Elektrodenbearbeitung

Wassmer Gruppe Spezialmaschinen GmbH (Heitersheim)

Erschienen in: CFIceramic 04/08

100 % geprüfte Graphit-Elektroden für die Stahlindustrie

Innovative Fertigungsidee verbessert Produkt- und Prozesssicherheit

Ein neues Fertigungsverfahren ermöglicht erstmals die wirtschaftliche Herstellung durchgängig materialgeprüfter Graphit-Elektroden für die Stahlerzeugung. Die konsequente Umsetzung des neuen Verfahrens mit nur einer Mehrkanal-CNC, In-Process-Messungen, anlagenweit durchgängiger Antriebstechnik und konsequent ethernet-basierter Kommunikation erschließt weitere Kostenvorteile - zusätzlich zur deutlich verbesserten Prozesssicherheit.

Lösungsorientierter Spezialmaschinenbau - Spezialgebiet „feuerfest“

 Holz, Stein, Beton, feuerfeste Materialien: Der Sondermaschinenhersteller Wassmer ist mit seinen Lösungen in vielen Branchen engagiert. In der Stahl- und Glasindustrie hat sich das baden-württembergische Unternehmen mit innovativen Anlagen zur mechanischen Bearbeitung teurer Grob- und Feinkeramik einen Namen gemacht - und mit Anlagen zur Herstellung von Graphit-Elektroden.

Graphit-Elektroden für die Stahlerzeugung

Diese Elektroden haben üblicherweise Durchmesser zwischen 300 und 900 mm, bei Längen von 1.800 bis zu 3.800 mm. Sie bestehen zu 100 Prozent aus graphitiertem Kohlenstoff und schmelzen den Schrott im Elektrolichtbogenofen durch extrem hohen Strom und den dabei entstehenden Lichtbogen auf. Gleichzeitig geht der bei diesem Verfahren anfallende Elektroden-Abbrand als metallurgisch wichtiger Kohlenstoff-Anteil in den Veredelungsprozess des Stahls ein.

Große Grafit-Elemente zur Endlos-Elektrode verschrauben

Die Elektroden sind damit Verbrauchs- und Verschleißteile, die dem laufenden Prozess kontinuierlich zugeführt werden müssen. Dazu haben sie an beiden Enden konische Vertiefungen, in die ein Gewinde geschnitten ist. Mit Doppelkonussen aus dem gleichen Material, die das entsprechende Gegengewinde tragen, wird das nächste Elektrodensegment auf die gerade aktive Elektrode angeschraubt. So entsteht eine Quasi-Endlos-Elektrode, und der Schmelzprozess kann unabhängig vom fortschreitenden Abbrand der Elektrode aufrechterhalten werden.

Mechanisch stabile Verbindung mit höchster Stromtragfähigkeit

Die Fertigung solcher Elektroden ist eine echte Herausforderung. An den Verbindungsstellen muss eine elektrisch einwandfrei leitende Verbindung hergestellt werden, die auch höchste Ströme über die von der Verschraubung aufeinander gepressten Elektroden-Oberflächen überträgt - auch an den Gewindeflanken der Schraubverbindung. Jede Funken- oder gar Lichtbogenbildung an dieser kritischen Verbindung würde zu Abbrand und Bruch der Elektrode an der Verbindungsstelle führen - und den hängenden Rest der aktiven Elektrode in den kochenden Stahl stürzen lassen. Der Schmelzprozess wäre unterbrochen, die gesamte Stahl-Charge Ausschuss - und die Probleme beim Wiederanfahren des mit erkaltetem Stahl gefüllten Ofens enorm.

 Auch hochpräzise und wohldokumentierte Bearbeitung gibt nur dann Sicherheit, wenn das Material einwandfrei ist

„Wenn eine Elektrode in den Stahl fällt, ist deren Lieferant weg vom Markt“, macht Vertriebsleiter Michael Wassmer klar, „selbst wenn vielleicht gar nicht die Fertigung, sondern die Qualität des Ausgangsmaterials die Ursache war. Aber das kann hinterher nicht mehr festgestellt werden - die Elektrode ist in jedem Fall verbrannt, da gibt es einfach nichts mehr, was man analysieren oder begutachten könnte.“

Automatische Materialprüfung in die Fertigung integriert

Während bei allen bisherigen Verfahren zu Elektrodenherstellung nur stichprobenartige Kontrollen der Materialqualität möglich waren, hat die Firma Wassmer nun eine Fertigungsstrategie entwickelt, auf der jede einzelne Elektrode vollautomatisch und an beiden Enden genau im kritischen Bereich der Gewinde auf ausreichende Festigkeit des Rohmaterials geprüft wird - und natürlich wird dies auch automatisch dokumentiert.

