EP2258491A1 - Rotationswerkzeug für eine Walzstraße und Verfahren zum Betrieb einer Gieß-Walz-Verbundanlage - Google Patents

Rotationswerkzeug für eine Walzstraße und Verfahren zum Betrieb einer Gieß-Walz-Verbundanlage Download PDF

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EP2258491A1
EP2258491A1 EP09161954A EP09161954A EP2258491A1 EP 2258491 A1 EP2258491 A1 EP 2258491A1 EP 09161954 A EP09161954 A EP 09161954A EP 09161954 A EP09161954 A EP 09161954A EP 2258491 A1 EP2258491 A1 EP 2258491A1
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EP
European Patent Office
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rolling
rotary tool
mill
train
electric motors
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Günther Winter
Norbert Dr. Moritz
Michael Diez
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Siemens AG
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Siemens AG
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Priority to PCT/EP2010/057524 priority patent/WO2010139659A1/de
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Definitions

  • the invention relates to a rotary tool for processing rolling stock, in particular consisting of steel, aluminum, copper or titanium, in a rolling mill, as for example from DE 199 11 751 C1 evident. Moreover, the invention relates to a rolling mill, a cast-rolling composite plant, a method for operating a cast-rolling composite plant and to a method for increasing performance.
  • Metallic precursors such as slabs, hot or cold strip, sheets, tubes, etc. from materials such as iron, steel, non-ferrous metals or other metallic materials are undergoing large-scale industrial processing in rolling mills various processing and refining steps.
  • Typical processing steps are the rolling of cast slabs to hot strip or the down rolling of the hot strip to the thickness desired by the customer in a cold rolling train, for example a tandem mill.
  • Rolling mills conventionally occur as separate units, which deliver their rolling stock, for example, from a separate continuous casting device, e.g. received a "continuous casting system".
  • a separate continuous casting device e.g. received a "continuous casting system”.
  • hot strip can be produced in a continuous process, in particular endlessly.
  • a typical tool for processing rolling stock is a rolling stand, with which e.g. Slabs can be rolled in successive rolling passes to form a strip.
  • Rolling mills are used in almost all rolling mills, in particular in hot and cold rolling mills.
  • the strips can be subjected to further processing steps.
  • the rolled-down strip is usually rolled up with the help of a reel to so-called "coils".
  • a direct coupling with a cold rolling plant and / or treatment line takes place in the continuous process.
  • the hot strip can be subjected to further intermediate steps, such as a temperature treatment, before it is fed to a cold rolling line.
  • a cold rolling line At the end of a cold rolling line is usually a take-up reel for receiving the rolled strip, possibly combined in the continuous process with a pair of scissors.
  • the object of the present invention is to provide a rotary tool for processing rolling stock, a rolling train and a cast-rolling composite plant with such a rotary tool and an operating method for the cast-rolling composite plant and a method for improving performance, which / which by means of his / her drive concept the metallurgical simplify, improve and / or make more flexible roll manufacturing processes.
  • the object of the invention is achieved by a rotary tool having the features of claim 1.
  • the object of the invention is achieved by a rolling mill with the features of claim 9.
  • the inventive The problem solved by a cast-rolling composite plant according to claim 16, with regard to the method of operation by a method according to claim 19 and with respect to the method for increasing the efficiency by a method according to claim 20.
  • the rotary tool according to the invention for processing rolling stock in a rolling train is driven by an electric motor having electrically superconducting windings.
  • rolling stock for example, slabs, hot strip, cold strip, coarse or thin sheets, pipes, etc. of iron, steel, non-ferrous metals such as aluminum, etc. into consideration.
  • a rotary tool for processing of rolling all rotationally driven tools machines, apparatus or devices are understood, which engage directly in the machining process of the rolling stock. Examples are: rolling stands, reels, drum shears, temporary storage etc.
  • HTS motor An electric motor with superconducting windings will be referred to as HTS motor in the following.
  • HTS motor both a machine whose rotor winding is superconducting and whose stator winding is normally conducting, and a machine, so-called fully superconducting machines, in which both the rotor and the stator winding is made using superconducting material to understand.
  • HTS motors which have a much smaller size with the same power compared to conventional electric motors.
  • HTS engine - especially in a rolling mill considerable energy savings (lower power dissipation) and because of possible reduced aggregate distances also brings cost advantages. This is particularly advantageous in cast-rolled composite systems.
  • the rotary tool is a rolling stand which has at least two work rolls between which the rolling stock is machinable, and wherein at least one of the work rolls is driven by the HTS motor.
  • a rolling stand can be used both in hot and cold rolling mills.
  • a rolling stand in a cold rolling mill is used to roll down hot strip to the thickness desired by the customer.
  • the rolling stand can be designed, for example, as a duo or as a quarto-rolling mill or as a hexagonal rolling mill. Since the rolling mill is driven by a more compact HTS motor with the same power, the distances between the rolling stands can be selected smaller and the entire rolling train can be made shorter or more compact.
  • the inventors have recognized that use of an HTS motor in the rolling mill thus brings with it significant cost reductions as well as technological advantages as a result of reduced cooling of the continuous rolling stock.
  • An HTS engine has a more stable, stiff performance (e.g., small rotor angle) and also reacts faster to changes in command values than a conventional electric motor. This case occurs frequently during rolling. In comparison to a conventional electric motor, an HTS motor is thus able to be regulated more quickly, which allows an improved and / or faster puncture behavior and / or an improved ski control particularly when it is used in a rolling train. This is particularly advantageous in heavy hot rolling reversing lines. As a "ski” is an unintentional deformation of the band up or down, i. referred to perpendicular to the transport direction.
  • At least one of the work rolls is gearless or connected by means of a reduced compared to a conventional electric drive gear with the shaft of the electric motor.
  • the mechanical connection between the shaft of the HTS motor and the work roll of the rolling mill is carried out while dispensing with torque-converting mechanical intermediate elements (gear).
  • the shaft of the electric motor may be connected to the work roll via a common shaft or a spindle.
  • the spindle is understood to mean, for example, a double-jointed shaft with two universal joints present at the end, which serves to transmit torque between the drive shaft of the motor and the work roll of the rolling mill stand.
  • the absence of a gear not only brings a cost advantage, but also increases the reliability and variability of the mill.
  • the property can provide the HTS engine compared to a conventional engine with a comparable size increased torque can - be reduced - as a second variant - the size of the transmission. Both variants allow a cost reduction of the entire system.
  • the variant without gearbox requires less maintenance.
  • the rolling stand in which according to the invention the HTS motor is advantageously used, are the so-called twin drives in which each of the work rolls is driven by an electric motor.
  • the rolling stand is configured such that it comprises a plurality of HTS motors, wherein each of the work rolls - preferably as described above directly or with a reduced gearbox - is mechanically connected to the shaft of one of the HTS motors. Since, compared to conventional electric motors, the HTS motors are smaller in size for the same torque, e.g. due to a smaller stator diameter, the distance between the drive shafts of the motors can be reduced to each other.
  • the electric motors are arranged directly next to one another or locally above one another (offset from each other). According to a further embodiment, these therefore advantageously have a common cooling system.
  • an HTS motor is not only advantageous in directly driven rolling stands, such as the aforementioned twin drives, but also in a roll stand, which after a further embodiment comprises two work rolls, which are mechanically coupled via a branching gear, said drive side is coupled to the shaft of the electric motor.
  • the branching gear is a pinion gear, since this withstands high torques.
  • the rotary tool is a reel.
  • the rotary tool is a drum shears.
  • high torques must be applied in the short time of the acceleration and / or deceleration phase to accelerate or decelerate the rotary tool to the desired operating speed. Due to its low moment of inertia and superior control behavior, an HTS engine is particularly suitable.
  • LTC Low Temperature Conducting
  • bismuth-based superconducting material which is technically proven, resistant and thus easy to process is suitable.
  • the superconducting material for the windings of the HTS motor may be selected to have a critical current density of more than 300 A / mm 2 at an operating temperature of 4.2K.
  • HTC superconductor material for example YBCuO is suitable, which has a higher transition temperature than metal oxide LTC superconductor material. The cooling overhead in the operation of a HTS motor with windings of HTC superconductor material is therefore correspondingly lower.
  • an operating temperature between 10 and 40 K, preferably between 20 and 30 K, provided for the windings of the HTS motor.
  • metal oxide HTC superconductor material also has a high critical current density and a high critical field.
