Korea Ever-Power · Руководство по применению инженерных решений
Червяки и червячные колеса для приводов цементных печей и шаровых мельниц
Вспомогательный привод печи цементного завода работает на расстоянии 3 метров от вращающегося корпуса при температуре поверхности 300 градусов Цельсия, в атмосфере, насыщенной щелочной цементной пылью с pH 12, и одновременно поглощает периодические ударные нагрузки от 80 тонн стальных шаров, падающих внутри соседней шаровой мельницы. Тепло, пыль и удары — одновременно и непрерывно — делают цементную смесь наиболее физически агрессивной средой для любой пары червячных передач, описанных в этой серии из 30 статей.
На цементных заводах червячные передачи используются для приводов вспомогательных (запорных) механизмов печей, приводов пошагового перемещения шаровых мельниц, приводов колосниковых решеток охладителей клинкера и приводов клапанов рукавных фильтров — применений, требующих выходного крутящего момента от 500 до 15 000 Н·м при частоте вращения от 0,5 до 10 об/мин в условиях комбинированной термической, абразивной и ударной нагрузки. Дерево решений по управлению тепловым режимом решает двойную проблему тепловыделения, уникальную для цементной промышленности: внешнее лучистое тепло от корпусов печей и охладителей клинкера (повышение температуры окружающей среды до 60–150 градусов Цельсия) плюс внутреннее тепло трения из-за неэффективности зубчатой передачи — что приводит к температурам корпуса, требующим активного охлаждения в большинстве установок. Для каждого типа установки предусмотрены четыре стратегии охлаждения: естественная конвекция при температуре ниже 80 градусов, охлаждение с помощью вентилятора при температуре от 80 до 110 градусов, циркуляция масла при температуре от 110 до 140 градусов и охлаждение с водяной рубашкой при температуре выше 140 градусов. Цементная пыль при pH 12 обладает как абразивными свойствами (разрушает уплотнения), так и щелочными свойствами (разрушает обычную резину), что требует использования усиленных лабиринтных уплотнений червячных передач с принудительной продувкой воздухом и уплотнительным материалом FKM. Ударные нагрузки шаровой мельницы с частотой от 20 до 40 Гц превышают расчетный коэффициент запаса прочности и требуют специальных коэффициентов ударной нагрузки от 2,0 до 3,0.
Где работают червячные передачи на цементных заводах
В основных приводах вращающейся печи и шаровой мельницы используются зубчатые передачи открытого типа — диаметр оборудования (от 4 до 6 метров) слишком велик для закрытых зубчатых передач. Однако на каждом цементном заводе имеется от 15 до 40 вспомогательных приводов, где стандартными являются червячные передачи: приводы печей, которые медленно вращают печь во время нагрева и охлаждения (предотвращая термическое провисание), приводы шаровых мельниц, которые позиционируют мельницу для осмотра футеровки, приводы колосниковых решеток охладителя клинкера, которые перемещают охладительные пластины, и приводы клапанов рукавных фильтров, которые регулируют работу заслонок в системе пылеудаления.
Эти вспомогательные червячные передачи обладают тремя общими характеристиками: низкой скоростью вращения выходного вала (от 0,5 до 10 об/мин), высоким крутящим моментом (от 500 до 15 000 Н·м) и экстремальными условиями эксплуатации на цементном заводе (высокая температура, пыль, удары). Пара червячных передач справляется со всеми тремя факторами — но только при условии правильного выбора параметров терморегулирования, пылезащиты и коэффициента запаса прочности при ударных нагрузках.
Дерево решений по управлению тепловым режимом — наличие двух источников тепла требует активного охлаждения.
Червячные передачи цементных заводов сталкиваются с тепловой проблемой, которая сочетает в себе проблему внешнего нагрева, характерную для приводов пекарских печей (статья A14), с проблемой нагрева от трения, характерной для приводов эскалаторов непрерывного действия (статья A08) — одновременно. Корпус печи, нагретый до 250–350 градусов Цельсия, излучает тепло на расположенный рядом корпус вспомогательного привода, повышая температуру окружающей среды вокруг пары передач до 60–150 градусов Цельсия. В то же время, пара передач генерирует внутреннее тепло от трения из-за неэффективности зубчатой передачи (обычно 50–60 процентов входной мощности преобразуется в тепло). Корпус должен рассеивать оба источника тепла, а высокая температура окружающей среды уменьшает температурный градиент, доступный для естественного рассеивания.
