Walzwerkswalzen: Leitfaden zu Typen, Herstellung und Leistung

Was istt eine Walzwerkswalze?

A Walzwerkwalze is Die primäre Arbeitskomponente in Metallwalzgeräten, die die Metalldicke durch Rotationsdruck formt und reduziert . Diese zylindrischen Werkzeuge werden paarweise oder in Gruppen in Walzwerken montiert, um Metallbarren, -brammen oder -bänder in die gewünschten Formen und Abmessungen zu komprimieren und zu verlängern. Walzwerkswalzen arbeiten bei hohen Temperaturen und Drücken und sind daher entscheidend für den Erfolg der Stahlproduktion, der Aluminiumverarbeitung und anderer Metallumformvorgänge.

Das Grundprinzip hinter Walzwerkswalzen besteht darin plastische Verformung von Metall zwischen zwei gegenläufig rotierenden Zylindern . Während das Metall den Spalt passiert (der als „Walzspalt“ oder „Durchgang“ bezeichnet wird), üben die Walzen Druckkräfte aus, die die Dicke verringern und gleichzeitig die Länge vergrößern. Moderne Walzwerke können Materialien verarbeiten, die von tonnenschweren massiven Stahlbrammen bis hin zu dünnen Aluminiumfolien mit einer Dicke von nur 0,006 mm reichen.

Arten von Walzwerkswalzen und ihre Anwendungen

Arbeitsrollen vs. Ersatzrollen

Bei Walzwerkskonfigurationen kommen typischerweise zwei unterschiedliche Walzentypen zum Einsatz. Arbeitswalzen haben direkten Kontakt mit dem zu bearbeitenden Metall , trägt die Hauptlast thermischer und mechanischer Belastungen. Diese Rollen mit kleinerem Durchmesser (normalerweise 300–800 mm) ermöglichen eine bessere Formkontrolle und Oberflächengüte. Stützrollen mit Durchmessern von bis zu 1.200–1.800 mm , stützen die Arbeitswalzen und verhindern ein Durchbiegen bei hoher Belastung, insbesondere in Quarto- und Sixto-Walzkonfigurationen.

Materialbasierte Klassifizierungen

Herstellungsprozess von Walzwerkswalzen

Bei der Herstellung von Walzwerkswalzen handelt es sich um hochentwickelte metallurgische Prozesse, die darauf abzielen, optimale Härte, Verschleißfestigkeit und thermische Stabilität zu erreichen. Die Fertigung folgt typischerweise diesen kritischen Phasen:

• Materialauswahl und Schmelzen - Hochwertige Legierungszusammensetzungen werden in Elektrolichtbogenöfen bei Temperaturen über 1.600 °C geschmolzen
• Gießen oder Schmieden - Je nach Walzentyp wird geschmolzenes Metall entweder in Zentrifugal- oder statischen Formen gegossen oder unter hydraulischen Pressen mit einem Druck von 10.000 Tonnen geschmiedet
• Wärmebehandlung - Kontrollierte Heiz- und Kühlzyklen erzeugen die gewünschten Mikrostrukturen mit Abschrecktemperaturen im Bereich von 850–1.050 °C
• Bearbeiten und Schleifen - Durch Präzisionsschleifen werden Oberflächenrauheitswerte von Ra 0,2–0,8 Mikrometer und Maßtoleranzen innerhalb von ±0,02 mm erreicht
• Oberflächenbehandlung - Fortschrittliche Walzen können verchromt, lasergehärtet oder mit Keramikbeschichtungen versehen werden, um die Verschleißfestigkeit um 30–50 % zu erhöhen.

Für Schnellarbeitsstahl-Arbeitswalzen, die beim Kaltwalzen verwendet werden, dauert der Herstellungszyklus ca. 6-8 Monate vom ersten Guss bis zur endgültigen Lieferung, was die umfangreichen Wärmebehandlungs- und Qualitätskontrollprozesse widerspiegelt, die erforderlich sind.

