Korea Ever-Power · Guida all'ingegneria applicativa
Vite senza fine e ruota elicoidale per azionamenti di forni per cemento e mulini a sfere
Un azionamento ausiliario del forno di un cementificio opera a 3 metri da un guscio rotante a una temperatura superficiale di 300 gradi Celsius, in un'atmosfera densa di polvere di cemento alcalina a pH 12, assorbendo al contempo i carichi d'urto periodici provenienti da 80 tonnellate di sfere di macinazione in acciaio che cadono a cascata all'interno del mulino a sfere adiacente. Calore, polvere e urti, simultaneamente e continuamente, rendono il cemento l'ambiente fisicamente più ostile per qualsiasi coppia di ingranaggi a vite senza fine in questa serie di 30 articoli.
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Gli impianti di cemento utilizzano coppie di ingranaggi a vite senza fine per gli azionamenti ausiliari (di avvolgimento) del forno, gli azionamenti di avanzamento del mulino a sfere, gli azionamenti delle griglie del raffreddatore del clinker e gli attuatori delle valvole dei filtri a maniche: applicazioni che richiedono una coppia di uscita da 500 a 15.000 N·m a 0,5-10 giri/minuto in un ambiente caratterizzato da carichi termici, abrasivi e d'urto combinati. L'albero decisionale per la gestione termica affronta la duplice sfida termica specifica del cemento: il calore radiante esterno proveniente dai gusci del forno e del raffreddatore del clinker (che innalza la temperatura ambiente da 60 a 150 gradi Celsius) più il calore da attrito interno dovuto all'inefficienza degli ingranaggi, producendo temperature dell'involucro che richiedono un raffreddamento attivo nella maggior parte degli impianti. Quattro strategie di raffreddamento sono mappate in base alla temperatura dell'involucro: convezione naturale al di sotto di 80 gradi, raffreddamento assistito da ventola da 80 a 110 gradi, circolazione dell'olio da 110 a 140 gradi e raffreddamento a camicia d'acqua al di sopra di 140 gradi. La polvere di cemento a pH 12 è sia abrasiva (danneggia le guarnizioni) che alcalina (attacca la gomma standard), pertanto richiede guarnizioni a labirinto a vite senza fine per impieghi gravosi con spurgo d'aria positiva e materiale di tenuta FKM. Il carico d'urto del mulino a sfere a 20-40 Hz supera il normale calcolo del fattore di servizio e richiede fattori di servizio d'impatto specifici da 2,0 a 3,0.
Dove lavorano le coppie di ingranaggi a vite senza fine negli impianti di cemento
I principali azionamenti del forno rotante e del mulino a sfere utilizzano ingranaggi a corona aperta: il diametro delle apparecchiature (da 4 a 6 metri) è troppo grande per coppie di ingranaggi racchiuse. Tuttavia, ogni cementificio dispone di un numero di azionamenti ausiliari compreso tra 15 e 40, dove le coppie di ingranaggi a vite senza fine sono lo standard: azionamenti per la rotazione lenta delle barre del forno durante il riscaldamento e il raffreddamento (impedendo l'abbassamento termico), azionamenti di avanzamento lento del mulino a sfere che posizionano il mulino per l'ispezione del rivestimento, azionamenti per la griglia del raffreddatore del clinker che fanno avanzare le piastre di raffreddamento e attuatori per le valvole dei filtri a maniche che azionano le serrande nel sistema di aspirazione delle polveri.
Questi riduttori ausiliari a vite senza fine condividono tre caratteristiche: bassa velocità di uscita (da 0,5 a 10 giri/min), coppia elevata (da 500 a 15.000 N·m) e l'ambiente estremo di un cementificio (calore, polvere, urti). La coppia di ingranaggi a vite senza fine è in grado di gestire tutte e tre queste condizioni, ma solo se la gestione termica, la protezione dalla polvere e il fattore di servizio per i carichi d'urto sono specificati correttamente.
