Optimaliseren van staalwalzen in kleine en middelgrote molens

Staalwalzen bestaat uit het doorlaten van het materiaal (walsmateriaal) tussen twee walsen die met dezelfde omtreksnelheid in tegengestelde richting draaien (één kloksgewijs, de ander tegen de klok in) en zo gespaceerd dat de afstand iets minder is dan de dikte van het staalprofiel dat erin gaat. Onder deze omstandigheden grijpen de walsen het materiaal en leveren het geleverd met verminderde dikte, verhoogde lengte en waarschijnlijk iets verhoogde breedte. Dit is een van de meest gebruikte processen onder alle metaalvormgevingsprocessen, door hogere productiviteit, nauwe controle van het gewalste product, en lagere exploitatiekosten. Walzen kan een product produceren met constante doorsnede over de lengte. Veel vormen en profielen zijn mogelijk.

Basisprincipes van staalwalzen

Staalwalzen is een metaalvormgevingsproces voor plastische vervorming van staal. Plastische vervorming wordt veroorzaakt door drukkrachten toegepast via de draaiende walsen. Hoge drukspanningen ontstaan door wrijving tussen de walsen en het staaloppervlak. Het staalmateriaal wordt uitgedrukt tussen een paar walsen gemonteerd in een walzsteel, waardoor de dikte vermindert en de lengte toeneemt.

Staalprofielen worden meestal in verschillende passes gewalst, wiens aantal wordt bepaald door de verhouding tussen initiële invoer en einddoorsnede. De doorsnede wordt bij elke pas verminderd en vorm en afmeting benaderen geleidelijk het gewenste profiel.

Warm walzen en schilvorming

Meestal wordt op hoge temperatuur gewalst (warm walzen) vanwege de vereiste grote vervormingen. Warm walzen levert een product dat normaal residuele spanningen vrij is. Schilvorming is echter een groot probleem, waardoor dimensionale nauwkeurigheid moeilijk te handhaven is.

De eind-dimensionele kwaliteit wordt bepaald door de walzstelen in de afwerkingsmolen. Dimensionele nauwkeurigheid hangt af van: initiële voorraadafmetingen, walzpasvolgorde, temperatuur, microstructuur, waloppervlakkwaliteit, wal- en steelstijfheid, en walsmateriaal/wal wrijvingsconditie.

Kruislandsmolens (Cross-country rolling mills)

Een walzmolen is de plaats waar staal gewalst wordt. Het bestaat uit één of meer walzstelen met hulapparatuur voor bijbehorende bewerkingen. Walzen in kleine en middelgrote molen vindt meestal plaats in kruislandsmolens (cross-country rolling mills).

De molen heet kruislandsmolens vanwege de indeling van de walzstelen. De middelijn van de stelen is parallel; het materiaal wordt loodrecht op de walsrichting verschoven. Transfertables en skid-tables keeren de richting om en transporteren het werkstuk van de ene steel naar de ander. Een kenmerk: werkstukken moeten kort genoeg zijn zodat één stuk een steel kan verlaten voordat een ander ernaar overgebracht wordt.

In bredere zin bestaat een walzmolen uit een set walzstelen met een reeks apparatuur die zowel walzen als hulbewerkingen uitvoert. Het staalmateriaal wordt van de voorraad naar de verhitoven getransporteerd waar het op wals temperatuur verwarmd wordt. De bewerkingen in een walzmolen zijn: (i) walzen van verhit staal in de molen, (ii) overbrengen van materiaal onder walzen van de ene steel naar de andere, (iii) draaien/verdraaien en scharen in sommige molens, (iv) transport van gewalst product, (v) afkoelen op afkoelbed in sommige molens, (vi) snijden, merken of stempelen, (vii) bijsnijden, verpakken, en transport naar voorraad van eindproduct. Zie Figuur 1 voor processtroomdiagram.

Kenmerken en beperkingen van kruislandsmolens

Kruislandsindeling wordt gebruikt voor molens met lage capaciteiten, meestal vanwege beperkte ruimte. Deze indeling beperkt de maximum lengte van het staalproduct dat gewalst kan worden.

Kruislandsmolens zijn warmwalzmolens voor vormstaalproducten zoals ronde, vierkante, platte staven of profielen (langproducten). Een kruislandsmolens bestaat uit meerdere stelen zo gerangschikt dat het werkstuk nooit in meer dan één steel tegelijk is. Omdat stelen naast elkaar staan, wordt het werkstuk lateraal naar de walzbeten van de verschillende stelen getransporteerd. In veel kruislandsmolens vindt walzen in beide richtingen plaats. Door richtingwijziging na elke pas heeft dit een positief effect op productkwaliteit.

