Korea Ever-Power · Sprievodca aplikačným inžinierstvom
Šnek a závitovkové koleso pre valcovanie a spracovanie ocele
25-tonová oceľová doska s teplotou 1 150 stupňov Celzia sa valí po stole so 120 poháňanými valcami. Každý pohon valcov – závitovkový prevodový pár – absorbuje sálavé teplo z rozžeravenej dosky 300 mm nad ňou, odkláňa dážď oxidu železitého padajúceho z povrchu dosky a odoláva vysokotlakovej odvápňovacej vode striekanej pri tlaku 180 barov. Samotný produkt je nehostinným prostredím – a prechádza ním každých 90 sekúnd.
Oceliarne používajú páry závitovkových prevodov na pohony valčekových stolov, pohony tŕňov navíjačiek, presuny chladiacich lôžok a skrutkovacie mechanizmy valcovania – všetky pracujú v blízkosti oceľového výrobku s teplotou 200 až 1 200 stupňov Celzia. Matica spracovania ocele pre vysoké teploty klasifikuje pohony podľa teplotnej zóny výrobku, ktorú obsluhujú (horúca, teplá, studená) a mapuje každú zónu na okolitú teplotu pri pohone, požadovaný spôsob chladenia, ochranu tesnenia proti usadeninám oxidu železa a špecifikáciu materiálu. Na rozdiel od pekárenských alebo cementárskych aplikácií, kde je zdroj tepla statický (pec, pec), je teplo oceliarne prechodné – brama s teplotou 1 150 stupňov prechádza cez pohon valčekového stola 2 až 5 sekúnd na prechod, čím vytvára cykly tepelných šokov, ktoré štandardné špecifikácie závitovkových prevodov s kontinuálnym vystavením nezachytávajú. Okoviny (vločky oxidu železa Fe₃O₄ s teplotou viac ako 800 stupňov) padajúce z výrobku sú zároveň vysokoteplotným abrazívom a chemickým kontaminantom – vyžadujú si tienené labyrinty, ktorým sa žiadna ochrana proti prachu v inom odvetví nevyrovná.
Kde oceliarne používajú závitovkové prevody
Valcovňa ocele obsahuje stovky jednotlivo poháňaných valcov, ktoré prepravujú a umiestňujú horúcu oceľ medzi valcovacími stolicami, cez odokovovacie stanice, cez chladiace lôžka a do navíjačiek. Každý valec vyžaduje závitovkový prevodový pohon, ktorý premieňa rýchlosť motora (zvyčajne 1 450 ot./min.) na rýchlosť valcov (10 až 200 ot./min. v závislosti od sekcie valcovne). Závitovkové prevodové dvojice slúžia na zníženie rýchlosti na valčekových stoloch, výbehových stoloch, pohonoch hrablí chladiacich lôžok a skrutkových mechanizmoch, kde 90-stupňová orientácia motora zapadá do tesnej vzdialenosti valcov (300 až 600 mm medzi stredmi valcov).
Hlavné pohony valcovacích stolíc používajú vysokovýkonné špirálové alebo planétové prevodovky namiesto párov závitovkových ozubených kolies kvôli extrémne výkonným špirálovým alebo planétovým prevodovkám (500 až 5 000 kW) – ktoré sú pre páry závitovkových ozubených kolies príliš veľké. 50 až 200 jednotlivých pohonov párov závitovkových ozubených kolies na valčekovú stolicu a pomocné zariadenia však predstavuje väčší celkový počet jednotiek ako ktorákoľvek iná samostatná aplikácia v tejto 30-článkovej sérii.
Matrica na spracovanie ocele pre vysoké teploty – produktová zóna podľa špecifikácie pohonu
Kritický rozdiel medzi teplom oceliarní a inými aplikáciami s vysokou teplotou (pekáreň A14, cementáreň A25) spočíva v tom, že teplo oceliarní je prenášané produktom a je prechodné. Brama s teplotou 1 150 stupňov prechádza cez pár závitovkových prevodov valčekového stola 2 až 5 sekúnd a potom o 60 až 120 sekúnd neskôr dorazí ďalšia brama. Teplota krytu pohonu osciluje s každým prechodom bramy – stúpa o 5 až 15 stupňov Celzia na prechod a potom sa medzi prechodmi ochladzuje. Toto tepelné cyklovanie je oveľa škodlivejšie pre tesnenia závitovkových prevodov a olej ako ustálená zvýšená teplota v pekárňach alebo cementárňach.
