Korea Ever-Power · Руководство по применению инженерных решений
Червяки и червячные колеса для прокатки и обработки стали на металлургических заводах
Стальная плита весом 25 тонн, нагретая до 1150 градусов Цельсия, катится по столу со 120 приводными роликами. Каждый привод ролика — пара червячных передач — поглощает тепловое излучение от раскаленной плиты, расположенной на высоте 300 мм, отражает потоки окалины из оксида железа, падающие с поверхности плиты, и выдерживает воздействие воды для удаления окалины под высоким давлением 180 бар. Сам продукт представляет собой агрессивную среду — и он проходит через нее каждые 90 секунд.
На металлургических заводах червячные передачи используются для приводов роликовых столов, приводов оправок намоточных машин, механизмов перемещения охлаждающей платформы и винтовых механизмов зазора между роликами — все они работают вблизи стальной продукции при температуре от 200 до 1200 градусов Цельсия. Матрица высокотемпературной обработки стали классифицирует приводы по температурной зоне обрабатываемого продукта (горячий, теплый, холодный) и сопоставляет каждую зону с температурой окружающей среды у привода, требуемым методом охлаждения, защитой уплотнения от образования окалины из оксида железа и техническими характеристиками материала. В отличие от хлебопекарной или цементной промышленности, где источник тепла является статическим (печь, обжиговая камера), нагрев на металлургическом заводе носит кратковременный характер — сляб с температурой 1150 градусов проходит над приводом роликового стола в течение 2–5 секунд за один проход, создавая циклы термического удара, которые не учитываются стандартными спецификациями червячных передач для непрерывного воздействия. Окалина (хлопья оксида железа Fe₃O₄, образующиеся при температуре более 800 градусов), отслаивающаяся от изделия, одновременно является высокотемпературным абразивом и химическим загрязнителем, что требует использования защитных лабиринтов, не имеющих аналогов в других отраслях промышленности по защите от пыли.
Там, где на сталелитейных заводах используются червячные передачи.
Прокатный стан для стали содержит сотни отдельных приводных роликов, которые перемещают и позиционируют горячую сталь между прокатными станами, через станции удаления окалины, по охлаждающим платформам и в намоточные машины. Для каждого ролика требуется червячная передача, которая преобразует скорость вращения двигателя (обычно 1450 об/мин) в скорость вращения ролика (от 10 до 200 об/мин в зависимости от секции стана). Червячные пары выполняют эту функцию снижения скорости на роликовых столах, выкатывающих столах, приводах граблей охлаждающей платформы и винтовых механизмах, где 90-градусное расположение двигателя соответствует малому расстоянию между роликами (от 300 до 600 мм между центрами роликов).
В главных приводах вальцов используются мощные косозубые или планетарные редукторы, а не червячные передачи, поскольку мощность косозубых или планетарных редукторов (от 500 до 5000 кВт) слишком велика для червячных передач. Однако от 50 до 200 отдельных червячных передач на вальцовом стане, установленных на валковых столах и вспомогательном оборудовании, представляют собой большее общее количество устройств, чем в любом другом отдельном применении в этой серии из 30 статей.
Матрица обработки высокотемпературной стали — продуктовая зона, определяющая спецификацию.
Ключевое отличие нагрева на сталелитейном заводе от нагрева в других высокотемпературных условиях (пекарни A14, цементные заводы A25) заключается в том, что нагрев на сталелитейном заводе является кратковременным и передается непосредственно продукту. Сляб, нагретый до 1150 градусов, проходит над парой червячных передач на роликовом столе в течение 2–5 секунд, затем следующий сляб поступает через 60–120 секунд. Температура корпуса привода колеблется с каждым проходом сляба — повышаясь на 5–15 градусов Цельсия за проход, а затем снижаясь между проходами. Этот термический цикл гораздо сильнее повреждает уплотнения червячных передач и масло, чем постоянно повышенная температура на хлебопекарных или цементных заводах.
