ELEKTRISCH BETRIEBENE WALZENSTRASSEN. Von Ing. Ernst Blau, Lehrer an der k. k. Staatsgewerbeschule in Bielitz. BLAU: Elektrisch betriebene Walzenstraßen. Inhaltsübersicht. Es werden die elektrischen Einrichtungen und die Betriebsverhältnisse von Walzenstraßen mit wechselnder und mit dauernd gleicher Umlaufrichtung unter Bezugnahme auf Ausführungen der Siemens-Schuckertwerke in Berlin behandelt. –––––––––– Durch die Einführung des elektrischen Antriebs von Walzenstraßen sind in betriebstechnischer und wirtschaftlicher Hinsicht große Erfolge erzielt worden. Je nachdem derartige Einrichtungen dauernd in demselben Sinn umlaufen oder nach jedem Stich umgesteuert werden, ergeben sich verschiedene Anforderungen an den elektrischen Antriebmotor. Zu letzteren Walzenstraßen, den Umkehrstraßen, die in der Regel als Doppel-Duostraßen ausgebildet sind, gehören die Blockstraßen, die Blöcke von 1500–5000 kg vorwalzen, die schweren Trägerstraßen, auf denen Träger von beträchtlichem Gewicht ausgewalzt werden, die schweren Grobblechstraßen, die zur Herstellung von Blechen mit großer Dicke dienen, und die Panzerplattenwalzwerke, die die aus flüssigem, nickelhaltigem Stahl vorgegossenen, häufig unter dem Hammer oder der Wasserdruckpresse vorbearbeiteten und oft 20000 kg Gewicht und darüber besitzenden Panzerplatten der nachherigen mechanischen Behandlung zuführen. Die Walzarbeit bei jedem Stich ist abhängig von der Querschnittänderung, der chemischen Zusammensetzung und der Temperatur des Walzguts. Außer derselben kommen noch die Reibungsarbeit und die Beschleunigungsarbeit der Walzen und sämtlicher bewegten Teile, einschließlich derjenigen der Antriebmaschine bei der Ermittlung des Energiebedarfs in Betracht. Um nun eine wirtschaftliche Arbeitsweise zu ermöglichen, muß die Beschleunigungsarbeit möglichst klein und gleichzeitig die Beschleunigungsperiode eine sehr kurze sein. Die umlaufenden Teile der Antriebmotoren müssen daher geringe Schwungmassen besitzen, was bei den großen Leistungen, die sie haben sollen, in der Art erreicht wird, daß sie geteilte, besonders gekühlte Anker von verhältnismäßig kleinen Durchmessern erhalten. Für die Steuerung der Walzmotoren bedient man sich der bekannten, auch bei elektrisch betriebenen Kranen, Hochofenaufzügen und Fördermaschinen verwendeten Leonard-Schaltung, die im nachstehenden kurz unter Zuhilfenahme von Fig. 1 erklärt werden möge. Textabbildung Bd. 327, S. 113 Fig. 1. Schaltungsschema für eine elektrisch betriebene Duo-Walzenstraße. Der Antriebmotor der Walzenstraße ist ein konstant erregter Gleichstrom-Nebenschlußmotor. Den Strom erhält er von einer mit annähernd konstanter Umdrehungszahl umlaufenden Gleichstrom-Nebenschlußdynamo, der sogenannte Anlaß- oder Steuerdynamo, mit einer zwischen Null und einem positiven und negativen Maximum veränderlichen Spannung. Die Umlaufzahl dieses Antriebmotors ist nun ausschließlich von seiner Ankerklemmenspannung abhängig. Diese wird von der Steuerdynamo dadurch hervorgebracht, daß ihre Magnetfeldstärke geändert wird. In deren Stromkreis ist zu diesem Zweck ein Nebenschluß-Regulator angeordnet, der durch einen Handhebel betätigt wird. Indem der Maschinist letzteren nach der einen oder anderen Seite auslegt, wird eine Aenderung der Erregerstromstärke der Steuerdynamo bewirkt, somit eine Aenderung der Spannung des dem Antriebmotor zugeführten Stromes. Ein Zurückziehen des Steuerhebels in die Nullstellung bedingt ein sofortiges Bremsen der Walzenstraße, weil der noch mit erheblicher Geschwindigkeit umlaufende Walzmotor Strom in die in ihrer Spannung schon herunterregulierte Steuerdynamo zurückgibt. Textabbildung Bd. 327, S. 114 Fig. 2. Doppelmotor für eine schwere Blockstraße. Von großer Wichtigkeit für ein leichtes und schnelles Steuern beim Walzbetrieb ist es, die Wirkung der Selbstinduktion