Ausgangssituation: Brammentransport unter extremen Bedingungen

Nach der Stranggießanlage werden Brammen über Rollgänge zu Lagerplätzen, Wärmebehandlungsanlagen oder nachfolgenden Bearbeitungsprozessen transportiert. Je nach Prozess können die Stahlprodukte noch mehrere hundert Grad Celsius heiß sein. Auf der bestehenden Anlage werden Brammentemperaturen von bis zu etwa 800 °C genannt.

Gleichzeitig gelten hohe Anforderungen an die Verfügbarkeit:

• Der Materialfluss darf möglichst nicht ungeplant unterbrochen werden.
• Brammen mit einem Gewicht von mehreren Tonnen müssen sicher transportiert werden.
• Die Position des Materials muss eindeutig erkannt werden.
• Die Erkennung muss bei heißen und kalten Brammen funktionieren.
• Regen, Schnee, Dampf und Verschmutzungen dürfen nicht zu häufigen Fehlmeldungen führen.
• Wartungsarbeiten am Rollgang sollen möglichst reduziert werden.

Das Ziel ist eine zuverlässige Anwesenheits- und Positionserkennung der Bramme, damit der Transport automatisch und sicher gesteuert werden kann.

Herausforderung: Warum herkömmliche Sensorik ausfallen kann

Für die Materialerkennung auf Rollgängen werden häufig optische Sensorsysteme eingesetzt. Eine Standardlichtschranke kann unter normalen Bedingungen eine einfache und wirtschaftliche Lösung sein. In einem Stahlwerk beziehungsweise Walzwerk reichen Standardkomponenten jedoch nicht immer aus.

Typische Ursachen für unzuverlässige Signale sind:

• ❌ zu geringe optische Funktionsreserve
• ❌ Verschmutzung der Sensoroptik
• ❌ Dampf oder dichter Nebel im Lichtweg
• ❌ Regen, Schnee oder Spritzwasser
• ❌ Störungen durch intensive Wärmestrahlung
• ❌ mechanische Dejustage durch Vibrationen
• ❌ ungeeignete Montageposition
• ❌ nicht ausreichender Schutz von Sensor und Anschlussleitung
• ❌ zu großer oder ungünstiger Erfassungsabstand
• ❌ wechselnde Positionen und Abmessungen der Brammen

Die möglichen Folgen sind Fehltrigger, nicht erkannte Brammen, unnötige Anlagenstopps, erhöhter Wartungsaufwand und zusätzliche Risiken für den Produktionsprozess.

Lösung: robuste Sensorik für Rollgänge und Stahlwerke

Eine zuverlässige Brammendetektion erfordert mehr als nur einen Sensor mit ausreichender Reichweite. Die gesamte Messstelle muss betrachtet werden: Sensorprinzip, Signalreserve, Positionierung, Montage, Schutz, Verkabelung und Prozessbedingungen.

Je nach Anwendung können verschiedene Sensorprinzipien eingesetzt werden.

✅ Hochleistungs-Einweglichtschranken

Eine Einweglichtschranke besteht aus einem getrennten Sender und Empfänger. Der Sender erzeugt einen Lichtstrahl, der auf den gegenüberliegenden Empfänger ausgerichtet wird. Unterbricht eine Bramme den Lichtweg, ändert sich das Ausgangssignal.

Für anspruchsvolle Rollgangsanwendungen sind Hochleistungs-Lichtschranken mit einer hohen Sendeleistung und ausreichenden Funktionsreserven geeignet. Sie können auch dann zuverlässige Signale liefern, wenn der Lichtweg durch Staub, Dampf oder leichte Verschmutzung abgeschwächt wird.

Vorteile einer Einweglichtschranke können sein:

• klare Unterbrechung des Lichtweges durch die Bramme
• große mögliche Erfassungsabstände
• schnelle Reaktion
• berührungslose Objekterkennung
• Erkennung heißer und kalter Materialien
• einfache Verarbeitung des Schaltsignals durch die SPS

Die konkrete Eignung hängt jedoch immer von der optischen Situation, der Dichte des Dampfes, der Verschmutzung und der Montageposition ab.

✅ Lichtgitter für größere Erfassungsbereiche

Ein Lichtgitter überwacht nicht nur einen einzelnen Lichtstrahl, sondern einen größeren Bereich. Dies kann sinnvoll sein, wenn die Brammenposition variiert, unterschiedliche Materialhöhen auftreten oder ein einzelner Lichtpunkt nicht ausreichend ist.

