Die Erfindung betrifft eine kühlbare Ofenrolle zum Transport eines Bandes oder einer Bramme durch einen Ofen, umfassend eine um eine Achse drehbar gelagerte Tragachse, auf der eine Anzahl an Tragringen angeordnet ist. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Ofenrolle.

Konventionelle Ofenrollen haben eine Wasserkühlung, um die Rollen vor zu hohen Temperaturen und damit verbundenem vorzeitigen Versagen zu schützen. Der damit verbundene Wärmeentzug des Ofens wird bei herkömmlichen Rollen über eine Betonisolierung verringert.

Beispiele hierfür sind in der EP 0 471 218 A1 , in der EP 0 397 231 A1 , in der WO 2015/181736 A1 , in der EP 1 197 721 B1 , in der DE 2 205 694 A, in der DE 40 22 768 C2 und in der DE 693 13 627 T2 beschrieben.

Bei den vorbekannten Lösungen ergibt sich nachteilig ein relativ hoher Energieverbrauch im Ofen, dadurch, dass durch die Kühlung relativ viel Wärme aus dem Ofen ausgetragen wird. Ferner ist das Gewicht der Ofenrollen relativ hoch.

Der Erfindung liegt daher die A u f g a b e zugrunde, eine Ofenrolle der eingangs genannten Art so weiterzuentwickeln, dass sich bei einem geringen Gewicht die Möglichkeit ergibt, den Wärmeverlust im Ofen zu reduzieren. Ferner sollen Maßnahmen vorgeschlagen werden, mit denen es in einfacherer Weise möglich ist, den Zustand der Ofenrolle zu beurteilen und so eine effektive vorbeugende Instandhaltung installieren zu können. Die L ö s u n g dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass im axialen Bereich zwischen zumindest zwei, vorzugsweise zwischen allen, Tragrinnen eine Isolierung angeordnet ist, wobei die Isolierung zumindest teilweise aus einem Fasermaterial besteht.

Bevorzugt besteht die Isolierung vollständig aus dem Fasermaterial.

Die Isolierung weist bevorzugt eine hohlzylindrische Form auf. Die Tragachse steht bevorzugt mit Mitteln in Verbindung, um sie mit einem Kühlmedium zu durchströmen. Bei dem erfindungsgemäß vorgesehenen Fasermaterial für die Isolierung handelt es sich besonders bevorzugt um Aluminium-Oxid und/oder um Silizium-Oxid.

Die Tragringe sind vorzugsweise mit der Tragachse formschlüssig, insbesondere durch Schweißen, verbunden.

Bei einer bevorzugt vorgesehenen Anordnung von mindestens zwei in Förderrichtung aufeinanderfolgend angeordneten Ofenrollen der oben genannten Art ist vorteilhaft vorgesehen, dass - in Förderrichtung betrachtet - mindestens zwei Tragringe zweier aufeinander folgender Ofenrollen nicht fluchtend angeordnet sind. Somit kann das Abstützen des Bandes bzw. der Bramme optimiert werden.

Das vorgeschlagene Verfahren zum Betrieb einer Ofenrolle der oben beschriebenen Art, bei dem die Ofenrolle in ihrem Inneren mit einem Kühlmedium durchströmt wird, sieht erfindungsgemäß die Schritte vor: a) Messen der Temperatur (T _E iniass) des in die Ofenrolle eintretenden Kühlmediums und Messung der Temperatur (T _AuS iass) des die Ofenrolle verlassenden Kühlmediums und bilden der Temperaturdifferenz (ΔΤ = TAuslass " TEinlass)j b) Messen der Mengenflusses (m) des die Ofenrolle durchströmenden Kühlmediums); c) Bilden des Produkts aus Temperaturdifferenz (ΔΤ) und Mengenfluss

Beobachten des Produkts aus Temperaturdifferenz (ΔΤ) und

Mengenfluss (m) über der Zeit; e) Auslösen eines Signals, sobald der Wert des Produkts aus Temperaturdifferenz (ΔΤ) und Mengenfluss (m) einen vorgegebenen

Grenzwert überschreitet.

Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass als Grenzwert ein prozentualer Wert eines Durchschnittswerts verwendet wird, der sich während einer vorgegebenen Kalibrierzeit bei einer neu zum Einsatz kommenden Ofenrolle ergibt. Danach wird zunächst eine neu montierte Ofenrolle in der erläuterten Weise überwacht, um einen Referenzwert für das Produkt aus Temperaturdifferenz und Mengenfluss zu erhalten. Dieser Referenzwert wird dann bei der Überwachung zu Grunde gelegt und das Signal beispielsweise dann ausgelöst, wenn der Wert um mindestens 10 % überschritten wird.

