Einbindung von automatischen Walzenrissprüfsystemen in den Betriebsablauf von Walzenschleifereien in Warmwalzwerken

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1 DGZfP-Berichtsband 94-CD DGZfP-Jahrestagung 25 Einbindung von automatischen Walzenrissprüfsystemen in den Betriebsablauf von Walzenschleifereien in Warmwalzwerken W. Weber, J. Bobbert, N. Rössler, H. Tamler, R. Zwahr, ThyssenKrupp Stahl, Duisburg 1. Einleitung Beim Warmwalzen von Grobblechen und Warmbreitband verschleißt die Manteloberfläche der eingesetzten Arbeitswalzen durch Gefügeveränderungen und Rissbildungen. Diese entstehen durch die hohe Werkstoffbelastung der Walzenoberfläche im Walzspalt, welche gekennzeichnet ist durch eine hohe Flächenpressung bei gleichzeitiger thermischer Wechselbeanspruchung. Zudem unterliegt die Walzenoberfläche einem abrasiven Werkstoffabtrag durch die Relativbewegungen zwischen dem Walzgut und der Walzenoberfläche /1/. Eine verschlissene Walzenoberfläche verschlechtert erheblich die Oberflächenqualität der gewalzten Bleche und Bänder hinsichtlich der Maßtoleranzen, dem Profil und der Planheit. Daher wird der Walzvorgang regelmäßig unterbrochen und die Walzenoberfläche durch Beschleifen aufgearbeitet. Somit wird die Voraussetzung für den erneuten Einsatz der Walzen geschaffen. In den Walzenschleifereien erfolgt derzeit eine schrittweise Nachrüstung und Modernisierung der Walzenschleifbänke mit Prüfanlagen, die mit dem Wirbelstrom-, und teilweise kombiniert mit dem Ultraschallverfahren, automatisiert die Walzenoberfläche auf Beschädigungen untersuchen. Zur Einbindung der Prüftechniken in die Arbeitsabläufe der Walzenschleifereien ist ein eindeutiger Zusammenhang zwischen den Signalgrößen der Prüfverfahren und den Eigenschaften der Walzenoberfläche in Bezug auf die erforderlichen Oberflächeneigenschaften für den nächsten Walzeinsatz zu entwickeln. 2. Ziele bei der Einbindung der Walzenrissprüfung in den Walzenumlauf Durch das Beschleifen der Manteloberfläche nach dem Walzeneinsatz erhält die Walze durch das Abtragen der obersten Werkstoffschicht die für das Walzverfahren erforderliche Oberflächenkontur. Gleichzeitig sollte durch einen ausreichend großen Werkstoffabtrag eine mögliche Anrissbildung und Gefügeschädigung abgeschliffen werden, so dass weiteres Risswachstum vermieden wird. Bei der Walzenbearbeitung ohne den Einsatz der Prüfverfahren erfolgt die Größe des Abtrages zumeist nach festen Vorgabewerten ohne wesentliche Beachtung des tatsächlichen Zustandes der Walze. Durch den Einsatz der Prüfverfahren kann der Zustand der Oberfläche hinsichtlich Rissbildung und Gefügeveränderungen quantitativ bestimmt werden und somit die Größe des notwendigen Abschliffes gesteuert werden. Das Ziel bei der Einbindung der Prüftechnik in den Walzenumlauf liegt somit in der Verringerung des Walzenabschliffes und einer Verlängerung der Walzenreise, entsprechend Bild 1.

