EP2437900A1 - Energiesparende walzstrasse und energiesparendes verfahren zum betrieb einer giess-walz-verbundanlage - Google Patents

Energiesparende walzstrasse und energiesparendes verfahren zum betrieb einer giess-walz-verbundanlage

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EP2437900A1 EP10724421A EP10724421A EP2437900A1 EP 2437900 A1 EP2437900 A1 EP 2437900A1 EP 10724421 A EP10724421 A EP 10724421A EP 10724421 A EP10724421 A EP 10724421A EP 2437900 A1 EP2437900 A1 EP 2437900A1
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Abstract

Es wird eine Walzstraße (2; 30; 56) zur Verarbeitung von Walzgut (4, 32) beschrieben, bei der mindestens drei Walzgerüste (10) in Walzrichtung unmittelbar benachbart sind und von Elektromotoren (20) mit supraleitenden Wicklungen angetrieben sind. Damit lassen sich geringere Abstände zwischen den Walzgerüsten realisieren als mit konventionellen Elektroantrieben, so dass die Energieverluste beim Walzen vermindert sind. 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

Beschreibung
Energiesparende Walzstraße und energiesparendes Verfahren zum Betrieb einer Gieß-Walz-Verbundanlage
Die Erfindung betrifft eine Walzstraße, insbesondere Warmwalzstraße, Warmbreitbandstraße oder/und Fertigstraße eines Warmwalzwerks, zur Verarbeitung von Walzgut, insbesondere bestehend aus Stahl, Aluminium, Kupfer oder Titan, mit einer Mehrzahl von in einer Walzrichtung unmittelbar benachbarten Walzgerüsten, wobei die Walzgerüste jeweils zumindest zwei Arbeitswalzen aufweisen, zwischen denen das Walzgut bearbeitbar ist. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf 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, Warmoder Kaltband, Bleche, Rohre, etc. aus Materialien wie Eisen, Stahl, Nichteisenmetallen oder anderen metallischen Werkstoffen werden großindustriell in Walzstraßen verschiedenen Ver- arbeitungs- 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 Strangguss- einrichtung, z.B. einem „continuous casting System" erhalten. In modernen Gieß-Walz-Verbund-Anlagen kann Warmband in einem kontinuierlichen Prozess, insbesondere endlos, hergestellt werden. Eine Gieß-Walz-Verbund-Anlage ist z.B. in WO 96/01710 oder in DE 694 08 595 T2 offenbart.
Die maßgebliche Komponente zur Bearbeitung von Walzgut ist ein Walzgerüst, mit dem z.B. Brammen in aufeinander folgenden Walzstichen zu einem Band ausgewalzt werden können. Walzge- rüste kommen in nahezu allen Walzstrassen, insbesondere in Warm- und Kaltwalzstrassen zum Einsatz.
Nach dem Warmwalzen können die Bänder weiteren Bearbeitungs- schritten 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 Kaltwalz- strasse befindet sich üblicherweise eine Aufwickelhaspel zur Aufnahme des gewalzten Bandes, im kontinuierlichen Prozess ggf. mit einer Schere kombiniert.
Beim Walzen müssen hohe Drehmomente zur Bearbeitung des Walzgutes aufgebracht werden. Aus diesem Grund werden leistungs- starke Elektromotoren zum Antrieb der Walzen eingesetzt, deren Drehmoment vielfach mit Hilfe eines Untersetzungsgetriebes weiter vergrößert wird. DE 199 11 751 Cl beschreibt eine Antriebseinrichtung für ein Walzgerüst. Leistungsstarke Elektromotoren ebenso wie entsprechend geeignete Getriebe sind sehr schwer und voluminös.
