Korea Ever-Power · Sprievodca aplikačným inžinierstvom
Šneková a závitovková kolesá pre pohony cementových pecí a guľových mlynov
Pomocný pohon pece cementárne pracuje 3 metre od rotujúceho plášťa s povrchovou teplotou 300 stupňov Celzia, v atmosfére hustej s alkalickým cementovým prachom s pH 12, pričom absorbuje periodické rázové zaťaženie z 80 ton oceľových mlecích gúľ kaskádovito padajúcich vo vnútri guľového mlyna hneď vedľa. Teplo, prach a otrasy – súčasne a nepretržite – robia z cementu najfyzicky nehostinnejšie prostredie pre akýkoľvek pár závitovkových prevodov v tejto sérii 30 článkov.
Cementárne používajú páry závitovkových prevodov pre pomocné (zarážkové) pohony pecí, pohony guľového mlyna, pohony roštov chladiča slinku a ovládače ventilov vrecových filtrov – aplikácie vyžadujúce výstupný krútiaci moment 500 až 15 000 N·m pri 0,5 až 10 ot./min. v kombinovanom tepelnom, abrazívnom a rázovom zaťažení. Rozhodovací strom tepelného manažmentu rieši dvojitú tepelnú výzvu, ktorá je jedinečná pre cement: vonkajšie sálavé teplo z plášťov pece a chladiča slinku (zvyšovanie okolitej teploty na 60 až 150 stupňov Celzia) plus vnútorné trecie teplo z neefektívnosti prevodovky – čo vytvára teploty krytu, ktoré si vo väčšine inštalácií vyžadujú aktívne chladenie. V závislosti od teploty krytu sú mapované štyri stratégie chladenia: prirodzená konvekcia pod 80 stupňov, chladenie s pomocou ventilátora pre 80 až 110 stupňov, cirkulácia oleja pre 110 až 140 stupňov a chladenie vodným plášťom nad 140 stupňov. Cementový prach pri pH 12 je abrazívny (ničí tesnenia) aj alkalický (napáda štandardnú gumu) – čo si vyžaduje vysokovýkonné labyrintové tesnenia závitovkových prevodov s pozitívnym preplachovaním vzduchom a tesniaci materiál FKM. Rázové zaťaženie guľového mlyna pri frekvencii 20 až 40 Hz presahuje bežný výpočet prevádzkového faktora a vyžaduje si špecializované prevádzkové faktory nárazu 2,0 až 3,0.
Kde fungujú páry závitovkových prevodov v cementárňach
Hlavné pohony rotačnej pece a guľového mlyna používajú otvorené ozubené vence – priemer zariadenia (4 až 6 metrov) je príliš veľký pre uzavreté páry ozubených kolies. Každá cementáreň má však 15 až 40 pomocných pohonov, kde štandardom sú páry závitovkových ozubených kolies: pohony pecových hradísk, ktoré pomaly otáčajú pec počas ohrevu a chladenia (a tým zabraňujú tepelnému poklesu), pomalé pohony guľového mlyna, ktoré posúvajú mlyn na kontrolu vložky, pohony roštov chladiča slinku, ktoré posúvajú dosky chladiča, a ovládače ventilov vrecového filtra, ktoré cyklujú tlmiče v systéme zberu prachu.
Tieto pomocné závitovkové prevodové pohony majú tri spoločné charakteristiky: nízku výstupnú rýchlosť (0,5 až 10 ot./min.), vysoký krútiaci moment (500 až 15 000 N·m) a extrémne prostredie cementárne (teplo, prach, otrasy). Závitovkový prevodový pár zvláda všetky tri – ale iba ak je správne špecifikovaný tepelný manažment, ochrana proti prachu a prevádzkový faktor rázového zaťaženia.
