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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL ESTADO DE HIDALGO
INSTITUTO DE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍA
ÁREA ACADÉMICA DE CIENCIAS DE LA TIERRA Y MATERIALES
LICENCIATURA EN INGENIERÍA MINERO-METALÚRGICA
INSTALACIONES MINERO-METALÚRGICAS
Malacates
Francisco Raúl Barrientos Hernández
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Componentes de un malacate de extracciónEl malacate de extracción consiste de todos aquellos componentes de la
mina que son necesarios para extraer mineral, material estéril; subir y bajarmaterial, equipo y personal de la mina.
Éstos consisten de:
1. SuperficieCuarto del malacate• Tambor del malacate.• Equipo eléctrico y mecánico.• Cables del malacate.
Horca o castillo• Botes o skips.• Mecanismo para voltear los skips.
2. TiroBotes o skips.Jaulas o elevadores.Guías del tiro.
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Componentes del malacate instalado en un tiro vertical.
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Tipos de malacates
Tres factores gobiernan la selección del tipo de malacate:
1. Ritmo de producción o tonelaje a ser manteado por unidad de tiempo.2. Profundidad del tiro.3. Número de niveles de la mina.
Actualmente, existen dos tipos de malacates:
1. De tambor; almacena el cable en el tambor.2. De fricción o Koepe; el cable (o cables) pasan a través del dispositivo,
pero no lo almacena. Fue inventado en 1877 por Frederick Koepe, usadoprincipalmente en Europa, Asia y Australia.
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Malacates de Tambor
Diagrama de un malacate de doble tambor.
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Vista interior del cuarto de máquinas en
la Mina Sudán.
Ventajas y Desventajas de los Malacates de Tambor
Rutina de mantenimiento menor.Mantenimiento menos sofisticado.Pueden seguir operando aun si el fondo del tiro se encuentra inundado.
Ventajas
DesventajasLos malacates de tambor requieren mayor espacio que los de fricción.Requieren de mayores fluctuaciones en la demanda de potencia.
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Single Drum Hoist (Malacate de Tambor Sencillo)
Es el tipo más sencillo, con un cable y undispositivo de transporte, ya que no existe cargabalanceada requiere de gran potencia. Lasaplicaciones más comunes son en laprofundización de tiros, malacates auxiliares (paraescape o aplicaciones de poco uso).
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Double Drum Hoist (Malacate de Doble Tambor)
Aquí los cables están colocados sobre tamboresindividuales, los malacates de doble tambor sonideales para múltiples niveles ya que puedentrabajarse de manera individual.
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Blair Multirope Hoist (Malacate Blair Multicable)
Mientras que los malacates de tambortradicionales pueden levantar cargas desdegrandes profundidades (>10000 pies), lalimitación de cada transporte es debida a unsolo cable. Mientras que las distancias demanteo se incrementan, la mayor parte dela capacidad de carga del cable se utilizapara sostener o izar el cable. Comoresultado a 10000 pies de profundidad, muypoca resistencia del cable puede seraplicada para levantar carga. Un malacatetipo Blair resuelve este problema, al colocarotro cable se aumenta la capacidad decarga. Éste tipo de malacate se usaprincipalmente en minas de Sudáfrica.
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Conical Drum Hoist (Malacate de Tambor Cónico)
Variante del malacate de tambor sencillo, está provisto de ranuras las cuales impiden que el
cable se deslice.
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Spiral Drum Hoist (Malacate de Tambor en espiral)
Variante del malacate de tambor sencillo.
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Velocidades de Manteo
La velocidad máxima deseable para un malacate de tambor con guías demadera en el tiro, es de 12 m/s (2362 fpm).
La velocidad máxima deseable para un malacate de doble tambor conguías de acero en el tiro, es de 18 m/s (3542 fpm).
Un análisis realizado por ASEA (ahora ABB) reportó que la velocidadóptima está en función de la raíz cuadrada de la distancia de manteo.
Velocidad óptima (fpm) = 44H1/2 , donde H está en pies.
Velocidad óptima (m/s) = 0.405H1/2 , donde H está en metros.
Velocidad calculada (fpm)= 34H1/2 , para distancias de manteo <1500 pies.
Velocidad calculada (fpm) = 47H1/2 , para distancias de manteo >1500 pies.
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Disponibilidad del Malacate
Con un mantenimiento planeado, un malacate de tambor deberá estardisponible 19 horas por día para una instalación superficial; o 18 horas parauna instalación subterránea.
El tiempo de operación total durante las etapas de planeación no deberánexceder el 70% del total de tiempo de operación disponible, esto es 16.8horas por día.
En ciertas minas excepcionalmente bien organizadas, han sido reportadosde factores de utilización tan altos como 92%. Con malacates que manejanjaulas y skips, la disponibilidad será mucho más baja.
