Korea Ever-Power · Průvodce aplikačním inženýrstvím
Šnek a šnekové kolo pro válcování a zpracování oceli
Ocelová deska o hmotnosti 25 tun o teplotě 1 150 stupňů Celsia se valí po stole se 120 poháněnými válci. Každý pohon válců – šnekový soukolí – absorbuje sálavé teplo z žhavé desky 300 mm nad ní, odráží déšť oxidu železitého dopadajícího z povrchu desky a odolává vysokotlaké odváděcí vodě stříkané o tlaku 180 barů. Nepřátelským prostředím je samotný produkt – a ten jím prochází každých 90 sekund.
Ocelárny používají šnekové převody pro pohony válečkových stolů, pohony trnů navíječek, přenosy chladicího lože a šroubovací mechanismy válcovací mezery – všechny tyto mechanismy pracují v blízkosti ocelového výrobku o teplotě 200 až 1 200 stupňů Celsia. Matice pro vysokoteplotní zpracování oceli klasifikuje pohony podle teplotní zóny výrobku, kterou obsluhují (horká, teplá, studená) a mapuje každou zónu na okolní teplotu v místě pohonu, požadovaný způsob chlazení, ochranu těsnění proti usazování oxidů železa a specifikaci materiálu. Na rozdíl od pekařských nebo cementářských aplikací, kde je zdroj tepla statický (pec, pec), je teplo v ocelárně přechodné – brama o teplotě 1 150 stupňů prochází přes pohon válečkového stolu po dobu 2 až 5 sekund na průchod, což vytváří cykly tepelných šoků, které standardní specifikace šnekových převodů s kontinuální expozicí nezachycují. Okuj (vločky oxidu železa Fe₃O₄ o teplotě přes 800 stupňů) padající z výrobku je zároveň vysokoteplotním abrazivem a chemickým kontaminantem – což vyžaduje stíněné labyrinty, kterým se žádná jiná průmyslová odvětví nemůže rovnat v oblasti ochrany proti prachu.
Kde ocelárny používají šnekové převody
Válcovací stolice oceli obsahuje stovky jednotlivě poháněných válců, které přepravují a umisťují horkou ocel mezi válcovacími stolicemi, přes odokující stanice, přes chladicí lože a do navíječek. Každý válec vyžaduje šnekový převod, který převádí otáčky motoru (obvykle 1 450 ot./min) na otáčky válců (10 až 200 ot./min v závislosti na sekci válcovny). Šnekové převody slouží k této funkci snižování otáček na válečkových stolech, výběhových stolech, pohonech hřebenů chladicích lož a šroubovacích mechanismech, kde 90stupňová orientace motoru odpovídá úzké rozteči válců (300 až 600 mm mezi středy válců).
Hlavní pohony válcovacích stolic používají vysoce výkonné spirálové nebo planetové převodovky namísto šnekových soukolí, a to z důvodu extrémně výkonných spirálových nebo planetových převodovek (500 až 5 000 kW) – které jsou pro šneková soukolí příliš velké. 50 až 200 jednotlivých pohonů šnekových soukolí na válcovací stolici na válečkových stolech a pomocných zařízeních však představuje větší celkový počet jednotek než kterákoli jiná jednotlivá aplikace v této 30článkové sérii.
Matice pro zpracování vysokoteplotní oceli – produktová zóna pro specifikaci pohonu
Zásadní rozdíl mezi teplem z ocelárny a jinými vysokoteplotními aplikacemi (pekárny A14, cementárny A25) spočívá v tom, že teplo z ocelárny je přenášeno produktem a je přechodné. Brama o teplotě 1 150 stupňů prochází přes dvojici šnekových kol válečkového stolu po dobu 2 až 5 sekund a další brama dorazí o 60 až 120 sekund později. Teplota skříně pohonu osciluje s každým průchodem bramy – stoupá o 5 až 15 stupňů Celsia na průchod a poté se mezi průchody ochlazuje. Toto tepelné cyklování je mnohem škodlivější pro těsnění šnekových kol a olej než ustálená zvýšená teplota v pekárnách nebo cementárnách.
