Steigerung der Produktivität beim Ringwalzen durch induktive Erwärmung

Temperaturverlusten während des Ringwalzprozesses kann mit einer Induktionserwärmungseinrichtung entgegengewirkt werden.

Auf einer Radial-Axial-Ringwalzmaschine wird in einem kontinuierlich stattfindenden Walzprozess ein gelochtes Vorstück (Rohling) zu einem nahtlos gewalzten Ring umgeformt. Der Ringquerschnitt wird dabei in seiner Wandstärke und Höhe reduziert, folglich vergrößert sich der Durchmesser. Die angetriebene Hauptwalze und die Dornwalze bilden das Radialkaliber, was die Reduzierung der Wandstärke zur Folge hat. Die beiden angetriebenen Axialwalzen – das Axialkaliber – dienen zur Reduzierung der Ringhöhe.

Eine Ringzentrierung hält den sich drehenden Ring während des Walzprozesses in einer definierten Position. Für unterschiedliche Anwendungen können sowohl Ringe mit rechteckigem Querschnitt als auch profilierte Ringe gewalzt werden. Je nach Anwendung des fertigen Produktes werden auf diesen Ringwalzmaschinen verschiedenste Materialien gewalzt. Dazu gehören alle gängigen Stahlsorten sowie Titan- und Nickelbasislegierungen, Kupferlegierungen- und Aluminiumlegierungen etc.

Während des Walzprozesses gleitet der Ring über einen Tisch und wird mithilfe der oben beschriebenen Walzen im Querschnitt reduziert. Für die Wärmebilanz des Ringes gibt es auf der positiven Seite die Umformwärme und auf der Verlustseite die Strahlung und Konvektion an der Oberfläche des Rings. An den Kontaktstellen wird ebenfalls Wärme aus dem Ring entzogen. Mit größer werdendem Ring nimmt auch die Ringoberflache zu, was wiederum zu höheren Wärmeverlusten führt.

Niedrige Umformtemperaturen führen zu höheren Prozesskräften, schlechterem Materialfluss, einer geringeren Produktivität beim Walzen an den Kapazitätsgrenzen der Ringwalzmaschinen und machen zur Vermeidung von Qualitätseinbußen bei Erreichen einer Mindesttemperatur eine oder auch mehrere Zwischenerwärmungen notwendig. Für eine derartige Zwischenerwärmung muss der eigentliche Walzvorgang unterbrochen werden, die Maschine wird aufgefahren, so dass der Ring entnommen und in einen Ofen transportiert werden kann. Derartige Unterbrechungen führen zu logistischem Aufwand und verringern die Produktivität der Anlage.

Mit einer Induktionserwärmungseinrichtung kann solchen Temperaturverlusten entgegengewirkt werden. Dazu wird an einer oder mehreren Stellen der Ringwalzmaschine auf einer geregelten Bewegungsachse jeweils eine Induktionseinheit installiert. Die Induktionseinheit besteht im Wesentlichen aus einem konventionellen Frequenzumrichter (in der Abbildung nicht enthalten), einem Kondensatorenschrank, der die benötigte Blindleistung für den Betrieb des Induktors bereitstellt, einer Trafoeinheit mit direkt daran montiertem Induktor. Die Trafoeinheit wird über luft- oder wassergekühlte Kabel mit dem Kondensatorenschrank verbunden und sorgt für die elektrische Anpassung der Induktorspannung an die Ausgangsspannung des Umrichters. Der Frequenzumrichter arbeitet in einem Frequenzbereich zwischen 4 und 10 kHz.

Beim Walzen des Ringes wird das Temperaturniveau angehoben, was insbesondere bei größeren Ringen (bezogen auf die Anlagengröße) zu einer Produktivitätssteigerung von circa 10 Prozent führen kann. Die Vorteile, die sich durch die Vermeidung einer Zwischenerwärmung ergeben, sind noch deutlich größer; so werden beispielweise der Maschinenverschleiß und der Zunderverlust verringert und eine Wartung wird weniger oft benötigt.

Die Herausforderung besteht darin, den Induktor in engem Abstand zum Werkstück zu positionieren (Koppelabstand) und dies über den gesamten Prozess zu gewährleisten (Ringwachstum, Ringhöhe, Durchmesser). Hierzu ist die Trafoeinheit flexibel auf einer Flanschplatte elektromotorisch gelagert und verstellbar. Die Bewegung ermöglicht sowohl eine translatorische als auch eine rotatorische Bewegung der Trafoeinheit auf dem Tragarm. Somit muss der Tragarm den Induktor nur bis in die Nähe des Werkstücks bringen. Die genaue Positionierung erfolgt dann berührungslos über optische Sensoren und Motoren. Dies erleichtert das Ausfahren der Induktionseinheit aus dem Maschinenbereich zu Be- und Entladevorgängen.