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Inercia del Malacate
La inercia residual de un malacate de doble tambor es aproximadamenteigual al peso de 10300 metros (33800 pies) de cable del malacate. Porejemplo, la inercia aproximada (WR2) de un malacate de doble tambor de 10pies diseñado para un cable de 1½ pulgadas de diámetro, pesando 4libras/pie, será:
5x5x4x33800=3380000 lbs-pie2
La inercia de un malacate de tambor sencillo se asume que será 2/3 de lainercia de un malacate de doble tambor del mismo diámetro.
La inercia (lbs-pie2) del rotor de un motor de corriente directa esaproximadamente igual a:
WR2=1800(HP/RPM)1.5
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Trucos del Oficio
La manera sencilla de diseñar un malacate de tambor es determinarprimero la velocidad de manteo y carga viva requerida, después determinarel cable a usar con su respectivo factor de seguridad (SF). Los parámetrosdel malacate podrán determinarse considerando solamente el cable delmalacate y la velocidad del mismo.
Para propósitos de diseño inicial, la velocidad de manteo podrá ser el 40%de la velocidad más alta obtenida teóricamente.
Para malacates de tambor, el ángulo de flotación no deberá exceder de1° 30’.
En malacates de mina, el ángulo de flotación deberá ser lo más cerca a1°20’. Si se excede éste ángulo causará un desgaste excesivo del tambor.
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Tiempo de Ciclo de Manteo (T)
Uno de los aspectos más importantes del manteo es determinar el tiempodel ciclo. Este ciclo debe de ser determinado para diseñar y especificar elmalacate propuesto, y simular el ciclo de manteo calculado. El ciclo simuladopermite la predicción de la producción del malacate y la capacidad del motor.
El tiempo del ciclo de manteo es el tiempo tomado para un viajecompleto. Es usualmente medido en segundos. El tiempo es diferente paraskips, jaulas o para profundizar el tiro. Para malacates balanceados (dosskips) en un viaje en un sentido. Para malacates sencillos o contrapesados,el ciclo es un viaje redondo (arriba y abajo).
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Tiempo de Ciclo de Manteo (T)
El ciclo consiste de los siguientes componentes:
o Velocidad muerta: 2 pies/segundo. Excepto para jaulas la cual es de 1pie/segundo.
o Aceleración: Varía con la velocidad de la línea (cable).
o Velocidad máxima: Máximo incremento o velocidad controlada de lalínea del malacate.
o Retardación: Varía con la velocidad del cable.
o Descanso: paro, de 10-15 segundos para skips, 30-45 segundos parajaulas.
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Tiempo de Ciclo de Manteo (T)
En malacates para skips o cubos para profundización de tiros, el tiempode ciclo (T en segundos), puede ser simplificado a la siguiente formula:
o Donde:
H= Distancia de manteo en m ( o pies).
V= Velocidad máxima de la línea en m/s (o pies/segundo).
a= Aceleración promedio y retardos en m/s/s (pies/segundo/segundo)
Los paros son periodos de descanso, y los tiempos muertos es la suma de laduración de cada viaje en la velocidad muerta (en segundos).
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Tiempo de Ciclo de Manteo (T)
La aceleración y los promedios de retardo pueden ser ajustados para unainstalación en particular. Para propósitos de cálculos de ciclos en general sepuede asumir que son iguales y proporcionales a la velocidad de manteo.
o En donde:
a= pies/segundo/segundo (m/s/s)
V= pies/segundo (m/s)
Esto nos permite simplificar y determinar de manera satisfactoria el ciclo demanteo para malacates balanceados:
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Paros
Los paros para malacates balanceados con skips incluyensimultáneamente carga y descarga. Este tiempo se asume de maneratradicional que sea de 10-12 segundos, pero puede incrementarse hasta 15segundos o más en caso de malacates automáticos.
El tiempo muerto en el caso de jaulas es de 30 segundos para jaulaspequeñas y 45 segundos para jaulas de mayor tamaño.
La suma de los tiempos de paro para un malacate de doble tambor paraprofundizar tiros puede tomarse como 45 segundos.
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Con estas consideraciones, las formulas para los ciclos de manteo (ensegundos) de diferentes malacates de tambor quedan como sigue:
o Malacate para skips balanceados
o Malacate para skips balanceados
o Malacates para skips en tiros profundos balanceados
o Profundización de tiros
o Profundización de tiros
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o Jaulas pequeñas y malacates contrapesados
o Jaulas grandes y malacates contrapesados
o Malacates de tambor sencillos para profundizar tiros (América del Norte)
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Máxima velocidad para malacates de tambor
Velocidades de manteo-excediendo 10 m/s (2000 fpm)
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Velocidades de manteo-excediendo 15 m/s (3000 fpm)
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Disponibilidad de producciónSerá usualmente el equivalente a aproximadamente 16 horas de manteo
por día (67%), por 7 días durante una semana de producción. Para 5 o 6días por semana de producción será de 18 horas por día (75%) ya que setiene que programar trabajos de mantenimiento durante el fin de semana.