Im Vergleich zu vorbekannten Lösungen erlaubt das vorgeschlagene Konzept eine weitere Verringerung des Wärmeentzugs bei einer Ofenrolle, wozu die genannte Faserisolierung zum Einsatz kommt.

Neben einer wesentlichen Gewichtsreduktion (bis zu mehr als 90% des Gewichts einer herkömmlichen Ofenrolle) kann gleichzeitig eine erhebliche Verringerung des Wärmeverlustes pro Rolle erreicht werden; es ist eine ca. 50-prozentige Reduzierung bei Ofentemperaturen von 1 .200 °C möglich. Im Vergleich zu herkömmlichen Ofenrollen mit Betonisolierung werden insbesondere folgende Vorteile erzielt:

Durch die Faser-Isolierung der Ofenrollen ist eine Verringerung des Energieverbrauchs bei einem üblichen CSP-Ofen bei üblichen Bedingungen um ca. 20 % möglich.

Es sind Einsatztemperaturen bis über 1 .250 °C durch Einsatz von Tragringen aus hochtemperaturbeständigem Werkstoff möglich, wobei insbesondere der Werkstoff 60HTR eingesetzt wird .

Weiterhin ist eine Verbesserung der Oberflächenqualität auf der Brammenunterseite möglich, was sich durch Absenkung der Kontaktpressung zwischen Bramme und Tragringen ergibt. Dazu wird die Anordnung der Tragringe mittels eines Optimierungsprogramms individuell an die Produktionsanforderungen bezüglich Brammenbreite, -länge und -gewicht angepasst. Dieses Rechenprogramm enthält einen Algorithmus, der das Brammengewicht aller auf einer Produktionsanlage gefertigten Abmessungen gleichmäßig auf möglichst viele Tragringe verteilt. Durch einen Versatz (in Förderrichtung) werden Laufspuren aufgrund von Zunderabdruck oder Temperaturstreifigkeit verringert. Wesentliche Bestandteile des Algorithmus sind die Hertz'sche Pressung zur Berechnung des Auflagedrucks auf den Tragringen. Dabei wird auch die Durchbiegung der Rollen berücksichtigt. Die Anordnung des Tragringversatzes wird so ausgelegt, dass auch die jeweils schmälsten und breitesten Brammenabmessungen optimal gestützt werden. Die Tragringanordnung pro Rolle wird periodisch wiederholt. Das später diskutierte Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 zeigt beispielsweise zwei Anordnungen, bei denen sich die Tragringanordnung jeweils nach der vierten Rolle wiederholt. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren ist eine vorbeugende Instandhaltung durch Bestimmung und Überwachung des Wärmeentzugs der einzelnen Ofenrollen möglich. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch die Vorderansicht einer wassergekühlten Ofenrolle,

Fig. 2 den Verlauf von Wärmeverlusten über der Zeit einer wassergekühlten Ofenrolle, einmal bei einer konventionellen Rolle und einmal bei einer erfindungsgemäßen Rolle,

Fig. 3a in perspektivischer Darstellung vier in Förderrichtung aufeinander folgende Ofenrollen nach einer ersten Ausgestaltung,

Fig. 3b in perspektivischer Darstellung vier in Förderrichtung aufeinander folgende Ofenrollen nach einer zweiten Ausgestaltung und

Fig. 4 den Verlauf von Wärmeverlusten über der Zeit, bei der eine fortschreitende Schädigung der Ofenrolle mit der Zeit erkennbar ist.

In Figur 1 ist schematisch der Aufbau einer wassergekühlten Ofenrolle 1 zu sehen. Die Ofenrolle 1 weist eine Achse a auf, um die sie drehen kann. Eine Förderrichtung F steht in Figur 1 senkrecht auf der Zeichenebene; in Förderrichtung F wird Gut transportiert, das einen Ofen passiert, in dem die Ofenrolle 1 eingebaut ist.

Die Ofenrolle 1 hat eine zylindrische Tragachse 2 sowie einen zylindrischen Außenumfang 3. Die Tragachse kann sowohl aus einem, vorzugsweise geschmiedeten oder gewalzten, massiven Stabmaterial oder aus einem, vorzugsweise im Schleuderguss hergestellten, Rohr bestehen. Auf der Tragachse 2 mit Außenumfang 3 sind in axialem Abstand mehrere Tragringe 4 angeordnet. Die Tragringe 4 stellen den Kontakt mit dem zu transportierenden Gut her. Zwischen den Tragringen ist das Isoliermaterial 6 angeordnet. Das Isoliermaterial besteht aus einem Fasermaterial, bevorzugt aus Aluminium-Oxid und/oder um Silizium-Oxid.

