Métodos Rotary Kiln Alinhamento ‐ Um Estudo Comparativo

Por John H. Ross, Metso Minerals Engenheiro Funcionários.

   Os Níveis de produção nos últimos anos das indústrias de cimento e cal aumentaram num nível nunca visto antes pelo mercado. Como resultado, as plantas individuais sentirão a pressão não só para manter os níveis de produção atuais, mas para aumentar a eficiência global do equipamento para atingir a quantidade máxima de confiabilidade do equipamento. Neste artigo, vamos olhar para a importância da manutenção preditiva no forno rotativo, uma importante peça da produção de cimento. Para melhor ajudar os produtores de cimento na determinação do desempenho operacional do forno, uma tentativa será feita para proporcionar ao leitor uma abordagem comparativa ao alinhamento forno.

Por que o alinhamento do forno é tão importante? Pura e simplesmente, sendo uma peça maciça de rotação mecânica o equipamento com suporte a várias estações, a operação do forno está diretamente influenciada pelo seu alinhamento e precisão. Um forno não é diferente do que um grande ventilador, uma turbina ou um moinho com a ressalva de que ele é muito maior e a velocidade de rotação é muito menor. No entanto, o forno é inclinado e os estáticos e cargas dinâmicas, como resultado de tamanho, refratários e produtos são extensos. Além disso, o funcionamento temperatura do forno e expansão térmica resultante faz com que o alinhamento do forno único em si mesmo. Portanto, ao contrário de alta velocidade, como turbinas, ventiladores e moinhos, uma condição de desalinhamento em um forno muitas vezes não é imediatamente perceptível até que o dano seja extenso, tais como insuficiência refratária, rolamentos quentes e falhas em componentes principais.

1. O forno é projetado de modo que todos os componentes estejam na mesma inclinação. Quando as bases de apoio de aço estrutural são instaladas no cais, elas são instaladas em uma inclinação de projeto específico. Estas específicas inclinações de projeto são então aplicadas aos rolos de apoio, o trem de acionamento e, finalmente, ao corpo do forno. Assim, a elevação e inclinação de cada componente em questão é um fator de alinhamento do forno. Ver fig. 1.

2. O próximo fator importante de alinhamento do forno é a posição dos rolos de apoio no plano horizontal e é diretamente afetada pela posição de cada respectivo rolo de apoio. Ver fig. 2.

3. Provavelmente os componentes mais caros em um forno rotativo estariam no trem de acionamento, tipicamente consistindo de uma engrenagem de anel grande, pinhão(s), redutor(s), acoplamentos, etc., os quais precisam ter a inclinação de projeto específico do forno e alinhado em todos os planos. Hoje, com equipamentos de alinhamento eletrônico, o alinhamento de pinhão para engrenagem, acoplamentos e eixos é um processo muito mais rápido do que no passado. Ver fig. 3.

4. Uma vez que o eixo do corpo / central está alinhado com os rolos de apoio e do sistema de engrenagem está corretamente alinhado, é preciso, inclinar ou ajustar os rolos de suporte para controlar e absorver uma parte da carga do forno do empuxo axial. Este ajuste de rolo de apoio é tipicamente aplicado a todos os rolos em um esforço para distribuir a carga de empuxo igualmente a todos os rolos de suporte. Ver figura 4.

Uma vez que os critérios acima forem atendidos, então é seguro dizer que o forno está correto e adequadamente alinhado.

Mas que tipo de método de alinhamento devem ser utilizados para que lhe dar os melhores resultados para atender os critérios acima? Esta é a pergunta que os produtores de cimento têm de se perguntar para determinar o que é melhor para o seu forno. Então com isso em mente, vamos dar uma olhada comparativa em alguns dos métodos de alinhamento atualmente disponíveis para operadores de fornos de cimento:

Alinhamentos de Fornos:

Aproximadamente 20 anos atrás, começamos a ouvir sobre o conceito de alinhamentos forno e como eles era, a resposta para todos os problemas relacionados com as condições térmicas do forno operacional. O argumento para alinhar o forno é que uma vez que os componentes se expandiam, como resultado das altas temperaturas de operação, as vitolas / anéis de ancoragem expandir de forma diferente e causavam um desvio do eixo do forno na vertical ou no plano elevacional. Além disso, na realização de um alinhamento enquanto o forno está em funcionamento, a operação do forno e produção não é afetada. Isto tem provado ser muito conveniente para as operações de forno. Sem dúvida, essas considerações foram importantes para a indústria e é por isso que o alinhamento forno quente agora é o método mais popular utilizado na indústria de hoje.

