Acoplamentos para fornos rotativos de cimento: Engenharia para um acionamento contínuo.

O acoplamento de engrenagens — a escolha dominante para acionamentos principais de fornos rotativos de cimento — opera com base no princípio do engrenamento de dentes de engrenagem abaulados entre duas luvas de engrenagem internas e dois cubos de engrenagem externos. Cada cubo é montado em uma extremidade do eixo, enquanto o conjunto de luvas une os dois cubos. O abaulamento dos dentes da engrenagem, ou seja, o perfil convexo deliberado de cada dente ao longo de sua largura de face, é a característica geométrica que possibilita a acomodação de desalinhamentos. Quando os dois eixos não são perfeitamente colineares — o que em um acionamento de forno é praticamente sempre o caso — os dentes abaulados oscilam contra os dentes da luva através de um pequeno arco, inclinando a zona de contato de engrenamento sem gerar a carga catastrófica nas bordas que ocorreria com engrenagens de dentes retos nas mesmas condições. Essa geometria dos dentes, combinada com uma película contínua de lubrificante espesso entre as superfícies de contato, permite que o acoplamento mantenha sua capacidade de torque total mesmo quando o desalinhamento muda dinamicamente durante a rotação do forno.

O torque é transmitido através da tensão de cisalhamento na película lubrificante e do contato direto dente a dente em múltiplos dentes engatados simultaneamente, distribuindo as enormes cargas de torque produzidas por um acionamento de forno. Em plena velocidade de produção, um acionamento de forno moderno para processo úmido pode desenvolver torques sustentados de 200.000 a 500.000 N·m no acoplamento, com picos de carga momentâneos durante a partida ou surtos de alimentação atingindo de 2,5 a 3 vezes o torque nominal. O acoplamento deve transmitir esses picos de carga sem desgaste dos dentes, trincas na bucha ou falha dos parafusos do flange, retornando suavemente à operação em regime permanente sem deixar danos residuais no engrenamento.

Cubos de aço liga (42CrMo4)

Os cubos das engrenagens dos acoplamentos para fornos são fabricados em aço-liga cromo-molibdênio temperado e revenido, geralmente em conformidade com as especificações 42CrMo4 ou AISI 4140. Essa liga apresenta uma resistência à tração de 900 a 1.100 MPa após o tratamento térmico, com uma dureza Brinell de 250 a 300 HB, proporcionando a resistência na raiz do dente necessária para suportar picos de torque sem deformação plástica. O teor de molibdênio da liga contribui para a temperabilidade em profundidade, garantindo que o endurecimento benéfico se estenda por toda a seção transversal do dente, e não apenas à camada superficial.

Dentes cementados e temperados

Os próprios dentes da engrenagem passam por cementação seguida de têmpera controlada para produzir uma camada endurecida com profundidade de 0,8 a 1,5 mm e dureza superficial de 58 a 62 HRC. Essa camada endurecida resiste ao microdeslizamento abrasivo que ocorre entre os dentes coroados durante a compensação de desalinhamento, um mecanismo de desgaste que destrói acoplamentos não endurecidos em poucos meses de operação em fornos. O teor de austenita retida é controlado para ficar abaixo de 15% para evitar o amolecimento progressivo sob ciclos térmicos operacionais, o que reduziria a resistência ao desgaste e permitiria que trincas de fadiga se propagassem da superfície endurecida para o núcleo mais macio.

Lubrificante de alta viscosidade e extrema pressão

O lubrificante retido na cavidade da luva de acoplamento não é uma graxa industrial padrão. Acoplamentos para fornos exigem uma graxa de alta viscosidade e extrema pressão, formulada com espessantes de complexo de lítio ou poliureia e aditivos EP (extrema pressão), como compostos de enxofre e fósforo. A graxa deve resistir à separação centrífuga em velocidades periféricas típicas de acoplamentos de fornos, de 3 a 8 m/s, não deve oxidar ou endurecer sob o calor irradiado pela carcaça do forno e deve manter a resistência da película sob as cargas de contato oscilantes impostas pela compensação de desalinhamento. Os intervalos de relubrificação com graxa em acoplamentos de fornos bem vedados variam normalmente de 6 a 18 meses, uma vantagem operacional significativa em instalações como as que atendem às cadeias de suprimentos de materiais de construção de Sheffield, onde as janelas de manutenção são rigorosamente programadas.

