Guía de ingeniería de aplicaciones de Korea Ever-Power
Tornillo sin fin y rueda helicoidal para laminación y procesamiento en acerías.
Una losa de acero de 25 toneladas a 1150 grados Celsius se desplaza sobre una mesa con 120 rodillos motorizados. Cada rodillo, accionado por un par de engranajes helicoidales, absorbe el calor radiante de la losa incandescente situada a 300 mm de altura, desvía la cascarilla de óxido de hierro que cae de su superficie y resiste el agua desincrustante a alta presión, pulverizada a 180 bares. El propio producto constituye el entorno hostil, y pasa por él cada 90 segundos.
Las acerías utilizan pares de engranajes helicoidales para accionamientos de mesas de rodillos, accionamientos de mandriles de bobinadoras, transferencias de lechos de enfriamiento y mecanismos de apriete de la separación de rodillos, todos los cuales operan cerca del producto de acero a temperaturas de 200 a 1200 grados Celsius. La matriz de procesamiento de acero a alta temperatura clasifica los accionamientos según la zona de temperatura del producto al que sirven (caliente, templada, fría) y relaciona cada zona con la temperatura ambiente en el accionamiento, el método de enfriamiento requerido, la protección del sello contra la cascarilla de óxido de hierro y la especificación del material. A diferencia de las aplicaciones de panadería o cemento, donde la fuente de calor es estática (horno, horno de calcinación), el calor en las acerías es transitorio: una losa a 1150 grados pasa sobre un accionamiento de mesa de rodillos durante 2 a 5 segundos por pasada, creando ciclos de choque térmico que las especificaciones estándar de engranajes helicoidales de exposición continua no capturan. La cascarilla (partículas de óxido de hierro Fe₃O₄ a más de 800 grados) que se desprende del producto es a la vez un abrasivo de alta temperatura y un contaminante químico, lo que requiere laberintos blindados que ninguna otra protección contra el polvo de la industria puede igualar.
Donde las acerías utilizan transmisiones de engranajes helicoidales
Un tren de laminación de acero contiene cientos de rodillos accionados individualmente que transportan y posicionan el acero caliente entre los soportes de laminación, a través de las estaciones de desincrustación, sobre las camas de enfriamiento y en las bobinadoras. Cada rodillo requiere un engranaje helicoidal que convierte la velocidad del motor (normalmente 1450 RPM) en velocidad del rodillo (de 10 a 200 RPM, según la sección del tren). Los pares de engranajes helicoidales cumplen esta función de reducción de velocidad en las mesas de laminación, las mesas de salida, los accionamientos de los rastrillos de las camas de enfriamiento y los mecanismos de tornillo, donde la orientación del motor a 90 grados se ajusta al reducido espacio entre rodillos (de 300 a 600 mm entre centros de rodillos).
Los accionamientos principales de los rodillos utilizan reductores helicoidales o planetarios de alta potencia en lugar de engranajes helicoidales, debido a la extrema potencia de estos últimos (de 500 a 5000 kW), que resulta demasiado grande para los engranajes helicoidales. Sin embargo, los 50 a 200 accionamientos individuales de engranajes helicoidales por molino en las mesas de rodillos y el equipo auxiliar representan un número total de unidades mayor que cualquier otra aplicación individual en esta serie de 30 artículos.
Matriz de procesamiento de acero a alta temperatura: zona de producto para definir la especificación
La diferencia fundamental entre el calor generado en las acerías y otras aplicaciones de alta temperatura (panaderías A14, plantas de cemento A25) radica en que el calor de las acerías se transmite por el producto y es transitorio. Una plancha a 1150 grados pasa sobre un par de engranajes helicoidales de una mesa de rodillos durante 2 a 5 segundos, y la siguiente plancha llega entre 60 y 120 segundos después. La temperatura de la carcasa de transmisión oscila con cada pasada de la plancha, aumentando de 5 a 15 grados Celsius por pasada y enfriándose entre pasadas. Este ciclo térmico es mucho más perjudicial para los sellos y el aceite de los engranajes helicoidales que la temperatura elevada constante que se produce en panaderías o plantas de cemento.
