Giunti per forni rotanti per cemento: esigenze ingegneristiche, scienza dei materiali e applicazioni reali nel Regno Unito

Meccanismo di trasmissione della coppia

Un giunto a ingranaggi è costituito da due mozzi dentati internamente che si accoppiano con due manicotti dentati esternamente. Quando l'albero motore ruota, la coppia viene trasmessa attraverso l'ingranamento dei denti degli ingranaggi a evolvente. Il profilo bombato (a forma di botte) dei denti esterni è l'innovazione chiave: consente al giunto di compensare disallineamenti angolari fino a 1,5 gradi e disallineamenti paralleli di diversi millimetri senza generare carichi sui bordi. In un forno rotante per cemento, dove il guscio del forno si espande termicamente da 30 a 50 mm durante i cicli di riscaldamento, questa tolleranza di disallineamento non è un lusso, ma una necessità operativa assoluta.

Distribuzione del carico e assorbimento degli urti

Durante l'avvio del forno, l'attrito statico tra la carica del forno e il materiale refrattario freddo crea un picco di coppia momentaneo che può raggiungere da tre a cinque volte la coppia nominale di esercizio. L'ingranamento dei denti distribuisce questo carico d'urto su più coppie di denti simultaneamente, impedendo la concentrazione di stress che causerebbe la frattura di una flangia di accoppiamento rigida. Il film lubrificante all'interno dell'alloggiamento sigillato dell'accoppiamento fornisce anche un certo grado di smorzamento idraulico. Gli ingegneri degli impianti di cemento di Sheffield e Barnsley che sono passati dai vecchi accoppiamenti a perno e boccola ai moderni accoppiamenti a ingranaggi segnalano riduzioni misurabili dei tassi di usura dei cuscinetti del perno, una conseguenza diretta dell'eliminazione dei momenti flettenti che i accoppiamenti a perno impongono alle estremità dell'albero.

Sistemi di lubrificazione e tenuta

I giunti a ingranaggi dei forni rotanti operano all'interno di un alloggiamento sigillato riempito con grasso EP (per pressioni estreme) ad alta viscosità o olio per ingranaggi. Le guarnizioni a labirinto alle estremità impediscono l'ingresso di polvere di cemento, trattenendo al contempo il lubrificante sotto la forza centrifuga. I giunti moderni utilizzano guarnizioni frontali O-ring supportate da scanalature a labirinto, una configurazione che estende gli intervalli di rilubrificazione a 6.000 ore di funzionamento o oltre. Nei forni a funzionamento continuo, comuni negli impianti di cemento integrati del Regno Unito come quelli di Cauldon e Westbury, ciò si traduce in un intervento di lubrificazione programmato ogni 250 giorni di produzione, anziché gli interventi mensili richiesti dai vecchi sistemi a ingranaggi aperti. Ridurre i punti di intervento per la manutenzione in ambienti ad alta concentrazione di polvere rappresenta un vantaggio tangibile in termini di sicurezza e produttività.

Materiale del mozzo

Acciaio legato 42CrMo4

Temprata e rinvenuta a 28-32 HRC, questa lega di cromo-molibdeno offre una resistenza alla trazione superiore a 1.000 MPa con un'eccellente resistenza alla fatica sotto i carichi di flessione ciclica imposti dal disallineamento dell'albero. La sua buona lavorabilità consente la rettifica di precisione dei profili dei denti fino alla qualità degli ingranaggi ISO 6, essenziale per una trasmissione di potenza fluida a basse velocità di rotazione tipiche degli azionamenti per forni (da 0,5 a 4 giri/min).

Manicotto / Anello esterno

Acciaio 20CrMnTi cementato

La boccola interna, che sostiene i denti interni, è cementata e temprata a 58-62 HRC sulla superficie del dente, mantenendo al contempo un nucleo tenace. Questa struttura a doppia durezza resiste alla corrosione per vaiolatura e all'usura che riducono la durata dei denti in applicazioni ad alta coppia e bassa velocità. La lega 20CrMnTi è la scelta standard per i produttori di giunti cinesi ed europei per i componenti che richiedono sia durezza superficiale che tenacità del nucleo.

