Acoplamentos para fornos rotativos de cimento: exigências de engenharia, ciência dos materiais e aplicações práticas no Reino Unido.

Mecanismo de transmissão de torque

Um acoplamento tipo engrenagem consiste em dois cubos com dentes internos que se encaixam em duas luvas com dentes externos. Quando o eixo de acionamento gira, o torque é transferido através do engrenamento dos dentes da engrenagem em perfil evolvente. O perfil abaulado (em forma de barril) dos dentes externos é a principal inovação: ele permite que o acoplamento acomode desalinhamentos angulares de até 1,5 graus e deslocamentos paralelos de vários milímetros sem gerar cargas nas bordas. Em um forno rotativo de cimento, onde a carcaça do forno se expande termicamente de 30 a 50 mm durante os ciclos de aquecimento, essa tolerância a desalinhamentos não é um luxo, mas uma necessidade operacional absoluta.

Distribuição de carga e absorção de impacto

Durante a partida do forno, o atrito estático entre a carga do forno e o refratário frio cria um pico de torque momentâneo que pode atingir de três a cinco vezes o torque nominal de operação. O engrenamento dos dentes da engrenagem distribui essa carga de impacto por vários pares de dentes simultaneamente, evitando a concentração de tensão que fraturaria um flange de acoplamento rígido. A película lubrificante dentro da carcaça selada do acoplamento também proporciona um certo grau de amortecimento hidráulico. Engenheiros de fábricas de cimento em Sheffield e Barnsley, que substituíram os acoplamentos de pino e bucha mais antigos por projetos modernos de engrenagem, relatam reduções mensuráveis ​​nas taxas de desgaste dos mancais do munhão, uma consequência direta da eliminação dos momentos de flexão que os projetos de pino impõem às extremidades do eixo.

Sistemas de Lubrificação e Vedação

Os acoplamentos de engrenagem em fornos rotativos operam em uma carcaça selada preenchida com graxa EP (extrema pressão) de alta viscosidade ou óleo de engrenagem. As vedações labirínticas em cada extremidade impedem a entrada de poeira de cimento, ao mesmo tempo que retêm o lubrificante sob a força centrífuga. Os acoplamentos modernos utilizam vedações de face com anéis O apoiados por ranhuras labirínticas, um arranjo que estende os intervalos de relubrificação para 6.000 horas de operação ou mais. Em fornos de operação contínua, comuns em fábricas de cimento integradas no Reino Unido, como as de Cauldon e Westbury, isso se traduz em uma única lubrificação programada a cada 250 dias de operação, em vez das intervenções mensais exigidas pelos acionamentos de engrenagem aberta mais antigos. Reduzir os pontos de manutenção em ambientes com alta concentração de poeira representa um ganho mensurável em segurança e produtividade.

Material do Hub

Aço liga 42CrMo4

Temperada e revenida a 28–32 HRC, esta liga de cromo-molibdênio proporciona resistência à tração superior a 1.000 MPa com excelente resistência à fadiga sob cargas de flexão cíclica impostas pelo desalinhamento do eixo. Sua boa usinabilidade permite a retificação de precisão dos perfis dos dentes com qualidade de engrenagem ISO 6, essencial para a transmissão suave de potência em baixas velocidades de rotação típicas de acionamentos de fornos (0,5 a 4 RPM).

Manga / Anel Externo

Aço 20CrMnTi cementado

A camisa interna, que suporta os dentes internos, é cementada e endurecida a 58–62 HRC na superfície do dente, mantendo um núcleo resistente. Essa estrutura de dupla dureza resiste à corrosão por pite e ao desgaste que reduzem a vida útil dos dentes em aplicações de alto torque e baixa velocidade. O aço 20CrMnTi é a escolha padrão entre os fabricantes de acoplamentos chineses e europeus para componentes que exigem tanto dureza superficial quanto tenacidade do núcleo.