Wichtige Leistungsfaktoren und Verschleißmechanismen

Thermische und mechanische Belastungen

Walzwerkswalzen unterliegen extremen Betriebsbedingungen. Bei Warmwalzanwendungen Oberflächentemperaturen können 600-700°C erreichen während der Rollenkern bei 100–150 °C bleibt, wodurch starke Temperaturgradienten entstehen. Dieses zyklische Erhitzen und Abkühlen führt zu thermischer Ermüdung, die sich in Brandrissen auf der Walzenoberfläche äußert. Kaltwalzvorgänge erfordern zwar eine niedrigere Temperatur, erfordern jedoch einen höheren Kontaktdruck 1.500 MPa (Megapascal) Dies führt zu Ermüdung und Abplatzungen im Untergrund.

Primäre Verschleißmodi

Die Lebensdauer von Walzwerkswalzen wird durch mehrere Degradationsmechanismen begrenzt:

1. Abrasiver Verschleiß - Zunderpartikel und harte Einschlüsse im gewalzten Material wirken als Schneidwerkzeuge, mit Verschleißraten von 0,05–0,15 mm pro 1.000 Tonnen beim Warmwalzen
2. Adhäsiver Verschleiß - Bei hohen Temperaturen und Drücken kommt es zu einer Metallübertragung zwischen Walze und Werkstück, was insbesondere beim Walzen von Edelstahl problematisch ist
3. Oxidativer Verschleiß - Chemische Reaktionen bei erhöhten Temperaturen bilden abblätternde Oxidschichten, die 20–30 % des gesamten Warmwalzenverschleißes ausmachen
4. Plastische Verformung - Wiederholte Belastungszyklen führen dazu, dass der Walzendurchmesser in der Trommelmitte zunimmt, was zu ungünstigen Walzenprofilen führt

Moderne Mühlen implementieren Online-Walzenschleifsysteme Dadurch können Walzenprofile ohne Werksstillstand wiederhergestellt werden, wodurch die Kampagnenlebensdauer um 15–25 % verlängert und die Produktqualität verbessert wird.

Innovationen und Technologietrends im Rollendesign

Kronenkontrolltechnologien

Um eine gleichmäßige Dicke über die gesamte Bandbreite aufrechtzuerhalten, sind ausgefeilte Walzenkronenkonstruktionen erforderlich. CVC-Rollen (Continuously Variable Crown). verfügen über ein Polynomkurvenprofil dritter Ordnung, das beim Walzen axial verschoben werden kann, um Wärmeausdehnung und Verschleiß auszugleichen. Diese von der SMS Group eingeführte Technologie erreicht auf modernen Kaltwalzwerken Ebenheitstoleranzen von ±5 I-Einheiten (eine spezielle Ebenheitsmessung).

Zu den alternativen Systemen gehören:

• Paarkreuzrollen - Die Arbeitswalzen sind in einem Winkel von bis zu 3 Grad gekreuzt, um eine vorteilhafte Spannungsverteilung zu erreichen
• Biegen der Arbeitswalze - Hydraulikzylinder üben Kräfte von bis zu 1.500 kN pro Einbaustück aus, um die Walzendurchbiegung in Echtzeit zu verändern
• Thermische Kronenkontrolle - Interne Kühlkanäle regulieren die Temperaturprofile der Walzen mit einer Genauigkeit von ±2 °C

Fortschrittliche Beschichtungssysteme

Die Oberflächentechnik ist für die Verlängerung der Walzenlebensdauer von entscheidender Bedeutung geworden. PVD-Beschichtungen (Physical Vapour Deposition). Tragen Sie Titannitrid- oder Chromnitridschichten mit einer Dicke von 2 bis 5 Mikrometern auf, wodurch die Reibungskoeffizienten von 0,3 auf 0,15 gesenkt und die Verschleißfestigkeit um bis zu 300 % erhöht werden. Beim Kaltwalzen von Aluminium haben sich PVD-beschichtete Arbeitswalzen durchgesetzt Kampagnenlebensdauern von mehr als 80.000 Tonnen Im Vergleich zu 40.000 Tonnen bei unbeschichteten Rollen.

