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Lasthebemagnete für den Transport von 50-t-Coils

Es wurde ein Magnet entwickelt und gebaut, mit dem liegende und stehende Feinblechcoils bis 50 t Gewicht sicher transportiert werden können. Der Magnet hat bewegliche Pole, die sich der Form der Coils anpassen können. Zum Nachweis der Tragfähigkeit wurde ein Meßverfahren für die magnetische Kraft entwickelt.

Es hat erhebliche Vorteile im Vergleich zu dem Verfahren, bei dem die Abreißkraft gemessen wird. Die vereinbarte Tragfähigkeit konnte nachgewiesen werden. Der Lasthebemagnet hat im Vergleich zu anderen Lasthebemitteln wichtige Vorzüge: Der großflächige Lastangriff verhindert eine Beschädigung des Coils; das Lager kann dichter belegt werden; der Lasthebemagnet ist verschleißfrei und hat eine größere Wirtschaftlichkeit. Er ist seit 1987 im 3-Schichten-Betrieb ohne Störungen und Reparaturen im Einsatz.
 
Einsatzbedingungen im Coillager. In einem Lager für Feinblechcoils bis 50 t Gewicht befinden sich liegende (Wickelachse waagerecht) und stehende Coils (Wickelachse senkrecht). Die liegenden Coils sind für eine Durchlaufglühanlage bestimmt, die stehenden Coils gelangen zu einer Haubenglühanlage. Die Sicherheit von Personen hat höchste Priorität. Es wurde daher ein Magnet gebaut, der ohne Umstellarbeiten liegende und stehende Coils transportieren kann, Bild 1. Der Coildurchmesser ist 1280 bis 2780 mm, die Coilbreite ist 600 bis 1700 mm. Das Coil ist nur am Umfang gebunden. Dennoch müssen auch beim Transport stehender Coils die inneren Windungen sicher gehalten werden. Die Tragfähigkeit muß auch bei einem Kantenversatz bis zu 20 mm, der sich über mehrere Windungen erstreckt, sichergestellt sein. Bei liegenden Coils ist zu berücksichtigen, daß die Bandoberfläche wegen Walzemulsion glatt sein kann. Dennoch darf das Coil beim Transport nicht seitlich rutschen. Die Bandtemperatur ist unterhalb der Curie-Temperatur. Das Transportgut ist somit ferromagnetisch und für den Transport mit Lasthebemagneten geeignet. Der Magnet wird jedoch durch die Wärmestrahlung der Coils zusätzlich erwärmt. Dies ist bei der Auslegung des elektrischen Teils zu berücksichtigen. Ein unsymmetrisches Anschlagen des Lasthebemittels innerhalb bestimmter Grenzen auf der Last muß zulässig sein. Die Beschleunigungen für Heben, Senken, Anfahren und Bremsen sind vorgegeben. Daraus ergeben sich die zu berücksichtigenden Trägheitskräfte. Die Tragfähigkeit wurde festgelegt als das Coilgewicht, das bei doppelter Sicherheit getragen werden kann. Diese Tragfähigkeit mußte nachgewiesen werden. Gewöhnlich wird zum Nachweis der Tragfähigkeit von Lasthebemagneten ein Abreißversuch durchgeführt. Die Last wird dabei am Boden gefesselt. Während der Magnet mit dem Kran nach oben abgezogen wird, wird die Fesselungskraft gemessen. Bei großen Lasten, wie z.B. bei 50-t-Coils, ist ein solcher Versuch jedoch schr aufwendig und gefährlich. Einerseits wird eine geeignete Kraftmeßeinrichtung benötigt, und die Kraft muß vom Kranhubwerk aufgebracht werden können, andererseits können am Kran im Moment des Abreißens wegen der hohen Kraftänderungsgeschwindigkeit unzulässige Beschleunigungen auftreten. Daher wurde eine neue Meßmethode für die Magnetkraft entwickelt. Mit dieser wurde die vereinbarte Tragfähigkeit nachgewiesen.
 
Entwickelter Lasthebemagnet. Der entwickelte und gebaute Lasthebemagnet ist in Bild 1 im Einsatz mit hängender Last gezeigt. Ersichtlich sind 4 Pole, ein geschlossener Kasten und eine Aufhängevorrichtung mit dem Kranhaken. Die Pole sind um Achsen beweglich und können sich so dem liegenden Coil anpassen. Je zwei Pole sind magnetisch gleichnamig und liegen in einer Achsrichtung. In dem Kasten befinden sich die Schenkel, die nach unten aus dem Kasten herausragen und die Pole tragen. Um die Schenkel verlaufen die elektrischen Wicklungen. Das Oberteil des Kastens ist das Querhaupt des Magneten. Pole, Schenkel und Querhaupt sind aus Dynamostahlguß. Die Seitenflächen und die Unterseite des Kastens sind aus nichtmagnetischem Stahl. Damit wird erreicht, daß der magnetische Fluß nur durch Pole, Schenkel und Querhaupt verläuft.

