Rollenbaan 41 'rocks'!

Met 128 nieuwe AC-motoren en regelaars van Nidec

In de Warmbandwalserij van Tata Steel worden dikke plakken staal over aangedreven rollenbanen van de voorwalsen naar de eindwalsen gevoerd om uiteindelijk als rollen plaatstaal de hal te verlaten. Omdat de gelijkstroommotoren van deze rollenbanen op leeftijd waren, is een project gestart om deze op bepaalde trajecten te vervangen. In een intensieve samenwerking met Nidec is besloten om de oorspronkelijke motoren te vervangen door draaistroommotoren.

Dit heeft inmiddels geleid tot 128 nieuwe AC-motoren die in een redundante opstelling de rollen van Rollenbaan 41 aandrijven. Op het bordes van de motorhal zijn de 128 bijbehorende Control Techniques Unidrive M-regelaars geplaatst die gekoppeld zijn aan een viertal Active Front Ends’ waarmee een schoon net en een duurzame oplossing is gerealiseerd.

Staal walsen 
Het walsen van staal is een typisch lijnproces. Hierin worden dikke plakken roodgloeiend materiaal met een maximum gewicht van 40.000 kg vanuit de ovens, via de verschillende voor- en eindwalsen, omgevormd tot dun plaatstaal. Waar de snelheid van de platen in het begin van de lijn nog relatief laag is (2,5 m/s), wordt deze gedurende de lijn verder opgevoerd tot max 20 m/s. De plaat wordt immers steeds dunner en krijgt hierdoor een groter oppervlak dat in hetzelfde tijdsbestek moet worden doorgevoerd. Als voorbeeld in concrete cijfers: plakken met dikte van 225 mm en een lengte van 8 meter, worden in de lijn uitgewalst tot een dikte van 2 mm waarmee de band een lengte krijgt van 900 meter. Na het walsproces worden de banden met hoge snelheid (max. 20 m/s) getransporteerd naar de haspels. Hier wordt de band gewikkeld tot een volledige rol die tot slot voorzichtig wordt gekanteld en via een zware kettingbaan wordt weggevoerd voor verdere verwerking.

Minimaal 99,8 procent 
In de gehele installatie is een veelheid aan elektrotechnische, mechanische, hydraulische en pneumatische installaties en meetsystemen te vinden die ervoor zorgen dat het proces zich foutloos en reproduceerbaar voltrekt. Peter Manshanden is technisch specialist bij Tata Steel en weet: “Het is heel simpel: wanneer ook maar één systeem uitvalt, dan staat de hele lijn stil en wat dat voor de productie en kosten betekent hoef ik denk ik niet uit te leggen. We stellen dan ook aan iedere leverancier de eis dat componenten en systemen een beschikbaarheid hebben van minimaal 99,8 procent. Sommige partijen vinden dit belachelijk hoog, maar het grote aantal componenten in onze lijn in combinatie met de kritische beschikbaarheid van de walserij maakt dit echt noodzakelijk.”

Rollenbaan 41 
De technische oplossingen om het walsproces maximaal te beheersen zijn natuurlijk niets waard wanneer niet ook regelmatig onderhoud wordt uitgevoerd. Op gezette tijden staat de lijn enkele uren stil om dit hoofdzakelijk preventieve en periodieke onderhoud uit te voeren. Twee keer per jaar is er een grote onderhoudsstop waarin de meer omvangrijke werkzaamheden zijn gepland en bijvoorbeeld vervangingen plaats vinden. Eén van deze vervangingsprojecten betreft de aandrijvingen van de rollen van rollenbaan 41. Dit is een specifiek deel van de lijn dat ook wel de ‘wachttafel’ wordt genoemd. Het bevindt zich vlak voor de zeven eindwalsen en is de plek waar een band letterlijk moet ‘wachten’ tot hij mag worden gewalst. Stilliggen is er echter niet bij: de uitwisseling van warmte tussen de relatief koude transportrollen en het hete staal leidt namelijk tot kwaliteitsverlies van het product en daarom wordt het staal ‘wiegend’ heen en weer bewogen. Een proces dat binnen Tata Steel bekend staat als ‘rocking’.


Van een plak met een dikte van 225 mm en een lengte van 8 m naar 900 m plaatstaal met een dikte van 2 mm - de Warmbandwalserij van Tata Steel.