Laser-Oberflächenbehandlungen erzeugen gehärtete Zonen mit Tiefen von 0,5–2 mm und Härtesteigerungen von 200–400 HV, besonders effektiv für lokale Verschleißbereiche wie Walzenkanten.

Wartungs- und Rollenverwaltungsstrategien

Ein effektives Rollenmanagement wirkt sich direkt auf die Produktionseffizienz und Produktqualität aus. Führende Stahlhersteller setzen um umfangreiche Rollenprogramme die folgende Aspekte optimieren:

Schleifen und Nachschleifen

Arbeitswalzen werden jeweils nachgeschliffen 8–24 Betriebsstunden In Warmwalzwerken werden pro Mahlvorgang 0,3 bis 0,8 mm Material entfernt. Eine typische Arbeitswalze mit einem anfänglichen Laufdurchmesser von 650 mm kann 30–50 Mal nachgeschliffen werden, bevor der minimal zulässige Durchmesser von 550 mm erreicht wird. Präzisionsschleifmaschinen halten die Zylindrizität innerhalb von 0,01 mm und Rauheitsspezifikationen ein, die für oberflächenempfindliche Anwendungen wie Automobilkarosserieteile entscheidend sind.

Predictive Maintenance-Technologien

Moderne Mühlen nutzen Sensorsysteme, die den Walzenzustand in Echtzeit überwachen:

• Schwingungsanalyse Erkennt Lagerverschleiß und Walzenexzentrizität mit einer Genauigkeit von 0,001 mm
• Wärmebildkameras Identifizieren Sie Hotspots und Fehlfunktionen des Kühlsystems mit einer Temperaturauflösung von 0,1 °C
• Ultraschallprüfung deckt Risse und Abplatzungen unter der Oberfläche auf, bevor es zu einem katastrophalen Versagen kommt
• KI-basierte Verschleißvorhersagemodelle Prognostizieren Sie die verbleibende Rollenlebensdauer mit einer Genauigkeit von 85–90 % und ermöglichen Sie so eine optimierte Planung

Diese Systeme haben ungeplante Rollenwechsel um reduziert 40-60 % in Anlagen, die umfassende vorausschauende Wartungsprogramme implementiert haben, was für ein typisches integriertes Stahlwerk zu jährlichen Einsparungen von 2 bis 5 Millionen US-Dollar führt.

Wirtschaftliche Auswirkungen und Kostenüberlegungen

Walzwerkswalzen stellen einen erheblichen Betriebsaufwand dar. Ein kompletter Satz Arbeits- und Stützwalzen für ein Quarto-Kaltwalzwerk kostet 1,5–3,5 Millionen US-Dollar , während die Lagerbestände an Warmbreitbandwalzwerken darüber hinausgehen können 15-20 Millionen Dollar für eine Anlage, die jährlich 3-5 Millionen Tonnen produziert.

Der Rollenverbrauch pro Tonne variiert je nach Anwendung erheblich:

• Warmbandstraßen: 0,80-1,50 $ pro Tonne von Walzprodukt
• Kaltwalzwerke: 2,50-4,00 $ pro Tonne aufgrund höherer Präzisionsanforderungen
• Spezialproduktmühlen (Siliziumstahl, Edelstahl): 5,00-8,00 $ pro Tonne die anspruchsvolle Materialeigenschaften widerspiegeln

Strategische Walzenmanagementprogramme mit Schwerpunkt auf optimalen Schleifintervallen, ordnungsgemäßer Schmierung und vorbeugendem Austausch können die Walzenkosten um ein Vielfaches senken 15-25 % bei gleichzeitiger Verbesserung der Ausbeute und Reduzierung von Qualitätsmängeln. Für eine mittelgroße Mühle, die jährlich 2 Millionen Tonnen produziert, bedeutet dies Einsparungen von 600.000 bis 1.000.000 US-Dollar pro Jahr.