Bild1. Lasthebemagnet für den Transport stehender (links) und liegender (rechts) Feinblechcoils bis 50 t

 

Gewicht im Einsatz

Ziel bei der Entwicklung ist ein hoher magnetischer Fluß in den Polen. Elektrischer Teil. Die Wicklungen sind aus Aluminium. Das Gewicht einer solchen Wicklung beträgt nur 50 % einer vergleichbaren Kupferwicklung. Die gesamte Gewichtsersparnis mit Aluminium ist jedoch kleiner als 50 %, da die Bauteile aus Stahl größer sind. Die Wicklung wird thermisch für eine Einschaltdauer unter 100 % ausgelegt, da Pausenzeiten und Leerfahrten vorliegen. Die Stromversorgung befindet sich auf dem Kran und besteht aus einem Gleichrichter, der über die Stromschienen gespeist wird, und aus einer Batterie, die ohne Stromunterbrechung zugeschaltet werden kann. Es sind Spannungsstufen für Stoßerregung, Nennerregung und Entmagnetisierung vorgesehen. Die Stoßerregung arbeitet mit erhöhter Spannung, damit die Magnetkraft schnell aufgebaut werden kann. Die Nennerregung dient zum Heben, Transportieren und Senken der Last. Zum Entmagnetisieren muß eine Spannung mit umgekehrtem Vorzeichen aufgebracht werden.

 
Kräfte

Auf das am Lasthebemagneten hängende Coil wirken nach Bild 2 im statischen Zustand die Gewichtskraft G, die Magnetkraft M und die Kontaktkraft K. Dargestellt sind ein stehendes (Wickelachse senkrecht) und ein liegendes (Wickelachse waagerecht) Coil. Die Magnetkraft greift an der Last senkrecht zur Lastoberfläche im Bereich des Magnetpoles an. Bei stehendem Coil haben die Magnetkräfte jeweils nur eine senkrechte Komponente. Bei liegendem Coil entstehen auch horizontale Komponenten, deren Summe jedoch Null ist.
 Bild 2. Kräfte am stehenden (oben) und liegenden (unten) Coil mit Magnetpolen N/S. M=Magnetkraft, K=Kontaktkraft, G=Gewicht
Die Bedeutung der Kontaktkraft zwischen Magnetpol und Coil kann z. B. am liegenden Coil erkannt werden. Diese Kontaktkraft ergibt zusammen mit dem Haftreibungsfaktor zwischen Magnetpol und Coil die Haltekraft des Lasthebemagneten in Richtung der Coilachse.
 
Meßverfahren für die Magnetkraft

Die Magnetkraft steht senkrecht zur Lastoberfläche. Der Betrag der Magnetkraft an einem Oberflächenelement der Last ist in Tafel 1 genannt. Diese Kraft steigt mit dem Quadrat des magnetischen Flusses oder der magnetischen Induktion an. Daher ist eine hohe magnetische Induktion von Bedeutung. Die größten Werte der Induktion, die in der Elektrotechnik verwendet werden, liegen bei 20000 Gauß. Höhere Werte sind im Magnetbau praktisch nicht erreichbar wegen der magnetischen Sättigung des Eisens. Der größte Wert einer mit Magnetkraft erreichbaren mechanischen Spannung liegt dabei bei 1.6 N/mm². Dieser Wert kann wie folgt anschaulich dargestellt werden. Ein Stab aus ferromagnetischem Eisen mit einer bestimmten Länge und mit einem konstanten Querschnitt hänge derart an einem Magneten, daß in der gesamten Querschnittsfläche eine Induktion von 20000 Gauß sei. Ein Stab von 20 m Länge würde gerade noch gehalten. Vergleicht man diesen Fall mit einem Coil mit senkrechter Wickelachse am Magneten, dann entspricht die Stablänge der Breite des Coils. Die Breite des Coils ist nur rund 10% der genannten Stablänge; ein magnetisches Tragen von Coils ist also möglich. Der verbleibende Spielraum wird jedoch bei der Konstruktion des Magneten benötigt: Das Coil wird nicht vollständig mit Magnetpolen bedeckt, die Induktion ist meistens kleiner als 20 000 Gauß und ein Sicherheitsfaktor muß eingehalten werden. Die entwickelte Methode zur Messung der Magnetkraft beruht auf der Messung des magnetischen Flusses. Mit diesem erhält man mit der in Tafel 1 genannten Gleichung die magnetische Kraft. Der magnetische Fluß wird mit der stromdurchflossenen elektrischen Wicklung erzeugt. Er kann mit der in Tafel 1 genannten Gleichung annähernd berechnet werden. Der Index i steht für Schenkel, Joch, Pol, Luftspalt und Coil. Ein hoher Fluß ist hauptsächlich durch eine hohe Durchflutung zu erreichen. Der magnetische Widerstand von Luft ist wesentlich größer als von Stahl; daher ist die Luftspalte möglichst klein zu halten. Bei gegebener Durchflutung gibt es eine optimale Polquerschnittsfläche, die eine maximale Magnetkraft ergibt. Einerseits steigt die Magnetkraft mit kleinerer Polfläche an; andererseits steigt der magnetische Widerstand mit kleinerer Polfläche an, der magnetische Fluß wird kleiner und die Magnetkraft sinkt. Bei der Entwicklung des Magneten muß also die optimale Polfläche ermittelt werden. Die Messung der magnetischen Kraft wird auf die Messung des magnetischen Flusses zurückgeführt. Dieser wird nach dem Induktionsprinzip gemessen. In den Polflächen sind Meßschleifen untergebracht. Beim Ein- und Ausschalten des Magneten werden in den Meßschleifen elektrische Spannungen induziert. Durch Integration dieser Spannungen über die Zeit erhält man die magnetischen Flüsse durch diese Schleifen und daraus die Magnetkraft.

