DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Wirbelstrom-Echtzeitüberwachung von Walzenoberflächen während des Schleifprozesses

Jürgen Nehring, Günter Rother, Detlef Sievers, FOERSTER, Dortmund
Udo Houben, HOESCH Hohenlimburg, Hagen
Kontakt: J. Nehring

Zusammenfassung

Die Echtzeit-Überwachung der Oberflächengüte von Stütz- und Arbeitswalzen während des Schleifprozesses ist ein wichtiger Bestandteil der Qualitätskontrolle in modernen Walzenschleifereien.

Dabei müssen kleinste Poren und Risse sowie lokale Aufhärtungen auf den Walzenoberflächen sicher aufgefunden werden, um eine optimale Qualität der gefertigten Bandoberfläche zu gewährleisten.

Automatisierte Wirbelstromprüfsysteme als integrale Bestandteile des Walzenschleifprozesses offerieren hier ein hohes Anwendungspotential, welches anhand erster Betriebserfahrungen mit der neuentwickelten FOERSTER Systemlösung ROLL-CHECK aufgezeigt wird.

Keywords
"on-line" Wirbelstromprüfung während des Walzenschleifens, Risse, Poren, lokale Aufhärtungen, Prüfempfindlichkeit, Kosteneinsparung

Einleitung

Die Qualität des im Kalt- und Warmbandbereich hergestellten Bandmaterials wird entscheidend von der Oberflächengüte der Stütz- und Arbeitswalzen mitbestimmt.

So führen bereits kleinste Poren sowie lokale Aufhärtungen auf der Walzenoberfläche zu signifikanten und periodischen Fehlstellen auf dem Bandmaterial, Bild 1, welche die Qualität nachhaltig mindern.

Bild 1: Poren auf der Walzenoberfläche und die daraus resultierenden Fehler auf dem Bandmaterial..

Bild 2: Katastrophales Versagen der Walze in Folge einer Ausschalung.

Gleichzeitig besteht die zwingende Forderung, bereits kleinste Oberflächenrisse auf den Walzenoberflächen sicher aufzufinden, da diese aufgrund der hohen Belastung während des Walzprozesses - in der Regel unter der Walzenoberfläche - wachsen können. Ab einer kritischen Größe führen diese Risse dann schlagartig zum katastrophalen Versagen der Walzen (sog. Ausschalungen), Bild 2, und damit zu einem Bandstillstand mit hohen Folgekosten.

Bild 3: Präventiver Sicherheitsabschliff und seine Risiken.

Daher besteht im Rahmen eines modernen Qualitäts- und Kostenmanagements der Walzenschleiferei die unbedingte Forderung, eine ausreichende Fehlerfreiheit der Arbeits- und Stützwalzen sicherzustellen.

Um diese Forderung zu erfüllen, wird derzeit ein sog. unproduktiver Sicherheitsabschliff (z.B. von 0.7 mm im Hause HOESCH) durchgeführt, welcher gewährleisten soll, dass alle kritischen Fehlstellen vollständig ausgeschliffen werden, Bild 3.

Diese Vorgehensweise führt jedoch einerseits im Falle fehlerfreier Walzen bzw. bei Walzen mit sehr kleinen Fehlstellen zu einem unnötig hohen unproduktiven Abschliff und damit verbunden zu einer verminderten Gesamteinsatzdauer der Walzen (Kosten). Andererseits besteht weiterhin ein nicht kalkulierbares Restrisiko, dass tiefe Risse (größer als der Sicherheitsabschliff) nicht vollständig ausgeschliffen werden und somit während des weiteren Einsatzes zu einer kritischen Größe anwachsen und zu einer Ausschalung führen.

Aufgrund dieser Problematik ergibt sich die Forderung, eine prozessintegrierte, objektive zerstörungsfreie Prüfung der Walzenoberflächen bereits während des Schleifprozesses durchzuführen. Hierbei muss das Prüfverfahren sehr empfindlich kleinste Fehlstellen (wie Poren, Risse und Aufhärtungen) nachweisen können und sollte zudem zu keiner zusätzliche Verlängerung der Walzenschleifzeit führen.

Das Potential zur Umsetzung dieses Anforderungsprofils offeriert der Einsatz einer "begleitenden" Wirbelstromprüfung während des Walzenschleifens.

