Corona dentata del forno: fondamenti del sistema di azionamento

La corona dentata del forno è un grande ingranaggio aperto fissato al mantello del forno che si accoppia con un pignone di comando, trasmettendo la coppia del motore per far ruotare il mantello a 1-4 giri/min a pieno carico di processo. È uno dei componenti a maggiore intensità di capitale e con i tempi di approvvigionamento più lunghi del forno: la sostituzione della corona richiede dai 12 ai 18 mesi dall'ordine alla consegna [1]. Questo documento tratta la funzione della corona dentata, le configurazioni a trasmissione singola o doppia, i principi di allineamento, inclusi il gioco al fondo, la lubrificazione e il monitoraggio dell'usura.

Funzione della corona dentata

La corona dentata è un ingranaggio diviso (prodotto in due metà per il montaggio in loco e la futura rimozione) montato concentricamente sul mantello del forno tra due stazioni di rotolamento (tyre). Il pignone, azionato da un riduttore e da un motore, si accoppia con la corona dentata e fa ruotare il forno.

Corona dentata del forno: un grande ingranaggio aperto, tipicamente con diametro primitivo di 3-5 m, montato sul mantello del forno rotante e azionato da un pignone per far ruotare il forno a 1-4 giri/min. Prodotto in due metà per il montaggio in loco.

Parametri tipici della corona dentata per grandi forni da cemento:

• Diametro primitivo: 3-5 m [2]
• Modulo: 20-50 (modulo elevato per un'elevata capacità di coppia)
• Numero di denti: 120-200+ (elevato numero di denti per un ingranamento fluido)
• Materiale: acciaio legato al Mn-Cr o Mn-Ni-Cr fuso o forgiato, trattato termicamente per la durezza superficiale

L'ingranaggio è montato sul mantello utilizzando piastre elastiche tangenziali o bullonatura diretta, consentendo una leggera espansione differenziale tra ingranaggio e mantello durante i cicli di riscaldamento e raffreddamento.

Il processo di produzione del cemento richiede una rotazione del forno continua e affidabile. Un guasto alla corona dentata arresta immediatamente la produzione; un arresto non programmato su un forno da 5.000 t/giorno ha un impatto diretto sul consumo specifico di combustibile (il forno deve essere riacceso e riportato a temperatura, consumando ulteriore combustibile) e costa di più al giorno in termini di margine perso rispetto all'ingranaggio stesso.

Configurazioni a trasmissione singola vs doppia

Una configurazione a trasmissione singola utilizza un gruppo motore-riduttore-pignone che si accoppia con la corona dentata. Una configurazione a doppia trasmissione utilizza due gruppi pignone a 180°, dimezzando il carico per contatto tra i denti e riducendo il momento flettente sul mantello sotto coppia.

Sequenza della catena cinematica (entrambe le configurazioni):

Motore → giunto idraulico (o VFD) → riduttore principale → pignone → corona dentata → mantello del forno

La trasmissione singola è standard su forni fino a circa 5.000 t/giorno [3]. L'intera coppia del motore passa attraverso un unico ingranamento dei denti. Ciò concentra il carico sui denti e la forza di deformazione del mantello in una posizione circonferenziale.

La doppia trasmissione suddivide il carico tangenziale sui denti tra due pignoni a 180°, riducendo il momento flettente netto sulla sezione trasversale del mantello di circa il 50% [3]. Questa è la configurazione preferita per i grandi forni (oltre 5.000 t/giorno) e per i forni con elevata variabilità di coppia dovuta all'uso di combustibili alternativi, dove i picchi di carico possono essere significativi.

Ogni forno dispone anche di una trasmissione ausiliaria (di viraggio): un motore a bassa velocità e bassa coppia per la rotazione lenta durante gli arresti, la manutenzione e l'equalizzazione termica. La trasmissione di viraggio protegge il mantello e il refrattario dalla distorsione termica durante gli arresti e i riavvii.

Fonte: cementl.com tipi di trasmissione per forni rotanti [3]; prassi industriale.

Principi di allineamento

Un corretto allineamento della corona dentata richiede che gli assi dell'ingranaggio e del pignone siano paralleli entro le tolleranze del costruttore (OEM) e che il gioco al fondo sia uniforme lungo l'intera circonferenza dell'ingranaggio.

Il gioco al fondo è la distanza radiale tra la testa del dente di un ingranaggio e il fondo del dente dell'ingranaggio accoppiato. La formula di progetto:

c = 0,25 × m + (da 2 a 3 mm)

Dove:

• c = gioco al fondo [mm]
• m = modulo dell'ingranaggio [mm/dente]

Per un ingranaggio con modulo 30: c = 0,25 × 30 + 2 = 9,5 mm (minimo). L'intervallo tipico per grandi ingranaggi di forni da cemento è 5-15 mm [4][5].

Il gioco tra i fianchi dei denti (backlash) per l'assemblaggio iniziale è di 0,2-0,5 mm [4][5]. Il gioco aumenta con l'usura; una volta che l'ingranaggio è rodato, l'allineamento viene mantenuto monitorando il gioco al fondo piuttosto che il gioco tra i fianchi.