in dem Erregerstromkreis der Steuerdynamo aufzuheben und letztere durch besondere Maßnahmen für Schnellerregung einzurichten. Bei normalen Maschinen würde die Selbstinduktion in genanntem Erregerstromkreise einer raschen Steuerung der Blockstraße widerstreben, da die beim Ein- und Ausschalten des Erregerstroms erzeugte Gegenspannung die beabsichtigte Erregerstromstärke nicht unmittelbar nach dem Einstellen des Regulierwiderstands auftreten läßt. In anderen Betrieben ist diese Wirkung der Selbstinduktion belanglos und wohl sogar erwünscht, weil sie eine selbsttätige Sicherung gegen allzugroße Strombelastung der stromerzeugenden Dynamo und des Antriebmotors bildet. Durch eine den Siemens-Schuckertwerken geschützte Schnellerregung der Steuerdynamo folgt die Erregerstromstärke derselben augenblicklich der Einstellung des Steuerapparates und deren Spannung kann in beliebiger Zeit verändert und auf die notwendige Größe gebracht werden. Im Mittel sind bei normalem Walzbetrieb 10 Umsteuerungen i. d. Min. erforderlich. Textabbildung Bd. 327, S. 114 Fig. 3. Schwungrad-Steuermaschine. Die Steuerdynamo wird von einem Elektromotor angetrieben, mit dem sie zusammen einen Motorgenerator, die sogenannte Anlaß- oder Steuermaschine, bildet. Da erstere rasch umlaufen kann, braucht sie nicht groß zu werden. Indem nur die etwa 1½ v. H. von der gesamten benötigten Energie betragende Erregerenergie durch den Steuerapparat zu beherrschen ist, fällt derselbe ebenfalls klein aus. Durch die Leonard-Schaltung ist eine größtmögliche Manövrierfähigkeit und Einfachheit der Bedienung herbeigeführt. Außerdem ist diese Schaltung eine wirtschaftliche, da jede Geschwindigkeit verlustlos eingestellt werden kann. Die beim Anfang eines jeden Stiches der Walzenstraße mitgeteilte Beschleunigungsenergie wird, soweit sie nicht unmittelbar für die Walzarbeit zur Ausnutzung gelangt, beim Ende des Stiches durch Stromrückgabe in die Steuerdynamo zurückgewonnen. Infolgedessen kann jede beliebig starke Beschleunigungsleistung, die die elektrischen Maschinen überhaupt herzugeben vermögen, unbeschadet der Wirtschaftlichkeit des Betriebs zugelassen werden. Textabbildung Bd. 327, S. 115 Fig. 4. Stabfederkupplung. Textabbildung Bd. 327, S. 115 Fig. 5. Stabfederkupplung. Zum Ausgleich der Energieschwankungen der Walzenstraße wird die Steuermaschine nach System Ilgner mit einem großen Schwungrad versehen. Dasselbe wird in den Walzpausen durch den Steuermotor beschleunigt und gibt während der einzelnen Stiche die über seine Durchschnittleistung überschüssige Energiemenge an die Steuerdynamo ab. Die Regelung der konstanten Stromaufnahme durch den Steuermotor erfolgt bei Ausführungen der Siemens-Schuckertwerke vermittels eines Stromrelais, das vom Strom des Motors durchflössen wird. Aendert sich der Strom desselben durch irgend einen Einfluß, so wird durch das Relais Widerstand in den Rotorstromkreis ein- oder ausgeschaltet. Hierdurch wird ein entsprechendes Abfallen oder Ansteigen der Geschwindigkeit des Steuermotors und ein wirksames Entladen oder Aufladen der Schwungmassen erreicht. Steht für den Antriebmotor der Steuermaschine Gleichstrom zur Verfügung, so wird er als Gleichstrom-Nebenschlußmotor ausgebildet und seine Geschwindigkeitsänderung erfolgt in Abhängigkeit von der dem Netz entnommenen Energie in ähnlicher Weise wie bei Drehstromantrieb durch ein Stromrelais, das einen Nebenschluß-Regulierwiderstand betätigt. Beim Entwurf des Antriebmotors für Umkehrstraßen müssen vor allem die starken Beanspruchungen berücksichtigt werden, denen der Antrieb unterworfen ist. Es sind deshalb das Blechpaket des Ankers, die Ankernabe auf der Welle und die Ankerwicklung gegen die bei der häufig wechselnden Drehrichtung auftretenden starken Stöße durch entsprechende Konstruktionen zu schützen und zu