Walzen von Flachprodukten

Um Walzprozesse zu optimieren und die Bandqualität und Produktivität von Walzanlagen weiter zu steigern, hat die ANDRITZ Sundwig GmbH ein modular aufgebautes und universell für alle Gerüsttypen einsetzbares Planheilsmodell mit konfigurierbaren Planheitsstellgliedern entwickelt. Das Modell berücksichtigt alle an der Planheilsausbildung beteiligten Effekte und Komponenten. Neueste Erkenntnisse und Methoden zur Beschreibung der Effekte wurden einbezogen. Dabei wurde besonderer Wert auf die Recheneffizienz der implementierten Lösungsalgorithmen gelegt, um Onlineanwendungen wie die Gerüstvoreinstellung zu ermöglichen. Das Kapitel beschreibt das Modell und dessen Anwendung zur Auslegung und Geometrieoptimierung von Walzanlagen.

Beim Walzen von Aluminiumbändern und -folien wird das Walzspaltprofil auch über die lokale thermische Ausdehnung der Arbeitswalzen beeinflusst. Hierfür wird über verschiedene in Reihen und Zonen angeordnete Flachstrahldüsen Walzöl auf die Arbeitswalzen gesprüht. Es werden die physikalischen Einflussgrößen sowie die experimentellen Ergebnisse von Kühlversuchen dargestellt. Gezeigt werden der Verlauf des Wärmeübergangs des über einer Oberfläche abfließenden Ölfilms sowie der Wärmeübergang an der mit dem Spray beaufschlagten Oberfläche.

Das gegenwärtige Entwicklungsniveau des Institutes für Metallformung ist gekennzeichnet durch die anwendungsnahe Forschung- und Entwicklung auf dem Gebiet einer neuartigen Technologie zur Herstellung von Blechen aus verschiedenen Magnesiumlegierungen durch kontinuierliches Gießwalzen von endmaßnahen Vorbandquerschnitten und dem anschließenden Bandwalzen bis an Fertigdicken unter 1,0 mm bei einer Breite von 700 mm. Die geleistete Entwicklungsarbeit beruht auf enger Kooperation mit Partnern aus der Industrie unter gleichzeitiger Berücksichtigung wirtschaftlicher, praktischer und technischer Gesichtspunkte. Dies ist umso mehr von Bedeutung, als das der Werkstoff Magnesium neben seinen Vorzügen technische Grenzen besitzt, die enger gezogen sind als bei vielen anderen Metallen.

Zurzeit liegt der Schwerpunkt der serienmäßigen Anwendung von Magnesiumlegierungen noch deutlich im Bereich der Gussteilproduktion. Weniger als 10 % entfallen auf umformtechnisch hergestellte Bauteile, obgleich diese wesentliche Vorteile in Bezug auf die erzielbaren mechanischen Eigenschaften und die Energieeffizienz aufweisen. Hemmend für den verstärkten Einsatz von Blechformteilen aus Magnesiumlegierungen haben sich bislang hauptsächlich die bei der konventionellen Feinblechherstellung anfallenden hohen Produktionskosten erwiesen. Gegenüber der konventionellen Herstellung über Stranggießen von Walzbarren und anschließendes Vor- und Fertigwalzen bedeutet jedoch die Anwendung der Gießwalztechnologie eine deutliche Kostenreduzierung beim Aufbau und Betrieb einer Produktionslinie. Die Senkung der Investitions- und Betriebskosten ist vor allem für die wirtschaftliche Herstellung von Magnesiumflachprodukten in überwiegend kleinen und mittleren Produktionsmengen, wie sie für den Einsatz dieses Werkstoffes in aktuellen und zukünftigen Leichtbaukonstruktionen in Frage kommen, relevant.

Neben der Produktionsanlage der Firma Posco Mg in Südkorea, auf der bereits Gießbreiten bis 2 m erreicht werden, verfügt nach aktuellem Kenntnisstand nur die beschriebene Pilotanlage des Institutes für Metallformung über die notwendigen technischen Voraussetzungen zur Herstellung von Feinblechen durch kombiniertes Gieß- und Bandwalzen bis zu einer Bandbreite von 700 mm.