  • the rolling mill according to the invention serves for the processing of rolling stock with the rotary tool according to the invention.
  • Essential advantages mentioned in connection with the rotary tool apply in the same way to the rolling train according to the invention.
  • the rolling train has at least one ("1") mill stand.
  • the rotary tool is a rolling mill, wherein the rolling train comprises a plurality of rolling stands immediately adjacent in a rolling direction, in particular in tandem operation.
  • the rolling train is either a roughing train and - with particular advantage - a finishing mill of a hot rolling mill.
  • the rolling train which is in particular a finishing mill of a hot rolling mill or hot strip rolling mill, expediently comprises a plurality of electric motors with superconducting windings and at least three or at least four of the rolling stands respectively at least one of the work rolls gearless connected to the shaft of one of the electric motors.
  • the rolling stands in a rolling mill due to the spatial extent of rolling stand, gear and electric motors, must comply with a minimum distance, the minimum distance of the rolling stands by the size of the scaffold stands of possibly necessary Eisengerüsttransportleaneden, electric motors or Gear limited.
  • the minimum distance can be immediate adjacent rolling stands and so, for example, the unwanted cooling of the rolling stock can be reduced by reduced thermal radiation.
  • adjacent rolling mills have particularly advantageously a common cooling system.
  • the distance between the rolling mills causes undesirable changes in the state variables of the rolling stock.
  • the stand spacing of today's hot rolling mills in conventional construction is typically more than 5.0 m to 5.5 m.
  • the rolling stock may, for example, cool down too much between the individual rolling passes or form scales on the surface.
  • additional units such as an induction furnace or a Entzu shoresaggregat.
  • the use of such additional units and their integration in the rolling mill is expensive on the one hand and resource-intensive on the other hand.
  • the distance of the rolling stands can be reduced by the use of drive motors with superconducting windings, whereby additional aggregates, e.g. can be omitted for descaling or for heating the rolling stock.
  • the rolling train which is in particular a hot strip mill or / and a finishing train of a hot strip rolling mill, preferably in tandem
  • at least two of the rolling stands for a maximum rolling force of more than 1500 t, in particular of more than 2,000 t, more than 2,500 t, more than 3,000 t, more than 3,500 t or more than 4,000 t
  • these two rolling mills have a spacing of less than 5.0 m, preferably less than 4, in the rolling direction , 5 m, less than 4.3 m, less than 4.0 m, less than 3.9 m, less than 3.7 m or less than 3.5 m.
  • the distance of the rolling stands is determined here as the distance of the axes of rotation of the work rolls of adjacent rolling stands in the rolling direction.
  • the rolling train preferably has a control and / or regulating device-designed, for example, as part of the process automation, in particular for controlling a heating device, a cooling section, a finishing stack and / or a speed of the rolling train, which is designed such that a result HTS engines are considered less expensive than conventional engines for reduced heat loss in the rolling stock.
  • a control and / or regulating device-designed for example, as part of the process automation, in particular for controlling a heating device, a cooling section, a finishing stack and / or a speed of the rolling train, which is designed such that a result HTS engines are considered less expensive than conventional engines for reduced heat loss in the rolling stock.
  • This can be done by implementation in an underlying model.
  • Particularly appropriate is the consideration of the reduced heat loss in the process automation system of the finishing scale, including in the regulation of the finished strip temperature and / or on the reel temperature.
  • an optional - possibly existing between the rolling stands - transport device is designed as a vertical loop lifter. This achieves a further reduction in the distance between the stands.
  • the rolling train is part of a cast-rolling composite plant for the continuous production of hot strip.
  • the processing speed of a cast-rolling composite plant is determined by the speed of the caster. Consequently, the state changes of the rolling stock occurring between the individual rolling passes, for example the cooling thereof, can not be compensated in a simple manner by increasing the rolling speed.
  • the inventors have recognized that a reduction in the distance of the rolling stands thus represents a very advantageous possibility of effectively avoiding intermediate units, such as descaling systems or induction furnaces, for example, or making them less complicated.
  • a reduced distance The rolling stands can be achieved by using a HTS engine.
  • the heater is adjusted for heating power in consideration of a reduced heat loss in the rolling stock or strip due to the electric motors used ,
  • the cast-rolling composite plant can be carried out completely without such a heater.
  • MW stands for megawatts, h for hours and t for (metric) tons.
  • the non-superconducting motor is replaced by a HTS motor that does not exceed the installation space limitation, ie an electric motor with superconducting windings, which is designed such that the maximum rolling moment in the rolling stand is increased compared to the existing rolling line is. It is designed either superconducting only the rotor, or only the stator, or both.
  • a tandem cold rolling mill 2 serves to roll down of hot strip 4 to the customer's desired thickness.
  • the coiled to a hot rolled strip 4 of the tandem cold rolling mill 2 by means of a take-off reel 6 in a rolling direction W is supplied.
  • the thickness of the hot strip 4 is first determined by means of a measuring device 8, then the strip is rolled down in several successive rolling passes by means of rolling stands 10 to the desired thickness.
  • Each of the rolling stands 10 has at least two work rolls 12 and two support rolls 14, wherein the rolling stock, in this case the hot strip 4, is processed between the work rolls 12.
  • the tape is rewound into a coil by means of a coiler 16.
  • a dividing shear 18 is available for the separation of the belt transversely to the rolling direction W.
  • the reel 16 is driven by a HTS motor 20.
  • the shaft of the HTS motor 20 is directly to the axis of the coiler 16, ie, no transmission between the HTS motor 20 and the reel 16 is used. The same does not apply to the FIG. 1 shown drive the uncoiler 6 to.
  • the work rolls 12 of the rolling stands 10 are either as twin drives, exemplified for the second rolling stand 10 in the rolling direction W, or using a branching gear, in this case a pinion gear 22, as exemplified for the third rolling stand 10 in the rolling direction W driven ,
  • a branching gear in this case a pinion gear 22
  • both work rolls 12 are each directly connected to the shaft of a respective separate HTS motor 20 (both denoted by 20).
  • the work rolls 12 can be driven via the pinion gear 22, which on the drive side in turn is connected to a (here only single) HTS motor 20.
  • the rewinding and reeling 16.6 and the rolling stands 10 are connected to a common control and / or regulating device 105, which will be discussed in detail later.
  • FIG. 2 shows a hot rolling mill 30 with the preheated slabs 32 are rolled to hot strip 4.
  • the slabs 32 are first rolled in a roughing train 34 and later with a consisting of several (here: seven) rolling stands 10 finished stagger 36 (finishing mill) to hot strip 4.
  • This is rolled up by means of a reel 16 to form a coil.
  • the individual rolling stands 10, each in to FIG. 1 similar execution two work rolls 12 and two support rollers 14 are driven by HTS motors 20 both in the roughing 34 and in the finishing stack 36.
  • the rolled strip has a width of 0.6 m to 1.8 m, typically 0.8 to 1.6 meters.
  • FIG. 3 shows a highly schematic (vertical) cross-sectional view of a rolling stand 10 of the tandem cold rolling line 2 of FIG. 1 or, more preferably, the hot rolling mill 30 of FIG. 2 , whose work rolls 12 are driven by a twin drive ("Twin Drive").
  • twin Drive a twin drive
  • each of the work rolls 12 is connected with its shaft 23 via a spindle 24 to the motor shaft 25 of an HTS motor 20.
  • the connection between the shaft 23 of the work roll 12 and the spindle 24 and between this and the motor shaft 25 takes place in each case by means of a universal joint or by means of waves with claws.
  • the in FIG. 3 shown HTS motors 20 a low height H on.
  • the distance A of the motor shafts 25 is smaller than in conventional drives and thus the spindle pitch ⁇ is low.
  • the spindle pitch ⁇ is the angle between the spindle 24 and the extension of the shaft 23 of the work roll 12 to understand.
  • the spindle pitch ⁇ results from the offset between the shaft 23 of the work roll 12 and the motor shaft 25, which is bridged by the spindle 24.
  • the spindle pitch ⁇ ⁇ 3 ° for example, 1.5 ° - 2.5 °.
  • the HTS motors 20 have a common cooling system 26, with which their superconducting windings are cooled.
  • the cooling system 26 is an insulated pipe system generally known from cryotechnology, in which a refrigerant circulates and in which a refrigeration unit 28 is integrated. This usually includes a reservoir for the refrigerant, which is, for example, liquid helium, neon, nitrogen or a mixture of these gases.