sichern. Desgleichen sind Grundplatte, Lager, Gehäuse und Fundamentanker hinreichend stark zu bemessen. Fig. 2 zeigt einen für schwere Blockstraßen verwendeten Doppelmotor. Er wird mit der Walzenstraße unmittelbar gekuppelt, wobei jedoch durch eine besondere Kupplung jeder achsiale Schub, der beim Brechen einer Walze auftreten kann, von dem Motor fernzuhalten ist. Fig. 3 veranschaulicht eine Schwungradsteuermaschine, Fig. 4 und 5 stellen eine von den Siemens-Schuckertwerken ausgeführte nachgiebige Kupplung dar, wie sie von Verbindung von Schwungrad und Dynamomaschine, bezw. dem Motor dient. Dieselbe hat bei hohen Umlauf zahlen fortgesetzt stoßweise wechselnde Belastungen bis 6000 PSe zu übertragen. Sie besteht aus zwei Stahlgußscheiben, zwischen denen sich im Kreise angeordnete konische Rundstäbe aus Spezialstahl befinden. Mit einem Ende sind dieselben in eine Kupplungsscheibe eingepaßt, mit dem freien Ende greifen sie in entsprechende Lager der andern. Die Durchfederung der Stahlstäbe infolge Beanspruchung durch Drehmoment, Fliehkraft und Wellenexzentrizität läßt sich leicht berechnen, woraus dann der Rückdruck auf die benachbarten Lager im voraus zu bestimmen ist und eine unzulässige Größe des letzteren auf dieselben vermieden werden kann. Durch einfaches Herausschrauben der federnden Stahlstäbe werden die beiden miteinander verbundenen Wellenenden ohne weitere Demontage voneinander gelöst. Gegen unerwartete Ueberlastungen der Stäbe schützen Anschläge, gegen die sie sich bei größeren Durchbiegungen anlegen. Textabbildung Bd. 327, S. 116 Fig. 6. Gleichstrom-Walzenzugmotor. Eine der größten Umkehrstraßen haben die Siemens-Schuckertwerke für die Rheinischen Stahlwerke in Duisburg-Meiderich ausgeführt. Die Straße ist eine Blockstraße mit einem Gerüst und ist für eine stündliche Leistung von 75 t bei Herstellung von Blöcken im Gewicht von 2,5 bis 3,2 t bestimmt. Die letzteren haben einen Anfangsquerschnitt von 485 × 485 und erfahren bei 15 Stichen eine etwa 13 fache Verlängerung. Die Walzen habend 1100 mm ∅ und ± 60 Uml./Min. Ihr en Antrieb empfängt die Walzenstraße von zwei in Serie geschalteten Motoren mit einer betriebsmäßigen Maximalleistung von 8400 PSe, die eventl. um 30–50 v. H. erhöht werden kann, so daß die äußerste Leistungsfähigkeit der Motoren etwa 12000 PS beträgt. Das größte im Betrieb vorkommende Drehmoment ist 150 m/t. Die Steuermaschine besitzt zwei in Serie geschaltete Steuerdynamos, die 450 Uml.-Min. machen. Der Steuermotor entwickelt normal 1600 PS. Das Schwungrad der Steuermaschine wiegt 38 t und hat einen Durchmesser von 4,4 m. Walzenstraßen, die dauernd in einer Richtung umlaufen, werden mit mehr oder weniger großen Schwungrädern ausgerüstet und von Motoren angetrieben, deren Anker nach den für die Konstruktion und den Preis günstigsten Verhältnissen, immerhin aber reichlicher als bei Motoren für normale Transmissionsantriebe bemessen werden, da der Walzwerkbetrieb hinsichtlich Ueberlastungsfähigkeit und mechanische Beanspruchung an das elektrische Material besonders hohe Anforderungen stellt. Textabbildung Bd. 327, S. 116 Fig. 7. Drehstrom-Walzenzugmotor. Fig. 6 stellt einen Gleichstrom-Walzenzugmotor, Fig. 7 einen Drehstrom-Walzenzugmotor dar. Wie aus den Figuren ersichtlich, ist jeder Motor als eine von der Walzenstraße unabhängige und selbständige Maschine ausgebildet und mit ihr durch eine geeignete Kupplung verbunden. Das Gehäuse und die niedrigen Lager sind auf einer gemeinsamen, starken Grundplatte montiert. Die Ankerwelle ist beiderseits über die Lager hinaus verlängert, um später eine Vergrößerung der Motorleistung durch Ankuppeln eines Zusatzmotors zu ermöglichen. Drehstrom-Walzenzugmotoren werden mit einem größeren Luftspalt zwischen Rotor und Stator ausgeführt. Die hiermit verbundene geringe Verminderung des Leistungsfaktors