Albero decisionale per la gestione termica: due fonti di calore richiedono raffreddamento attivo
Le coppie di ingranaggi a vite senza fine degli impianti di cemento si trovano ad affrontare una sfida termica che combina simultaneamente il problema del calore esterno tipico degli azionamenti dei forni da panificazione (articolo A14) con il problema del calore generato dall'attrito tipico degli azionamenti delle scale mobili a funzionamento continuo (articolo A08). La superficie del forno, con temperature comprese tra 250 e 350 gradi Celsius, irradia calore sull'alloggiamento dell'azionamento ausiliario adiacente, innalzando la temperatura ambiente intorno alla coppia di ingranaggi a 60-150 gradi Celsius. Allo stesso tempo, la coppia di ingranaggi a vite senza fine genera internamente calore per attrito a causa dell'inefficienza degli ingranaggi (in genere dal 50 al 60 percento della potenza in ingresso si trasforma in calore). L'alloggiamento deve dissipare entrambe le fonti di calore e l'elevata temperatura ambiente riduce il gradiente termico disponibile per la dissipazione naturale.
Prima la protezione termica, poi il raffreddamento attivo. Prima di specificare il raffreddamento a ventilazione forzata o la circolazione dell'olio, valutare se uno schermo termico radiante tra il guscio del forno e la coppia di ingranaggi a vite senza fine possa ridurre la temperatura ambiente al di sotto dell'intervallo di convezione naturale (inferiore a 80 gradi Celsius). Un riflettore in acciaio inox lucidato costa dai 100 ai 300 dollari e riduce il carico termico radiante dal 70 al 90%, eliminando potenzialmente la necessità di raffreddamento a ventilazione forzata (da 500 a 1.500 dollari) o di circolazione dell'olio (da 3.000 a 8.000 dollari). La strategia di gestione termica più conveniente negli impianti di cemento è: schermare prima, quindi selezionare il metodo di raffreddamento minimo per la temperatura schermata.
Protezione dalla polvere di cemento e carico d'urto del mulino a sfere
La polvere di cemento come contaminante abrasivo. La polvere di forno per cemento (CKD) è una polvere fine con granulometria da 10 a 100 µm e un pH da 11 a 13 (fortemente alcalina). Se la CKD penetra nell'alloggiamento della vite senza fine, agisce come un composto abrasivo, consumando le superfici dei denti e la ruota di bronzo a una velocità di usura da 3 a 10 volte superiore al normale. Le guarnizioni a labbro standard per ingranaggi a vite senza fine non sono in grado di impedire l'ingresso della CKD, poiché le particelle fini penetrano nell'interfaccia tra il labbro di tenuta e l'albero attraverso differenze di pressione statica (respirazione termica). La specifica per le guarnizioni per cemento richiede una guarnizione a labirinto (senza contatto, senza usura del labbro) e un'immissione di aria compressa (aria compressa da 0,1 a 0,5 bar soffiata verso l'esterno attraverso il labirinto, impedendo fisicamente l'ingresso della polvere). Il materiale di tenuta FKM è obbligatorio: il nitrile e l'EPDM standard si degradano nell'atmosfera alcalina del cemento entro 12-18 mesi.
Carico d'urto del mulino a sfere. I mulini a sfere contengono da 30 a 100 tonnellate di sfere di macinazione in acciaio (diametro da 25 a 90 mm) che si muovono a cascata all'interno del tamburo rotante. Gli impatti delle sfere producono carichi d'urto a una frequenza compresa tra 20 e 40 Hz che si trasmettono attraverso il guscio del mulino, le fondamenta e le strutture adiacenti fino alle coppie di ingranaggi a vite senza fine montate nelle vicinanze. I calcoli standard del fattore di servizio (SF da 1,0 a 1,5) non tengono conto di questo urto trasmesso. Le coppie di ingranaggi a vite senza fine degli impianti di cemento situati vicino ai mulini a sfere richiedono un fattore di servizio d'urto da 2,0 a 3,0, il che significa che la coppia deve essere dimensionata per 2 o 3 volte la coppia stazionaria calcolata. Un azionamento per barre di forno a 3.000 N·m di coppia stazionaria con SF 2,5 deve essere dimensionato per 7.500 N·m, il che in genere richiede una dimensione del telaio di 1 o 2 taglie superiore a quella indicata dalla sola coppia stazionaria.