Por razões de clareza, vamos dar uma olhada na evolução dos métodos por aí:

Ovalização do Corpo do Forno:

No final dos anos 1950, Holderbank Engenharia criou um método de medição de deformação elástica do sorpo em condições de operação para determinar razões mecânicas para a falha prematura do refratário. Na fig. 5, nós vemos o efeito de uma concha de flexão no forno de tijolos refratários. Esta foi provavelmente a primeira tentativa por parte da indústria para determinar que o corpo do forno estava realmente fazendo em condições de operação. Minha primeira experiência com alinhamentos de fornos quentes era na verdade tentando usar um feixe de ovalização para determinar a posição dos rolos de apoio. Na teoria, quando rolos de apoio não foram corretamente posicionados, a deflexão resultante do corpo indicaria nas paradas ovalização a direção do desalinhamento do corpo. Ver fig. 6. Infelizmente, não havia valor quantitativo a aplicar-se ao desalinhamento. Outros fatores como distância excessiva entre os virolas/furos montando anéis e barras de enchimento também levadas em conta as leituras de ovalização, e demorou mais de 10mm de ajustes rolos incorretos aparecem nas leituras ovalização. Logo se descobriu que o alinhamento de um forno por leituras ovalização não foi completa, embora tenha sido informativo. Método Convencional de Alinhamento de Fornos: Alinhamentos convencionais de forno são do tipo que emprega medições ópticas de alvos físicas. Basicamente, as linhas de referência paralela ao eixo horizontal do forno são estabelecidas em ambos os lados do forno. Uma vez que estas linhas são estabelecidas um instrumento óptico “teodolito”, às vezes com um built-in laser, são usados para medir as linhas de referência para a rotação de virolas/anel de ancoragem. As metas podem ser tão simples como prumo em uma corda ou prismas de levantamento que irá refletir de volta para o teodolito através do built-in laser, comumente chamado de EDM ou “medidor de distância eletrônico”.

A vantagem deste sistema é que ele é relativamente simples, tem uma duração relativamente curta de tempo e, portanto, é relativamente barato. Uma representação bastante boa de retidão do corpo forno pode ser determinada por este método.

A desvantagem desse método é que os instrumentos ópticos a laser estão sendo empregados para disparar através de ondas térmicas, e lidar com as vibrações de funcionamento. Além disso, enquanto o forno estiver em funcionamento, não é possível verificar o alinhamento do sistema de engrenagens. Também é difícil de verificar, com qualquer quantidade de precisão, o cais para cais e elevações do apoio de aço estrutural da moldura da base. Embora este método seja bastante rápido e barato, ele faz falta em precisão e perfeição.

Alinhamento de Fornos a Laser. A primeira forma de alinhamento de forno empregada na indústria de cimento utilizava lasers como os meios para coletar os dados de posição. Foi usado por Polysius Corporation e introduzido pela primeira vez na America do norte em 1980. Desde então, várias outras empresas desenvolveram métodos similares de alinhamento a laser para determinar a localização do eixo do forno. A vantagem do alinhamento a laser é que todas as medições são coletadas eletronicamente, assim, uma grande quantidade de dados podem ser coletados e então rapidamente transferidos para um computador. Outra vantagem é que, diferentemente do alinhamento convencional, a maioria dos sistemas de laser-assistida aplica uma abordagem de não contato com casca e virola/anel de ancoragem. A maioria dos sistemas de monitorar a posição de cada virola/anel de ancoragem para toda a revolução e determinar o eixo de rotação. Mais uma vez, é necessário estabelecer algum tipo de linha de referência ao longo de um ou ambos os lados do forno. Estas linhas de referência passam a ser a linha de base para todos os dados coletados e armazenados no computador, e são geralmente estabelecidas por alvos óticos ou a laser configurar em cada extremidade do forno. A vantagem de usar alinhamentos a laser para forno é a cobrança de uma grande quantidade de dados que teria sido difícil e demorado para reunir antes da era dos computadores. Ao utilizar este sistema, o programa de computador vai determinar a posição de cada base em relação às linhas de referência e definir o eixo de rotação do forno na elevação e planos horizontais. Como não há contato real com o corpo do forno ou virola/anel de ancoragem, há pouca chance de erro do operador na coleta dos dados. Tal como acontece com o alinhamento convencional, a desvantagem deste sistema é imprecisões potencial no layout das linhas de referência que está sendo feito opticamente ou com o laser, enquanto o forno estiver em funcionamento. Novamente as ondas térmicas e vibração podem e vão fazer as linhas de referência serem difícieis de estabelecer com precisão repetível. Além disso, é necessário configurar os tempos teodolito ou multiplos laserers para coletar os dados necessários. Em um caso vivido, o instrumento movido pelo menos 12 vezes em um forno de cinco bases. Finalmente, como com o alinhamento convencional para o forno, o sistema de câmbio não pode ser verificado e é difícil determinar a elevações base por base para determinar a localização da base de aço estrutural. é bastante rápido e barato, ele faz falta em precisão e perfeição.