Сначала теплозащита, затем активное охлаждение. Прежде чем выбирать вентиляторное охлаждение или циркуляцию масла, оцените, может ли теплоотражающий экран между корпусом печи и червячной передачей снизить температуру окружающей среды до диапазона естественной конвекции (ниже 80 градусов Цельсия). Полированный отражатель из нержавеющей стали стоит от 100 до 300 долларов США и снижает тепловую нагрузку на 70–90 процентов, потенциально исключая необходимость в вентиляторном охлаждении (от 500 до 1500 долларов США) или циркуляции масла (от 3000 до 8000 долларов США). Наиболее экономически эффективной стратегией управления тепловыми процессами на цементных заводах является: сначала экран, а затем выбор минимального метода охлаждения для температуры, находящейся под экраном.
Защита от цементной пыли и ударная нагрузка шаровой мельницы
Цементная пыль как абразивное загрязнение. Цементная пыль (ЦП) представляет собой мелкодисперсный порошок с размером частиц от 10 до 100 мкм и pH от 11 до 13 (сильнощелочная среда). Попадая в корпус червячной передачи, ЦП действует как притирочная паста, истирая поверхности зубьев и изнашивая бронзовое колесо в 3-10 раз быстрее обычного износа. Стандартные уплотнения червячной передачи не могут исключить попадание ЦП, поскольку мелкие частицы проникают в зону контакта кромки уплотнения с валом за счет перепада статического давления (термическое «дыхание»). Спецификация на цементные уплотнения требует лабиринтного уплотнения (бесконтактное, без износа кромки) плюс принудительной продувки воздухом (сжатый воздух под давлением 0,1-0,5 бар, продуваемый через лабиринт, физически предотвращающий попадание пыли). Материал уплотнения FKM является обязательным — стандартные нитриловые и EPDM-уплотнения разрушаются в щелочной цементной атмосфере в течение 12-18 месяцев.
Ударная нагрузка шаровой мельницы. В шаровых мельницах содержится от 30 до 100 тонн стальных шаров (диаметром от 25 до 90 мм), которые перемещаются внутри вращающегося барабана. Удары шаров создают ударные нагрузки с частотой от 20 до 40 Гц, которые передаются через корпус мельницы, фундамент и прилегающие конструкции к установленным рядом червячным передачам. Стандартные расчеты коэффициента запаса прочности (SF 1,0–1,5) не учитывают эти передаваемые ударные нагрузки. Для червячных передач цементных заводов, расположенных рядом с шаровыми мельницами, требуется коэффициент запаса прочности при ударных нагрузках от 2,0 до 3,0 — это означает, что пара должна быть рассчитана на крутящий момент в 2–3 раза превышающий расчетный крутящий момент в установившемся режиме. Привод печей с крутящим моментом 3000 Н·м в установившемся режиме и коэффициентом запаса прочности SF 2,5 должен быть рассчитан на 7500 Н·м — как правило, для этого требуется типоразмер рамы на 1–2 ступени больше, чем можно было бы предположить, исходя только из крутящего момента в установившемся режиме.
На корейском цементном заводе установили новый вспомогательный привод для печей с червячной передачей, рассчитанный на 5000 Н·м — что соответствует расчетному моменту зацепления 4200 Н·м при стандартном коэффициенте запаса прочности 1,2. Привод был установлен на расстоянии 2,5 метра от корпуса печи (температура поверхности 280 градусов Цельсия) без теплозащитного экрана. Температура корпуса после 4 часов работы привода составила 115 градусов Цельсия. Стандартное минеральное масло (рассчитанное на 90 градусов Цельсия) начало разжижаться и окисляться. В течение 6 месяцев кислотное число масла превысило допустимый предел, бронзовое колесо показало ускоренный износ, а люфт увеличился с 8 угловых минут до 22 угловых минут. Бригада технического обслуживания завода установила теплозащитный экран из нержавеющей стали (260 долларов США), снизив температуру корпуса до 82 градусов Цельсия, заменила масло на синтетическое PAG (рассчитанное на 120 градусов Цельсия) и добавила комплект вентиляторного охлаждения (480 долларов США) в качестве запаса. Общая стоимость работ по термическому ремонту червячной передачи составила 740 долларов США плюс 3 часа работы по техническому обслуживанию. Замена пары червячных передач (необходимая из-за износа оригинального колеса) обошлась в 2800 долларов США плюс 8 часов монтажа. Вывод: дерево решений по термическому менеджменту следует применять на этапе проектирования, а не после выхода из строя первой пары. Если бы меры по охлаждению были приняты на этапе первоначальной установки, это позволило бы избежать затрат в 2800 долларов США на замену. На цементных заводах перед выбором метода охлаждения червячной передачи необходимо измерить температуру корпуса каждого вспомогательного привода в радиусе 5 метров от печи или корпуса охладителя — никогда не следует предполагать, что стандартная естественная конвекция достаточна вблизи высокотемпературного оборудования.