Un cementificio coreano ha installato un nuovo sistema di azionamento ausiliario per la sgranatura del forno con una coppia di ingranaggi a vite senza fine da 5.000 N·m, corrispondente alla coppia di sgranatura calcolata di 4.200 N·m con un fattore di servizio standard di 1,2. Il sistema di azionamento era posizionato a 2,5 metri dal guscio del forno (temperatura superficiale di 280 gradi Celsius) senza uno schermo termico. La temperatura dell'alloggiamento misurata era di 115 gradi Celsius dopo 4 ore di funzionamento. L'olio minerale standard (con temperatura nominale di 90 gradi Celsius) ha iniziato a fluidificarsi e ossidarsi. Entro 6 mesi, il numero di acidità dell'olio ha superato il limite di non conformità, la ruota in bronzo ha mostrato un'usura accelerata e il gioco era aumentato da 8 minuti d'arco a 22 minuti d'arco. Il team di manutenzione dell'impianto ha installato uno schermo termico in acciaio inossidabile (260 USD) riducendo la temperatura dell'alloggiamento a 82 gradi Celsius, ha sostituito l'olio con olio sintetico PAG (con temperatura nominale di 120 gradi Celsius) e ha aggiunto un kit di raffreddamento a ventola (480 USD) come misura di sicurezza. Il costo complessivo dell'intervento termico sulla vite senza fine è stato di 740 USD più 3 ore di manodopera per la manutenzione. La coppia di ingranaggi a vite senza fine di ricambio (necessaria perché la ruota originale era usurata oltre il limite di utilizzo) è costata 2.800 USD più 8 ore di installazione. Lezione appresa: l'algoritmo decisionale per la gestione termica dovrebbe essere applicato in fase di specifica, non dopo il guasto della prima coppia. L'intervento di raffreddamento da 740 USD avrebbe evitato la sostituzione da 2.800 USD se applicato fin dall'installazione iniziale. Negli impianti di cemento, ogni azionamento ausiliario entro 5 metri da un forno o da un involucro di raffreddamento necessita di una misurazione della temperatura dell'involucro prima di selezionare il metodo di raffreddamento della vite senza fine: non dare mai per scontato che la convezione naturale standard sia sufficiente in prossimità di apparecchiature ad alta temperatura.
Tre casi di specifica per coppie di ingranaggi a vite senza fine in un cementificio
Caso 1 — Cementificio coreano: azionamento del forno, forno di 5 m di diametro, schermato termicamente
Un produttore di cemento coreano ha specificato una coppia di ingranaggi a vite senza fine per l'azionamento ausiliario di un forno rotante di 5,0 m di diametro × 78 m di lunghezza, con una capacità produttiva di 5.000 tonnellate al giorno di clinker. L'azionamento di rotazione faceva ruotare il forno a 0,1 giri/minuto durante le fasi di riscaldamento, raffreddamento e arresto programmato, al fine di prevenire la deformazione termica del guscio del forno. Coppia di rotazione: 4.200 N·m (peso del forno × attrito dei cuscinetti a bassa velocità). Fattore di impatto: 1,5 (la rotazione del forno subisce uno shock minimo: il forno ruota senza intoppi a 0,1 giri/minuto). Valore nominale totale richiesto: 6.300 N·m. Specifiche corrette (post-incidente termico): coppia di ingranaggi a vite senza fine a singolo avviamento, modulo 8, interasse 200 mm, rapporto 60:1, valore nominale 8.000 N·m. Materiale: vite senza fine in acciaio legato temprato, ruota in bronzo fosforoso fuso centrifugamente. Raffreddamento: schermo termico in acciaio inox più convezione forzata. Olio: sintetico PAG ISO VG 460. Guarnizioni: a labirinto più spurgo ad aria compressa più labbro in FKM. Temperatura dell'alloggiamento dopo lo schermo termico e la ventola: 78 gradi Celsius — entro l'intervallo di lubrificazione a convezione naturale, ma la ventola fornisce un margine per i picchi ambientali estivi. Costo per coppia: 2.800 USD. Schermo termico e ventola: 740 USD. Costo totale dell'azionamento: 3.540 USD. Valore di produzione del forno protetto: circa 1,2 milioni di USD al giorno di produzione di clinker.
