Korea Ever-Power · Application Engineering Guide
Worm en wormwiel voor aandrijvingen van cementovens en kogelmolens
Een hulpaandrijving van een cementoven werkt op 3 meter afstand van een roterende ovenmantel met een oppervlaktetemperatuur van 300 graden Celsius, in een atmosfeer vol alkalisch cementstof met een pH van 12. Tegelijkertijd moet de aandrijving de periodieke schokbelastingen opvangen van 80 ton stalen maalkogels die in de naastgelegen kogelmolen naar beneden vallen. Hitte, stof en schokken – gelijktijdig en continu – maken cement tot de meest fysiek vijandige omgeving voor elk wormwielpaar in deze reeks van 30 artikelen.
Cementfabrieken gebruiken wormwieloverbrengingen voor de aandrijving van hulpstukken in de oven (voor het aandrijven van de staven), de aandrijving van de kogelmolen, de aandrijving van roosters in klinkerkoelers en de actuatoren van kleppen in zakfilters. Deze toepassingen vereisen een uitgangskoppel van 500 tot 15.000 N·m bij 0,5 tot 10 RPM in een omgeving met gecombineerde thermische, abrasieve en schokbelastingen. De beslissingsboom voor thermisch beheer behandelt de dubbele warmte-uitdaging die uniek is voor de cementindustrie: externe stralingswarmte van de oven- en klinkerkoelerbehuizingen (waardoor de omgevingstemperatuur stijgt tot 60 tot 150 graden Celsius) plus interne wrijvingswarmte door inefficiëntie van de tandwielen. Dit leidt tot behuizingstemperaturen die in de meeste installaties actieve koeling vereisen. Vier koelstrategieën worden gekoppeld aan de behuizingstemperatuur: natuurlijke convectie onder 80 graden, ventilatorondersteunde koeling van 80 tot 110 graden, oliecirculatie van 110 tot 140 graden en waterkoeling boven 140 graden. Cementstof met een pH van 12 is zowel schurend (vernietigt afdichtingen) als alkalisch (tast standaard rubber aan) en vereist daarom zware wormwiellabyrintafdichtingen met positieve luchtspoeling en FKM-afdichtingsmateriaal. De schokbelasting van de kogelmolen bij 20 tot 40 Hz overschrijdt de normale servicefactorberekening en vereist specifieke impactservicefactoren van 2,0 tot 3,0.
Waar wormwieloverbrengingen worden gebruikt in cementfabrieken
De belangrijkste aandrijvingen van de draaioven en de kogelmolen maken gebruik van open tandwielen – de diameter van de apparatuur (4 tot 6 meter) is te groot voor gesloten tandwielparen. Maar elke cementfabriek heeft 15 tot 40 hulpaandrijvingen waar wormwielparen de standaard zijn: aandrijvingen voor de ovenafstelling die de oven langzaam laten draaien tijdens het opwarmen en afkoelen (om thermische inzakking te voorkomen), aandrijvingen voor de kogelmolen die de molen positioneren voor inspectie van de bekleding, aandrijvingen voor de roosters van de klinkerkoeler die de koelplaten vooruit bewegen, en actuatoren voor de kleppen van de zakkenfilters die de dempers in het stofafzuigsysteem bedienen.
Deze hulpaandrijvingen met wormwieloverbrenging hebben drie gemeenschappelijke kenmerken: een lage uitgangssnelheid (0,5 tot 10 omwentelingen per minuut), een hoog koppel (500 tot 15.000 N·m) en de extreme omstandigheden in een cementfabriek (hitte, stof, schokken). Het wormwielpaar kan al deze drie omstandigheden aan, maar alleen als het thermisch beheer, de stofbescherming en de schokbelastingsfactor correct zijn gespecificeerd.