Rozhodovací strom tepelného manažmentu – duálne zdroje tepla vyžadujú aktívne chladenie
Závitovkové prevodové páry v cementárňach čelia tepelnej výzve, ktorá kombinuje problém vonkajšieho tepla pohonov pekárenských pecí (článok A14) s problémom trecieho tepla pohonov eskalátorov s kontinuálnou prevádzkou (článok A08) – súčasne. Plášť pece s povrchovou teplotou 250 až 350 stupňov Celzia vyžaruje teplo na blízky kryt pomocného pohonu, čím sa zvyšuje teplota okolia páru prevodov na 60 až 150 stupňov Celzia. Zároveň pár závitovkových prevodov generuje vnútorné trecie teplo z neefektívnosti prevodovky (zvyčajne sa 50 až 60 percent vstupného výkonu premení na teplo). Kryt musí rozptyľovať oba zdroje tepla – a vysoká teplota okolia znižuje teplotný gradient dostupný pre prirodzený rozptyl.
Najprv tepelné tienenie, potom aktívne chladenie. Pred špecifikáciou chladenia ventilátorom alebo cirkulácie oleja zhodnoťte, či sálavý tepelný štít medzi plášťom pece a párom závitovkových prevodov dokáže znížiť okolitú teplotu na úroveň prirodzenej konvekcie (pod 80 stupňov Celzia). Leštený reflektor z nehrdzavejúcej ocele stojí 100 až 300 USD a znižuje zaťaženie sálavým teplom o 70 až 90 percent – potenciálne eliminuje potrebu chladenia ventilátorom (500 až 1 500 USD) alebo cirkulácie oleja (3 000 až 8 000 USD). Najnákladovo najefektívnejšia stratégia tepelného manažmentu v cementárňach je: najprv tienenie a potom výber minimálnej metódy chladenia pre teplotu tienenia.
Ochrana pred cementovým prachom a nárazové zaťaženie guľového mlyna
Cementový prach ako abrazívny kontaminant. Prach z cementových pecí (CKD) je jemný prášok s veľkosťou častíc 10 až 100 µm a pH 11 až 13 (silne zásaditý). Ak CKD vnikne do telesa závitovkového prevodu, pôsobí ako lapovacia zmes – obrusuje povrchy zubov a opotrebováva bronzové koleso 3 až 10-násobkom bežnej rýchlosti opotrebovania. Štandardné tesnenia závitovkových prevodov nemôžu vylúčiť CKD, pretože jemné častice prenikajú do rozhrania medzi okrajom tesnenia a hriadeľom prostredníctvom statických tlakových rozdielov (tepelné dýchanie). Špecifikácia tesnenia cementovej triedy vyžaduje labyrintové tesnenie (bezkontaktné, bez opotrebovania okraja) plus pozitívne preplachovanie vzduchom (stlačený vzduch s tlakom 0,1 až 0,5 baru fúkajúci smerom von cez labyrint, čím sa fyzicky zabraňuje vniknutiu prachu). Tesniaci materiál FKM je povinný – štandardný nitril a EPDM sa degradujú v alkalickej cementovej atmosfére do 12 až 18 mesiacov.
Rázové zaťaženie guľového mlyna. Guľové mlyny obsahujú 30 až 100 ton oceľových mlecích gúľ (s priemerom 25 až 90 mm), ktoré sa kaskádovito pohybujú vo vnútri rotujúceho bubna. Nárazy gúľ vytvárajú rázové zaťaženia s frekvenciou 20 až 40 Hz, ktoré sa prenášajú cez plášť mlyna, základy a priľahlé konštrukcie na pohony závitovkových prevodov namontovaných v blízkosti. Štandardné výpočty prevádzkového faktora (SF 1,0 až 1,5) tento prenášaný ráz nezohľadňujú. Závitovkové prevody cementárne v blízkosti guľových mlynov vyžadujú prevádzkový faktor nárazu 2,0 až 3,0 – čo znamená, že dvojica musí byť dimenzovaná na 2 až 3-násobok vypočítaného krútiaceho momentu v ustálenom stave. Pohon pece s krútiacim momentom 3 000 N·m v ustálenom stave s SF 2,5 musí byť dimenzovaný na 7 500 N·m – čo zvyčajne vyžaduje veľkosť rámu o 1 až 2 stupne väčšiu, ako by naznačoval samotný krútiaci moment v ustálenom stave.