Matica odhaľuje 3 až 5-násobný rozdiel v nákladoch medzi špecifikáciou studenej a horúcej zóny – primárne kvôli chladiacemu systému (vodný plášť alebo cirkulácia oleja pridáva 1 500 až 4 000 USD na pohon) a ochrane pred vodným kameňom (preplachovací krúžok vodou pridáva 200 až 500 USD oproti jednoduchému labyrintu). Mlyn so 120 pohonmi valčekového stola môže mať 30 v horúcej zóne, 40 v teplej zóne a 50 v studenej zóne – špecifikovanie všetkých 120 závitovkových pohonov na úrovni horúcej zóny znamená plytvanie približne 120 000 USD na zbytočné chladiace zariadenie na pohonoch studenej zóny.
Oxid železa a odvápňovacia voda pod vysokým tlakom
Vodný kameň ako jedinečný kontaminant. Keď sa horúca oceľ dostane do kontaktu so vzduchom, jej povrch oxiduje a vytvára oxid železitý (Fe₃O₄) – tvrdú, krehkú vrstvu, ktorá sa odlupuje z povrchu ocele pri jej prechode valcovňou. Vločky okuje s veľkosťou 2 až 10 mm padajú z výrobku pri teplote 600 až 1 000 stupňov Celzia na pohony valčekového stola pod ním. Tieto horúce okuje sú zároveň vysokoteplotným projektilom (pri kontakte sa môžu roztaviť cez štandardné gumové tesnenia), brúsnym materiálom (Mohsova stupnica 6, tvrdšia ako cementový prach) a chemickým kontaminantom (rozpúšťa sa v chladiacej vode za vzniku kyslej suspenzie hydroxidu železitého pri pH 3 až 5). Žiadne iné odvetvie neprodukuje kontaminant, ktorý by kombinoval všetky tri mechanizmy poškodenia.
Ochrana proti vodnému kameňu pre telesá závitovkových prevodov. Pohony s horúcou zónou vyžadujú oceľový deflektor vodného kameňa umiestnený nad puzdrom, ktorý zachytáva padajúce vodné kameňe predtým, ako sa dostanú do kontaktu s tesneniami. Kryt musí byť vymeniteľný (opakovaným nárazom horúcich vodných kameňov sa eroduje) a musí byť nastavený tak, aby odvádzal vodný kameň od vstupného bodu hriadeľa. Za krytom sa nachádza vodný preplachovací krúžok, ktorý nepretržite odplavuje častice vodného kameňa z labyrintového tesnenia, čím zabraňuje ich hromadeniu, ktoré by sa mohli zaškrabať do kontaktných plôch tesnenia.
Interakcia vody pri odvápňovaní. Vysokotlakové odvápňovacie spreje s tlakom 150 až 200 barov odstraňujú okoviny z povrchu ocele pred valcovaním – vytvárajú hmlu horúcej vody, pary a fragmentovaných častíc okovín, ktorá obaľuje pohony valčekového stola. Teleso závitovkového prevodu musí tomuto prostrediu odolávať nepretržite – štandardné náterové systémy zlyhajú v priebehu 6 až 12 mesiacov. Telesá s horúcou zónou používajú holý liatinový alebo zinkovo metalizovaný povlak (bez farby – farba sa odlupuje v dôsledku tepelného cyklovania) s obetným prídavkom na koróziu zabudovaným do hrúbky steny.
Kórejská valcovňa za tepla s produkciou 3 milióny ton ročne špecifikovala páry závitovkových ozubených kolies pre 80 pohonov valčekov výbežného stola medzi dokončovacou stolicou a navíjačkou. Výbežný stôl slúžil pre teplú zónu (teplota produktu 600 až 850 stupňov Celzia na výstupe z dokončovacej stolice, chladenie na 500 až 650 stupňov Celzia na navíjačke). Teplota okolia pohonu: 80 až 110 stupňov Celzia. Pôvodná špecifikácia používala minerálny EP olej (ISO VG 320, dimenzovaný na 90 stupňov Celzia) so štandardnými tesneniami FKM a bez krytu proti vodnému kameňu – cenovo konkurencieschopná možnosť za 420 USD za pohon. V priebehu 18 mesiacov zlyhalo 22 z 80 pohonov – minerálny olej oxidoval v prostredí tepelných cyklov, tesnenia boli erodované časticami vodného kameňa a do krytov sa dostala suspenzia vodného kameňa. V špecifikácii náhrady boli pridané deflektory proti vodnému kameňu (180 USD za kus), krúžky na preplachovanie vodou (250 USD za kus), labyrintové tesnenia (výmena guľových tesnení, príplatok 85 USD za kus) a syntetický olej PAG (príplatok 45 USD za náplň). Celková modernizácia na pohon: 560 USD – čím sa náklady na jednotku zvýšili zo 420 USD na 980 USD. Kontrola po modernizácii v 3. roku: žiadne poruchy na všetkých 80 pohonoch. Modernizácia 80 pohonov za 560 USD (spolu 44 800 USD) zabránila 22 predčasným poruchám, ktoré stáli približne 35 000 USD na náhradné pohony plus 180 000 USD na oneskorenia výroby v dôsledku odstávok sekcií valčekového stola. Ponaučenie: špecifikácia minimálnej tepelnej zóny z matice spracovania musí zahŕňať ochranu proti vodnému kameňu – výber správneho oleja a chladenia bez riešenia cesty vstupu vodného kameňa vedie k rovnakej miere poruchovosti ako nedostatočná špecifikácia samotného tepelného manažmentu.