Bij elke pas is er een doorsnedereductie en corresponderende lengteverhoging. Er moeten faciliteiten zijn om het langste staalstuk bij elke steel te kunnen afhandelen, aan beide kanten van de molen.

Er zijn beperkingen aan de maximum reductie in een kruislandsmolens met enkele aandrijving, vooral als meer dan één staalstuk tegelijk gewalst wordt. De invoerafmeting is daarom normaal klein. Twee-hoge stelen kunnen zo ingesteld worden dat de bovenste wal van de eerste steel in hoogte correspondeert met de onderste wal van de tweede steel, etc., zodat het stuk heen en weer afwisselend verwerkt kan worden. Bij combinatie van twee-hoge en drie-hoge stelen correspondeert de middenwal van de drie-hoge steel met de aangedreven wal van de bijhorende twee-hoge eenheid.

Een alternatieve indeling is een enkele ruwwalsteel voorafgaand aan de kruislandsstelen, waarin oneven aantal passes (3-5) genomen worden, waarna het staal in de kruislandsstelen gaat. Deze indeling kan ook voor grotere invoerdoorsnedes gebruikt worden.

In kruislandsmolens, als in andere warmwalzmolens, wordt boven de rekristallisatietemperatuur gewalst. Korrels die vervormen tijdens walzen, herkristalliseren, behouden een equiaxed microstructuur en voorkomen werkverharding. Het warmgewalste product heeft weinig richtingsgebondenheid in mechanische eigenschappen en vervormingsgeïnduceerde residuele spanningen.

Langproducten worden in meerdere passes gewalst, aantal bepaald door verhouding initiële en einddoorsnede. De doorsnede wordt bij elke pas verminderd en vorm/afmeting benaderen het gewenste profiel.

De walzstelen in een kruislandsmolens zijn of twee-hoge of drie-hoge stelen. Kruislandsmolens bestaan normaal uit meerdere twee-hoge of drie-hoge stelen, of een combinatie.

Twee-hoge en drie-hoge walzstelen

Een twee-hoge steel heeft twee walsen: bovenste (top roll) en onderste (bottom roll). In twee-hoge stelen is walzen maar in één richting. Voor omgekeerde richting moet de molen keerbaar (reversing) zijn. Als niet gekeerd kan worden, wordt een pullover-type twee-hoge steel gebruikt: na een pas wordt het materiaal over de walsen heen naar de voederzijde getransporteerd voor de volgende pas.

Een drie-hoge steel heeft drie walsen: top, middle, bottom. Het materiaal wordt in één richting door twee walsen gevoerd en dan omgekeerd door het andere paar. De middenwal is gemeenschappelijk. Drie-hoge stelen keeren de richting van de staaf om zonder de motor- en tandwielaandrijving om te keren. Eén gat (tussen bottom en middle) neemt de staaf in één richting, het andere gat (top en middle) in de andere. Om de staaf van de lagere naar de hogere gat te bewegen kan een kanteltafel (tilt table) of een hijstafel (lift table) gebruikt worden.

In twee-hoge stelen wordt één of beide walsen aangedreven. In drie-hoge stelen één of twee walsen aangedreven, de rest wrijvingaangedreven. Bij twee aangedreven walsen in drie-hoge steel meestal top en bottom, middle wrijvingaangedreven.

Koppel en vermogen

Koppel en vermogen zijn twee belangrijke componenten van walzen. Koppel is de maat van de kracht toegepast op de walsen voor rotatiebeweging; vermogen wordt toegepast door koppel op de walsen en door walsmateriaalspanning. In een walzmolen wordt vermogen hoofdzakelijk op vier manieren besteed: (i) energie om staal te vervormen, (ii) energie om wrijvingskracht te overwinnen, (iii) vermogensverlies in pinions en overbrenging, (iv) elektrische verliezen in motoren.

Aandrijving

Over het algemeen wordt één enkele aandrijving gebruikt in kleine/middelgrote kruislandsmolens voor alle walzstelen. Bij een ruwwalsteel upstream kan deze een afzonderlijke aandrijving hebben. De aandrijving bestaat uit: (i) elektrisch motor voldoende capaciteit, (ii) aandrijfriemen, (iii) volaan, (iv) tandwielset, (v) pignonsteel, (vi) koppelingen. Meestal AC-motoren omdat snelheidsregeling niet cruciaal is.