Carcaça/Flange

Ferro fundido dúctil GGG-50

Para a carcaça do acoplamento e flanges, o ferro fundido dúctil (ferro fundido nodular, EN-GJS-500-7) combina a capacidade de fundição necessária para geometrias complexas com resistência à tração acima de 500 MPa e alongamento em torno de 7%, conferindo-lhe a capacidade de absorver cargas de choque sem fratura frágil. Sua menor densidade em comparação com o aço reduz a massa em balanço no eixo do pinhão do forno, diminuindo as cargas nos mancais. O tratamento superficial com primer e acabamento à base de epóxi resiste à poeira alcalina de cimento e à umidade típicas das instalações de fornos no Reino Unido.

Vedações e Elastômeros

Composto FKM Viton®

Os anéis de vedação e os retentores labiais em acoplamentos de fornos de cimento são especificados em FKM (fluoroelastômero) em vez da borracha NBR padrão, porque o FKM mantém seu desempenho de vedação de -20 °C a +200 °C e resiste ao ambiente alcalino. A contaminação do lubrificante do acoplamento por poeira de cimento é uma das principais causas de falha no setor; a vedação adequada com FKM pode dobrar ou triplicar o intervalo entre as trocas de lubrificante e reduzir drasticamente o desgaste abrasivo dos dentes da engrenagem.

Alta capacidade de torque com design compacto.

Os acoplamentos de engrenagem transmitem mais torque por unidade de diâmetro externo do que qualquer outro tipo de acoplamento flexível. Isso é crucial em fornos rotativos, onde o sistema de acionamento geralmente tem espaço limitado entre o anel de fixação do forno e a engrenagem principal, deixando pouco espaço para o acoplamento. Um acoplamento de engrenagem com capacidade de 500 kN·m pode ter um diâmetro externo apenas 20% maior do que um acoplamento flexível equivalente com capacidade de 100 kN·m, tornando-o viável em adaptações onde a área ocupada não pode ser alterada.

Tolerância de desalinhamento sob ciclos térmicos

A geometria dos dentes coroados acomoda desalinhamentos angulares simultâneos (até 1,5°) e deslocamentos axiais (até 8 mm por metade do acoplamento). Durante a fase de aquecimento de um forno de processo a seco, a carcaça se expande axialmente e a geometria do suporte do munhão se altera, introduzindo desalinhamentos que destruiriam um acoplamento flangeado rígido em poucas horas. Os acoplamentos de engrenagem suportam isso com eficiência por anos, desde que a lubrificação seja mantida e o desalinhamento permaneça dentro dos limites de projeto.

Longevidade comprovada — Vida útil de mais de 15 anos

Em fábricas de cimento que operam em ciclos contínuos (os fornos no Reino Unido normalmente funcionam de 250 a 330 dias por ano), espera-se que o acoplamento entre o eixo de saída da caixa de engrenagens principal e o eixo do pinhão do forno dure vários ciclos de produção antes de precisar de revisão. Acoplamentos de engrenagem devidamente especificados e mantidos atingem regularmente de 80.000 a 120.000 horas de operação antes que o desgaste dos dentes atinja o limite de substituição, o que representa 15 anos ou mais de serviço. Essa longevidade reduz diretamente o custo total de propriedade em comparação com acoplamentos elastoméricos que exigem a substituição de elementos a cada 3 a 5 anos.

Manutenção de campo simples sem ferramentas especiais

A manutenção de acoplamentos de engrenagens, que consiste principalmente na relubrificação e na inspeção periódica do desgaste dos dentes com medidores de desgaste, pode ser realizada pelas equipes de manutenção da fábrica sem a necessidade de contratar uma empresa especializada. As metades do acoplamento se separam axialmente, portanto, não é preciso reposicionar o motor de acionamento e a caixa de engrenagens para acessar os dentes. Em fábricas de cimento remotas no País de Gales ou nas Terras Altas da Escócia, a possibilidade de realizar a manutenção utilizando mão de obra qualificada local e ferramentas manuais comuns oferece vantagens práticas e orçamentárias significativas.