Špecifikácie troch párov závitovkových prevodov oceliarní
Prípad 1 – Kórejská valcovňa za tepla: 80 pohonov výsuvných stolov, teplá zóna, ochrana proti vodnému kameňu
Kórejská valcovňa pásov za tepla (pozri vyššie uvedenú poznámku Engineering Desk) špecifikovala 80 párov závitovkových prevodov pre výbehový stôl medzi dokončovacou stolicou a navíjačkou. Rýchlosť valčekov: 60 až 180 ot./min (variabilná v závislosti od rýchlosti pásu). Motor: 5,5 kW, 1 450 ot./min. Prevodový pomer: 10:1 (2-chodový – samosvorné u valčekových stolov nie je potrebné; valčeky sa voľne otáčajú, keď sa motor zastaví). Výstupný krútiaci moment: 120 N·m na valec. Opravená špecifikácia: 2-chodový, modul 3, rozostup osí 80 mm. Materiál: závitovka z kalenej legovanej ocele, koleso z fosforového bronzu. Ochranný kryt proti okovu + krúžok na preplachovanie vodou + labyrintové tesnenie. Olej: syntetický PAG ISO VG 320, cirkulácia oleja s externým chladičom zdieľaným medzi skupinami 10 pohonov. Cena za pohon (vrátane ochrany): 980 USD. Celkom za 80 pohonov: 78 400 USD. Valcovňa vyrábala pás za veľkoobchodnú cenu 90 USD za tonu – každá hodina prestoja výbehového stola stála približne 27 000 USD v strate produkcie.
Prípad 2 – Japonská valcovňa drôtu: pohon tŕňa navíjačky, horúca zóna, vodou chladený kryt
Japonská valcovňa drôtu špecifikovala páry závitovkových ozubených kolies pre 4 pohony tŕňov navíjačky. Navíjačka navíjala horúci drôt (s priemerom 5,5 až 16 mm) do cievok na výstupe z dokončovacieho bloku. Teplota drôtu na navíjačke: 900 až 1 050 stupňov Celzia. Pohon tŕňa sa nachádzal priamo pod bodom navíjania – teplota okolia meraná počas navíjania bola 160 až 190 stupňov Celzia (najteplejšie prostredie páru závitovkových ozubených kolies v tejto 30-článkovej sérii). Pár závitovkových ozubených kolies: jednochodý (samosvorné je potrebné na udržanie napnutia cievky počas navíjania), modul 5, stredová vzdialenosť 125 mm, pomer 30:1. Výstupný krútiaci moment: 650 N·m (napnutie drôtu × polomer tŕňa). Chladenie: puzdro s vodným plášťom s nepretržitou cirkuláciou chladiacej vody (puzdro sa udržiavalo na 85 stupňoch Celzia napriek teplote okolia 180 stupňov Celzia). Olej: perfluóréter PFPE (dimenzionálny na 250 stupňov Celzia – poskytuje extrémnu rezervu pre akékoľvek prerušenie chladiaceho systému). Ochrana proti vodnému kameňu: celooceľový kryt uzatvárajúci pohon s vodnou striekajúcou clonou na otvore krytu. Cena za pár závitovkových prevodov s vodným plášťom: 4 200 USD. Olejová náplň PFPE: 380 USD. Prehliadať priemyselný závitovkový redukčný prevod možnosti pre aplikácie valčekových stolov a navíjačiek v oceliarňach.