  • the refrigeration unit 28 also includes a compressor or a cold head for liquefying the coolant.
  • the circulation of the coolant in the cooling system 26 can be done by means of a pump or driven by a thermosiphon effect.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of four rolling stands 10 of a running in tandem assembly hot strip finishing line of a hot rolling mill, as for example FIG. 2 as Fertigstaffel 36 of the hot rolling mill 30 shows, in plan (cross) view.
  • the rolling stands 10 are waiving other units, such as induction heaters or Entzu matterssanlagen in the rolling direction W immediately adjacent to each other, which is possible due to the compact size of their used for driving HTS motors 20.
  • the rolling stands 10 can thereby reach a distance B from one another, which can not be achieved with conventionally driven rolling stands 10. As a distance B while the removal of the axes of rotation D of the work rolls 12 is defined in the rolling direction W.
  • the work rolls 12 are driven directly by the HTS motors 20, i. the shaft 23 of the work roll 12 and the motor shaft 25 of the HTS motors 20 form a common component.
  • the HTS motors 20 of the rolling stands 10 arranged directly next to one another have a common cooling system 26 with an integrated refrigeration unit 28.
  • FIG. 5 shows a continuous casting belt-rolling plant 40 in which from a casting platform 42 in a Dünnbrammeng think annoying 44 continuously thin slabs are produced, which via a roller table 45 continuously, ie without cutting, winding and intermediate storage, a first rolling mill 46 ( "High Reduction
  • the motors of this rolling train 46 are designed as HTS motors, as are the drives of the following optional splitting and / or discharging device 48, which may comprise a pendulum shear and a "plate pusher.”
  • This device 48 is particularly significant in case of subsequent malfunctions in the direction of production, and an optional cropping shear may also have an HTS drive.
  • the drives of the rollers of the second rolling train 56 are designed as HTS motors, which brings with it special space advantages just as with the rollers of the first rolling train 46.
  • an induction furnace is shown as a heater 54, the heating power P - is chosen smaller - with the same mass flow rate - than with conventional electric motors.
  • a mass flow rate m 180 tons of steel per hour (t / h)
  • its heating power P 25 megawatts (MW), preferably only 23 MW or only 19 MW.
  • the invention has not only effects on the dimensioning of a rolling mill, but also on the control of the system and its components. Therefore, a control and / or regulating device 105 (FIG. FIGS. 1 . 2 . 5 ) Walzstrasse 2, 30, 46 and 56 or the cast-rolling composite system 40 for controlling a heater 52, a finished relay 56, a cooling section 58 and / or a speed of Walzstrasse, formed such that a reduced due to the superconducting electric motors used compared to a conventional motor heat loss is taken into account.
  • a control and / or regulating device 105 FIG. FIGS. 1 . 2 . 5
  • Walzstrasse 2, 30, 46 and 56 or the cast-rolling composite system 40 for controlling a heater 52, a finished relay 56, a cooling section 58 and / or a speed of Walzstrasse, formed such that a reduced due to the superconducting electric motors used compared to a conventional motor heat loss is taken into
  • FIG. 6 shows in the hatched area 100, the preferred design according to the invention of rolling trains, for example, finishing lines of a hot strip mill, the distance B in the rolling direction of two rolling stands up and the maximum of the rolling stands producible rolling force F is given to the right.
  • "Small plants” with a maximum rolling force of less than 1000 t (metric tons) are not considered in the example.
  • the stand spacing B according to the invention is smaller than 5 m even with very large rolling forces (line 101).
  • the straight line 102 clarifies the recognition that with increasing rolling force more and more space for the drive systems and motors is needed because they have to work against increasing forces in the nip, so that ultimately increases the distance from the framework.
  • FIG. 7 shows an optional design for further reduction of the stand spacing B, in which between two rolling stands 10, a loop lifter 110 as a transport device is available.
  • An actuating cylinder 112 performs essentially only a vertical or up and down movement to support the belt 4 and thus requires very little space.

Landscapes

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

Abstract

Es wird ein Rotationswerkzeug (6,10,16) zur Verarbeitung von Walzgut (4,32) in einer Walzstraße (2,30) beschrieben, welches von einem Elektromotor (20) mit supraleitenden Wicklungen angetrieben wird, sowie eine Walzstraße (2,30) mit einem solchen Rotationswerkzeug (6,10,16). Das Rotationswerkzeug (6,10,16) ist insbesondere ein Walzgerüst (10). Eine Gieß-Walz-Verbundanlage (40), die in den Walzgerüsten mit einem solchen Elektromotor (20) ausgerüstet ist, wird hinsichtlich der erforderlichen Heizleistung effizient ausgestaltet und/oder betrieben.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Rotationswerkzeug zur Verarbeitung von Walzgut, insbesondere bestehend aus Stahl, Aluminium, Kupfer oder Titan, in einer Walzstraße, wie es beispielsweise aus der DE 199 11 751 C1 hervorgeht. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf eine Walzstraße, eine Gieß-Walz-Verbund-Anlage, ein Verfahren zum Betrieb einer Gieß-Walz-Verbund-Anlage und auf ein Verfahren zur Leistungssteigerung.
  • Metallische Vorprodukte wie beispielsweise Brammen, Warm-oder Kaltband, Bleche, Rohre, etc. aus Materialien wie Eisen, Stahl, Nichteisenmetallen oder anderen metallischen Werkstoffen werden großindustriell in Walzstraßen verschiedenen Verarbeitungs- und Veredelungsschritten unterzogen. Typische Verarbeitungsschritte sind das Auswalzen von gegossenen Brammen zu Warmband oder das Herunterwalzen des Warmbandes auf die vom Kunden gewünschte Dicke in einer Kaltwalzstrasse, beispielsweise einer Tandemstraße.
  • Walzanlagen kommen konventionell als separate Anlagen vor, die ihr Walzgut zum Beispiel von einer separaten Stranggusseinrichtung, z.B. einem "continuous casting system" erhalten. In modernen Gieß-Walz-Verbund-Anlagen kann Warmband in einem kontinuierlichen Prozess, insbesondere endlos, hergestellt werden.
  • Ein typisches Werkzeug zur Bearbeitung von Walzgut ist ein Walzgerüst, mit dem z.B. Brammen in aufeinander folgenden Walzstichen zu einem Band ausgewalzt werden können. Walzgerüste kommen in nahezu allen Walzstrassen, insbesondere in Warm- und Kaltwalzstrassen zum Einsatz.
  • Nach dem Warmwalzen können die Bänder weiteren Bearbeitungsschritten unterzogen werden. Am Ende der Walzstrasse wird das heruntergewalzte Band üblicherweise mit Hilfe einer Haspel zu sog. "Coils" aufgerollt. Alternativ erfolgt im kontinuierlichen Prozess eine direkte Kopplung mit einer Kaltwalzanlage und/ oder Behandlungslinie.
  • Das Warmband kann weiteren Zwischenschritten, wie beispielsweise einer Temperaturbehandlung unterzogen werden, bevor es einer Kaltwalzstrasse zugeführt wird. Am Ende einer Kaltwalzstrasse befindet sich üblicherweise eine Aufwickelhaspel zur Aufnahme des gewalzten Bandes, im kontinuierlichen Prozess ggf. mit einer Schere kombiniert.
  • Bei den vorgenannten Bearbeitungsschritten müssen hohe Drehmomente zur Bearbeitung des Walzgutes aufgebracht werden. Aus diesem Grund werden leistungsstarke Elektromotoren zum Antrieb der Bearbeitungswerkzeuge eingesetzt, deren Drehmoment vielfach mit Hilfe eines Untersetzungsgetriebes weiter vergrößert wird. Leistungsstarke Elektromotoren ebenso wie entsprechend geeignete Getriebe sind sehr schwer und voluminös.
  • Beispielsweise ergeben sich aus dem resultiernden Platzbedarf der bislang verwendeten Rotationswerkzeuge Walzgerüstabstände, die man in unerwünschter Weise durch Einrichtungen zum Materialtransport überbrücken muss. Eine weitere Folge des hohen Gerüstabstandes sind Durchlaufzeiten zwischen den Verformungsstichen, die speziell im Warmwalzprozess zu maßgeblichen und unerwünschten Temperaturverlusten führen. Im genannten Beispiel hat dies dann zur Folge, dass das Produktspektrum etwa hinsichtlich der noch walzbaren Enddicke eingeschränkt werden muss und/ oder die Produktivität (Durchsatz) vermindert wird.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Rotationswerkzeug zur Verarbeitung von Walzgut, eine Walzstraße und eine Gieß-Walz-Verbund-Anlage mit einem solchen Rotationswerkzeug sowie ein Betriebsverfahren für die Gieß-Walz-Verbund-Anlage und ein Verfahren zur Leistungssteigerung anzugeben, welches/welche vermittels seines/ihres Antriebskonzeptes die metallurgischen und Herstellungsprozesse beim Walzen vereinfachen, verbessern und/ oder flexibler gestalten lässt/lassen.
