Entre em qualquer mina ou fábrica de cimento e você encontrará um equipamento rotativo que pesa centenas de toneladas, funciona 24 horas por dia e depende de uma única engrenagem enorme para continuar girando. Essa engrenagem é a coroa -, também chamada de engrenagem circunferencial -, e é o carro-chefe desconhecido da indústria pesada. Quando um deles falha, toda a linha para e o custo do tempo de inatividade pode chegar a dezenas de milhares de dólares por hora.
O que uma engrenagem anelar realmente faz
Uma coroa dentada é uma engrenagem de grande{0}}diâmetro aparafusada ao redor da circunferência de um tambor giratório ou carcaça de forno. Ele engrena com um ou dois pinhões menores acionados por um motor elétrico através de uma caixa de engrenagens. O motor gira o pinhão, o pinhão gira a coroa e a coroa gira toda a carcaça - em velocidades normalmente entre 1 e 20 RPM.
O design é simples, mas brutalmente eficaz. Ao envolver a engrenagem em torno do próprio tambor, você elimina a necessidade de um enorme eixo central e rolamento que seria impraticável nesses tamanhos. A coroa distribui a força motriz por toda a circunferência, o que é essencial quando você está girando um moinho de bolas de 500 toneladas cheio de minério e bolas de aço.
As engrenagens anelares são enormes. Os módulos típicos variam de 20 a 50, e os diâmetros podem exceder 14 metros nos maiores moinhos. Eles são fundidos em uma única peça ou divididos em dois ou mais segmentos para transporte e instalação. O material é quase sempre aço fundido - ZG45, 42CrMo ou ligas semelhantes - com tratamento térmico para atingir o equilíbrio certo entre dureza superficial e tenacidade do núcleo.
Mineração: moinhos de todos os tipos
Na mineração, a função principal da coroa é transformar moinhos - as máquinas que trituram o minério até os tamanhos de partículas finas necessários para a recuperação mineral.
Os moinhos de bolas são a aplicação mais comum. Um cilindro de aço horizontal parcialmente preenchido com esferas de aço gira em seu eixo, derrubando o minério e triturando-o por impacto e abrasão. Os tamanhos variam de alguns metros de diâmetro para pequenas operações até mais de 8 metros para grandes minas de cobre e ouro. A coroa de um moinho de bolas grande pode pesar 30 toneladas ou mais sozinha.
Os moinhos SAG (moagem semi{0}}autogênica) e os moinhos AG (moagem autógena) dão um passo adiante. Os moinhos SAG usam o próprio minério como meio de moagem junto com uma pequena carga de esferas de aço, enquanto os moinhos AG dependem inteiramente do minério. Esses moinhos são ainda maiores que os moinhos de bolas - diâmetros de 10 a 12 metros são comuns, e as engrenagens que os acionam são correspondentemente massivas. As cargas aqui são extremas: um moinho SAG totalmente carregado pode pesar mais de 1.000 toneladas, e a coroa precisa iniciar e parar essa massa suavemente, sem causar choque nos dentes.
Moinhos de barras, moinhos de seixos e moinhos de torre completam as aplicações de mineração. Cada um usa uma engrenagem anelar, embora o tamanho e o perfil de carga sejam diferentes. O que todos eles compartilham é um ambiente operacional hostil - poeira, vibração e partículas de minério abrasivas constantes que penetram em tudo. As engrenagens anelares na mineração precisam de alta dureza superficial para resistir ao desgaste abrasivo e raízes dentárias robustas para lidar com a fadiga causada por cargas repetidas.
Cimento: Fornos, Moinhos e Secadores
A indústria do cimento é a outra grande usuária de engrenagens de coroa e as demandas aqui são diferentes, mas não menos severas.
Os fornos rotativos são o coração de uma fábrica de cimento. Um cilindro de aço longo e ligeiramente inclinado - normalmente com 4 a 6 metros de diâmetro e 60 a 100 metros de comprimento - gira de 1 a 4 RPM enquanto uma chama na extremidade inferior aquece o material a mais de 1.400 graus. O calcário e a argila entram na parte superior e o clínquer sai pela parte inferior. A coroa, geralmente montada perto da extremidade de descarga, deve manter um engate preciso com o pinhão, mesmo quando a carcaça do forno se expande termicamente em vários centímetros. Essa expansão térmica é um dos maiores desafios de projeto em engrenagens de anel de fornos de cimento - a engrenagem precisa permanecer alinhada em uma faixa de temperatura que deformaria a maioria das máquinas.
Os moinhos de bolas de cimento funcionam com o mesmo princípio dos moinhos de bolas de mineração, moendo o clínquer até o pó fino que se transforma em cimento. Esses moinhos geralmente funcionam em circuito fechado com separadores, e o acionamento da coroa precisa lidar com operação contínua com variação mínima de velocidade. Os moinhos de cimento tendem a ser menores do que os maiores moinhos de mineração SAG, mas funcionam durante anos sem parar, portanto, a confiabilidade e a resistência ao desgaste são fundamentais.