Технические характеристики трех червячных передач для цементных заводов
Пример 1 — Корейский цементный завод: привод запорного механизма печи, печь диаметром 5 м, теплозащитная оболочка.
Корейский производитель цемента выбрал червячную передачу для вспомогательного привода вращающейся печи диаметром 5,0 м и длиной 78 м, производящей 5000 тонн клинкера в сутки. Привод вращал печь со скоростью 0,1 об/мин во время нагрева, охлаждения и плановых остановок, чтобы предотвратить термическую деформацию корпуса печи. Крутящий момент: 4200 Н·м (вес печи × трение подшипника на низкой скорости). Коэффициент ударной вязкости: 1,5 (ударная нагрузка на подшипник печи минимальна — печь вращается плавно со скоростью 0,1 об/мин). Общая требуемая мощность: 6300 Н·м. Исправленная спецификация (после теплового инцидента): червячная передача, однозаходная, модуль 8, межосевое расстояние 200 мм, передаточное отношение 60:1, номинальная мощность 8000 Н·м. Материал: червяк из закаленной легированной стали, колесо из центробежно-литой фосфорной бронзы. Охлаждение: теплозащитный экран из нержавеющей стали плюс конвекция с помощью вентилятора. Масло: синтетическое PAG ISO VG 460. Уплотнения: лабиринтные, с продувкой сжатым воздухом и кромкой из FKM. Температура корпуса после экрана и вентилятора: 78 градусов Цельсия — в пределах диапазона смазки при естественной конвекции, но вентилятор обеспечивает запас для пиковых температур окружающей среды летом. Стоимость пары: 2800 долларов США. Теплозащитный экран и вентилятор: 740 долларов США. Общая стоимость привода: 3540 долларов США. Защищаемая стоимость производства в печи: приблизительно 1,2 миллиона долларов США в день производства клинкера.
Пример 2 — Японская печь для обжига извести: шаровая мельница с постепенным приводом, ударная нагрузка, пылезащита.
Японский производитель извести выбрал червячную передачу для привода ступенчатого вращения шаровой мельницы диаметром 3,8 м, измельчающей известняк в порошок. Привод ступенчатого вращения вращал мельницу со скоростью 0,5 об/мин для осмотра футеровки и регулировки загрузки шаров — работа в прерывистом режиме, обычно от 2 до 4 часов в месяц. Крутящий момент ступенчатого вращения: 2800 Н·м. Однако привод ступенчатого вращения был установлен на фундаменте мельницы на расстоянии 1,5 метра от корпуса шаровой мельницы — подвергаясь постоянной ударной вибрации с частотой 25 Гц от каскадной загрузки шаров во время нормальной работы мельницы (даже несмотря на то, что сам привод ступенчатого вращения включался только во время остановок). Коэффициент ударной чувствительности: 2,5 (передаваемая ударная волна от соседней шаровой мельницы). Требуемая номинальная мощность: 7000 Н·м. Червячная передача: однозаходная, модуль 6, межосевое расстояние 160 мм, передаточное отношение 50:1, номинальная мощность 8500 Н·м. Завышение размеров обеспечивало запас амортизации ударов. Защита от пыли была крайне важна — известняковая пыль менее щелочная, чем цементная (pH от 9 до 10), но столь же абразивная. Лабиринтное уплотнение с продувкой воздухом. Материал: червяк из закаленной легированной стали, колесо из алюминиевой бронзы (превосходит фосфорную бронзу по ударопрочности при ударных нагрузках). Стоимость за пару: 2200 долларов США. Просмотреть мощный червячный редуктор варианты применения на цементных, известковых и горнодобывающих предприятиях.
Вариант 3 — Вьетнамский охладитель клинкера: привод колосниковой решетки, температура окружающей среды 120°C, непрерывный режим работы.