  • In Bezug auf das Rotationswerkzeug wird die erfindungsgemäße Aufgabe gelöst durch ein Rotationswerkzeug mit den Merkmalen nach Anspruch 1. Hinsichtlich der Walzstraße wird die erfindungsgemäße Aufgabe gelöst durch eine Walzstraße mit den Merkmalen nach Anspruch 9. Bezüglich der Gieß-Walz-Verbund-Anlage wird die erfindungsgemäße Aufgabe gelöst durch eine Gieß-Walz-Verbund-Anlage nach Anspruch 16, in Bezug auf das Betriebsverfahren durch ein Verfahren nach Anspruch 19 und in Bezug auf das Verfahren zur Leistungssteigerung durch ein Verfahren nach Anspruch 20.
  • Das erfindungsgemäße Rotationswerkzeug zur Verarbeitung von Walzgut in einer Walzstraße, ist von einem Elektromotor angetrieben, der elektrisch supraleitende Wicklungen aufweist.
  • Als Walzgut kommen beispielsweise Brammen, Warmband, Kaltband, Grob- oder Feinbleche, Rohre, etc. aus Eisen, Stahl, Nichteisenmetallen wie beispielsweise Aluminium, etc. in Betracht. Unter einem Rotationswerkzeug zur Verarbeitung von Walzgut werden alle rotierend angetriebenen Werkzeuge, Maschinen, Apparate oder Einrichtungen verstanden, welche unmittelbar in den Bearbeitungsprozess des Walzgutes eingreifen. Beispiele sind: Walzgerüste, Haspeln, Trommelscheren, Zwischenspeicher etc..
  • Ein Elektromotor mit supraleitenden Wicklungen soll im Folgenden kurz als HTS-Motor bezeichnet werden. Unter einem HTS-Motor ist sowohl eine Maschine, deren Rotorwicklung supraleitend und deren Ständerwicklung normalleitend ist, als auch eine Maschine, sogenannte voll supraleitende Maschinen, bei der sowohl die Rotor- als auch die Ständerwicklung unter Verwendung von supraleitendem Material hergestellt ist, zu verstehen.
  • Der erfindungsgemäßen Konstruktion des Rotationswerkzeugs liegen die folgenden Überlegungen zugrunde:
    • Zum Betrieb eines Rotationswerkzeugs in einer Walzstraße werden hohe Leistungen bzw. Drehmomente benötigt, die lediglich von entsprechend großen/voluminösen Elektromotoren erbracht werden können. Diese müssen vielfach zur weiteren Erhöhung des Drehmoments mit einem Getriebe versehen werden. Entsprechend weist der Antrieb des Rotationswerkzeugs eine große Baugröße auf. Die große räumliche Ausdehnung von Getriebe und Motor sowie deren hohes Gewicht führt dazu, dass die Konstruktion einer kompakten Walzstrasse bislang nur bedingt möglich ist.
  • Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass durch den Einsatz von HTS-Motoren, welche bei gleicher Leistung gegenüber konventionellen Elektromotoren eine wesentlich geringere Baugröße aufweisen, die vorstehenden technischen Probleme überwunden werden können. Außerdem wurde erkannt, dass der Einsatz eines HTS-Motors - insbesondere in einem Walzwerk - erhebliche Energieeinsparpotentiale (niedrigere Verlustleistung) und wegen möglicher verminderter Aggregatsabstände auch Kostenvorteile mit sich bringt. Von besonderem Vorteil ist dies bei Gieß-Walz-Verbundanlagen.
  • Nach einer ersten Ausführungsform handelt es sich bei dem Rotationswerkzeug um ein Walzgerüst, welches zumindest zwei Arbeitswalzen aufweist, zwischen denen das Walzgut bearbeitbar ist, und wobei zumindest eine der Arbeitswalzen von dem HTS-Motor angetrieben ist. Ein solches Walzgerüst ist sowohl in Warm- als auch in Kaltwalzstraßen einsetzbar. Während es in einer Warmwalzstraße beispielsweise zum Auswalzen von Brammen verwendet wird, dient ein Walzgerüst in einer Kaltwalzstraße dem Herunterwalzen von Warmband auf die vom Kunden gewünschte Dicke. Das Walzgerüst kann beispielsweise als Duo- oder als Quartowalzgerüst oder als Sextowalzgerüst ausgestaltet sein. Da der Antrieb des Walzgerüstes über einen bei gleicher Leistung kompakteren HTS-Motor erfolgt, können die Abstände zwischen den Walzgerüsten geringer gewählt und die gesamte Walzstraße somit kürzer oder kompakter gebaut werden. Die Erfinder haben erkannt, dass eine Verwendung eines HTS-Motors im Walzwerk somit erhebliche Kostenreduktionen als auch technologische Vorteile infolge einer verminderten Abkühlung des durchlaufenden Walzguts mit sich bringt.
  • Ein HTS-Motor hat ein stabileres, steifes Betriebsverhalten (z.B. kleiner Polradwinkel) und reagiert im Vergleich zu einem konventionellen Elektromotor darüber hinaus auch schneller auf Änderungen von Führungsgrößen. Dieser Fall tritt beim Walzen häufig auf. Im Vergleich zu einem konventionellen Elektromotor ist ein HTS-Motor also schneller regelbar, was insbesondere bei dessen Einsatz in einer Walzstraße ein verbessertes und/ oder schnelleres Anstichverhalten und/ oder eine verbesserte Ski-Regelung erlaubt. Besonders vorteilhaft ist dies in schweren Warmwalz-Reversierstraßen. Als "Ski" wird ein ungewolltes Verformen des Bandes nach oben oder unten, d.h. senkrecht zur Transportrichtung bezeichnet.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist zumindest eine der Arbeitswalzen getriebelos oder mittels einem im Vergleich zu einem konventionellen Elektroantrieb verkleinerten Getriebe mit der Welle des Elektromotors verbunden. Mit anderen Worten erfolgt bei der ersten Variante die mechanische Verbindung zwischen der Welle des HTS-Motors und der Arbeitswalze des Walzgerüstes unter Verzicht auf drehmomentwandelnde mechanische Zwischenelemente (Getriebe). Beispielsweise kann die Welle des Elektromotors mit der Arbeitswalze über eine gemeinsame Welle oder eine Spindel verbunden sein. Als Spindel wird z.B. eine Doppelgelenkwelle mit zwei endseitig vorhandenen Kardangelenken verstanden, die der Drehmomentenübertragung zwischen der Antriebswelle des Motors und der Arbeitswalze des Walzgerüsts dient. Der Verzicht auf ein Getriebe bringt nicht nur einen Kostenvorteil mit sich, sondern erhöht auch die Zuverlässigkeit und die Variabilität des Walzgerüstes. Gemäß der Eigenschaft des HTS-Motors im Vergleich zu einem konventionellen Motor bei vergleichbarer Baugröße ein erhöhtes Drehmoment bereitstellen zu können, kann - als zweite Variante - die Größe des Getriebes verkleinert werden. Beide Varianten erlauben eine Kostenminderung des Gesamtsystems. Die Variante ohne Getriebe ist wartungsärmer.
  • Eine spezielle Konfiguration des Walzgerüstes, in welcher erfindungsgemäß der HTS-Motor vorteilhaft zum Einsatz kommt, sind die sogenannten Zwillingsantriebe ("Twin-Drives"), bei denen jede der Arbeitswalzen von einem Elektromotor angetrieben wird. Entsprechend ist nach einer weiteren Ausführungsform das Walzgerüst so ausgestaltet, dass dieses mehrere HTS-Motoren umfasst, wobei jede der Arbeitswalzen - vorzugsweise wie vorbeschrieben direkt oder mit verkleinertem Getriebe - mit der Welle eines der HTS-Motoren mechanisch verbunden ist. Da im Vergleich mit konventionellen Elektromotoren die HTS-Motoren bei gleichem Drehmoment eine geringere Baugröße aufweisen, z.B. bedingt durch einen kleineren Ständerdurchmesser, kann der Abstand der Antriebswellen der Motoren zueinander verringert werden. Dies macht sich auch noch dadurch positiv bemerkbar, dass gleichzeitig die vorhandene Neigung der Spindeln verringert werden kann oder bei gleichbleibender Spindelneigung das Drehmoment der Motoren erhöht werden kann. Durch eine Reduzierung der Spindelneigung kann deren Verschleiß, insbesondere in den Kardangelenken, verringert werden. Als dritte Maßnahme/ Variante kann auch die Spindellänge verkürzt werden mit der Folge eines besseren Regelverhaltens, denn lange Spindeln wirken wie Federn.
