Guia de engenharia de bombas para lamas de alto crómio: da metalurgia à manutenção

Uma bomba para lamas de alto crómio é uma bomba centrífuga cujas peças de desgaste em contacto com o fluido são fundidas em ferro branco de elevado teor de crómio — normalmente uma liga ASTM A532 Classe III Tipo A com 25-30% Cr e uma matriz endurecida superior a 600 Brinell (aproximadamente HRC 58-62). Esta liga foi especificamente concebida para suportar a alimentação de ciclones altamente erosiva na indústria mineira, a descarga altamente erosiva de moinhos em instalações de processamento mineral, veios auríferos, transporte de rejeitados, dragagem e limpeza de cal em centrais elétricas, que destruiriam peças de desgaste em ferro dúctil ou Ni-Hard 4 em poucos meses. Este artigo vai muito além do marketing: explica porque funciona a metalurgia, como cada mecanismo de desgaste erosivo ataca o aço, como identificar modos de falha, quando o alto crómio perde para a borracha ou a cerâmica e como é uma curva de custos a cinco anos.

O que torna uma bomba para lamas de «alto crómio»? A metalurgia por detrás da ASTM A532 Classe III

Uma bomba para lamas de alto crómio recebe este nome porque o impulsor, a bucha de garganta e os revestimentos interiores do corpo da bomba são fabricados numa família especial de ferros brancos resistentes à abrasão, definida pela ASTM A532 / A532M, que inclui:

• 1.ª Classe-NC 80 — dureza média, tipo de liga mais antigo, crómio normalmente apenas cerca de 4%, limitado pela massa, utilizado em aplicações de elevado caudal e impacto.
• Classe II – crómio-molibdénio com 12 a 20% Cr (A, B, D). Mais dúctil do que a Classe III, mas com menor teor de carbono.
• Classe III Tipo A–ferro branco de alto crómio com 25-30% Cr. É habitualmente aquilo a que o setor chama «bomba para lamas de alto crómio».

O componente desta liga que gera trabalho útil são os carbonetos de crómio principais — partículas separadas e inertes de (Cr, Fe)7 C3, normalmente expressas como M7 C3, que se formam à medida que a fase líquida arrefece, antes do restante ferro fundido. Existem indicações, obtidas por difração de raios X com revisão por pares, de que o componente M7 C3 do ferro fundido branco de alto crómio apresenta valores de dureza de aproximadamente 1 025 a 1 500 HV; os carbonetos secundários M23 C6 apresentam aproximadamente 800 HV, enquanto a rara fase de carboneto M6 C pode atingir 1 800 HV. Constituídos por partículas angulares e representando cerca de 25% do volume da liga na Classe III Tipo A, os carbonetos estão contidos numa matriz austenítica, que após tratamento térmico pode ser mais facilmente transformada numa matriz martensítica. A estrutura bruta de fundição não é a estrutura de serviço. As fundições de bombas para lamas de alto crómio são submetidas a um tratamento térmico de desestabilização, normalmente de 950 a 1 050 graus Celsius, para precipitar os carbonetos secundários da austenite e converter a maior parte da matriz em martensite durante o arrefecimento. Uma têmpera subcrítica (cerca de 450 a 500 graus Celsius) alivia as tensões internas sem afetar os carbonetos duros. Uma fundição produz uma peça acabada a HRC 58 a 62, abreviatura usada no setor para «suficientemente dura para que o quartzo não abra caminho por risco até à matriz mais macia».

Como as lamas abrasivas destroem o metal da bomba: explicação de três mecanismos de desgaste

Uma bomba de lamas resistente ao desgaste não é imune ao desgaste. O alto crómio prolonga a vida útil ao retardar um conjunto de mecanismos físicos que continuam a ocorrer em cada impacto e em cada passagem por cisalhamento. As lamas erodem o metal da bomba por 3 meios relacionados, e cada um varia de forma diferente com o volume de carbonetos, a dureza da matriz e a forma da superfície em contacto com o fluido.

Como é que as partículas abrasivas desgastam as superfícies das bombas para lamas?