L'impronta di contatto dei denti viene verificata utilizzando il blu di Prussia (pasta applicata sui denti del pignone; l'impronta sull'ingranaggio rivela la zona di contatto):

• Minimo 60% di contatto lungo la lunghezza del dente [4]
• Minimo 40% di contatto lungo l'altezza del dente [4]

Un gioco al fondo non uniforme lungo la circonferenza indica eccentricità dell'ingranaggio, ovalizzazione del mantello o montaggio errato. Ciò deve essere corretto prima della messa in servizio; far funzionare un ingranaggio disallineato accelera l'usura dei bordi e la fatica dei denti.

L'espansione termica modifica lo stato di allineamento tra il funzionamento a freddo e a caldo. L'allineamento iniziale viene impostato a freddo con una compensazione calcolata dall'OEM per la differenza di espansione termica tra il montaggio dell'ingranaggio sul mantello caldo e il pignone sul suo albero più freddo. Una verifica alla temperatura operativa è una pratica standard.

L'allineamento delle stazioni di rotolamento (tyre) influisce direttamente sull'allineamento della corona dentata poiché sia le tyre che l'ingranaggio sono montati sullo stesso mantello. Vedere funzione e usura delle tyre del forno per come le regolazioni delle stazioni di rotolamento si propagano attraverso l'asse del mantello.

Lubrificazione

La corona dentata è un ingranaggio aperto: funziona esposta all'ambiente di processo e richiede un sistema di lubrificazione a spruzzo intermittente.

Tipo di lubrificante: lubrificante per ingranaggi aperti ad alta viscosità, tipicamente ISO VG 1500-3200 o superiore, formulazione bituminosa o sintetica [6][7]. Il lubrificante deve aderire ai fianchi dei denti durante il ciclo di ingranamento nonostante la gravità, la forza centrifuga e la contaminazione da polvere.

Sistema di applicazione: ugelli a spruzzo automatici attivati a intervalli temporizzati. La temporizzazione dello spruzzo mira a coprire uno o due giri completi del forno per ciclo di spruzzo per coprire tutti i denti [7]. Lo standard AGMA 9005-D94 specifica un intervallo massimo di due ore tra le applicazioni a spruzzo [6].

Polvere, cemento e cicli termici sono i principali fattori di contaminazione e degradazione del lubrificante. L'ostruzione degli ugelli a spruzzo a causa dell'accumulo di cemento è la modalità di guasto alla manutenzione più comune del sistema di lubrificazione; gli ugelli dovrebbero essere controllati a ogni giro di ispezione del forno.

La quantità di lubrificante è dimensionata in base alle tabelle AGMA 9005 in funzione della velocità primitiva, del diametro dell'ingranaggio e della potenza nominale del motore [6]. La lubrificazione insufficiente è la causa principale dell'usura della corona dentata e del pignone; la sovralubrificazione spreca lubrificante e attira l'accumulo di polvere.

Il servizio di manutenzione e ispezione di Oswal include controlli del sistema di lubrificazione come parte degli audit meccanici dei forni per cementifici e altri operatori di forni rotanti.

Monitoraggio dell'usura e modalità di guasto

Le tre principali modalità di guasto della corona dentata sono: pitting dei denti (fatica superficiale), usura dei denti (abrasiva) e incrinature (impatto o disallineamento).

Pitting dei denti: fatica superficiale dovuta a sovraccarico (disallineamento che concentra il carico su una faccia del dente) o cedimento del film lubrificante. Il pitting in fase iniziale è rilevabile tramite l'ispezione dell'impronta di contatto. Il pitting progredisce in distacco di materiale (spalling) se non corretto.

Usura dei denti (abrasiva): la polvere di cemento che entra nell'ingranamento agisce come un abrasivo, usurando il profilo del dente. Il gioco al fondo aumenta man mano che la testa del dente si consuma. L'andamento del gioco al fondo è la misura principale dell'usura.

Incrinature: causate da carichi d'impatto (materiale estraneo duro che passa attraverso l'ingranamento) o fatica flessionale indotta da disallineamento. Le crepe superficiali richiedono un'ispezione immediata con ultrasuoni (UT) o particelle magnetiche (MT) per valutare la profondità di propagazione.

Parametri di monitoraggio:

Inversione dell'ingranaggio: la corona dentata può essere ruotata di 180° quando una faccia del dente è usurata, raddoppiando la vita utile. Questo è pianificato nel programma di manutenzione a lungo termine.

Intervallo di sostituzione del pignone: i pignoni vengono sostituiti più frequentemente della corona dentata (più piccoli, meno costosi, più accessibili). Tenere un pignone di scorta in loco è una pratica standard e previene lunghi arresti non programmati.

Pianificazione della sostituzione: una nuova corona dentata richiede 12-18 mesi dall'ordine alla consegna [1]. La pianificazione del budget dovrebbe iniziare quando il gioco al fondo o il pitting indicano che l'ingranaggio è a circa il 70% della sua vita utile stimata.