Prípad 3 – Vietnamská valcovňa výstužných tyčí: pohon chladiaceho lôžka, studená zóna, štandardná špecifikácia
Vietnamská valcovňa výstuže špecifikovala páry závitovkových prevodov pre 8 pohonov hrablí chladiaceho lôžka. Chladiace lôžko prijímalo hotovú výstuž pri teplote 600 až 800 stupňov Celzia a prenášalo ju laterálne cez lôžko pomocou vratných hrablí, kým sa výstuž neochladila pod 100 stupňov Celzia na zväzovanie. Pohony hrablí boli umiestnené pod mriežkou chladiaceho lôžka – prijímali zvyškové sálavé teplo, ale neprichádzali do priameho kontaktu s výrobkom. Okolitá teplota pri pohone hrablí: 45 až 65 stupňov Celzia (studená zóna – výstuž sa ochladila v teplej zóne predtým, ako dosiahla polohu hrablí). Pár závitovkových prevodov: jednochodý, modul 4, rozostup 100 mm, prevodový pomer 40:1. Výstupný krútiaci moment: 800 N·m (hmotnosť hrablí × trenie). Chladenie: prirodzená konvekcia (dostatočné pri okolitej teplote 65 stupňov Celzia). Ochrana proti okovu: labyrintové tesnenie s preplachovaním vzduchom (voľné častice okovu padajú cez mriežku chladiaceho lôžka na pohony). Olej: minerálny EP ISO VG 320. Cena za pár: 480 USD. Celkom za 8 pohonov: 3 840 USD. Prípadová štúdia demonštruje, že nie všetky pohony oceliarní vyžadujú špecifikáciu horúcej zóny – studená zóna chladiaceho lôžka pracuje za podmienok porovnateľných so štandardným priemyselným prostredím s pridanou ochranou proti vodnému kameňu.
Často kladené otázky
Otázka: Prečo pohony valčekových stolov oceliarní používajú dvojchodové závitovkové prevody?
Pohony valčekových stolov nepotrebujú samosvorné uzamknutie, pretože valčeky sa môžu bezpečne voľne otáčať, keď sa motor zastaví – horúca oceľová doska sa dobíja po voľne sa otáčajúcich valčekoch bez poškodenia. Dvojchodová špecifikácia zvyšuje účinnosť zo 40 na 48 percent (jednochodový režim) na 65 až 72 percent (2-chodový režim), čím sa znižuje zahrievanie motora a predlžuje životnosť oleja v už aj tak horúcom prostredí. Pri 80 až 120 pohonoch valčekových stolov na valcovňu sa vďaka zvýšenej účinnosti ušetrí 50 až 150 kW celkového výkonu – čo predstavuje významné zníženie prevádzkových nákladov pri viac ako 6 000 hodinách ročne. Výnimkou sú pohony tŕňa navíjačky a skrutkovacie mechanizmy, ktoré musia byť jednochodové, aby sa zabezpečilo samosvorné udržanie napätia a polohy.
Otázka: Aký je rozdiel medzi cyklovaním tepelného šoku a ustáleným stavom vysokej teploty?
Ustálená vysoká teplota (pekáreň, cement) umožňuje celej zostave závitovkového prevodu dosiahnuť tepelnú rovnováhu – všetky komponenty sa rovnomerne rozťahujú. Cyklovanie tepelných šokov (prechod bramy oceliarní) rýchlo zahrieva horný povrch puzdra, zatiaľ čo spodná časť zostáva chladnejšia – vytvára teplotný gradient v puzdre, ktorý spôsobuje rozdielnu tepelnú rozťažnosť. Táto rozdielna rozťažnosť namáha kontaktné povrchy tesnenia v každom cykle inak (horúca strana sa rozťahuje a stláča tesnenie, studená strana zostáva statická). Pri tisíckach prechodov bramy denne cyklické stlačenie tesnenia spôsobuje zrýchlenú únavu štandardných gumových tesniacich materiálov – preto sú tesnenia párov závitovkových prevodov oceliarní labyrintové (bezkontaktné, bez únavy) a nie okrajové tesnenia (kontaktné, náchylné na únavu).
Otázka: Dá sa predísť poškodeniu vodným kameňom bez preplachovacieho krúžku?
V teplých a studených zónach je zvyčajne postačujúce preplachovanie stlačeným vzduchom (0,3 až 0,5 baru), aby sa zabránilo hromadeniu vodného kameňa na labyrintovom tesnení. V horúcej zóne je samotné preplachovanie vzduchom nedostatočné, pretože horúce častice vodného kameňa (600 až 1 000 stupňov Celzia) sa môžu roztaviť v labyrintových priechodoch a stuhnúť ako tvrdá kôra, ktorá blokuje prúdenie vzduchu. Preplachovací krúžok vodou ochladzuje častice vodného kameňa pod bod mäknutia a odplavuje ich skôr, ako sa môžu hromadiť. Prietok vody je nízky – 2 až 5 litrov za minútu na pohon – a voda odteká cez rovnaké kanály na zber vodného kameňa pod valčekovým stolom.
