Mönchengladbach, 20. Juni 2018

Continuous Mill Technology - Effiziente Produktion von Langprodukten

Die Stahlindustrie sucht weltweit nach Strategien für kompakte und effiziente Produktionseinheiten, die hauptsächlich lokale Rohstoff- und Vertriebsmärkte nutzen. Diese Entwicklung basiert auf den gestiegenen Anforderungen an eine nachhaltige, energieeffiziente und kostenoptimierte Produktion. Um diesen Marktanforderungen gerecht zu werden, hat die SMS group den CMT® (Continuous Mill Technology)-Prozess entwickelt.

Das Ziel des CMT®-Prozesses ist es, den Knüppelstrangguss direkt mit dem Walzprozess zu verbinden. Dadurch lassen sich Energieverbrauch und Ausbringungsverluste gegenüber konventionellen, entkoppelten Prozessen signifikant reduzieren. Um diese und weitere Vorteile einer direkten Anbindung von Gießen und Walzen zu maximieren, produziert die Gießmaschine nur auf einem Strang mit Gießgeschwindigkeiten, die so hoch sind wie die erforderliche Eintrittsgeschwindigkeit des Walzwerks. Somit ist ein echter Endlosbetrieb der Anlage mit ununterbrochenen Gießsequenzen von ca. 23 Stunden möglich.

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CMT®-Anlagenkonzept

Die Prozessschritte Walzen und Gießen haben ein großes Potenzial, den Energiebedarf zu reduzieren. Das größte Potenzial steckt in der Verringerung des Energiebedarfs, der zum Aufwärmen kalter Knüppel von Umgebungs- auf Walztemperatur erforderlich ist. Je nach Parametern wie Stahlqualität und Knüppelquerschnitt ermöglicht es der CMT®-Prozess, den heißen Strang unmittelbar ohne oder mit sehr niedrigem Energiebedarf aufzuwärmen und zu walzen. Durch den gekoppelten Gieß-Walz-Prozess werden, im Vergleich zum herkömmlichen Produktionskonzept mit Wiedererwärmungsofen, über 90% der Energie eingespart, die zum Aufheizen der Knüppel benötigt wird.

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Energiebedarf zum Aufwärmen der Knüppel
CMT® hat das grundlegende Minimill-Konzept einen Schritt vorangebracht

Die Entwicklung des CMT®-Prozesses begann mit der CMT®300-Lösung, ausgelegt für die Produktion von 300.000 Tonnen Baustahl pro Jahr. Dem Konzept liegen ein Stahlwerk mit einer Produktivität von 50 Tonnen pro Stunde sowie eine Einstrang-Knüppelstranggießanlage zugrunde, die Knüppel in dem Format 130 x 130 Millimeter gießt. Der gegossene Knüppel wird dem Walzwerk endlos mit einer Geschwindigkeit von ca. sechs Metern pro Minute zugeführt. Durch den Einsatz der INVEX-Kokillentechnologie ist es möglich, mit den notwendigen Geschwindigkeiten zu gießen und gleichzeitig die Qualität des Gießprodukts sicher zu stellen. Auf traditionelle Erwärmungsöfen kann somit verzichtet werden. Durch den Wegfall dieser kompletten Erwärmungsstufe ergibt sich eine signifikante Verringerung sowohl der Energiekosten als auch der Umweltbelastung. Außerdem entfällt durch den Endlosprozess das regelmäßige Schopfen von Stabkopf und –fuss und die Wahrscheinlichkeit für Prozessstörungen durch das Anstechen endlicher Knüppel reduziert sich deutlich. Dadurch wird die Ausbringung enorm gesteigert, so dass bei gleichem Einsatzgewicht, mehr Fertiggewicht hergestellt werden kann.

Höhere Produktionsleistungen können erzielt werden, indem die Gießgeschwindigkeit auf Geschwindigkeiten größer sieben Meter pro Minute gesteigert oder der Gießquerschnitt auf 150 x 150 Millimeter und darüber hinaus erhöht wird.

Das CMT®500-Konzept ist für 500.000 Tonnen pro Jahr und eine stündliche Produktion von 75 Tonnen ausgelegt. Hier werden Endlosknüppel im Format 165 x 165 Millimeter gegossen. Um die Produktivität weiter bis auf 100 Tonnen pro Stunde zu steigern, kann der Gießquerschnitt auf 190 x 190mm oder z.B. ein „Minislab-Format“ von z.B. 165 x 220 mm erhöht werden, wodurch eine Produktion von 700.000 Tonnen pro Jahr erreicht wird.