Disponibilidad del malacate de doble tambor (7 días por semana)
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Continuación
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Continuación
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Continuación
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Continuación
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Continuación
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Ejemplo:Determine la capacidad del skip para un malacate de doble tambor.
o Datos1. Disponibilidad de producción= 65%2. Capacidad de producción requerida= 4500 tpd (mineral y roca)3. Distancia de manteo= 2025 pies4. 24 horas de operación por día
o Solución1. Velocidad de manteo óptima,
2. Tiempo de ciclo,
3. Viajes por hora=
4. Viajes por día=
5. Capacidad del skip=
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Malacates de Fricción (Koepe)
Diagrama de un malacate de doble tambor.
Castillo de concretoconteniendo un
malacate de fricción.
Ventajas y Desventajas de los Malacates de Fricción
Ventajas
Desventajas
Menos caro que los de tambor.Es más pequeño en diámetro lo que lo hace más fácil de manejar e
instalar.A diferencia de los malacates de tambor pueden ser usados con múltiples
cables, lo que le da mayor capacidad de carga.
No pueden ser operados en tiros de gran profundidad.No pueden operar a velocidades normales si el fondo del tiro se
encuentra inundado.
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El malacate de fricción (koepe) es una máquina donde uno o más cablespasan sobre el tambor de un medio de transporte a otro, o desde un mediode transporte a un contrapeso. En ambos casos, los extremos de los cablesse conectan por la parte baja de cada skip o jaula o contrapeso.
Cuando lo comparamos con un malacate de tambor, para el mismoservicio el extremo del cable reduce los requerimientos de caballaje delmotor en aproximadamente 30% pero el consumo de potencia permaneceigual.
Ya que normalmente este tipo de los malacate utilizan varios cables, losmalacates de fricción más grandes pueden manejar cargas más pesadas quelos malacates de tambor más grandes. Los malacates de tambor se limitan ala capacidad de un solo cable.
Malacates de Fricción (Koepe)
Friction (Koepe) Hoist (Malacate de Fricción -Koepe)
Los malacates de fricción o Koepe utilizanel hecho de que las cargas balanceadasgeneran la suficiente presión sobre el cable,lo que hace que puedan usar por medio de lafricción. Siguiendo la regla de diámetro delcable al diámetro del tambor, cables máspequeños disminuirán el tamaño del tambor,torque, potencia requeridas; y por lo tantocostos. Los costos de un malacate de fricciónson aproximadamente el 60% del costo deun malacate de tambor de la mismacapacidad.
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Distancia de Manteo
La profundidad de operación práctica límite para un malacate de fricciónes 1700 m (5600 pies) para malacates balanceados; y 2000 m (6600 pies)para malacates contrapesados.
Los cables del malacate tipo koepe no requieren ser no rotatorios paraprofundidades de manteo de menos de 800 metros (2600 pies); se utilizancables de torcido derecho e izquierdo para cancelar el efecto de torque delcable.
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Presión del cable
La presión del cable sobre el tambor no deberá exceder 17.5 kg/cm2 (250psi) para cable plano; y 28 kg/cm2 (400 psi) para cable redondo.
Para cable redondo, la presión calculada para skips no deberá exceder2400 kPa (350 psi); o 2750 kPa (400 psi) para jaulas cuando se considerecarga pesada ocasional tal como material o equipo.
Para cable plano, la presión calculada para skips no deberá exceder 1700kPa (250 psi); o 2000 kPa (275 psi) para jaulas cuando se considere cargapesada ocasional tal como material o equipo.
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Velocidad de manteo
Cuando la velocidad de manteo exceda 15 m/s (3000 fpm), la cargaestática de las cuerdas no deberá ser más que 11.5% de su resistencia a laruptura.
La velocidad máxima deseable para un malacate de fricción es de 18 m/s(3600 fpm).
En América del Norte, la velocidad deseable para una jaula o calesa esaproximadamente 2/3 de la velocidad óptima calculada para un skip con lamisma distancia de manteo.
Diseño de un sistema de malacates
Malacate balanceado
Todos los sistemas de malacates de mina son operados balanceados parareducir momentos, torque y demanda de energía. Generalmente dosdispositivos de transporte (skips y/o jaulas) se encuentran suspendidas delmalacate; algunas veces cuando se da servicio a más de un nivel uncontrapeso reemplaza un transportador, éste se diseña con un peso igual a lacarga muerta del skip o jaula más la mitad de la carga viva.
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El deslizamiento ocurre si la razón delas tensiones del cable exceden un límiteteórico. La relación es:
Donde T es la tensión del cable, 1 y 2 serefiere a los skips cargado y vacíorespectivamente. µ es el coeficiente defricción= 0.45-0.50 y θ es el ángulo dearrollamiento en radianes.
Deslizamiento en malacates de fricción
Análisis de fricción del malacate para determinar el deslizamiento ocurrido
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Bibliografía
Hard Rock Miner’s Handbook, Jack de la Vergne, McIntoshRedpath Engineering Limited 2000, Segunda edición.