  • Bei einem Twin-Drive sind die Elektromotoren unmittelbar nebeneinander oder örtlich übereinander (zueinander versetzt) angeordnet. Nach einer weiteren Ausführungsform weisen diese daher vorteilhaft ein gemeinsames Kühlsystem auf.
  • Der Einsatz eines HTS-Motors ist jedoch nicht nur bei direkt angetriebenen Walzgerüsten, wie den vorgenannten Twin-Drives vorteilhaft, sondern auch bei einem Walzgerüst, welches nach einer weiteren Ausführungsform zwei Arbeitswalzen umfasst, die über ein Verzweigungsgetriebe mechanisch gekoppelt sind, wobei dieses antriebsseitig an die Welle des Elektromotors gekoppelt ist. Gemäß einer Weiterbildung handelt es sich bei dem Verzweigungsgetriebe um ein Kammwalzengetriebe, da dieses hohen Drehmomenten standhält.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform handelt es sich bei dem Rotationswerkzeug um eine Haspel. Alternativ handelt es sich bei dem Rotationswerkzeug um eine Trommelschere. Sowohl bei einer Haspel als auch bei einer Trommelschere müssen hohe Drehmomente in der kurzen Zeit der Beschleunigungs- und/oder Abbremsphase aufgebracht werden, um das Rotationswerkzeug auf die gewünschte Betriebsdrehzahl zu beschleunigen oder abzubremsen. Aufgrund seines geringen Trägheitsmomentes und überlegenen Regelverhaltens ist ein HTS-Motor besonders geeignet.
  • Das Material der Wicklungen des HTS-Motors umfasst nach einer weiteren Ausführungsform metallisches LTC-Supraleitermaterial ("LTC"= Low Temperature Conducting). Geeignet ist beispielsweise wismutbasiertes Supraleitermaterial, welches technisch erprobt, widerstandsfähig und somit leicht zu verarbeiten ist. Das Supraleitermaterial für die Wicklungen des HTS-Motors kann so ausgewählt werden, dass dieses eine kritische Stromdichte von mehr als 300 A/mm2 bei einer Betriebstemperatur von 4,2 K aufweist.
  • Zur Reduzierung des kühltechnischen Aufwandes ist es zweckmäßig, dass das Material der Wicklungen des HTS-Motors metalloxidisches HTC-Supraleitermaterial ("HTC" = High Temperature Conducting) enthält. Als HTC-Supraleitermaterial ist beispielsweise YBCuO geeignet, welches eine höhere Sprungtemperatur als metalloxidisches LTC-Supraleitermaterial aufweist. Der kühltechnische Aufwand beim Betrieb eines HTS-Motors mit Wicklungen aus HTC-Supraleitermaterial, ist daher entsprechend geringer.
  • Vorzugsweise wird daher eine Betriebstemperatur zwischen 10 und 40 K, vorzugsweise zwischen 20 und 30 K, für die Wicklungen des HTS-Motors vorgesehen. In dem genannten Temperaturbereich weist metalloxidisches HTC-Supraleitermaterial außerdem eine hohe kritische Stromdichte und ein hohes kritisches Feld auf.
  • Die erfindungsgemäße Walzstraße dient der Bearbeitung von Walzgut mit dem erfindungsgemäßen Rotationswerkzeug. Wesentliche im Zusammenhang mit dem Rotationswerkzeug genannte Vorteile treffen in gleicher Weise auf die erfindungsgemäße Walzstraße zu. Die Walzstraße weist wenigstens ein ("1") Walzgerüst auf.
  • Gemäß einer Weiterbildung handelt es sich bei dem Rotationswerkzeug um ein Walzgerüst, wobei die Walzstraße eine Mehrzahl von in einer Walzrichtung unmittelbar benachbarten Walzgerüsten, insbesondere im Tandembetrieb, umfasst.
  • Die Walzstrasse ist entweder eine Vorstrasse und - mit besonderem Vorteil - eine Fertigstrasse eines Warmwalzwerks.
  • Dabei umfasst die Walzstrasse, die insbesondere eine Fertigstrasse eines Warmwalzwerkes oder Warmbandwalzwerkes ist, zweckmäßigerweise mehrere Elektromotoren mit supraleitenden Wicklungen und es ist bei mindestens drei oder mindestens vier der Walzgerüste jeweils wenigstens eine der Arbeitswalzen getriebelos mit der Welle eines der Elektromotoren verbunden.
  • Es wurde erkannt, dass die Walzgerüste in einer Walzstrasse, bedingt durch die räumliche Ausdehnung von Walzgerüst, Getriebe und Elektromotoren, einen Mindestabstand einhalten müssen, der minimale Abstand der Walzgerüste ist durch die Größe der Gerüstständer, von ggf. nötigen Zwischengerüsttransporteinrichtungen, von Elektromotoren bzw. Getriebe begrenzt. Durch die Verwendung von Walzgerüsten, deren Antrieb über einen HTS-Motor erfolgt, kann der minimale Abstand unmittelbar benachbarter Walzgerüste und so beispielsweise die unerwünschte Abkühlung des Walzguts durch verringerte thermische Abstrahlung vermindert werden.
  • Besonders vorteilhaft weisen in einer solchen Anordnung, gemäß einer weiteren Ausführungsform, benachbarte Walzgerüste ein gemeinsames Kühlsystem auf.
  • Besonders bei kontinuierlichen Warmwalzstrassen bedingt der Abstand zwischen den Walzgerüsten unerwünschte Veränderungen der Zustandsgrößen des Walzgutes. Der Gerüstabstand heutiger Warmwalzwerke in konventioneller Bauweise beträgt typischerweise mehr als 5,0 m bis 5,5 m. Infolge solcher Abstände kann sich das Walzgut beispielsweise zwischen den einzelnen Walzstichen zu stark abkühlen oder Zunder auf der Oberfläche bilden. Solche Effekte müssen durch zusätzliche Aggregate wie beispielsweise einem Induktionsofen oder einem Entzunderungsaggregat kompensiert werden. Der Einsatz solcher Zusatzaggregate sowie ihre Integration in die Walzstrasse ist einerseits teuer zum anderen resourcen-intensiv.
  • Der Abstand der Walzgerüste kann durch den Einsatz von Antriebsmotoren mit supraleitenden Wicklungen verringert werden, wodurch zusätzliche Aggregate z.B. zur Entzunderung oder zum Aufheizen des Walzgutes entfallen können.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind bei der Walzstrasse, bei der es sich insbesondere um eine Warmbreitbandstrasse oder/und um eine Fertigstrasse eines Warmbandwalzwerks, vorzugsweise in Tandem-Ausführung, handelt, zumindest zwei der Walzgerüste für eine maximale Walzkraft von mehr als 1500 t, insbesondere von mehr als 2000 t, mehr als 2500 t, mehr als 3000 t, mehr als 3500 t oder mehr als 4000 t, ausgelegt und diese beiden Walzgerüste weisen hierbei in Walzrichtung voneinander einen Abstand von weniger als 5,0 m, vorzugsweise von weniger als 4,5 m, weniger als 4,3 m, weniger als 4,0 m, weniger als 3,9 m, weniger als 3,7 m oder weniger als 3,5 m auf.
  • Der Abstand der Walzgerüste bestimmt sich hierbei als Abstand der Drehachsen der Arbeitswalzen benachbarter Walzgerüste in Walzrichtung.