Вьетнамский цементный завод выбрал червячные передачи для 6 возвратно-поступательных колосниковых приводов на охладителе клинкера. Охладитель получал клинкер температурой 1400 градусов Цельсия с выходного отверстия печи и охлаждал его до 100 градусов Цельсия с помощью принудительной циркуляции воздуха. Колосниковые приводы перемещали перфорированные стальные пластины со скоростью от 3 до 8 ходов в минуту, проталкивая слой клинкера по охладителю. Температура окружающей среды в месте расположения колосниковых приводов: от 110 до 130 градусов Цельсия (тепловое излучение от слоя клинкера плюс конвективное тепло от выходящего охлаждающего воздуха). Выходной крутящий момент на привод: 1200 Н·м. Непрерывная работа: 8760 часов в год. Червячная передача: однозаходная, модуль 5, межосевое расстояние 125 мм, передаточное отношение 40:1. Охлаждение: циркуляция масла с внешним теплообменником с воздушным охлаждением (температура корпуса стабилизируется на уровне 95 градусов Цельсия за счет циркуляции масла). Масло: синтетическое PAG ISO VG 460, замена ежегодно (контроль кислотного числа проводится ежеквартально). Уплотнение: лабиринтное, с продувкой воздухом и FKM. Материал: червяк из закаленной легированной стали, колесо из фосфористой бронзы. Защита от цементной пыли на охладителе была менее критична (клинкерная пыль крупнее и меньше поднимается в воздух, чем сырая цементная пыль), но продувка воздухом была сохранена в качестве стандартной практики. Стоимость пары: 1400 долларов США. Система циркуляции масла на один привод: 1800 долларов США. Всего шесть приводов: 19200 долларов США. Охладитель перерабатывал приблизительно 5000 тонн клинкера в сутки — стоимость пары червячных передач составляла менее 0,02 процента от годовой стоимости клинкера.
Часто задаваемые вопросы
В: Как определить коэффициент воздействия для установки цементного завода?
Измерьте скорость вибрации (мм/с СКЗ) в месте крепления червячной передачи во время нормальной работы установки (при работающем оборудовании вблизи нее). Сравните с стандартной шкалой интенсивности вибрации (ISO 10816): ниже 1,8 мм/с = SF 1,0–1,5 (стандартный промышленный уровень); 1,8–4,5 мм/с = SF 1,5–2,0 (умеренный удар); 4,5–11,2 мм/с = SF 2,0–2,5 (сильный удар); выше 11,2 мм/с = SF 2,5–3,0 (сильный удар — типично на расстоянии до 3 метров от работающих шаровых мельниц). Если установка еще не построена, используйте рекомендации по применению: ограждение печи SF 1,2–1,5; колосниковая решетка охладителя клинкера SF 1,5–2,0; близость шаровой мельницы SF 2,0–3,0; Коэффициент запаса прочности при работе с дробилкой составляет от 2,5 до 3,0. Завышение на один коэффициент запаса прочности обходится на 15–25 процентов дороже за пару, а занижение приводит к преждевременному усталостному разрушению.
В: Может ли цементная пыль повредить червячную передачу даже в герметичном корпусе?
Стандартные герметичные корпуса (только сальниковое уплотнение, без лабиринта или продувки воздухом) со временем начинают пропускать цементную пыль — мелкие частицы (10–50 мкм) проникают через сальниковое уплотнение за счет термического «дыхания» (расширение/сжатие корпуса затягивает воздух и пыль мимо уплотнения во время температурных циклов). Сроки варьируются: от 6 до 18 месяцев для корпусов только с сальниковым уплотнением в зонах с высокой запыленностью, от 3 до 5 лет для корпусов с лабиринтным уплотнением без продувки воздухом и более 10 лет для корпусов с лабиринтным уплотнением и продувкой воздухом. Анализ масла (подсчет частиц и определение щелочности) контролирует проникновение пыли — если щелочность масла превышает pH 8 или количество частиц превышает ISO 20/18/15, необходимо провести осмотр уплотнений и замену масла независимо от запланированного интервала.
В: Почему в червячных передачах цементных заводов используется масляная ванна вместо смазки?
Три причины. Во-первых, непрерывная работа и повышенная температура приводят к постоянному выделению тепла, которое смазка не может рассеять — масло циркулирует к стенкам корпуса для конвекции или к внешнему охладителю. Во-вторых, масло можно слить и заменить без разборки корпуса — это важно для цементных заводов, где периоды технического обслуживания короткие, а доступ затруднен. В-третьих, анализ масла (кислотное число, содержание воды, количество частиц, щелочность) обеспечивает неинвазивную диагностику состояния внутренних шестерен и эффективности уплотнений — информация, недоступная при смазке консистентной смазкой. Для червячных передач цементных заводов с межосевым расстоянием более 100 мм масляная ванна является универсальным решением; консистентная смазка используется только для небольших приводов (клапаны рукавных фильтров, приводы заслонок) с межосевым расстоянием менее 80 мм, где выделение тепла незначительно.
