Belangrijkste Aspecten van Draadwalzen: Snelheid, Temperatuur en Toepassingen

Kenmerkende Eigenschappen van Draadwalzen

Draad wordt normaal gewalst in een hoge-snelheidswalzwerk, waarbij de staaltemperatuur boven de 1.000 °C ligt, de maximale walsnelheid 120 meter per seconde (m/s) overschrijdt en de geproduceerde draadspulen tot 10 kilometer (km) lang kunnen zijn. Tijdens het walzen van draad worden meestal 25 tot 30 passes genomen in een continu walzwerk.

Brede Toepassingsgebieden

Draad is een materiaal met een zeer brede toepassing. Van componenten voor de auto-industrie, bandenweefsel, elektroden, verbindingsmiddelen zoals moeren en bouten, veren, draad en draadproducten, staalwapeningen – alles is gebaseerd op draad. Daarom wordt een draadwalzwerk meestal ontworpen met veelzijdigheid in gedachten. Aangezien het walzwerk energie-intensief is, is het noodzakelijk dat optimale oplossingen in het ontwerp worden geïntegreerd zonder in te boeten op flexibiliteit. Alle maten, materialen en legeringen moeten efficiënt en met hoge productiviteit worden geproduceerd.

Kwaliteitseisen en Nabewerking

Draad moet voldoen aan de eisen van gebruikers wat betreft oppervlakte- en interne kwaliteit, evenals fysieke, chemische, mechanische en metallurgische eigenschappen. Draad ondergaat nabewerking zoals trekken, smeden of machineerbaarheid tot gewenste vormen en warmtebehandeling om de gewenste sterkte te bereiken. Daarom moet draad zorgen voor goede prestaties van de geproduceerde onderdelen waar ze worden toegepast, en tegelijkertijd goede bewerkbaarheid hebben in de verschillende fasen van de nabewerking.

De gebruiker van draad heeft drie basisvereisten:

1. Elimineren of vereenvoudigen van één of meer secundaire of tertiaire bewerkingsstappen om de productiviteit te verbeteren en de verwerkingskosten te verlagen.
2. De functionaliteit verbeteren, namelijk de levensduur verlengen, het gewicht verminderen of andere voordelen bieden aan het eindproduct waarvoor de draad wordt gebruikt.
3. Het gebruik van milieuschadelijke stoffen tijdens nabewerkingsprocessen elimineren.

Eisen aan een Modern Draadwalzwerk

Om aan de steeds strengere eisen van de consument te voldoen, moet het draadwalzwerk over de algehele mogelijkheden beschikken om draad te walzen vanuit verschillende oogpunten:

• Verbetering van de dimensionele nauwkeurigheid.
• Implementatie van maatvrij walzen (d.w.z. producten van wisselende maten walzen zonder walsen te veranderen).
• Productiviteit verbeteren door het walsveranderingswerk te versnellen (verkorting van de walsverandingstijd).
• Productoppervlaktekaliteit verbeteren door het voorkomen van oppervlaktedefecten tijdens transport in het walsproces.

Een draadwalzwerk moet niet slechts materialen leveren, maar draad leveren die voldoet aan de eisen voor de lange nabewerking die ze ondergaan in secundaire en tertiaire processen totdat de eindproducten worden geproduceerd. Bovendien, aangezien eindproducten in veel gevallen worden gebruikt als vitale onderdelen in diverse industriële sectoren, zijn er eisen voor procesrationalisatie in geïntegreerde samenwerking met klanten. Het walzwerk moet dus in staat zijn om niet alleen aan de kwaliteitseisen van de gebruikers te voldoen, maar ook aan hun productiviteit, opbrengst, flexibiliteit en productiekosten tijdens de nabewerking. Een hoge walzwerkopbrengst gecombineerd met adequate productkwaliteit is van cruciaal belang voor de controle van de productiekosten.

Productiecapaciteit en Flexibiliteit

De productiecapaciteit van een draadwalzwerk hangt af van ofwel volumepProductie van een paar standaardproducten, ofwel een gediversifieerd productmix bestaande uit draad met een groot aantal staalsoorten en gespecialiseerde productkwaliteiten.

