Cammina su qualsiasi sito minerario o cementificio e troverai un pezzo di attrezzatura rotante che pesa centinaia di tonnellate, funziona 24 ore al giorno e dipende da un unico enorme ingranaggio per continuare a girare. Questo ingranaggio è la corona dentata - detta anche corona dentata - ed è il cavallo di battaglia non celebrato dell'industria pesante. Quando uno si guasta, l’intera linea si ferma e il costo dei tempi di inattività può arrivare a decine di migliaia di dollari l’ora.
Cosa fa realmente una corona dentata
Una corona dentata è un ingranaggio di grande-diametro imbullonato attorno alla circonferenza di un tamburo rotante o del guscio di un forno. Ingrana con uno o due pignoni più piccoli azionati da un motore elettrico tramite un riduttore. Il motore fa girare il pignone, il pignone fa girare la corona dentata e la corona dentata fa girare l'intero guscio - a velocità tipicamente comprese tra 1 e 20 giri/min.
Il design è semplice ma brutalmente efficace. Avvolgendo l'ingranaggio attorno al tamburo stesso, si elimina la necessità di un massiccio albero centrale e di un cuscinetto che sarebbe poco pratico con queste dimensioni. La corona dentata distribuisce la forza motrice su tutta la circonferenza, il che è essenziale quando si fa ruotare un mulino a sfere da 500 tonnellate pieno di minerali e sfere di acciaio.
Le corone dentate sono enormi. I moduli tipici vanno da 20 a 50 e i diametri possono superare i 14 metri sui mulini di macinazione più grandi. Sono fusi in un unico pezzo o divisi in due o più segmenti per il trasporto e l'installazione. Il materiale è quasi sempre acciaio fuso - ZG45, 42CrMo o leghe simili - con trattamento termico per ottenere il giusto equilibrio tra durezza superficiale e tenacità del nucleo.
Estrazione mineraria: mulini di macinazione di ogni tipo
Nel settore minerario, il compito principale della corona dentata è trasformare i mulini di macinazione - le macchine che frantumano il minerale fino alle dimensioni delle particelle fini necessarie per il recupero del minerale.
I mulini a sfere sono l'applicazione più comune. Un cilindro d'acciaio orizzontale parzialmente riempito con sfere d'acciaio ruota attorno al proprio asse, facendo rotolare il minerale e macinandolo attraverso urti e abrasioni. Le dimensioni vanno da pochi metri di diametro per piccole operazioni a oltre 8 metri per grandi miniere di rame e oro. La corona dentata di un grande mulino a sfere può pesare da sola 30 tonnellate o più.
I mulini SAG (semi-macinazione autogena) e i mulini AG (macinazione autogena) fanno un ulteriore passo avanti. I mulini SAG utilizzano il minerale stesso come mezzo di macinazione insieme a una piccola carica di sfere d'acciaio, mentre i mulini AG fanno affidamento interamente sul minerale. Questi mulini sono persino più grandi dei mulini a sfere - sono comuni diametri da 10 a 12 metri e le corone dentate che li azionano sono altrettanto massicce. I carichi qui sono estremi: un mulino SAG a pieno carico può pesare oltre 1.000 tonnellate e la corona dentata deve avviare e arrestare quella massa senza problemi, senza caricare d'urto i denti.
Mulini a barre, mulini a ciottoli e mulini a torre completano le applicazioni minerarie. Ciascuno utilizza una trasmissione ad anello dentato, sebbene le dimensioni e il profilo di carico differiscano. Ciò che li accomuna tutti è un ambiente operativo difficile - polvere costante, vibrazioni e particelle minerali abrasive che penetrano ovunque. Le corone dentate nel settore minerario necessitano di un'elevata durezza superficiale per resistere all'usura abrasiva e di radici dei denti robuste per gestire la fatica derivante da carichi ripetuti.
Cemento: forni, mulini ed essiccatoi
L’industria del cemento è l’altro grande utilizzatore di corone dentate e le richieste qui sono diverse ma non per questo meno severe.
I forni rotativi sono il cuore di un cementificio. Un lungo cilindro d'acciaio leggermente inclinato - tipicamente da 4 a 6 metri di diametro e da 60 a 100 metri di lunghezza - ruota a una velocità da 1 a 4 giri al minuto mentre una fiamma all'estremità inferiore riscalda il materiale a oltre 1.400 gradi. Il calcare e l'argilla entrano nella parte superiore e il clinker di cemento fuoriesce dal fondo. La corona dentata, solitamente montata vicino all'estremità di scarico, deve mantenere un ingranamento preciso con il pignone anche quando il guscio del forno si dilata termicamente di diversi centimetri. Questa dilatazione termica è una delle maggiori sfide di progettazione delle corone dentate dei forni da cemento - l'ingranaggio deve rimanere allineato in un intervallo di temperature che deformerebbe la maggior parte dei macchinari.
I mulini a sfere per cemento funzionano secondo lo stesso principio dei mulini a sfere minerari, macinando il clinker fino alla polvere fine che diventa cemento. Questi mulini spesso funzionano a circuito chiuso con separatori e la trasmissione ad anello dentato deve gestire un funzionamento continuo con variazioni minime di velocità. I mulini per cemento tendono ad essere più piccoli dei più grandi mulini SAG minerari, ma funzionano per anni senza fermarsi, quindi l'affidabilità e la resistenza all'usura sono fondamentali.