 

Tafel 1. Gleichungen

Bild 3a zeigt einen Meßschrieb von der Messung der Magnetkraft. Ein Coil mit senkrechter Wickelachse steht auf dem Hüttenflur. Der Magnet wird stromlos auf dem Coil positioniert. Der Strom wird ein- und ausgeschaltet. Gemessen werden der Strom und die induzierte Spannung an der Meßschleife. Der Strom wird in Bild 3a auf der X-Achse geschrieben; die über die Zeit integrierte Meßspannung ist auf der Y-Achse aufgetragen. Der maximale Y-Wert ist der gesuchte magnetische Fluß. Aus diesem wird nach der in Tafel 1 genannten Gleichung die Magnetkraft berechnet. Die Kurve in Bild 3a flacht ab, da sich der Magnet im Bereich der Sättigung befindet. Der Knick in der Kurve entsteht durch die Umschaltung von Stoß- auf Nennerregung. Dieser XY-Meßschrieb ist die Magnetisierungskennlinie des Magneten mit Last und gibt weitere wertvolle Hinweise auf z. B. Restmagnetisierung und Hysterese.
 

a) Coil steht auf Hüttenflur, Strom wird ein- und ausgeschaltet
b) Vergleichsmessung: Strom wird eingeschaltet, das Coil etwas angehoben und der Strom dann ausgeschaltet

Bild 3. XY-Meßschriebe für die Messung der Magnetkraft

x-achse: Strom in der Wicklung

y-Achse: magnetischer Fluß, gemessen mit Meßschleife und Integrator

Durch eine einfache Vergleichsmessung konnte die Richtigkeit des Meßverfahrens nachgewiesen werden, Bild 3b. Als Vergleichskraft wurde das Coilgewicht verwendet. Der Versuch war ähnlich wie zu Bild 3a. Nachdem der Strom jedoch seinen Endwert erreicht hatte, wurde das Coil einige Zentimeter über den Hüttenflur angehoben, der Strom wurde unterbrochen und das Coil fiel ab. Das Abfallen des Coils ist in Bild 3b ersichtlich. Der Strom fällt beim Ausschalten nicht kontinuierlich ab: er steigt kurzzeitig an, da der magnetische Fluß durch das Abfallen plötzlich verkleinert wird. Dadurch wird eine Spannung in der Wicklung des Magneten erzeugt, die den Strom aufrecht erhält. Aus Bild 3b läßt sich auf der Y-Achse der magnetische Fluß zu Beginn des Lastabfalls ablesen. Daraus wird die magnetische Kraft zu Beginn des Lastabfalls berechnet. Diese stimmt genau mit dem Gewicht des Coils überein. Dies ist der Beweis, daß das neue Meßverfahren richtig arbeitet.
 
Überwachung des Anschlagens. Für einen sicheren Transport der Coils muß der Lasthebemagnet ordnungsgemäß auf dem Coil positioniert werden, damit die Last gleichmäßig auf sämtliche Magnetpole aufgeteilt wird und der Schwerpunkt des Coils unter dem Kranhaken liegt. Dieses Positionieren könnte mit Hilfe des beschriebenen Meßverfahrens für die Magnetkraft betrieblich überwacht werden. Dazu müßten in den Magnetpolen Meßschleifen in Nuten untergebracht werden. Diese Meßspannungen können durch geeignete Schaltung der Meßschleifen miteinander verglichen werden. Die Vergleichsspannung ist die Beurteilungsgröße für die Positionierung. An dem Coilmagneten war eine solche Überwachung nicht erforderlich, da Hebeversuche mit außermittigem Positionieren ein sicheres Tragen ergaben.
 
Ausblick. Der Krantransport von Blöcken, Brammen, Knüppeln und Coils mit Lasthebemagneten hat im Vergleich zu Transporten mit Zangen oder Haken Vorteile wie großflächigen Lastangriff und dadurch keine Lastbeschädigung, dichtere Belegung des Lagers, keinen Verschleiß, größere Wirtschaftlichkeit und größere Arbeitssicherheit. Da in vielen Fällen solche Lasthebemagnete Sonderentwicklungen sind, ist der Nachweis der Tragfähigkeit mit Hilfe einer Messung der Magnetkraft - wie vorgestellt - eine wesentliche Voraussetzung für den umfassenden Einsatz dieser Transportlösung. Zur Automatisierung des Transports mit Lasthebemagneten ist eine Überwachung der Positionierung des Magneten auf der Last notwendig. Ein Lösungsansatz für diese Überwachung liegt nun vor und muß für den betrieblichen Einsatz realisiert werden.