In Figur 1 schematisch angedeutet ist noch eine Mess- und Regelungseinrichtung 5, die die Durchströmung der Ofenrolle 1 mit Kühlwasser sensorisch erfasst und beeinflusst.

Für die Isolierung der Ofenrolle 1 kommt vorliegend eine spezielle Feuerfestwolle, vorzugsweise aus AI- und Si-Oxid, zum Einsatz. Diese Feuerfestwolle wird zu maßgerechten Hohlzylindern vorgefertigt. Beim Zusammenbau der Ofenrolle 1 werden die auf den jeweiligen Tragringabstand abgemessenen Feuerfestzylinder über eine Tragachse gesteckt. Anschließend wird der nachfolgende Tragring 4 auf die Tragachse gesteckt, fest an den Feuerfestzylinder gepresst und auf der Tragachse über ein geeignetes Fügeverfahren, insbesondere Schweißen, fixiert.

Im Vergleich zum konventionellen Beton als Material für die Isolierung 6 ist das Gewicht der Ofenrolle 1 durch die genannte Ausgestaltung nunmehr deutlich reduziert. Weiterhin wird der Zusammenbau der Ofenrolle durch die Baukastenweise vereinfacht. Durch den Wegfall von Aushärtezeiten erfolgt der Zusammenbau schneller. Durch die besseren Isoliereigenschaften wird der Energieentzug des Ofens deutlich reduziert.

In Figur 2 ist ein Beispiel für den Verlauf der Wärmeverluste wassergekühlter Ofenrollen mit Betonisolierung nach dem Stand der Technik (siehe hierzu den oberen Bereich der konventionellen Rolle mit Betonisolierung) und für die erfindungsgemäße Faserisolierung der Ofenrolle (siehe hierzu den unteren Bereich der Rolle mit Faserisolierung) dargestellt. Die Tragringe 4 können aus einer handelsüblichen Legierung, insbesondere des Typs 2.4879 (DIN 1736), bestehen, vorzugsweise bestehen sie aber aus einer hochtemperatur- und korrosionsbeständigen Legierung, wie z. B. 60HTR. Solche Werkstoffe können herstellungsbedingt nur im Schleudergussverfahren verarbeitet werden. Von einem so hergestellten Rohr werden Scheiben abgeschnitten, die dann jeweils zu Tragringen 4 weiterverarbeitet werden. Mit den genannten Tragringlegierungen kann der mechanische, chemische und thermische Verschleiß der Tragringe 4 bei bestehenden Tunnelöfen sowie bei Tunnelöfen der nächsten Generation mit höheren Heiztemperaturen weiter verringert werden.

Zur Verbesserung der Oberflächenqualität auf der Brammenunterseite kann das optimale Ofenrollendesign mit einem Auslegungsprogramm bestimmt werden. Betrachtet werden dazu mehrere im Tunnelofen hintereinander angeordnete Ofenrollen 1 mit einer frei definierbaren Anzahl an Tragringen 4, auf denen eine Dünnbramme in beliebiger Breite und Dicke liegt. Über die Anzahl der belasteten Tragringe 4 wird die Auflagefläche bestimmt. Daraus werden unter Berücksichtigung des Brammengewichts die Kontaktpressungen zwischen Bramme und Tragringen berechnet. Mit Hilfe eines Optimierungsalgorithmus kann dann diejenige Tragringanordnung mit minimaler Kontaktpressung errechnet werden. Dabei werden die produktspezifischen Brammenabmessungen berücksichtigt.

In Figur 3 sind hierzu zwei Ausführungsbeispiele dargestellt. Gezeigt sind exemplarisch zwei unterschiedliche Anordnungen der Tragringe 4 auf der Tragachse 2 der Ofenrolle 1 .

Wie in Figur 3a zu sehen ist, folgt auf eine erste Ofenrolle mit ihren entsprechend angeordneten Tragringen 4 in Förderrichtung eine solche, bei der die Tragringe 4 versetzt angeordnet sind. Die weiter folgende Ofenrolle 1 weist ihre Tragringe 4 wiederum an denselben Stellen auf wie die erste Ofenrolle. Die schließlich weiter folgende vierte Ofenrolle hat ihre Tragringe 4 an denselben Stellen wie die zweite

Ofenrolle.

Bei der Lösung nach Figur 3b sind die Lagen der Tragringe 4 verteilt angeordnet, was sich durch die oben erwähnte Berechnung ergab. Hierdurch kann eine optimale Stützung des zu transportierenden Guts erreicht werden.

