Wichtige Aspekte des Drahtwalzens: Geschwindigkeit, Temperatur und Anwendungen

Wesentliche Merkmale des Drahtwalzens

Draht wird normalerweise in einem Hochgeschwindigkeitswalzwerk gewalzt, wobei die Stahltemperatur über 1.000 °C liegt, die maximale Walzgeschwindigkeit 120 Meter pro Sekunde (m/s) überschreitet und die erzeugten Drahtspulen bis zu 10 Kilometer (km) lang sein können. Beim Drahtwalzen werden in der Regel 25 bis 30 Durchgänge in einem kontinuierlichen Walzwerk durchgeführt.

Vielfältige Anwendungsbereiche

Draht ist ein Werkstoff mit extrem breitem Anwendungsspektrum. Von Komponenten für die Automobilindustrie, Reifenkord, Elektroden, Verbindungselemente wie Muttern und Schrauben, Federn, Drähte und Drahtprodukte, Stahlbewehrungen bis hin zu vielen weiteren Produkten – alles basiert auf Draht. Deshalb wird ein Drahtwalzwerk in der Regel mit Blick auf Vielseitigkeit konzipiert. Da es sich um ein energieintensives Walzwerk handelt, ist es notwendig, optimale Lösungen in das Walzwerkdesign zu integrieren, ohne die Flexibilität zu beeinträchtigen. Alle Größenbereiche, Werkstoffe und Legierungen müssen effizient und mit hoher Produktivität im Drahtwalzwerk hergestellt werden können.

Qualitätsanforderungen an Draht

Draht muss den Anforderungen der Anwender an Oberflächen- und Innenqualität sowie an physikalische, chemische, mechanische und metallurgische Eigenschaften genügen. Draht durchläuft nachgelagerte Prozesse wie Ziehen, Schmieden oder Bearbeiten zu gewünschten Formen sowie Wärmebehandlungen, um die gewünschte Festigkeit zu erreichen. Daher muss der Draht in der Lage sein, eine gute Leistung der daraus gefertigten Teile zu gewährleisten, und gleichzeitig eine gute Verarbeitbarkeit in den verschiedenen Stufen der Nachbearbeitung aufweisen.

Drei Grundanforderungen der Drahtanwender

Der Anwender von Draht hat drei grundlegende Anforderungen:

1. Beseitigung oder Vereinfachung eines oder mehrerer sekundärer oder tertiärer Verarbeitungsschritte zur Steigerung der Produktivität und Senkung der Verarbeitungskosten
2. Verbesserung der Funktionalität, d. h. Verlängerung der Lebensdauer, Gewichtsreduzierung oder andere Vorteile für das Endprodukt, für das der Draht verwendet wird
3. Verzicht auf umweltschädliche Stoffe während der nachgelagerten Verarbeitungsprozesse

Fähigkeiten moderner Drahtwalzwerke

Um den zunehmend strengeren Anforderungen der Verbraucher gerecht zu werden, muss ein Drahtwalzwerk über umfassende Fähigkeiten beim Walzen von Draht aus verschiedenen Blickwinkeln verfügen:

1. Verbesserung der Maßgenauigkeit
2. Umsetzung von größenfreiem Walzen (d. h. Walzen von Produkten unterschiedlicher Größe ohne Walzenwechsel)
3. Steigerung der Produktivität durch Beschleunigung des Walzenwechsels (Verkürzung der Walzenwechselzeit)
4. Verbesserung der Produkt-Oberflächenqualität durch Vermeidung von Oberflächenfehlern während des Transports im Walzprozess

Ein Drahtwalzwerk soll nicht nur Material liefern, sondern Draht bereitstellen, der den Anforderungen für die langen nachgelagerten Prozesse genügt, die er in sekundären und tertiären Prozessen durchläuft, bis die endgültigen Endprodukte hergestellt sind. Da die Endprodukte in vielen Fällen als lebenswichtige Teile in verschiedenen Industriezweigen eingesetzt werden, bestehen Anforderungen an eine Prozessrationalisierung in integrierter Zusammenarbeit mit Kunden. Das Walzwerk muss daher nicht nur die Qualitätsanforderungen der Anwender erfüllen, sondern auch deren Produktivitäts-, Ausbeute-, Flexibilitäts- und Produktionskostenanforderungen während der nachgelagerten Verarbeitung. Eine hohe Walzwerkausbeute bei adäquater Produktqualität ist von größter Bedeutung für die Kontrolle der Produktionskosten.