Matice odhaluje 3 až 5násobný rozdíl v nákladech mezi specifikací pro studenou a horkou zónu – primárně kvůli chladicímu systému (vodní plášť nebo cirkulace oleje přidává 1 500 až 4 000 USD na pohon) a ochraně proti vodnímu kameni (prstenc s vodním proplachem přidává 200 až 500 USD oproti jednoduchému labyrintu). Mlýn se 120 pohony válečkových stolů může mít 30 v horké zóně, 40 v teplé zóně a 50 ve studené zóně – specifikace všech 120 šnekových převodů na úrovni horké zóny znamená plýtvání přibližně 120 000 USD na zbytečné chladicí zařízení na pohonech studené zóny.
Oxid železa a odvápňovací voda pod vysokým tlakem
Vodní kámen jako unikátní kontaminant. Když se horká ocel dostane do kontaktu se vzduchem, její povrch oxiduje a vytváří oxid železitý (Fe₃O₄) – tvrdou, křehkou vrstvu, která se z povrchu oceli odlupuje při průchodu válcovací stolicí. Vločky o velikosti 2 až 10 mm padají z výrobku při teplotě 600 až 1 000 stupňů Celsia na pohony válečkových stolů pod ním. Tyto horké okuje jsou zároveň vysokoteplotním projektilem (při kontaktu se mohou roztavit skrz standardní pryžová těsnění), brusným abrazivem (Mohsova stupnice 6, tvrdší než cementový prach) a chemickým kontaminantem (rozpouští se v chladicí vodě za vzniku kyselé suspenze hydroxidu železitého při pH 3 až 5). Žádné jiné průmyslové odvětví neprodukuje kontaminant, který by kombinoval všechny tři mechanismy poškození.
Ochrana proti vodnímu kameni pro skříně šnekových převodů. Pohony s horkou zónou vyžadují ocelový deflektor vodního kamene umístěný nad pouzdrem, který zachycuje padající vodní kámen před jeho kontaktem s těsněními. Kryt musí být vyměnitelný (opakovaným nárazem horkých vodních kámen se eroduje) a musí být natočen tak, aby odkláněl vodní kámen od vstupního bodu hřídele. Za krytem je umístěn vodní proplachovací kroužek, který nepřetržitě odplavuje částice vodního kamene z labyrintového těsnění a zabraňuje jejich hromadění, které by se mohly zarýt do kontaktních ploch těsnění.
Interakce vody při odvápňování. Vysokotlaké odkužovací spreje o tlaku 150 až 200 barů odstraňují okujování z povrchu oceli před válcováním – vytvářejí mlhu horké vody, páry a fragmentovaných částic okujů, která obklopuje pohony válečkových stolů. Skříň šnekového převodu musí tomuto prostředí trvale odolávat – standardní nátěrové systémy selhávají během 6 až 12 měsíců. Skříně v horké zóně používají holou litinu nebo zinek s metalizovaným povlakem (bez barvy – barva se odlupuje v důsledku tepelného cyklování) s obětní korozní rezervou zabudovanou do tloušťky stěny.
Korejská válcovna za tepla s roční produkcí 3 miliony tun specifikovala šneková kola pro 80 pohonů válečků výběžného stolu mezi dokončovací stolicí a navíječkou. Výběžný stůl sloužil teplé zóně (teplota produktu 600 až 850 stupňů Celsia na výstupu z dokončovací stolice, ochlazování na 500 až 650 stupňů Celsia u navíječky). Okolní teplota pohonu: 80 až 110 stupňů Celsia. Původní specifikace používala minerální EP olej (ISO VG 320, dimenzovaný na 90 stupňů Celsia) se standardními břitovými těsněními FKM a bez krytu proti okapům – cenově konkurenceschopná varianta za 420 USD za pohon. Během 18 měsíců selhalo 22 z 80 pohonů – minerální olej oxidoval v prostředí tepelných cyklů, břitová těsnění byla erodována částicemi okapů a do skříní se dostala suspenze okapů. Specifikace náhrady přidala deflektory proti okapům (180 USD za kus), kroužky proplachování vodou (250 USD za kus), labyrintová těsnění (výměna břitových těsnění, příplatek 85 USD za kus) a syntetický olej PAG (příplatek 45 USD za náplň). Celková modernizace na pohon: 560 USD – čímž se náklady na jednotku zvýšily ze 420 USD na 980 USD. Inspekce po modernizaci ve 3. roce: žádné poruchy u všech 80 pohonů. Modernizace za 560 USD u 80 pohonů (celkem 44 800 USD) zabránila 22 předčasným poruchám, které stály přibližně 35 000 USD na náhradní pohony a navíc 180 000 USD na zpoždění výroby v důsledku odstávek sekcí válečkových stolů. Poučení: specifikace minimální tepelné zóny z procesní matice musí zahrnovat ochranu proti okapům – výběr správného oleje a chlazení bez řešení cesty vstupu okapů vede ke stejné míře poruchovosti jako nedostatečná specifikace samotného tepelného managementu.