La matriz revela una diferencia de costo de 3 a 5 veces entre las especificaciones para zonas frías y calientes, impulsada principalmente por el sistema de enfriamiento (la camisa de agua o la circulación de aceite añaden de 1500 a 4000 USD por accionamiento) y la protección contra incrustaciones (el anillo de lavado de agua añade de 200 a 500 USD en comparación con un laberinto simple). Un molino con 120 accionamientos de mesa de rodillos puede tener 30 en la zona caliente, 40 en la zona templada y 50 en la zona fría; especificar los 120 accionamientos de engranajes helicoidales a nivel de zona caliente supone un desperdicio de aproximadamente 120 000 USD en equipos de enfriamiento innecesarios para los accionamientos de la zona fría.
Incrustaciones de óxido de hierro y agua desincrustante a alta presión
La escala como contaminante singular. Cuando el acero caliente entra en contacto con el aire, su superficie se oxida formando una capa de óxido de hierro (Fe₃O₄), una capa dura y quebradiza que se desprende de la superficie del acero al pasar por el laminador. Estas escamas, de entre 2 y 10 mm de tamaño, caen del producto a temperaturas de entre 600 y 1000 grados Celsius sobre los mecanismos de accionamiento de la mesa de rodillos. Esta capa caliente actúa simultáneamente como proyectil a alta temperatura (puede fundir juntas de goma estándar al contacto), como abrasivo de molienda (con una dureza de 6 en la escala de Mohs, mayor que la del polvo de cemento) y como contaminante químico (se disuelve en el agua de refrigeración formando una suspensión ácida de hidróxido de hierro con un pH de entre 3 y 5). Ninguna otra industria produce un contaminante que combine estos tres mecanismos de daño.
Protección contra la acumulación de incrustaciones en las carcasas de los engranajes helicoidales. Los accionamientos en zonas calientes requieren un escudo deflector de incrustaciones de acero situado sobre la carcasa, que intercepta las incrustaciones antes de que entren en contacto con los sellos. El escudo debe ser reemplazable (ya que se erosiona por el impacto repetido de las incrustaciones calientes) y estar inclinado para desviar las incrustaciones lejos del punto de entrada del eje. Detrás del escudo, un anillo de lavado con agua elimina continuamente las partículas de incrustaciones del sello laberíntico, evitando su acumulación y la consiguiente abrasión de las superficies de contacto del sello.
Interacción del agua descalcificada. Los chorros desincrustantes a alta presión (de 150 a 200 bar) eliminan la cascarilla de la superficie del acero antes del laminado, generando una niebla de agua caliente, vapor y partículas de cascarilla fragmentadas que envuelve los mecanismos de accionamiento de la mesa de laminación. La carcasa del par de engranajes helicoidales debe resistir este entorno de forma continua; los sistemas de pintura estándar fallan en un plazo de 6 a 12 meses. Las carcasas para zonas calientes utilizan hierro fundido desnudo o un recubrimiento metalizado de zinc (sin pintura, ya que la pintura se descascara con los ciclos térmicos) con un margen de corrosión sacrificial incorporado en el espesor de la pared.
Una laminadora coreana de tiras en caliente, con una producción de 3 millones de toneladas anuales, especificó pares de engranajes helicoidales para 80 accionamientos de rodillos de mesa de salida entre el soporte de acabado y la bobinadora. La mesa de salida abastecía la zona caliente (temperatura del producto de 600 a 850 grados Celsius a la salida del soporte de acabado, enfriándose a 500 a 650 grados en la bobinadora). Temperatura ambiente del accionamiento: de 80 a 110 grados Celsius. La especificación original utilizaba aceite mineral EP (ISO VG 320, con una clasificación de hasta 90 grados Celsius) con sellos labiales FKM estándar y sin protección contra incrustaciones, la opción más competitiva en costos a 420 USD por accionamiento. En 18 meses, 22 de los 80 accionamientos habían fallado: el aceite mineral se había oxidado en el entorno de ciclos térmicos, los sellos labiales se habían erosionado por partículas de incrustaciones y la suspensión de incrustaciones había entrado en las carcasas. La especificación de reemplazo agregó escudos deflectores de incrustaciones (180 USD cada uno), anillos de lavado de agua (250 USD cada uno), sellos de laberinto (reemplazando sellos de labio, agregar 85 USD cada uno) y aceite sintético PAG (agregar 45 USD por llenado). Actualización total por unidad: 560 USD, lo que eleva el costo por unidad de 420 USD a 980 USD. Inspección posterior a la actualización en el año 3: cero fallas en las 80 unidades. La actualización de 560 USD en 80 unidades (44,800 USD en total) evitó las 22 fallas prematuras que habían costado aproximadamente 35,000 USD en unidades de reemplazo más 180,000 USD en retrasos de producción por paradas de la sección de la mesa de rodillos. Lección: la especificación de zona térmica mínima de la matriz de procesamiento debe incluir protección contra incrustaciones; seleccionar el aceite y la refrigeración correctos sin abordar la vía de entrada de incrustaciones produce la misma tasa de fallas que especificar insuficientemente la gestión térmica por sí sola.