Personalizável para geometria de acionamento exata

Não existem dois conjuntos de transmissão para fornos rotativos com dimensões idênticas. Os diâmetros dos eixos, as dimensões das chavetas, os comprimentos dos furos dos cubos e a distância axial entre as extremidades dos eixos variam entre os fabricantes de fornos e entre modelos dentro da mesma linha de produtos. Um fabricante de acoplamentos bem equipado pode fornecer cubos sob medida, usinados e chavetados de acordo com o desenho, com dentes externos retificados para se ajustarem à bucha e flanges perfuradas de acordo com o padrão de furação da planta. Isso elimina o trabalho dispendioso de modificação no local que surge quando itens de catálogo padrão são forçados a se adaptarem a aplicações não padronizadas.

Conformidade com as normas ATEX e marcação CE

As normas regulamentares do Reino Unido e da UE exigem que os componentes mecânicos em atmosferas potencialmente explosivas (a Zona ATEX 22 é comum nas áreas de moagem de matérias-primas e acabamento de cimento) possuam as certificações CE e ATEX apropriadas. Os acoplamentos tipo engrenagem fornecidos com certificação ATEX II 2D, tratamento de superfície anti-faísca e conjuntos balanceados de acordo com a norma ISO 21940 atendem aos requisitos da Agência Executiva de Saúde e Segurança (HSE), que são rigorosamente aplicados nas fábricas de cimento do Reino Unido após diversos incidentes de grande repercussão em setores adjacentes.

Cenário 1 — Acionamento principal do forno: saída do eixo pinhão para a caixa de engrenagens

A conexão entre o eixo de saída da caixa de engrenagens principal e o eixo do pinhão do forno é o ponto de acoplamento com maior intensidade de torque em toda a fábrica de cimento. Em um forno típico do Reino Unido com capacidade de 3.000 toneladas por dia — escala comum em fábricas operadas por grandes produtores no Vale de Hope, em Derbyshire, ou ao longo do estuário do Tâmisa — o motor de acionamento principal gera de 1.500 a 4.000 kW, passando por uma caixa de engrenagens helicoidal ou planetária de múltiplos estágios antes de chegar ao eixo do pinhão a 2 a 6 RPM, com um torque correspondente na faixa de 500 a 2.500 kN·m. O acoplamento nessa posição não só deve suportar esse torque continuamente, como também deve resistir ao torque de sobrecarga 250% que ocorre sempre que o forno é ligado a frio, quando a carga congelada de farinha crua e cinzas de combustível resiste à rotação até que o atrito estático seja vencido. Os acoplamentos de engrenagem com especificações de série pesada são a única opção prática para este ponto de aplicação, e normalmente possuem uma dimensão face a face de 600 mm a mais de 1.200 mm, com furos de eixo de 250 mm a 500 mm de diâmetro. A tolerância do furo para ajuste por interferência H7/r6 é padrão para evitar a corrosão por atrito das superfícies de contato sob os micromovimentos oscilatórios associados às inversões de torque durante a operação do forno.

Cenário 2 — Acionamento auxiliar do forno (barragem): Rotação lenta durante a manutenção

Todo forno rotativo industrial requer um acionamento auxiliar ou de barramento: um acionamento de baixa potência e velocidade muito baixa que mantém o forno girando lentamente (tipicamente de 0,1 a 0,3 RPM) durante paradas programadas e não programadas a quente, para evitar que a carcaça do forno se deforme devido à contração térmica diferencial. O acoplamento entre o motor do acionamento de barramento e a entrada da caixa de engrenagens principal, ou entre uma caixa de engrenagens de barramento separada e a engrenagem principal do forno, tem uma função muito menor do que o acionamento principal, mas apresenta seus próprios desafios. O acoplamento deve se desengatar corretamente quando o acionamento principal reinicia e deve transmitir o torque de forma confiável mesmo após meses de inatividade (os acionamentos de barramento podem ficar ociosos entre grandes paradas para manutenção). Acoplamentos de disco são cada vez mais especificados para aplicações de acionamento de barramento porque sua rigidez torsional e características de folga zero atendem ao posicionamento preciso exigido quando as equipes de manutenção estão trabalhando perto do forno rotativo. Um acoplamento de disco em aço inoxidável com classificações de torque de 100 a 2.000 N·m, dimensionado para motores de acionamento de 15 a 37 kW comuns em fornos no Reino Unido, lida com essa tarefa sem as preocupações com lubrificação que complicariam o uso de acoplamentos de engrenagem em sistemas operados com pouca frequência.