Lichtgitter können beispielsweise eingesetzt werden, um:

• Brammen innerhalb eines größeren Bereichs zu erkennen
• wechselnde Materialpositionen auszugleichen
• Brammenkanten oder Materialübergänge zu erfassen
• eine breitere Erfassungszone auf dem Rollgang abzudecken

✅ Infrarotsensoren und Hot Metal Detector

Ein Hot Metal Detector, kurz HMD, erkennt die von heißen Objekten abgegebene Infrarotstrahlung. Dieses Sensorprinzip eignet sich zur Erkennung heißer Brammen, Knüppel, Coils, Rohre oder anderer glühender beziehungsweise stark erwärmter Metallprodukte.

Ein Infrarotsensor kann eine gute Lösung sein, wenn gezielt heißes Material erkannt werden soll. Für kalte Brammen ist ein rein temperaturabhängiges Messprinzip dagegen nicht immer geeignet.

Bei der Auswahl muss deshalb geklärt werden:

• Welche Mindesttemperatur hat das Material?
• Wie stark schwankt die Brammentemperatur?
• Muss auch kaltes Material erkannt werden?
• Wie groß ist der Abstand zum Objekt?
• Befinden sich weitere heiße Flächen im Sichtfeld?
• Gibt es Dampf, Rauch oder Zunder zwischen Sensor und Bramme?

✅ Induktive Sensoren zur Metallerkennung

Induktive Sensoren erkennen metallische Objekte über ein elektromagnetisches Feld. Sie reagieren nicht auf die Farbe oder Oberflächenhelligkeit der Bramme und können unempfindlich gegenüber vielen optischen Störeinflüssen sein.

Ihr Einsatz ist besonders dann interessant, wenn der erforderliche Abstand zwischen Sensor und Bramme innerhalb des verfügbaren Schaltabstands liegt. Bei großen Abständen über die gesamte Breite eines Rollgangs ist eine optische Lösung häufig geeigneter.

Induktive Sensoren können beispielsweise zur lokalen Positionsabfrage, Endlagenerkennung oder Erkennung metallischer Anlagenkomponenten eingesetzt werden.

Funktionsprinzip einer Einweglichtschranke bei der Brammendetektion

Bei einer Einweglichtschranke werden Sender und Empfänger auf gegenüberliegenden Seiten des Rollgangs montiert. Solange sich keine Bramme im Erfassungsbereich befindet, trifft das Sendelicht auf den Empfänger.

Fährt eine Bramme in den Lichtweg, wird der Strahl unterbrochen. Der Empfänger erkennt die Änderung und gibt ein elektrisches Schaltsignal an die Maschinensteuerung weiter.

Vereinfacht erfolgt die Brammenerkennung in vier Schritten:

1. Der Sender erzeugt einen gerichteten Lichtstrahl.
2. Der Empfänger überwacht das eintreffende Signal.
3. Eine Bramme unterbricht den Lichtweg.
4. Der Empfänger gibt ein Schaltsignal an die Steuerung aus.

Die SPS kann dieses Signal beispielsweise verwenden, um den Rollgang anzuhalten, eine Übergabe freizugeben, die Materialposition zu speichern oder den nächsten Prozessschritt zu starten.

Die richtige Montageposition ist entscheidend

Auch ein leistungsfähiger Sensor kann unzuverlässig arbeiten, wenn die Messstelle ungünstig ausgelegt ist. Bei der Planung sollten unter anderem folgende Punkte geprüft werden:

• Abstand zwischen Sender und Empfänger
• Höhe des Lichtstrahls über dem Rollgang
• minimale und maximale Brammenhöhe
• seitliche Positionstoleranzen
• mögliche Abschattung durch Rollen, Führungen oder Anlagenteile
• Dampf- und Schmutzrichtung
• Abstand zu heißen Oberflächen
• Zugänglichkeit für Wartung und Reinigung
• Vibrationsbelastung der Halterung
• Schutz der Anschlussleitungen
• Möglichkeit zur späteren Justage

Sender und Empfänger sollten so positioniert werden, dass die Bramme den Lichtweg eindeutig unterbricht. Gleichzeitig sollte die Optik möglichst wenig direkter Verschmutzung, aufsteigendem Dampf oder mechanischer Belastung ausgesetzt sein.

Verstellbare Montagefüße können die Ausrichtung erleichtern. Je nach Einbausituation sind Höhenverstellung, Verschieben, Drehen und Neigen sinnvoll.

Schutz vor Temperatur, Verschmutzung und mechanischer Belastung

In Stahlwerken muss nicht nur der Sensor selbst geschützt werden. Auch Anschlüsse, Leitungen, Steckverbindungen, Schutzschläuche und Montageelemente sind Teil der Sensorlösung.