Die Elektromotoren samt Getrieben müssen - bezogen auf die Verarbeitungsrichtung des Walzgutes - seitlich angeordnet werden und vergrößern dadurch den durch eine Fabrikhalle zu überbauenden Raumbedarf erheblich. JP 10-235416 schlägt alternativ dazu vor, einen kompakten supraleitenden Elektromotor in das Innere einer Walze eines Walzgerüstes zu integrieren. Eine solche Ausgestaltung zieht mechanische Probleme nach sich, da die betreffende Walze mit ihrer somit vermin- derten Stabilität Verformungen bei hohen Walzkräften erleiden wird. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Walzstraße zur Verarbeitung von Walzgut und eine Gieß-Walz-Verbund- Anlage mit einer solchen Walzstraße sowie ein Betriebsverfahren für die Gieß-Walz-Verbund-Anlage und ein Verfahren zur Leistungssteigerung einer Walzstraße anzugeben, welches/welche vermittels seines/ihres Antriebskonzeptes die metallurgischen und Herstellungsprozesse beim Walzen vereinfachen, in ihrer Energieeffizienz verbessern und/ oder flexibler gestalten lässt/lassen .
Hinsichtlich der Walzstraße wird die erfindungsgemäße Aufgabe gelöst durch eine Walzstraße mit den Merkmalen nach Anspruch 1. Bezüglich der Gieß-Walz-Verbund-Anlage wird die erfindungsgemäße Aufgabe gelöst durch eine Gieß-Walz-Verbund- Anlage nach Anspruch 8, in Bezug auf das Betriebsverfahren durch ein Verfahren nach Anspruch 11 und in Bezug auf das Verfahren zur Leistungssteigerung durch ein Verfahren nach Anspruch 12.
Die Walzstraße umfasst eine Mehrzahl, insbesondere mindestens drei oder vier, von in Walzrichtung unmittelbar benachbarten Walzgerüsten, insbesondere im Tandembetrieb.
Die Walzstrasse ist entweder eine Vorstrasse und - mit beson- derem Vorteil - eine Fertigstrasse eines Warmwalzwerks oder Warmbandwalzwerkes .
Dabei umfasst die Walzstrasse mehrere seitlich angeordnete Elektromotoren mit supraleitenden Wicklungen und es ist bei mindestens drei oder mindestens vier der Walzgerüste jeweils wenigstens eine der Arbeitswalzen, vorzugsweise getriebelos, mit der Welle eines der Elektromotoren verbunden.
Als Walzgut kommen beispielsweise Brammen, Warmband, KaIt- band, Grob- oder Feinbleche, Rohre, etc. aus Eisen, Stahl,
Nichteisenmetallen wie beispielsweise Aluminium, etc. in Betracht . Ein Elektromotor mit elektrisch 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 Ausgestaltung der Walzstraße liegen die folgenden Überlegungen zugrunde:
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 weisen die Antriebe eine große Baugröße auf. Die große räumliche Ausdehnung von Getriebe und Motor sowie deren hohes Gewicht führen dazu, dass die Kon- struktion einer kompakten Walzstrasse bislang nur bedingt möglich ist.
Beispielsweise ergeben sich aus dem resultierenden Platzbedarf der bislang verwendeten konventionellen Elektromotoren 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 Warmwalzpro- zess 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.
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 Zwischengerüst- transporteinrichtungen, von Elektromotoren bzw. Getriebe begrenzt. Durch die Verwendung von Walzgerüsten, deren Antrieb über einen HTS-Motor erfolgt, kann der minimale Abstand un- mittelbar benachbarter Walzgerüste und so beispielsweise die unerwünschte Abkühlung des Walzguts durch verringerte thermische Abstrahlung vermindert werden.
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 in einem Walzwerk erhebliche Energieeinsparpoten- tiale (niedrigere Verlustleistung) und wegen möglicher verminderter Aggregatsabstände auch Kostenvorteile mit sich bringt. Von besonderem Vorteil ist dies bei Gieß-Walz-Ver- bundanlagen .
Die Walzgerüste der Walzstraße weisen zumindest zwei Arbeitswalzen auf, zwischen denen das Walzgut bearbeitbar ist, wobei zumindest eine der Arbeitswalzen von einem HTS-Motor angetrieben ist. Ein solches Walzgerüst ist sowohl in Warm- als auch in Kaltwalzstraßen einsetzbar. Während es in einer Warm- Walzstraße 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 Quarto- walzgerüst 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 Erfin- der 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 Arbeitswal- zen getriebelos oder mittels einem im Vergleich zu einem konventionellen Elektroantrieb verkleinerten Getriebe mit der Welle eines der Elektromotoren 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 vorhande- nen 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 Walzgerüs- tes. 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 auf- weisen, 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 mit der Welle eines der Elektromotoren gekoppelt ist. Gemäß einer Weiterbildung handelt es sich bei dem Verzweigungsgetriebe um ein Kammwalzengetriebe, da dieses hohen Drehmomenten standhält.