Cenário 3 — Acionamentos dos ventiladores do moinho de matérias-primas e do resfriador no circuito da fábrica de cimento

Além do próprio forno, uma fábrica de cimento completa abrange diversas outras posições de acionamento onde acoplamentos de engrenagem e flexíveis são essenciais. O acionamento do moinho de matérias-primas, tipicamente um moinho de rolos vertical ou um moinho de bolas que consome de 2.000 a 8.000 kW, utiliza um acoplamento de engrenagem no eixo de saída da caixa de engrenagens, com dimensões e especificações comparáveis ​​ao acionamento principal do forno, embora em velocidades significativamente maiores (o eixo do pinhão do moinho de matérias-primas gira tipicamente de 50 a 120 RPM). O acionamento da grelha reciprocante ou do resfriador rotativo do clínquer utiliza acoplamentos de engrenagem de série média. Os acionamentos do ventilador de tiragem induzida (IDF) da torre de pré-aquecimento, que lidam com os enormes fluxos de gás de 400.000 a 1.200.000 Nm³/h através do pré-aquecedor ciclônico, utilizam acoplamentos flexíveis de viga ou de disco em seus eixos de motor de alta velocidade (tipicamente de 1.000 a 1.500 RPM), onde o balanceamento preciso e a limitação de vibração são críticos para a longevidade dos rolamentos. Nas fábricas de cimento no vale de Ribblesdale, em Lancashire, e no cinturão calcário de Lincolnshire, os engenheiros de manutenção programam as inspeções de acoplamentos para coincidir com a parada anual de verão, criando uma demanda concentrada por componentes de acoplamento de reposição e lubrificação, que um fornecedor confiável e experiente no Reino Unido deve ser capaz de atender com estoque disponível.

Cenário 4 — Moinho de carvão e preparação de combustíveis alternativos: Acoplamentos com classificação ATEX

As fábricas de cimento do Reino Unido têm progressivamente substituído a queima primária de carvão pelo coprocessamento de combustíveis alternativos, incluindo combustível derivado de resíduos (CDR), pneus usados ​​e biomassa, impulsionadas pelos compromissos de emissões líquidas zero do Reino Unido e pelos incentivos econômicos da substituição do carvão importado. Essa transição alterou os requisitos de impostos na área de preparação de combustível. Os moinhos de carvão e os acionamentos de trituradores de combustíveis alternativos operam em ambientes da Zona ATEX 22, onde as concentrações de poeira de carvão ou de biomassa podem atingir níveis explosivos. Qualquer acoplamento nessas zonas deve possuir certificação ATEX e o acabamento superficial deve ser anti-faísca (normalmente alumínio anodizado ou aço revestido de bronze para superfícies externas). A temperatura de operação do corpo do acoplamento também deve ser monitorada — ou o projeto deve evitar inerentemente a geração de pontos quentes — porque as temperaturas de autoignição da poeira fina de carvão (aproximadamente 225 °C) e da biomassa (200 a 250 °C) são facilmente atingidas por uma zona de contato metal-metal mal lubrificada. Os acoplamentos de engrenagem certificados pela norma ATEX II 2D T3 são a especificação padrão para essas posições em fábricas de cimento no Reino Unido, e as equipes de compras exigem cada vez mais comprovação de certificação por laboratórios de teste, em vez de autodeclaração, ao adquirir acoplamentos de reposição.

Parceiro de Fabricação — Divisão de Exportação do Reino Unido

Ever Power: Fabricação de acoplamentos de precisão para a indústria global de cimento.

A Ever Power opera uma unidade fabril de 35.000 m² equipada com centros de retificação de engrenagens CNC, máquinas de medição por coordenadas (MMCs) e laboratórios de qualidade dedicados. Cada acoplamento destinado ao acionamento principal de fornos de cimento passa por uma cadeia de produção documentada que inclui certificados de rastreabilidade de materiais de acordo com a norma EN 10204 3.1, relatórios de inspeção do perfil dos dentes da engrenagem e testes de unidades montadas de acordo com a norma ISO 14691. Para clientes no Reino Unido, a Ever Power possui documentação de marcação CE, certificados ATEX II 2D para variantes de áreas classificadas e oferece termos de envio DAP (Delivered At Place) no Reino Unido, o que significa que o equipamento é totalmente desembaraçado na alfândega e entregue no local sem a complexidade de aquisição que frequentemente dificulta as transações de importação direta.