Een draadwalzwerk heeft basisuitrusting nodig voor: (i) verwarmingsinstallaties voor het opwarmen van het startmateriaal (blok) tot wals温度, (ii) walsinstallaties bestaande uit walskasten met walsen, koppels, geleiders en beschermingen, (iii) leg-, warmtebehandel- en spoelinstallaties, en (iv) transport- en hanteringsinstallaties. Alle installaties moeten in nauwe coördinatie werken met controle op wals温度, gaptijdverlies, snelheidsverlies, kabels, niet-conforme producten en kwaliteitsafwijkingen die leiden tot afkeuring of verwijdering.

Vereisten aan een Modern Draadwalzwerk: OEE-filosofie

Er zijn verschillende belangrijke parameters voor het walzen van draad in een draadwalzwerk. Een modern draadwalzwerk wordt over het algemeen ontworpen om te werken met de 'Overall Equipment Effectiveness' (OEE)-filosofie. De OEE-waarde van het walzwerk is de waarde verkregen door vermenigvuldiging van walzwerkbenutting, walzerkefficiëntie en walzwerkopbrengsttijd.

• Walzwerkbenutting: beschikbare bedriensttijd gedeeld door de geplande productietijd, uitgedrukt in percentage.
• Walzerefficiëntie: draaitijd gedeeld door de beschikbare bedriensttijd van het walzwerk, uitgedrukt in percentage.
• Walzwerkopbrengsttijd: de tijd om het prime product te produceren ten opzichte van de draaitijd. Productopbrengst wordt uitgedrukt als het gewicht van de geaccepteerde spoel gedeeld door het gewicht van de blokken, uitgedrukt in percentage.

Draadwalzwerken hebben normaal lagere OEE dan andere soorten walzwerken vanwege de hogere downtime voor walsverandering, kastverandering en gleuf- en geleiderinstellingen tijdens productwisseling. De OEE kan worden verbeterd als deze downtime wordt verminderd.

De theoretische productiecapaciteit is de capaciteit die kan worden bereikt zonder verliezen (100% benutting, 100% efficiëntie, 100% opbrengst). De werkelijke capaciteit hangt af van het OEE-niveau. Bij een OEE van 60% is de productiecapaciteit 60% van de theoretische capaciteit. In een state-of-the-art draadwalzwerk met een goed gedefinieerd geoptimaliseerd walzwerk ligt het OEE-niveau normaal op 80%.

Kwaliteitskosten en Productiviteit

De kosten van slechte kwaliteit in het draadwalzwerk worden over het algemeen bepaald als de som van inspectiekosten en afkeuringen/afwijkingen van draad door interne en externe defecten. In een hoogpresterend walzwerk kan dit ongeveer 10% bedragen. Het kan oplopen tot 30% in een walzwerk met een gediversifieerd productmix.

In een modern draadwalzwerk ligt de hoofdfocus op productiviteit en kwaliteit. Hoge benutting, efficiëntie en opbrengst geven hoge productiviteit. Maar hoge productiviteit is niet het enige voor succes. Het moet producten produceren die waarde bieden aan klanten en waarvoor ze bereid zijn te betalen.

De productiviteit en benutting hangen af van de downtime veroorzaakt door verschillende redenen, waaronder walzwerklayout en productmix. In het walzwerk wordt de opbrengst van blokken tot eindproduct in alle stappen geregistreerd en wordt het volgen van het materiaal de verliezen in het walzwerk gevolgd. De belangrijkste verliescategorieën zijn: (i) gaptijdverliezen, (ii) snelheidsverliezen, (iii) verliezen door kabels, (iv) verliezen door kwaliteitsafwijkingen, (v) verliezen door walzwerkdowntime, (vi) verliezen door afkeuring/verwijdering tijdens inspectie aan de afwerkzijde, en (vii) tijdverliezen door waardeverhogende operaties bij gespecialiseerde draadproducten.

Walzwerkflexibiliteit en Maatvrij Walzen

In een draadwalzwerk wordt staal (blok) boven de rekristallisatietemperatuur verwarmd en door verschillende gleuven van de walsen in het walzwerk gevoerd. Veelvoorkomende walsgeleefontwerpen zijn diamant-vierkant, diamant-diamant, doos-passes, vierkant-ovaal, valse rond-ovaal en rond-ovaal. In draadwalzwerken wordt normaal maatvrij walzen toegepast, wat betekent dat draad van elke maat kan worden gewalst zonder beperkingen van de pasmaten van de in het walzwerk gehouden walsen. Dit wordt ook wel de flexibiliteit van de serie genoemd.