Beslissingsboom voor thermisch beheer — dubbele warmtebronnen vereisen actieve koeling
Wormwieloverbrengingen in cementfabrieken staan voor een thermische uitdaging die het probleem van externe warmteontwikkeling bij aandrijvingen van bakovens (artikel A14) combineert met het probleem van wrijvingswarmte bij continu draaiende roltrapaandrijvingen (artikel A08) – en dat tegelijkertijd. De ovenwand, met een oppervlaktetemperatuur van 250 tot 350 graden Celsius, straalt warmte uit naar de nabijgelegen behuizing van de hulpaandrijving, waardoor de omgevingstemperatuur rond de tandwieloverbrenging oploopt tot 60 tot 150 graden Celsius. Tegelijkertijd genereert de wormwieloverbrenging intern wrijvingswarmte door de inefficiëntie van de tandwielen (doorgaans wordt 50 tot 60 procent van het ingangsvermogen omgezet in warmte). De behuizing moet beide warmtebronnen afvoeren – en de hoge omgevingstemperatuur vermindert de thermische gradiënt die beschikbaar is voor natuurlijke warmteafvoer.
Warmteafscherming eerst, actieve koeling daarna. Voordat u ventilatorkoeling of oliecirculatie toepast, moet u evalueren of een stralingswarmteschild tussen de ovenwand en het wormwielpaar de omgevingstemperatuur kan verlagen tot het temperatuurbereik van natuurlijke convectie (onder 80 graden Celsius). Een gepolijste roestvrijstalen reflector kost 100 tot 300 dollar en vermindert de stralingswarmtebelasting met 70 tot 90 procent, waardoor ventilatorkoeling (500 tot 1500 dollar) of oliecirculatie (3000 tot 8000 dollar) mogelijk overbodig wordt. De meest kosteneffectieve strategie voor thermisch beheer in cementfabrieken is: eerst afschermen en vervolgens de minimale koelmethode kiezen voor de afgeschermde temperatuur.
Bescherming tegen cementstof en schokbelasting van kogelmolens
Cementstof als schurende verontreiniging. Cementovengasstof (CKD) is een fijn poeder met een deeltjesgrootte van 10 tot 100 µm en een pH van 11 tot 13 (sterk alkalisch). Als CKD in de wormwielbehuizing terechtkomt, werkt het als een slijpmiddel: het slijt de tandoppervlakken en verbruikt het bronzen wiel met een snelheid die 3 tot 10 keer hoger is dan normaal. Standaard wormwielafdichtingen kunnen CKD niet uitsluiten, omdat de fijne deeltjes de interface tussen de afdichtingslip en de as binnendringen door statische drukverschillen (thermische ademhaling). De specificatie voor cementafdichtingen vereist een labyrintafdichting (contactloos, geen slijtage van de lip) plus een positieve luchtspoeling (0,1 tot 0,5 bar perslucht die door het labyrint naar buiten blaast en zo fysiek voorkomt dat stof binnendringt). FKM-afdichtingsmateriaal is verplicht: standaard nitril en EPDM degraderen in de alkalische cementatmosfeer binnen 12 tot 18 maanden.
Schokbelasting van de kogelmolen. Kogelmolens bevatten 30 tot 100 ton stalen maalkogels (25 tot 90 mm diameter) die in de roterende trommel in een cascadebeweging terechtkomen. De impact van de kogels veroorzaakt schokbelastingen met een frequentie van 20 tot 40 Hz, die via de molenwand, fundering en aangrenzende constructies worden doorgegeven aan de wormwielaandrijvingen in de buurt. Standaard servicefactorberekeningen (SF 1,0 tot 1,5) houden geen rekening met deze doorgegeven schok. Wormwielaandrijvingen in cementfabrieken nabij kogelmolens vereisen een impactservicefactor van 2,0 tot 3,0, wat betekent dat de aandrijving geschikt moet zijn voor 2 tot 3 keer het berekende stationaire koppel. Een ovenaandrijving met een stationair koppel van 3000 N·m en een servicefactor van 2,5 moet geschikt zijn voor 7500 N·m, wat doorgaans een framegrootte vereist die 1 tot 2 stappen groter is dan wat het stationaire koppel alleen zou aangeven.