Outro fator a ter em conta quanto à realização de medições de ovalização do forno, e um alinhamento de forno convencional ou a laser é a condição de funcionamento do forno. Ao implementar um estudo de ovalização de forno, é importante observar, determinar e compreender as condições

operacionais do forno. Por exemplo, se a operação do forno está perturbada e/ou possui um revestimento interior incomum fazer alinhamento irá afetar as leituras de ovalização em um par de formas. Revestimentos incomuns, tanto em espessura ou localização, afetará a temperatura externa do corpo do forno. Se o corpo do forno é mais frio do que o normal, haverá uma quantidade maior de folga entre os virolas/anéis de ancoragem e barras de enchimento de apoio. Isto pode causar a aparecia que as ovalizações parecem maiores do que aquilo que normalmente é durante condições normais de operação. Carregamento do forno anormal devido ao revestimento ou produto também afeta ovalização e deflexão do corpo. Ao aplicar qualquer uma dessas condições incomuns ou anormais para o corpo do forno durante a realização de alinhamentos o eixo de rotação do forno será alterado. Como muitos já experientes, tem havido vários casos observados onde as virolas/anéis de ancoragem temporariamente e / ou de forma intermitente descolou do seu rolo de apoio devido a uma inclinação anormal do forno resultante do acúmulo de revestimento interior. Medições de alinhamento enquanto o forno está operando em qualquer uma dessas condições incomuns vai alterar significativamente as leituras e condições normais de operação. Todo o método de alinhamento deve empregar a medição e comparação das temperaturas do corpo àqueles normalmente experientes. Ver fig. 7.

Tradicional "Bench Mark" de Alinhamento de Forno:

Durante décadas antes que a popularidade do alinhamento forno, o alinhamento de um forno era feito enquanto o forno estava fora de operação. Ainda hoje, quando um novo forno é instalado, todas as medições dos topos das bases, bases estruturais de aço, sistema de acionamento e, finalmente, o corpo do forno e seus componentes, verificando se o forno está alinhado em uma condição não operacional. Isto é possível porque os dados reais dimensionais de todos os componentes são conhecidos e é apenas uma questão de reunir todos os componentes para as especificações do projeto. Aplicação de hoje do método tradicional de alinhamento utiliza os mesmos critérios de medir com precisão todos os virola/anéis de ancoragem, rolos de suporte e localização existentes de bases de aço estrutural. Depois que os dados são determinados e o eixo do forno é definido para a altitude correta, inclinação e posição horizontal, a unidade de alinhamento é verificada. Isto é o que é referido como um "Bench Mark" alinhamento onde toda a geometria dos componentes são medidas com precisão e então posicionadas por especificações do projeto original. O benefício deste alinhamento é identificar o tamanho real dos componentes, os encostos reais das bases e o alinhamento da unidade real sem fazer suposições. Uma vez que a geometria dos componentes são identificados o forno pode ser devolvido as suas especificações do projeto original. Mantendo o controle das dimensões reais, as taxas de desgaste podem ser gravadas e se não houver acerto de bases, um registro pode ser mantido da fixação. Os dados coletados com o alinhamento é um teodolito com built-in laser, enquanto o forno está em uma condição estática e sem ondas térmicas ou vibrações. Além disso, na maioria dos fornos, haverá apenas duas configurações dos instrumentos para determinar o eixo do forno. Junto com o benefício de ser o sistema mais acurado de uma perspectiva de levantamento, ele também é o caminho mais seguro para realizar alinhamentos, porque não há equipamentos móveis e a temperatura extrema do forno operacional não será um fator para o pessoal.