Der Einsatz der Wirbelstromtechnologie erlaubt sowohl die sichere Detektion selbst kleinster Oberflächenbeschädigungen bei minimalem Abschliff ("auf den Punkt genau") als auch eine objektive Bewertung der Walzenqualität während der gesamten Einsatzzeit (sog. Walzenhistorie). Durch die "on-line" Integration während des Walzenschleifens kann zudem eine ortsgenaue Echtzeit-überwachung der Walzenoberflächengüte ohne zusätzlichen Zeitaufwand vorgenommen werden.

Erste Betriebserfahrungen im Hause HOESCH Hohenlimburg mit der neuentwickelten, modularen FOERSTER Systemlösung ROLL-CHECK sollen das hohe Prüfpotential für den Serieneinsatz aufzeigen.

ROLL-CHECK Installation
bei der Fa. HOESCH Hohenlimburg

Um einen effektiven Nachweis der Fehlerfreiheit der Arbeits- und Stützwalzen im Hause HOESCH Hohenlimburg zu gewährleisten, bestand die Forderung, das Wirbelstromsystem in eine bestehende HERKULES Schleifbank einzubinden und den Prüfablauf so zu gestalten, dass ein hoher Automatisierungsgrad bei gleichzeitig hoher Prüfempfindlichkeit sichergestellt ist.

Bild 4: Ortsgenaue Ergebnisvisualisierung.

Die Automatisierung wurde durch eine rechnergestützte Auslegung des Gesamtsystems realisiert. Basierend auf einem abgestimmten Datenaustausch zwischen Schleifbanksteuerung und Wirbelstromsystem konnte dabei ein vollautomatisierter Bedienungsablauf realisiert werden, beginnend mit dem automatischen Transfer der Walzenkennung, über die automatische Aktivierung walzentypspezifischer (passwortgeschützter) Datenbänke bis hin zur ortsgenauen Visualisierung, Bild 4, und Protokollierung/Speicherung der Messergebnisse in datenreduzierter Form.

Bild 5: Einbindung der Wirbelstromprüfsonden in die Schleifbank

Eingebunden in diesen Ablauf ist zudem die Zustellung des Multi-Sondenkopfes, welcher aus platz- und ablauftechnischen Gründen in das bestehende Messkaliber der Fa. VOLLMER integriert wurde, Bild 5. Durch eine permanente Regelung des Abstandes Walzenoberfläche/Sondenkopf ist dabei auch die Prüfung nicht zylindrischer Walzen möglich.

Die Sicherstellung der geforderten Prüfempfindlichkeit (Kundenvorgabe: Detektion einer oberflächenoffenen Pore des Durchmessers 0.8 mm sowie Detektion eines Oberflächenrisses der Länge 5 mm, Tiefe 0.1 mm und Breite 0.05 mm) wurde durch eine dreikanalige Auslegung des Wirbelstromsystems sichergestellt. Gleichzeitig wurde eine Restmagnetismuserkennung integriert.

Durch Wahl von 3 Standard-Differenzsonden der Wirkbreite 5 mm wird eine aktive Prüfspur von 15 mm flächendeckend pro Umdrehung abgedeckt, Bild 6.

Bild 6: Kundenspezifische Auslegung der Prüfspurbreite.

Ausgehend von dieser Konfiguration ist eine flächendeckende Fehlerprüfung der gesamten Walzenoberfläche während des sog. Ausfunkens sichergestellt. Gleichzeitig wurde festgelegt, dass die Wirbelstromprüfung bereits zu einem frühen Zeitpunkt (während des Schruppens oder des Schlichtens-/Toleranzschleifens) aktiviert wird, um frühzeitig eine partielle Prüfung der Walzenoberfläche zu ermöglichen. Hierdurch können (in Abhängigkeit vom angezeigten überdeckungsgrad der Prüfung) bereits zu einem sehr frühen Zeitpunkt im Rahmen des Schleifzyklus erste Aussagen über die Fehlerfreiheit der Walze getroffen werden bzw. im Falle sehr tiefer Schädigungen kann der Schleifvorgang frühzeitig abgebrochen werden.