Een Koreaanse cementfabriek installeerde een nieuwe hulpaandrijving voor de ovenafsluiting met een wormwieloverbrenging met een nominale waarde van 5000 N·m – overeenkomend met het berekende afsluitkoppel van 4200 N·m met een standaard servicefactor van 1,2. De aandrijving werd op 2,5 meter afstand van de ovenwand geplaatst (oppervlaktetemperatuur 280 graden Celsius) zonder hitteschild. De temperatuur van de behuizing werd na 4 uur afsluiting gemeten op 115 graden Celsius. De standaard minerale olie (geschikt voor 90 graden Celsius) begon te verdunnen en te oxideren. Binnen 6 maanden overschreed het zuurgetal van de olie de afkeuringslimiet, vertoonde het bronzen wiel versnelde slijtage en was de speling toegenomen van 8 boogminuten naar 22 boogminuten. Het onderhoudsteam van de fabriek installeerde een roestvrijstalen hitteschild (260 USD) om de temperatuur van de behuizing te verlagen tot 82 graden Celsius, verving de olie door synthetische PAG (geschikt voor 120 graden Celsius) en voegde een ventilator-koelingsset (480 USD) toe als reserve. De totale kosten voor de thermische interventie aan de wormwieloverbrenging bedroegen 740 USD plus 3 uur onderhoudsarbeid. De vervanging van het wormwielpaar (nodig omdat het originele wiel onbruikbaar was geworden) kostte 2.800 USD plus 8 uur installatietijd. Les: de beslissingsboom voor thermisch beheer moet in de specificatiefase worden toegepast, niet pas nadat het eerste paar defect is geraakt. De koelinterventie van 740 USD had de vervanging van 2.800 USD kunnen voorkomen als deze vanaf de initiële installatie was toegepast. In cementfabrieken moet voor elke hulpaandrijving binnen 5 meter van een oven of koeler de temperatuur van de behuizing worden gemeten voordat de koelmethode voor de wormwieloverbrenging wordt gekozen — ga er nooit vanuit dat standaard natuurlijke convectie voldoende is in de buurt van apparatuur met hoge temperaturen.
Specificatiegevallen voor drie wormwieloverbrengingparen in een cementfabriek
Casus 1 — Koreaanse cementfabriek: aandrijving van de ovenstangen, oven met een diameter van 5 m, hittebestendig.
Een Koreaanse cementproducent specificeerde een wormwieloverbrenging voor de hulpaandrijving van de lagers van een roterende oven met een diameter van 5,0 m en een lengte van 78 m, die 5.000 ton klinker per dag produceert. De aandrijving van de lagers zorgde ervoor dat de oven tijdens het opwarmen, afkoelen en geplande stops met 0,1 omwenteling per minuut roteerde om thermische vervorming van de ovenwand te voorkomen. Koppel van de lagers: 4.200 N·m (ovengewicht × wrijvingscoëfficiënt van de lagers bij lage snelheid). Impactfactor SF: 1,5 (de lagers van de oven ondervinden minimale schokken – de oven roteert soepel met 0,1 omwenteling per minuut). Totaal vereist vermogen: 6.300 N·m. Gecorrigeerde specificatie (na het thermische incident): wormwieloverbrenging met enkele start, module 8, hartafstand 200 mm, overbrengingsverhouding 60:1, nominaal vermogen 8.000 N·m. Materiaal: worm van gehard gelegeerd staal, centrifugaal gegoten fosforbrons wiel. Koeling: roestvrijstalen hitteschild plus ventilatorondersteunde convectie. Olie: synthetische PAG ISO VG 460. Afdichtingen: labyrintafdichting plus persluchtspoeling plus FKM-lip. Temperatuur van de behuizing na hitteschild en ventilator: 78 graden Celsius — binnen het bereik van natuurlijke convectie, maar de ventilator biedt marge voor zomerse pieken. Kosten per paar: 2.800 USD. Hitteschild en ventilator: 740 USD. Totale aandrijfkosten: 3.540 USD. Waarde van de ovenproductie die hiermee wordt beschermd: circa 1,2 miljoen USD per dag aan klinkerproductie.