In der Stahlindustrie werden beim Nachwalzen seit längerem verbreitet Arbeitswalzen mit EDT-Oberfläche (Electron Discharge Texturing) eingesetzt.

Bei den meisten Stahlsorten ist die Verlängerung beim Nachwalzprozess innerhalb enger Grenzen festgelegt (üblich sind 0,6–1,2 %), da neben der Bandoberfläche auch die mechanischen Eigenschaften gezielt eingestellt werden.

Auch in der Aluminiumindustrie werden EDT-Walzen mittlerweile vermehrt eingesetzt. Hier entfällt meist die o. g. Einschränkung, so dass das Prozessfenster gegenüber Stahlanwendungen stark erweitert ist. Im Folgenden wird auf die Abhängigkeit der Oberflächenübertragung von der Walze auf das Band unter verschiedenen mechanischen und tribologischen Bedingungen eingegangen und die Bedeutung für die weitere Prozesskette erläutert.

Obwohl walzplattierte Werkstoffe in der allgemeinen Öffentlichkeit nur wenig beachtet und behandelt werden, besitzen sie bereits heute eine hohe Bedeutung, um unterschiedliche Güter des täglichen Bedarfs realisieren und produzieren zu können. Durch eine hohe Produktivität und ein umfangreiches technologisches Wissen lassen sich bereits heute sehr anspruchsvolle und aufwändige Funktionswerkstoffe mittels Plattierverfahren herstellen, die maßgeschneiderte Produkteigenschaften für viele Halbzeuge und Fertigprodukte garantieren. Bedingt durch die konstruktiven Trends im Bereich von Automotive, Luft- und Raumfahrt sowie dem allgemeinen konstruktiven und materiellem Leichtbau ist davon auszugehen, dass die Bedeutung maßgeschneiderter Funktionswerkstoffe für spezifische Anwendungsfelder in naher Zukunft weiter wachsen und die Bedeutung einzelner Plattierverfahren für eine wirtschaftliche Produktionskette verschiedener Produkte wachsen wird.

Moderne Anwendungsgebiete für plattiertes Halbzeug erfordern den Einsatz sehr hochwertiger und kostenintensiver Metalllegierungen. Hinzu kommen die begrenzten Vorkommen an Nichteisen- und Edelmetallrohstoffen. Beides erzwingt die Optimierung des Materialeinsatzes. Weiterhin erfolgt der Einsatz von Halbzeugen mit Eigenschaftskombinationen, die mit herkömmlichen Legierungen nicht erreichbar sind (z. B. sehr hohe mechanische Festigkeit mit sehr guter elektrischer Leitfähigkeit).

Lokale Eigenschaftsoptimierung und -kombination einerseits und Minimierung des Materialeinsatzes andererseits sind potentielle Aufgabengebiete für die Plattierbranche.

Aus diesen Betrachtungen zeichnen sich folgende Tendenzen ab: Moderne Werkstoffverbunde bestehen aus Werkstoffkombinationen, deren Prozessfenster bei der Herstellung sehr klein ist. Für die Auslegung moderner Plattiertechnologien war somit die Schaffung theoretischer Grundlagen notwendig. Im vorliegenden Beitrag wurden die Grundlagen zur Beschreibung des Walzplattierens abgeleitet und experimentelle Studien vorgestellt.

Auf Basis eines semianalytischen Plattiermodells wurden dimensionsanalytische Betrachtungen und eine Parameterstudie vorgenommen.

Aus dem Walzplattiermodell wurde ein mehrskaliges anisothermes N-Schichtenmodell für das Walzen von Werkstoffverbunden und inhomogenen Werkstoffen im ebenen Formänderungszustand abgeleitet.

Die diskutierte Parameterstudie wurde mit Legierungen aus Stahl, Al-und Cudurchgeführt, sodass für Kaltwalzplattierungen die wichtigsten Werkstoffkombinationen repräsentiert sind.