  • Weiterhin bevorzugt weist die Walzstrasse eine - zum Beispiel als Teil der Prozessautomatisierung ausgebildete - Steuer-und/ oder Regeleinrichtung auf, insbesondere zur Steuerung einer Heizeinrichtung, einer Kühlstrecke, einer Fertigstaffel und/ oder einer Geschwindigkeit der Walzstrasse, die derart ausgebildet ist, dass ein infolge der HTS-Motoren gegenüber einer Verwendung konventioneller Motoren reduzierter Wärmeverlust im Walzgut berücksichtigt ist. Dies kann durch Implementierung in einem zugrundeliegenden Modell erfolgen. Besonders zweckmäßig ist die Berücksichtigung des verminderten Wärmeverlusts im Prozessautomatisierungssystem der Fertigstaffel, unter anderem bei der Regelung auf die Fertigbandtemperatur und/ oder auf die Haspeltemperatur.
  • Mit Vorzug ist eine optionale - ggf. zwischen den Walzgerüsten vorhandene - Transporteinrichtung als vertikaler Schlingenheber ausgebildet. Damit wird eine weitere Verringerung des Gerüstabstandes erreicht.
  • Gemäß einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform ist die Walzstraße Teil einer Gieß-Walz-Verbund-Anlage zur kontinuierlichen Herstellung von Warmband. Die Verarbeitungsgeschwindigkeit einer Gieß-Walz-Verbund-Anlage ist durch die Geschwindigkeit der Gießeinrichtung (Caster) bestimmt. Die zwischen den einzelnen Walzstichen auftretenden Zustandsveränderungen des Walzgutes, beispielsweise dessen Abkühlung, können folglich nicht in einfacher Weise durch eine Erhöhung der Walzgeschwindigkeit kompensiert werden. Die Erfinder haben erkannt, dass eine Verringerung des Abstands der Walzgerüste somit eine sehr vorteilhafte Möglichkeit darstellt, zwischengeschaltete Aggregate, wie beispielsweise Entzunderungsanlagen oder Induktionsöfen wirksam zu vermeiden oder weniger aufwändig auszugestalten. Ein verringerter Abstand der Walzgerüste kann durch Einsatz eines HTS-Motors erreicht werden.
  • Vorzugsweise ist bei der Gieß-Walz-Verbund-Anlage, die eine vor oder nach der Walzstraße angeordnete Heizeinrichtung zur Erwärmung des von einer Gießeinrichtung gegossenen Bandes aufweist, die Heizeinrichtung bezüglich ihrer Heizleistung unter Berücksichtigung eines infolge der verwendeten Elektromotoren reduzierten Wärmeverlustes im Walzgut oder Band hergerichtet.
  • Im Grenzfall kann die Gieß-Walz-Verbund-Anlage ganz ohne eine solche Heizeinrichtung ausgeführt werden.
  • Die verfahrensbezogene Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Gieß-Walz-Verbundanlage, wobei Walz- oder Bandgut - vorzugsweise aus Stahl - mit einem Massendurchsatz (m als Masse pro Zeit) durch die Walzstraße transportiert wird und wobei die Heizeinrichtung mit einer Heizleistung (P) betrieben wird gemäß: 0 ≤ P < k ⋅ m ˙
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    wobei für den Faktor k gilt: k = 0,14(MW·h/t), insbesondere k = 0,13(MW·h/t), k = 0,12(MW·h/t) oder k = 0,11(MW·h/t). Dabei steht MW für Megawatt, h für Stunden und t für (metrische) Tonnen.
  • Im Rahmen der Erfindung liegt auch ein Verfahren zur Leistungssteigerung einer bestehenden Walzstrasse umfassend mindestens ein Walzgerüst mit nicht-supraleitendem und in einem begrenzten Bauraum angeordnetem Motorantrieb. Bei dem Leistungssteigerungsverfahren wird der nicht-supraleitende Motor durch einen die Bauraumbegrenzung nicht überschreitenden HTS-Motor, also einen Elektromotor mit supraleitenden Wicklungen, ersetzt, der derart ausgelegt ist, dass das maximale Walzmoment im Walzgerüst gegenüber der bestehenden Walzstrasse vergrößert ist. Es wird entweder nur der Rotor supraleitend ausgelegt, oder nur der Stator, oder beide.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt deren
    • Figur 1
    eine Kaltwalz-Tandemstraße in schematischer Per- spektivansicht,
    Figur 2
    eine schematisierte Warmwalzstraße in Perspektivan- sicht,
    Figur 3
    einen Zwillingsantrieb ("Twin-Drive") eines Walzge- rüsts in einer schematischen Querschnittsansicht,
    Figur 4
    eine schematisierte Tandemwalzstraße in (geschnit- tener) Draufsicht,
    Figur 5
    eine schematisch dargestellte Gieß-Walz- Verbundanlage,
    Figur 6
    ein Walzkraft-Gerüstabstands-Diagramm, und
    Figur 7
    eine Walzgerüstausführung mit Schlingenheber, in einem schematischem Längsschnitt.
  • Eine Tandemkaltwalzstraße 2, wie sie Figur 1 zeigt, dient dem Herunterwalzen von Warmband 4 auf die vom Kunden gewünschte Dicke. Zu diesem Zweck wird das zu einem Coil aufgerollte Warmband 4 der Tandemkaltwalzstraße 2 mit Hilfe einer Abhaspel 6 in einer Walzrichtung W zugeführt. Die Dicke des Warmbandes 4 wird zunächst mit Hilfe eines Messgerätes 8 bestimmt, anschließend wird das Band in mehreren aufeinanderfolgenden Walzstichen mit Hilfe von Walzgerüsten 10 auf die gewünschte Dicke heruntergewalzt. Jedes der Walzgerüste 10 weist zumindest zwei Arbeitswalzen 12 und zwei Stützwalzen 14 auf, wobei das Walzgut, in diesem Fall das Warmband 4, zwischen den Arbeitswalzen 12 bearbeitet wird. Am Ende des Walzvorgangs wird das Band mit Hilfe einer Aufhaspel 16 erneut zu einem Coil aufgerollt. Zur Trennung des Bandes quer zur Walzrichtung W steht eine Querteilschere 18 zur Verfügung. Die Aufhaspel 16 wird von einem HTS-Motor 20 angetrieben. Die Welle des HTS-Motors 20 ist direkt mit der Achse der Aufhaspel 16 verbunden, d.h. es wird kein Getriebe zwischen dem HTS-Motor 20 und der Aufhaspel 16 verwendet. Gleiches trifft für den nicht in Figur 1 dargestellten Antrieb der Abhaspel 6 zu. Die Arbeitswalzen 12 der Walzgerüste 10 sind entweder als Twin-Drives, beispielhaft dargestellt für das in Walzrichtung W zweite Walzgerüst 10, oder unter Verwendung eines Verzweigungsgetriebes, in diesem Fall eines Kammwalzengetriebes 22, wie beispielhaft für das in Walzrichtung W dritte Walzgerüst 10 dargestellt, angetrieben. Bei dem als Twin-Drive ausgeführten Walzgerüst 10 sind beide Arbeitswalzen 12 jeweils direkt mit der Welle eines jeweils gesonderten HTS-Motors 20 (beide mit 20 bezeichnet)verbunden. Es erfolgt also ein direkter Antrieb der Arbeitswalzen 12, wobei auf ein Untersetzungsgetriebe verzichtet wird.
  • Alternativ können, wie bei dem in Walzrichtung W folgenden Walzgerüst 10 dargestellt ist, die Arbeitswalzen 12 über das Kammwalzengetriebe 22, welches antriebsseitig wiederum mit einem (hier nur einzigen) HTS-Motor 20 verbunden ist, angetrieben werden.
  • Die Auf- und Abhaspeln 16,6 sowie die Walzgerüste 10 sind mit einer gemeinsamen Steuer- und/oder Regeleinrichtung 105 verbunden, auf welche später im Detail eingegangen werden soll.
  • Figur 2 zeigt eine Warmwalzstraße 30 mit der vorgewärmte Brammen 32 zu Warmband 4 ausgewalzt werden. Zu diesem Zweck werden die Brammen 32 zunächst in einer Vorstraße 34 und später mit einer aus mehreren (hier: sieben) Walzgerüsten 10 bestehenden Fertigstaffel 36 (Fertigstraße) zu Warmband 4 ausgewalzt. Dieses wird mit Hilfe einer Aufhaspel 16 zu einem Coil aufgerollt. Die einzelnen Walzgerüste 10, die jeweils in zu Figur 1 ähnlicher Ausführung zwei Arbeitswalzen 12 und zwei Stützwalzen 14 aufweisen, sind sowohl in der Vorstrasse 34 als auch in der Fertigstaffel 36 durch HTS-Motoren 20 angetrieben. Gleiches trifft für die Aufhaspel 16 zu. Das gewalzte Band hat eine Breite von 0,6 m bis 1,8 m, typischerweise 0,8 m bis 1,6 m. Die Arbeitswalzen können bis zu 5,5 m breit sein (=entlang Rotationsachse gemessen).