Kórejská cementáreň nainštalovala nový pomocný pohon ochrannej lišty pece s párom závitovkových ozubených kolies s menovitým krútiacim momentom 5 000 N·m – čo zodpovedá vypočítanému krútiacemu momentu ochrannej lišty 4 200 N·m so štandardným servisným faktorom 1,2. Pohon bol umiestnený 2,5 metra od plášťa pece (povrchová teplota 280 stupňov Celzia) bez tepelného štítu. Teplota krytu bola nameraná na 115 stupňov Celzia po 4 hodinách prevádzky ochrannej lišty. Štandardný minerálny olej (dimenzionovaný na 90 stupňov Celzia) začal rednúť a oxidovať. Do 6 mesiacov číslo kyslosti oleja prekročilo limit, bronzové koleso vykazovalo zrýchlené opotrebovanie a vôľa sa zvýšila z 8 oblúkových minút na 22 oblúkových minút. Tím údržby závodu nainštaloval tepelný štít z nehrdzavejúcej ocele (260 USD), ktorý znížil teplotu krytu na 82 stupňov Celzia, vymenil olej za syntetický PAG (dimenzionovaný na 120 stupňov Celzia) a pridal súpravu na chladenie ventilátorom (480 USD) ako rezervu. Kombinované náklady na tepelný zásah závitovkového prevodu predstavovali 740 USD plus 3 hodiny údržbárskej práce. Náhradný pár závitovkových prevodov (potrebný, pretože pôvodné koleso bolo opotrebované nad rámec prevádzky) stál 2 800 USD plus 8 hodín inštalácie. Ponaučenie: rozhodovací strom o tepelnom manažmente by sa mal uplatniť vo fáze špecifikácie, nie po zlyhaní prvého páru. Chladiaci zásah vo výške 740 USD by zabránil výmene za 2 800 USD, ak by sa uplatnil od počiatočnej inštalácie. V cementárňach si každý pomocný pohon do 5 metrov od pece alebo plášťa chladiča vyžaduje meranie teploty krytu pred výberom metódy chladenia závitovkovým prevodom – nikdy nepredpokladajte, že štandardná prirodzená konvekcia je postačujúca v blízkosti zariadení s vysokou teplotou.
Tri prípady špecifikácie párov závitovkových prevodov cementárne
Prípad 1 – Kórejská cementáreň: pohon pece s ohradením, pec s priemerom 5 m, tepelne tienená
Kórejský výrobca cementu špecifikoval závitovkový prevodový pár pre pomocný pohon tŕňov rotačnej pece s priemerom 5,0 m × dĺžkou 78 m, ktorá vyrába 5 000 ton slinku denne. Pohon tŕňov otáčal pec rýchlosťou 0,1 ot./min. počas zahrievania, ochladzovania a plánovaných zastavení, aby sa zabránilo tepelnej deformácii plášťa pece. Krútiaci moment tŕňa: 4 200 N·m (hmotnosť pece × trenie v ložisku pri nízkej rýchlosti). Rázový koeficient SF: 1,5 (tŕň pece má minimálne rázy – pec sa plynulo otáča rýchlosťou 0,1 ot./min.). Celkový požadovaný výkon: 6 300 N·m. Opravená špecifikácia (po tepelnom incidente): závitovkový prevodový pár s jedným chodom, modul 8, rozostup stredov 200 mm, prevodový pomer 60:1, menovitý krútiaci moment 8 000 N·m. Materiál: závitovka z kalenej legovanej ocele, koleso z odstredivého liatia fosforového bronzu. Chladenie: tepelný štít z nehrdzavejúcej ocele plus konvekcia s ventilátorom. Olej: syntetický PAG ISO VG 460. Tesnenia: labyrintové plus preplachovanie stlačeným vzduchom plus tesnenie z FKM. Teplota telesa za štítom a ventilátorom: 78 stupňov Celzia – v rámci rozsahu maziva s prirodzenou konvekciou, ale ventilátor poskytuje rezervu pre letné teploty okolia. Cena za pár: 2 800 USD. Tepelný štít a ventilátor: 740 USD. Celkové náklady na pohon: 3 540 USD. Chránená hodnota produkcie pece: približne 1,2 milióna USD za deň produkcie slinku.
