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Produkte und Lösungen, 03.11.2006, 11:00

Hightechlaser widersteht Hitze und Feuer

Im Warmbandwerk 1 der ThyssenKrupp Steel AG in Duisburg-Bruckhausen gehört die Reparatur der Türen am Brammenstoßofen zu den regelmäßigen Aufgaben der Instandhaltungsspezialisten von ThyssenKrupp Anlagenservice. Die Reparatur ist zwar an sich für den Dienstleister kein Problem, die regelmäßigen Ausfallzeiten dagegen sind jedoch eins für den Betreiber.

Im Duisburger Warmbandwerk 1 werden jährlich 3,1 Millionen Tonnen Stahl zu Bändern ausgewalzt. Einer der wenigen manuellen Eingriffe in diesen Produktionsablauf ist das Beladen des Ofens mit Brammen. Beim Stoßofen werden die Brammen mittels eines so genannten "Blockdrückers" manuell gesteuert in den Ofen geschoben. Dadurch werden alle bereits im Ofen befindlichen Brammen um das betreffende Maß weiter geschoben und - im kontinuierlichen Prozess - die erste Bramme aus dem Ofen anschließend ausgetragen und dem Walzprozess zugeführt. Dabei besteht die Gefahr, dass die erste Bramme an die ausgangsseitige Ofentür stößt, während diese noch geschlossen ist. Obwohl die Türen, bestehend aus zwei Hälften mit 1,4 mal 6,4 Meter Größe, rund 3,5 Tonnen wiegen, kommt es dabei zu einer Beschädigung, die eine ernsthafte Betriebsstörung zur Folge hat. Selbst wenn die beschädigte Ofentür noch für einen Notbetrieb verwendbar wäre, führt die Tatsache, dass ein Blockdrücker das Brammenpaket nicht zurückziehen kann, zu einem längeren Stillstand.

Lange Zeit standen die Anlagenbetreiber vor dem Problem, die Brammenkante vor der Ofentüre mit hinreichender Genauigkeit zu erkennen und den Vorschub des Blockdrückers bei Unterschreiten eines definierten Sicherheitsabstandes zur Ofentür abzuschalten. Eine Temperatur bis 1.350 Grad Celsius und hochschlagende Flammen im Messraum sorgen dabei nicht nur für raue Umgebungsbedingungen, sondern erschweren darüber hinaus durch andere physikalische Effekte die Auswahl eines geeigneten Erkennungsverfahrens.

Von der Idee zum Prototyp

Norbert Remer, Elektroingenieur des Warmbandwerkes, hatte die Idee, per Laser die Position der ersten Bramme vor der Ofentür zu erkennen. Für die Umsetzung dieser Idee sorgte dann ThyssenKrupp Anlagenservice. Zusammen entwickelte man in kurzer Zeit zuerst am Reißbrett und dann als Modell den Prototyp eines Laser-Distanzmessgerätes.

Die Funktionsweise: Der Messpunkt des Lasers erkennt zeitnah eine Distanzänderung, wenn die einfahrende Brammenkante auf seinen Strahl trifft und löst mit diesem Signal die Sicherheitsabschaltung aus. Die Emissionen der erwärmten Bramme im Licht- und Infrarotbereich werden durch den Sensor sicher ausgeblendet, so dass tatsächlich nur das Signal vom Distanzlaser zur Auswertung kommt. Bedingt durch die Luftschlieren wird in der Entfernungsmessung zwar ein Messfehler von plus/minus fünf Millimeter produziert, der sich aber in der Kantenerkennung praktisch nicht auswirkt. Weil nicht das absolut gemessene Entfernungsmaß ausgewertet wird, sondern für die Kantenerkennung lediglich ein deutlicher Sprung in der gemessenen Distanz entscheidend ist, kann mit einer Messgenauigkeit um weniger als einen Millimeter gerechnet werden, was in Anbetracht der Aufgabenstellung weit besser als gefordert ist.

Oberstes Ziel: Sicherheit

Soweit die Theorie des Modells. Nun besaß das Mess- und Auswerteprinzip zwar alle physikalischen Eigenschaften, um die gestellte Aufgabe zu erfüllen, letzten Endes gilt jedoch immer die Betriebssicherheit als das entscheidende Kriterium für den erfolgreichen Einsatz. "Entscheidend für die Wirtschaftlichkeit eines jeden Prozesses ist nicht zuletzt auch die Betriebssicherheit der Gesamtanlage", erläutert Dr. Peter Maresch, Technikleiter von ThyssenKrupp Anlagenservice, die Hintergründe. "Automation erhöht diese Sicherheit nur bis zu dem Punkt, wo die hierzu erforderlichen Komponenten nicht ihrerseits zu einem nennenswerten Ausfallrisiko werden. Dies gilt gerade im rauen Betrieb eines Warmbandwerks, wo Mess- und Automationskonzepte unter Hitze, Feuchtigkeit und Staub oftmals an ihre Funktionsgrenzen stoßen." Hier kamen die Erfahrungen der Instandhaltungsexperten von ThyssenKrupp Anlagenservice zum Tragen, die schließlich die Betreiber des Warmbandwerks überzeugten, grünes Licht für eine Realisierung des Projektes an einem der drei Stoßöfen zu geben.