A erosão numa bomba para lamas segue a forma geral inicialmente teorizada por Finnie e, mais tarde, salientada por Bitter: a taxa de desgaste é proporcional à energia cinética da partícula no impacto, multiplicada por uma correção do ângulo de impacto. Um alvo duro e frágil comporta-se melhor, naturalmente, com um ângulo de impacto reduzido (15 30), em que as partículas arrancam lascas em vez de formar crateras. A face dianteira típica de uma pá do impulsor situa-se exatamente neste intervalo angular, e é aí que surge o desgaste mais precoce. Três vias decorrem em paralelo:

1. Abrasão por sulcamento. Partículas angulares grossas (superiores a cerca de 2mm) têm momento suficiente para abrir uma marca visível na matriz. Se o sulco atravessar uma banda de carbonetos, o carboneto mantém a profundidade abaixo da superfície. Se o sulco passar entre carbonetos, a matriz fica socavada e um carboneto pode efetivamente soltar-se inteiro.
2. Erosão por deslizamento, ou por três corpos. Entre a face de trabalho do corpo da bomba e o prato do impulsor, na folga do anel de garganta e na língua do corpo da bomba, pequenas partículas ficam retidas entre as duas superfícies paralelas. Uma velocidade relativa superior a 25 m/sec não é invulgar. As partículas desgastam ambas as superfícies em simultâneo, razão pela qual estes dois locais apresentam um padrão de desgaste de 18 month a 24 month, independentemente do material, composição ou dureza.
3. Erosão acelerada pela corrosão. Quando a composição química das lamas ataca a matriz (pense em drenagem mineira de baixo pH ou FGD com elevado teor de cloretos), desenvolve-se uma película passiva fina que é depois removida pelo impacto seguinte, voltando a formar-se. Cada repetição remove alguns micrómetros de metal. É este o efeito que faz a borracha parecer uma boa ideia no papel e faz falhar na instalação o conceito australiano de alimentação de ciclone.

«É uma tempestade perfeita de abrasão constante, alta pressão e calor que provoca a degradação rápida dos componentes da bomba. Com materiais típicos, as peças desgastam-se como se estivessem a ser lixadas. Primeiro surgem furos, depois ficam basicamente erodidas até não restar nada».

Existe a ideia errada de que a borracha supera sempre o metal na abrasão, porque o elastómero de facto se deforma sob impacto. Num concentrador de cobre alimentado com rejeitados de flotação com 18% de sólidos e pH 9.2, uma bomba 4/3 com revestimento interior de ferro fundido foi convertida para uma versão revestida a borracha por esse motivo. Seis meses depois, a borracha estava cortada onde partículas de sílica de 3mm impactavam a língua com ângulo elevado. Foi reinstalado um revestimento interior de alto crómio e o local adotou um ciclo de substituição de 12 month. A borracha vence quando as partículas são pequenas e suficientemente redondas para ressaltar; o alto crómio vence quando as partículas sulcam.

O que a classificação HRC significa realmente para a vida útil de desgaste da sua bomba para lamas

A dureza é um indicador elegante de uma questão mais insistente: a superfície de desgaste consegue superar o mineral que também irá atuar? As lamas mineiras raramente resultam da moagem de um único mineral — consistem num abrasivo dominante e numa base de material moído genérico. Adequar o material de desgaste à combinação mineral-abrasivo selecionada é o cerne da vida útil, e o valor de dureza publicado tem importância secundária em termos absolutos. O quartzo, encontrado com maior frequência em minério extraído, areia dragada e jato abrasivo, situa-se em Mohs 7 e entre cerca de 900 e 1 100 HV na escala Vickers. A granada, em Mohs 7.5, situa-se entre aproximadamente 1 100 e 1 300 HV. A alumina e o seu parente corindo ultrapassam Mohs 9, e atingem 1 800 2 000 HV na escala Vickers. O intervalo partilhado com o quartzo e a granada, 1025 a 1500, sobrepõe-se ao rival da alumina, o crómio, mas não o suficiente para obter vantagem contra minério dragado rico em alumina. Essa margem é exatamente o que torna a Classe III Tipo A o material np1/predefinido no cobre, ouro, ferro e, naturalmente, na dragagem de areia, e confirma que a descarga de moagem de alumina ultrafina está mais alinhada com o mercado cerâmico do que com o alto crómio. Por outras palavras: as lamas de moagem de alumina não estão a destruir o impulsor Classe III Tipo A porque a liga é inferior, mas porque o mineral/abrasivo dominante é superior. Verifique primeiro a escala Mohs, em segundo lugar a HRC e, em terceiro, a designação comercial do produto. A BBP desenvolveu uma tabela comparativa entre minerais e vida útil face ao desgaste para a maioria dos minerais extraídos.