Матрица показывает разницу в стоимости от 3 до 5 раз между спецификациями для холодной и горячей зон — в основном из-за системы охлаждения (водяная рубашка или циркуляция масла добавляют от 1500 до 4000 долларов США на привод) и защиты от накипи (кольцо для промывки водой добавляет от 200 до 500 долларов США по сравнению с простым лабиринтом). На мельнице со 120 приводами роликовых столов может быть 30 в горячей зоне, 40 в теплой зоне и 50 в холодной зоне — указание всех 120 червячных передач на уровне горячей зоны приводит к потере примерно 120 000 долларов США на ненужное охлаждающее оборудование для приводов холодной зоны.
от накипи, вызванной оксидом железа, и воды для удаления накипи под высоким давлением.
Накипь как уникальный загрязняющий элемент. При контакте горячей стали с воздухом поверхность окисляется, образуя окалину из оксида железа (Fe₃O₄) — твердый, хрупкий слой, который отслаивается от поверхности стали по мере ее прохождения через прокатный стан. Хлопья окалины размером от 2 до 10 мм падают с изделия при температуре от 600 до 1000 градусов Цельсия на приводы роликовых столов, расположенные ниже. Эта горячая окалина одновременно является высокотемпературным снарядом (она может расплавить стандартные резиновые уплотнения при контакте), абразивом для шлифовки (твердость по шкале Мооса 6, тверже цементной пыли) и химическим загрязнителем (она растворяется в охлаждающей воде, образуя кислую суспензию гидроксида железа с pH от 3 до 5). Ни одна другая отрасль промышленности не производит загрязняющее вещество, сочетающее в себе все три механизма повреждения.
Защита от накипи для корпусов червячной передачи. Для приводов с горячей зоной требуется стальной защитный экран от накипи, расположенный над корпусом, который перехватывает падающую накипь до того, как она коснется уплотнений. Экран должен быть сменным (он изнашивается от многократных ударов горячей накипи) и иметь наклон, позволяющий отводить накипь от точки входа в вал. За экраном находится кольцо для промывки водой, которое непрерывно смывает частицы накипи с лабиринтного уплотнения, предотвращая их накопление, которое могло бы привести к износу контактных поверхностей уплотнения.
Взаимодействие воды с водой при удалении накипи. Струи воды под высоким давлением (150–200 бар) удаляют окалину с поверхности стали перед прокаткой, образуя туман из горячей воды, пара и фрагментированных частиц окалины, который окутывает приводы роликового стола. Корпус червячной передачи должен постоянно выдерживать воздействие этой среды — стандартные лакокрасочные покрытия выходят из строя в течение 6–12 месяцев. В корпусах горячих зон используется чистый чугун или цинковое металлизированное покрытие (без краски — краска отслаивается при термических циклах) с запасом на защиту от коррозии, заложенным в толщину стенки.
Корейский прокатный стан горячей прокатки, производящий 3 миллиона тонн в год, заказал червячные передачи для 80 приводов роликов выходного стола между чистовым станом и намоточным станом. Выходной стол обслуживал зону нагрева (температура продукта на выходе из чистового стана составляла от 600 до 850 градусов Цельсия, охлаждение до 500–650 градусов на намоточном стане). Температура окружающей среды привода: от 80 до 110 градусов Цельсия. В первоначальной спецификации использовалось минеральное противозадирное масло (ISO VG 320, рассчитанное на температуру до 90 градусов Цельсия) со стандартными уплотнениями из FKM и без защиты от накипи — конкурентоспособный вариант по цене 420 долларов США за привод. В течение 18 месяцев 22 из 80 приводов вышли из строя — минеральное масло окислилось в условиях термических циклов, уплотнения были повреждены частицами накипи, а накипная суспензия попала в корпуса. В спецификацию замены были добавлены защитные экраны от накипи (180 долларов США каждый), кольца для промывки водой (250 долларов США каждое), лабиринтные уплотнения (заменяющие манжетные уплотнения, дополнительно 85 долларов США каждое) и синтетическое масло PAG (дополнительно 45 долларов США за заправку). Общая стоимость модернизации одного привода: 560 долларов США — в результате стоимость единицы продукции выросла с 420 до 980 долларов США. После модернизации, проведенной через 3 года: ни одного отказа среди всех 80 приводов. Модернизация на 560 долларов США для 80 приводов (всего 44 800 долларов США) предотвратила 22 преждевременных отказа, которые обошлись примерно в 35 000 долларов США на замену приводов плюс 180 000 долларов США на задержки производства из-за остановок секции роликовых столов. Вывод: минимальные требования к тепловой зоне, указанные в технологической матрице, должны включать защиту от накипи — выбор правильного масла и охлаждения без учета пути проникновения накипи приводит к той же частоте отказов, что и недостаточное описание только системы терморегулирования.