Casos de especificación de tres pares de engranajes helicoidales para molinos de acero
Caso 1 — Laminador coreano de banda caliente: 80 accionamientos de mesa de salida, zona caliente, protección contra incrustaciones.
Un laminador coreano de tiras en caliente (ver nota del departamento de ingeniería más arriba) especificó 80 pares de engranajes helicoidales para la mesa de salida entre el soporte de acabado y la bobinadora. Velocidad del rodillo: de 60 a 180 RPM (variable con la velocidad de la tira). Motor: 5,5 kW, 1450 RPM. Relación: 10:1 (2 arranques: no se necesita autobloqueo en las mesas de rodillos; los rodillos giran libremente cuando el motor se detiene). Par de salida: 120 N·m por rodillo. Especificación corregida: 2 arranques, módulo 3, distancia entre centros de 80 mm. Material: tornillo sin fin de acero aleado endurecido, rueda de bronce fosforoso. Protector de incrustaciones + anillo de lavado de agua + sello de laberinto. Aceite: sintético PAG ISO VG 320, circulación de aceite con enfriador externo compartido entre grupos de 10 accionamientos. Costo por accionamiento (completo con protección): 980 USD. Total para 80 accionamientos: 78 400 USD. La fábrica producía fleje a 90 USD por tonelada al por mayor; cada hora de inactividad de la mesa de salida suponía una pérdida de producción de aproximadamente 27.000 USD.
Caso 2 — Laminador de alambrón japonés: accionamiento del mandril del enrollador, zona caliente, carcasa refrigerada por agua
Una fábrica japonesa de alambrón especificó pares de engranajes helicoidales para 4 accionamientos de mandril de bobinadora. La bobinadora enrollaba alambrón caliente (de 5,5 a 16 mm de diámetro) en bobinas a la salida del bloque de acabado. Temperatura del alambre en la bobinadora: de 900 a 1050 grados Celsius. El accionamiento del mandril se ubicaba directamente debajo del punto de bobinado; la temperatura ambiente medida era de 160 a 190 grados Celsius durante el bobinado (el entorno de par de engranajes helicoidales más caliente en esta serie de 30 artículos). Par de engranajes helicoidales: arranque simple (autobloqueo necesario para mantener la tensión de la bobina durante el bobinado), módulo 5, distancia entre centros 125 mm, relación 30:1. Par de salida: 650 N·m (tensión del alambre × radio del mandril). Refrigeración: carcasa con camisa de agua con circulación continua de agua de refrigeración (la carcasa se mantiene a 85 grados Celsius a pesar de una temperatura ambiente de 180 grados). Aceite: perfluoroéter PFPE (clasificado hasta 250 grados Celsius, lo que proporciona un margen extremo para cualquier interrupción del sistema de refrigeración). Protección contra incrustaciones: cubierta de acero completa que encierra el mecanismo con cortina de agua en la abertura de la cubierta. Costo por par de engranajes helicoidales con camisa de agua: 4200 USD. Llenado de aceite PFPE: 380 USD. Ver reductor de engranajes helicoidales industriales Opciones para aplicaciones de mesas de rodillos y bobinadoras en acerías.