Gli essiccatori e raffreddatori rotativi rappresentano la terza principale applicazione del cemento. Gli essiccatori rimuovono l'umidità dalle materie prime prima che entrino nel forno, mentre i raffreddatori portano il clinker caldo alla temperatura di lavorazione dopo che ha lasciato il forno. Entrambi utilizzano trasmissioni a corona dentata simili ai forni, sebbene i carichi e le temperature siano inferiori. Ciò che conta qui è la coerenza - una rotazione irregolare provoca un'asciugatura o un raffreddamento non uniforme, che influisce sulla qualità del prodotto.
Considerazioni su progettazione e materiali
La differenza tra una corona dentata che dura 20 anni e una che si guasta in 5 dipende dal design, dai materiali e dalla qualità della produzione.
Il profilo dei denti è importante. La maggior parte delle corone dentate moderne utilizza denti elicoidali anziché denti cilindrici diritti. L'angolo dell'elica distribuisce il carico su più denti contemporaneamente, riducendo gli urti, il rumore e consente all'ingranaggio di trasmettere una coppia di classe megawatt- a bassi regimi senza martellare. Gli ingranaggi elicoidali generano effettivamente una spinta assiale, che deve essere assorbita dai rulli di supporto del mulino, ma il compromesso vale la pena per le applicazioni per carichi pesanti.
La scelta del materiale dipende dall'applicazione. Per i forni da cemento, dove il calore e il ciclo termico sono le preoccupazioni principali, leghe come 42CrMo o AISI 4140 mantengono la resistenza a temperature elevate. Per i mulini minerari, dove prevale l'usura abrasiva, gli acciai fusi ad alto-carbonio con indurimento superficiale (spesso mediante induzione o tempra alla fiamma) garantiscono una maggiore durata dei denti. Il processo di trattamento termico è critico - troppo duro e i denti si spezzano sotto shock; troppo morbidi e si consumano in pochi anni.
La precisione della produzione è il pezzo finale. I denti devono essere tagliati secondo il profilo esatto, l'ingranaggio deve essere perfettamente rotondo e i fori dei bulloni devono essere allineati esattamente con la flangia del tamburo. Qualsiasi eccentricità o disallineamento provoca un carico irregolare dei denti, che accelera l'usura e può portare a rotture catastrofiche dei denti. I produttori di qualità eseguono test ad ultrasuoni sui pezzi fusi, controllano il profilo dei denti con macchine di misura a coordinate ed eseguono un test di ingranamento completo con il pignone prima della spedizione.
Manutenzione e durata
Una corona dentata ben-progettata e ben{1}}installata può durare dai 15 ai 25 anni prima di dover essere sostituita. La chiave è la lubrificazione e il monitoraggio.
La maggior parte delle corone dentate utilizza la lubrificazione degli ingranaggi aperti- - un grasso pesante o un composto a base di asfalto-applicato mediante sistemi di spruzzatura automatici o manualmente dagli operatori. Il lubrificante deve rimanere sui denti sotto la forza centrifuga, resistere al dilavamento dell'acqua e della polvere e sopportare pressioni estreme. Una velocità di applicazione tipica è di pochi grammi al minuto, spruzzati sul pignone mentre gira. Una lubrificazione insufficiente è la causa numero uno di guasto prematuro della corona dentata - i denti si deteriorano, si rigano e si usurano rapidamente una volta che la pellicola lubrificante si rompe.
L'ispezione regolare individua i problemi prima che diventino fallimenti. I team di manutenzione controllano i modelli di usura dei denti, cercano vaiolature o scheggiature sulle superfici dei denti, misurano il gioco e ascoltano rumori insoliti. Un'usura concentrata su un lato dei denti solitamente indica un disallineamento - o il pignone è decentrato-o l'ingranaggio si è spostato sul tamburo. Rilevarlo tempestivamente e ri-allinearlo può aggiungere anni alla vita dell'attrezzatura.
Quando una corona dentata raggiunge la fine della sua vita, la sostituzione è un'operazione importante. Il mulino o il forno deve essere fermato, il vecchio ingranaggio sbloccato e tagliato (spesso in sezioni per la rimozione) e il nuovo ingranaggio installato e allineato. Ciò può richiedere giorni o settimane di fermo macchina pianificato, motivo per cui la maggior parte degli stabilimenti mantiene una corona dentata di riserva sullo scaffale e pianifica la sostituzione con anni di anticipo.
conclusione
Le corone dentate sono tra i componenti meccanici più grandi e maggiormente caricati in qualsiasi operazione industriale. Nel settore minerario, guidano i mulini di macinazione che riducono il minerale a dimensioni recuperabili - mulini a sfere, mulini SAG, mulini AG e mulini a barre, che spesso superano i 10 metri di diametro e movimentano carichi di oltre 1.000 tonnellate. Nel cemento, guidano i forni rotanti che producono clinker a 1.400 gradi, i mulini a sfere che lo macinano in polvere e gli essiccatoi e i raffreddatori che supportano il processo.
Le condizioni operative difficilmente potrebbero essere più diverse - l'estrazione mineraria riguarda l'abrasione e il carico d'urto, il cemento riguarda il calore e l'espansione termica - ma i requisiti convergono sulla stessa cosa: una corona dentata prodotta con precisione, adeguatamente lubrificata e accuratamente allineata che può funzionare per decenni con la minima attenzione. Se lo fai bene, passerà in secondo piano, svolgendo il suo lavoro in modo affidabile. Sbagli e diventa il fermacarte più costoso sul posto.