De vereenvoudiging van het walschema van een upstream walzwerk stelt de frequentie van walsverandering aanzienlijk lager in. Hoe breder het bereik van productmaten dat met dezelfde walsen kan worden gewalst (maatvrij bereik), des te groter het effect van verminderde walsveranderingsfrequentie. Maatvrij walzen is niet beperkt tot de afwerkwalzen; het kan ook worden toegepast op de pre-afwerkwalzen.

Voor het verbeteren van de productiviteit ligt de focus op het minimaliseren van de downtime. De effectiviteit wordt vergroot door de tijd en noodzaak voor walsverandering te verminderen bij nieuwe eindmaten, staalsoorten en vormen. Dit wordt bereikt door het verbeteren van het werkbereik, ook wel de flexibiliteit van de serie genoemd. Verbeterde flexibiliteit wordt bereikt wanneer grote hoeveelheden verschillende staalsoorten, met verschillende vormen en maten, worden gewalst met een minimale wijziging van het walschema.

Elke staalsoort wordt gekenmerkt door zijn specifieke materiaalstroming, zoals verschillende spreiding bij doorpasseren van de walsklef. Ook de opstarttijd en wachttijd voor de juiste wals temperatuur, afhankelijk van de staalsoort, moeten worden verminderd. Echter, verschillende verwarmingscycli veroorzaken nog steeds te hoge downtimes bij een breed scala aan sorten. Om aan de marktvraag van vandaag te voldoen – kleinere partijen en talrijke staalsoorten – is het een noodzaak dat moderne draadwalzwerken een hoge mate van flexibiliteit tonen.

Een speciaal aspect is het gebruik van een flexibel walsgeleefontwerp of flexibele gleuven met hoog werkbereik. Met flexibele walsgeleereeksen kan het walzen in dezelfde gleuven voor een breed bereik van eindproducten worden uitgevoerd, gewoon door de walsafstand te veranderen. Dus gleufverandering kan worden vervangen door een eenvoudige verschuiving van de walsklef, wat de downtime voor productwisseling vermindert. Er is een sterke wederzijdse afhankelijkheid tussen de flexibiliteit van het walsgeleefontwerp, de walzwerkbenutting en de opbrengst.

Door een flexibel walsgeleefontwerp aan te nemen, kan een belangrijk deel van de verliezen in het walzwerk worden verminderd. Een flexibel ontwerp minimaliseert het risico op gleufovervulling en kabelvorming bij staalsoortwisseling. Het heeft ook voordelen voor productontwikkeling bij introductie van nieuwe maten of staalsoorten. Ook kan een belangrijke verbetering van de waardeverhogende draaitijd worden bereikt.

Walzwerkproductiviteit en Geavanceerde Technologieën

Een draadwalzwerk kan gecombineerd worden met een staafwalzwerk door een afkoelbeduitlaat voor de afwerkblok. Dit wordt normaal gedaan om de capaciteit van het upstream walzwerk te benutten. Wanneer de walsen in het draadblok worden veranderd, produceert het upstream walzwerk staven om de totale downtime te verminderen.

Moderne draadwalzwerken zijn over het algemeen eendraads walzwerken. Bij een meerdraads walzwerk wordt een tweede intermediair walzwerk op elk van de draden geïntroduceerd om de invloed van verandering in het aantal gelijktijdige walsdraden te verminderen. Dit kan een pre-afwerkblok zijn of een drie-wals walzwerkblok. Het belangrijkste kenmerk van het drie-wals walzwerk is de mogelijkheid om dimensievariaties tussen de drie gegleufde walsen die de hele omtrek van het walzgut walzen, te onderdrukken en de spreiding te verminderen ten opzichte van een conventioneel twee-hoog walzwerk. Deze intermediaire walzen is bekend als maatwalzwerk waar de vormgeving wordt gedaan door lage reductie. Dit helpt bij een gezinswalsfilosofie upstream, waardoor de herinsteltijd wordt verminderd.