2 DGZfP-Berichtsband 94-CD DGZfP-Jahrestagung Einsatz und Ausstattung eines Prüfsystems am Beispiel des Profit Centers Grobblech PCG In dem Profit Center Grobblech der ThyssenKrupp Stahl AG wurde zu Beginn des Geschäftsjahrs 22/23 in der Walzenschleiferei eine Walzenrissprüfanlage zur Prüfung von Arbeits- und Stützwalzen installiert. Die Ballenlänge der Arbeitswalzen aus Chromstahl-Verbundguss beträgt 39mm bei einem Ausgangsdurchmesser von 1mm. Die Ausstattung der Prüfanlage umfasst die Wirbelstrom- und Ultraschallprüfung. Die Wirbelstromprüfung dient zum Nachweis von Rissausbildungen und Gefügeschäden auf der Walzenoberfläche. Die Unterscheidung zwischen Anzeigen für Riss- und Gefügeschäden erfolgt durch eine Bandpassfilterung der Wirbelstromsignale. Signaländerungen mit einer hohen Dynamik werden als Rissanzeige indiziert und Signaländerungen mit einer geringen Signaldynamik als Gefügeveränderungen. Weiterhin ist die Anlage ausgestattet mit einem 2-Kanal- Ultraschallprüfsystem. Die Fokuslage der beiden Ultraschallprüfköpfe ist ausgelegt zum Nachweis von beginnenden Anrissbildungen in einer Tiefenlage zwischen 2.5mm bis 25mm bzw. zum Nachweis von Mantel-Kern Ablösungen in einem Tiefenbereich von 2mm bis 125mm unter der Manteloberfläche. Bild 2 zeigt die Gesamtansicht der Prüfanlage bei angekoppeltem Prüfkopf. Wesentlich für eine Verminderung des Walzenabschliffs ist die Auswertung der Wirbelstromanzeigen, da diese eine beginnende Anrissbildung an der Walzenoberfläche anzeigen und somit frühzeitig auf einen entstehenden Schaden hinweisen. Daher wurde der Schwerpunkt bei der Inbetriebnahme auf ein methodisches Vorgehen zur Auswertung der Wirbelstromsignale gelegt. 4. Vorgehen bei der Inbetriebnahme und Datenerfassung Bei der schrittweisen Inbetriebnahme des Prüfsystems wurde zunächst das bisherige Vorgehen bei der Walzenbearbeitung durch eine umfassende Aufnahme der Prüfwerte nach Abschluss des Schleifens dokumentiert. Die Wirbelstrom- Signalgrößen wurden anschließend hinsichtlich des Auftretens von kleinen Walzenausbrüchen in Bezug auf die verbliebenen Signalgrößen ausgewertet. Hierdurch wurden für die Signale Grenzwerte zur Schleifvorgabe unter den Walzbedingungen des Walzwerkes definiert. Entsprechend den Ergebnissen der Signalauswertungen sind Regeln für das Bearbeiten der Walzenoberfläche aufgestellt worden. Weiterhin wurden die Änderungen der Wirbelstromsignale während des Abschleifens verfolgt. 5. Verfahrensentwicklung zur Signalbewertung Nach der Installation der Prüfanlage wurden zunächst die Wirbelstromsignale der aufgenommenen Prüfdaten systematisch untersucht. Hierzu sind Programmroutinen entwickelt worden, um die Signalgrößen der Einzelmessungen statistisch auszuwerten.