Somit können also die Tragringe 4 - vorzugsweise gestützt durch ein Rechenprogramm, welches hierfür spezifische Daten liefert - so platziert werden, dass Laufspuren am zu fördernden Gut vermieden werden können.

Der Zustand der gekühlten Rollen 1 wird gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren über den Wärmeentzug der einzelnen Rollen erfasst. Dazu werden an jeder Rolle der Kühlwasserdurchfluss sowie der Temperaturanstieg des Kühlwassers über eine vergleichende Messung der Wassertemperatur auf der Ein- und Auslassseite bestimmt. Der Wärmeentzug entspricht dem WärmeflussQ _Ro iie in kW und wird über die Temperaturdifferenz ΔΤ = T _AuS iass - T _E iniass und den Kühlwasserdurchsatz

•

m in kg/s berechnet:

Q Rolle = ΔΤ ^* m ^* C _p Wasser

Dabei ist c _p wasser die spezifische Wärmekapazität von Wasser in kJ ^* kg ^{"1 *} K ^~1 . Der Wärmeentzug aller Rollen ergibt sich aus folgender Gleichung:

Q Heiz Brammen + Q Rollen, berechnet + Q Wand )

Dabei sind:

Q Heiz der Energieverbrauch des gesamten Ofens (Gasverbrauch) Q Brammen die Energieabgabe der Brammen = AT _B ramme ^* m _Bra mme * ^c pBramr Q Roiie der Wärmeentzug bzw. Energieabgabe durch das Kühlwasser

für alle Rollen des Ofens,

Q wand die Energieabgabe über die Ofenwände,

H _f der feuerungstechnische Wirkungsgrad und

n die Anzahl der Rollen im Ofen.

Der mittlere erwartete Wärmeentzug einer Rolle wird über die folgende Gleichung bestimmt:

u Rolle, berechnet - ^— u Rollen, berechnet ' _{/ n} ^{1 1} • · ·

Die Werte für Q Brammen, Q Roiien und Q wand sind ofenzonentemperaturabhängig und werden im Prozessmodell für den CSP-Ofen berechnet. Im Prozessmodell für den CSP-Ofen wird die Aufheizung der Brammen im CSP-Ofen berechnet und Aussagen zu den erwarteten Wärmeverlusten von Wand, Rollen, der Wärmeabgabe an die Brammen und den feuerungstechnischen Wirkungsgrad gemacht. Die Energiebilanz wird auch für die einzelnen Zonen des Ofens aufgestellt. Mithilfe des Ofenmodells können in einer Erweiterung der Idee die Werte ^Q Roiie, berechet direkt berechnet und auch zonenaufgelöst (Aufheiz-, Halte-, Fährzone) mit Hilfe der obigen Energiebilanz und auf eine Zone bezogen ermittelt werden. Daraus ergibt sich der berechnete Wärmeentzug bzw. die Energieabgabe durch das Kühlwasser Q ₀ ne- Durch Vergleich der mit dem Prozessmodell berechneten und dem erfindungsgemäß bestimmten Wärmeentzug durch das Kühlwasser AQ _Ro iie wird der Erhaltungszustand der Ofenrolle bestimmt. Dabei ist

AQ Rolle ^— Q (Rolle gemessen) " Q (Rolle berechnet) In Figur 2 sind die typischen Wärmeverluste über das Kühlwasser beton- und faserisolierter Ofenrollen dargestellt. Die Kurven weisen über die Zeit leichte Variationen auf, die sich mit unterschiedlichen Ofenfahrweisen erklären lassen.

5 Verändert sich AQ _Ro iie einer Rolle in einer vorgegebenen Zeit um mehr als einen empirisch bestimmten Grenzwert, z. B. um 10 %, ist die Isolierung der Rolle beeinträchtigt und die Rolle direkt oder bei der nächsten Wartungsmaßnahme zu inspizieren, um etwaige Beschädigungen festzustellen und Reparaturmaßnahmen zu ergreifen. Dies erlaubt eine vorbeugende Instandhaltung durch Wartung,

10 Reparatur oder Austausch von Rollen.

Über die vorhergehenden Methoden hinaus kann der Verbrauch des Ofens über die Lebenszeit beobachtet werden. Dabei ist die Grundgleichung die folgende:

i c

-·--> Q Heiz ₊ ^† Q Luft - ^_ Q Brammen ^† , Q Abgas ^† , Q Rollen, berechnet ^† , Q Wand

Q Heiz der Energieverbrauch des gesamten Ofens bzw. eines Teilbereiches d. h. z. B. einer Zone (Gasverbrauch),