Voor het verhogen van de walsnelheid en dus de productiviteit, wordt een reducerend/maatwalzwerk (RSM) na een conventioneel afwerkblok geïnstalleerd. De integratie van een RSM na het conventionele afwerkblok verbetert de productiviteit op kleine maten aanzienlijk (tot 60%). De extreme precisie is in veel installaties bewezen. In combinatie met zeer lage-temperatuurwalzing resulteert dit in een verfijnde microstructuur die additionele secundaire processen kan elimineren. De RSM biedt zowel productiviteit als verbeterde eindproductkwaliteit, tegelijkertijd de operationele kosten verlagend en de kwaliteit van het draadproduct verhogend. Het accommodeert een enkel walsgeleefontwerp van kast 1 in de ruwwalsgroep tot de laatste kast van het afwerkblok. Omdat het een enkel gezins-pasontwerp vergemakkelijkt, kan een hoge walzefficiëntie worden gehandhaafd ongeacht de eindproductmaat.

Tussenkastspanningen worden zoveel mogelijk vermeden bij draadwalzen, anders gaan kop- en staarteinden uit tolerantie omdat de vrije einden niet onder spanning kunnen worden gewalst. Dit kan leiden tot overvolle gleuven en einddefecten zoals graten. Echter, in het hoge-snelheid no-twist blok met vaste transmissie, worden tussenkastspanningen gebruikt om stabiele walscondities te bereiken. Wanneer tussenkastspanningen worden toegepast, worden de gleuven ingesteld om de vereiste tolerantie te geven.

Draadkwaliteit en Gecontroleerde Afkoeling

Draad wordt in verschillende toepassingen gebruikt. In veel toepassingen zijn de kwaliteitseisen aan de draad zeer streng. Minderwaardige kwaliteit verhoogt defecten/afwijkingen van eindproducten en beïnvloedt de opbrengst bij klanten negatief, wat ontevredenheid veroorzaakt.

Aangezien draadwalzen een energie-intensief proces is, is het altijd noodzakelijk dat het walzen van defecte draadspulen wordt geminimaliseerd. Soms kan een groot defect in het blok zelfs een kabel in het walzwerk veroorzaken. Aangezien de lengte van draad uit een blok erg lang is, vereist kwaliteitsborging over de hele lengte na walzen tijd en inspanning. Daarom is de kwaliteitscontrole van blokken (het startmateriaal voor walzen) van groot belang. Defecte blokken moeten worden geïdentificeerd, gesepareerd en verwijderd door blokinspectie. Blokken moeten worden geïnspecteerd op zowel oppervlakte- als interne defecten. Kleine oppervlaktedefecten kunnen worden verwijderd door slijpen (conditionering) van het blok.

Belangrijke eisen aan draad (vooral dunne draad) zijn hoge productiviteit in secundaire bewerking en hoge sterkte na eindtrekking. Hoge productiviteit betekent minimaliseren van draadbreuk tijdens trekken en bundelen of ideaal geen breuken, hogere directe trekbaarheid, en goede trekbaarheid onder zware trekkundities zoals hoge treksnelheid. Deze steeds meer verfijnde eisen van klanten worden toegepast door strikte standaarden aan kwaliteitscontrole-items zoals niet-metalische inclusies, segregatie, ontkoolstofing, mechanische eigenschappen en microstructuur.

Normaal zijn er drie hoofdeisen aan draad voor veel toepassingen: (i) hogere sterkte, (ii) eliminatie of vereenvoudiging van nabewerking, en (iii) minder gebruik van milieuschadelijke stoffen. Hogere staalsterkte is vereist vanwege kostenreductie bij de gebruiker en vele andere redenen. Aangezien draad bij de gebruiker verschillende soorten nabewerking ondergaat zoals smeden, trekken en machineerbaarheid alsook warmtebehandeling voor aanlassen, verharden, reven, is er vanuit het oogpunt van kostenreductie, energiebesparing en milieubehoud een sterke drang tot eliminatie of vereenvoudiging van warmtebehandeling en machineerbaarheid (zoals near-net of spaanloze vormgeving).

