Optimización del diseño mediante el estudio de los comportamientos de dinámica de partículas en los equipos de trituración y cribado
El crecimiento y la renovación de las ciudades y de los asentamientos humanos, junto con el aumento de la necesidad de equipamientos sociales además de las estructuras de vivienda, hacen que las actividades de construcción se desarrollen con un impulso cada vez mayor a nivel mundial. Paralelamente a este desarrollo, también aumenta la necesidad de materias primas de construcción como el hormigón, el cemento, el asfalto y el balasto, así como de minerales. Para poder satisfacer esta necesidad en términos de calidad y cantidad y para el reciclaje de los escombros de las estructuras antiguas en los proyectos de renovación, el uso de las instalaciones de trituración y cribado y de los equipos relacionados cobra importancia.
La aplicación correcta de la operación de reducción de tamaño, primera etapa de la preparación del mineral, en las tecnologías de trituración y cribado aumenta cada vez más su importancia en el sector minero. Los agregados y los minerales, a los que se aplican muchos procesos diferentes hasta que quedan aptos para su uso como producto final, pasan durante su procesamiento por una serie de operaciones de enriquecimiento como la trituración, la molienda, la clasificación, el lavado y el escurrido.
Por ello, es de gran importancia poder calcular las fuerzas que se generan sobre las partículas y las tensiones que estas fuerzas generan sobre los equipos. Al realizar los cálculos en estos procesos, el análisis numérico del comportamiento cercano a la realidad de las partículas con los equipos con los que están en contacto permite, optimizando el rendimiento de dichas máquinas y equipos, reducir los costes de diseño y operación a la vez que se mejoran la productividad y la calidad del producto en los procesos industriales a gran escala.
*El comportamiento de fractura de los minerales se ha estudiado específicamente para la trituradora de mandíbulas, lo que permite evaluar las fuerzas que se generan sobre los equipos de trituración durante la fractura, así como la distribución granulométrica después de la fractura.
En este sentido, el Método de Elementos Discretos (DEM), desarrollado por Cundall y Strack4 (1971), pone de manifiesto la interacción entre las partículas y los límites para calcular el comportamiento de las partículas sólidas, desempeñando así un papel fundamental en la obtención de conocimientos sobre los procesos relacionados con el diseño. Mediante los estudios de simulación realizados por los ingenieros del Centro de I+D de MEKA A.Ş. utilizando el programa Rocky DEM:
Además, como resultado de estos estudios de simulación, se realiza una predicción del desgaste basada en cálculos, derivada de los valores de potencia, energía y rendimiento y de la exposición de los elementos de máquina a cargas pesadas, y se presentan propuestas de solución orientadas a un rendimiento óptimo.
*Para la operación de clasificación del material triturado según su tamaño, los distintos tipos de cribas presentes en la gama de productos de la empresa se estudian bajo diversas condiciones de parámetros como la frecuencia, la amplitud, la trayectoria de vibración y la inclinación de trabajo.
De este modo, se eliminan problemas operativos habituales que van desde el atascamiento hasta la acumulación no deseada, y la variación resultante en la distribución de tamaño de grano hasta la distribución granulométrica irregular, previniendo así las paradas no planificadas.
*Durante la transferencia de materiales a granel entre transportadores de banda, los problemas más frecuentes en las canaletas y las tolvas de transferencia utilizadas para la salida de trituradoras y cribas son el atascamiento por acumulación de material, una distribución del flujo que no avanza de manera uniforme, el desgaste de canaletas y revestimientos, etc.
En los transportadores de banda utilizados como sistema de transferencia para el manejo de materiales, se presentan propuestas de solución para eliminar los problemas relacionados con el diseño en cuanto al comportamiento del material a granel, su transporte eficiente y la prevención de pérdidas de material durante la carga y descarga. De este modo se logra aumentar la vida útil prevista de los equipos.
Para prevenir estos problemas, se proporciona el control del flujo del material, lo que permite aumentar la vida útil de los equipos y alcanzar condiciones óptimas.
*Cuando el material en bruto es muy húmedo y pegajoso, los alimentadores Apron & Wobbler, un equipo indispensable del proceso de trituración y cribado, permiten alcanzar condiciones de trabajo ideales para mantener una alta capacidad al apantallar problemas como el atascamiento que los materiales húmedos y pegajosos pueden generar tanto en las cribas como en los alimentadores.
*En el diseño del cangilón de los lavadores de cangilones presentes en nuestra gama de productos de lavado, gracias a la obtención del ángulo de agarre que proporciona conjuntamente los valores de potencia y capacidad, se logran alcanzar los valores de rendimiento deseados en las operaciones de lavado de agregados.
Además, en estos alimentadores se han estudiado las características de flujo que el material a granel debe presentar para ser alimentado a velocidad constante hacia una trituradora u otro equipo, el movimiento de las partículas, el tiempo de permanencia sobre el alimentador y los efectos de la velocidad de las partículas, con el fin de optimizar el rendimiento.
