MAQUINARIA MINERA Y AGROINDUSTRIAL

MAQUINARIA MINERA Y AGROINDUSTRIALINGENIERIA MECANICA

BOMBA DE PULPA

1. OBJETIVOS: Conocer el funcionamiento y caracterstica de la bomba de pulpa. Reconocer sus aplicaciones en la industria moderna. Poder apreciar su costo de operacin y mantenimiento de la bomba de pulpa. Reconocer si las condiciones de operacin en las mineras desafan a todas las bombas convencionales. Intuir que el manejo de fluidos abrasivos y corrosivos usados en las operaciones mineras tpicamente presenta un desafo para cualquier fabricante de bomba. El alto contenido de slidos y la gran concentracin de cidos desafan mucho a las bombas de diagrama, centrifugas y otro tipo de bombas donde el fluido se pone en contacto directo con las piezas de la bomba. Entender por qu se usa revestimiento interior de materiales de goma, materiales sintticos, poliuretano o hechas con aleaciones con nquel.2. MARCO TEORICO PARA LA SELECION DE LA BOMBA DE LODOS 2.1.- IntroduccinLas bombas centrfugas para pulpas se utilizan para manipular slidos definidos en una gran variedad de aplicaciones. En con secuencia, estn sometidas a desgastes por erosin a causa del contacto entre las superficies hmedas de la bomba y las partculas de la pulpa que se bombea. El desgaste resultante se mide normalmente en trminos de prdida de peso por unidad de superficie, o por reduccin del espesor por la accin dinmica de la pulpa. Al final, es la reduccin del espesor lo que determina la vida til de las piezas de la bomba.Aparte del consumo de energa, la principal preocupacin de los usuarios de bombas para pulpas es el desgaste por erosin.Con el tiempo se produce un cambio de dimensiones y de la rugosidad superficial de las piezas que, en consecuencia, afecta al funcionamiento, rendimiento y fiabilidad.La seleccin de bombas para pulpas, pensando en minimizar los desgastes, precisa un conocimiento cuidadoso del sistema y de la interaccin entre ste y la bomba. La geometra de la bomba y los materiales de construccin influyen en su duracin. Tambin son importantes otras variables del sistema, incluyendo la altura manomtrica, el caudal y las caractersticas de la pulpa (tamao y forma de la partcula, viscosidad aparente, etc.).2.2.- Estudios del desgaste en bombasLas tres piezas de desgaste principales de una bomba centrfuga para pulpas son: el rodete, el cuello de aspiracin y la voluta, tal y como se muestra en la Figura 1. Cada una de estas piezas se desgasta a un ritmo distinto con tamaos de partculas y caudales de operacin diferentes. El Departamento de I+D de WARMAN ha realizado el primer estudio completo, examinando los efectos que el caudal de pulpa y el tamao de partcula producen en los desgastes, utilizan- do una bomba modelo 6/4 AH con piezas blandas de hierro fundido para producir unos desgastes acelerados (1). Adems, otros trabajos ms recientes de WARMAN se han centrado en los efectos de la velocidad de la bomba y diseo del rodete.

Las siguientes recomendaciones estn, en gran parte, basadas en este trabajo.2.3.-Forma y diseo de la bombaLa forma bsica de las bombas centrfugas se determina con un nmero sin dimensin llamado Velocidad Especfica (Ns= f(H,Q,N). Para una altura (H) y un caudal (Q) dados, hay una relacin inversa entre el dimetro del rodete (D ) y la velocidad de rotacin (N) en el punto de diseo o Punto de Mejor Rendimiento (BEP) de la bomba. Un rodete de dimetro grande precisa una velocidad de rotacin lenta, mientras que un rodete pequeo tiene que girar ms rpidamente para alcanzar una altura determinada. La relacin dimetro/anchura, o forma, est caracterizada por la Ns (una cantidad sin dimensin). Con las bombas para pulpas no es prctico funcionar con diseos Ns relativamente altos, a causa del desgaste producido por altas velocidades de giro.Por otra parte, no es prctico tener rodetes de baja Ns, por sus bajos rendimientos y escasa capacidad para el paso de slidos. La Figura 2 indica la gama tpica de rendimiento que pueden conseguirse con diversas Ns. Los rendimientos mximos se producen con Ns de aprox. 0,8. Las bombas para pulpas con buenas caractersticas de desgaste, generalmente, una Ns en la gama 0,3 - 0,8, con la mayora de diseos para servicios pesados sobre Ns= 0,5.2.4.- Velocidad de giroAlgunos diseadores de plantas establecen lmites de velocidad de giro de los rodetes de las bombas para pulpas, por debajo de los correspondientes a una buena prctica normal. Esto tiene como consecuencia una definicin, de hecho, de la Velocidad Especfica para un servicio determinado (ya que se dan las tres variables, H, Q y N, de Ns). Las consecuencias de esta prctica son el empleo de diseos con Ns bajos, que producen rendimientos muy inferiores a los que seran normalmente aceptables. Si los ingenieros de plantas desean imponer limitaciones de velocidad en las bombas para pulpas, tendra ms sentido utilizar como criterio la velocidad perifrica o tangencial del rodete. Esto no produce una limitacin de la Ns y permite una seleccin de D2 y N que cumpla ptimamente con el servicio requerido. La velocidad perifrica tiene un efecto significativo en el desgaste del rodete. En un ensayo de erosin con chorro perpendicular, el ritmo del desgaste vara, tpicamente, con un valor entre el cuadrado y el cubo de la velocidad de choque (2). Sin embargo, en el rodete de una bomba, un aumento de la velocidad de giro no solamente cambia la velocidad perifrica sino la velocidad relativa de paso y los ngulos de choque sobre los labes. Un incremento de la velocidad de giro del rodete, a un caudal relativo constante, produce un aumento en el ritmo de desgaste de, aproximadamente, el cuadrado de la relacin de velocidades. Si el caudal relativo no se mantiene constante, produce un aumento en el ritmo de desgaste de, aproximadamente, el cuadrado de la relacin de velocidades. Si el caudal relativo no se mantiene constante, el ndice de desgaste (WR) puede variar significativamente por su dependencia del caudal. Esto se ilustra en la Figura 3.