Alto crómio vs. materiais de desgaste alternativos: um quadro de decisão além da borracha e do Ni-Hard

Se eu estivesse a procurar uma bomba de lamas para uma mina, a maioria dos guias de seleção terminaria a pesquisa nas três opções claramente «amarelas»: alto crómio, Ni-Hard e borracha. Mas isso deixa-lhe «dinheiro» por aproveitar se o perfil das lamas se deslocar para qualquer um dos extremos. Apresenta-se abaixo uma «tabela» de recomendações «condicionais» que acrescentaria revestimento cerâmico, cermet WC-Co e aço inoxidável duplex como as escolhas «nominais» quatro, cinco e seis para nichos específicos.

Quando deve escolher bombas para lamas revestidas a cerâmica em vez de alto crómio?

O ponto de transição ocorre quando a dureza altamente abrasiva do carboneto de crómio é ultrapassada pela dureza dos rejeitados processados — quer o abrasivo dominante tenha sido acelerado numa descarga de remoidura com partículas Mohs 8,5-9, quer rejeitados ricos em alumina, um processo de areia de zircão ou uma descarga de remoidura estejam a reprocessar partículas de 8,5-9 ou semelhantes, os carbonetos de crómio sofrerão desgaste aproximadamente à mesma taxa que a matriz. Os revestimentos interiores cerâmicos — alumina reforçada com zircónia ou alumina pura — apresentam HV 1 500-2 000 e repõem o equilíbrio a favor da bomba. As desvantagens desta solução são a fratura frágil do componente sinterizado caso seja atingido por incrustações da tubagem, um custo unitário significativamente mais elevado — 2-4 vezes o do componente comparável de alto crómio — e prazos de entrega significativamente mais longos. O padrão típico de instalação no terreno utiliza cerâmica onde a granulação é mais fina e dura, e alto crómio daí em diante, no exterior da tubagem, até ao rejeitado de granulação média mais grosseira. Normalmente no mesmo circuito. Nos casos em que o perfil das suas lamas pareça incerto — mineralogia variável, pH flutuante ou variações sazonais de sólidos — comece por utilizar a ferramenta de seleção de materiais de alto crómio da BBP, que associa a composição química das lamas a uma lista de potenciais materiais de desgaste. Para comparações centradas na borracha, consulte a gama de bombas de lamas revestidas a borracha.

Modos de falha comuns em bombas para lamas de alto crómio: diagnóstico por padrões de desgaste

Em geral, se uma bomba para lamas de alto crómio falhar em serviço, deixará um rasto visível na geometria do desgaste. Interpretar esse rasto permite concluir se a causa é o material, a hidráulica, a química ou o operador. Cinco desses rastos representam uma enorme percentagem de «paragens não previstas».

Sulcamento do bordo de ataque das pás

Indicador: erosão festonada a 45′ no terço exterior de cada pá, aprofundando-se ligeiramente até ao prato; a causa principal é normalmente a presença de sólidos sobredimensionados, maiores do que a passagem livre publicada para a bomba, ou uma alteração brusca da densidade de alimentação que aumentou o momento das partículas. Ação corretiva: antes da bomba, verifique o crivo de alimentação e a densidade do fluxo inferior do ciclone — não se trata de uma atualização de material.

Lavagem da bucha de garganta e da língua do corpo da bomba

Indicador: padrão de desgaste em sino ao longo dos contornos das pás, onde o fluxo de partículas reacelera para além da velocidade de projeto (normalmente na posição das 5 a 7 horas numa voluta horizontal) A causa principal é um desvio do ponto de funcionamento para a direita do ponto de melhor rendimento, que aumenta a velocidade periférica e as velocidades nas folgas. Num corpo da bomba da série AM da BBP, isto é habitualmente evidenciado pelo desgaste acelerado da bucha de garganta antes do impulsor.