3 DGZfP-Berichtsband 94-CD DGZfP-Jahrestagung 25 Die ermittelten Kennwerte für das Ergebnis einer Einzelmessung sind in Bild 3 gezeigt. Weiterhin können die Werte in chronologischer Abfolge der Walzenreise für die gesamten Ergebnisse aller Prüfungen miteinander verknüpft werden. Bild 4 zeigt die Ausbildung der Maximalwerte für 15 Arbeitswalzen in Abhängigkeit vom abnehmenden Walzendurchmesser durch das Beschleifen. Jeder einzelne Messpunkt repräsentiert einen aufgetretenen Maximalwert für die Indikation "Riss" nach dem Abschluss des Beschleifens und somit vor dem erneuten Einsatz der Walze in das Walzgerüst. Die beobachtete Schwankungsbreite der Signalanzeigen ohne die Einbindung der Prüfanlage in die Walzenaufarbeitung überspannt dabei fast vollständig den gewählten Skalierungsbereich. Eine Bestimmung von Schwellwerten für die Walzenaufarbeitung ist anhand der Einzelwerte nicht möglich. Um dennoch eine Klassifizierung der Signalgrößen zu erreichen, wurde eine Auswahl von Walzen jeweils vor dem Walzeneinsatz und unmittelbar nach dem Walzeneinsatz geprüft. Bei dem Vergleich der C-Bilder als Mantelabwicklung kann in Einzelfällen ein erneutes Wachstum von verbliebenen Anzeigen, z.b. durch Brandrisse, beobachtet werden. Zugleich konnte auch ein Abtragen von Indikationen durch Vergleiche der Prüfergebnisse vor und nach dem Walzeneinsatz nachgewiesen werden. Beide Phänomene geben einen ersten Hinweis zur Festlegung von Maximalwerten zur Bestimmung von Grenzwerten. Bild 5 zeigt exemplarisch ein Beispiel für Risswachstum und ein Beispiel für eine Anzeigenverringerung. 6. Festlegen von Signalschwellen und Integration in den Produktionsablauf Zur Festlegung von Schwellwerten ist das Auftreten von Risswachstum für verbliebene Riss-Restanzeigen nach der Walzenbearbeitung in Bezug auf den folgenden Walzeneinsatz statistisch ausgewertet worden. Hierfür sind zunächst die verbliebenen Maximalwerte der Rissindikationen vor dem Walzeneinsatz in Werteklassen mit einer Klassenbreite von 5SKT eingeteilt. Nach dem Walzeneinsatz wurde erneut geprüft und das Ergebnis auf einen Hinweis von Risswachstum bewertet. Diese ermöglicht nun für jede Werteklasse vor dem Walzeneinsatz eine Bestimmung der Häufigkeit, bei der ein Risswachstum von den verbliebenen Rissanzeigen aufgetreten ist. Bild 6 zeigt als Ergebnis ein überproportionales Ansteigen für die Häufigkeit von Risswachstum für verbliebene Rissanzeigen mit einer Größe über 7SKT. Anhand dieser Zusammenhänge wurde eine Festlegung von Schwellwerten für die Wirbelstromsignale bei der Walzenaufarbeitung erarbeitet. Nach ausreichender Absicherung der Prüfergebnisse ist die Prüfanlage in die Arbeitsschritte bei der Walzenaufarbeitung eingebunden worden. Bild 7 zeigt die Maximalwerte für verbliebene Rissanzeigen im Anschluss an die Walzenaufarbeitung nach der Betriebseinführung der Prüfanlage für 7 Arbeitswalzen. Die Schwankungsbreite der Prüfsignale ist wesentlich kleiner im Vergleich zu den Signalgrößen in Bild 4, welche die Situation vor der betrieblichen Einführung der Prüfanlage repräsentiert.

