Het perfecte walsenkoppel

Aandrijvingen van omkeerwalstuigen
In de voorwalserij worden de 220 mm dikke plakken uit de continugieterij gewalst tot platen van 30 tot 38 mm dik, afhankelijk van de gewenste einddikte. Oorspronkelijk beschikte ArcelorMittal Gent over twee walstuigen: een omkeerwalstuig voor meerdere passen en een continuwalstuig voor 1 pas. Voor alle duidelijkheid: telkens wanneer een plak door het walstuig gaat, spreken we van een "pas".

Om de capaciteit van de voorwalserij te verhogen, waren er twee opties: ofwel bijkomende walstuigen plaatsen, ofwel één krachtig omkeerwalstuig. In het laatste geval zou het bestaande omkeerwalstuig buiten dienst worden gesteld.

De studiedienst en de afdeling warmwalserij kozen samen voor het krachtige kwarto-omkeerwalstuig. Dat is een walstuig met twee werkwalsen en twee steunwalsen. De werkwalsen worden zonder reductiekast aangedreven door twee snelheidsgeregelde synchrone motoren met een nominaal vermogen van elk 12 MW en een basistoerental van 58,5 t/min. De steunwalsen zijn nodig om de walskracht over te brengen.

Met een dergelijk walstuig worden walssnelheden bereikt van 5 tot 7 m/s en hoge versnellingen tot 5 m/s². De temperatuurval van de staalband wordt daardoor beperkt. De temperatuur van de plaat bedraagt bij de uitgang van de ovens 1.235°C en bij de ingang van de eindwalserij zelden minder dan 1.100°C. Gedurende de opeenvolgende walspassen daalt de temperatuur steeds sneller, omdat de oppervlakte van de staalband en het contact met de watergekoelde walsen toeneemt.

Door het aantal walstuigen te beperken, zijn er veel minder walsenkoppels van werk- en steunwalsen in gebruik, waardoor de kosten aanzienlijk worden beperkt. De walsen moeten regelmatig gewisseld worden.

We kozen voor een synchrone machine om twee belangrijke redenen: ten eerste was de inertie 4 maal lager dan bij equivalente gelijkstroommotoren, en ten tweede waren onderhoudskosten lager.



Aandrijving omkeerwalstuig

Het maximale bouwvermogen van gelijkstroommotoren is beperkt. Wanneer vermogens in de orde van 12 MW zijn vereist, dan moeten meerdere gelijkstroommotoren in cascade worden geplaatst, wat nadelig is voor de afmetingen en voor de robuustheid van de installatie.

Het is ook mogelijk machines met grotere diameters te plaatsen, maar dat houdt een veel hogere inertie in.

De ontwikkeling van een vectorregeling maakte het mogelijk om het koppel van een synchrone motor te controleren; vele industriële referenties waren er toen niet.



Welk koppel moet de aandrijvingen leveren en hoe wordt er gewalst?

Wanneer de staalband zich tussen de cilinders bevindt, ontstaat een drukkracht die bepaald wordt door de diktereductie en door de breedte en hardheid van het materiaal. De hardheid is op zijn beurt sterk afhankelijk van de temperatuur en in mindere mate van de walssnelheid.

Onderstaande figuur 1 geeft het krachtverloop weer.



Figuur 1: verdeling van de walskracht in de contactzone tussen plak en wals. De dikte vóór het walstuig is He, na het walstuig hs. De resultante van de krachten is voorgesteld door de vector F. De top van de curve van de krachtverdeling is het punt waar synchronisme heerst tussen de snelheden van de staalband en van de walsen. Op dat punt veranderen ook de wrijvingskrachten tussen de staalband en de walsen van teken.

Het walsen gebeurt bijna altijd aan de maximale limieten van de machines, namelijk 25 MW per machine. Voor iedere plak wordt een optimaal passenplan berekend om die maximale limieten te kunnen benutten. Zo wordt de walscadans optimaal.



Thermische cyclus van de machine

Om de machines niet te overbelasten – om de temperatuur van de motorwikkelingen niet boven een bepaalde waarde te laten stijgen – moeten er rustpauzes worden ingebouwd. Die cyclus wordt de thermische cyclus van de motor genoemd.



Typisch blokschema van het aandrijfconcept
Klik om te vergroten
Figuur 2: blokschema van het aandrijfconcept

Het principe van de werking van de regeling en demperwikkeling


Kenmerken van de machine

Nominale / maximale karakteristieken:

  • Vermogen beschikbaar aan de as (Pn):
    12000kW/27300kW
  • Vermogenfactor (cos phi): 1
  • Aantal poolparen: 6
  • Type rotor:  met vlakke polen
  • Frequentie (Fn): 5,85 Hz/12 Hz
  • Toerental (Nn): 58,5 tr/min - 120 tr/min
  • Spanning tussen de fazen (Un): 5900 V
  • Stroom per fase (In): 1212 A/2873A
  • Koppel (Cn): 1960 kNm/4457 kNm


De voeding van de synchrone machines

Figuur 3 geeft een typische elektrische voeding van een synchrone motor weer.

Klik om te vergroten
Figuur 3: blokschema van het aandrijfconcept



Voeding van het omkeerwalstuig (cycloconvertor)

Details voeding


Recente ontwikkelingen

Deze voeding (cycloconvertor genoemd) is robuust en betrouwbaar, maar heeft toch enkele nadelen. In onderstaande tabel vind je een overzicht. Enkele jaren geleden heeft de VSI (spanningtussenkringomzetter) zijn intrede gedaan om de synchrone motoren van omkeerwalstuigen met zeer hoog vermogen te voeden. Het gaat om multilevel-inverters die uitgerust zijn met IGBT’s of IGCT’s. Ter vergelijking nemen wij ze ook op in onze tabel.