В: Как часто следует менять масло в червячной передаче цементного завода?
Базовый интервал: ежегодно для приводов, работающих при температуре корпуса ниже 90 градусов Цельсия, каждые 6 месяцев при температуре от 90 до 120 градусов Цельсия и ежеквартально при температуре выше 120 градусов Цельсия. Однако анализ масла должен иметь приоритет над календарным графиком: замена масла производится, когда кислотное число превышает 2,0 мгКОН/г, содержание воды превышает 0,5 процента или количество частиц превышает ISO 20/18/15 — независимо от прошедшего времени. В зонах с сильным запылением без продувки воздухом загрязнение пылью может потребовать замены масла каждые 3–4 месяца даже при низких температурах. Внедрение анализа масла для червячных передач по цене от 50 до 100 долларов США за образец позволяет сэкономить от 500 до 2000 долларов США на каждой ненужной замене масла в больших червячных парах — и выявлять неисправности уплотнений до того, как они приведут к повреждению шестерен.
В: Каков типичный срок службы червячной передачи цементного завода?
При правильном терморегулировании, пылезащите и регулярном замене масла срок службы составляет от 8 до 15 лет для приводов непрерывного действия (охладитель клинкера, конвейер) и от 15 до 20+ лет для приводов прерывистого действия (обжим печей, пошаговое перемещение мельниц — которые работают всего несколько сотен часов в год). Без надлежащей пылезащиты абразивное загрязнение может разрушить бронзовое червячное колесо за 2–4 года. Без надлежащего терморегулирования деградация масла может привести к ускоренному износу в течение 6–12 месяцев. Срок службы в подавляющем большинстве случаев определяется защитой от воздействия окружающей среды (уплотнения, охлаждение, замена масла), а не механическими характеристиками — правильно защищенная пара червячных передач служит в 3–5 раз дольше, чем недостаточно защищенная пара с теми же механическими характеристиками.
Червячные передачи цементных заводов работают в наиболее агрессивной физической среде среди всех применений этой серии — сочетание внешнего лучистого тепла (от 60 до 150 градусов Цельсия от корпусов печи и охладителя), абразивной щелочной пыли (пыль цементной печи с pH 12) и передаваемой ударной нагрузки (от 20 до 40 Гц от ударов шаровой мельницы). Дерево решений по терморегулированию решает двойную проблему теплопередачи, выбирая минимальный метод охлаждения (естественная конвекция, вентилятор, циркуляция масла или водяная рубашка) на основе измеренной температуры корпуса после установки теплозащиты. Защита от цементной пыли с помощью лабиринтного уплотнения с принудительной продувкой воздухом является обязательной для любого привода в запыленной зоне — стоимость системы продувки воздухом (от 200 до 500 долларов США) предотвращает абразивное загрязнение, которое разрушило бы червячную передачу стоимостью от 1500 до 3000 долларов США за 2–4 года. Для работы шаровой мельницы при ударных нагрузках требуются коэффициенты ударной нагрузки от 2,0 до 3,0 — это означает, что пара должна быть рассчитана на крутящий момент в 2–3 раза превышающий установившийся крутящий момент, чтобы выдержать передаваемую вибрацию от ударов измельчающих тел.
Для операторов цементных заводов и производителей оборудования наш инженерный отдел составляет карту теплового и пылевого режима установки, определяя необходимые параметры охлаждения, герметизации и коэффициенты запаса прочности. Стандартный каталог усиленные червячные редукторы Подходит для цементных профилей с межосевым расстоянием от 125 до 250 мм, с масляной смазкой, лабиринтными уплотнениями и возможностью продувки воздухом. Отправьте заявку. Технические характеристики привода цементного завода с учетом места установки, близости к печи/мельнице, измерения температуры корпуса и уровня вибрации.
Выбираете червячные передачи для цементных или горноперерабатывающих заводов?
Укажите место установки, близость к печи/охладителю/мельнице, температуру корпуса, уровень вибрации, степень пылезащиты, а также режим работы привода: непрерывный или прерывистый. Мы подберем метод охлаждения, защиту от пыли, коэффициент запаса прочности и технические характеристики материала.
Редактор: Cxm