Messergebnisse im Serieneinsatz

Detektion von Brandrissnestern
Die sichere Detektion lokaler Brandrisse stellt einen Schwerpunkt der Anwendungen im Warmbandbereich dar. Bild 7 dokumentiert die hohe Prüfempfindlichkeit einer modular ausgelegten Wirbelstromprüfung anhand der Ergebnisse einer ortgetreuen Auffindung eines partiellen Brandrissnestes. Deutlich ist die exakte lokale Fixierung des Rissnestes zu erkennen. Betriebserfahrungen im Hause HOESCH Hohenlimburg haben ergeben, dass selbst Rissdimensionen weit unterhalb der festgelegten Referenzfehlergröße eindeutig erkannt werden.

Nachweis von lokalen Aufhärtungen
Neben der Risserkennung wird speziell im Kaltbandbereich der Nachweis lokaler Aufhärtungen gefordert. Ein Vergleich der mittels Wirbelstrom aufgefundenen Bereiche mit einer visuellen Betrachtung der z.B. nach dem Kugelstrahlen sichtbaren Aufhärtezonen dokumentiert die hohe Messempfindlichkeit sowie die exakte ortsgenaue Beschreibung aufgrund der gezielten Auswahl der Prüfsondenwirkbreite, Bild 8.

Bild 7: Nachweis von Brandrissnestern. Bild 8: Nachweis lokaler Aufhärtungen.

Erkennung eines erhöhten Grafitgehaltes
Da alle Wirbelstromprüfkanäle standardmäßig über drei frei wählbare Auswerteschwellen verfügen, kann eine Schwelle zum "on-line Monitoring des Rauschniveaus" benutzt werden.

Die Anzeigen des Rauschniveaus von Walzen mit normalen Grafitgehalt und erhöhtem Grafitgehalt, Bild 9, verdeutlichen, dass neben der reinen Fehlerdetektion zusätzliche Kennwerte z.B. durch gezielte Rauschanalysen entwickelt werden können.

Bild 9: Nachweis eines erhöhten Grafitgehaltes mittels Überwachung des Rauschpegels.

Zusammenfassung

Die Ergebnisse des Serieneinsatzes dokumentieren die hohe Prüfempfindlichkeit der FOERSTER Systemlösung ROLL-CHECK für unterschiedlichste, praxisrelevante Fehlertypen (Risse, Poren, lokale Aufhärtungen). Insbesondere die freie Konfigurierbarkeit des Prüfsystems ermöglicht es, das Prüfsystem gezielt an das Anforderungsprofil des Kunden bezüglich der zu detektierenden Fehlertypen anzupassen.

Durch optimale Auslegung der Sensorgröße und der Prüfkanalanzahl kann dabei eine eindeutige Festlegung der kleinsten noch sicher nachweisbaren Fehlerdimension fixiert werden. Gleichzeitig kann je nach Bedarf auch die Wahl der Prüfsensorik (Differenz-Tastsonden bzw. rotierende Tastsonde) problemorientiert getroffen werden.

Basierend auf einer rechnergesteuerten Auslegung des Prüfsystems wurde ein optimaler Bedienungskomfort sowie ein hoher Grad der Automatisierung realisiert, der verbunden mit der ortsgenauen "on-line" Visualisierung eine hohe Transparenz der Prüfung ermöglicht. Dies gewährleistet die direkte Akzeptanz des Prüfsystems durch das Bedienungspersonals.

Bild 10: Kosteneinsparung durch Abschleifen "auf den Punkt genau".

Neben der bedienerfreundlichen Integration des ROLL-CHECK Systems in den Schleifablauf bleibt insbesondere festzuhalten, dass das mit dem Wirbelstromsystem zu realisierende "punktgenaue Schleifen" auch zu einer signifikanten Kostenreduzierung führt, Bild 10. So konnte im Hause HOESCH Hohenlimburg der unproduktive Abschliff bereits im ersten Halbjahr nach der Systeminstallation deutlich von ca. 20% auf 16% reduziert werden. Eine exemplarische Kostenabschätzung (pro Schleifbank und bei Kosten von ca. 3.500 EURO pro Walze) verdeutlicht, dass bereits ausschließlich aufgrund der längeren Walzeneinsatzdauer eine Kosteneinsparung von ca. 40.000 EURO pro Schleifbank erzielbar ist, wobei Bandstillstandskosten infolge von Ausschalungen nicht eingerechnet sind.

Derzeitige Entwicklungen konzentrieren sich auf erweiterte Analyseverfahren wie z.B. das "Monitoring des Rauschniveaus" (siehe z.B. Grafitgehaltkontrolle) zur Ermittlung zusätzlicher Kennwerte für die Walzengüte.

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net