38 ton 'rocken'
Deze beweging wordt gerealiseerd middels de elektromotoren die de rollen in de rollenbaan aandrijven. Dit betekent dat ze de plak eerst naar de ene kant versnellen en afremmen om vervolgens de richting om te keren en dit bewegingspatroon  te herhalen. Net zolang tot de plaat de eindwals in mag. Peter Manshanden: “De bewegingen zijn qua slag beperkt, maar het schommelen van banden met een gewicht tot maximaal 38 ton betekent een grote belasting voor de motoren. Indertijd is gekozen voor gelijkstroommotoren van uitstekende kwaliteit want ze hebben decennialang hun taak vervuld. Inmiddels zijn ze echter zo oud geworden, dat het tijd was voor vervanging. We stonden toen voor de vraag of we voor een 1:1 vervanging zouden gaan of een andere, modernere oplossing zouden kiezen. We hebben niet zo lang hoeven nadenken. De gelijkstroommotoren waren niet eenvoudig meer verkrijgbaar en bovendien tegen een onacceptabele prijs. Daarbij had de praktijk uitgewezen dat de onderhoudskosten aan deze motoren relatief hoog zijn. We zijn dus op zoek gegaan naar alternatieven.”

Van DC naar AC
De weg naar Nidec was snel gevonden. Teun van der Heiden komt hier al 25 jaar en heeft in deze tijd al aan veel bijzondere projecten mogen bijdragen. “Ik ben ooit begonnen met het leveren van componenten vanuit Control Techniques maar door de overname van de aandelen van Control Techniques en Leroy-Somer door Nidec, hebben we sinds een aantal jaar veel meer mogelijkheden om complete projecten uit te voeren en te leiden. En dat was precies wat hier nodig was.” Een eerste beslissing die werd genomen was over te stappen van gelijk- naar draaistroommotoren (VEM) inclusief regelaars (Control Techniques). In het geval van rollenbaan 41 gaat het om 128 stuks die in het kader van installatiebeschikbaarheid in vier delen zijn opgedeeld. Per 32 motoren is een Active Front End (AFE) beschikbaar die de gelijkspanning verzorgt. Daarbij zijn de motoren om en om aangesloten: indien één AFE uitvalt, dan is er in dat gedeelte van de rollenbaan nog altijd 50 procent van de aandrijving beschikbaar. Het proces kan dan in ieder geval doorgang vinden; mogelijk met een lagere snelheid, maar in elk geval géén stilstand.

Meer functies
Naast het verzorgen van de gelijkspanning, hebben de AFE’s nog meer functies. Enerzijds verlagen deze componenten de netvervuiling die standaard optreedt bij de toepassing van frequentieomvormers. Een belangrijke eigenschap wanneer er zomaar 128 nieuwe frequentieomvormers aan het net worden toegevoegd. De harmonische vervuiling wordt tevens gereduceerd doordat in de kelder van de walserij van Tata Steel één 1250 kVA transformator wordt gebruikt met ster/driehoekschakeling. De tweede is driehoek/driehoek. Daarnaast maken de vier AFE’s door het bidirectionele karakter ook een regeneratieve werking mogelijk. Teun van der Heiden: “Juist bij deze schommelbeweging komt er veel energie vrij tijdens het afremmen van de zware plakken staal. Door toepassing van AFE en de DC-tussenkring is het mogelijk om deze energie terug te voeren in het net waardoor een heel efficiënt systeem is te realiseren. Ook wanneer twee plakken gelijktijdig worden bewogen, waarbij de een versnelt en de ander vertraagt, biedt deze oplossing de mogelijkheid om de energie door de DC-tussenkring efficiënt uit te wisselen.

Testen van de motoren
Om er zéker van te zijn dat de motor/ regelaar combinatie het gewenste hoge koppel kon leveren, en dit koppel ook gedurende langere tijd kon volhouden, heeft Nidec een test georganiseerd in het laboratorium van VEM Elektromotoren in Duitsland. Peter Manshanden: “Gezamenlijk hebben we een regelaar en een AFE in combinatie met de VEM-rollenbaanmotor op de testbank kunnen belasten. In een continue wisseling van een nominaal koppel van 270 Nm naar drie keer het nominale koppel van 720 Nm (het maximale koppel) hebben we de motoren en omvormer tot het maximale ‘getergd’. Zelf toen we het piekkoppel er gedurende drie kwartier hebben opgezet, gaven de motor en regelaar geen krimp.” Naast de langdurig hoge belasting waren deze testen ook bijzonder omdat zij plaatsvonden bij lage toerentallen van 20 tot 235 toeren per minuut en een frequentiebereik van 0,8 tot 16 Hz. Manshanden: “Deze test gaf ons het vertrouwen dat de combinatie van motoren en omvormers betrouwbaar moest kunnen functioneren  in Rollenbaan 41. Ook voor de toekomst. We walsen op dit moment namelijk banden met een maximale dikte van 37 mm voordat ze de eindwals in gaan. Er is echter ook vraag naar dikkere platen, bijvoorbeeld voor de scheepsbouw. Om aan deze vraag te kunnen voldoen gaan we in de toekomst waarschijnlijk naar een grotere overgeefdikte en dat betekent dat de motoren en regelaars van de rollenbanen ook meer te verduren krijgen.”

