Guía de ingeniería de bombas de lodos de alto cromo: de la metalurgia al mantenimiento

Una bomba de lodos de alto cromo es una bomba centrífuga cuyas piezas de desgaste en contacto con el fluido se funden en hierro blanco de alto cromo, normalmente una aleación ASTM A532 Clase III Tipo A con 25-30 % Cr y una matriz endurecida superior a 600 Brinell (aproximadamente HRC 58-62). Esta aleación se diseñó específicamente para soportar la alimentación de ciclones altamente erosiva de la industria minera, la descarga de molino altamente erosiva de las plantas de procesamiento de minerales, los filones auríferos, el transporte de estériles, el dragado y la limpieza con cal de centrales eléctricas que destruirían piezas de desgaste de hierro dúctil o Ni-Hard 4 en pocos meses. Este artículo va mucho más allá de la publicidad: explica por qué funciona la metalurgia, cómo cada mecanismo de desgaste erosivo ataca al acero, cómo detectar modos de fallo, cuándo el alto cromo pierde frente al caucho o la cerámica y cómo es una curva de costes a cinco años.

¿Qué hace que una bomba de lodos sea de “alto cromo”? La metalurgia tras ASTM A532 Clase III

Una bomba de lodos de alto cromo recibe este nombre porque el impulsor, el manguito de garganta y los revestimientos interiores de la carcasa están fabricados con una familia especial de hierros blancos resistentes a la abrasión, una familia específica de fundiciones resistentes a la abrasión según ASTM A532 / A532M, que incluye:

• 1.ª clase-NC 80 —dureza media, tipo de aleación antiguo, normalmente solo cerca del 4 % de cromo, limitado por la masa, utilizado en aplicaciones de alta producción y con impacto.
• Clase II – cromo-molibdeno con 12 a 20 % Cr (A, B, D). Más dúctil que la Clase III, pero con menor contenido de carbono.
• Clase III Tipo A–hierro blanco de alto cromo con 25-30 % Cr. Esto es normalmente a lo que se refiere el sector como “bomba de lodos de alto cromo”.

El componente de esta aleación que genera el trabajo útil son los carburos principales de cromo: partículas separadas e inertes de (Cr, Fe)7 C3, normalmente expresadas como M7 C3, que se forman al enfriarse la fase líquida antes que el resto del hierro fundido. Existen indicaciones de difracción de rayos X revisadas por pares sobre el componente M7 C3 del hierro blanco de alto cromo que señalan valores de dureza de aproximadamente 1.025 a 1.500 HV; los carburos secundarios M23 C6 tienen aproximadamente 800 HV, y la rara fase de carburo M6 C alcanza 1.800 HV. Formados por partículas angulares y constituyendo alrededor del 25 % en volumen de la aleación de Clase III Tipo A, los carburos están contenidos en una matriz austenítica que, tras el tratamiento térmico, puede transformarse más fácilmente en una matriz martensítica. La estructura bruta de fundición no es la estructura de servicio. Las fundiciones de las bombas de lodos de alto cromo se someten a un tratamiento térmico de desestabilización, normalmente de 950 a 1.050 grados Celsius, para precipitar carburos secundarios de la austenita y transformar la mayor parte de la matriz en martensita durante el enfriamiento. Un revenido subcrítico (aproximadamente 450 a 500 grados Celsius) alivia las tensiones internas sin afectar a los carburos duros. El resultado como pieza acabada de fundición es HRC 58 a 62, abreviatura comercial del sector para “lo bastante duro como para que el cuarzo no abra camino hacia la matriz más blanda”.

Cómo los lodos abrasivos destruyen el metal de la bomba: explicación de tres mecanismos de desgaste

Una bomba de lodos resistente al desgaste no es inmune al desgaste. El alto cromo prolonga la vida útil al ralentizar un conjunto de mecanismos físicos que siguen produciéndose con cada impacto y cada paso de cizallamiento. Los lodos erosionan el metal de la bomba mediante 3 procesos relacionados, y cada uno varía de forma distinta según el volumen de carburos, la dureza de la matriz y la forma de la superficie en contacto con el fluido.