Anzahl an SträngenFormat (mm²)Produktivität (t/h)Produktivität (t/y)Gießgeschwindigkeit (m/min)
CMT®3001130 x 13050300.0006
CMT®5001165 x 16575500.0006
CMT®7001190 x 190100700.0006

Für Produktionskapazitäten von jährlich über 1 Million Tonnen bietet die SMS group das Konzept CMT®1000 an. Für dieses Konzept wird der flüssige Stahl auf einer Stranggießanlage mit zwei oder mehr Strängen vergossen. Die erzeugten Knüppel werden kontinuierlich, ohne Zwischenlagerung, in das Walzwerk transportiert und vor dem ersten Walzgerüst mittels einer Induktionserwärmung auf Walztemperatur eingestellt. Auf diese Weise wird eine Produktion im Semi-Endlos-Modus ermöglicht.

Dieses Konzept wird bereits seit 2011 in mehreren Stahlwerken angewendet; kürzlich zum Beispiel in der von Moon Iron & Steel Company (MISCO) im Oman bestellten Minimill. Der Kunde Tung Ho aus Taiwan hat sogar bereits zwei Anlagen in Folge mit dieser Technologie bestellt und erfolgreich in Betrieb genommen. Je nach benötigter Eigenschaft des Endproduktes, geraden Stäben – hergestellt über ein Kühlbett mit nachgeschalteten Adjustage-Einrichtungen und/oder kompakten Coils, erzeugt auf einer Haspelanlage für vertikale Bunde, ermöglicht der Einbau einer Knüppelschweißmaschine die Produktion maßgeschneiderter Produkte, bezogen auf deren Maße und Gewicht.

In einem kombinierten Gieß- und Walzprozess muss die Gießgeschwindigkeit mit der Walzgeschwindigkeit synchronisiert werden, um einen kontinuierlichen Materialfluss innerhalb der Anlage zu gewährleisten.

Die Gießgeschwindigkeit ist beim Gießen mit Freiläuferdüsen nicht frei anpassbar. Da der Gießspiegel durch die Abzugsgeschwindigkeit des Stranges bzw. die Gießgeschwindigkeit gesteuert wird, kann die Technik des offenen Gießens im CMT®-Prozess nicht eingesetzt werden. Stattdessen wird im CMT®-Prozess der Gießspiegel durch einen konventionellen Stopfen oder einen Verteilerschieber gesteuert. Die Stranggussanlage arbeitet im Eintauchgießmodus unter Verwendung eines Tauchschattenrohres (SES) und mit Kokillenschmierpulver. Die Auslegung von Schieber, SES und den verwendeten Feuerfestmaterialien erlaubt das Gießen langer Sequenzen im endlos-Modus.
Im stationären Zustand variiert die Temperatur des in das Walzwerk einlaufenden Stranges zwischen 1.150 (im Kern) und 1.050 Grad Celsius (an der Oberfläche) und eignet sich daher für das direkte Walzen ohne zusätzliche Temperaturanpassungen.

Falls die Temperatur des Knüppels unter die Walztemperatur absinken sollte beziehungsweise zum Temperaturausgleich, befindet sich vor dem Walzwerk eine Induktionsheizung.  Die induktive Erwärmungsanlage dient auch zum Aufheizen kalter Knüppel z.B. zum Kalibrieren der Walzstraße oder zu Beginn einer neuen Gieß-Walz-Sequenz.

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Induktionsheizung von SMS Elotherm zur Direktwalzung von Knüppeln in den Formaten 150 x 150 Millimeter bei Tung Ho Steel Enterprise Corporation, Taiwan

Im normalen Gieß-Walz-Betrieb läuft der gegossene Strang endlos ins Walzwerk. Nur im Notfall schneidet eine zwischen Stranggießanlage und Walzwerk befindliche Hydraulikschere den Knüppel und trennt somit die beiden Anlagenbereiche.

Die Walzstraße ist ausgelegt für den direkten Heißeinsatz der gegossenen Knüppel. Die vollkontinuierliche Walzstraße besteht aus als ständerlosen HL-Gerüsten in horizontaler und vertikaler Anordnung Die mechanischen Eigenschaften des Endprodukts werden dank dem installierten Thermoprozesssystem verbessert. Ebenso verfügt die Walzstraße über das in der Industrie führende HSD®-Hochgeschwindigkeitsauflaufsystem der SMS group zum sicheren und zuverlässigen Auflauf der Stäbe auf das Kühlbett. Nach dem Kühlbett werden die gewalzten Stäbe zur Adjustage transportiert und dort voll automatisch abgelängt, gebündelt und verladen.