In den Plattierversuchen ergaben Vergleiche der experimentellen Daten mit entsprechenden Plattiersimulationen sehr gute Übereinstimmungen von Schichtdicke, Walzkraft und Haftfestigkeit. Das Walzmoment wird im Bereich kleiner Werte gut vorausberechnet, während bei größeren Walzmomenten (Plattiermodell mit einer Schicht je Werkstoff) gegenüber dem Experiment höhere Werte errechnet werden. Der Werkstofffluss zeigt auch den Verlauf des Streifens bei Austritt aus dem Walzspalt richtig an (Walzen mit Unter- oder Oberdruck).

Eine theoretische Studie auf Basis der aus dem Plattiermodell gewonnenen Prozessparameter zeigt die grundsätzlichen Zusammenhänge im Plattierprozess für das Schichtdickenverhältnis β, den Hebelarmbeiwert m, dem bezogenem Umformwiderstand k _wm/k _fm, Haftfestigkeit und anderen Größen.

Die Studie zeigt im Vergleich mit einzelnen bekannten experimentellen Beobachtungen gute Vorhersage der Zusammenhänge und gibt damit tieferen Einblick in die Zusammenhänge eines Plattierprozesses. Die experimentelle Parameterstudie mit unterschiedlichen Plattierwerkstoffen und Formänderungen bestätigten die theoretischen Aussagen. Insbesondere erbrachte die Berücksichtigung der Verfestigung sowie des Einflusses von Temperatur und Umformgeschwindigkeit eine Verbesserung der Ergebnisse gegenüber bisherigen Lösungen aus der Literatur.

Die Modelle für das Walzplattieren sowie Walzen wurden in den dafür entwickelten Softwarepaketen LayClad und LaySiMS zur schnellen Simulation umgesetzt und erprobt.

Die vorgestellten Untersuchungen beschäftigen sich mit der Formgebung metastabiler, hochlegierter CrMnNi Stähle mit TRIP/TWIP-Effekt mittels Kaltund Warmwalzen. Infolge einer Kaltumformung können diese Stähle sowohl eine deformationsinduzierte martensitische Phasenumwandlung, als auch eine verformungsinduzierte Zwillingbildung aufweisen. Diese Martensitbildung ist gleichzeitig Ursache eines sehr guten Verfestigungsvermögens. Um die damit einhergehende Dehnungsanomalie ausnutzen zu können, sind neue Walzstrategien erforderlich. Wird im elastischen Umformbereich bereits spannungsinduziert Umformmartensit gebildet, so setzt dieser sogar das Umformvermögen herab., Konventionelle Walzstrategien können deshalb nur begrenzt angewendet werden. Ziel war es demnach, Walzkonzepte für die Kalt- und Warmumformung für diese Werkstoffgruppe zu entwickeln. Unter Beachtung der werkstoffspezifischen Kennwerte, wie Auslösespannung, Stapelfehlerenergie sowie Martensitstart- und -umwandlungstemperatur, konnten sowohl für die Kalt- als auch für die Warmumformung mit dem Freiberger Stichplanmodell Stichfolgen entwickelt werden. Die Anwendbarkeit der Walzkonzepte konnte experimentell nachgewiesen werden.

Aufgrund des Umformverhaltens des TRIP Stahles ist eine Simulation mittels Schichtenmodell im weiteren Vorgehen geplant. Hierdurch wird erwartet, den Martensitanteil gezielter in seiner Verteilung über die Probendicke steuern zu können.

Bei der Wärmebehandlung von Walzprodukten werden häufig Bandschwebeöfen eingesetzt, da diese eine kontinuierliche Prozessführung unter quasi-stationären Bedingungen ermöglichen. Je nach Anwendung sind dem Ofen Luftkühlzonen oder Wasserabschreckzonen nachgeschaltet. Diese Aggregate bilden zusammen die Schlüsselkomponenten der Anlage im Hinblick auf die Wärmebehandlung.