Produktionskapazität und Ausrüstung

Die Produktionskapazität eines Drahtwalzwerks hängt entweder von der Volumenproduktion weniger Standardprodukte oder von einem diversifizierten Produktmix ab, der aus Draht mit einer großen Anzahl von Stahlsorten und spezialisierten Produktqualitäten besteht.

Ein Drahtwalzwerk benötigt im Wesentlichen:

1. Heizeinrichtungen zum Erhitzen des Ausgangsmaterials (Knüppel) auf Walztemperaturen
2. Walzeinrichtungen bestehend aus Walzgerüsten mit Walzen, Halsen, Führungen und Schutzvorrichtungen
3. Leger-, Wärmebehandlungs- und Spulereinrichtungen
4. Förder- und Handhabungseinrichtungen

Alle Einrichtungen müssen in enger Koordination arbeiten, mit Kontrolle der Walztemperaturen, Lückenzeitverluste, Geschwindigkeitsverluste, Knüppel, nicht konforme Produkte und Qualitätsabweichungen, die zu Ausschuss oder sogar Ablehnung führen.

Anforderungen an ein modernes Drahtwalzwerk

Es gibt mehrere wichtige Parameter für das Walzen von Draht in einem Drahtwalzwerk. Ein modernes Drahtwalzwerk wird in der Regel nach der Philosophie der „Gesamtanlageneffektivität“ (Overall Equipment Effectiveness, OEE) ausgelegt. Der OEE-Wert des Walzwerks ergibt sich aus der Multiplikation von Walzwerknutzung, Walzwerkeffizienz und Walzwerkausbeutezeit.

• Walzwerknutzung: Verfügbare Betriebszeit geteilt durch geplante Produktionszeit, in Prozent ausgedrückt
• Walzwerkeffizienz: Laufzeit geteilt durch verfügbare Betriebszeit des Walzwerks, in Prozent ausgedrückt
• Walzwerkausbeutezeit: Zeit zur Herstellung des Primärprodukts in Relation zur Laufzeit
• Produktausbeute: Gewicht der akzeptierten Spule geteilt durch Gewicht der Knüppel, in Prozent ausgedrückt

Drahtwalzwerke haben normalerweise einen niedrigeren OEE als andere Walzwerktypen, da sie höhere Stillstandszeiten für Walzenwechsel, Gerüstwechsel und Rillen- und Führungsanpassungen beim Produktwechsel aufweisen. Der OEE des Walzwerks kann verbessert werden, wenn diese Stillstandszeiten reduziert werden.

Die theoretische Produktionskapazität eines Walzwerks ist die Kapazität, die ohne Verluste erzielt werden kann – also bei 100 % Nutzung, 100 % Effizienz und 100 % Ausbeute. Die tatsächliche Kapazität hängt jedoch vom OEE-Niveau des Walzwerks ab. Liegt der OEE bei 60 %, beträgt die Produktionskapazität 60 % der theoretischen Kapazität. In einem State-of-the-Art-Drahtwalzwerk mit gut definiertem, optimiertem Walzwerk liegt der OEE-Wert normalerweise bei 80 %.

Die Kosten schlechter Qualität im Drahtwalzwerk werden allgemein als Summe aus Prüfkosten und Ausschuss/Umlenkung von Draht aufgrund interner und externer Fehler bestimmt. In einem leistungsstarken Walzwerk können sie bei ca. 10 % liegen. In einem Drahtwalzwerk mit diversifiziertem Produktmix aus vielen Sorten und spezialisierten Qualitäten können sie auf bis zu 30 % steigen.