  • Figur 3 zeigt eine stark schematisierte (Vertikal-) Querschnittsansicht eines Walzgerüstes 10 der Tandemkaltwalzstraße 2 der Figur 1 oder - besonders bevorzugt - der Warmwalzstraße 30 der Figur 2, dessen Arbeitswalzen 12 mit einem Zwillingsantrieb ("Twin-Drive") angetrieben sind. Zu diesem Zweck ist jede der Arbeitswalzen 12 mit ihrer Welle 23 über eine Spindel 24 mit der Motorwelle 25 eines HTS-Motors 20 verbunden. Die Verbindung zwischen der Welle 23 der Arbeitswalze 12 und der Spindel 24 sowie zwischen dieser und der Motorwelle 25 erfolgt jeweils mit Hilfe eines Kardangelenkes oder mittels Wellen mit Klauen. Im Vergleich zu ansonsten bei Twin-Drives eingesetzten konventionellen Elektromotoren weisen die in Figur 3 gezeigten HTS-Motoren 20 eine geringe Bauhöhe H auf. Dies führt dazu, dass der Abstand A der Motorwellen 25 kleiner als bei konventionellen Antrieben ist und somit die Spindelsteigung α gering ausfällt. Unter der Spindelsteigung α ist der Winkel zwischen der Spindel 24 und der Verlängerung der Welle 23 der Arbeitswalze 12 zu verstehen. Die Spindelsteigung α ergibt sich aus dem Versatz zwischen der Welle 23 der Arbeitswalze 12 und der Motorwelle 25, der von der Spindel 24 überbrückt wird. Vorzugsweise ist die Spindelsteigung α < 3°, z.B. 1,5° - 2,5°.
  • Die HTS-Motoren 20 weisen ein gemeinsames Kühlsystem 26 auf, mit dem ihre supraleitenden Wicklungen gekühlt werden. Bei dem Kühlsystem 26 handelt es sich um ein allgemein aus der Kryotechnik bekanntes, isoliertes Rohrsystem, in welchem ein Kältemittel zirkuliert und in welches eine Kälteeinheit 28 integriert ist. Diese umfasst üblicherweise einen Vorratsbehälter für das Kältemittel, bei dem es sich beispielsweise um flüssiges Helium, Neon, Stickstoff oder ein Gemisch dieser Gase handelt. Die Kälteeinheit 28 umfasst außerdem einen Kompressor oder einen Kaltkopf zur Verflüssigung des Kühlmittels. Die Zirkulation des Kühlmittels in dem Kühlsystem 26 kann mit Hilfe einer Pumpe erfolgen oder durch einen Thermosiphoneffekt getrieben sein.
  • Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung von vier Walzgerüsten 10 einer in Tandem-Anordnung ausgeführten Warmbandfertigstraße eines Warmwalzwerks, wie es beispielsweise Figur 2 als Fertigstaffel 36 des Warmwalzstraße 30 zeigt, in Drauf(quer)sicht. Die Walzgerüste 10 sind unter Verzicht von weiteren Aggregaten, wie beispielsweise Induktionsheizungen oder Entzunderungsanlagen in Walzrichtung W unmittelbar nebeneinander angeordnet, was durch die kompakte Baugröße ihrer zum Antrieb verwendeten HTS-Motoren 20 möglich ist. Die Walzgerüste 10 können dabei einen Abstand B voneinander erreichen, der bei herkömmlich angetriebenen Walzgerüsten 10 nicht zu erreichen ist. Als Abstand B wird dabei die Entfernung der Drehachsen D der Arbeitswalzen 12 in Walzrichtung W definiert.
  • Die Arbeitswalzen 12 werden von den HTS-Motoren 20 direkt angetrieben, d.h. die Welle 23 der Arbeitswalze 12 und die Motorwelle 25 der HTS-Motoren 20 bilden ein gemeinsames Bauteil. Die HTS-Motoren 20 der unmittelbar nebeneinander angeordneten Walzgerüste 10 weisen ein gemeinsames Kühlsystem 26 mit einer intergrierten Kälteeinheit 28 auf.
  • Infolge der kompakteren Ausführung und engeren Bauweise sind die Wärmeverluste erheblich verringert. Dies kann in einem für die Walzstraße in einem übergeordneten (nicht explizit gezeichneten) Leitsystem ablaufenden Kühlmodell zur Beinflussung der metallurgischen Veränderungen im Walzgut während des Walzens vorteilhaft berücksichtigt werden.
  • Figur 5 zeigt eine Gieß-Walz-Verbund-Anlage 40 mit endloser Bandproduktion, in welcher ausgehend von einer Gießplattform 42 in einer Dünnbrammengießeinrichtung 44 kontinuierlich Dünnbrammen erzeugt werden, welche über einen Rollgang 45 kontinuierlich, d.h. ohne Zerschneiden, Aufwickeln und Zwischenlagerung, einer ersten Walzstraße 46 ("High Reduction Mill") zugeführt werden. Die Motoren dieser Walzstraße 46 sind als HTS-Motoren ausgebildet. Gleiches gilt für die Antriebe der nachfolgenden optionalen Einrichtung 48 zum Zerteilen und/ oder Ausfördern, welche eine Pendelschere und einen "plate pusher" umfassen kann. Diese Einrichtung 48 ist insbesondere bei in Fertigungsrichtung nachfolgenden Betriebsstörungen bedeutsam. Auch eine optionale Schopfschere kann einen HTS-Antrieb aufweisen.
  • Es folgen eine Heizeinrichtung 52, eine Entzunderungseinrichtung 54, eine zweite Walzstraße 56 ("Finishing Mill"), eine Kühlstrecke 58, eine Endschere 60 zum Schneiden auf gewünschte Produktlänge sowie eine Aufwickelvorrichtung 62 für das fertige Produkt ("coil"). Die Antriebe der Walzen der zweiten Walzstraße 56 sind als HTS-Motoren ausgeführt, was ebenso wie bei den Walzen der ersten Walzstraße 46 besondere Platzvorteile mit sich bringt.
  • Durch die entsprechend kompakte und kurze Bauweise kann auf Einrichtungen zur Zufuhr zusätzlicher Wärme (z.B. "bar heater"), um ein unerwünschtes frühzeitiges Auskühlen des Bandes zu vermeiden, entweder ganz verzichtet werden oder die entsprechenden Einrichtungen werden kleiner dimensioniert als ohne Einsatz von HTS-Motoren. In der Figur 5 ist beispielhaft ein Induktionsofen als Heizeinrichtung 54 dargestellt, dessen Heizleistung P - bei gleichem Massendurchsatz - kleiner gewählt ist als mit konventionellen Elektromotoren. Bei einem Massendurchsatz m von 180 Tonnen Stahl pro Stunde (t/h) beträgt seine Heizleistung P = 25 Megawatt (MW), vorzugsweise nur 23 MW oder nur 19 MW.
  • Die Erfindung hat nicht nur Auswirkungen auf die Dimensionierung einer Walzanlage, sondern auch auf die Ansteuerung der Anlage und ihrer Komponenten. Daher ist eine Steuer- und/ oder Regeleinrichtung 105 (Figuren 1, 2, 5) der Walzstrasse 2, 30, 46 bzw. 56 bzw. der Gieß-Walz-Verbund-Anlage 40 zur Steuerung einer Heizeinrichtung 52, einer Fertigstaffel 56, einer Kühlstrecke 58 und/ oder einer Geschwindigkeit der Walzstrasse, derart ausgebildet, dass ein infolge der verwendeten supraleitenden Elektromotoren gegenüber einer Verwendung konventioneller Motoren reduzierter Wärmeverlust berücksichtigt ist.
  • Figur 6 zeigt im schraffierten Bereich 100 die erfindungsgemäß bevorzugte Auslegung von Walzstrassen, zum Beispiel von Fertigstrassen eines Warmbreitwalzwerks, wobei der Abstand B in Walzrichtung zweier Walzgerüste nach oben und die von den Walzgerüsten maximal erzeugbare Walzkraft F nach rechts angegeben ist. "Kleinanlagen" mit einer maximalen Walzkraft von weniger als 1000 t (metrische Tonnen) werden im Beispiel nicht betrachtet. Der Gerüstabstand B ist erfindungsgemäß auch bei sehr großen Walzkräften kleiner als 5 m (Linie 101). Die Gerade 102 verdeutlicht die Erkenntnis, dass mit zunehmender Walzkraft immer mehr Platz für die Antriebssysteme und Motoren benötigt wird, weil diese gegen zunehmende Kräfte im Walzspalt arbeiten müssen, so dass letztlich der Gerüstabstand steigt.