Технические характеристики трех червячных передач для стальных прокатных станов
Пример 1 — Корейский прокатный стан горячей прокатки: 80 приводов выходного стола, зона нагрева, защита от образования накипи.
Корейский прокатный стан горячей прокатки (см. примечание инженерного отдела выше) заказал 80 червячных передач для приводного стола между чистовым станом и намоточной машиной. Скорость вращения роликов: от 60 до 180 об/мин (регулируется в зависимости от скорости прокатки полосы). Двигатель: 5,5 кВт, 1450 об/мин. Передаточное отношение: 10:1 (2-запускной — самоблокировка на роликовых столах не требуется; ролики свободно вращаются при остановке двигателя). Выходной крутящий момент: 120 Н·м на ролик. Исправленная спецификация: 2-запускной, модуль 3, межосевое расстояние 80 мм. Материал: червяк из закаленной легированной стали, колесо из фосфористой бронзы. Защитный кожух от накипи + кольцо для промывки водой + лабиринтное уплотнение. Масло: синтетическое PAG ISO VG 320, циркуляция масла с внешним охладителем, распределенная между группами по 10 приводов. Стоимость одного привода (в комплекте с защитой): 980 долларов США. Итого за 80 приводов: 78 400 долларов США. Завод производил полосовую сталь по оптовой цене 90 долларов США за тонну — каждый час простоя прокатного стана обходился примерно в 27 000 долларов США в виде упущенной выгоды.
Вариант 2 — Японский прокатный стан для производства проволоки: привод оправки намоточного стана, зона нагрева, корпус с водяным охлаждением.
Японский завод по производству проволоки заказал червячные передачи для 4 приводов оправки намоточного стана. Намоточный стан наматывал горячую проволоку (диаметром от 5,5 до 16 мм) в катушки на выходе из чистового блока. Температура проволоки на намоточном стане: от 900 до 1050 градусов Цельсия. Привод оправки располагался непосредственно под точкой намотки — температура окружающей среды во время намотки составляла от 160 до 190 градусов Цельсия (самая высокая температура для червячной передачи в этой серии из 30 статей). Червячная передача: однозаходная (самоблокировка необходима для удержания натяжения катушки во время намотки), модуль 5, межосевое расстояние 125 мм, передаточное отношение 30:1. Выходной крутящий момент: 650 Н·м (натяжение проволоки × радиус оправки). Охлаждение: корпус с водяной рубашкой и непрерывной циркуляцией охлаждающей воды (температура корпуса поддерживалась на уровне 85 градусов Цельсия, несмотря на температуру окружающей среды 180 градусов). Масло: перфторэфир PFPE (рассчитано на температуру до 250 градусов Цельсия — обеспечивает исключительный запас прочности на случай перебоев в работе системы охлаждения). Защита от накипи: цельностальной кожух, закрывающий привод, с водяной завесой в отверстии кожуха. Стоимость одной пары червячных передач с водяной рубашкой: 4200 долларов США. Заправка маслом PFPE: 380 долларов США. Просмотреть промышленный червячный редуктор Варианты применения для вальцовых столов и намоточных машин на сталелитейных заводах.
Пример 3 — Вьетнамский прокатный стан для арматуры: привод граблей охлаждающего слоя, холодная зона, стандартная спецификация.