Casus 2 — Japanse kalkoven: kogelmolen met langzame aandrijving, schokbelasting, stofkritisch
Een Japanse kalkfabrikant specificeerde een wormwieloverbrenging voor de pulsaandrijving van een kogelmolen met een diameter van 3,8 m die kalksteen tot poeder maalde. De pulsaandrijving liet de molen draaien met 0,5 omwentelingen per minuut voor inspectie van de voering en aanpassing van de kogelvulling – een intermitterende taak, doorgaans 2 tot 4 uur per maand. Pulskoppel: 2800 N·m. De pulsaandrijving was echter gemonteerd op de fundering van de molen, 1,5 meter van de molenwand, waardoor deze tijdens normaal gebruik continu schoktrillingen van 25 Hz ontving van de vallende kogelvulling (hoewel de pulsaandrijving zelf alleen tijdens stilstanden werd ingeschakeld). Impactfactor SF: 2,5 (overgedragen schok van de aangrenzende kogelmolen). Vereiste nominale waarde: 7000 N·m. Wormwieloverbrenging: enkelvoudige start, module 6, hartafstand 160 mm, overbrengingsverhouding 50:1, nominale waarde 8500 N·m. De overdimensionering bood een marge voor schokabsorptie. Stofbescherming was cruciaal — kalksteenstof is minder alkalisch dan cementstof (pH 9 tot 10), maar even schurend. Labyrintafdichting met luchtspoeling. Materiaal: wormwiel van gehard gelegeerd staal, wiel van aluminiumbrons (superieure slagvastheid ten opzichte van fosforbrons bij schokbelasting). Prijs per paar: 2.200 USD. Bekijken zware wormwielreductor Mogelijkheden voor toepassingen in cement-, kalk- en mineralenverwerkingsinstallaties.
Casus 3 — Vietnamese klinkerkoeler: rooster aandrijving, 120 °C omgevingstemperatuur, continu bedrijf
Een Vietnamese cementfabriek specificeerde wormwieloverbrengingen voor 6 heen-en-weer bewegende roosteraandrijvingen op een klinkerkoeler. De koeler ontving klinker van 1400 graden Celsius uit de ovenafvoer en koelde deze af tot 100 graden Celsius met behulp van geforceerde luchtstroom. De roosteraandrijvingen bewogen geperforeerde stalen platen met 3 tot 8 slagen per minuut, waardoor het klinkerbed door de koeler werd geduwd. Omgevingstemperatuur bij de roosteraandrijving: 110 tot 130 graden Celsius (stralingswarmte van het klinkerbed plus convectiewarmte van de koelluchtuitlaat). Uitgangskoppel per aandrijving: 1200 N·m. Continu bedrijf: 8760 uur per jaar. Wormwieloverbrenging: enkelvoudige start, module 5, hartafstand 125 mm, overbrengingsverhouding 40:1. Koeling: oliecirculatie met externe luchtgekoelde warmtewisselaar (behuizingstemperatuur gestabiliseerd op 95 graden Celsius met oliecirculatie). Olie: synthetische PAG ISO VG 460, jaarlijks ververst (zuurgetalcontrole driemaandelijks). Afdichting: labyrint plus luchtspoeling plus FKM. Materiaal: wormwiel van gehard gelegeerd staal, wiel van fosforbrons. Bescherming tegen cementstof was minder kritisch bij de koeler (klinkerstof is grover en minder fijnstof dan ruw cementstof), maar de luchtspoeling werd als standaardprocedure gehandhaafd. Kosten per paar: 1.400 USD. Oliecirculatiesysteem per aandrijving: 1.800 USD. Totaal zes aandrijvingen: 19.200 USD. De koeler verwerkte ongeveer 5.000 ton klinker per dag – de kosten van het wormwielpaar vertegenwoordigden minder dan 0,02 procent van de jaarlijkse klinkerwaarde.
Veelgestelde vragen
V: Hoe bepaal ik de impactservicefactor voor een cementfabriekinstallatie?