Caso 2 — Forno per calce giapponese: azionamento a impulsi con mulino a sfere, carico d'urto, critico per la polvere
Un produttore giapponese di calce ha specificato una coppia di ingranaggi a vite senza fine per il sistema di azionamento a impulsi di un mulino a sfere di 3,8 m di diametro, utilizzato per la macinazione del calcare in polvere. Il sistema di azionamento a impulsi faceva ruotare il mulino a 0,5 giri/minuto per l'ispezione del rivestimento e la regolazione della carica di sfere, con un funzionamento intermittente, tipicamente da 2 a 4 ore al mese. Coppia di azionamento a impulsi: 2.800 N·m. Tuttavia, il sistema di azionamento a impulsi era montato sulla fondazione del mulino a 1,5 metri dal corpo del mulino a sfere, ricevendo vibrazioni continue a 25 Hz dalla cascata di sfere durante il normale funzionamento del mulino (anche se il sistema di azionamento a impulsi stesso veniva innestato solo durante le fermate). Fattore di impatto: 2,5 (urto trasmesso dal mulino a sfere adiacente). Valore nominale richiesto: 7.000 N·m. Coppia di ingranaggi a vite senza fine: a singolo avviamento, modulo 6, interasse 160 mm, rapporto 50:1, valore nominale 8.500 N·m. Il sovradimensionamento forniva un margine di assorbimento degli urti. La protezione dalla polvere era fondamentale: la polvere di calcare è meno alcalina della polvere di cemento (pH da 9 a 10) ma altrettanto abrasiva. Tenuta a labirinto con spurgo d'aria. Materiale: vite senza fine in acciaio legato temprato, ruota in bronzo all'alluminio (resistenza agli urti superiore al bronzo fosforoso sotto carico d'urto). Costo per coppia: 2.200 USD. Scopri di più. riduttore a vite senza fine per impieghi gravosi Opzioni per applicazioni in impianti di lavorazione di cemento, calce e minerali.
Caso 3 — Raffreddatore di clinker vietnamita: azionamento a griglia, temperatura ambiente 120 °C, funzionamento continuo
Un cementificio vietnamita ha specificato coppie di ingranaggi a vite senza fine per 6 azionamenti a griglia alternata su un raffreddatore di clinker. Il raffreddatore riceveva clinker a 1.400 gradi Celsius dallo scarico del forno e lo raffreddava a 100 gradi Celsius mediante un flusso d'aria forzata trasversale. Gli azionamenti a griglia facevano avanzare piastre di acciaio perforate a una velocità compresa tra 3 e 8 corse al minuto, spingendo il letto di clinker attraverso il raffreddatore. Temperatura ambiente nella posizione dell'azionamento a griglia: da 110 a 130 gradi Celsius (calore radiante dal letto di clinker più calore convettivo dall'aria di raffreddamento in uscita). Coppia in uscita per azionamento: 1.200 N·m. Servizio continuo: 8.760 ore all'anno. Coppia di ingranaggi a vite senza fine: a singolo avviamento, modulo 5, interasse 125 mm, rapporto 40:1. Raffreddamento: circolazione dell'olio con scambiatore di calore esterno raffreddato ad aria (temperatura dell'alloggiamento stabilizzata a 95 gradi Celsius con circolazione dell'olio). Olio: sintetico PAG ISO VG 460, sostituito annualmente (monitoraggio dell'indice di acidità trimestrale). Tenuta: a labirinto più spurgo ad aria più FKM. Materiale: vite senza fine in acciaio legato temprato, ruota in bronzo fosforoso. La protezione dalla polvere di cemento era meno critica nel raffreddatore (la polvere di clinker è più grossolana e meno dispersa nell'aria rispetto alla polvere di cemento grezzo), ma lo spurgo ad aria è stato mantenuto come prassi standard. Costo per coppia: 1.400 USD. Sistema di circolazione dell'olio per azionamento: 1.800 USD. Sei azionamenti in totale: 19.200 USD. Il raffreddatore ha lavorato circa 5.000 tonnellate di clinker al giorno: il costo della coppia di ingranaggi a vite senza fine rappresentava meno dello 0,02% del valore annuo del clinker.
Domande frequenti
D: Come si determina il fattore di servizio di impatto per l'installazione di un cementificio?