Además, se han estudiado los parámetros que influyen en el diseño de la hélice para obtener conjuntamente valores óptimos de capacidad y potencia, y se han realizado mejoras de diseño. De este modo se alcanzan resultados en los niveles deseados en cuanto a rendimiento y estabilidad. El comportamiento de contacto en movimiento de los agregados y minerales a granel y el régimen de flujo del material varían según el tipo de material. Las propiedades mineralógicas de los tipos de mineral, cuyas propiedades físicas y composiciones químicas se configuran según las distintas ubicaciones geográficas, también presentan diversidad. Por lo tanto, debido al procesamiento de materiales de diferentes características en las instalaciones, surgen también diseños de equipos específicos para cada proceso. Según los métodos tradicionales, el diseño de los equipos se basa esencialmente en la experiencia interna, en ensayos a escala de laboratorio o en la variación de los parámetros de proceso durante la operación. Este enfoque conlleva una serie de problemas cuando se trata de tener en cuenta condiciones de contorno inciertas y requisitos cambiantes, y alcanza por completo sus límites cuando es necesario encontrar de manera sistemática una solución óptima. Esto hace que el diseño de las máquinas sea más eficiente y coherente cuando se realiza teniendo en cuenta los parámetros geometalúrgicos de una instalación. Por ello, debido a esta diversidad, los equipos presentes en el circuito de trituración y cribado requieren la realización de estudios de diseño propios del mineral o agregado con el que interactuarán. Tomando como referencia dichos factores, los estudios de diseño deben realizarse teniendo en cuenta las propiedades de los agregados y del mineral, ya que los equipos de la instalación no funcionan en función de una única variable.
El hecho de que el Método de Elementos Discretos (DEM) permita modelar adecuadamente el flujo granular de un gran número de partículas y de que sea un método eficaz en la mecánica de rocas2 lo convierte en uno de los avances científicos más importantes de la industria minera. Por ejemplo, el diseño de las cribas, que constituyen el corazón de la instalación de trituración y cribado, tiene un efecto directo sobre la rentabilidad de la planta de procesamiento de mineral en cuanto a la eficiencia de cribado, la cantidad de productos objetivo, el consumo total de energía y el funcionamiento eficiente de las trituradoras.1 Por ello, en los estudios realizados se simulan de antemano numerosas variantes de diseño para comprender mejor el efecto de un cambio sobre el proceso general. En consecuencia, aprovechar la tecnología y los programas especialmente desarrollados, además de la experiencia, resulta de gran importancia para la optimización de los proyectos.
La mayoría de los sólidos, especialmente los minerales, presentan un comportamiento de tipo diferente al no ser de tamaño uniforme. En este sentido, para la introducción de las condiciones de contorno en los estudios de simulación DEM, los minerales se someten a diversos ensayos de laboratorio. Así, al obtener una correlación estrecha entre los resultados experimentales y numéricos3 para los valores de los parámetros de entrada, se calibran los parámetros de interacción de las partículas con las superficies. De esta manera, reflejando los procesos dinámicos de las partículas4 de modo que se permita una definición correcta de las condiciones de trabajo, se ayuda a los ingenieros en la toma de decisiones y, al mismo tiempo, se optimizan los equipos del sistema. Entre estos ensayos se encuentran los ensayos de fractura de partícula única que adoptan una serie de modelos empíricos denominados Ab-T10 y Modelo de Fractura de Tavares7 para el comportamiento de fractura bajo el efecto de un impacto, los ensayos de resistencia a la compresión uniaxial (UCS), los ensayos de plano inclinado y de ángulo de reposo. Así se definen el módulo de Young (E) y el coeficiente de Poisson (ν), que son una de las propiedades de deformación de los minerales, así como el módulo de microelasticidad y la relación de rigidez.5 El comportamiento al desgaste de los equipos de revestimiento se aborda tomando como base el modelo de desgaste de Archard. Con el fin de mejorar la vida útil de los revestimientos, se determinan las cantidades de desgaste y, en consecuencia, la vida útil de los equipos.
Tras definir correctamente los datos de entrada de las condiciones de contorno que contienen las propiedades de los materiales para obtener resultados de simulación precisos para los agregados y minerales, MEKA A.Ş. lleva a cabo una sistemática de diseño óptima según los principios de funcionamiento de todos los equipos de trituración y cribado que interactúan con las partículas, específica para instalaciones de minas y canteras de piedra y arena. De este modo se abre el camino al desarrollo de productos mediante un enfoque completamente nuevo y acelerado para el diseño y la optimización de procesos, reduciendo al mínimo la carga de trabajo dedicada a ensayos y prototipos. Teniendo en cuenta el tiempo de revisión de los equipos, se puede afirmar que el tiempo perdido en el diseño ha disminuido en torno a un 45-50 % en comparación con antes. Para garantizar la continuidad de la producción en las instalaciones, se realizan previsiones sobre los tiempos de mantenimiento y se proporcionan plazos estimados para el suministro de repuestos, se minimiza el desgaste de los revestimientos y se aumenta la vida útil de las máquinas al prevenir las interrupciones del flujo de trabajo y del mantenimiento, así como los factores negativos que provocarían las averías de las máquinas. Así, se ofrecen soluciones para obtener resultados estables en los valores deseados en cuanto a coste y rendimiento, garantizando la productividad y la calidad en las condiciones más favorables en las instalaciones de trituración y cribado. El Centro de I+D de MEKA A.Ş. quedó registrado en 2021 en el marco de la Ley n.º 5746. Continúa sus trabajos de I+D en coordinación con el Ministerio de Industria y Tecnología, y sus medios de ensayo, sus capacidades de medición y sus medios de laboratorio se enriquecen en este marco según los requisitos de los proyectos. Los trabajos de I+D realizados dentro de la empresa se llevan a cabo utilizando las infraestructuras de software ANSYS MECHANICAL, ANSYS FLUENT, ROCKY DEM, SAP 2000, SOLIDWORKS e INVENTOR. Los cálculos de diseño y capacidad de las instalaciones de trituración y cribado llave en mano solicitadas por las empresas clientes son realizados por ingenieros experimentados mediante el software AGGFLOW. El Centro de I+D de MEKA, el más potente de Turquía en su campo, continúa sus contribuciones al conocimiento técnico y académico a la luz de la ciencia, además del diseño de productos de alto valor añadido.