Prípad 2 – Japonská vápenná pec: pomalý pohon guľového mlyna, rázové zaťaženie, odolnosť voči prachu
Japonský výrobca vápna špecifikoval závitovkový prevodový pár pre pomalý pohon guľového mlyna s priemerom 3,8 m, ktorý mlel vápenec na prášok. Pohon pomalého prevodu otáčal mlyn rýchlosťou 0,5 ot./min. na kontrolu vložky a nastavenie vsádzky guľôčok – prerušovaná prevádzka, zvyčajne 2 až 4 hodiny mesačne. Krútiaci moment pomalého prevodu: 2 800 N·m. Pohon pomalého prevodu bol však namontovaný na základoch mlyna 1,5 metra od plášťa guľového mlyna – počas normálnej prevádzky mlyna bol vystavený nepretržitým rázovým vibráciám s frekvenciou 25 Hz z kaskádovitej vsádzky guľôčok (aj keď samotný pohon pomalého prevodu bol zapojený iba počas zastávok). Rázový koeficient SF: 2,5 (prenášaný ráz zo susedného guľového mlyna). Požadovaný výkon: 7 000 N·m. Závitovkový prevodový pár: jednochodý, modul 6, stredová vzdialenosť 160 mm, prevodový pomer 50:1, menovitý krútiaci moment 8 500 N·m. Nadmerné dimenzovanie zabezpečilo rezervu tlmenia nárazov. Ochrana proti prachu bola kritická – vápencový prach je menej zásaditý ako cementový prach (pH 9 až 10), ale rovnako abrazívny. Labyrintové tesnenie s odvzdušňovaním. Materiál: závitovka z kalenej legovanej ocele, koleso z hliníkového bronzu (vynikajúca odolnosť voči nárazom ako fosforový bronz pri nárazovom zaťažení). Cena za pár: 2 200 USD. Prehliadať vysokovýkonný závitovkový redukčný prevod možnosti pre aplikácie v cementárňach, vápenkách a zariadeniach na spracovanie nerastných surovín.
Prípad 3 – Vietnamský chladič slinku: pohon roštu, teplota okolia 120 °C, nepretržitá prevádzka
Vietnamská cementáreň špecifikovala páry závitovkových prevodov pre 6 pohonov vratných roštov na chladiči slinku. Chladič prijímal slinok s teplotou 1 400 stupňov Celzia z výstupu z pece a ochladzoval ho na 100 stupňov Celzia pomocou krížového prúdenia núteného vzduchu. Rošt poháňa pokročilé perforované oceľové dosky rýchlosťou 3 až 8 zdvihov za minútu, ktoré tlačia lôžko slinku cez chladič. Okolitá teplota v mieste pohonu roštu: 110 až 130 stupňov Celzia (sálavé teplo z lôžka slinku plus konvektívne teplo z výstupu chladiaceho vzduchu). Výstupný krútiaci moment na pohon: 1 200 N·m. Nepretržitá prevádzka: 8 760 hodín ročne. Pár závitovkových prevodov: jednostupňový, modul 5, rozostup 125 mm, prevodový pomer 40:1. Chladenie: cirkulácia oleja s externým vzduchom chladeným výmenníkom tepla (teplota telesa stabilizovaná na 95 stupňov Celzia s cirkuláciou oleja). Olej: syntetický PAG ISO VG 460, meniaci sa ročne (monitorovanie čísla kyslosti štvrťročne). Tesnenie: labyrintové plus preplachovanie vzduchom plus FKM. Materiál: závitovka z kalenej legovanej ocele, koleso z fosforového bronzu. Ochrana pred cementovým prachom bola v chladiči menej kritická (prach slinku je hrubší a menej sa šíri vzduchom ako surový cementový prach), ale preplachovanie vzduchom sa zachovalo ako štandardný postup. Cena za pár: 1 400 USD. Systém cirkulácie oleja na pohon: 1 800 USD. Celkom šesť pohonov: 19 200 USD. Chladič spracovával približne 5 000 ton slinku denne – náklady na pár závitovkových prevodov predstavovali menej ako 0,02 percenta ročnej hodnoty slinku.
Často kladené otázky
Otázka: Ako určím faktor vplyvu na prevádzku cementárne?