Q i_ _U ft der rückgewonnene Energie durch die vorgeheizte Luft für alle

20 Rekuperatoren oder einen Teilbereiche d. h. z. B. einer Zone = AT _Lu ft

^* * CpLuft

Q Brammen die Energieabgabe der Brammen = AT _Br amme ^* m _Bra mme ^* c _pB ramme in dem gesamten Ofen oder dem Teilbereich,

Q Abgas die Energieabgabe über das Abgas in Richtung Kamin bzw. in 25 andere Zonen, je nachdem, ob der gesamte Ofen oder Teilbereiche betrachtet werden, = AT _A bgas ^* m _Ab gas ^* c _pA bgas

Q Roiie, berechn. der Wärmeentzug bzw. die Energieabgabe durch das Kühlwasser für alle Rollen des Ofens bzw. für einen Teilbereich d. h. z. B. einer Zone, Q wand die Energieabgabe über die Ofenwände des gesamten Ofens bzw. eines Teilbereiches d. h. z. B. einer Zone,

Für alle Teilenergieströme bis auf den Wert Q yvand können die simulierten Werte mit den Werten, die aus Messwerten bestimmt werden, verglichen werden. Dabei werden bei Inbetriebnahme der Anlage die Einzelwerte so angepasst, dass sie übereinstimmen. Im Laufe der Zeit kann dann der Vergleich der Einzelwerte genutzt werden, um Aussagen zum Status der Anlage zu machen. Z. B. wird diese Überprüfung wie im schon beschriebenen Fall für die Überprüfung des Erhaltungszustandes der Rollen genutzt. Wenn der simulierte Wert für Q _Lu ft von dem aus den Messwerten bestimmten Wert für eine bestimmte Zeit abweicht, dann sollte der entsprechende Rekuperator für die vorgeheizte Luft überprüft werden. Der Wert, der nicht überprüfbar ist, ist der Wert ^ wand- Mit der obigen Formel kann aber auf den tatsächlichen Wert zurückgeschlossen werden. D. h. man kann dieses Verfahren auch nutzen, um zumindest über eine Zone eine erhebliche Verschlechterung der Wandverluste zu detektieren. Dadurch kann man Hinweise bekommen, wann Instandhaltung für die wesentlichen Teile des Ofens (Rollen, Rekuperatoren, Wände) erforderlich ist. Figur 4 zeigt den Anstieg des Wärmeverlustes bei fortschreitender Schädigung einer Ofenrolle 1 . Über das oben genannte Abweichungskriterium A Q _Ro iie wird nach der vorgeschlagenen Vorgehensweise der Rollenzustand erfasst und die Rolle bei Erreichen eines kritischen Zustands zur Reparatur oder Erneuerung ausgebaut.

Zur Erfassung der Wärmeverluste über die Ofenrolle ist eine Sensorik erforderlich, welche neben den Kühlwassertemperaturen auf der Ein- und Auslaufseite der einzelnen Rollen- oder Rollengruppen auch den Kühlwasserdurchsatz, z. B. in kg/s, bestimmt. Zusätzliche, den vorliegenden Vorschlag verbessernde Maßnahmen sind ergänzende, geeignete Sensorik- und Regelungseinheiten, die mit den Prozessmodellen und/oder Prozessplanungsmodellen zwecks Überwachung und Regelung der Rollen kommunizieren. Dazu gehören beispielsweise eine Drehzahlmessung, welche über den Abgleich mit der Brammentransport- geschwindigkeit den Schlupf zwischen Bramme und Rolle regelt und damit sowohl die Lebensdauer der Rolle als auch die Oberflächenqualität der Brammenunterseite verbessern kann. Dabei wird die Brammentransportgeschwindigkeit über ein von den Transportrollen (Rollen) unabhängiges Messverfahren, beispielsweise über eine Lasermessung, bestimmt und mit der Umfangsgeschwindigkeit an der Oberfläche der einzelnen Ofenrollen verglichen. Dabei können verschiedene Zustände eingestellt werden wie z. B. höhere, gleiche, niedrigere oder gegenläufige Brammen- und Umfangsgeschwindigkeit einzelner Rollen. Durch Schlupf oder gegenläufige Drehrichtung einzelner Rollen können Aufbackungen, beispielsweise Zunderanhaftungen, von der Tragring- oder Brammenoberfläche entfernt werden. Eine weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahme ist die Verwendung der Durchflussmessung zum Erkennen von Wasserverlust, Leitungsverstopfung oder Unterbrechung der Wasserversorgung.

Bezugszeichenliste:

Ofenrolle

Tragachse (Grundkörper)

Außenumfang

Tragring

Mess- und Regelungseinrichtung Isolierung

Achse

Förderrichtung