Caso 3 — Molino de barras de refuerzo vietnamita: accionamiento del rastrillo de la bancada de enfriamiento, zona fría, especificación estándar
Una laminadora de barras de refuerzo vietnamita especificó pares de engranajes helicoidales para 8 accionamientos de rastrillos de la bancada de enfriamiento. La bancada de enfriamiento recibía barras de refuerzo terminadas a 600 a 800 grados Celsius y las transfería lateralmente a través de la bancada mediante rastrillos alternativos hasta que las barras de refuerzo se enfriaban a menos de 100 grados Celsius para su empaquetado. Los accionamientos de los rastrillos estaban ubicados debajo de la rejilla de la bancada de enfriamiento, recibiendo calor radiante residual pero sin contacto directo con el producto. Temperatura ambiente en el accionamiento del rastrillo: 45 a 65 grados Celsius (zona fría: las barras de refuerzo se habían enfriado a través de la zona cálida antes de llegar a la posición del rastrillo). Par de engranajes helicoidales: arranque simple, módulo 4, distancia entre centros 100 mm, relación 40:1. Par de salida: 800 N·m (masa del rastrillo × fricción). Enfriamiento: convección natural (adecuado a 65 grados Celsius ambiente). Protección contra incrustaciones: sello de laberinto con purga de aire (las partículas de incrustaciones sueltas caen a través de la rejilla de la bancada de enfriamiento sobre los accionamientos). Aceite: mineral EP ISO VG 320. Costo por par: 480 USD. Total para 8 accionamientos: 3840 USD. Este caso demuestra que no todos los accionamientos de acerías requieren especificación para zonas calientes; la zona fría del lecho de enfriamiento opera en condiciones comparables a los entornos industriales estándar, con la ventaja adicional de la protección contra la incrustación.
Preguntas frecuentes
P: ¿Por qué los sistemas de accionamiento de las mesas de rodillos de las acerías utilizan pares de engranajes helicoidales de dos entradas?
Los accionamientos de mesa de rodillos no necesitan autobloqueo porque los rodillos pueden girar libremente de forma segura cuando el motor se detiene; la losa de acero caliente se desliza sobre los rodillos en movimiento libre sin sufrir daños. La especificación de 2 arranques aumenta la eficiencia del 40-48 % (arranque simple) al 65-72 % (2 arranques), lo que reduce el calor del motor y prolonga la vida útil del aceite en un entorno ya de por sí caliente. En 80 a 120 accionamientos de mesa de rodillos por planta, la ganancia de eficiencia ahorra de 50 a 150 kW de potencia total, lo que supone una reducción significativa de los costes operativos con más de 6000 horas al año. La excepción: los accionamientos del mandril de la bobinadora y los mecanismos de apriete por tornillo deben ser de arranque simple para el bloqueo automático de la tensión y la posición, respectivamente.
P: ¿En qué se diferencia el ciclo de choque térmico de la temperatura alta en estado estacionario?
Las altas temperaturas constantes (panadería, cemento) permiten que todo el conjunto del engranaje helicoidal alcance el equilibrio térmico: todos los componentes se expanden uniformemente. Los ciclos de choque térmico (paso de losas en la acería) calientan rápidamente la superficie superior de la carcasa mientras que la inferior permanece más fría, creando un gradiente de temperatura dentro de la carcasa que produce una expansión térmica diferencial. Esta expansión diferencial somete las superficies de contacto del sello a tensiones diferentes en cada ciclo (el lado caliente se expande y comprime el sello, mientras que el lado frío permanece estático). Tras miles de pasadas de losas al día, la compresión cíclica del sello produce una fatiga acelerada en los materiales de sellos de caucho estándar, razón por la cual los sellos de par de engranajes helicoidales de la acería son de tipo laberinto (sin contacto, sin fatiga) en lugar de sellos labiales (con contacto, propensos a la fatiga).
P: ¿Se pueden prevenir los daños causados por la acumulación de sarro sin un anillo de enjuague con agua?
En las zonas cálidas y frías, la purga con aire comprimido (de 0,3 a 0,5 bar) suele ser suficiente para evitar la acumulación de incrustaciones en el sello del laberinto. En la zona caliente, la purga con aire por sí sola es insuficiente, ya que las partículas de incrustaciones calientes (de 600 a 1000 grados Celsius) pueden fundirse en los conductos del laberinto y solidificarse formando una costra dura que obstruye el flujo de aire. El anillo de lavado con agua enfría las partículas de incrustaciones por debajo de su punto de reblandecimiento y las elimina antes de que se acumulen. El caudal de agua es bajo (de 2 a 5 litros por minuto por ciclo) y el agua drena a través de los mismos canales de recogida de incrustaciones situados debajo de la mesa de rodillos.