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 zweckmä- ßig, dass das Material der Wicklungen des HTS-Motors metall- oxidisches 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 .
Besonders vorteilhaft weisen gemäß einer weiteren Ausführungsform die HTS-Motoren, insbesondere diejenigen benachbarter 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 Entzunderungs- aggregat 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 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 wei- sen 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 Fertig- Staffel, 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 Schlin- genheber 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 Zustandsver- änderungen des Walzgutes, beispielsweise dessen Abkühlung, können folglich nicht in einfacher Weise durch eine Erhöhung der Walzgeschwindigkeit kompensiert werden. Die Erfinder ha- ben erkannt, dass eine Verringerung des Abstands der Walzgerüste somit eine sehr vorteilhafte Möglichkeit darstellt, zwischengeschaltete Aggregate, wie beispielsweise Entzunde- rungsanlagen oder Induktionsöfen wirksam zu vermeiden oder weniger aufwändig auszugestalten. Ein verringerter Abstand der Walzgerüste kann durch Einsatz von HTS-Motoren 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 ge- löst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Gieß-Walz-Ver- bundanlage, wobei Walz- oder Bandgut - vorzugsweise aus Stahl - mit einem Massendurchsatz ( m als Masse pro Zeit) durch die Walzstraße transportiert wird und wobei die Heiz- einrichtung mit einer Heizleistung (P) ausgestattet und/oder betrieben wird gemäß:
0 ≤ P < k ■ m
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 Leis- tungssteigerungsverfahren 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 ver- größert 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- sieht,
Figur 3 einen Zwillingsantrieb („Twin-Drive") eines Walzge- rüsts in einer schematischen Querschnittsansicht,
Figur 4 eine schematisierte Tandemwalzstraße in (geschnittener) Draufsicht, Figur 5 eine schematisch dargestellte Gieß-Walz- Verbundanlage,
Figur 6 ein Walzkraft-Gerüstabstands-Diagramm, und Figur 7 eine Walzgerüstausführung mit Schiingenheber, 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 Ab- haspel 6 in einer Walzrichtung W zugeführt. Die Dicke des Warmbandes 4 wird zunächst mit Hilfe eines Messgerätes 8 be- stimmt, 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, zwi- sehen 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 Abhaspei 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 ausge- führten 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 Vorstras- se 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, typischer- weise 0,8 m bis 1,6 m. Die Arbeitswalzen können bis zu 5,5 m breit sein (=entlang Rotationsachse gemessen) .
Bei beiden vorgenannten Ausführungsbeispielen sind die HTS- Motoren 20 seitlich bezüglich der Walzrichtung W und seitlich der Walzgerüste angeordnet.
Figur 3 zeigt eine stark schematisierte (Vertikal-) Querschnittsansicht eines Walzgerüstes 10 der Tandemkaltwalzstraße 2 der Figur 1 oder - besonders bevorzugt - der Warmwalz- Straße 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 Arbeits- walze 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 wei- sen 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 Spindel- Steigung 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 Thermo- siphoneffekt getrieben sein.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung von vier Walzgerüsten 10 einer in Tandem-Anordnung ausgeführten Warmbandfer- tigstraße eines Warmwalzwerks, wie es beispielsweise Figur 2 als Fertigstaffel 36 des Warmwalzstraße 30 zeigt, in Drauf (quer) sieht . 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 WaIz- gerüste 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 an- getrieben, 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 integrierten 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 Beein- flussung 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 Gießplatt- form 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 Reducti- on MiIl") 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 Be- triebsstörungen bedeutsam. Auch eine optionale Schopfschere kann einen HTS-Antrieb aufweisen.