Tři případy specifikace párů šnekových převodů pro ocelárny
Případ 1 – Korejská válcovna za tepla: 80 pohonů výběhového stolu, teplá zóna, ochrana proti okapům
Korejská traťová trať pro válcování za tepla (viz výše uvedená poznámka k inženýrskému oddělení) specifikovala 80 párů šnekových převodů pro výběhový stůl mezi dokončovací stolicí a navíječkou. Otáčky válců: 60 až 180 ot/min (proměnné s rychlostí pásu). Motor: 5,5 kW, 1 450 ot/min. Převodový poměr: 10:1 (2chodový – samosvorné mechanismus není u válečkových stolů nutný; válce se při zastavení motoru volně otáčí). Výstupní točivý moment: 120 N·m na válec. Opravená specifikace: 2chodový, modul 3, rozteč středů 80 mm. Materiál: kalený šnek z legované oceli, kolo z fosforového bronzu. Ochranný kryt proti okujům + kroužek proplachování vodou + labyrintové těsnění. Olej: syntetický PAG ISO VG 320, cirkulace oleje s externím chladičem sdíleným mezi skupinami 10 pohonů. Cena za pohon (včetně ochrany): 980 USD. Celkem za 80 pohonů: 78 400 USD. Valcovna vyráběla pás za velkoobchodní cenu 90 USD za tunu – každá hodina prostoje výběhového stolu stála přibližně 27 000 USD ve ztracené produkci.
Případ 2 – Japonská traťová trať: pohon trnu navíječky, horká zóna, vodou chlazená skříň
Japonská trať na výrobu drátů specifikovala šnekové převody pro pohony trnů 4 navíječek. Navíječka navíjela horký drát (průměr 5,5 až 16 mm) do cívek na výstupu z dokončovacího bloku. Teplota drátu u navíječky: 900 až 1 050 stupňů Celsia. Pohon trnu se nacházel přímo pod bodem navíjení – okolní teplota měřená během navíjení byla 160 až 190 stupňů Celsia (nejteplejší prostředí šnekového převodu v této sérii 30 článků). Šnekový převod: jednochodý (samostatné svorné zařízení je nutné k udržení napětí cívky během navíjení), modul 5, rozteč 125 mm, poměr 30:1. Výstupní točivý moment: 650 N·m (napětí drátu × poloměr trnu). Chlazení: vodní plášť s nepřetržitou cirkulací chladicí vody (tělo udržováno na 85 stupních Celsia i přes okolní teplotu 180 stupňů Celsia). Olej: perfluoroether PFPE (dimenzionovaný na 250 stupňů Celsia – poskytuje extrémní rezervu pro jakékoli přerušení chladicího systému). Ochrana proti vodnímu kameni: celoocelový kryt obklopující pohon s vodní clonou u otvoru krytu. Cena za pár šnekových kol s vodním pláštěm: 4 200 USD. Olejová náplň PFPE: 380 USD. Procházet průmyslový šnekový reduktor možnosti pro aplikace s válečkovými stoly a navíječkami v ocelárnách.