Los lmites de la velocidad perifrica los establecen las propiedades fsicas del material del rodete (generalmente el esfuerzo de traccin), sin embargo, las recomendaciones para obtener un ritmo ptimo de desgaste se basan, por lo general, en la experiencia con diversos tipos de pulpas. En aplicaciones con servicios particularmente ultra pesados, no es extrao utilizar dos bombas acopladas en serie, a fin de reducir las velocidades perifricas requeridas para conseguir la altura manomtrica de servicio. Esta solucin puede proporcionar desgastes y costos operativos ms bajos, aun cuando los costos de capital son obviamente mayores. 2.5.- Diseo del rodeteLa necesidad, cada vez mayor, de costos de operacin cada vez ms bajos en las plantas de procesos, ha obligado a diseos de rodetes de alto rendimiento. Un buen diseo de alto rendimiento puede incrementar ste en un 10% sobre el diseo de servicio pesado. La Figura 4 muestra un nmero de diferencias entre los diseos tradicionales para servicio pesado y los de alto rendimiento. Esto surge debido a los distintos servicios pretendidos para cada rodete y los tipos de desgaste resultantes. Las pulpas con partculas gruesas (d85 > 700 um) tienden a seguir una ruta distinta a la del fluido, ya que la fuerza de inercia de las partculas son mayores que las de rozamiento ejercido sobre el fluido. Los patrones de desgaste tpicos consisten en surcos profundos donde haya cualquier cambio de direccin del flujo (ver Fig. 5). En las pulpas con partculas finas (d85 < 100 um) stas siguen la misma ruta del fluido. Esto significa que donde se crea una separacin o torbellino en el flujo, puede producirse una erosin seria por la accin de los slidos finos retenidos. Las consecuencias para el diseo y seleccin son significativas.

1.- Alabes gruesos de curvatura reducida, debido a la trayectoria ms corta y el mayor ngulo de salida de las partculas mayores.2.- Caras paralelas con salida ancha, para evitar el bloqueo de las partculas gruesas y reducir la componente transversal de la velocidad.3.- Alabes de expulsin en la cara frontal, para reducir el desgaste centrifugando las partculas ms gruesas hacia la de la voluta y fuera de la zona entre el rodete y el cuello de aspiracin.4.- Elevado ngulo de salida del labe y rodete de salida ancha, lo que supone un coeficiente de elevacin mayor y, por tanto, menor velocidad de rotacin para desarrollar una determinada altura manomtrica. El diseo de rodetes de alto rendimiento debe incluir:1.- Alabes girados delgados con ngulo de entrada variable a lo largo del borde de ataque, y una curvatura larga del labe para acoplarse de forma ptima a la trayectoria del fluido.2.- Seccin transversal decreciente, para asegurar una velocidad de salida uniforme y una aceleracin gradual del fluido en las zonas de paso.3.- Caras frontales y traseras suaves, para evitar torbellinos locales y prdidas asociadas a los labes expulsores.4.- Menor ngulo de salida del labe y pasos ms estrechos, de un menor coeficiente de elevacin y un mayor rendimiento de la bomba.Aunque los rodetes de alto rendimiento son considerablemente ms livianos que los de servicio pesado, su duracin puede ser igual o mayor en pulpas con partculas finas. Esto se debe al reducido nivel de turbulencia (mayor rendimiento) asociado a sus labes curvados y seccin decreciente. En la Figura 6 se muestra el efecto del tamao de partcula sobre el desgaste con diferentes tipos de rodetes. En este caso, un rodete de alto rendimiento tiene un ritmo de desgaste mucho ms bajo con tamaos de partculas menores de 500 um. Con partculas de 150 um, un rodete de alto rendimiento tiene la mitad de desgaste (en trminos de prdida de masa).