Mangas flangeadas de aço forjado

As mangas externas são forjadas em aço de médio carbono e aliviadas de tensões após a usinagem para eliminar tensões residuais de fabricação que poderiam iniciar trincas de fadiga durante cargas cíclicas elevadas. A junta flangeada aparafusada que conecta as duas metades da manga utiliza parafusos de alta resistência apertados com pré-cargas precisas, criando uma junta acoplada por fricção que transmite parte do torque, além do engrenamento. Em acoplamentos de fornos de grande porte, esses parafusos flangeados podem ser métricos M48 ou M56 de grau 12.9, apertados com tensionadores hidráulicos de parafusos com pré-cargas calculadas para evitar o deslizamento relativo entre as faces flangeadas sob o pior torque de pico, incluindo as sobrecargas transitórias que ocorrem durante a partida do forno com a carcaça fria.

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Cenário de aplicação: Acionamento da engrenagem principal do forno rotativo de cimento

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Cenário de aplicação: Sistema auxiliar de acionamento de forno

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Cenário de aplicação: Acionamentos de moinhos de matérias-primas e fábricas de cimento

O processo de produção de cimento inclui grandes moinhos rotativos — o moinho de farinha crua antes do forno e o moinho de cimento após a descarga do clínquer — que apresentam requisitos de acoplamento relacionados, mas distintos, do acionamento principal do forno. Esses moinhos horizontais são acionados por motores anulares ou por sistemas de engrenagens e pinhões semelhantes aos do forno, mas o torque de partida é caracterizado por partidas frequentes sob alta inércia, variações de carga conforme a carga de moagem dentro do moinho se desloca e cargas de choque ocasionais quando o material de alimentação duro passa pelo moinho. Os acoplamentos de engrenagem na aplicação em moinhos de moagem devem, portanto, combinar a acomodação de desalinhamento necessária para grandes carcaças rotativas com a absorção de choque e a proteção contra sobrecarga adequadas às condições intermitentes de partida pesada.

As fábricas de cimento do Reino Unido que operam na região calcária que se estende de Derbyshire até Kent, passando pelos Cotswolds, normalmente especificam projetos de acoplamento para seus acionamentos de moinho que incluem portas de alívio térmico — pequenas passagens de alívio de pressão na luva do acoplamento que permitem a saída do lubrificante quente e a entrada de ar frio durante os ciclos de aquecimento, evitando o acúmulo de pressão dentro da luva que poderia forçar o lubrificante a passar pelos anéis de vedação. Essa característica de projeto prolonga significativamente a vida útil da vedação no ambiente quente de uma fábrica de cimento, reduzindo a perda de lubrificante e a consequente contaminação da área da vala de acionamento.

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Cenário de aplicação: Acionamentos de ventiladores de resfriamento de fornos e ventiladores de tiragem induzida.

Acoplamento de feixe flexível

Projetado para conexões de eixos de precisão em aplicações de serviço médio em sistemas auxiliares de fábricas de cimento, o Acoplamento de Viga Flexível absorve vibrações e acomoda desalinhamentos angulares e paralelos por meio de sua estrutura de viga com ranhuras helicoidais. Fabricado em aço inoxidável ou liga de alumínio de alta qualidade, oferece desempenho consistente em ambientes empoeirados e com variações térmicas, típicos de instalações de processamento de cimento. Sua característica de folga zero o torna particularmente adequado para equipamentos auxiliares com controle de posição em linhas de produção de cimento.

Veja o acoplamento flexível de feixes →

Acoplamento de disco

O acoplamento de discos é uma excelente opção para acionamentos de ventiladores de fornos e sistemas acessórios de fábricas de cimento onde são necessários operação em alta velocidade, alta rigidez torsional e a capacidade de transmitir torque sem lubrificação. Seu conjunto de discos metálicos finos e flexíveis conecta os dois flanges do acoplamento, acomodando desalinhamentos angulares e axiais por meio da deflexão dos discos, sem o contato microdeslizante que exige lubrificação em acoplamentos de engrenagem. Essa característica de dispensar manutenção reduz os custos operacionais em acionamentos de alta velocidade e elimina o risco de contaminação do lubrificante existente em acoplamentos lubrificados com graxa operando próximos a equipamentos críticos para a qualidade em fábricas de cimento.