A equipe de engenharia da empresa lida com solicitações de projetos personalizados com prazos de entrega padrão do setor: desenhos preliminares em até 5 dias úteis, desenhos de fabricação completos para aprovação do cliente em até 10 dias e entrega de acoplamentos acabados em 8 a 14 semanas para unidades de grande porte. Para situações de substituição urgente — como quando um acoplamento de forno falha inesperadamente durante uma campanha — o programa de fabricação expressa da Ever Power pode entregar acoplamentos de médio porte em 3 a 4 semanas. Com parceiros logísticos que fornecem frete rodoviário direto da China para qualquer porto ou centro de distribuição do Reino Unido, o tempo total de trânsito porta a porta para remessas expressas é normalmente de 18 a 25 dias.

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Fundo

Uma fábrica de cimento a seco em Clitheroe, Lancashire — um local que produz cimento Portland desde a era vitoriana, utilizando os abundantes depósitos de calcário do Vale do Ribble — estava apresentando falhas prematuras no acoplamento principal do forno a cada 4 ou 5 anos, aproximadamente. O acoplamento existente era um modelo antigo de pino e bucha, em serviço desde a última grande reforma do forno, em meados dos anos 2000. Os registros de manutenção mostravam um padrão de desgaste progressivo por atrito nos furos do cubo do acoplamento, fissuras periódicas na bucha e, duas vezes na década anterior, uma parada não planejada do forno, atribuída diretamente à falha do acoplamento durante o pico de carga na reinicialização após um entupimento do silo de matéria-prima. Cada parada não planejada custou à fábrica mais de £ 180.000 em perda de produção, custos com empreiteiras de emergência e inspeção de refratários.

Solução — Envolvimento constante do poder

A equipe de engenharia mecânica da fábrica contatou a Ever Power por meio de seu parceiro de distribuição no Reino Unido, em Sheffield, após uma recomendação de uma fábrica irmã no Vale de Hope, que havia instalado acoplamentos de engrenagem da série pesada da Ever Power em seu acionamento do moinho de matérias-primas no ano anterior. Os engenheiros de aplicação da Ever Power solicitaram dados dimensionais completos, parâmetros de ciclo de trabalho, frequência de partida e dados de temperatura ambiente para o acionamento principal do forno de Clitheroe. Em 6 dias, foram apresentados desenhos preliminares do projeto, mostrando um acoplamento de engrenagem da série pesada sob medida, com furos de cubo de 320 mm de diâmetro, chavetado com chaveta paralela com tolerância DIN 6885, cubos em aço 42CrMo4 Q&T retificados com qualidade de dente ISO 6 e um arranjo de cubo dividido que permitia a instalação sem a necessidade de remoção axial de qualquer um dos eixos. A proposta também incluía um sistema integrado de lubrificação por banho de óleo com indicador de nível por visor e portas de drenagem/enchimento acessíveis a partir do nível da passarela de manutenção, eliminando a necessidade de as equipes de manutenção trabalharem em altura.

Resultados

O acoplamento Ever Power foi instalado durante a parada programada para manutenção de verão da usina, ao longo de dois dias. Desde a instalação, há 31 meses, a usina completou 3 ciclos de campanha sazonal e 2 sequências completas de partida a frio sem nenhum problema relacionado ao acoplamento. Os dados de monitoramento de vibração dos acelerômetros da unidade principal mostram uma redução de 22% na vibração radial de baixa frequência em comparação com a linha de base pré-instalação, atribuída à tolerância superior ao desalinhamento do novo design com dentes coroados. A equipe de manutenção realizou um serviço de relubrificação planejado às 6.000 horas, conforme programado. A vida útil projetada do acoplamento, com base nas medições de desgaste dos dentes, é estimada em mais de 15 anos.