Corrosão por picadas no revestimento interior de aspiração sem marcas de abrasão

Assinatura: crateras em forma de goiva concentradas perto do olho do impulsor, ausência de sulcos direcionais. Trata-se de cavitação, não de abrasão – as lamas vaporizaram em zonas de baixa pressão e as bolhas em colapso atingiram o metal (acelerando o desgaste). Corrija a hidráulica: aumente o NPSH disponível, reduza a elevação de aspiração, diminua a velocidade de rotação da bomba, sobredimensione a tubagem de aspiração, sem procurar uma melhoria metalúrgica. O alto crómio é mais resistente à cavitação do que o ferro fundido, mas nenhum material de desgaste resiste indefinidamente à cavitação.

Fuga no empanque de gaxeta com desgaste axial da camisa do veio

Placa de características: marcas de desgaste axial em estrias na camisa do veio, a gaxeta foi comprimida assimetricamente, caudal de água de lavagem muito inferior ao indicado na placa de características. Na verdade, a causa principal foi a pressão da água de lavagem demasiado baixa para manter as lamas afastadas do bucim. Uma anomalia frequentemente observada no terreno em bombas de lamas de cal FGD é o «desgaste prematuro da gaxeta» quando o fornecimento de água de lavagem está bloqueado.

Amolecimento da matriz após exposição a alta temperatura

Indicador:.O valor de dureza Brinell diminui 5 a 8 pontos face ao valor de expedição, sem desgaste visível a olho nu. Causa principal mais provável: um evento de revenido subcrítico, no qual a fundição foi tratada termicamente acima de 500 °C durante tempo suficiente para iniciar a transformação da martensite numa matriz de ferrite mais carbonetos: incidente de incêndio, reparação por soldadura no terreno, perturbação que desestabiliza o processo. As peças afetadas não podem ser reendurecidas no terreno e devem ser rejeitadas. Quando as peças de desgaste atingem o fim da vida útil, o inventário de peças de desgaste para bombas para lamas da BBP mantém impulsores, buchas de garganta, revestimentos interiores do corpo da bomba e camisas de veio prontos para expedição, e a ferramenta de decisão de material de revestimento interior ajuda a decidir se deve encomendar novamente a mesma especificação ou atualizá-la.

Boas práticas operacionais: prolongar a vida útil em lamas de elevada densidade

A maioria das falhas de bombas para lamas de serviço pesado pode ser evitada com um pequeno conjunto de práticas operacionais que quase não têm custo de implementação. Uma bomba corretamente escorvada, arrancada com água limpa, colocada em serviço com base numa referência de vibração e reapertada conforme o programa funcionará 30 a 50 por cento mais tempo do que a mesma bomba instalada segundo o manual, mas operada sem disciplina.

Como escorvar uma bomba para lamas de alto crómio?

Uma bomba de lamas horizontal não é de auto-escorvamento. O corpo da bomba e a linha de aspiração têm de ser enchidos com líquido antes do arranque — normalmente água limpa, e não as lamas do processo. Sequência: fechar a válvula de descarga, abrir a válvula de aspiração, encher a voluta pela ligação de escorvamento até o líquido transbordar pela válvula de purga de ar, fechar a purga de ar, arrancar o motor a velocidade de rotação reduzida, se o acionamento o permitir, aumentar até às rpm de projeto ao longo de 30 segundos e, por fim, abrir gradualmente a descarga até ao ponto de funcionamento de projeto. Em locais remotos sem água limpa, as câmaras de escorvamento por expulsor ou do lado da aspiração são alternativas viáveis, mas o princípio mantém-se: os sólidos nunca devem entrar num corpo da bomba seco. Um período inicial de 30 minutos de bombagem com água limpa permite registar a evolução da temperatura dos rolamentos a partir da temperatura ambiente, verificar a pressão junto ao bucim na linha de drenagem do bucim (normalmente 0.35 a 0,5 bar acima da pressão de drenagem da alimentação de aspiração) e, depois, estabelecer uma assinatura de vibração de referência.