Вьетнамский прокатный стан для арматуры заказал червячные передачи для 8 приводов граблей охлаждающего слоя. На охлаждающий слой поступала готовая арматура при температуре от 600 до 800 градусов Цельсия, и она перемещалась по нему в поперечном направлении с помощью возвратно-поступательных граблей до тех пор, пока арматура не остывала до температуры ниже 100 градусов Цельсия для последующей упаковки в пучки. Приводы граблей располагались под решеткой охлаждающего слоя — получая остаточное лучистое тепло, но не контактируя напрямую с продуктом. Температура окружающей среды у привода граблей: от 45 до 65 градусов Цельсия (холодная зона — арматура остыла в теплой зоне до достижения положения граблей). Червячная передача: однозаходная, модуль 4, межосевое расстояние 100 мм, передаточное отношение 40:1. Выходной крутящий момент: 800 Н·м (масса граблей × трение). Охлаждение: естественная конвекция (достаточное при температуре окружающей среды 65 градусов Цельсия). Защита от окалины: лабиринтное уплотнение с продувкой воздухом (отслоившиеся частицы окалины падают через решетку охлаждающего слоя на приводы). Масло: минеральное EP ISO VG 320. Стоимость за пару: 480 долларов США. Итого за 8 приводов: 3840 долларов США. Этот пример демонстрирует, что не всем приводам сталелитейных заводов необходима специальная спецификация для горячей зоны — холодная зона охлаждающего слоя работает в условиях, сопоставимых со стандартными промышленными условиями, с добавлением защиты от накипи.
Часто задаваемые вопросы
В: Почему в приводах вальцовых столов сталелитейных заводов используются червячные передачи с двумя завитками?
Приводы роликовых столов не нуждаются в самоблокировке, поскольку ролики могут безопасно свободно вращаться при остановке двигателя — горячая стальная плита свободно перемещается по вращающимся роликам без повреждений. Двухзапускная спецификация повышает эффективность с 40–48% (однозапускная) до 65–72% (двухзапускная), снижая нагрев двигателя и продлевая срок службы масла в и без того горячей среде. При использовании от 80 до 120 приводов роликовых столов на одном прокатном стане повышение эффективности позволяет сэкономить от 50 до 150 кВт общей мощности — значительное снижение эксплуатационных расходов при более чем 6000 часах работы в год. Исключение: приводы намоточных валов и винтовые механизмы должны быть однозапускными для самоблокировки, обеспечивающей удержание натяжения и удержание положения соответственно.
В: Чем циклы термического шока отличаются от установившегося режима высоких температур?
Стационарная высокая температура (пекарня, цементная промышленность) позволяет всей червячной передаче достичь теплового равновесия — все компоненты расширяются равномерно. Циклы термического удара (прохождение слябов на сталелитейном заводе) быстро нагревают верхнюю поверхность корпуса, в то время как нижняя остается холоднее, создавая температурный градиент внутри корпуса, который вызывает дифференциальное тепловое расширение. Это дифференциальное расширение по-разному нагружает контактные поверхности уплотнения в каждом цикле (горячая сторона расширяется и сжимает уплотнение, холодная сторона остается неподвижной). За тысячи проходов слябов в день циклическое сжатие уплотнения приводит к ускоренной усталости стандартных резиновых уплотнений — именно поэтому уплотнения червячной передачи на сталелитейных заводах имеют лабиринтную конструкцию (бесконтактные, не подвержены усталости), а не сальниковые (контактные, подвержены усталости).
В: Можно ли предотвратить образование накипи без использования промывочного кольца для воды?
В теплой и холодной зонах обычно достаточно продувки сжатым воздухом (0,3–0,5 бар), чтобы предотвратить накопление накипи в лабиринтном уплотнении. В горячей зоне одной лишь продувки воздухом недостаточно, поскольку частицы горячей накипи (600–1000 градусов Цельсия) могут расплавиться в лабиринтных каналах и затвердеть, образуя твердую корку, которая блокирует поток воздуха. Кольцо для промывки водой охлаждает частицы накипи ниже точки их размягчения и смывает их до того, как они успеют накопиться. Расход воды невелик — 2–5 литров в минуту на привод — и вода стекает через те же каналы для сбора накипи под роликовым столом.