Zmerajte rýchlosť vibrácií (mm/s RMS) v mieste montáže páru závitovkových ozubených kolies počas normálnej prevádzky zariadenia (všetky blízke zariadenia bežia). Porovnajte so štandardnou tabuľkou závažnosti vibrácií (ISO 10816): pod 1,8 mm/s = SF 1,0 až 1,5 (štandardná priemyselná prevádzka); 1,8 až 4,5 mm/s = SF 1,5 až 2,0 (mierny náraz); 4,5 až 11,2 mm/s = SF 2,0 až 2,5 (silný náraz); nad 11,2 mm/s = SF 2,5 až 3,0 (silný náraz – typický do 3 metrov od prevádzkovaných guľových mlynov). Ak zariadenie ešte nie je postavené, použite aplikačné pokyny: uzáver pece SF 1,2 až 1,5; rošt chladiča slinku SF 1,5 až 2,0; blízkosť guľového mlyna SF 2,0 až 3,0; blízkosť drviča SF 2,5 až 3,0. Nadhodnotenie o jeden stupeň servisného faktora stojí o 15 až 25 percent viac na pár – podhodnotenie vedie k predčasnému únavovému zlyhaniu.
Otázka: Môže cementový prach poškodiť závitovkové koleso aj pri utesnenom telese?
Štandardné utesnené puzdrá (iba s perovým tesnením, bez labyrintu alebo preplachovania vzduchom) nakoniec prepustia cementový prach – jemné častice (10 až 50 µm) prenikajú cez pero tesnenia tepelným dýchaním (rozťahovanie/sťahovanie puzdra nasáva vzduch a prach okolo tesnenia počas teplotných cyklov). Časový harmonogram sa líši: 6 až 18 mesiacov pre puzdrá iba s perovým tesnením v oblastiach s vysokým obsahom prachu, 3 až 5 rokov pre puzdrá s labyrintovým tesnením bez preplachovania vzduchom a 10+ rokov pre puzdrá s labyrintom a preplachovaním vzduchom. Analýza oleja (počet častíc a testovanie alkality) monitoruje vnikanie prachu – ak alkalita oleja stúpne nad pH 8 alebo počet častíc prekročí normu ISO 20/18/15, je potrebné skontrolovať tesnenia a vymeniť olej bez ohľadu na plánovaný interval.
Otázka: Prečo sa v závitovkových prevodových pároch cementární používa olejový kúpeľ namiesto maziva?
Tri dôvody. Po prvé, nepretržitá prevádzka a zvýšená teplota spôsobujú trvalé vytváranie tepla, ktoré mazivo nemôže rozptýliť – olej cirkuluje teplo k stenám krytu konvekciou alebo k externému chladiču. Po druhé, olej je možné vypustiť a vymeniť bez demontáže krytu – čo je dôležité pre cementárne, kde sú údržbárske okná krátke a prístup je ťažký. Po tretie, analýza oleja (číslo kyslosti, obsah vody, počet častíc, zásaditosť) poskytuje neinvazívnu diagnostiku stavu vnútorného prevodu a účinnosti tesnenia – informácie, ktoré nie sú k dispozícii pri mazaní plastickým mazivom. Pre páry závitovkových prevodov cementárne s osovou vzdialenosťou nad 100 mm je olejový kúpeľ univerzálny; mazivo sa používa iba na malých pohonoch (vreckové filtračné ventily, pohony klapiek) s osovou vzdialenosťou pod 80 mm, kde je vytváranie tepla zanedbateľné.
Otázka: Ako často by sa mal meniť olej v závitovkovom prevodovom páre cementárne?