Margem NPSH para serviço com lamas

O requisito de NPSH na curva do fabricante pressupõe água limpa. Para lamas de elevada densidade, acrescente uma correção — a prática industrial típica considera 0.5 a 1.5 metros de margem de NPSH por unidade de densidade relativa acima da água. Lamas com SG 1.4 bombeadas para um NPSH_r publicado de 4 metros devem dispor de pelo menos 5 a 6 metros. Tubagem de aspiração subdimensionada e uma geometria apertada do poço de bombagem são os culpados habituais quando uma instalação afirma haver «cavitação inexplicada» numa bomba que foi ensaiada sem problemas na fábrica.

Programa de reaperto para revestimentos interiores com junta cónica

As faces de acoplamento cónicas dos revestimentos interiores da série AM dependem de um ajuste por interferência mantido por parafusos passantes. Após 100 horas de serviço, reapertar conforme a especificação OEM – a interferência assenta e relaxa um pouco durante o período de rodagem. Um segundo reaperto às 500 horas deteta qualquer relaxamento lento antes de a migração do revestimento interior provocar desgaste nas folgas. O ajuste externo do impulsor, uma característica das carcaças BBP AM, permite reajustar a folga frontal sem desmontagem; registe as voltas de ajuste para que o alinhamento dos rolamentos possa ser monitorizado separadamente.

Monitorização do pH e pontos críticos da classe de material

O aço inoxidável Classe III Tipo A com 27 percent Cr apresenta bom desempenho até cerca de pH 4.5 em serviço contínuo. Acima desse valor, a matriz sofre dissolução passivante entre carbonetos, pelo que A49 com 30 percent Cr está disponível para drenagem de minas ácidas e sistemas FGD que podem descer abaixo de pH 4. Se a química do processo tender sazonalmente para a acidez, registar trimestralmente o pH na aspiração da bomba é menos dispendioso do que uma substituição prematura das peças de desgaste. Para questões de dimensionamento, a ferramenta de dimensionamento de bombas para lamas de alto crómio da BBP solicita a introdução do ponto de funcionamento e apresenta carcaças AM candidatas.

Custo total de propriedade: a matemática do ciclo de vida das bombas para lamas de alto crómio

Uma bomba para lamas de alto crómio é inicialmente mais cara do que uma equivalente em ferro fundido nodular, mas significativamente menos dispendiosa ao longo de cinco anos. Uma curva de TCO é onde o argumento de aprovisionamento se ganha ou se perde. Três fatores dominam o cálculo: a frequência de substituição da bomba, o custo das peças em cada substituição e os benefícios de produção do tempo de paragem em cada substituição. Os trabalhos revistos por pares sobre previsão do desgaste de componentes de bombas para lamas, de Sellgren (TexasAM, 2005), e os estudos académicos subsequentes concordam: o custo do ciclo de vida será determinado pela manutenção e pelo tempo de paragem induzido, não pelas peças. Uma forma prática muito útil de repartir a origem dos custos projetados é 70 percent para o valor do tempo de paragem, 15 percent para peças e 15 percent para mão de obra, um aperfeiçoamento útil do valor de 70 percent do custo do ciclo de vida, que por vezes acaba por rotular «custo» três vezes, primeiro nas peças e depois na mão de obra. Estes números são representativos do serviço de alimentação de ciclones de dimensão média (carcaça de 4/3 a 8/6). Este padrão é generalizável: com baixo valor de tempo de paragem, a progressão lógica é do ferro fundido nodular para Ni-Hard e para alto crómio, porque o custo das peças predomina. Com elevado valor de tempo de paragem (cerca de $2 400 por hora ou mais, típico de operações contínuas de concentração), a cerâmica e o alto crómio convergem porque o tempo de paragem poupado supera o maior custo das peças. Para a maioria das instalações mineiras, com valor do tempo de paragem de $500 a $1 500 por hora, o Classe III Tipo A de alto crómio é o vencedor absoluto. Para referências específicas da indústria mineira que consideram a dureza do minério, a densidade da alimentação de ciclones e as taxas de mão de obra da instalação, consulte a ferramenta de comparação de TCO específica para a indústria mineira.

Perguntas frequentes