A desvantagem deste sistema é que ele é feito em condições de temperatura ambiente, sem os componentes de sua expansão completa a sua temperatura normal de funcionamento. Em alguns casos, o alinhamento deve ser agendado em torno de outras atividades que ocorrem no forno. No entanto, uma vez que normalmente demora um turno para o levantamento do forno e um turno para medir os componentes, raramente é um problema de programação.

O Efeito da Dilatação Térmica no Alinhamento do Forno: Para determinar o efeito da expansão térmica da casca do forno e componentes de suporte em um alinhamento via "Bench Mark", foi feito um estudo para determinar a mudança de alinhamento real. O seguinte é uma pequena amostra do que foi determinado: A 15 'ID x 350 comprimento forno Metso com 5 pilares de apoio foi utilizado no estudo. Por causa do comprimento e as altas temperaturas deste forno, acreditava-se ser um bom exemplo de disparidade de alinhamento. Desde conchas de forno são projetados para expandir dentro dos virolas/anéis de ancoragem, o pneu extremidade de descarga / anel guia terá substancialmente mais folga diametral frio do que o fim. Todas as leituras de temperatura são tomadas nos virolas/anéis de ancoragens ao invés de montar o forno. Afinal, é a posição do anel virola/anel de ancoragem nos rolos de apoio que determina o alinhamento, não o corpo forno.

A temperatura nos respectivos virolas/anéis de ancoragem usando o método norte-americano de numeração dos pilares da extremidade de descarga # 1 ao final descarga # 5:

#1 base: 315ºf - 95ºf = 220ºf or 105ºc

#2 base: 325ºf - 95ºf = 230ºf or 107ºc

#3 base: 250ºf - 95ºf = 155ºf or 68ºc

#4 base: 220ºf - 95ºf = 125ºf or 52ºc

#5 base: 160ºf - 95ºf = 65ºf or 19ºc

(Note:. 95 ºF foi a temperatura ambiente no momento de alinhamento e assim a diferença é deduzido para fornecer um retrato mais verdadeiro entre operacional e as condições de desligamento)

O mínimo para a diferença de temperatura máxima da base n º 2 ao n º 5 foi: 88 º c. A fórmula para a expansão do virola/anel de ancoragem é a seguinte:

ΔD = Doxαt xΔT Do = diâmetro original αt = coeficiente de expansão térmica ΔT = variação da temperatura

Para encontrar a diferença de diâmetro do forno entre a mínima temperatura e a máxima é:

ΔD = Do x αt x ΔT ΔD = 5286mm (rr dia.) X .000012 X 88ºC ΔD = 5.58mm or .220”

A fórmula para encontrar a diferença elevational é:

Δe = δd/2 x .866 or .220”/2 x .886” Δe = .095”

A distância entre a pilar # 2 e # 5 anéis guia é 210 ' A diferença de inclinação do forno, como resultado da expansão térmica é: 0,0005 "/ft (uma quantidade insignificante).

De uma perspectiva de engenharia, o efeito da expansão térmica em declive de forno ou

alinhamento global é bastante insignificante. Isto é ainda menos de um fator em 2-pilares fornos rotativos. Conclusão. O alinhamento do forno é fundamental para o bom funcionamento da planta. Ao estabelecer um melhor alinhamento, a taxa de desgaste dos componentes será reduzida e com essa redução o forno vai girar mais livremente com menor consumo de energia. Quanto maior o desalinhamento, maior a força será necessária para rodar o forno que é caro e prejudicial aos componentes. O objetivo deste artigo foi comparar algumas das opções de alinhamento de forno que estão disponíveis para a indústria de cimento. Alinhamentos de forno em operação podem ser benéficos na determinação do eixo do corpo antes de paradas, onde grandes projetos como a substituição de equipamentos e substituições de seções do corpo estam sendo planejados. O tradicional "Bench mark" abordagem de alinhamento deve ser feito pelo menos a cada poucos anos para certificar-se de que o forno é constantemente restaurado a sua especificação de projeto original. Isso irá posicionar o forno para o melhor desempenho operacional, minimizando o risco de falha de componentes.

FIGURA 2