BRPI0706907A2

BRPI0706907A2 - rolamento composto étil para suportar uma carga giratària submersa em metal em fusço, rolamento composto étil para suportar uma carga màvel submersa em metal em fusço, mÉtodo para produzir um rolamento composto que tem uma pluralidade de elementos de cerÂmica do rolamento

Info

Publication number: BRPI0706907A2
Application number: BRPI0706907-3A
Authority: BR
Inventors: Jorge Morando
Original assignee: Alphatech Inc
Priority date: 2006-02-02
Filing date: 2007-01-31
Publication date: 2011-05-10
Also published as: US7234869B1; JP2009526174A; WO2007092712A3; WO2007092712A2; CA2640172A1; KR20080103985A; MX2008009753A; EP1984639A2; AU2007212176A1

Abstract

ROLAMENTO COMPOSTO éTIL PARA SUPORTAR UMA CARGA GIRATàRIA SUBMERSA EM METAL EM FUSçO, ROLAMENTO COMPOSTO éTIL PARA SUPORTAR UMA CARGA MàVEL SUBMERSA EM METAL EM FUSçO, MÉTODO PARA PRODUZIR UM ROLAMENTO COMPOSTO QUE TEM UMA PLURALIDADE DE ELEMENTOS DE CERÂMICA DO ROLAMENTO. Trata-se de um rolamento (10) para suportar um eixo mecânico (12) submerso em zinco em fusão, o qual tem uma superfície de rolamento que compreende um forro cilíndrico de aço (20) que tem entalhes (26) que retêm elementos do rolamento de acoplamento de eixo mecânico de cerâmica (28).

Description

ROLAMENTO COMPOSTO ÚTIL PARA. SUPORTAR UMA CARGAGIRATÓRIA SUBMERSA EM METAL EM FUSÃO, ROLAMENTO COMPOSTO ÚTILPARA SUPORTAR UMA CARGA MÓVEL SUBMERSA EM METAL EM FUSÃO,MÉTODO PARA PRODUZIR UM ROLAMENTO COMPOSTO QUE TEM UMAPLURALIDADE DE ELEMENTOS DE CERÂMICA DO ROLAMENTO

ANTECEDENTES E DESCRIÇÃO RESUMIDA DA INVENÇÃO

Os rolamentos de conjuntos de roletes submersosutilizados para prover tensão em uma tira de metal, sendoavançados em um banho de metal em fusão, têm uma vida útilmuito curta. A vida útil curta existe por causa da distorçãoe do desalinhamento criados entre os componentes dorolamento, operando a altas temperaturas de metal. Alémdisso, ocorrem reações químicas entre o metal em fusão e osrolamentos. A carga pesada da superfície da unidade combinadacom a baixa velocidade de rotação operacional experimentadapelos roletes também encurta a vida do rolamento.

Foram solucionados alguns dos problemasrelacionados a estas condições ambientais. Um exemplo podeser encontrado na patente U.S. n°. 6.692.689 do mesmorequerente da presente, concedida em 17 de fevereiro de 2004,para "Conjunto de roletes submersos com rolamentoslubrificados de película hidrodinâmica forçada e braços deretenção auto-alinhados". A presente invenção ampliousubstancialmente a vida útil dos roletes ao alinhar o eixomecânico dos roletes com o eixo geométrico do rolamento, e aobombear metal em fusão sob pressão nas superfícies derolamento na forma de uma película lubrificantehidrodinâmica, criada pela redução da carga de superfície daunidade que age no rolamento.

A invenção descrita no presente pedido de patenteconfere uma vida operacional mais longa mediante a provisãode elementos de cerâmica no forro do rolamento que suporta oeixo mecânico. A cerâmica tem um padrão de desgasteextremamente reduzido em comparação às ligas de açonormalmente utilizadas para roletes submersos, por causa desua dureza, baixo coeficiente de atrito e resistência aoataque químico pelo metal em fusão.