  • Die Gerade 102 kann beschrieben werden durch folgende Gleichung:
    Bmax = a + F · b ,
    wobei a = 2 m, b = 1 m/1000 t
    oder a = 2,5 m, b = 1 m/2000 t
    oder a = 0 m, b = 1 m/500 t
  • Erfindungsgemäß, d.h. bei Verwendung eines oder mehrerer HTS-Motoren, wird für eine bestimmte von dem Walzgerüst aufzubringende Walzkraft F der Abstand B der Walzgerüste kleiner gewählt als sich der aus der Formel ergebende Wert für Bmax:
    B = Bmax - c ,
    wobei c = 0, 4 m, 0, 6 m, 0, 8 m, 1, 0 m, 1, 2 m oder 1, 4 m.
    Figur 7 zeigt eine optionale Ausführung zur weiteren Verminderung des Gerüstabstandes B, bei welcher zwischen zwei Walzgerüsten 10 ein Schlingenheber 110 als Transporteinrichtung vorhanden ist. Ein Stellzylinder 112 führt im Wesentlichen nur eine Vertikal- oder Auf- und Abwärtsbewegung zur Stützung des Bandes 4 aus und benötigt damit sehr wenig Bauraum.

Claims (20)

  1. Rotationswerkzeug (6,10,16) zur Verarbeitung von Walzgut (4,32), insbesondere bestehend aus Stahl, Aluminium, Kupfer oder Titan, in einer Walzstrasse (2,30), welches von einem Elektromotor (20) mit supraleitenden Wicklungen angetrieben ist.
  2. Rotationswerkzeug (6,10,16) nach Anspruch 1, wobei das Rotationswerkzeug (6,10,16) ein Walzgerüst (10) ist, welches zumindest zwei Arbeitswalzen (12) aufweist, zwischen denen das Walzgut (4,32) bearbeitbar ist, und wobei zumindest eine der Arbeitswalzen (12) von dem Elektromotor (20) angetrieben ist.
  3. Rotationswerkzeug (6,10,16) nach Anspruch 2, bei dem zumindest eine der Arbeitswalzen (12) getriebelos oder mittels einem im Vergleich zu einem konventionellen Elektroantrieb verkleinerten Getriebe mit der Welle (25) des Elektromotors (20) verbunden ist.
  4. Rotationswerkzeug (6,10,16) nach Anspruch 2 oder 3, mehrere Elektromotoren (20) mit supraleitenden Wicklungen umfassend, wobei die Arbeitswalzen (12) jeweils mit der Welle (25) eines der Elektromotoren (20) mechanisch verbunden sind.
  5. Rotationswerkzeug (6,10,16) nach Anspruch 4, bei dem die Elektromotoren (20) ein gemeinsames Kühlsystem (26) aufweisen.
  6. Rotationswerkzeug (6,10,16) nach Anspruch 2, zwei Arbeitswalzen (12) umfassend, die über ein Verzweigungsgetriebe (22) mechanisch gekoppelt sind, wobei das Verzweigungsgetriebe (22) antriebsseitig mit der Welle (25) des Elektromotors (20) verbunden ist.
  7. Rotationswerkzeug (6,10,16) nach Anspruch 1, wobei das Rotationswerkzeug (6,10,16) eine Haspel (6,16) ist.
  8. Rotationswerkzeug (6,10,16) nach Anspruch 1, wobei das Rotationswerkzeug (6,10,16) eine Trommelschere ist.
  9. Walzstrasse (2,30), insbesondere Warmwalzstraße, zur Bearbeitung von Walzgut (4,32) mit zumindest einem Rotationswerkzeug (6,10,16) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
  10. Walzstrasse (2,30) nach Anspruch 9, wobei das Rotationswerkzeug (6,10,16) ein Walzgerüst (10) ist, und die Walzstrasse (2,30) eine Mehrzahl von in einer Walzrichtung (W) unmittelbar benachbarten Walzgerüsten (10) umfasst.
  11. Walzstrasse (2,30) nach Anspruch 10, insbesondere Fertigstrasse eines Warmwalzwerkes, mehrere Elektromotoren (20) mit supraleitenden Wicklungen umfassend, wobei bei mindestens drei oder mindestens vier der Walzgerüste (10) jeweils wenigstens eine der Arbeitswalzen (12) getriebelos mit der Welle (25) eines der Elektromotoren (20) verbunden ist.
  12. Walzstrasse (2,30) nach Anspruch 10 oder 11, bei dem die Elektromotoren (20) benachbarter Walzgerüste (10) ein gemeinsames Kühlsystem (26) aufweisen.
  13. Walzstrasse (2,30) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, insbesondere Warmbreitbandstrasse oder/und Fertigstrasse eines Warmbandwalzwerks, vorzugsweise in Tandem-Ausführung, bei der zumindest zwei der Walzgerüste (10) für eine maximale Walzkraft (F) von mehr als 1500 t, insbesondere von mehr als 3000 t oder mehr als 4000 t, ausgelegt sind und voneinander einen Abstand (B) von weniger als 5,0 m, vorzugsweise weniger als 4,5 m oder weniger als 4,0 m, aufweisen.
  14. Walzstrasse (2,30) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei eine Steuer- und/ oder Regeleinrichtung (105), insbesondere zur Steuerung einer Heizeinrichtung (52), einer Fertigstaffel, einer Kühlstrecke (58) und/ oder einer Geschwindigkeit der Walzstrasse, derart ausgebildet ist, dass ein infolge der verwendeten supraleitenden Elektromotoren (20) gegenüber einer Verwendung konventioneller Motoren reduzierter Wärmeverlust des Walzguts (4; 32) berücksichtigt ist.
  15. Walzstrasse (2,30) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei zwischen den Walzgerüsten (10) eine Transporteinrichtung vorhanden ist, die als vertikaler Schlingenheber (110) ausgebildet ist.
  16. Gieß-Walz-Verbund-Anlage (40) zur kontinuierlichen Herstellung von Warmband (4) mit einer - einer Gießeinrichtung (44) nachgeordneten - Walzstrasse (2,30; 46) nach einem der Ansprüche 9 bis 15.
  17. Gieß-Walz-Verbund-Anlage (40) nach Anspruch 16 ohne Heizeinrichtung (54) zur Erwärmung des von der Gießeinrichtung (44) gegossenen Bandes.
  18. Gieß-Walz-Verbund-Anlage (40) nach Anspruch 16, mit einer vor oder nach der Walzstraße (46) angeordneten Heizeinrichtung (54) zur Erwärmung des von der Gießeinrichtung (44) gegossenen Bandes, wobei die Heizeinrichtung (54) bezüglich ihrer Heizleistung (P) unter Berücksichtigung eines infolge der verwendeten Elektromotoren (20) reduzierten Wärmeverlustes im Walzgut (4; 32) oder Band hergerichtet ist.
  19. Verfahren zum Betrieb einer Gieß-Walz-Verbundanlage (40) nach Anspruch 18, wobei Walzgut - vorzugsweise aus Stahl - mit einem Massendurchsatz (m) durch die Walzstraße (46) transportiert wird und wobei die Heizeinrichtung (54) mit einer Heizleistung (P) betrieben wird gemäß: P < k ⋅ m ˙
    Figure imgb0002
    wobei für den Faktor k gilt: k = 0,14(MW·h/t), insbesondere k = 0,13(MW·h/t), k = 0,12 (MW·h/t) oder k = 0, 11 (MW·h/t) .
  20. Verfahren zur Leistungssteigerung einer bestehenden Walzstrasse umfassend mindestens ein Walzgerüst (10) mit nicht-supraleitendem und in einem begrenzten Bauraum angeordneten Motorantrieb, wobei der nicht-supraleitende Motor durch einen die Bauraumbegrenzung nicht überschreitenden Elektromotor (20) mit supraleitenden Wicklungen ersetzt wird, der derart ausgelegt ist, dass das maximale Walzmoment im Walzgerüst (10) gegenüber der bestehenden Walzstrasse vergrößert ist.
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