Controle van niet-metalische inclusies, uitvallen, transformatie en metallografische structuur is een cruciale metallurgische maatregel voor eigenschapsverbetering van draad. De controle van niet-metalische inclusies is een van de belangrijkste kerntechnieken voor sterktetoename van verenstalen, levensduurverlenging van lagerstalen, en eliminatie van lood uit vrijkopende stalen, etc. Controle van de structuur en vorm van oxiden en sulfiden is effectief voor het realiseren van gewenste eigenschappen van deze stalen.

In een draadwalzwerk is er geen compromies mogelijk bij het voldoen aan gespecificeerde spuleigenschappen met precisie. Hier speelt het gecontroleerde afkoeltransportband (CCC) systeem een sleutelrol. De consistent hoge kwaliteit door de hele draadspul moet worden gecontroleerd.

In dit opzicht speelt het CCC-systeem een belangrijke rol voor het verwerken van kwaliteitsdraadproducten, het bereiken van gewenste uniformiteit, en metallurgische en mechanische eigenschappen. Het controleert de om-de-ring treksterktevariaties op snel-gekoelde producten strak tot een standaarddeviatie binnen 1% van de gemiddelde treksterkte.

Het CCC-systeem door een juiste selectie van het afkoelregime accommodeert de productie van alle conventionele staalsoorten alsmede speciale productkwaliteiten met alternatieve afkoelmodi. Het optimaliseert ook de verwerking van koolstof- en legeringsstaalsoorten wanneer gebruikt in combinatie met de RSM voor lage-temperatuurwalzing en gecontroleerde afkoeling, wat een zeer goede combinatie van eigenschappen en dimensionele controle oplevert.

Het CCC-systeem faciliteert verwerking in een breed bereik van condities, inclusief zowel snel- als langzame afkoelmodi binnen een enkel systeem. Deze mogelijkheid stelt het draadwalzwerk in staat om een breed spectrum van gewone koolstof- en legeringsstalen, alsmede roestvrije stalen en andere specialiteitskwaliteiten te produceren. Het CCC-systeem resulteert in verbeterde as-gerolde staaveigenschappen van de draad, wat de productie van meer kwaliteiten in een direct bruikbare toestand mogelijk maakt, en downstream processen zoals sferoidisatie-aanlassen vermindert of elimineert.

Thermomechanisch walzen (TMR) in het draadwalzwerk verfijnt de eindkorrelgrootte als resultaat van dynamische rekristallisatie. Gecombineerd met finale in-line waterafkoeling en de superieure gecontroleerde afkoeling op het CCC-systeem, speelt TMR een significante rol in het bepalen van de eindproducteigenschappen. Dit is met name gunstig voor laag-gelegerde en medium-gelegerde staalproducten die vervolgens gesferoidiseerd worden aangeleist tijdens downstream verwerking. De mogelijkheid om de korrelgrootte sterk te controleren, beïnvloedt ook de volgende transformatie naar harde producten zoals bainiet en martensiet door de transformatiestarttijd en -temperatuur te verschuiven. Dus TMR kan directe downstream koude bewerking minimaliseren en aanlaastijden verminderen.

De combinatie van verwerking op CCC-systeem en lage wals温度 biedt de mogelijkheid om de verhardeerbaarheid in sommige kritieke draadkwaliteiten te verminderen. Uiteindelijk bevordert dit ferrietvorming en vertraagt de evolutie naar bainiet en martensiet. De verfijnde korrelgrootte bereikt door TMR verbetert de diffusie tijdens warmtebehandeling en kan resulteren in verminderde warmtebehandelingtijden en -temperaturen. Voor die staven die niet warmtebehandeld worden, verhogen de verfijnde en complexe structuren de treksterkteopname tijdens koude vervorming, wat diverse voordelen oplevert zoals: (i) verminderde as-gerolde treksterkte, (ii) verbeterde downstream respons, en (iii) verhoogde werkverharding. De verbeteren voortvloeien uit korrelverfijning en microstructuurcontrole. De goede controle van het afkoelproces op het CCC-systeem gecombineerd met de verminderde verhardeerbaarheid van de draad maakt het proces zeer stabiel en verlaagt de kans op vorming van ongewenste harde fasen.