In einem modernen Drahtwalzwerk liegt der Hauptfokus auf Produktivität und Qualität. Hohe Nutzung, Effizienz und Ausbeute ergeben hohe Produktivität. Aber hohe Produktivität allein ist nicht das einzige Erfolgsmerkmal. Es müssen Produkte hergestellt werden, die dem Kunden Mehrwert bieten und die Qualitätsdrähte liefern, die den Zahlungen entsprechen.

Produktivität, Verluste und Flexibilität

Die Produktivität und Auslastung des Walzwerks hängen von der Stillstandszeit ab, die durch verschiedene Gründe verursacht wird, einschließlich Walzwerklayout und Produktmix. Im Walzwerk wird die Ausbeute vom Knüppel zum Endprodukt in allen Schritten erfasst und die Materialverfolgung folgt den im Walzwerk auftretenden Verlusten. Die Hauptverlustkategorien sind:

1. Lückenzeitverluste
2. Geschwindigkeitsverluste
3. Verluste durch Knüppel (Cobbles)
4. Verluste durch Qualitätsabweichungen
5. Verluste durch Walzwerkstillstand
6. Verluste durch Ausschuss/Umlenkung bei der Endkontrolle
7. Zeitverluste durch wertsteigernde Operationen bei der Produktion spezialisierter Drahtprodukte

Walzwerkflexibilität

In einem Drahtwalzwerk wird Stahl (Knüppel) über seine Rekristallisationstemperatur erhitzt und durch mehrere Rillen der Walzen im Walzwerk geführt. Gängige Walzenpassdesigns sind Diamant-Quadrat, Diamant-Diamant, Kastenpässe, Quadrat-Oval, Falschrund-Oval und Rund-Oval. In Drahtwalzwerken wird normalerweise größenfreies Walzen durchgeführt, was bedeutet, dass Draht beliebiger Größe ohne Begrenzung durch die Passgrößen der im Walzwerk vorhandenen Walzen gewalzt werden kann. Dies wird auch als Flexibilität der Serie bezeichnet. Die Vereinfachung des Passplans eines vorgelagerten Walzwerks ermöglicht eine erhebliche Senkung der Häufigkeit von Walzenwechseln. Je breiter der Bereich der Produktgrößen, die mit denselben Walzen gewalzt werden können (größenfreier Bereich), desto größer ist der Effekt der reduzierten Walzenwechselfrequenz. Das größenfreie Walzen ist nicht auf das Endwalzwerk beschränkt, es kann auch auf das Vorendwalzwerk angewendet werden.

Zur Produktivitätssteigerung liegt der Fokus auf der Minimierung der Stillstandszeiten. Die Effektivität wird durch Reduzierung der Zeit und Notwendigkeit für Walzenwechsel bei neuen Endabmessungen, Stahlsorten und Formen gesteigert. Dies wird durch Verbesserung des Arbeitsbereichs, auch als Flexibilität der Serie bezeichnet, erreicht. Verbesserte Flexibilität wird erreicht, wenn große Mengen verschiedener Stahlsorten mit unterschiedlichen Formen und Abmessungen bei minimaler Änderung des Walzplans gewalzt werden. Jede Stahlsorte zeichnet sich durch ihren spezifischen Materialfluss aus, wie unterschiedliche Spreizung beim Durchlaufen des Walzspalts. Auch Anlaufzeit und Wartezeit auf die korrekte Walztemperatur, abhängig von der jeweiligen Stahlsorte, müssen verringert werden. Dennoch verursachen unterschiedliche Heizzyklen bei einem breiten Sortenspektrum noch zu hohe Stillstandszeiten. Um den heutigen Marktanforderungen – kleinere Lose und zahlreiche Stahlsorten – gerecht zu werden, ist eine hohe Flexibilität moderner Drahtwalzwerke unverzichtbar.