Variable Länge der Rohlinge wird voll genutzt

Die neue Anlage zur Elektrodenherstellung besteht aus vier Bearbeitungs- und einer Messstation sowie drei Transportgreifern. 

In der ersten Station werden die Rohlinge automatisch vermessen, da sie verfahrensbedingt unterschiedliche Länge aufweisen. „Auf diese Weise können wir aus jedem Rohling eine Elektrode mit maximaler Länge fertigen“, erläutert Michael Wassmer. „Anders als bei Anlagen, die Elektroden einer fixen Länge produzieren, wird hier kein Material mehr verschenkt.“ Voraussetzung hierfür ist die Fähigkeit der Steuerung, In-Process-Messungen vorzunehmen. Es kommt darum eine CNC aus der Reihe Sinumerik 840D sl zum Einsatz. Sie bietet darüber hinaus Funktionen zur Transformation des Koordinatensystems an, die eine besonders einfache Übernahme der von Rohling zu Rohling verschiedenen Startposition für die Stirnseitenbearbeitung ermöglichen.

Festigkeitstest im Gewindebereich - bei jeder einzelnen Elektrode

Unmittelbar nach dem Vermessen des Rohlings werden die konusförmigen Vertiefungen in die Stirnseiten gefräst, und zwar per Zirkularfräsen. Das erspart den Einsatz teuerer Formwerkzeuge - und erlaubt das Stehenlassen eines Kernes mit definiertem Durchmesser im Zentrum jedes Konus. 

Dieser Kern repräsentiert genau den für die Haltbarkeit der Verschraubung wichtigen Materialbereich der Elektrode. Auf der zweiten Station der Anlage wird er automatisch auf seine Biegefestigkeit geprüft und dann entfernt. „Das bedeutet, dass wir erstmals die Festigkeit jeder einzelnen Elektrode genau in den kritischen Bereichen beider Verschraubungen prüfen und dokumentieren können - und dabei Rohlinge zweifelhafter Qualität zuverlässig aussondern. Dies gibt dem Betreiber der Anlage eine bis heute ungekannte Sicherheit.“ Das CNC-System Sinumerik hält für derartige Aufgaben Standardschnittstellen zu Qualitätssicherungs- und Produktverfolgungssystemen bereit.

Besser als Drehen: mehrkanalige CNC ermöglicht simultanes Zirkularfräsen

Auf der dritten Station der Anlage werden die vorbearbeiteten und auf ihre Materialqualität geprüften Rohlinge stirnseitig zentriert eingespannt und an den Außenseiten konzentrisch abgerichtet - wiederum durch Zirkularfräsen, und zwar mit gleich vier Spindeln simultan. Die arbeiten sich gegenseitig versetzt über je ein Viertel der Elektrodenlänge. Gegenüber der Drehbearbeitung spart dies erheblich Zeit und sorgt zudem für eine beim Einsatz im Stahlofen günstigere Oberflächenstruktur.

Gleichzeitige Vorbehandlung der Stirnflächen

Gleichzeitig zur Außenbearbeitung erfolgt die Vorbereitung der Stirnflächen mit je einem separaten Fräser. Diese simultane Mehrfachbearbeitung wird durch die Mehrkanalfähigkeit der Steuerung, die zudem die verschiedenen Bearbeitungstechnologien wie Fräsen, Schleifen und Drehen effektiv unterstützt, sehr erleichtert bzw. sogar überhaupt erst möglich. 