Alloggiamento / Flangia

Ghisa duttile GGG-50

Per l'alloggiamento e le flange dell'accoppiamento, la ghisa sferoidale (ghisa nodulare, EN-GJS-500-7) combina la colabilità necessaria per geometrie complesse con una resistenza alla trazione superiore a 500 MPa e un allungamento di circa 7%, conferendole la capacità di assorbire carichi d'urto senza frattura fragile. La sua minore densità rispetto all'acciaio riduce la massa a sbalzo sull'albero del pignone del forno, diminuendo i carichi sui cuscinetti. Il trattamento superficiale con primer e finitura epossidica resiste alla polvere di cemento alcalino e all'umidità tipiche degli edifici dei forni nel Regno Unito.

Guarnizioni ed elastomeri

Composito FKM Viton®

Gli O-ring e le guarnizioni a labbro negli accoppiamenti dei forni per cemento sono realizzati in FKM (fluoroelastomero) anziché nella gomma NBR standard, poiché l'FKM mantiene le sue prestazioni di tenuta da -20 °C a +200 °C e resiste all'ambiente alcalino. La contaminazione del lubrificante degli accoppiamenti con polvere di cemento è una delle principali cause di guasto nel settore; una corretta tenuta con FKM può raddoppiare o triplicare gli intervalli tra i cambi di lubrificante e ridurre drasticamente l'usura abrasiva dei denti degli ingranaggi.

Elevata capacità di coppia in dimensioni compatte.

I giunti a ingranaggi trasmettono una coppia maggiore per unità di diametro esterno rispetto a qualsiasi altro tipo di giunto flessibile. Questo è fondamentale nei forni rotanti, dove il sistema di azionamento è spesso vincolato dallo spazio tra la ruota del forno e la corona dentata, lasciando uno spazio minimo per il giunto. Un giunto a ingranaggi con una portata nominale di 500 kN·m può avere un diametro esterno di soli 20% maggiore rispetto a un equivalente tipo a ganasce flessibili con una portata nominale di 100 kN·m, rendendolo una soluzione valida per gli interventi di ammodernamento in cui l'ingombro non può essere modificato.

Tolleranza di disallineamento durante i cicli termici

La geometria bombata dei denti compensa simultaneamente disallineamenti angolari (fino a 1,5°) e spostamenti assiali (fino a 8 mm per metà dell'accoppiamento). Durante la fase di riscaldamento di un forno a secco, il guscio cresce assialmente e la geometria del supporto del perno si sposta, introducendo un disallineamento che distruggerebbe un giunto flangiato rigido in poche ore. I giunti a ingranaggi sopportano questo fenomeno senza problemi per anni, a condizione che la lubrificazione sia mantenuta e che il disallineamento rimanga entro i limiti di progetto.

Longevità comprovata: oltre 15 anni di vita utile.

Negli impianti di cemento che operano con cicli di produzione continui (i forni nel Regno Unito funzionano in genere da 250 a 330 giorni all'anno), il giunto tra l'albero di uscita principale del riduttore e l'albero del pignone del forno deve durare per diversi cicli di produzione prima di necessitare di revisione. I giunti a ingranaggi, se correttamente specificati e manutenuti, raggiungono regolarmente dalle 80.000 alle 120.000 ore di funzionamento prima che l'usura dei denti raggiunga la soglia di sostituzione, ovvero 15 o più anni di servizio. Questa longevità riduce direttamente il costo totale di proprietà rispetto ai giunti elastomerici che richiedono la sostituzione degli elementi ogni 3-5 anni.

Semplice assistenza sul campo senza attrezzi speciali

La manutenzione dei giunti di ingranaggi, che consiste principalmente nella rilubrificazione e nell'ispezione periodica dell'usura dei denti mediante appositi calibri, può essere eseguita dai team di manutenzione dell'impianto senza il supporto di ditte specializzate. Le due metà del giunto si separano assialmente, quindi non è necessario riposizionare il motore e il riduttore per accedere ai denti. Negli impianti di cemento situati in zone remote del Galles o delle Highlands scozzesi, la possibilità di effettuare la manutenzione utilizzando competenze locali e utensili manuali standard offre notevoli vantaggi pratici ed economici.

Personalizzabile in base alla geometria esatta dell'unità

Non esistono due sistemi di trasmissione per forni rotanti dimensionalmente identici. I diametri degli alberi, le dimensioni delle sedi delle chiavette, le lunghezze dei fori dei mozzi e la distanza assiale tra le estremità degli alberi variano tra i diversi produttori di forni e tra i modelli all'interno della stessa gamma di un produttore. Un produttore di giunti ben attrezzato può fornire mozzi su misura, forati e con chiavetta secondo il disegno, con denti esterni rettificati per adattarsi alla boccola e flange forate secondo lo schema di bullonatura dell'impianto. Ciò elimina i costosi lavori di modifica in loco che si rendono necessari quando si devono adattare componenti standard a catalogo ad applicazioni non standard.