Ein besonderer Aspekt ist der Einsatz flexibler Walzenpassdesigns oder flexibler Rillen mit großem Arbeitsbereich. Mit flexiblen Walzenpassfolgen kann in denselben Rillen für ein breites Spektrum an Endprodukten gewalzt werden, einfach durch Ändern des Walzenabstands. Damit kann der Rillenwechsel durch eine einfache Verschiebung des Walzspalts ersetzt werden, was die Stillstandszeit beim Produktwechsel reduziert. Es besteht eine starke Wechselbeziehung zwischen der Flexibilität des Walzenpassdesigns, der Walzwerknutzung und der Ausbeute.

Durch Einführung eines flexiblen Walzenpassdesigns kann ein wichtiger Teil der Verluste im Walzwerk reduziert werden. Es minimiert das Risiko von Rillenüberfüllung und Knüppelbildung beim Sortenwechsel. Es bietet auch Vorteile bei der Produktentwicklung bei der Einführung neuer Größen oder Stahlsorten. Auch eine wichtige Verbesserung der wertsteigernden Laufzeit kann erreicht werden.

Walzwerkproduktivität

Das Drahtwalzwerk kann mit einem Stabwalzwerk kombiniert werden, indem ein Kühlbettausgang vor dem Endblock angeordnet wird. Dies dient normalerweise der besseren Auslastung der Kapazität des vorgelagerten Walzwerks. Wenn die Walzen im Drahtblock gewechselt werden, produziert das vorgelagerte Walzwerk Stäbe, um die Gesamtdowntime des Walzwerks zu reduzieren.

Moderne Drahtwalzwerke sind in der Regel Einstrang-Walzwerke. Bei Mehrstrang-Walzwerken wird ein zweites Zwischenwalzwerk auf jedem Strang eingeführt, um den Einfluss von Änderungen der Anzahl der gleichzeitig gewalzten Stränge zu reduzieren. Das zweite Zwischenwalzwerk kann als Vorendblock oder als Dreiwalzen-Walzwerksblock ausgeführt sein. Das Hauptmerkmal des Dreiwalzen-Walzwerks ist seine Fähigkeit, Dimensionsschwankungen zwischen den drei genuteten Walzen, die den gesamten Umfang des Walzguts umfassen, zu unterdrücken und damit den Spreizvergleich zum konventionellen Zweigerüst-Walzwerk zu verringern. Dieses Zwischenwalzwerk wird als Sizing Mill bezeichnet, wo die Formgebung durch geringe Reduktion erfolgt. Dies ermöglicht eine Familienwalz-Philosophie im vorgelagerten Walzwerk, wodurch die Umrüstzeit reduziert wird.

Zur Erhöhung der Walzgeschwindigkeit und damit der Produktivität wird nach einem konventionellen Endblock ein Reduzier-/Sizing-Walzwerk (RSM) installiert. Die Integration eines RSM nach dem konventionellen Endblock verbessert die Produktivität bei kleinen Abmessungen erheblich (bis zu 60 %). Seine extreme Präzision wurde in vielen Installationen bewiesen. In Kombination mit sehr niedrigtemperaturigem Walzen resultiert dies in einer feineren Mikrostruktur, die zusätzliche sekundäre Prozesse überflüssig machen kann. Das RSM bietet gleichzeitig Produktivitäts- und Qualitätsverbesserungen, senkt Betriebskosten und erhöht die Drahtqualität. Es ermöglicht ein einziges Walzenpassdesign vom ersten Stand in der Vorwalzgruppe bis zum letzten Stand des Endblocks. Da es ein einheitliches Familien-Passdesign ermöglicht, kann hohe Walzwerkeffizienz unabhängig von der Endproduktgröße aufrechterhalten werden.