Komplettes Elektro- und Automatisierungspaket

Das Herzstück der CMT®-Anlage bildet das Automatisierungspaket, das die Level-1-Anlagensteuerung, die Level-2-Prozesssteuerung sowie die Level-3-Produktionssteuerung abdeckt. Die Steuerungen wurden speziell entwickelt, um die anspruchsvollen Herausforderungen der Produktion zu erfüllen, die sich vor Allem durch die besonderen betrieblichen Erfordernisse im Zusammenspiel mit den neuesten Sicherheitsanforderungen ergeben.

Neben einer nahtlosen Verzahnung mit den mechanischen Anlagenteilen zur Sicherstellung einer hohen Produktivität und Effizienz ermöglicht die CMT®-Automatisierung auch, den Produktmix einfach und schnell an sich täglich verändernde Marktanforderungen anzupassen. Dabei unterstützen den Bediener sowohl die eingebaute anlagenweite Produktionsplanung als auch Funktionen zur terminlichen Einplanung der Aufträge sowie eine Materialverfolgung in der Anlage.
Das Produktionskonzept der CMT®-Anlage benötigt eine bereichsübergreifende Level-1-Anlagensteuerung. Neben der Sicherstellung einer stabilen und schnellen Produktion auf den Einzelanlagen garantiert diese einen koordinierten Materialfluss über alle Anlagenbereiche. Um sich den Herausforderungen der CMT®-Technologie zu stellen, entwickelte die SMS group neben der Umsetzung einzelner Automatisierungen für das Hochgeschwindigkeitsgießen und -walzen auch eine spezielle Steuerungslösung, um die Geschwindigkeit von Stranggießanlage und Walzwerk gemeinsam zu synchronisieren und zu kontrollieren, so dass ein gleichmäßiger Materialfluss unter allen Bedingungen gewährleistet ist.

All dies erfordert die Entwicklung einer sorgfältig geplanten Anlagensteuerung, um sowohl die richtige Koordination der Geschwindigkeit als auch die Minimierung von Ausbringverlusten während der normalen Anfahr- und Abschaltesequenz sicherzustellen.

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Sequenzen für normale Start- und Abschaltvorgänge

Um auf Notfallsituationen entsprechend reagieren zu können, werden in einer speziellen Steuerung, die alle Anlagenteile umfasst je nach Ursache des Problems zusätzlich unterschiedliche Strategien zur Abschaltung vorgesehen, die auf maximale Sicherheit und einfache Wiederaufnahme der Produktion ausgelegt sind.

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Sequenzen für Notfallabschaltvorgänge

Die speziell von der SMS group für die CMT®-Anlage konzipierte Level-2-Automation nutzt die Prozesskontinuität zwischen Stranggießanlage und Walzwerk voll aus und bietet ein beispielloses Niveau nahtloser Integration für die Prozesssteuerung in allen Anlagenbereichen vom Schrottplatz bis zum Endprodukt.

Die starke Prozesskoordination der CMT®-Level-2-Automation unterstützt die Technologen mittels einer zentralen Material-Datenbank, mit deren speziellen Tools sie den Schmelz-/Veredelungs-/Gieß-/ und Walzprozess in allen Einzelheiten im Detail gestalten können. Diese Arbeitsweise ermöglicht es, den ganzen Prozess als einen Gesamtprozess zu behandeln und spiegelt somit die Philosophie der Anlage wieder.

Für die Produktionssteuerung bietet die Level-3-Funktionalität dem Bediener volle Unterstützung für eine anlagenweite Produktionsplanung, Zeitplanung sowie der Materialverfolgung in der Anlage.

Auswirkungen auf CAPEX und OPEX

Kundennutzen durch CMT®-Minimills

  • Kompakte Bauweise reduziert benötigte Grundstücksgröße
  • Geringere Baufläche minimiert Kosten für Fundamente, Stahlkonstruktion
  • In-Line Transport zwischen CCM und Walzwerk ermöglicht Reduzierung der Krane und leichteren Hallenstahlbau
  • Spart bis zu 15 - 20 Prozent CAPEX im Vergleich zu einer konventionellen Minimill
  • Energieeinsparung – minimale Heizenergie durch Induktionsheizung vor dem Walzen
  • Höheres Ausbringen – „keine” Zunderbildung (kein Aufwärmofen) und minimierte Schopfenden (Walzwerk)
  • „Endlose“ Knüppel oder Verschweißung von Knüppeln
  • Weniger Personalbedarf wegen direkter Knüppelzufuhr
  • Geringere Betriebskosten
  • Spart bis zu 20€/t Produktionskosten