Conformità alle normative ATEX e marcatura CE.

Le normative del Regno Unito e dell'UE richiedono che i componenti meccanici in atmosfere potenzialmente esplosive (la zona ATEX 22 è comune nelle aree di macinazione di materie prime e di finitura del cemento) siano dotati delle opportune certificazioni CE e ATEX. I giunti a ingranaggi forniti con certificazione ATEX II 2D, trattamento superficiale antiscintilla e assemblaggi bilanciati secondo la norma ISO 21940 soddisfano i requisiti dell'Health and Safety Executive, che vengono rigorosamente applicati negli impianti di cemento del Regno Unito a seguito di diversi incidenti di alto profilo verificatisi in settori affini.

Scenario 1 — Azionamento principale del forno: dall'albero pignone all'uscita del riduttore

Il collegamento tra l'albero di uscita principale del riduttore e l'albero del pignone del forno è il punto di accoppiamento che genera la coppia più elevata in tutto l'impianto di cemento. In un tipico forno britannico da 3.000 tonnellate al giorno – la dimensione comune agli impianti gestiti dai principali produttori nella Hope Valley del Derbyshire o lungo l'estuario del Tamigi – il motore di azionamento principale eroga da 1.500 a 4.000 kW, che attraversano un riduttore elicoidale o epicicloidale a più stadi prima di arrivare all'albero del pignone a una velocità compresa tra 2 e 6 giri/minuto con una coppia corrispondente nell'intervallo da 500 a 2.500 kN·m. Il giunto in questa posizione non solo deve sopportare questa coppia in modo continuo, ma deve anche resistere alla coppia di sovraccarico 250% che si verifica ogni volta che il forno viene avviato a freddo, quando la carica congelata di farina cruda e ceneri di combustibile oppone resistenza alla rotazione fino a quando non viene superato l'attrito statico. Gli accoppiamenti a ingranaggi con specifiche per impieghi gravosi sono l'unica scelta pratica in questo tipo di applicazione e presentano tipicamente una distanza tra le superfici di accoppiamento da 600 mm a oltre 1.200 mm, con diametri interni dell'albero da 250 mm a 500 mm. La tolleranza del foro secondo l'accoppiamento con interferenza H7/r6 è standard per prevenire la corrosione da sfregamento delle superfici di accoppiamento dovuta ai micromovimenti oscillatori associati alle inversioni di coppia durante il funzionamento del forno.

Scenario 2 — Azionamento ausiliario (Barring) del forno: Rotazione lenta durante la manutenzione

Ogni forno rotante industriale richiede un azionamento ausiliario o di rotazione: un azionamento a bassa potenza e velocità molto bassa che mantiene il forno in rotazione lenta (tipicamente da 0,1 a 0,3 giri/minuto) durante gli arresti a caldo programmati e non programmati, per evitare che il guscio del forno si deformi a causa della contrazione termica differenziale. L'accoppiamento tra il motore dell'azionamento di rotazione e l'ingresso del riduttore principale, o tra un riduttore di rotazione separato e l'ingranaggio principale del forno, ha un compito molto meno gravoso rispetto all'azionamento principale, ma presenta comunque delle sfide. L'accoppiamento deve disinnestarsi in modo netto al riavvio dell'azionamento principale e deve trasmettere la coppia in modo affidabile anche dopo mesi di inattività (gli azionamenti di rotazione possono rimanere inattivi tra importanti interventi di manutenzione). Gli accoppiamenti a disco sono sempre più utilizzati per le applicazioni di azionamento di rotazione perché la loro rigidità torsionale e le caratteristiche di gioco nullo si adattano al posizionamento preciso richiesto quando le squadre di manutenzione lavorano vicino al forno rotante. Un giunto a dischi in acciaio inossidabile con coppie nominali da 100 a 2.000 N·m, dimensionato per motori di azionamento da 15 a 37 kW, esclusi quelli comunemente utilizzati nei forni del Regno Unito, assolve a questa funzione senza i problemi di lubrificazione che complicherebbero l'utilizzo di giunti a ingranaggi in sistemi a funzionamento infrequente.