„Die parallele Bearbeitung in einer Aufspannung verbessert die Präzision und ermöglich gleichkurze Taktzeiten auf jeder Station“, gibt Michael Wassmer zu bedenken. „Dadurch schaffen wir es, dass alle fünf Minuten eine Elektrode die Anlage verlässt.“ Die Taktzeiten konnten so harmonisiert werden, dass auch die sorgfältige Endbearbeitung der stirnseitigen Kontaktflächen der Elektrode und die hochpräzise Bearbeitung der Konusgewinde in der vierten Station keine Stauungen in der Anlage verursacht - die durchlaufende Elektrodenfertigung kommt komplett ohne platzfressende Pufferstrecken aus.

Abschließend vermisst ein Messroboter jede Elektrode mechanisch, elektrisch und per Ultraschall, insbesondere die qualitätsentscheidende Geometrie des Gewindes wird dabei überprüft und dokumentiert. Denn: „Trotz der vergleichsweise großen Massen, die wir hier bewegen und trotz der relativ großen Abmessungen der Elektroden ist Genauigkeit im Bereich eines Hundertstel gefordert“, betont der Vertriebsleiter.

Komplexe Funktionalität mit nur einer CNC und einem Antriebssystem realisiert

In den vier Stationen der Anlage arbeiten insgesamt 14 NC-gesteuerte Achsen, 41 Positionierachsen und zwölf SPS-gesteuerte Spindeln. Als Automatisierungspartner unterstützte Siemens die Entwickler der Firma Wassmer bei der Konzeption einer zentralen Automatisierungstopologie. Das bereitgestellte Projektteam übernahm zudem Leistungen im Numerik-Bereich und begleitete die Inbetriebsetzung der Anlage.

Aufgrund der bei der Elektrodenfertigung anfallenden extrem leitfähigen und aggressiven Stäube kommt nur eine zentrale Automatisierung in Frage, die in einem separaten Raum aufgestellt wird. Die gesamte Anlage wird von einer einzigen Sinumerik 840D solution line gesteuert, dabei kommen ausschließlich Antriebe vom Typ Sinamics S120 zum Einsatz. „Auch bei Motoren, für die wir nur eine reine Drehzahlregelung brauchen, lohnt sich der Einsatz der Sinamics-Umrichter - für den Betreiber, und auch für uns“, begründet Michael Wassmer die Konsequenz der Systementscheidung. „Da wir nur ein Antriebssystem für alle Motoren der Anlage verwenden, ist das Engineering einfacher und die Kosten für die Ersatzbevorratung sind spürbar niedriger.“ 

Die vertikale Integration der Anlage in Qualitätssicherungs- und Track & Trace-Systeme wird durch den durchgängigen Einsatz ethernet-basierter Kommunikation vereinfacht. So ist die Anlage per Industrial Ethernet an den Leitrechner angeschlossen. Auf der Feldebene verbindet Profinet CBA die CNC mit der unterlagerten SPS , Die Antriebe sind mit dem ethernet-basierten Drive-Cliq an die Steuerung gekoppelt. Auch die Überwachung der durchgängig verwendeten 1FK6 und 1FK7-Servos und die Rückführung der Gebersignale geschehen über Drive-Cliq. Durch diese über alle Automatisierungsebenen hinweg einheitliche und transparente Kommunikation ist die sehr einfache Diagnose der gesamten Anlage möglich, sowohl vor Ort - z. B. mit dem mobilen ethernet-fähigen Handheld-Terminal HT8 - als auch per Fernwartung.

Wirtschaftlichere Elektrodenproduktion, deutlich verbesserte Qualitätssicherheit

Durch die automatische Materialprüfung jeder Elektrode bietet die neue Kohlenstoff-Elektroden-Anlage dem Betreiberunternehmen eine deutlich besser abgesicherte Prozess- und Produktqualität und damit eine hohe Zukunftssicherheit. Außerdem konnten über Synergieeffekte in der Automatisierung zusätzliche betriebliche Rationalisierungspotentiale erschlossen werden, wie z. B. die verbesserte Ausnutzung des Ausgangsmaterials und die kostengünstigere Ersatzbevorratung. 

Für den Maschinenhersteller selbst haben sich in der Kooperation mit dem Automatisierungspartner Siemens bei diesem Projekt die Vorteile der CNCs der neuen Sinumerik solution line erschlossen - und damit ein neuer Weg, die bei Wassmer in reichlichem Maße vorhandenen innovativen Ideen schnell und rationell in marktreife Lösungen umzusetzen.

PROFINET bei Siemens

25.06.2008

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