Uma abordagem para utilizar materiais de rolamentode cerâmica consistia na utilização de um forro de cerâmicaem uma luva de aço de liga para suportar o eixo mecânico.Esta abordagem foi elaborada em laboratório, mas não éapropriada para uma aplicação industrial por várias razões.

Uma razão é que o anel de retenção de aço que contém acerâmica tem um coeficiente de expansão muito maior do que acerâmica. O resultado é que quando o forro de cerâmica éaquecido até a temperatura de operação (9000F a 1.300°F namaioria dos casos), a interface entre o forro de cerâmica e aluva de retenção desenvolve um afastamento substancial quefaz então com que a cerâmica não suportada seja fragmentada.

Um forro de cerâmica não suportada irá se romper em umaaplicação industrial, por causa do intenso impacto queexperimenta, causado pela tira de metal móvel submersa nobanho de metal em fusão.

Foi verificado que o emprego de um forro de açopara suportar diversos elementos de cerâmica nos entalhes emuma luva de retenção impede que os elementos de cerâmicasejam separados do forro e compensa as diferenças noscoeficientes de expansão do aço e da cerâmica, minimizando oafastamento de rolamento à alta temperatura.

Na realização preferida, o forro tem uma superfíciecilíndrica interna, que tem entalhes alongados em um padrãoque se estende em torno da superfície cilíndrica. Uma tiraalongada de material de cerâmica é introduzida em cada um dosentalhes. A superfície interna coletiva dos elementos decerâmica combina com a superfície do forro para formar umaestrutura de suporte de eixo mecânico. Este arranjo confere avantagem de utilizar a vida operacional longa de umcomponente de cerâmica sem os problemas da expansãodiferencial.

0 processo para produzir tal rolamento compreende aformação de um forro de aço de liga que tem entalhes parareceber os elementos de cerâmica. Os entalhes, à temperaturaambiente, são ligeiramente menores do que os elementos decerâmica. 0 forro é aquecido então até uma temperaturaapropriada, tal como 1.000°F, para expandir os entalhes. Oselementos de cerâmica são introduzidos nos entalhes. 0 forrode aço é então resfriado de modo que os elementos de cerâmicafiquem presos firmemente nos entalhes (isto é, um encaixe deinterferência de 0,0002 ± 0,0001 polegada). Os diâmetrosexterno e interno do conjunto de inserções de forro de aço-cerâmica são então fresados em dimensões apropriadas, odiâmetro externo para receber a luva de retenção e o diâmetrointerno para receber o munhão do eixo mecânico dos roletessubmersos.

Para impedir que os elementos de cerâmica se movamradialmente para fora do forro ao operar à alta temperatura,uma luva de retenção é aquecida para a sua expansão. A luvade retenção aquecida recebe telescopicamente o forro e oselementos de cerâmica para formar uma conexão apropriada semfolga entre a luva de retenção e o forro de aço. A luva deretenção e o forro são feitos dos mesmos materiais de modoque têm o mesmo coeficiente de expansão. Desse modo, enquantoo rolamento é aquecido até uma temperatura operacional, oforro e a luva de retenção expandem como uma unidade enquantoretêm os elementos de cerâmica em seus respectivos entalhes.

As forças radiais aplicadas ao rolamento pelo eixomecânico são dirigidas para uma área particular da superfíciede rolamento. Por um período de tempo, o eixo mecânico irádesgastar gradualmente o forro na área operacional localizadada superfície de rolamento. O rolamento pode então ser girado(aproximadamente em 90 graus) para permitir uma área nãousada da superfície de rolamento para suportar o eixomecânico. Isto pode ser repetido diversas vezes ao girarprogressivamente o rolamento sempre que for requerido, dessemodo aumentando por um fator de quatro a vida útil jáprolongada do rolamento, resultando em economias adicionaisem materiais de rolamento, bem como no tempo para asubstituição de um rolamento gasto.

Outros objetivos e vantagens ainda da invençãotornar-se-ão imediatamente aparentes a um técnico no assuntoao qual a invenção pertence mediante referência à seguintedescrição detalhada.

DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A descrição refere-se aos desenhos anexos em que osmesmos caracteres de referência referem-se às mesmas partespor todas as diversas vistas, e nos quais:

a FIGURA 1 é uma vista que ilustra o ambiente emque o rolamento da invenção é montado;

a FIGURA 2 é uma vista lateral do rolamento daFigura 1, mas com a luva de retenção removida;

a FIGURA 3 é uma vista seccional tal como vistosubstancialmente ao longo das linhas 3-3 da Figura 2;

a FIGURA 4 é uma vista seccional tal como visto aolongo das linhas 4-4 da Figura 9;

a FIGURA 5 é uma vista de uma configuraçãoalternativa do entalhe;

a FIGURA 6 é uma vista cilíndrica que ilustraetapas no processo para produzir um rolamento preferido;

a FIGURA 7 ilustra etapas adicionais na produção deum rolamento preferido;

a FIGURA 8 é uma vista que ilustra a maneira naqual a superfície de rolamento do forro é acabada;a FIGURA 9 é uma vista de extremidade de umrolamento preferido; e

a FIGURA 10 é uma vista que ilustra a cargacolocada em um rolamento típico que ilustra a invenção.

DESCRIÇÃO DA REALIZAÇÃO PREFERIDA

Com referência às figuras 1 e 4, o rolamento 10ilustra uma realização preferida da invenção para suportar umeixo mecânico girável 12. A estrutura 14 suporta o rolamentoe o eixo mecânico abaixo do nível 16 de um banho de metal emfusão. Um invólucro 18 do rolamento suporta um forro 20, euma luva de retenção 22.

A luva e o forro são cilíndricos, sendo que o forrotem uma superfície interna cilíndrica 24 do forro.

Com referência às figuras 2 e 4, o forro tem umapluralidade de aberturas ou entalhes 26. Cada entalhe 26 éalongado e paralelo ao eixo de rotação 27 de um eixomecânico. Outras formas e localizações são possíveis.

Um elemento de cerâmica 28 do rolamento é dispostoem cada entalhe 26. Cada elemento de cerâmica do rolamentopode ser reto ou ter uma configuração um tanto afunilada comuma superfície interna 32 curvada para formar uma continuaçãoda superfície cilíndrica 24 do forro, tal como mostrado nafigura 3.

À temperatura ambiente, a largura de cada entalhe26 é ligeiramente menor (0,0002" a 0,001") do que a largurade seu respectivo elemento de cerâmica do rolamento. Comreferência à figura 6, um aquecedor 34 é então utilizado paraaquecer o forro 20 até uma temperatura de aproximadamente1.000°F, para ampliar suficientemente os entalhes individuaispara receber os seus respectivos elementos de cerâmica dorolamento. Quando o forro é resfriado até a temperaturaambiente, os entalhes se retraem para reter firmemente seusrespectivos elementos de cerâmica do rolamento na posição, demodo que ambos o diâmetro externo e o diâmetro interno podemser mecânicos (fresados) conjuntamente como um conjunto.

A etapa seguinte na produção do rolamento preferidoestá ilustrada na figura 7, em que a luva de retenção 22,feita de um aço de liga, é aquecida para ampliarsuficientemente a sua superfície interna para receber o forro20. A luva de retenção é então resfriada, para reterfirmemente os elementos de cerâmica do rolamento na posição epara impedir que se eles se movam para fora se afastando doeixo mecânico quando operados a uma alta temperatura no banhode metal.

Com referência à figura 8, uma ferramenta deacabamento 3 6 é então empregada para fresar toda a superfíciede rolamento interna incluindo o forro e os elementos decerâmica do rolamento, com uma superfície cilíndrica lisa comum diâmetro ligeiramente maior do que o diâmetro mecânicopretendido do eixo mecânico.