4 DGZfP-Berichtsband 94-CD DGZfP-Jahrestagung Absicherung der Prüfergebnisse und der Vorgehensweise Zur technischen Absicherung der Prüfergebnisse ist die Empfindlichkeit der Prüfanlage zum Nachweis der realen Walzenrisse eingehend untersucht worden. Hierfür sind signifikante Anzeigen in den C-Bild Darstellungen auf der Walzenoberfläche lokalisiert und detailliert untersucht worden. Mit Hilfe des Farbeindringverfahrens und des Magnetpulververfahrens wurden die Risseigenschaften auf der Walzenoberfläche bestimmt. Zudem ist der Zusammenhang zwischen den Anzeigegrößen der Prüfanlage und den Signalausbildungen von manuellen Wirbelstrommessungen mit Vergleichsfehlergeometrien erarbeitet worden. Kleine Wirbelstromanzeigen, die nicht mit dem Farbeindringverfahren bestätigt werden konnten, wurden durch metallografische Untersuchungen an der Walzenoberfläche eingehend überprüft. Bild 8 zeigt den Einsatz eines mobilen Auflichtmikroskopes während einer Detailuntersuchung der Walzenoberfläche in einem Warmbandwerk. Hierbei wird der Befund durch eine CCD-Kamera an den Rechner übertragen und dokumentiert. Exemplarisch ist in Bild 9 die Gesamtlänge eines Rissfeldes durch die Aneinanderreihung einzelner Bilder bestimmt worden. Zum Nachweis der wirtschaftlichen Effizienz der Prüfanlage ist die Entwicklung der spezifischen Walzenleistung während der Betriebseinführung verfolgt worden. Die spezifische Walzenleistung ist der Quotient aus der gewalzten Stahlmenge und dem hierzu notwendigen Walzenabschliff. Diese Kennzahl beschreibt somit den Walzenverbrauch. Nach der vollständigen Betriebseinführung der Prüfanlage wurde eine Steigerung der Walzenleistung von 3% erreicht. Anzumerken ist, dass die Walzenleistung wesentlich von den zu walzenden Stahlgüten mitbestimmt wird. Diese ändern sich entsprechend der Beauftragung der Walzwerke. Somit kann die hohe Steigerung nicht vollständig der Verwendung der Prüftechnik zur Steuerung des Walzenabschliffes zugeordnet werden. Jedoch ist diese Steigerung nicht zu erreichen ohne die Steuerung des Walzenabschliffes durch die Einbindung der Prüfanlage in den Betriebsablauf der Walzenschleiferei. 8. Zusammenfassung Während dem Walzeneinsatz verschleißt die Oberfläche von Arbeits- und Stützwalzen aufgrund der Walzenbelastungen im Walzgerüst. In den Walzenschleifereien wird die Mantelfläche nach einem Walzeneinsatz durch Beschleifen wieder aufgearbeitet. Hierbei wird die oberste Werkstoffschicht abgetragen, so dass die Walze die für den nächsten Walzeneinsatz erforderliche Walzenkontur erhält. Gleichzeitig sollen durch einen ausreichenden Werkstoffabtrag Anrisse und Gefügeschädigungen ausgeschliffen werden. Zur Beurteilung des Walzenzustandes kommen zunehmend Walzenrissprüfanlagen in den Walzenschleifereien zum Einsatz. Die verwendeten Prüftechniken sind das Wirbelstromverfahren und das Ultraschallverfahren. Von besonderer Bedeutung ist hierbei der Einsatz der Wirbelstromtechnik zum empfindlichen Nachweis von Anrissen in der Manteloberfläche. Ziele bei der Einbindung der Prüftechniken sind das verbesserte Erkennen von beginnenden Schäden zur Vermeidung von Walzenausbrüchen in der Mantelfläche und eine Verminderung des Walzenabschliffes.

5 DGZfP-Berichtsband 94-CD DGZfP-Jahrestagung 25 Vor der Einbindung der Prüfanlagen in den Betriebsablauf der Walzenschleifereien - spezifisch unter den Betriebsbedingungen des Walzwerkes - wurde der Zusammenhang zwischen den Signalgrößen in Bezug auf die erforderlichen Eigenschaften der Walzenoberfläche ermittelt. In dem Profit Center Grobblech PCG der ThyssenKrupp Stahl AG ist während der Inbetriebnahme und der betrieblichen Begleitung einer Walzenrissprüfanlage methodisch die Prüfempfindlichkeit des Systems im Einsatz bestimmt worden. Dieses erfolgte durch eine statistische Auswertung der Prüfergebnisse und durch begleitende Untersuchungen mit Vergleichsfehlern. Hieraus wurden Regeln für das Vorgehen bei der Walzenbearbeitung unter Beachtung der Prüfergebnisse erarbeitet. Nach einer ausreichenden Absicherung der Ergebnisse ist die Prüfanlage in den Betriebsablauf der Walzenschleiferei eingebunden worden. Die wirtschaftliche Effizienz der Anlage wurde durch eine deutliche Erhöhung der spezifischen Walzenleistung nachgewiesen. 9. Literatur /1/ Spuzic, S.; Strafford, K.N.; Subramanian, C.; Savage, G.: Wear of hot rolling mill rolls: an overview Wear 176, 1994, S Anhang Walzenverschleiß und Beschädigung im Walzgerüst Gefügeschäden Druckstellen Brennrisse Risse Verringerung des Walzenabschliffes Prüfverfahren Wirbelstromverfahren zum Nachweis von Oberflächenschäden Ultraschallverfahren zum Nachweis von verdeckten Werkstoffschäden Bild 1: Walzenaufarbeitung in den Walzenschleifereien Schleifen Einstechen Stopfen Auswertung der Signale zur Schleifvorgabe Ziele für den Einsatz von automatisierten Walzenrissprüfanlagen