Walsen: materialen en selectie

Walsen zijn de belangrijkste en duurste verbruiksartikelen. Prestaties hangen af van materialen en belasting. Walontwerp beïnvloed door walsbelasting, walsterkte, beschikbaar koppel. Walmateriaal moet belasting weerstaan die walsmateriaal plastisch vervormt zonder zelf plastisch te vervormen.

Of ijzer- of staalwalsen gebruikt worden hangt af van de specifieke taak. IJzerwalsen kunnen grijze ijzerwalsen, legeringsijzerwalsen, heldere/vaste uitgietwalsen, composiet/duplex walsen, onbepaalde uitgietwalsen, of sferoidale grafiet ijzerwalsen zijn. Staalwalsen: gegoten of gesmeed. Belangrijke eigenschappen: zachtheid, weerstand tegen thermische kraken, shockbelasting, slijtvastheid. Selectie hangt af van productie-eisen, initiële kosten, specifieke kwaliteiten. Nauwe samenwerking met walsenfabrikant is wenselijk.

Walzpasontwerp (Roll pass design)

Vormproducten worden tussen gegroefde walsen gewalst. Kanalen worden door een waalkeermachine op maatende walsen gefreesd. Deze kanalen vormen passes waardoor staal passeert voor doelprofiel. Voor de eindvorm gaat staal door veel passes. Walzpassen geclassificeerd als: (i) ruwpas of afbreukpas, (ii) leidpas, (iii) afwerkpas. Ruwpassen reduceren de doorsnede. Leidpassen brengen de doorsnede geleidelijk naar de eindvorm. Afwerkpas geeft de einddoorsnede.

Walzen vindt plaats tussen gegroefde walsen. Twee tegenoverliggende kanalen in de samenwerkende walsen vormen een pas, correspondent met de verwachte doorsnede na de pas. Na elke pas neemt de doorsnede af en vormt nader tot eindproduct. Ontwikkeling van opvolgende pasvormen en hun correcte plaatsing op de walsen heet walzpasontwerp.

Walsen moeten het zware werk van doorsnedereductie verrichten. Ze moeten alle soorten spanningen, belasting van normale en abnormale walzen aan, die veranderen met walzijnslijtage tijdens een walzcampagne. Verder mogen ze niet breken, splijten of slijten. Ze moeten uitstekende prestaties leveren zonder problemen. Onder walscondities lijdt het contactoppervlak van de wal die in contact komt met staal slijtage, terwijl andere delen van walklichaam en walzenassen geen plastische vervorming of vermoeiding ondervinden maar onder hoge belasting staan. Recent is walztechnologie verbeterd maar walsen bleven het kritieke onderdeel.

Walsen zijn de gereedschappen van de walzmolen en duurste verbruiksartikel. Hoe walsen hun taak van vervormen uitvoeren wordt grotendeels bepaald door walzpasontwerp. Doel van walzpasontwerp: (i) correct profiel binnen toleranties met goede oppervlakte (vrij van oppervlaktefouten), (ii) maximale productiviteit bij laagste kosten, (iii) minimale walzijnslijtage, (iv) gemakkelijk werkbaar, (v) optimale energiebenutting.

Nauwkeurigheid, snelheid en wallevensduur hangen samen met pasontwerp en keuze walmateriaal. De walsvolgorde is onderhevig aan beperkingen van walsbelasting, walsterkte, beschikbaar koppel. Pasontwerp moet ook garanderen dat fysieke afmetingen en materiaal de zwaarste belasting tijdens de walsreeks weerstaan.

Walmateriaal is belangrijk omdat het belasting moet weerstaan die walsmateriaal plastisch vervormt zonder zelf plastisch te vervormen. Bij warm walzen is dit geen moeilijk probleem; ijzer of staalwalsen geschikt als ze op aanzienlijk lagere temperatuur dan walsmateriaal werken. Keuze tussen gietijzer of staal (gegoten/gesmeed) hangt af van specifieke taak en eigenschappen zoals oppervlaktezachtheid, weerstand tegen thermische kraken, shockbelasting, slijtvastheid. Selectie hangt af van productie-eisen, initiële kosten, specifieke kwaliteiten.

Walmateriaal is belangrijk om de belasting te schatten die walsen moeten weerstaan. Daarnaast suggereert het welke molengrootte het meest geschikt is voor gegeven productbereiken om redelijke efficiëntie te garanderen. Misschien een van de belangrijkste factoren voor wallevensduur is de slijtvastheid van het walmateriaal.