Os secadores rotativos e resfriadores são a terceira maior aplicação de cimento. Os secadores removem a umidade das matérias-primas antes que elas entrem no forno, enquanto os resfriadores reduzem o clínquer quente à temperatura de manuseio depois de sair do forno. Ambos usam acionamentos de coroa semelhantes aos fornos, embora as cargas e temperaturas sejam mais baixas. O que importa aqui é a consistência - a rotação desigual causa secagem ou resfriamento desigual, o que afeta a qualidade do produto.
Considerações sobre design e materiais
A diferença entre uma coroa que dura 20 anos e outra que falha em 5 se resume ao design, ao material e à qualidade de fabricação.
O perfil do dente é importante. A maioria das engrenagens de coroa modernas usa dentes helicoidais em vez de dentes retos retos. O ângulo da hélice distribui a carga por vários dentes simultaneamente, o que reduz o choque, diminui o ruído e permite que a engrenagem transmita torque de classe de megawatts-em baixas RPM sem martelar. As engrenagens helicoidais geram impulso axial, que precisa ser absorvido pelos rolos de suporte do moinho, mas a compensação vale a pena para aplicações-de serviço pesado.
A seleção do material depende da aplicação. Para fornos de cimento, onde o calor e a ciclagem térmica são as principais preocupações, ligas como 42CrMo ou AISI 4140 retêm resistência em temperaturas elevadas. Para usinas de mineração, onde o desgaste abrasivo domina, os aços fundidos com alto teor de carbono e endurecimento superficial (geralmente por indução ou endurecimento por chama) proporcionam maior vida útil ao dente. O processo de tratamento térmico é crítico - muito difícil e os dentes quebram sob choque; muito moles e desgastam-se em poucos anos.
A precisão da fabricação é a peça final. Os dentes devem ser cortados no perfil exato, a engrenagem deve ser perfeitamente redonda e os furos dos parafusos devem estar alinhados precisamente com o flange do tambor. Qualquer excentricidade ou desalinhamento causa carga desigual nos dentes, o que acelera o desgaste e pode levar à quebra catastrófica dos dentes. Fabricantes de qualidade realizam testes ultrassônicos em peças fundidas, verificam o perfil do dente com máquinas de medição por coordenadas e fazem um teste de malha completa com o pinhão antes do envio.
Manutenção e vida útil
Uma coroa dentada bem-projetada e{1}}instalada pode funcionar de 15 a 25 anos antes de precisar ser substituída. A chave é lubrificação e monitoramento.
A maioria das engrenagens de coroa usa lubrificação de-engrenagens abertas - uma graxa pesada ou composto à base de asfalto-aplicado por sistemas de pulverização automáticos ou manualmente pelos operadores. O lubrificante deve permanecer nos dentes sob força centrífuga, resistir à lavagem com água e poeira e suportar pressões extremas. Uma taxa de aplicação típica é de alguns gramas por minuto, pulverizados no pinhão enquanto ele gira. A lubrificação insuficiente é a causa número um de falha prematura da coroa - os dentes ficam desgastados, arranhados e desgastados rapidamente quando a película lubrificante se rompe.
A inspeção regular detecta problemas antes que se tornem falhas. As equipes de manutenção verificam os padrões de desgaste dos dentes, procuram corrosão ou lascas nas superfícies dos dentes, medem a folga e ouvem ruídos incomuns. Um padrão de desgaste concentrado em um lado dos dentes geralmente indica desalinhamento - ou o pinhão está descentralizado-ou a engrenagem mudou no tambor. Perceber isso cedo e-realinhar pode acrescentar anos à vida útil do equipamento.
Quando uma coroa chega ao fim de sua vida útil, a substituição é uma operação importante. O moinho ou forno deve ser parado, a engrenagem antiga desaparafusada e cortada (muitas vezes em seções para remoção) e a nova engrenagem instalada e alinhada. Isso pode levar de dias a semanas de tempo de inatividade planejado, e é por isso que a maioria das fábricas mantém uma coroa sobressalente na prateleira e planeja a substituição com anos de antecedência.
conclusão
As engrenagens anelares estão entre os maiores e mais pesados componentes mecânicos em qualquer operação industrial. Na mineração, eles acionam os moinhos que reduzem o minério ao tamanho recuperável - moinhos de bolas, moinhos SAG, moinhos AG e moinhos de barras, muitas vezes excedendo 10 metros de diâmetro e movimentando cargas de mais de 1.000 toneladas. No cimento, eles acionam os fornos rotativos que produzem clínquer a 1.400 graus, os moinhos de bolas que o transformam em pó e os secadores e resfriadores que dão suporte ao processo.
As condições de operação dificilmente poderiam ser mais diferentes - a mineração trata de abrasão e carga de choque, o cimento trata de calor e expansão térmica - mas os requisitos convergem para a mesma coisa: uma coroa dentada cuidadosamente fabricada com precisão, devidamente lubrificada e cuidadosamente alinhada que pode funcionar por décadas com o mínimo de atenção. Faça isso direito e ele ficará em segundo plano, fazendo seu trabalho de maneira confiável. Se errar, ele se tornará o peso de papel mais caro do local.