Otázka: Aký interval výmeny oleja platí pre pohony závitovkových prevodov oceliarní?
Horúca zóna: každé 3 až 6 mesiacov (termické cyklovanie urýchľuje oxidáciu oleja napriek syntetickému oleju). Teplá zóna: každých 6 až 12 mesiacov. Studená zóna: každých 12 až 18 mesiacov. Tieto intervaly predpokladajú monitorovanie analýzy oleja – okamžite vymeňte, ak číslo kyslosti prekročí 2,0 mgKOH/g, obsah vody prekročí 0,5 percenta (z dôvodu vniknutia vody na odvápňovanie) alebo obsah železa prekročí 100 ppm (čo naznačuje kontamináciu vodným kameňom alebo zrýchlené opotrebovanie ozubených kolies). Oceliarne s centralizovanými systémami cirkulácie oleja v závitovkových prevodovkách (jeden chladič obsluhujúci 10 až 20 pohonov) môžu predĺžiť intervaly o 30 až 50 percent, pretože veľký objem oleja riedi nečistoty pomalšie.
Otázka: Aká je typická životnosť závitovkového ozubeného kolesa v oceliarňach?
Pri správnej špecifikácii teplotnej zóny a ochrane proti vodnému kameňu: horúca zóna 3 až 5 rokov, teplá zóna 5 až 8 rokov, studená zóna 8 až 12 rokov. Životnosť oceľového závitovkového prevodu: 6 až 15 rokov vo všetkých zónach (závitovkový prevod je tvrdší a odolnejší voči korózii ako bronzové koleso). Obmedzujúcim faktorom životnosti závitovkových prevodov v horúcej zóne je tepelno-cyklická únava bronzového kolesa – opakované zahrievanie a chladenie spôsobuje mikrotrhliny na bokoch zubov po 15 000 až 30 000 tepelných cykloch. V teplých a studených zónach je limitom abrazívne opotrebenie spôsobené kontamináciou vodným kameňom – riadené údržbou labyrintového tesnenia a preplachovacieho krúžku.
Závitovkové prevody v oceliarňach čelia v akejkoľvek priemyselnej aplikácii najextrémnejšej kombinácii tepelných šokov, abrazívnej kontaminácie a chemického vystavenia. Matica spracovania pri vysokých teplotách mapuje teplotné zóny produktu (horúca, teplá, studená) s okolím v pohone, metódou chladenia, ochranou pred vodným kameňom a špecifikáciou maziva – čo umožňuje optimalizáciu pre každú zónu, ktorá zabraňuje podšpecifikácii (predčasné zlyhanie v horúcej zóne) aj nadšpecifikácii (zbytočné náklady v studenej zóne). Vodný kameň – jedinečný kontaminant v oceliarňach – si vyžaduje tienené labyrinty s preplachovaním vodou v horúcej zóne, ktoré žiadna iná ochrana proti prachu alebo časticiam v odvetví nemôže nahradiť. Prechodný tepelný šok z prechádzajúceho horúceho produktu spôsobuje únavu tesnenia, ktorú špecifikácie pre ustálenú teplotu neriešia – labyrintové tesnenia nahrádzajú guľové tesnenia ako povinná konfigurácia závitovkového prevodu pre všetky inštalácie závitovkových prevodov v oceliarňach.
Pre dodávateľov zariadení pre oceliarne a inžinierov závodov naša technická linka klasifikuje teplotné zóny produktu a odporúča kompletnú špecifikáciu pohonu. Štandardný katalóg vysokovýkonné závitovkové prevody pokrývajú oceliarne s rozmermi od stredovej vzdialenosti 63 do 200 mm s možnosťou ochrany proti vodnému kameňu. Odošlite špecifikácia pohonu oceliarne s teplotou produktu, frézovacou sekciou, polohou pohonu a úrovňou vystavenia vodnému kameňu.
Špecifikácia párov závitovkových prevodov pre valčekové stoly alebo spracovateľské zariadenia oceliarní?
Pošlite teplotu produktu, sekciu mlyna, počet pohonov, rozsah rýchlosti valcov a úroveň vystavenia vodnému kameňu. Klasifikujeme teplotnú zónu a odporučíme balík chladenia, tesnenia a ochrany proti vodnému kameňu pre každú pozíciu pohonu.
Redaktor: Cxm