Walslagers

Walsen hebben 'lagers' nodig voor soepel draaien en weerstand tegen krachten. Walslagers voldoen aan de basisbehoefte van de walzmolen: soepel walzen van staalproducten. Ze zijn wrijvingrederende apparaten die ondersteuning bieden voor effectief walzen met minimale energieverlies. Lagers moeten ontworpen zijn voor hoge walsbelasting, zware schokken, variërende snelheden, hoge temperaturen. Daarnaast moeten ze bestand zijn tegen inslijting van schil, vuil, water. Ze spelen belangrijke rol in vermindering van energieverbruik en verbetering van walscondities.

Walslagers, waarin de walsen in stelen ondersteund worden, ondergaan hoge belasting. Specifieke belasting is ook hoog. Om betrouwbaar de walskrachten te dragen, moeten ze hoge draagcapaciteit hebben. De beschikbare montage ruimte is beperkt, vooral in relatie tot de sectiehoogte van de lagers.

Molenlagers gedimensioneerd om scheidingskracht te weerstaan bij genomineerde draaisnelheden. Lager type en stijl bepalen steelcapaciteit. Schuiflagers (roodkoper/vezel) of rolwalslagers zijn meest gebruikt in kleine/middelgrote langproductenmolens.

Walzkoeling

Tijdens warm walzen wordt warmte overgedragen aan de walsen. Zonder koeling zou de waltemperatuur stijgen tot die van het walsmateriaal, waarna de wal ook plastisch zou vervormen. Om warmte te verwijderen wordt koelwater toegepast. De toepassing moet gecontroleerd zijn zodat water niet op het walsmateriaal bij de insteek valt. Als dit gebeurt, koelt het alleen het walsmateriaal, creëert stoomkussens tussen wal en materiaal, en verspilt water dat beter aan de andere kant van de wal gebruikt kan worden. Om walzijnslijtage te minimaliseren, moet koelwater zo dicht mogelijk bij het punt toegepast worden waar het walsmateriaal de wal verlaat.

Leidinrichtingen (guides)

In warmwalzmolens voor langproducten leiden leidapparaten het walsmateriaal bij in- en uitgang van de walzpas voor soepel walzen. Ze moeten robuust, nauwkeurig en stabiel zijn. Leidapparaten spelen grote rol in oppervlaktekwaliteit. Ontworpen voor brede variëteit aan formaten en vormen.

Leidapparaten geclassificeerd op drie manieren: (i) positie ten opzichte van werkende steel (bijv. inloopleid, uitloopleid), (ii) bouwwijze, (iii) type wrijving tussen walsmateriaal en werkelement (glijden of rollen).

Kruislandsmolens van kleine/middelgrote maat gebruiken meestal in- en uitloopleiders van glijtype (statische leiders). Ontwerp gebaseerd op glijwrijving. Deze leiders bestaan meestal uit een leiddoos, twee tegenoverliggende blokken in de doos aan weerskanten van de paslijn met longitudinale kanalen in hun aangrenzende vlakken, losse metalen platen die de kanalen overbruggen en gevormd zijn om dicht tegen de kanten van het walsmateriaal aan te liggen, en middelen om water door de kanalen in contact met de buitenvlakken van de platen te circuleren.

Hulapparatuur bij kleine en middelgrote walzmolens

De belangrijkste hulapparatuur:

• Ontschalingsapparatuur – In plaats van hoogdruk waterjetsysteem wordt in sommige molens een knijprol gebruikt om de schil te breken zodat deze afvalt vóór de eerste walzsteel.
• Transport van walsmateriaal – Sommige molens gebruiken rolertransportbanden, andere transferroosters of skid-transfers voor laterale beweging.
• Afkoelbed – Glijtype afkoelbed, in staat één volledige staavlengte te accommoderen. Staven worden natuurlijk gekoeld door atmosferische lucht.
• Scharen – Er zijn drie plaatsen waar scharen gebruikt worden. Sommige molens gebruiken koude scharen die het voedermateriaal voor de oven snijden zodat er na walzen één afkoelbedlengte ontstaat. Andere molens laten invoer voor de oven toe die dubbele afkoelbedlengte is. Dit materiaal wordt in de ruwwalsteel gewalst en de warmgewalste staaf in twee stukken gesneden door een warme schaar en vervolgens in de kruislandsmolens gevoerd voor afkoelbedlengte na walzen. In alle gevallen wordt de afgekoelde staaf van het afkoelbed naar de koude schaar gebracht voor eindsnijden en snijden op standaardlengte.
• Na scharen gaat de staaf naar standaardlengte stapel of geassorteerde lengte stapel waar verder afgekoeld wordt tot omgevingstemperatuur. Na afkoelen wordt het product gestapeld of gebundeld en gebonden voor verzending naar klanten.