Je nach thermischer Belastung können erforderlich sein:

• größerer Abstand zur heißen Bramme
• geeignete Montageposition außerhalb der stärksten Wärmestrahlung
• Kühl- oder Schutzsysteme
• mechanischer Schutz gegen Zunder und Fremdkörper
• robuste Edelstahlgehäuse
• hitzebeständige Leitungen und Schutzschläuche
• stabile und vibrationsfeste Halterungen
• Tuben oder Blenden zur Begrenzung des Sichtfeldes

Die konkrete Auslegung sollte nicht allein auf Basis der Brammentemperatur erfolgen. Die am Sensor tatsächlich auftretende Umgebungstemperatur ist für die Auswahl entscheidend.

Vorteile einer abgestimmten Sensorlösung

Höhere Prozesssicherheit

Eine zuverlässige Brammenerkennung stellt sicher, dass Materialpositionen korrekt an die Steuerung gemeldet werden. Dadurch lassen sich Fehltrigger, unklare Zustände und unnötige Anlagenstopps reduzieren.

Weniger Wartungsaufwand

Eine ausreichend große Funktionsreserve, eine geschützte Montageposition und robuste Komponenten reduzieren die Empfindlichkeit gegenüber Verschmutzungen und mechanischen Veränderungen.

Erkennung unterschiedlicher Materialzustände

Je nach Sensorprinzip können heiße und kalte Brammen erkannt werden. Dies ist besonders wichtig, wenn verschiedene Produktionszustände oder Materialtemperaturen auftreten.

Einfache Integration in die Automatisierung

Schaltsignale können direkt von einer SPS oder Anlagensteuerung verarbeitet werden. Dadurch lässt sich die Sensorik in vorhandene Rollgang-, Transport- und Prozesssteuerungen integrieren.

Längere Lebensdauer

Eine auf Temperatur, Vibration und Verschmutzung abgestimmte Sensorlösung ist in der Regel langlebiger als ein Standardsensor, der außerhalb seiner vorgesehenen Einsatzbedingungen betrieben wird.

Typische Anwendungen in Stahlwerk und Walzwerk

Robuste Sensoren werden nicht nur für Brammen eingesetzt. Ähnliche Anforderungen bestehen bei vielen Prozessen der Stahl- und Metallindustrie.

Typische Anwendungen sind:

Brammendetektion auf dem Rollgang

Erkennung von Brammenanfang, Brammenende, Anwesenheit und Position während des Materialtransports.

Materialerkennung nach der Stranggießanlage

Überwachung, ob eine Bramme oder ein anderes Gießprodukt den vorgesehenen Übergabepunkt erreicht hat.

Positionserkennung vor dem Walzgerüst

Feststellung, ob sich das Material in der richtigen Position befindet und der nächste Walzschritt gestartet werden kann.

Erkennung heißer Knüppel und Blooms

Berührungslose Detektion erwärmter Stahlprodukte in Walzwerken, Schmiedelinien und Wärmebehandlungsanlagen.

Überwachung von Übergabestellen

Kontrolle des Materialflusses zwischen Rollgängen, Quertransporten, Kühlbetten, Öfen und Lagerbereichen.

Objekterkennung im Außenbereich

Zuverlässige Erfassung metallischer Werkstücke unter Regen, Schnee, Dampf, Staub, Zunder und wechselnden Temperaturen.

Auswahl der passenden Sensorlösung

Für die Auswahl sollten zunächst die tatsächlichen Prozessbedingungen erfasst werden. Besonders wichtig sind:

• Welches Objekt soll erkannt werden?
• Handelt es sich um eine Bramme, einen Knüppel, ein Rohr oder ein anderes Stahlprodukt?
• Wie groß sind die minimale und maximale Objektbreite und -höhe?
• Wie heiß oder kalt ist das Material?
• Muss sowohl heißes als auch kaltes Material erkannt werden?
• Wie groß ist der Abstand zwischen Sensor und Objekt?
• Erfolgt die Montage im Innen- oder Außenbereich?
• Treten Regen, Schnee, Dampf, Staub oder Zunder auf?
• Wie stark sind Vibrationen und mechanische Belastungen?
• Welche Geschwindigkeit hat das Material?
• Wie schnell muss das Ausgangssignal reagieren?
• Welche Betriebsspannung und Ausgangsfunktion werden benötigt?
• Kann Sender und Empfänger auf gegenüberliegenden Seiten montiert werden?
• Wie gut ist die Messstelle für Wartung und Reinigung zugänglich?

Je genauer diese Bedingungen bekannt sind, desto zuverlässiger kann entschieden werden, ob eine Einweglichtschranke, ein Lichtgitter, ein Hot Metal Detector, ein induktiver Sensor oder eine kombinierte Lösung geeignet ist.