P: ¿Cuál es el intervalo de cambio de aceite que se aplica a los engranajes helicoidales de las acerías?
Zona caliente: cada 3 a 6 meses (el ciclo térmico acelera la oxidación del aceite a pesar del aceite sintético). Zona templada: cada 6 a 12 meses. Zona fría: cada 12 a 18 meses. Estos intervalos presuponen un control mediante análisis de aceite: cámbielo inmediatamente si el índice de acidez supera los 2,0 mgKOH/g, el contenido de agua supera el 0,5 por ciento (debido a la entrada de agua de desincrustación) o el contenido de hierro supera las 100 ppm (lo que indica contaminación por incrustaciones o desgaste acelerado de los engranajes). Las acerías con sistemas centralizados de circulación de aceite para engranajes helicoidales (un enfriador que da servicio a entre 10 y 20 accionamientos) pueden extender los intervalos entre un 30 y un 50 por ciento porque el gran volumen de aceite diluye los contaminantes más lentamente.
P: ¿Cuál es la vida útil típica de un par de engranajes helicoidales de una acería?
Con la especificación correcta de la zona de temperatura y la protección contra incrustaciones: zona caliente de 3 a 5 años, zona templada de 5 a 8 años, zona fría de 8 a 12 años. Vida útil del tornillo sin fin de acero: de 6 a 15 años en todas las zonas (el tornillo sin fin es más duro y resistente a la corrosión que la rueda de bronce). El factor limitante de la vida útil en los engranajes de tornillo sin fin de zona caliente es la fatiga por ciclos térmicos de la rueda de bronce: el calentamiento y enfriamiento repetidos producen microfisuras en los flancos de los dientes después de 15 000 a 30 000 ciclos térmicos. En las zonas templada y fría, el límite es el desgaste abrasivo provocado por la contaminación por incrustaciones, que se controla mediante el mantenimiento del sello de laberinto y el anillo de lavado.
Los engranajes helicoidales de las acerías se enfrentan a la combinación más extrema de choque térmico, contaminación abrasiva y exposición química en cualquier aplicación industrial. La matriz de procesamiento a alta temperatura mapea las zonas de temperatura del producto (caliente, templada, fría) con el ambiente en el accionamiento, el método de enfriamiento, la protección contra incrustaciones y la especificación del lubricante, lo que permite una optimización por zona que evita tanto la especificación insuficiente (fallo prematuro en la zona caliente) como la especificación excesiva (costo innecesario en la zona fría). Las incrustaciones, el contaminante único de las acerías, requieren laberintos protegidos con lavado de agua en la zona caliente que ninguna otra protección contra polvo o partículas de la industria puede sustituir. El choque térmico transitorio provocado por el paso del producto caliente genera fatiga en los sellos que las especificaciones de temperatura en estado estacionario no abordan; los sellos de laberinto reemplazan a los sellos labiales como configuración obligatoria de engranajes helicoidales para todas las instalaciones de engranajes helicoidales en acerías.
Para proveedores de equipos para acerías e ingenieros de planta, nuestro departamento de ingeniería clasifica la zona de temperatura del producto y recomienda la especificación completa del accionamiento. Catálogo estándar juegos de engranajes helicoidales de alta resistencia Cubrimos tamaños de acerías desde 63 hasta 200 mm de distancia entre centros con opciones de protección contra incrustaciones. Enviar una Especificación de accionamiento de la acería con la temperatura del producto, la sección del molino, la posición de accionamiento y el nivel de exposición a la incrustación.
¿Cómo especificar pares de engranajes helicoidales para mesas de rodillos de acerías o equipos de procesamiento?
Indíquenos la temperatura del producto, la sección del molino, el número de accionamientos, el rango de velocidad de los rodillos y el nivel de exposición a la cascarilla. Clasificaremos la zona de temperatura y recomendaremos el sistema de refrigeración, sellado y protección contra la cascarilla más adecuado para cada posición del accionamiento.
Solicitar especificaciones para el accionamiento de la acería →
Editor: Cxm