Misurare la velocità di vibrazione (mm/s RMS) nel punto di montaggio della coppia di ingranaggi a vite senza fine durante il normale funzionamento dell'impianto (tutte le apparecchiature vicine in funzione). Confrontare con la tabella standard di severità delle vibrazioni (ISO 10816): inferiore a 1,8 mm/s = SF da 1,0 a 1,5 (industriale standard); da 1,8 a 4,5 mm/s = SF da 1,5 a 2,0 (urto moderato); da 4,5 a 11,2 mm/s = SF da 2,0 a 2,5 (urto forte); superiore a 11,2 mm/s = SF da 2,5 a 3,0 (urto grave - tipico entro 3 metri dai mulini a sfere in funzione). Se l'impianto non è ancora stato costruito, utilizzare le linee guida applicative: barre del forno SF da 1,2 a 1,5; griglia del raffreddatore del clinker SF da 1,5 a 2,0; prossimità del mulino a sfere SF da 2,0 a 3,0; Prossimità del frantumatore SF da 2,5 a 3,0. Sovradimensionare di un livello del fattore di servizio costa dal 15 al 25% in più per coppia, mentre sottodimensionare porta a cedimenti per fatica prematuri.
D: La polvere di cemento può danneggiare la coppia di ingranaggi a vite senza fine anche con un alloggiamento sigillato?
Gli alloggiamenti sigillati standard (solo guarnizione a labbro, senza labirinto o spurgo d'aria) finiranno per far entrare polvere di cemento: le particelle fini (da 10 a 50 µm) penetrano nel labbro di tenuta attraverso la respirazione termica (l'espansione/contrazione dell'alloggiamento aspira aria e polvere oltre la guarnizione durante le variazioni di temperatura). La tempistica varia: da 6 a 18 mesi per gli alloggiamenti con sola guarnizione a labbro in aree con elevata presenza di polvere, da 3 a 5 anni per gli alloggiamenti con guarnizione a labirinto senza spurgo d'aria e oltre 10 anni per gli alloggiamenti con labirinto e spurgo d'aria. L'analisi dell'olio (conteggio delle particelle e test di alcalinità) monitora l'ingresso di polvere: se l'alcalinità dell'olio supera il pH 8 o il conteggio delle particelle supera i valori ISO 20/18/15, è necessario ispezionare le guarnizioni e sostituire l'olio, indipendentemente dall'intervallo programmato.
D: Perché le coppie di ingranaggi a vite senza fine degli impianti di cemento utilizzano il bagno d'olio anziché il grasso?
Tre ragioni. In primo luogo, il funzionamento continuo e le temperature elevate producono una generazione di calore costante che il grasso non può dissipare: l'olio, invece, trasferisce il calore alle pareti dell'alloggiamento per convezione o a un sistema di raffreddamento esterno. In secondo luogo, l'olio può essere scaricato e sostituito senza smontare l'alloggiamento, aspetto importante per gli impianti di cemento dove le finestre di manutenzione sono brevi e l'accesso è difficoltoso. In terzo luogo, l'analisi dell'olio (indice di acidità, contenuto di acqua, numero di particelle, alcalinità) fornisce una diagnosi non invasiva delle condizioni interne degli ingranaggi e dell'efficacia delle guarnizioni, informazioni non disponibili con la lubrificazione a grasso. Per le coppie di ingranaggi a vite senza fine degli impianti di cemento con interasse superiore a 100 mm, il bagno d'olio è universale; il grasso viene utilizzato solo su piccoli attuatori (valvole per filtri a sacco, azionamenti per serrande) con interasse inferiore a 80 mm, dove la generazione di calore è trascurabile.
D: Con quale frequenza va cambiato l'olio della coppia di ingranaggi a vite senza fine di un cementificio?
Intervallo di base: annuale per azionamenti che operano a temperature dell'alloggiamento inferiori a 90 gradi Celsius, ogni 6 mesi per temperature comprese tra 90 e 120 gradi Celsius e trimestrale per temperature superiori a 120 gradi Celsius. Tuttavia, l'analisi dell'olio dovrebbe avere la precedenza sul calendario: cambiare l'olio quando il numero di acidità supera 2,0 mgKOH/g, il contenuto di acqua supera lo 0,5% o la conta delle particelle supera ISO 20/18/15, indipendentemente dal tempo trascorso. Nelle aree con forte presenza di polvere e senza ventilazione forzata, la contaminazione da polvere può richiedere cambi d'olio ogni 3-4 mesi anche a basse temperature. L'implementazione dell'analisi dell'olio degli ingranaggi a vite senza fine, al costo di 50-100 USD per campione, consente di risparmiare da 500 a 2.000 USD per ogni cambio d'olio non necessario su grandi coppie di ingranaggi a vite senza fine e di individuare i guasti alle guarnizioni prima che causino danni agli ingranaggi.