wird reichlich durch die sich ergebende größere Betriebsicherheit aufgewogen. Entsprechend dem Material, das zu verwalzen ist, schwankt der Energiebedarf auch bei Walzenstraßen für eine Drehrichtung beträchtlich zwischen Leerlauf und hohen Leistungen. Sollten die Antriebmaschinen für die maximal benötigten Leistungen gebaut werden, so würden sich zu große Modelle ergeben und der mittlere Durchschnittswert der Walzarbeit wäre dann nur ein Bruchteil der normalen Dauerleistung. Es wurden deshalb zum Ausgleich der Belastungsschwankungen Schwungmassen in die Walzwerke eingebaut, wodurch eine gleichmäßigere Beanspruchung der Antriebmaschinen erreicht wird. Die Bemessung dieser Schwungmassen hängt ab von dem System der Walzenstraße und dem Walzprogramm, das auf dieser Straße erledigt werden soll. Ganz naturgemäß werden Walzenstraßen, auf denen Stiche von kurzer Dauer mit großem Druck ausgeführt werden, z.B. Blocktrios, Blechwalzwerke und Walzenstraßen für größere Profile, ein unregelmäßigeres Bild des Energieverbrauchs zeigen als Walzen-Straßen, auf denen gleichzeitig mehrere Knüppel zu langen Stäben oder Drähten ausgewalzt werden. Textabbildung Bd. 327, S. 117 Fig. 8. Metallanlasser für Gleichstromantrieb. Zwecks Ladens und Entladens der Schwungmassen muß eine Aenderung ihrer Geschwindigkeit derart stattfinden, daß dieselbe bei Energieentnahme vermindert, bei Energieaufspeicherung erhöht wird. Bei richtig bemessenen Elektromotoren vollzieht sich diese Geschwindigkeitsänderung selbsttätig und in Abhängigkeit von der Belastung des Motors. Steht Gleichstrom zur Verfügung, so werden die Walzenzugmotoren als Verbundmotoren ausgebildet, die einen bestimmten Abfall der Umlaufzahl zwischen Leerlauf und Vollbelastung zulassen. Man hat es bei der Konstruktion des Motors in der Hand, diesen Abfall beliebig groß zu machen, doch genügt in der Regel eine Geschwindigkeitsänderung von 7–15 v. H., bezogen auf die normale mittlere Geschwindigkeit. Hierbei ist die Regelung der Umlaufzahlen in weiten Grenzen eine fast verlustlose. Die Gleichstrom-Walzenzugmotoren der Siemens-Schuckertwerke sind in ihren elektrischen Wicklungsverhältnissen so bemessen, daß die geforderte Regelung der Umdrehungen ohne Aenderungen der Bürstenstellung in beliebig vielen Stufen erreicht und dabei ein praktisch funkenfreier Gang des Kommutators gewährleistet wird. Bei Drehstrommotoren werden zwecks Herbeiführung einer Geschwindigkeitsänderung Schlupfwiderstände vorgesehen, die dauernd in den Rotorstromkreisen eingeschaltet bleiben, da die gewöhnlich zur Verwendung gelangenden Asynchrommotoren nur einen geringen Abfall der Umlaufzahl, etwa 1½–2 v. H. zwischen Leerlauf und Vollbelastung besitzen. Für spezielle Fälle kann eine den Siemens-Schuckertwerken durch Patent geschützte, selbsttätig wirkende Vorrichtung für die Geschwindigkeitsregelung angeordnet werden, die in Abhängigkeit von einer gleichmäßigen Motorbelastung ein weitgehendes Entladen der Schwungmassen bewirkt. Gewöhnlich wird aber, da mit Drehstrommotoren die Regelung der Geschwindigkeit nicht mit so einfachen Mitteln erreicht werden kann wie bei Gleichstrommotoren, das gesamte Walzprogramm zweckmäßigerweise so auf die einzelnen Walzenstraßen verteilt, daß jede der selben in ihrer Umlaufzahl möglichst wenig geregelt zu werden braucht. Läßt sich dasselbe in manchen Fällen nicht so weit regeln und müssen einzelne Straßen unbedingt verschiedene Geschwindigkeiten haben, so kann man diese auch bei Drehstromantrieb durch Verwendung von Doppelmotoren erzielen. Letztere sind für zwei verschiedene Grundumlaufzahlen eingerichtet und bestehen aus zwei elektrisch voneinander unabhängigen Motoren, die auf gemeinschaftlichen Grundplatten angeordnet sind. Im Betrieb ist stets nur ein Motor an das Netz geschlossen, während der andere leer mitläuft. Beide