A Figura 10 ilustra a maneira na qual o eixomecânico é suportado dentro do forro. A carga é aplicada nadireção da seta 38. Por essa razão, durante um período detempo uma parte da superfície do rolamento 24 do forro ficarádesgastada. O forro do rolamento pode ser girado no invólucro18 na direção da seta 40 em 90 graus, por exemplo, paraacoplar o eixo mecânico com uma parte não utilizada do forro.Isto reduz o tempo de paralisação na substituição de talrolamento porque o forro pode ser girado para uma novaposição ao invés de ser substituído. As inserções de cerâmicareduzem o atrito; agem como limpadores de escória de metal; epermitem afastamentos de rolamento de eixo mecânico dorolamento muito próximos (0,010/0,015) versus (0,250/0,300)nos rolamentos padrão.

Com referência à figura 4, o forro 20 tem umasuperfície do rolamento convexa parcialmente esférica 42 queacopla de maneira deslizável com uma superfície de rolamentocôncava parcialmente esférica 44 da luva de retenção 22. Umpar de anéis 46 e 48, unidos ao invólucro e à luva deretenção, retém a luva de retenção na posição.

A Figura 5 ilustra uma realização alternativa dainvenção em que os componentes similares aos componentes dafigura 4 são designados por um prime.

Neste caso, os entalhes 26' são paralelos uns aosoutros, mas inclinados com respeito ao eixo 27'.

Tendo sido descrita a presente invenção, éreivindicado o que segue.

Claims

1. ROLAMENTO COMPOSTO ÚTIL PARA SUPORTAR UMA CARGAGIRATÓRIA SUBMERSA EM METAL EM FUSÃO, caracterizado pelo fatode compreender:uma pluralidade de elementos de cerâmica dorolamento, em que cada um deles tem uma superfície deacoplamento com eixo mecânico;um forro de metal que tem uma pluralidade deentalhes de recepção de elementos de cerâmicacircunferencialmente espaçados, em que cada um dos elementosde cerâmica do rolamento é recebido em um entalhe respectivo,o forro é termicamente expansivo de maneira tal que cadaentalhe tem um diâmetro menor do que o diâmetro de seurespectivo elemento de cerâmica a uma temperatura mais baixado forro, e um diâmetro maior do que o diâmetro de seurespectivo elemento de cerâmica a uma temperatura mais altado forro, por meio do que cada elemento de cerâmica érecebido em seu entalhe respectivo à temperatura mais alta doforro, e é então preso firmemente no entalhe quando atemperatura do forro é reduzida à dita temperatura mais baixado forro, formando uma superfície cilíndrica do forro parasuportar de maneira deslizável um eixo mecânico giratório.

2. ROLAMENTO COMPOSTO, de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o forro demetal compreende uma liga de metal que tem uma baixasolubilidade com o metal em fusão particular em que aestrutura de rolamento composto é submersa.

3. ROLAMENTO COMPOSTO, de acordo com areivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a liga demetal tem uma dureza elevada Rc>25, à temperatura operacionaldo metal em fusão.

4. ROLAMENTO COMPOSTO, de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo fato de incluir uma luvade retenção montada no forro para impedir que os elementos decerâmica do rolamento se movam em seus entalhes respectivosse afastando da dita superfície cilíndrica do forro.

5. ROLAMENTO COMPOSTO, de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o forro temuma pluralidade de entalhes de recepção de elementos decerâmica que se estendem através do forro, em que cada um doselementos de cerâmica do rolamento pode ser recebido em seurespectivo entalhe de recepção de cerâmica por um movimentona direção dos cilíndricos de superfície do forro, e incluiuma luva de retenção telescopicamente disposta sobre osentalhes de recepção de elementos para impedir um movimentoexterno radial dos elementos de cerâmica do rolamento.

6. ROLAMENTO COMPOSTO, de acordo com areivindicação 5, caracterizado pelo fato de incluir umaestrutura de auto-alinhamento, a qual compreende:uma luva externa que recebe telescopicamente oforro, a luva de retenção e os elementos de cerâmica;uma estrutura de auto-alinhamento do rolamentodisposta entre a luva de retenção e o forro de uma maneiratal que o forro pode oscilar de maneira deslizável comrespeito à luva de retenção.