Het project
Om Tata Steel zoveel mogelijk te ontzorgen, heeft Nidec uiteindelijk de realisatie van het volledige elektrische systeem op zich genomen. Dit behelst niet alleen de selectie van motor en regelaar, maar tevens de transformatoren, AFE voedingspanelen, schakelpanelen, communicatie met bovenliggend besturingssysteem, bekabeling, installatiewerkzaamheden en het volledige projectmanagement. In het schematisch overzicht van het eindresultaat is te zien dat de hoogspanning van 10 kV die Tata Steel krijgt aangeleverd, via twee transformatoren op 400 V wisselspanning wordt gebracht. Deze wordt via de vier AFE’s omgezet in een tussenkring gelijkspanning van 700 VDC. Deze gelijkspanning komt weer via twee kabels de Nidec-kasten binnen (één voor de even en één voor de oneven rollen) en wordt vervolgens in de omvormers omgezet naar een specifieke wisselspanning die geschikt is voor de AC-motoren van VEM. Dit zijn namelijk geen standaard motoren; zij werken op 400 VAC en een frequentie van 16 Hz en worden via het RFC-A-motormodel (Rotor Flux Control Asynchronous) aangestuurd. Hiermee is het volle nominale en piekkoppel over het gehele regelbereik beschikbaar.


Een deel van de 128 kasten met Control Techniques Unidrive M regelaars die bij de ombouw van Rollenbaan 41 zijn geplaatst.

Mechanische aanpassingen
Peter Manshanden: “Terwijl Nidec zich bezighield met de elektrische kant van de oplossing, lagen voor onze medewerkers de grootste uitdagingen in het aanpassen van de mechanische kant van de lijn. Omdat de nieuwe motoren een íets ander inbouwformaat hebben, zijn alle motorstoelen aangepast. In de toekomst gaan we dit nog verder optimaliseren door de onderhoudsgevoelige cardankoppelingen te vervangen door periflex-koppelingen. Míts goed uitgelijnd zijn deze koppelingen net zo goed maar vragen minder onderhoud.”

Koelribben buiten de kast
Voor Nidec lagen de uitdagingen in het managen van het project. Daarnaast heeft het bedrijf een slimme oplossing ontwikkeld voor het koelvraagstuk in de regelaars. Teun van der Heiden: “Je wilt graag zo min mogelijk omgevingsvuil in de regelkasten hebben om de elektronica te beschermen. Standaard luchtkoeling (natuurlijk of geforceerd) vonden we daarom geen optie. We hebben de oplossing gevonden in het doorbouwen van de regelaars zodat de koelribben (heatsink) zelf búiten de kasten steken. Daarmee brengen we de restwarmte direct via de koelribben naar de buitenzijde van de kast, in plaats van een luchtstroom door de binnenzijde van de kast of via een airco-unit te moeten afvoeren.” Tot slot heeft Nidec zorggedragen voor de koppeling op het IBA-systeem en het centrale Nero-besturingssysteem van Tata Steel. Daarbij wordt alle in- en uitgaande data via Profinet over glasvezel naar een Siemens -PLC gestuurd en door het IBA-systeem geanalyseerd. Peter Manshanden: “Dit systeem is oorspronkelijk aangeschaft om het aantal storingen in de lijn te verminderen. Het heeft ons tot nu toe veel gebracht omdat alle data over temperaturen, trillingen, stromen, opgenomen vermogen enzovoorts zijn te combineren met camerabeelden. Hiermee zijn we voor diverse storingen in staat geweest om echt de root cause te achterhalen en het probleem op te lossen. Nu wordt de data ook steeds meer gebruikt in het kader Schematisch overzicht elektrische installatie van de 128 AC-motoren voor Rollenbaan 41. van onderhoud. Met de juiste analyse zijn soms trends te ontdekken die duiden op bijvoorbeeld een toenemende slijtage, een te zware belasting of anders. Op basis hiervan kunnen we proactief handelen en het onderhoud uitvoeren op geschikte tijden in plaat van het bekende ‘brandje blussen’.”


Per 32 motoren is een Active Front End (AFE) beschikbaar voor de gelijkspanning, die de netvervuiling vermindert en in combinatie met de DC-tussenkring regeneratief het energieverbruik verlaagt.

Op naar het volgende project
In diverse tijdvakken zijn inmiddels alle 128 motoren vervangen, de bijbehorende regelaars geplaatst en alle bekabeling gerealiseerd. De oude DC-motoren laat Tata Steel reviseren en worden als reserveonderdelen bewaard voor andere DC-aangedreven projecten binnen de Warmbandwalserij. Daarnaast is er ruim de tijd genomen om alles te finetunen tot een optimale instelling werd bereikt. Peter Manshanden: “Een mooi en zinvol project in samenwerking met een zeer flexibele en kundige partner Nidec waarmee onze lijn duurzamer en efficiënter is geworden. Ook andere rollenbanen zullen deels worden voorzien van AC-motoren waarbij we gebruik kunnen maken van de grote hoeveelheid kennis die we in dit project hebben opgedaan.” 

Tata Steel
Aandrijven & Besturen

Artikel:

Meer Nidec nieuws? Lees hier verder