6 DGZfP-Berichtsband 94-CD DGZfP-Jahrestagung 25 l = 3.9m Walzendurchmesser (neuw.): 1mm Bild 2: Gesamtansicht der Prüfanlage im Profit Center Grobblech PCG der ThyssenKrupp Stahl AG Umfang [ ] SKT [mv] SKT [mv] Bild 3: Mantelabwicklung der Walzenoberfläche Maximalwerte Risse in Umfangsrichtung Maximalwerte Gefüge in Umfangsrichtung Definition von Kennwerten für eine Einzelmessung Risse Max. Häufigkeit [%] : Max. Häufigkeitsklasse [mv]: 8. Varianz [mv]: Standardabw. [mv]: Maximalwert [mv]: Gefüge Signalniveau [mv]: Histogramm Risse 8 Häufigkeit [%] Häufigkeit [%] Werteklasse [mv], Kl. Breite: 8mV, Kl. Anz.: 25 Histogramm Gefüge Werteklasse [mv], Kl. Breite: 8mV, Kl. Anz.: 25

7 DGZfP-Berichtsband 94-CD DGZfP-Jahrestagung maximale Rissanzeige [mv] 1 Bild 4: Walzendurchmesser [mm] 2 Anz. Walzen: n = Ausbildung der Maximalwerte für die Indikation "Riss" vor dem erneuten Walzeneinsatz ohne Berücksichtigung von Schleifvorgaben Risswachstum während des Walzeneinsatzes: 36 3 Umfang [ ] Abtragen von Anzeigen während des Walzeneinsatzes: 36 3 Umfang [ ] Bild 5: Vergleich von Rissanzeigen vor- und nach dem Walzeneinsatz

8 DGZfP-Berichtsband 94-CD DGZfP-Jahrestagung 25 Häufigkeit von Risswachstum [%] ohne Risswachstum 3 2 Gefahr von Risswachstum Werteklasse für das Risswachstum [mv] Anzahl der ausgewerteten Arbeitswalzen: 4 Gesamtzahl der ausgewerteten Walzeneinsätze: N ges = 152 Gesamtzahl der ausgewerteten Prüfungen: N ges = 34 Werteklasse Rissindikation [mv] Wertebereich [mv] Anz. ohne Risswachstum N ohne Riss >x >x >x >x Anz. mit Risswachstum N mit Riss Häufigkeit für Risswachstum [%] N mit Riss / (N ohne Riss + N mit Riss ) * Bild 6: Statistische Auswertung von beobachtetem Risswachstum Anz. Walzen: n = maximale Rissanzeige [mv] 1 Bild 7: Walzendurchmesser [mm] 92 9 Ausbildung der Maximalwerte nach der betrieblichen Einführung des Prüfsystems

9 DGZfP-Berichtsband 94-CD Bild 8: DGZfP-Jahrestagung 25 Überprüfung von Anzeigen durch metallografische Untersuchungen in der Walzenschleiferei eines Warmwalzwerkes Gesamte Länge der Einzelrisse: ~ 16mm Anzahl der einzelnen Schliffbilder: 14 5µm Bild 9: Rissnachweis durch Schliffbilder von Indikationen an der Walzenoberfläche