В: Какой интервал замены масла применяется к червячным передачам сталелитейных заводов?
Горячая зона: каждые 3–6 месяцев (термические циклы ускоряют окисление масла, несмотря на использование синтетического масла). Теплая зона: каждые 6–12 месяцев. Холодная зона: каждые 12–18 месяцев. Эти интервалы предполагают мониторинг анализа масла — замена производится немедленно, если кислотное число превышает 2,0 мгКОН/г, содержание воды превышает 0,5% (из-за попадания воды для удаления накипи) или содержание железа превышает 100 ppm (что указывает на загрязнение накипью или ускоренный износ зубчатых передач). На металлургических заводах с централизованными системами циркуляции масла в червячных передачах (один охладитель обслуживает от 10 до 20 приводов) интервалы замены могут быть увеличены на 30–50%, поскольку большой объем масла разбавляет загрязнения медленнее.
В: Каков типичный срок службы червячной передачи сталелитейного завода?
При правильном выборе температурного диапазона и защите от накипи: срок службы в горячей зоне — от 3 до 5 лет, в теплой зоне — от 5 до 8 лет, в холодной зоне — от 8 до 12 лет. Срок службы стального червяка: от 6 до 15 лет во всех зонах (червяк тверже и более коррозионностойкий, чем бронзовое колесо). Ограничивающим фактором в червячных передачах для горячей зоны является усталость бронзового колеса из-за термических циклов — многократный нагрев и охлаждение приводят к образованию микротрещин на боковых поверхностях зубьев после 15 000–30 000 термических циклов. В теплой и холодной зонах пределом является абразивный износ, вызванный загрязнением накипью, который контролируется путем обслуживания лабиринтного уплотнения и промывочного кольца.
Червячные передачи сталелитейных заводов подвергаются экстремальному сочетанию термического удара, абразивного загрязнения и воздействия химических веществ, характерному для любой промышленной эксплуатации. Матрица высокотемпературной обработки сопоставляет температурные зоны продукта (горячая, теплая, холодная) с температурой окружающей среды в приводе, методом охлаждения, защитой от накипи и спецификацией смазки, что позволяет оптимизировать каждую зону и предотвратить как несоответствие спецификациям (преждевременный выход из строя в горячей зоне), так и превышение спецификаций (ненужные затраты в холодной зоне). Накипь — уникальное загрязнение сталелитейных заводов — требует использования экранированных лабиринтных уплотнений с промывкой водой в горячей зоне, что не может заменить ни одна другая защита от пыли и частиц в промышленности. Кратковременный термический удар от проходящего горячего продукта вызывает усталость уплотнений, которую не учитывают спецификации для стационарных температур — лабиринтные уплотнения заменяют манжетные уплотнения в качестве обязательной конфигурации червячной передачи для всех установок червячных передач сталелитейных заводов.
Для поставщиков оборудования для металлургических заводов и инженеров предприятий наш инженерный отдел классифицирует температурные зоны продукции и рекомендует полную спецификацию привода. Стандартный каталог усиленные червячные редукторы Подходит для сталелитейных заводов с межосевым расстоянием от 63 до 200 мм, с возможностью защиты от окалины. Отправьте заявку. Технические характеристики привода сталелитейного завода с учетом температуры продукта, секции мельницы, положения привода и уровня воздействия окалины.
Выбираете червячные передачи для вальцовых столов или технологического оборудования сталелитейных заводов?
Укажите температуру продукта, секцию прокатного стана, количество приводов, диапазон скорости вращения роликов и уровень воздействия накипи. Мы классифицируем температурную зону и порекомендуем пакет мер по охлаждению, герметизации и защите от накипи для каждой позиции привода.
Запросить техническое задание на привод сталелитейного завода →
Редактор: Cxm