Meet de trillingssnelheid (mm/s RMS) op de montageplaats van het wormwielpaar tijdens normaal bedrijf van de installatie (alle nabijgelegen apparatuur in werking). Vergelijk deze met de standaard trillingsintensiteitstabel (ISO 10816): onder 1,8 mm/s = SF 1,0 tot 1,5 (standaard industrieel); 1,8 tot 4,5 mm/s = SF 1,5 tot 2,0 (matige schok); 4,5 tot 11,2 mm/s = SF 2,0 tot 2,5 (zware schok); boven 11,2 mm/s = SF 2,5 tot 3,0 (zware schok – typisch binnen 3 meter van werkende kogelmolens). Als de installatie nog niet gebouwd is, gebruik dan de toepassingsrichtlijnen: ovenafscherming SF 1,2 tot 1,5; rooster van de klinkerkoeler SF 1,5 tot 2,0; nabijheid van kogelmolen SF 2,0 tot 3,0; nabijheid van breker SF 2,5 tot 3,0. Een overdimensionering met één servicefactorstap kost 15 tot 25 procent meer per paar; een onderdimensionering leidt tot voortijdige vermoeidheidsbreuk.
V: Kan cementstof de wormwieloverbrenging beschadigen, zelfs met een afgedichte behuizing?
Standaard afgedichte behuizingen (alleen lipafdichting, geen labyrintafdichting of luchtspoeling) zullen uiteindelijk cementstof binnenlaten. De fijne deeltjes (10 tot 50 µm) dringen door de lipafdichting heen door thermische ademhaling (uitzetting/krimp van de behuizing trekt lucht en stof langs de afdichting tijdens temperatuurschommelingen). De tijdsduur varieert: 6 tot 18 maanden voor behuizingen met alleen een lipafdichting in stoffige omgevingen, 3 tot 5 jaar voor behuizingen met een labyrintafdichting zonder luchtspoeling en meer dan 10 jaar voor behuizingen met een labyrintafdichting én luchtspoeling. Olieanalyse (deeltjestelling en alkaliteitstest) controleert de stofindringing. Als de alkaliteit van de olie boven pH 8 komt of de deeltjestelling de ISO 20/18/15-norm overschrijdt, moeten de afdichtingen worden geïnspecteerd en moet de olie worden ververst, ongeacht het geplande interval.
V: Waarom gebruiken wormwieloverbrengingen in cementfabrieken een oliebad in plaats van vet?
Drie redenen. Ten eerste genereren de continue werking en de hoge temperatuur aanhoudende warmte die vet niet kan afvoeren. Olie voert de warmte af naar de behuizingswanden voor convectie of naar een externe koeler. Ten tweede kan de olie worden afgetapt en vervangen zonder de behuizing te demonteren. Dit is belangrijk voor cementfabrieken waar de onderhoudsintervallen kort zijn en de toegang moeilijk is. Ten derde biedt olieanalyse (zuurgetal, watergehalte, deeltjesaantal, alkaliteit) een niet-invasieve diagnose van de interne toestand van de tandwielen en de effectiviteit van de afdichting. Deze informatie is niet beschikbaar bij smering met vet. Voor wormwieloverbrengingen in cementfabrieken met een hartafstand van meer dan 100 mm is een oliebad universeel; vet wordt alleen gebruikt bij kleine actuatoren (zakfilterkleppen, demperaandrijvingen) met een hartafstand van minder dan 80 mm, waar de warmteontwikkeling verwaarloosbaar is.
V: Hoe vaak moet de olie van de wormwieloverbrenging van een cementfabriek worden ververst?
Basisinterval: jaarlijks voor aandrijvingen die werken bij een behuizingstemperatuur onder de 90 graden Celsius, elke 6 maanden voor temperaturen tussen 90 en 120 graden Celsius, en per kwartaal voor temperaturen boven de 120 graden Celsius. Olieanalyse moet echter voorrang krijgen boven het kalenderschema: ververs de olie wanneer het zuurgetal hoger is dan 2,0 mgKOH/g, het watergehalte hoger is dan 0,5 procent, of het deeltjesaantal hoger is dan ISO 20/18/15 — ongeacht de verstreken tijd. In stoffige omgevingen zonder luchtspoeling kan stofverontreiniging olieverversing om de 3 tot 4 maanden noodzakelijk maken, zelfs bij lage temperaturen. Het implementeren van wormwielolieanalyse voor 50 tot 100 USD per monster bespaart 500 tot 2000 USD per onnodige olieverversing bij grote wormwielparen — en spoort defecten aan de afdichtingen op voordat ze tandwielschade veroorzaken.