Die gesamte Anlage wurde nach den Entwicklungsvorgaben von Projektleiter Murat Celik und seinem Team bei der Firma TAR Automation, die bereits Erfahrung mit Lasermesssystemen hatten, vom Reißbrett in die Wirklichkeit umgesetzt: "Man kann sich kaum einen besseren Kunden als ThyssenKrupp Anlagenservice wünschen", meint TAR-Geschäftsführer Alfred Rachner. "Die Vorgaben der Ingenieure sind so genau, dass wir im Prinzip gleich mit der Umsetzung anfangen können."

Schutz gegen Hitze und Stromausfall

Zum Schutz gegen die starke Hitze wurde das Gerät in einem Sonderkühlgehäuse mit einer Luftkühlung und einer elektrischen Peltier-Kühlung untergebracht. Die Betriebstemperatur von 35 bis 45 Grad Celsius ist auf diese Weise gewährleistet. Eine Feuerschutzklappe mit Temperaturfühler und elektrischer Aufhaltung, die bei eventuellem Stromausfall federbetätigt schließt, schützt gegen hochschlagende Flammen. "Eine sicherlich effektivere Wasserkühlung verbietet sich an diesem Einsatzort, da bei einem Leitungsbruch austretendes Wasser zu explosionsartigen Verdampfungen führen würde", begründet Celik die Auswahl des Systems.

Eine permanente Messung der Temperatur innerhalb des Gerätes und der unmittelbaren Umgebungstemperatur im Gerätebereich überwacht als zweites Sicherheitssystem den Erfolg der Kühlungsmaßnahmen. Zusätzlich wird der Durchfluss der Kühlluft gemessen, um schon vor Eintreten von möglichen Temperaturanstiegen das Gerät zu schützen. Bei einer Überschreitung der zulässigen Umgebungstemperatur von 85 Grad Celsius oder Ausfall der Kühlluft fährt das Gerät augenblicklich aus dem Gefahrenbereich heraus in eine sichere Position. Über eine in einem klimatisierten Schrank untergebrachte ET200-Anschaltung werden die digitalen Signale sowie die Temperatur und Druckmesswerte zur Anlagensteuerung gekoppelt. Der Distanzlaser ist über einen Profibus in die Steuerung eingebunden.

Zu den Leistungen von ThyssenKrupp Anlagenservice gehörte aber nicht nur die Entwicklung des Systems, sondern auch der größte Teil der Montage. Angefangen vom Bühnenbau für die Montageplattform über dem Ofen über die Entwicklung der Schlittenmechanik bis hin zur Elektrotechnik mit Spannungsversorgung, Datenleitung und Kühlluftanschluss - der Auftraggeber ThyssenKrupp Steel musste nur noch den Anschluss an die Hauptsysteme und deren Neuprogrammierung übernehmen. Dazu wurde die Montage parallel zur Produktion durchgeführt - also ohne Ausfallzeiten für das Warmbandwerk. "Man kann sagen, die Arbeiten wurden so genau ausgeführt, wie jetzt der Laser arbeitet", schmunzelt Hauptbereichsleiter Klaus-Ludwig Meßner zufrieden. Nun überlegt er, ob auch an den beiden anderen Stoßöfen ein Lasermesssystem installiert werden soll.

Die Fakten sprechen indes für sich: Der aktuell überwachte Ofen wird mit einem mittleren monatlichen Durchsatz von zirka 70.000 Tonnen betrieben. In den mehr als zwei Jahren Betrieb der Brammenpositionserfassung kam es zu keinem einzigen Schadensfall an der Ofentür infolge durchgestoßener Brammen. Vor der Installation war mit zwei Havarien pro Jahr zu rechnen. "Da schon durch die Vermeidung eines einzigen Schadens die Investitionskosten für die Überwachung getragen werden, kann hier neben dem technischen Erfolg auch das wirtschaftliche Ergebnis als beispielgebend bezeichnet werden", zieht Maresch selbst das Fazit.

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