Motoren sind für verschiedene Polzahlen gewickelt, so daß sich dementsprechend auch verschiedene Umlaufzahlen für sie ergeben. Wie die Motoren, muß auch das Zubehör für sie stärker bemessen werden als für andere Betriebe. Infolge der großen Schwungmassen, die in die Walzenstraße eingebaut sind, dauert das Anlassen der letzteren drei bis fünf Minuten, wobei der Motor sein normales Drehmoment entwickelt. Dieser langen Anlaßzeit und andererseits des öfteren Anlassens der Motoren wegen müssen das Widerstandsmaterial der Anlaßapparate und die Stufenschalter kräftig entworfen sein. Für Gleichstromantrieb verwenden die Siemens-Schuckertwerke allgemein Metallanlasser mit Oelkühlung (Fig. 8). Flüssigkeitsanlasser kommen bei den großen Leistungen wegen der möglichen Knallgasentwicklung, die eine Gefahr für das Bedienungspersonal herbeiführen und infolge der elektrolytischen Zersetzungen zu Störungen Veranlassung geben würde, nicht in Betracht. Obengenannte Metallanlasser sind mit einer Vorrichtung für stufenweise Funkenentziehung versehen, wodurch eine zu schnelle Abnutzung des Stufenschalters vermieden wird. Das Widerstandsmaterial ist unterhalb des Stufenschalters in einem Oelgefäß untergebracht. Die Kühlung des Oels erfolgt in einem Röhrenkühler, der mit dem Anlasser zusammengebaut ist. Den Oelumlauf bewirkt eine kleine, von einem Elektromotor angetriebene Pumpe. Der Stufenschalter ist durch eine Haube zum Schütze gegen Beschädigungen und Verschmutzungen abgedeckt. Textabbildung Bd. 327, S. 118 Fig. 9. Flüssigkeitsanlasser für Drehstromantrieb. Für Drehstromantrieb verwenden die Siemens-Schuckertwerke Flüssigkeitsanlasser (Fig. 9), da hier die Gefahr der Knallgasentwicklung nicht besteht. Dieser Apparat eignet sich sowohl zum Anlassen als auch zum Einstellen des Schlupfwiderstandes und der Regelung der Umlaufzahlen der Motoren in gewissen Grenzen. Während des Betriebes erreicht die Flüssigkeit annähernd Siedetemperatur, so daß das verdampfende Wasser, dessen Menge allerdings gering ist, durch Frischwasser ersetzt werden muß. Der Anlasser besteht aus zwei Eisenblechgefäßen. Im oberen sind in bestimmten Abständen Bleche angeordnet, die mit den Stromzuführungsklemmen verbunden sind; der untere dient als Wasserbehälter. Die Verbindung zwischen beiden Gefäßen wird durch ein Rohrsystem hergestellt, in das eine elektrisch angetriebene Rotationspumpe eingeschaltet ist. Durch letztere und ein Ueberlaufrohr, das sich im Innern des oberen Gefäßes befindet, wird der Wasserspiegel in diesem geregelt und dadurch das Anlassen oder Einstellen des Schlupfwiderstandes und die Aenderung der Umlaufzahl bewirkt. Ein Stufenschalter ist dabei nicht erforderlich, da die Elektrodenbleche verschieden lang ausgeführt sind, so daß bei gleichmäßig steigendem Wasserspiegel der Anlaßwiderstand allmählich mehr und mehr kurz geschlossen wird. Textabbildung Bd. 327, S. 118 Fig. 10. Schaltkasten. Zur Aufnahme der Meßinstrumente, Schalter und sonstiger Schutzvorrichtungen bauen die Siemens-Schuckertwerke für Walzenstraßenbetriebe geschlossene Schaltkasten (Fig. 10), die die Instrumente und Apparate vor Beschädigung und Verschmutzung schützen. Zum Schluß sei noch darauf hingewiesen, daß manchmal dis Betriebsweise von Spezialwalzwerken, wie z.B. von Radscheiben- und Bandagenwalzwerken, spezielle Steuerapparate erfordert. In einzelnen Fällen wird nämlich zur Bedingung gemacht, daß nach dem Auswalzen jeder Bandage oder Radscheibe der Antrieb stillzusetzen ist. Bei kleineren Motorleistungen wird Widerstandsschaltung verwendet werden können, währen sich bei größeren Leistungen die Leonard-Schaltung ähnlich wie bei den Umkehrstraßen vorzüglich eignet. Radscheiben- und Bandagenwalzwerke, die nach dem Auswalzen des Walzgutes stillgesetzt werden müssen, werden ohne besondere Schwungmassen ausgeführt.