V: Wat is de gemiddelde levensduur van een wormwieloverbrenging in een cementfabriek?
Met de juiste thermische beheersing, stofbescherming en olieonderhoud: 8 tot 15 jaar voor continu draaiende aandrijvingen (klinkerkoeler, transportband) en 15 tot 20 jaar of langer voor intermitterende aandrijvingen (ovenafwerking, maalinstallatie – die slechts enkele honderden uren per jaar draaien). Zonder adequate stofbescherming kan de schurende vervuiling een bronzen wormwiel binnen 2 tot 4 jaar aantasten. Zonder adequate thermische beheersing kan olieveroudering binnen 6 tot 12 maanden leiden tot versnelde slijtage. De levensduur wordt grotendeels bepaald door de omgevingsbescherming (afdichtingen, koeling, olieonderhoud) en niet zozeer door de mechanische specificaties – een correct beschermd wormwielpaar gaat 3 tot 5 keer langer mee dan een onvoldoende beschermd paar met dezelfde mechanische specificaties.
Wormwieloverbrengingen in cementfabrieken werken in de meest fysiek veeleisende omgeving van alle toepassingen in deze reeks: een combinatie van externe stralingswarmte (60 tot 150 graden Celsius van de oven- en koelerwanden), schurend alkalisch stof (cementovenstof met pH 12) en overgedragen schokbelasting (20 tot 40 Hz van de impact van de kogelmolen). Het beslissingsschema voor thermisch beheer pakt de dubbele warmte-uitdaging aan door de minimale koelmethode (natuurlijke convectie, ventilator, oliecirculatie of watermantel) te selecteren op basis van de gemeten behuizingstemperatuur nadat de warmteafscherming is aangebracht. Bescherming tegen cementstof door middel van een labyrintafdichting met positieve luchtspoeling is essentieel voor elke aandrijving in de stoffige zone. De kosten van het luchtspoelsysteem (200 tot 500 USD) voorkomen schurende verontreiniging die een wormwieloverbrenging van 1500 tot 3000 USD binnen 2 tot 4 jaar zou vernietigen. Bij schokbelasting in kogelmolens zijn impactservicefactoren van 2,0 tot 3,0 vereist. Dit betekent dat het koppelingspaar een nominale waarde moet hebben die 2 tot 3 keer zo hoog is als het stationaire koppel om de overgedragen trillingen van de slijpmiddelen te kunnen weerstaan.
Voor exploitanten van cementfabrieken en fabrikanten van apparatuur brengt onze engineeringafdeling de thermische en stofomgeving van de installatie in kaart en vertaalt deze naar de juiste specificaties voor koeling, afdichting en servicefactor. Standaardcatalogus zware wormwielsets Geschikt voor cementgebonden maten met een hartafstand van 125 tot 250 mm, met oliebad smering, labyrintafdichtingen en luchtspoelopties. Dien een aanvraag in. specificaties voor de aandrijving van een cementfabriek waarbij rekening wordt gehouden met de installatielocatie, de nabijheid van de oven/maalmachine, de temperatuurmeting van de behuizing en het trillingsniveau.
Het specificeren van wormwieloverbrengingen voor cement- of ertsverwerkingsinstallaties?
Geef de installatielocatie, de afstand tot de oven/koeler/maalmachine, de temperatuur van de behuizing, het trillingsniveau, de blootstelling aan stof en of de aandrijving continu of intermitterend is door. Wij selecteren vervolgens de koelmethode, stofbescherming, servicefactor en materiaalspecificaties.
Vraag een specificatie aan voor een aandrijving in een cementfabriek →
Redacteur: Cxm