In diesem Beitrag werden die Grundlagen der Wärmeübertragung im Ofen und in den Kühlstrecken vorgestellt. Darauf aufbauend wird ein physikalisch motiviertes Modell präsentiert, das es ermöglicht, die Materialtemperatur zu jedem Zeitpunkt in der Anlage anhand der aktuellen Prozessgrößen zu berechnen. Eine wichtige Anwendung dieses Modells ist die automatische Rezeptgenerierung für die Anlage. Sie ermöglicht es, aus den metallurgisch relevanten Vorgaben, wie Haltezeiten und Abkühlraten, Sollwerte für die entsprechenden Prozessparameter, wie z. B. Ofentemperatur und Bandgeschwindigkeit, zu bestimmen.

Dies erlaubt sowohl beim Erwärmen als auch bei der Abschreckung eine sehr genaue Prozessführung. So können gezielt die Temperaturprofile eingestellt werden, bei denen keine unerwünschten Phasen oder Ausscheidungen im Material auftreten. Dies führt zu einem verringerten Aufwand bei der Suche nach den richtigen Anlageneinstellungen, wenn ein neues Produkt eingeführt werden soll. Weiterhin lassen sich bestehende Rezepte dynamisch anpassen, um Wartezeiten aufgrund von Temperaturwechseln im Ofen zu verringern.

Die ersten Praxiserfahrungen haben gezeigt, dass mit dem WSP/ITP-Glühsimulator Proben wie in Produktionsanlagen geglüht werden können. Selbst Versuche unter extremen Glühbedingungen, wie hohen Temperaturen bis 1050 °C oder kurze Aufheizdauern von nur wenigen Sekunden, sind möglich.

Es wurden bereits Glühserien durchgeführt, die die Grundlage für neue kontinuierliche Bandglühlinien darstellen. Außerdem haben Halbzeughersteller die Anlage genutzt, um z. B. Rezepte für die Umstellung von Batchbetrieb auf Kontiglühbetrieb zu finden oder um überhaupt, mit geringem Materialeinsatz, Rezepte für ihr Legierungsprogramm zu optimieren.

Das ITP bietet Halbzeugherstellern die Nutzung des Glühsimulators als Dienstleistung an. Bei der Durchführung dieser Untersuchungen wird höchste Vertraulichkeit gewährleistet. WSP und ITP haben nicht die Absicht, mit dieser Anlage in eine eigene Werkstoffentwicklung einzusteigen.

Laserbanddickenmessgeräte VTLG für Kaltwalzgerüste sind der seit Jahren gesuchte und nun endlich gefundene neue Weg der Dickenmesstechnik. Legierungsunabhängig, berührungslos, hochgenau und zuverlässig. Warum plötzlich möglich ist was bisher nicht ging, beschreibt der folgende Beitrag.

Die Erkennung und Vermeidung von Oberflächenfehlern ist eine stetig wachsende Aufgabe in der metallverarbeitenden Industrie. Eine frühestmögliche Erkennung kann Reparaturen des Materials vor einer weiteren Verarbeitung auslösen, oder eine Weiterverarbeitung ausschließen um das Ausbringen zu optimieren. Auch können die Inspektionsergebnisse Aufschluss über den Produktionsprozess liefern und Basis von Optimierung sein.

Aus diesen Gründen entwickelt und fertigt surcon Inspektionssysteme mit den unterschiedlichsten Einbauorten. Die Systeme werden speziell für den jeweiligen Einsatzort geplant und bringen den notwendigen Schutz vor Verschmutzung sowie Umgebungsbedingungen mit sich.

Als Beispiel einer besonderen Anforderung soll die Inspektion von Aluminiumbarren vor dem Schälen erläutert werden. Diese Anforderung kombiniert die 3D Inspektion mit einer kompletten Vermessung der Barren. Ziel dieser Inspektion ist eine Optimierung der Schältiefen beziehungsweise der Schäldurchgänge.