Případ 3 – Vietnamská válcovna betonářské oceli: pohon hrotů chladicího lože, studená zóna, standardní specifikace
Vietnamská válcovna betonářské oceli specifikovala páry šnekových převodů pro 8 pohonů hrab chladicího lože. Chladicí lože přijímalo hotovou betonářskou ocel při teplotě 600 až 800 stupňů Celsia a pomocí vratných hrabů ji laterálně přenášelo přes lože, dokud se betonářská ocel neochladila pod 100 stupňů Celsia pro svazkování. Pohony hrabů byly umístěny pod roštem chladicího lože – přijímaly zbytkové sálavé teplo, ale nedocházelo k přímému kontaktu s výrobkem. Okolní teplota u pohonu hrabů: 45 až 65 stupňů Celsia (studená zóna – betonářská ocel se ochladila v teplé zóně, než dosáhla polohy hrabů). Šnekový převod: jednochodý, modul 4, rozteč 100 mm, převod 40:1. Výstupní točivý moment: 800 N·m (hmotnost hrabů × tření). Chlazení: přirozená konvekce (dostatečné při okolní teplotě 65 stupňů Celsia). Ochrana proti okujům: labyrintové těsnění s proplachováním vzduchem (volné částice okujů padají přes rošt chladicího lože na pohony). Olej: minerální EP ISO VG 320. Cena za pár: 480 USD. Celkem za 8 pohonů: 3 840 USD. Případová studie ukazuje, že ne všechny pohony ocelárny vyžadují specifikaci pro horkou zónu – studená zóna chladicího lože pracuje za podmínek srovnatelných se standardním průmyslovým prostředím s dodatečnou ochranou proti vodnímu kameni.
Často kladené otázky
Otázka: Proč pohony válečkových stolů v ocelárnách používají 2chodové šnekové převody?
Pohony válečkových stolů nepotřebují samosvorné mechanismy, protože válečky se mohou bezpečně volně otáčet, když se motor zastaví – horká ocelová deska se bez poškození pohybuje po volně se otáčejících válečcích. Dvoustopá specifikace zvyšuje účinnost ze 40 na 48 procent (jednostopý režim) na 65 až 72 procent (dvoustopý režim), čímž se snižuje zahřívání motoru a prodlužuje životnost oleje v již tak horkém prostředí. U 80 až 120 pohonů válečkových stolů na válcovnu se díky zvýšení účinnosti ušetří 50 až 150 kW celkového výkonu – což představuje významné snížení provozních nákladů při více než 6 000 hodinách ročně. Výjimka: pohony trnů navíječek a šroubovací mechanismy musí být jednostopé, aby se zajistilo samosvorné udržení napětí a udržení polohy.
Otázka: Jak se liší cyklování tepelného šoku od ustáleného stavu vysoké teploty?
Ustálená vysoká teplota (pekárna, cement) umožňuje, aby celá sestava šnekového převodu dosáhla tepelné rovnováhy – všechny komponenty se rovnoměrně roztahují. Cyklování tepelných šoků (průchod bramy v ocelárně) rychle ohřívá horní povrch skříně, zatímco spodní povrch zůstává chladnější – vytváří tak teplotní gradient uvnitř skříně, který způsobuje rozdílnou tepelnou roztažnost. Tato rozdílná roztažnost namáhá kontaktní plochy těsnění v každém cyklu odlišně (horká strana se roztahuje a stlačuje těsnění, studená strana zůstává statická). Při tisících průchodech bramy denně způsobuje cyklické stlačování těsnění zrychlenou únavu standardních pryžových těsnicích materiálů – proto jsou těsnění párů šnekových převodů v ocelárnách labyrintová (bezkontaktní, bez únavy) spíše než břitová (kontaktní, náchylná k únavě).
Otázka: Lze zabránit poškození vodním kamenem bez proplachovacího kroužku?
V teplých a studených zónách je obvykle dostatečné proplachování stlačeným vzduchem (0,3 až 0,5 baru), aby se zabránilo usazování vodního kamene na labyrintovém těsnění. V horké zóně je samotné proplachování vzduchem nedostatečné, protože horké částice vodního kamene (600 až 1 000 stupňů Celsia) se mohou roztavit v labyrintových průchodech a ztuhnout jako tvrdá krusta, která blokuje proudění vzduchu. Proplachovací kroužek vodou ochlazuje částice vodního kamene pod bod měknutí a odplavuje je dříve, než se mohou hromadit. Průtok vody je nízký – 2 až 5 litrů za minutu na pohon – a voda odtéká stejnými sběrnými kanály pro vodní kámen pod válečkovým stolem.