7. ROLAMENTO COMPOSTO, de acordo com areivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a estruturade auto-alinhamento do rolamento compreende o forro que temuma superfície do rolamento parcialmente esférica externa; ea luva de retenção tem uma superfície de rolamentoparcialmente esférica interna que acopla de maneiradeslizável com a superfície de rolamento parcialmenteesférica externa para permitir que um eixo mecânico dispostono forro se mova com respeito à luva de retenção.

8. ROLAMENTO COMPOSTO, de acordo com areivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a estruturade auto-alinhamento do rolamento inclui um par de anéis derolamento espaçados que conectam a luva de retenção em umaposição fixa com respeito à luva externa.

9. ROLAMENTO COMPOSTO, de acordo com areivindicação 7, caracterizado pelo fato de que cada um doselementos de cerâmica do rolamento é alongado e suportadoparalelo ao eixo de rotação de um eixo mecânico suportadopelos ditos elementos de cerâmica do rolamento.

10. ROLAMENTO COMPOSTO, de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo fato de incluir umaestrutura para suportar o forro em uma posição de suporte doeixo mecânico mas permitindo que o forro seja girado em tornode um eixo longitudinal do forro para uma segunda posição desuporte do eixo mecânico.

11. ROLAMENTO COMPOSTO ÚTIL PARA SUPORTAR UMACARGA MÓVEL SUBMERSA EM METAL EM FUSÃO, caracterizado pelofato de compreender:uma estrutura do rolamento que tem uma superfíciede rolamento cilíndrica suportada sobre um eixo de rotação deeixo mecânico que compreende:um forro do metal que tem uma pluralidade deentalhes de recepção de elementos de cerâmicacircunferencialmente espaçados; euma pluralidade de elementos de cerâmicacircunf erencialmente espaçados, cada um dos quais tem umasuperfície de acoplamento com eixo mecânico interna, em quecada um dos elementos de cerâmica do rolamento é recebido emum entalhe respectivo.

12. MÉTODO PARA PRODUZIR UM ROLAMENTO COMPOSTO QUETEM UMA PLURALIDADE DE ELEMENTOS DE CERÂMICA DO ROLAMENTO,caracterizado pelo fato de compreender as etapas, mas nãonecessariamente nesta ordem, de:a) formação de um forro que tem uma superfície derolamento cilíndrica que tem uma pluralidade de aberturas derecepção de cerâmica circunferencialmente espaçadas;b) formação de uma pluralidade de elementos decerâmica do rolamento, em que cada um deles pode ser recebidoem uma abertura respectiva das aberturas de recepção decerâmica; e são maiores do que as suas aberturas de recepçãorespectivas;c) aquecimento do forro até uma temperatura tal quecada abertura de recepção se expande até um tamanho parareceber o seu respectivo elemento de cerâmica do rolamento;d) inserção de cada elemento cerâmico do rolamentoem sua respectiva abertura de recepção em uma posição em quecada elemento de cerâmica do rolamento tem uma superfície deacoplamento com eixo mecânico, formando uma parte dasuperfície de rolamento cilíndrica do forro; ee) inserção telescópica do forro e dos elementos decerâmica do rolamento em uma luva de retenção para impedirque cada elemento de cerâmica do rolamento se movaradialmente para fora de sua abertura respectiva.

13. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 12,caracterizado pelo fato de incluir a etapa de acabamento desuperfície da superfície de rolamento cilíndrica do forropara formar uma superfície de rolamento com acabamento.

