backing rolls. After the development of an in-situ run-out measurement device for fast rotating rolls similar attempts were made to reduce the thermal run-out of thermo rolls of calenders. The drawbacks in the experiments demonstrated the need to deepen the understanding about the roll behaviour. An ultrasonic measuring device was used as a roll shell measuring device. With the measured information detailed roll models could be created, which the secondary target of this research. In the steel industry the developed measuring and machining methods were used to compensate the spring of the bearing arrangement caused by the key groove. This reduced the variations of rolling force and of steel strip thickness. With all the presented results it can be concluded that both targets of the research could be reached: effects of the geometry errors were reduced and detailed roll models were created. This enables an optimisation of the roll geometry in the production conditions.Paperiteollisuudessa telojen geometria vaikuttaa oleellisesti valmistettavan paperin laatuun päällystys- ja kalanterointiprosessin aikana. Tietämystä telojen geometrian vaikutuksesta paperin laatuun ja paperikoneen ajettavuuteen voidaan käyttää telojen ja paperikoneen toiminnan parantamiseen. Samanlaisia menetelmiä voidaan käyttää terästehtaan valsseihin, vaikkakin valssausprosessi ja valssit poikkeavat paperikoneen teloista ja paperin valmistuksesta. Telageometrian vaikutus valmistettavan tuotteen laatuun todettiin paperianalyysien tuloksista. Yksittäisten telojen geometriakomponentit olivat identifioitavissa paperianalyyseissä. Samantyyppisiä tuloksia saatiin terästeollisuuden valssausprosesseista. Selkeä ero paperiteollisuuden telojen ja terästeollisuuden valssien välillä oli se, että paperiteollisuudessa mitatut vaihtelut korreloivat telojen staattisen ja dynaamisen geometrian kanssa ja terästeollisuudessa valssien laakerien kiilauran paikan kanssa. Kustannustehokas ratkaisu näihin telojen geometriaan liittyviin ongelmiin olisi, jos pystyttäisiin kehittämään menetelmä, jolla havaittuja telojen ja valssien geometriavirheitä tai niiden vaikutuksia lopputuotteeseen pystyttäisiin pienentämään. Tämä oli tutkimuksen päätavoite. Tutkimuksen aikana kehitettiin menetelmiä useassa eri vaiheessa, joilla tämä tavoite saavutettiin. Telahiomakoneisiin ja sorveihin soveltuvan telageometriamittalaitteen valmistumisen jälkeen pystyttiin kehittämään telatyöstön kompensointiteknologia, jolla kuitutelojen staattista geometriavirhettä voitiin pienentää. Telan dynaamisen geometrian mittalaitteen valmistumisen jälkeen nopeasti pyörivien telojen ajonaikainen geometria voitiin määrittää. Tämä johti päällystysaseman vastatelojen dynaamisten geometriavirheiden kompensointimenetelmän kehittämiseen. Kalanterin termotelojen ajonaikaisen lämpötaipuman kompensointimenetelmän kokeet eivät onnistuneet. Tämän seurauksena kävi selväksi, että tarvittiin lisää tietoa telojen käyttäytymisestä. Ultraäänimittalaitetta käytettiin telan vaipan mittaamiseen, mikä mahdollisti tarkkojen telamallien luomisen, joita voidaan käyttää telojen simulointiin. Tarkkojen telamallien luominen oli tämän tutkimuksen toinen päätavoite. Kehitetyillä mittaus- ja työstömenetelmillä saatiin kompensoitua terästeollisuuden tukivalssien laakeroinnin kiilaurasta johtuvaa joustoa. Kompensoinnin avulla valssausvoimavaihtelu ja teräsnauhan paksuusvaihtelu saatiin pienennettyä. Tulosten perusteella voidaan perustellusti väittää, että työn tavoitteet saavutettiin: geometriavirheiden vaikutusta saatiin pienennettyä ja tarkkoja telamalleja pystyttiin luomaan. Tämä mahdollistaa telojen geometrian optimoinnin tuotanto-olosuhteita varten.Description
Supervising professor
Kuosmanen, Petri, Prof., Aalto University, FinlandThesis advisor
Kuosmanen, Petri, Prof., Aalto University, FinlandOther note
Parts
- [Publication 1]: Widmaier, T., Kuosmanen, P., Haikio, J. and Vaananen, P. 2004. A 3D turning system to reduce geometry errors of flexible rotors. Proceedings of the Estonian Academy of Sciences. Engineering. 10(4):251-260
- [Publication 2]: Kuosmanen, P., Juhanko, J. and Widmaier, T. 2005. Verringern der Papierqualitatsschwakungen durch 3D-Schleifen der Walzen. Wochenblatt fur Papierfabrikation. 133(11-12):674-682.
- [Publication 3]: Widmaier T., Uusimaki J., Kuosmanen P., Juhanko J. and Vaananen P. 2007. Non-circular grinding of backup rolls to reduce rolling force variation, Estonian Journal of Engineering. 13(2):168-179
- [Publication 4]: Widmaier T., Salmela T., Kuosmanen P., Juhanko J., Karha P. and Uusimaki J. 2009. Reducing thickness variation of hot rolled steel strip by non-circular backup roll geometry. Ironmaking and steelmaking. 36(2):133-140
- [Publication 5]: Juhanko, J., Porkka, E. and Widmaier, T. and Kuosmanen P. 2010. Dynamic geometry of a rotating cylinder with shell thickness variation. Estonian Journal of Engineering. 16(4):285–296
- [Publication 6]: Widmaier T. 2011. Thermal deflection of a finite element modelled chilled cast thermo roll. Journal of Structural Mechanics. 44(2):113-127
- [Publication 7]: Widmaier T., Kuosmanen, P. and Juhanko, J. 2011. Measurement of guideway alignment of an on-site grinding machine. Proceedings of the 56. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium, Technische Universitat Ilmenau, 12 – 16 September. 5 p.
- [Publication 8]: Widmaier, T., Pirttiniemi, J., Kiviluoma, P., Porkka, E. and Kuosmanen, P. 2011. Modelling of a chilled cast thermo roll utilizing ultrasonic measurement. DAAAM International Scientific Book 2011, Vienna. pp. 347-364. ISSN 1726- 9687, ISBN 978-3-901509-84-1.