Warum Rillenschäden in Schnellarbeitsstahlwalzen auftreten – und wie man sie löst

Walzen aus Schnellarbeitsstahl (HSS) werden aufgrund ihrer hervorragenden Verschleißfestigkeit, langen Lebensdauer und ihres guten Preis-Leistungs-Verhältnisses häufig in Warmwalzwerken eingesetzt. Bei der Herstellung von geripptem Stabstahl können HSS-Walzen eine wesentlich höhere Walzleistung liefern als viele herkömmliche Walzenmaterialien. Im tatsächlichen Mühlenbetrieb hängt die endgültige Leistung von HSS-Walzen jedoch nicht nur vom Material selbst ab, sondern auch vom Rillendesign, den Kühlbedingungen, der Reparaturpraxis und der Betriebskontrolle.

Ein praktischer Fall aus der Herstellung von gerippten Stäben zeigte, dass beim Einsatz von HSS-Walzen zwei häufige Fehlerarten auftreten können: Bruch des Walzenkragens zwischen benachbarten Nuten und Abplatzen oder Abplatzen der Nut am Nutgrund. Diese Probleme können sich direkt auf die Produktqualität auswirken, die Lebensdauer der Rollen verkürzen und in schweren Fällen sogar zu Rollunfällen oder unerwarteten Ausfallzeiten führen. Dem Papier zufolge stellten solche Mängel einst ein erhebliches verstecktes Risiko in der Produktion dar und führten zu einer durchschnittlichen jährlichen Fehlerquote von etwa 0,02 %.

Aus technischer Sicht handelt es sich bei dieser Schadensart im Wesentlichen um einen Ermüdungsversagensprozess. Beim Walzen sind die Nuten komplexen Arbeitsbedingungen ausgesetzt, darunter Walzkraft, Stoßbelastung, wiederholte thermische Belastung durch heißes Material und Kühlwasser sowie axiale Druckspannung. Unter diesen kombinierten und schwankenden Belastungen können Mikrorisse entstehen und sich allmählich ausbreiten, bis sichtbare Brüche, Abplatzungen oder lokale Abplatzungen auftreten.

Das Papier nennt mehrere Hauptgründe für den Schaden. Ein wesentlicher Faktor war die unzureichende Festigkeit des Überrollkragens. In der Praxis verbessert eine höhere Härte die Verschleißfestigkeit, verringert jedoch auch die Zähigkeit, wodurch der Kragenbereich anfälliger für Brüche wird. Die traditionelle Konstruktionserfahrung reichte unter den tatsächlichen Rollbedingungen nicht mehr aus. Ein weiterer wichtiger Faktor war die schlechte Kühlleistung. Blaue Verfärbungen am Nutrand und Oberflächentemperaturen über 80 °C deuteten auf eine unzureichende Kühlwirkung hin, was die Rissbildung begünstigte. Wenn außerdem die Rillenreparaturzugabe zu gering war, könnten nach dem Wenden Mikrorisse zurückbleiben, die sich bei Wiederinbetriebnahme der Walze schnell vergrößern. In dem Papier wird außerdem darauf hingewiesen, dass eine übermäßige K2-Durchgangsbreite und unsachgemäße Bedienung, wie z. B. abnormaler Führungskontakt oder Rollenumschlingung, die Beschädigung der Rillen weiter beschleunigen könnten.

Um diese Probleme zu lösen, wurden mehrere praktische Maßnahmen umgesetzt. Zunächst wurde der Rillenmittenabstand vergrößert und die Breite des Walzenbunds vergrößert, um die Kragenfestigkeit zu verbessern. Gleichzeitig wurde der Nutkehlradius vergrößert, um die Spannungskonzentration zu verringern. Zweitens wurde das Kühlsystem modernisiert. Ein neues Mitteldruck-Umwälzwassersystem wurde eingeführt und die Walzenkühlvorrichtung wurde mehrfach optimiert, um die Kühleffizienz zu verbessern. Während der Produktion wurde der Kühlwasserdruck über 0,5 MPa gehalten und nach dem Walzstopp wurde die Rillenoberflächentemperatur auf unter 35 °C kontrolliert. Drittens wurde die Reparaturzugabe erhöht, um sicherzustellen, dass alle Risse am Rillenboden und am Rillenrand vollständig entfernt wurden, bevor die Walze wieder in Betrieb genommen wurde. Schließlich wurden die Stichkonstruktion und der Mühlenbetrieb strenger kontrolliert, um Überlastungen und unbeabsichtigte mechanische Schäden zu vermeiden.

Die Verbesserungsergebnisse waren sehr deutlich. Nachdem diese Korrekturmaßnahmen angewendet wurden, kam es im Werk bei der Rippenstangenproduktion nicht mehr zu wiederholten Walzenkragenbrüchen oder Nutabplatzungen. Beim Walzen von 12-mm-Rippenstäben erreichte die durchschnittliche Leistung pro Nut etwa 350 Tonnen, was etwa 230 Tonnen mehr war als bei bainitischen Walzen. Durch eine längere Rillenlebensdauer und eine geringere Häufigkeit des Rollenwechsels verbesserte sich die Produktionseffizienz deutlich. In der Zeitung heißt es, dass die Betriebsrate der Anlage um durchschnittlich 2,08 % gestiegen sei, während die Jahresproduktion um etwa 15.000 Tonnen gestiegen sei, was zu erheblichen wirtschaftlichen Vorteilen geführt habe.

Dieser Fall zeigt einmal mehr, dass der erfolgreiche Einsatz von HSS-Rollen nicht allein von der Materialqualität abhängt. Das richtige Rillendesign, ausreichende Kühlung, vollständige Rissentfernung während der Reparatur und disziplinierte Betriebspraxis sind allesamt entscheidend für die Erzielung einer stabilen Leistung und einer maximalen Walzenlebensdauer. Für Stahlwerke, die ihre Walzeffizienz verbessern und die Gesamtwalzenkosten senken möchten, sind diese Details ebenso wichtig wie das Walzenmaterial selbst.