D: Qual è la durata di vita tipica di una coppia di ingranaggi a vite senza fine in un cementificio?
Con una corretta gestione termica, protezione dalla polvere e manutenzione dell'olio: da 8 a 15 anni per azionamenti a funzionamento continuo (raffreddatore del clinker, nastro trasportatore) e da 15 a 20 anni e oltre per azionamenti a funzionamento intermittente (avvolgimento del forno, avanzamento del mulino, che funzionano solo poche centinaia di ore all'anno). Senza un'adeguata protezione dalla polvere, la contaminazione abrasiva può distruggere la ruota in bronzo di un ingranaggio a vite senza fine in 2-4 anni. Senza un'adeguata gestione termica, il degrado dell'olio può causare un'usura accelerata entro 6-12 mesi. La durata è determinata in larga misura dalla protezione ambientale (guarnizioni, raffreddamento, manutenzione dell'olio) piuttosto che dalle caratteristiche meccaniche: una coppia di ingranaggi a vite senza fine correttamente protetta dura da 3 a 5 volte di più rispetto a una coppia con le stesse specifiche meccaniche ma non adeguatamente protetta.
Le coppie di ingranaggi a vite senza fine degli impianti di cemento operano nell'ambiente più ostile dal punto di vista fisico rispetto a qualsiasi altra applicazione di questa serie, combinando calore radiante esterno (da 60 a 150 gradi Celsius provenienti dai forni e dai raffreddatori), polvere alcalina abrasiva (polvere di forno per cemento a pH 12) e carichi d'urto trasmessi (da 20 a 40 Hz dovuti agli impatti del mulino a sfere). L'albero decisionale per la gestione termica affronta la duplice sfida termica selezionando il metodo di raffreddamento minimo (convezione naturale, ventilatore, circolazione dell'olio o camicia d'acqua) in base alla temperatura misurata dell'alloggiamento dopo l'applicazione dello schermo termico. La protezione dalla polvere di cemento tramite una tenuta a labirinto con spurgo d'aria è imprescindibile per qualsiasi azionamento in zona polverosa: il costo del sistema di spurgo d'aria (da 200 a 500 USD) previene la contaminazione abrasiva che distruggerebbe una coppia di ingranaggi a vite senza fine da 1.500 a 3.000 USD in 2-4 anni. I mulini a sfere, per resistere agli urti, richiedono fattori di servizio di impatto da 2,0 a 3,0, il che significa che la coppia deve essere dimensionata per sopportare una coppia da 2 a 3 volte superiore alla coppia di regime per resistere alle vibrazioni trasmesse dagli impatti dei corpi macinanti.
Per gli operatori di cementifici e i produttori di apparecchiature, il nostro ufficio tecnico mappa l'ambiente termico e polveroso dell'impianto per adattarlo alle corrette specifiche di raffreddamento, tenuta e fattore di servizio. Catalogo standard set di ingranaggi a vite senza fine per impieghi gravosi copri dimensioni per cemento da 125 a 250 mm di distanza tra i centri con lubrificazione a bagno d'olio, guarnizioni a labirinto e opzioni di spurgo ad aria. Invia una Specifiche del sistema di azionamento dell'impianto di cemento con ubicazione di installazione, prossimità al forno/mulino, misurazione della temperatura dell'involucro e livello di vibrazione.
Specificare coppie di ingranaggi a vite senza fine per impianti di cemento o di lavorazione dei minerali?
Inviaci informazioni su luogo di installazione, vicinanza a forno/raffreddatore/laminatoio, temperatura dell'involucro, livello di vibrazione, esposizione alla polvere e se l'azionamento è continuo o intermittente. Selezioneremo il metodo di raffreddamento, la protezione dalla polvere, il fattore di servizio e le specifiche del materiale.
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Redattore: Cxm