Scenario 3 — Azionamenti per mulino grezzo e ventilatore di raffreddamento nel circuito dell'impianto di cemento

Oltre al forno stesso, un impianto di cemento completo comprende diverse altre postazioni di azionamento in cui i giunti a ingranaggi e flessibili sono essenziali. L'azionamento del mulino per materie prime, tipicamente un mulino a rulli verticali o un mulino a sfere con un consumo energetico da 2.000 a 8.000 kW, utilizza un giunto a ingranaggi sull'albero di uscita del riduttore di dimensioni e specifiche paragonabili a quelle dell'azionamento principale del forno, sebbene a velocità significativamente più elevate (l'albero pignone del mulino per materie prime ruota in genere da 50 a 120 giri/min). L'azionamento della griglia a movimento alternato o del raffreddatore rotativo del clinker utilizza giunti a ingranaggi di media serie. Gli azionamenti del ventilatore a tiraggio indotto (IDF) della torre di preriscaldamento, che gestiscono gli enormi flussi di gas da 400.000 a 1.200.000 Nm³/h attraverso il ciclone di preriscaldamento, utilizzano giunti flessibili a trave o a disco sui loro alberi motore ad alta velocità (in genere da 1.000 a 1.500 giri/min) dove un bilanciamento preciso e la limitazione delle vibrazioni sono fondamentali per la durata dei cuscinetti. Negli impianti di cemento nella valle di Ribblesdale, nel Lancashire, e nella zona calcarea del Lincolnshire, i tecnici della manutenzione programmano le ispezioni dei giunti in concomitanza con la chiusura estiva annuale, creando una domanda concentrata di componenti di ricambio e lubrificanti che un fornitore affidabile e con esperienza nel Regno Unito deve essere in grado di soddisfare a magazzino.

Scenario 4 — Preparazione del mulino a carbone e dei combustibili alternativi: giunti con classificazione ATEX

Nel Regno Unito, gli impianti di cemento sono progressivamente passati dalla combustione primaria di carbone alla co-lavorazione di combustibili alternativi, tra cui combustibile derivato dai rifiuti (RDF), pneumatici di scarto e biomassa, spinti dagli impegni del Regno Unito per il raggiungimento delle emissioni zero e dagli incentivi economici derivanti dalla sostituzione del carbone importato. Questa transizione ha modificato i requisiti operativi nell'area di preparazione del combustibile. I mulini a carbone e i sistemi di triturazione per combustibili alternativi operano in ambienti ATEX Zona 22, dove le concentrazioni di polvere di carbone o di biomassa possono raggiungere livelli esplosivi. Qualsiasi giunto in queste zone deve essere certificato ATEX e la finitura superficiale deve essere antiscintilla (tipicamente alluminio anodizzato o acciaio bronzato per le superfici esterne). È inoltre necessario monitorare la temperatura di esercizio del corpo del giunto, oppure la progettazione deve intrinsecamente evitare la formazione di punti caldi, poiché le temperature di autoaccensione della polvere di carbone fine (circa 225 °C) e della biomassa (da 200 a 250 °C) sono facilmente raggiungibili da una zona di contatto metallo-metallo scarsamente lubrificata. I giunti a ingranaggi certificati ATEX II 2D T3 sono la specifica standard per queste posizioni negli impianti di cemento del Regno Unito, e i team di approvvigionamento richiedono sempre più spesso prove di certificazione da parte di un laboratorio di prova anziché autodichiarazioni quando acquistano giunti di ricambio.

Partner di produzione - Divisione Export nel Regno Unito

Ever Power: Produzione di giunti di precisione per l'industria globale del cemento.

Ever Power gestisce uno stabilimento di produzione di 35.000 m² dotato di centri di rettifica per ingranaggi CNC, macchine di misura a coordinate (CMM) e laboratori di controllo qualità dedicati. Ogni giunto destinato all'azionamento principale dei forni per cemento passa attraverso una catena di produzione documentata che include certificati di tracciabilità dei materiali secondo la norma EN 10204 3.1, rapporti di ispezione del profilo dei denti degli ingranaggi e test delle unità assemblate secondo la norma ISO 14691. Per i clienti del Regno Unito, Ever Power è in possesso della documentazione di marcatura CE, dei certificati ATEX II 2D per le varianti per aree pericolose e offre termini di spedizione DAP (Delivered At Place) nel Regno Unito, il che significa che l'attrezzatura viene completamente sdoganata e consegnata in loco senza la complessità di approvvigionamento che spesso ostacola le transazioni di importazione diretta.