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Estudo de Caso | Fabricação de Cimento | Clitheroe, Lancashire, Reino Unido

Uma importante fábrica de cimento em Clitheroe, Lancashire, que opera dois fornos rotativos de processo úmido e fornece clínquer para produtores de concreto em todo o noroeste da Inglaterra, estava sofrendo falhas repetidas no acoplamento principal do Forno 2. O acoplamento — um acoplamento de engrenagem fornecido por um fabricante europeu — estava apresentando falhas no nível dos dentes da engrenagem, com micropitting e lascamento progressivo nos flancos dos dentes, em um período de 12 a 18 meses após a instalação. Cada falha exigia a paralisação completa do forno por aproximadamente 36 horas para a remoção e substituição do acoplamento, com um custo combinado de perda de produção e mão de obra de manutenção emergencial estimado em cerca de £ 90.000 por evento. Com dois a três eventos ocorrendo por forno por ano, o impacto total nos custos estava atingindo níveis que justificavam uma investigação de engenharia completa.

A equipe de engenharia de confiabilidade da fábrica contatou a Ever Power após uma indicação de uma unidade irmã em Birmingham, que havia resolvido um problema semelhante com a ajuda da Ever Power. Nossos engenheiros de aplicação visitaram o local, revisaram os desenhos de acoplamento existentes, examinaram um conjunto de acoplamento com defeito e realizaram uma análise detalhada dos dados operacionais do forno, incluindo os registros de corrente do motor de acionamento, que revelaram picos periódicos de sobrecorrente correspondentes a posições rotacionais específicas do forno. Essa análise levou à identificação de dois fatores contribuintes: a carcaça do forno havia desenvolvido uma leve distorção oval ao longo dos anos de serviço, gerando uma variação de torque de duas vezes por revolução que a seleção original do acoplamento não havia considerado; e o raio de curvatura do dente especificado para o acoplamento era insuficiente para suportar a combinação de desalinhamento térmico e essa variação dinâmica de torque sem iniciar a fadiga superficial.

A Ever Power projetou um conjunto de acoplamento de substituição com um perfil de coroamento do dente modificado — utilizando uma geometria de coroamento esférica em vez do coroamento cilíndrico do projeto original — que distribui a carga de contato de forma mais uniforme pela face do dente, considerando o desalinhamento angular e radial combinado desta instalação específica. Também especificamos uma formulação de graxa EP de maior viscosidade para manter a espessura da película lubrificante sob as pressões de contato mais elevadas resultantes da variação dinâmica do torque. O conjunto de acoplamento de substituição foi instalado durante uma janela de manutenção anual planejada em março, e a usina opera há 22 meses consecutivos sem nenhum evento relacionado ao acoplamento. A equipe de manutenção da usina relata que a análise do lubrificante do novo acoplamento permanece limpa no intervalo de 12 meses, sem nenhum teor de partículas metálicas acima dos níveis de referência.

“O acoplamento fornecido pela Ever Power para o acionamento principal do nosso forno Kiln 2 está em operação há quase dois anos sem qualquer problema. O que mais nos impressionou foi a profundidade da análise realizada pelos engenheiros da empresa antes do pedido — eles identificaram uma discrepância no alinhamento dos dentes que nossa equipe não havia percebido, e o projeto modificado que propuseram resolveu completamente o problema recorrente de lascamento dos dentes, que nos custava dezenas de milhares de libras por ocorrência. Para um componente crítico dessa natureza, o envolvimento técnico foi tão importante quanto o próprio produto.”

“Especificamos os acoplamentos Ever Power para a reconstrução dos acionamentos de nossos moinhos de matérias-primas e de cimento durante uma grande reforma da planta em 2023, com base em recomendações de contatos do setor industrial de Birmingham. As certificações de materiais e os relatórios de inspeção dos dentes fornecidos com cada acoplamento eram abrangentes e atendiam exatamente às exigências do nosso departamento de qualidade. Os prazos de entrega foram cumpridos, a documentação estava completa e os acoplamentos têm funcionado sem problemas desde o comissionamento. Desde então, os adicionamos à nossa lista de componentes aprovados para futuras compras.”

“O nosso acionamento auxiliar de barras do forno tinha um histórico de falhas no acoplamento elastomérico, que atribuíamos ao ambiente térmico na caixa de engrenagens. A equipe de aplicação da Ever Power analisou a nossa instalação e recomendou um composto elastomérico de grau diferente, com uma classificação de temperatura máxima de serviço mais alta, e também ajustou o diâmetro do acoplamento para reduzir o desalinhamento operacional dentro do acionamento auxiliar. O custo da modificação foi mínimo em comparação com uma substituição padrão, e o intervalo entre falhas aumentou de 8 meses para mais de 18 meses em serviço. Eu recomendo entrar em contato com a equipe técnica deles logo no início do processo de especificação.”