Základný interval: ročne pre pohony prevádzkované pri teplote krytu pod 90 stupňov Celzia, každých 6 mesiacov pri teplotách od 90 do 120 stupňov Celzia a štvrťročne pri teplotách nad 120 stupňov Celzia. Analýza oleja by však mala mať prednosť pred kalendárnym harmonogramom: olej vymeňte, keď číslo kyslosti prekročí 2,0 mgKOH/g, obsah vody prekročí 0,5 percenta alebo počet častíc prekročí normu ISO 20/18/15 – bez ohľadu na uplynutý čas. V oblastiach s vysokým obsahom prachu bez odvzdušňovania môže kontaminácia prachom vyžadovať výmenu oleja každé 3 až 4 mesiace, a to aj pri nízkych teplotách. Implementácia analýzy oleja v závitovkových prevodoch v množstve 50 až 100 USD na vzorku ušetrí 500 až 2 000 USD na jednu zbytočnú výmenu oleja na veľkých pároch závitovkových prevodov – a zachytí poruchy tesnení skôr, ako spôsobia poškodenie prevodu.
Otázka: Aká je typická životnosť závitovkového prevodového páru cementárne?
Pri správnom tepelnom riadení, ochrane pred prachom a údržbe oleja: 8 až 15 rokov pre pohony s nepretržitou prevádzkou (chladič slinku, dopravník) a 15 až 20+ rokov pre pohony s prerušovanou prevádzkou (ohrievače pecí, pomalé vkladanie oleja – ktoré pracujú len niekoľko stoviek hodín ročne). Bez primeranej ochrany pred prachom môže abrazívne znečistenie zničiť bronzové koleso závitovkového prevodu za 2 až 4 roky. Bez primeraného tepelného riadenia môže degradácia oleja spôsobiť zrýchlené opotrebovanie v priebehu 6 až 12 mesiacov. Životnosť je prevažne určená ochranou prostredia (tesnenia, chladenie, údržba oleja) a nie mechanickým zaťažením – správne chránený pár závitovkových prevodov vydrží 3 až 5-krát dlhšie ako nedostatočne chránený pár s rovnakou mechanickou špecifikáciou.
Závitovkové prevody v cementárňach pracujú vo fyzicky najnehostinnejšom prostredí zo všetkých aplikácií v tejto sérii – kombinujú externé sálavé teplo (60 až 150 stupňov Celzia z plášťov pece a chladiča), abrazívny alkalický prach (prach z cementárskej pece s pH 12) a prenášané rázové zaťaženie (20 až 40 Hz z nárazov guľového mlyna). Rozhodovací strom tepelného manažmentu rieši dvojitý problém s teplom výberom minimálnej metódy chladenia (prirodzená konvekcia, ventilátor, cirkulácia oleja alebo vodný plášť) na základe nameranej teploty krytu po aplikácii tepelného tienenia. Ochrana pred cementovým prachom pomocou labyrintového tesnenia s pozitívnym preplachovaním vzduchom je nevyhnutná pre akýkoľvek pohon v prašnej zóne – náklady na systém preplachovania vzduchom (200 až 500 USD) zabraňujú abrazívnej kontaminácii, ktorá by zničila závitovkový prevod v hodnote 1 500 až 3 000 USD za 2 až 4 roky. Rázové zaťaženie guľového mlyna vyžaduje prevádzkové faktory nárazu 2,0 až 3,0 – čo znamená, že pár musí byť dimenzovaný na 2 až 3-násobok ustáleného krútiaceho momentu, aby vydržal prenášané vibrácie z nárazov mlecích médií.
Pre prevádzkovateľov cementární a výrobcov zariadení naša technická linka mapuje tepelné a prašné prostredie inštalácie so správnou špecifikáciou chladenia, tesnenia a prevádzkového faktora. Štandardný katalóg vysokovýkonné závitovkové prevody pokrývajú cementové rozmery s rozostupom osí od 125 do 250 mm s mazaním v olejovom kúpeli, labyrintovými tesneniami a možnosťami preplachovania vzduchom. Odošlite špecifikácia pohonu cementárne s miestom inštalácie, blízkosťou pece/mlyna, meraním teploty krytu a úrovňou vibrácií.
Špecifikácia párov závitovkových prevodov pre cementárne alebo zariadenia na spracovanie nerastných surovín?
Pošlite miesto inštalácie, blízkosť pece/chladiča/mlyna, teplotu krytu, úroveň vibrácií, vystavenie prachu a či je pohon nepretržitý alebo prerušovaný. Vyberieme spôsob chladenia, ochranu pred prachom, prevádzkový faktor a špecifikáciu materiálu.
Redaktor: Cxm