Es folgen eine Heizeinrichtung 52, eine Entzunderungsein- richtung 54, eine zweite Walzstraße 56 („Finishing MiIl"), 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 hea- ter"), 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 bei- spielhaft 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 Mega- watt (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 verwen- deten supraleitenden Elektromotoren gegenüber einer Verwendung konventioneller Motoren reduzierter Wärmeverlust berücksichtigt ist.
Figur 6 zeigt im schraffierten Bereich 100 die erfindungsge- maß 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 zuneh- mender 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 aufzu- bringende 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 Schiingenheber 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

Patentansprüche
1. Walzstrasse (2;30;56), insbesondere Warmwalzstraße, Warmbreitbandstraße oder/und Fertigstraße eines Warmwalzwerkes, zur Verarbeitung von Walzgut (4,32), insbesondere bestehend aus Stahl, Aluminium, Kupfer oder Titan,
- mit einer Mehrzahl von in einer Walzrichtung (W) unmittelbar benachbarten Walzgerüsten (10),
- wobei die Walzgerüste (10) jeweils zumindest zwei Arbeits- walzen (12) aufweisen, zwischen denen das Walzgut (4,32) bearbeitbar ist,
- umfassend mehrere seitlich neben den Walzgerüsten (10) angeordnete Elektromotoren (20) mit supraleitenden Wicklungen,
- wobei bei mindestens drei oder mindestens vier der Walzge- rüste (10) jeweils wenigstens eine der Arbeitswalzen (12) mit der Welle (25) eines der Elektromotoren (20) verbunden ist.
2. Walzstrasse (2; 30; 56) nach Anspruch 1, bei dem zumindest eine der Arbeitswalzen (12) getriebelos oder mittels einem, im Vergleich zu einem konventionellen Elektroantrieb verkleinerten Getriebe mit der Welle (25) eines der Elektromotoren (20) verbunden ist.
3. Walzstrasse (2;30;56) nach Anspruch 1, wobei zwei der Ar- beitswalzen (12) über ein Verzweigungsgetriebe (22) mechanisch gekoppelt sind, wobei das Verzweigungsgetriebe (22) an- triebsseitig mit der Welle (25) eines der Elektromotoren (20) verbunden ist.
4. Walzstrasse (2; 30; 56) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Elektromotoren (20), insbesondere die Elektromotoren (20) benachbarter Walzgerüste (10), ein gemeinsames Kühlsystem (26) aufweisen.
5. Walzstrasse (2;30;56) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 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.
6. Walzstrasse (2; 30; 56) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 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) ge- genüber einer Verwendung konventioneller Motoren reduzierter Wärmeverlust des Walzguts (4; 32) berücksichtigt ist.
7. Walzstrasse (2; 30; 56) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zwischen den Walzgerüsten (10) eine Transporteinrich- tung vorhanden ist, die als vertikaler Schiingenheber (110) ausgebildet ist.
8. Gieß-Walz-Verbund-Anlage (40) zur kontinuierlichen Herstellung von Warmband (4) mit einer - einer Gießeinrich- tung (44) nachgeordneten - Walzstrasse (2, 30; 56) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
9. Gieß-Walz-Verbund-Anlage (40) nach Anspruch 8 ohne Heizeinrichtung (54) zur Erwärmung des von der Gießeinrichtung (44) gegossenen Bandes.
10. Gieß-Walz-Verbund-Anlage (40) nach Anspruch 8, mit einer vor oder nach der Walzstraße (46) angeordneten Heizeinrichtung (54) zur Erwärmung des von der Gießeinrichtung (44) ge- gossenen 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.
11. Verfahren zum Betrieb einer Gieß-Walz-Verbundanlage (40) nach Anspruch 10, wobei Walzgut - vorzugsweise aus Stahl - mit einem Massendurchsatz ( m ) durch die Walzstraße (56) transportiert wird und wobei die Heizeinrichtung (54) mit einer Heizleistung (P) betrieben wird gemäß:
P < k ■ m
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) .
12. Verfahren zur Leistungssteigerung einer bestehenden WaIz- strasse umfassend mindestens ein Walzgerüst (10) mit nichtsupraleitendem 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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