Il team di ingegneri dell'azienda gestisce le richieste di progettazione su misura con tempi di consegna in linea con gli standard del settore: disegni preliminari entro 5 giorni lavorativi, disegni di produzione completi per l'approvazione del cliente entro 10 giorni e consegna dei giunti finiti entro 8-14 settimane per le unità di serie pesante. Per le situazioni di sostituzione urgenti, come ad esempio il guasto improvviso di un giunto del forno durante una campagna di produzione, il programma di produzione express di Ever Power può fornire giunti di serie media entro 3-4 settimane. Grazie ai partner logistici che offrono trasporto diretto su camion dalla Cina a qualsiasi porto o centro di distribuzione del Regno Unito, il tempo di transito totale porta a porta per le spedizioni express è in genere di 18-25 giorni.

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Sfondo

Un cementificio a processo a secco a Clitheroe, nel Lancashire, un sito che produce cemento Portland fin dall'epoca vittoriana utilizzando gli abbondanti giacimenti di calcare della Ribble Valley, presentava guasti prematuri all'accoppiamento principale del motore del forno circa ogni 4-5 anni. L'accoppiamento esistente era un vecchio modello a perno e boccola in servizio dall'ultimo importante ammodernamento del forno a metà degli anni 2000. I registri di manutenzione mostravano un'usura progressiva da sfregamento sui fori del mozzo dell'accoppiamento, fessurazioni periodiche della boccola e, per ben due volte nel decennio precedente, un arresto imprevisto del forno attribuito direttamente al guasto dell'accoppiamento al picco di carico durante la ripartenza dopo un blocco del silo di materie prime. Ogni arresto imprevisto costava all'impianto oltre 180.000 sterline in termini di perdita di produzione, costi per appaltatori di emergenza e ispezioni dei materiali refrattari.

Soluzione: coinvolgimento sempre attivo.

Il team di ingegneri meccanici dell'impianto ha contattato Ever Power tramite il suo partner di distribuzione nel Regno Unito a Sheffield, a seguito di una raccomandazione da parte di un impianto gemello nella Hope Valley che l'anno precedente aveva installato giunti a ingranaggi per impieghi gravosi Ever Power sul proprio azionamento del mulino per materie prime. Gli ingegneri applicativi di Ever Power hanno richiesto dati dimensionali completi, parametri del ciclo di lavoro, frequenza di avviamento e dati sulla temperatura ambiente per l'azionamento principale del forno di Clitheroe. Entro 6 giorni, sono stati presentati i disegni preliminari di progettazione che mostravano un giunto a ingranaggi per impieghi gravosi su misura con fori del mozzo di 320 mm di diametro, con chiavetta parallela secondo la tolleranza DIN 6885, mozzi in acciaio 42CrMo4 Q&T rettificati con qualità dentata ISO 6 e una disposizione a mozzo scomponibile che consentiva l'installazione senza estrazione assiale di nessuno dei due alberi. La proposta includeva anche un sistema di lubrificazione a bagno d'olio integrato con indicatore di livello a vetro spia e bocche di scarico/riempimento accessibili dal livello della passerella di manutenzione, eliminando la necessità per le squadre di manutenzione di lavorare in quota.

Risultati

L'accoppiamento Ever Power è stato installato durante l'arresto estivo programmato dell'impianto, durato due giorni. Dall'installazione, avvenuta 31 mesi fa, l'impianto ha completato 3 cicli di campagna stagionale e 2 sequenze complete di avviamento a freddo senza alcun problema relativo all'accoppiamento. I dati di monitoraggio delle vibrazioni provenienti dagli accelerometri della trasmissione principale mostrano una riduzione di 22% delle vibrazioni radiali a bassa frequenza rispetto al valore di riferimento pre-installazione, attribuibile alla maggiore tolleranza al disallineamento del nuovo design a denti bombati. Il team di manutenzione ha eseguito un intervento di rilubrificazione programmato a 6.000 ore, come previsto. La durata di servizio prevista dell'accoppiamento, basata sulle misurazioni dell'usura dei denti, è stimata in oltre 15 anni.