14. ROLAMENTO COMPOSTO ÚTIL PARA SUPORTAR UMACARGA GIRATÓRIA SUBMERSA EM METAL EM FUSÃO, caracterizadopelo fato de compreender:uma pluralidade de elementos de cerâmica dorolamento, cada um dos quais tem uma superfície deacoplamento com eixo mecânico;um forro de metal que tem uma pluralidade deaberturas de recepção de elementos de cerâmicacircunferencialmente espaçadas, em que cada um dos elementosde cerâmica do rolamento é recebido em uma abertura derecepção respectiva para formar uma superfície cilíndrica doforro para suportar de maneira deslizável um eixo mecânicogiratório;as aberturas de recepção de cerâmica se estendematravés do forro, em que cada um dos elementos de cerâmicapode ser recebido em sua respectiva abertura de recepção deelementos de cerâmica por um movimento na direção dasuperfície de rolamento do forro, e inclui uma luva deretenção disposta telescopicamente sobre as aberturas derecepção de elementos de cerâmica para impedir um movimentoexterno radial dos elementos de cerâmica do rolamento; euma estrutura de auto-alinhamento, que compreendeuma luva externa que recebe telescopicamente o forro, a luvade retenção e os elementos de cerâmica do rolamento, e aestrutura de auto-alinhamento do rolamento disposta entre aluva de retenção e o forro de uma maneira tal que o forropode oscilar de maneira deslizável com respeito à luva deretenção.

15. ROLAMENTO COMPOSTO, de acordo com areivindicação 14, caracterizado pelo fato de que a estruturade auto-alinhamento do rolamento compreende o forro que temuma superfície de rolamento parcialmente esférica externa; ea luva de retenção tem uma superfície de rolamentoparcialmente esférica interna que acopla de maneiradeslizável com a superfície de rolamento parcialmenteesférica externa para permitir que um eixo mecânico dispostono forro se mova com respeito à luva de retenção.

16. ROLAMENTO COMPOSTO, de acordo com areivindicação 15, caracterizado pelo fato de que a estruturade auto-alinhamento do rolamento inclui um par de anéis derolamento espaçados, conectando a luva de retenção em umaposição fixa com respeito à luva externa.

17. ROLAMENTO COMPOSTO, de acordo com areivindicação 15, caracterizado pelo fato de que cada um doselementos de cerâmica do rolamento é alongado e suportadoparalelo ao eixo de rotação de um eixo mecânico suportadopela superfície cilíndrica do forro.

18. ROLAMENTO COMPOSTO ÚTIL PARA SUPORTAR UMACARGA GIRATÓRIA SUBMERSA EM METAL EM FUSÃO, caracterizadopelo fato de compreender:uma pluralidade de elementos de cerâmica dorolamento, cada um dos quais tem uma superfície deacoplamento com eixo mecânico; eum forro de metal que tem uma pluralidade deentalhes de recepção de elementos de cerâmica, em que cada umdos elementos de cerâmica do rolamento pode ser recebido emum entalhe respectivo, o forro é termicamente expansivo demaneira tal que cada entalhe é menor do que o seu respectivoelemento de cerâmica do rolamento a uma temperatura maisbaixa do forro, e é maior do que o seu respectivo elemento decerâmica do rolamento a uma temperatura mais alta do forro,por meio do que cada elemento de cerâmica do rolamento podeser recebido em seu entalhe respectivo à temperatura maisalta do forro, e é então preso firmemente no entalhe quando atemperatura do forro é reduzida até a dita temperatura maisbaixa do forro, formando uma superfície cilíndrica do forropara suportar de maneira deslizável um eixo mecânicogiratório.

19. ROLAMENTO COMPOSTO, de acordo com areivindicação 18, caracterizado pelo fato de incluir uma luvade retenção que tem uma característica de expansão térmicaque é a mesma que a característica de expansão térmica doforro, e a luva de retenção é montada no forro para impedirque os elementos de cerâmica do rolamento se movam em seusentalhes respectivos quando a temperatura do forro e da luvade retenção é alterada.

20. MÉTODO PARA PRODUZIR UM ROLAMENTO COMPOSTO, deacordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato deincluir a etapa de acabamento de superfície da superfície derolamento cilíndrica do forro depois que cada elemento decerâmica do rolamento tiver sido montado em sua aberturarespectiva.