Otázka: Jaký interval výměny oleje platí pro pohony šnekových převodů oceláren?
Horká zóna: každé 3 až 6 měsíců (termické cyklování urychluje oxidaci oleje i přes syntetický olej). Teplá zóna: každých 6 až 12 měsíců. Studená zóna: každých 12 až 18 měsíců. Tyto intervaly předpokládají monitorování analýzy oleje – okamžitě vyměňte, pokud číslo kyselosti překročí 2,0 mgKOH/g, obsah vody překročí 0,5 procenta (z důvodu vniknutí vody z odvápňování) nebo obsah železa překročí 100 ppm (což naznačuje kontaminaci vodním kamenem nebo zrychlené opotřebení ozubených kol). Ocelárny s centralizovanými systémy cirkulace oleje pro šnekové převody (jeden chladič obsluhující 10 až 20 pohonů) mohou intervaly prodloužit o 30 až 50 procent, protože velký objem oleje ředí kontaminanty pomaleji.
Otázka: Jaká je typická životnost šnekového ozubeného kola v ocelárně?
Při správné specifikaci teplotního pásma a ochraně proti vodnímu kameni: horké pásmo 3 až 5 let, teplé pásmo 5 až 8 let, studené pásmo 8 až 12 let. Životnost ocelového šneku: 6 až 15 let ve všech pásmech (šnek je tvrdší a odolnější vůči korozi než bronzové kolo). Omezujícím faktorem životnosti šnekových převodů v horkých pásmech je tepelně cyklická únava bronzového kola – opakované zahřívání a ochlazování způsobuje mikrotrhliny na bocích zubů po 15 000 až 30 000 tepelných cyklech. V teplých a studených pásmech je limitem abrazivní opotřebení způsobené kontaminací vodním kamenem – řízené údržbou labyrintového těsnění a proplachovacího kroužku.
Šnekové převody v ocelárnách čelí v jakékoli průmyslové aplikaci nejextrémnější kombinaci tepelných šoků, abrazivní kontaminace a chemické expozice. Matice pro vysokoteplotní zpracování mapuje teplotní zóny produktu (horká, teplá, studená) s okolním prostředím v místě pohonu, metodou chlazení, ochranou proti okapům a specifikací maziva – což umožňuje optimalizaci pro každou zónu, která zabraňuje jak podhodnocení (předčasné selhání v horké zóně), tak nadhodnocení (zbytečné náklady ve studené zóně). Okap – jedinečný kontaminant ocelárny – vyžaduje stíněné labyrinty s proplachováním vodou v horké zóně, které žádná jiná ochrana proti prachu nebo částicím v průmyslu nemůže nahradit. Přechodný tepelný šok z procházejícího horkého produktu vytváří únavu těsnění, kterou specifikace pro ustálené teploty neřeší – labyrintová těsnění nahrazují břitová těsnění jako povinná konfigurace šnekového převodu pro všechny instalace šnekových převodů v ocelárnách.
Pro dodavatele zařízení pro ocelárny a inženýry závodů naše technické oddělení klasifikuje teplotní zóny produktu a doporučuje kompletní specifikaci pohonu. Standardní katalog šnekové převodovky pro vysoké zatížení Pokrývá ocelárny o velikosti od 63 do 200 mm osové vzdálenosti s možnostmi ochrany proti okužím. Odešlete specifikace pohonu ocelárny s teplotou produktu, mlecí sekcí, polohou pohonu a úrovní vystavení okujím.
Specifikujete páry šnekových převodů pro válečkové stoly nebo procesní zařízení ocelárny?
Zašlete teplotu produktu, mlecí sekci, počet pohonů, rozsah otáček válců a úroveň vystavení vodnímu kameni. Zařadíme teplotní zónu a doporučíme systém chlazení, těsnění a ochrany proti vodnímu kameni pro každou pozici pohonu.
Střihač: Cxm