Die notwendige Voraussetzung zur Erzielung hoher Produktqualität bei Produktionsprozessen höchster Geschwindigkeit ist der Einsatz von neuen Mess- und Regeltechnologien. Hohe Verfügbarkeit und reproduzierbare Messergebnisse sichern die hohe Prozessstabilität bei kontinuierlicher Produktion. Die Anforderungen an optische Messsysteme zur Optimierung der Qualität über den gesamten Produktionsprozess werden erörtert.

Hierbei werden insbesondere vorgestellt. IMS setzt bei allen vorgenannten Messaufgaben „Camera-Cluster- Systeme (CCS)“ ein. Es handelt sich um eine Vielzahl schneller, intelligenter Kameras, die hintereinander auf einem „Cluster“ angeordnet sind. Durch Anreihung mehrerer Cluster ist das Messen von Folien, Bändern und Platten variabler, großer Breite möglich.

Neben den typischen Einsatzgebieten für CCD-Kameras, finden die Cluster- Systeme auch Einsatz bei Heiß-Metall-Detektoren.

In dem Beitrag werden sowohl verschiedene Anwendungsfälle als auch Ergebnisse bestehender Installationen vorgestellt.

Elektromagnetische Strahlung im Bereich von einigen zehn GHz, sogenannte Radarstrahlung, ist im Gegensatz zu Laserlicht unempfindlich auf Dampf und Staub. Messsysteme, die mit Strahlung in diesen Frequenzbereichen arbeiten, eignen sich daher für den Einsatz bei den rauen Umgebungsbedingungen in Warmbandstraßen und können beispielsweise für die Messung von Breite und Dicke verwendet werden.

Die IMS Messsysteme GmbH hat erstmals ein Breitenmesssystem basierend auf Radartechnik für den Einsatz in Warmwalzwerken entwickelt. Das System besteht aus zwei Messeinheiten, welche jeweils einen Sensor zur Erzeugung und ein Antennenpaar zur Formung der Strahlung enthalten. Gemessen wird jeweils der Abstand zwischen Messsystem und Bandkante, woraus mit Hilfe einer geeigneten Kalibrierung die Breite des Bandes bestimmt werden kann.

In diesem Vortrag werden der Messaufbau sowie die Ergebnisse von Laboruntersuchungen und ersten Feldtests vorgestellt, welche die hohe Robustheit und Messgenauigkeit auch unter widrigen Umgebungsbedingungen demonstrieren. Zudem weist das Radarmesssystem einen geringen Wartungsaufwand auf, kann kompakt aufgebaut werden und erfordert keine zusätzlichen Sicherheitsvorrichtungen. Daher eignet es sich für den Einsatz in Warmbandstraßen insbesondere für Standorte, bei denen andere Messsysteme nicht oder nur mit hohem Kostenaufwand eingesetzt werden können.

In modernen Fertigungsprozessen steigen ständig die Anforderungen an Material und deren Qualitäten. Ohne eine umfangreiche Messtechnik während der Produktion wäre dies kaum möglich. Doch wohin mit der Vielzahl an Produktionsdaten und wie lassen sich diese einfach auswerten?

Diese Frage beantwortet das Qualitätsdaten-Managementsystem MEVInet-Q von IMS. Das System ist speziell für die Anwendung im Walzwerksbereich entwickelt worden.

MEVInet-Q umfasst die Langzeitspeicherung von Qualitätsdaten, ihre Visualisierung und Auswertung. Die Erweiterung auf MEVInet-QDS ermöglicht zusätzlich die automatisierte Qualitätsdatenbewertung anhand von Kriterien, die individuell auf die jeweiligen Produktgruppen angepasst sind. Intelligent eingesetzt, werden mit dem System Produktionsanlagen optimiert, Produktqualitäten erhöht und die Produktionskosten gesenkt.

Wichtige Merkmale von MEVInet-Q und QDS sind: In dem Vortrag wird eine kurze Systemübersicht als mit Bezug auf verschiedene Anwendungsfälle bestehender Installationen vorgestellt.