Zwischenstandsspannungen werden im Drahtwalzen soweit wie möglich vermieden, da sonst Kopf- und Endbereiche aus der Toleranz geraten, weil die freien Enden nicht unter Spannung gewalzt werden können. Dies kann zu überfüllten Rillen und Endfehlern wie Graten führen. Im Hochgeschwindigkeits-No-Twist-Block mit fester Übertragung werden jedoch Zwischenstandsspannungen genutzt, um stabile Walzbedingungen zu erreichen. Werden Spannungen angewendet, werden die Rillen so eingestellt, dass die erforderliche Toleranz eingehalten wird.

Drahtqualität

Drähte werden in zahlreichen Anwendungen eingesetzt. In vielen davon sind die Qualitätsanforderungen sehr streng. Minderwertige Drähte erhöhen Fehler/Ausschuss der Endprodukte und beeinträchtigen die Ausbeuten beim Kunden negativ, was zu Unzufriedenheit führt.

Da Drahtwalzen ein energieintensives Walzen ist, muss die Walzung fehlerhafter Drachsspulen auf ein Minimum reduziert werden. Manchmal kann ein sehr großer Fehler im Knüppel sogar einen Knüppel im Walzwerk verursachen. Da die Drahtlänge aus einem Knüppel sehr lang ist, erfordert die Qualitätssicherung über die gesamte Drahtlänge nach dem Walzen Zeit und Aufwand. Daher ist die Qualitätskontrolle der Knüppel (Ausgangsmaterial vor dem Walzen) von großer Bedeutung. Fehlende Knüppel müssen durch Knüppelinspektion identifiziert, separiert und entfernt werden. Knüppel sind sowohl auf Oberflächenfehler als auch auf innere Fehler zu prüfen. Geringfügige Oberflächenfehler können durch Schleifen (Konditionieren) des Knüppels beseitigt werden.

Die wichtigsten geforderten Eigenschaften bei Drähten (insbesondere bei dünnen Drähten) sind hohe Produktivität in der sekundären Verarbeitung und hohe Festigkeit nach dem Endziehen. Hohe Produktivität bedeutet Minimierung von Drahtbrüchen beim Ziehen und Bündeln oder idealerweise keine Brüche, höhere direkte Ziehbarkeit und gute Ziehbarkeit unter schweren Ziehbedingungen wie hoher Ziehgeschwindigkeit. Diese zunehmend anspruchsvollen Kundenanforderungen werden durch strenge Standards bei Qualitätskontrollpunkten wie nichtmetallische Einschlüsse, Segregation, Entkohlung, mechanische Eigenschaften und Mikrostruktur adressiert.

Normalerweise gibt es drei Hauptanforderungen an Drähte für viele Anwendungen:

1. Höhere Festigkeit
2. Beseitigung oder Vereinfachung der Nachbearbeitung
3. Weniger Einsatz umweltschädlicher Stoffe

Höhere Stahlfestigkeit wird wegen Kostensenkung beim Anwender und vieler anderer Gründe gefordert. Da Drähte beim Anwender verschiedenen Arten der sekundären Bearbeitung wie Schmieden, Ziehen und Bearbeiten sowie Wärmebehandlungen zum Glühen, Härten, Anlassen usw. unterzogen werden, fordern Kostensenkung, Energieeinsparung und Umweltschutz die Beseitigung oder Vereinfachung von Wärmebehandlung und Bearbeitung (z. B. Nahe-Netto-Formung oder spanlose Formgebung).

Die Kontrolle nichtmetallischer Einschlüsse, Ausfällungen, Umwandlungen und metallografischer Strukturen ist eine zentrale metallurgische Maßnahme zur Eigenschaftsverbesserung der Drähte. Die Kontrolle nichtmetallischer Einschlüsse ist eine der wichtigsten Basistechniken für Festigkeitssteigerung von Federstählen, Lebensdauerverlängerung von Wälzlagerstählen und Beseitigung von Blei aus Automatenstählen usw. Die Kontrolle der Struktur und Form von Oxiden und Sulfiden ist wirksam für die Realisierung gewünschter Eigenschaften dieser Stähle.