2.6.- Influencia de los labes expulsoresEl desgaste del cuello de aspiracin depende mucho del tipo de rodete y tipo de pulpa que se manipula. Para pulpas con partculas gruesas mayores de 200 um, los labas expulsores actan reduciendo el desgaste del cuello de aspiracin centrifugando los slidos gruesos y evitando una recirculacin significativa hacia la entrada del rodete, en el intersticio entre el rodete y el cuello de aspiracin. La figura 7 muestra el efecto del tamao de partcula en el desgaste del cuello de aspiracin. Por ejemplo, cuando se bombean partculas de 1.000 um el desgaste del cuello de aspiracin con un rodete de alto rendimiento puede ser cinco veces superior que con un rodete de servicio pesado con labes expulsores. Este aspecto necesita ser considerado cuidadosamente cuando se selecciona el tipo de rodete. La eleccin de un rodete de alto rendimiento para manipular partculas de 500 um puede ser la mejor opcin en cuanto al desgaste del rodete, pero puede que no lo sea para el del cuello de aspiracin.

2.7.- Desgaste comparativoAdems de las consideraciones especficas para piezas individuales, la seleccin ptima precisa un conocimiento del desgaste relativo de las tres piezas principales. Al final, la duracin y la fiabilidad estn limitadas por la pieza ms dbil de la bomba. Tambin, a menudo, es el ritmo de desgaste local, y no del desgaste promedio (en toda la superficie), el que determina el fallo de una pieza. La Fig. 8 es un comparativo de desgastes locales en el rodete, voluta y cuelo de aspiracin con una gama de tamaos de partcula, para un rodete de servicio pesado. Con partculas finas, la pieza de mayor desgaste es el cuello de aspiracin, mientras que con partculas gruesas lo es el rodete. Esta situacin cambia ligeramente en bombas con rodetes de alto rendimiento. En este caso, el desgaste del cuello de aspiracin puede llegar a ser tres veces mayor en toda la gama de tamao de partculas analizada. Esto se ilustra en la Fig. 9. Las consecuencias de estos diferentes ndices de desgaste aconsejan, al seleccionar los materiales de cada pieza, elegir uno que proporcione una duracin en mltiplos de la pieza de menor desgaste. Por ejemplo, en una situacin en la que el cuello de aspiracin tuviera la mitad de duracin del rodete, siendo ambas piezas de acero con alto contenido en cromo, merecera la pena considerar el uso de un cuello de aspiracin de elastmero, o incluso uno cermico, ms caro, a fin de dilatar el perodo de mantenimiento.

2.8.- Efecto del caudalSi bien el ritmo de desgaste en una bomba es generalmente proporcional a las toneladas de slidos manipuladas por esa bomba (para cualquier caudal dado), el caudal real de operacin relativo al caudal de diseo, o caudal QBEP, tiene un efecto dramtico en el desgaste de piezas individuales.La Fig. 10 muestra las caractersticas de desgaste de un rodete para servicio pesado que manipula una pulpa gruesa. En este grfico, el desgaste del rodete es mnimo, alrededor de 0,8 QBEP, aumentando hasta duplicarlo al aproximarse a QBEP. Por el contrario, el desgaste del cuello de aspiracin disminuye en esa gama de flujos, mientras que el de la voluta no cambia mucho. En este caso, sera mejor que la bomba funcionase en la gama 0,7 - 0,8 QBEP, para asegurar un desgaste mnimo del rodete y de la voluta. Aun cuando el desgaste del cuello de aspiracin no es mnimo, resulta aceptable. Las caractersticas indicadas de desgaste del rodete, son tpicas de pulpas gruesas para rodetes de servicio pesado, o de alto rendimiento. Debido a la gran diferencia en desgastes, cuando se seleccionan bombas para aplicaciones con pulpas gruesas, es crtico que se elija la bomba para operar lo ms posible a 0,8 QBEP. Para pulpas con d85 35%, d85 >400 um, SGs >2,0, partculas cortantes.b) Servicio medio:20%