In einem Drahtwalzwerk gibt es keine Kompromisse bei der präzisen Einhaltung spezifizierter Spulen-Materialeigenschaften. Hier spielt das kontrollierte Kühlförderband (Controlled Cooling Conveyor, CCC) eine Schlüsselrolle. Die gleichbleibend hohe Qualität über die gesamte Drachsspule muss kontrolliert werden.

In dieser Hinsicht spielt das CCC-System eine wichtige Rolle für die Verarbeitung qualitativ hochwertiger Drahtprodukte, die Erreichung gewünschter Gleichmäßigkeit sowie metallurgischer und mechanischer Eigenschaften. Es kontrolliert die umlaufenden Zugfestigkeitsschwankungen bei schnell abgekühlten Produkten eng auf eine Standardabweichung innerhalb von 1 % der durchschnittlichen Zugfestigkeit.

Das CCC-System ermöglicht durch geeignete Wahl des Kühlregimes die Produktion aller konventionellen Stahlsorten sowie spezieller Produktsorten mit alternativen Kühlmodi. Es optimiert auch die Verarbeitung von Kohlenstoff- und Legierungsstahlsorten in Kombination mit dem RSM für niedrigtemperaturiges Walzen und kontrollierte Kühlung, was eine sehr gute Kombination von Eigenschaften und Maßkontrolle ergibt.

Das CCC-System ermöglicht die Verarbeitung in einem breiten Bereich von Bedingungen, einschließlich sowohl Schnell- als auch Langsamkühlmodi innerhalb eines Systems. Diese Fähigkeit befähigt das Drahtwalzwerk, ein breites Spektrum an unlegierten und legierten Stählen sowie Edelstähle und andere Spezialsorten herzustellen. Das CCC-System führt zu verbesserten Eigenschaften der as-gewalzten Drähte, was die Produktion von mehr Sorten in direkt verwendbarem Zustand ermöglicht und nachgelagerte Prozesse wie Kugelglühen reduziert oder eliminiert.

Thermomechanisches Walzen (TMW) im Drahtwalzwerk verfeinert die endgültige Korngröße durch dynamische Rekristallisation. In Kombination mit endgültiger Inline-Wasserkühlung und der überlegenen kontrollierten Kühlung im CCC-System spielt TMW eine bedeutende Rolle bei der Bestimmung der endgültigen Produkteigenschaften. Dies ist besonders vorteilhaft für niedrig- und mittellegierte Stahlprodukte, die in nachgelagerten Prozessen kugelgeglüht werden. Die Fähigkeit, die Korngröße stark zu kontrollieren, beeinflusst auch die nachfolgende Umwandlung in harte Produkte wie Bainit und Martensit, indem sie den Umwandlungsbeginn zeitlich und temperaturmäßig verschiebt. Damit kann TMW direkte nachgelagerte Kaltumformung minimieren und Glühzeiten reduzieren.

Die Kombination aus CCC-Verarbeitung und niedrigen Walztemperaturen bietet die Fähigkeit, die Härtbarkeit in einigen kritischen Drahtsorten zu reduzieren. Letztlich fördert dies die Ferritbildung und verzögert die Entwicklung zu Bainit und Martensit. Die durch TMW erreichte verfeinerte Korngröße verbessert die Diffusion während der Wärmebehandlung und kann zu reduzierten Wärmebehandlungszeiten und -temperaturen führen. Für Drähte, die nicht wärmebehandelt werden, erhöhen die verfeinerten und komplexen Strukturen den Zugfestigkeitszuwachs während der Kaltverformung, was mehrere Vorteile bringt: (i) reduzierte as-gewalzte Zugfestigkeit, (ii) verbessertes nachgelagertes Ansprechen und (iii) erhöhte Umformhärtbarkeit. Die Verbesserungen resultieren aus Kornverfeinerung und mikrostruktureller Kontrolle. Die gute Kontrolle des Kühlprozesses im CCC-System in Kombination mit der reduzierten Härtbarkeit der Drähte macht den Prozess sehr stabil und verringert die Chance der Bildung unerwünschter harter Phasen.