¿Cómo erosionan las partículas abrasivas las superficies de las bombas de lodos?

La erosión en una bomba de lodos sigue la forma general teorizada primero por Finnie y desarrollada posteriormente por Bitter: la tasa de desgaste escala con la energía cinética de la partícula en el impacto, multiplicada por una corrección del ángulo de impacto. El objetivo duro y frágil funciona mejor, naturalmente, con un ángulo de impacto bajo (15 30), donde las partículas arrancan virutas en lugar de formar cráteres. La cara frontal típica de un álabe del impulsor se encuentra exactamente en este intervalo angular, y ahí aparece el desgaste más temprano. Tres vías actúan en paralelo:

1. Abrasión por rayado. Las partículas angulares gruesas (por encima de aproximadamente 2mm) tienen suficiente cantidad de movimiento para abrir una huella visible en la matriz. Si el rayado atraviesa una banda de carburos, el carburo mantiene la profundidad por debajo de la superficie. Si el rayado pasa entre carburos, la matriz queda socavada y un carburo puede desprenderse entero.
2. Erosión por deslizamiento, o de tres cuerpos. Entre la cara de trabajo de la carcasa y el disco del impulsor, en la holgura del anillo de garganta y en la lengüeta de la carcasa, quedan atrapadas pequeñas partículas entre las dos superficies paralelas. No es inusual una velocidad relativa superior a 25 m/sec. Las partículas desgastan ambas superficies simultáneamente, razón por la que esas dos ubicaciones presentan un patrón de desgaste de 18 meses a 24 meses independientemente del material, la composición o la dureza.
3. Erosión acelerada por corrosión. Cuando la química del lodo ataca la matriz (pensemos en drenaje minero de pH bajo o FGD cargado de cloruros), se forma una fina película pasiva que el siguiente impacto elimina y luego vuelve a formarse. Cada repetición arranca unos pocos micrómetros de metal. Este efecto hace que el caucho parezca una buena idea sobre el papel y que el concepto australiano de alimentación de ciclón fracase en planta.

“Es una tormenta perfecta de abrasión constante, alta presión y calor que provoca la rápida degradación de los componentes de la bomba. Con materiales habituales, las piezas se desgastan como si se lijaran. Primero aparecen agujeros y después, básicamente, la erosión las reduce a nada”.

Existe la idea errónea de que el caucho siempre supera al metal frente a la abrasión porque el elastómero sí se deforma bajo impacto. En una concentradora de cobre alimentada con estériles de flotación con 18 % de sólidos a pH 9.2, una bomba 4/3 con revestimiento de hierro fundido se convirtió por este motivo en una versión revestida de caucho. Seis meses después, el caucho estaba atravesado allí donde partículas de sílice de 3mm golpeaban la lengüeta con un ángulo elevado. Se reinstaló un revestimiento de alto cromo y la planta adoptó un ciclo de sustitución de 12 meses. El caucho gana cuando las partículas son pequeñas y suficientemente redondas para rebotar; el alto cromo gana cuando las partículas rayan.

Qué significa realmente la clasificación HRC para la vida útil de desgaste de su bomba de lodos

La dureza es un indicador elegante de una pregunta más insistente: ¿puede la superficie de desgaste superar al mineral que encontrará? Los lodos mineros rara vez proceden de la molienda de un único mineral: constan de un abrasivo dominante y un lecho de material molido generalizado. Ajustar el material de desgaste a la combinación de abrasivos minerales seleccionada es la prueba decisiva de la vida útil, y el valor de dureza publicado tiene una importancia secundaria en términos absolutos. El cuarzo, presente con mayor frecuencia en mineral extraído, arena dragada y chorro abrasivo, alcanza Mohs 7 y entre aproximadamente 900 y 1.100 HV en Vickers. El granate, con Mohs 7.5, está entre aproximadamente 1.100 y 1.300 HV. La alúmina y su pariente el corindón superan Mohs 9, con 1.800 2.000 HV en Vickers. El intervalo compartido con el cuarzo y el granate, 1025 a 1500, coincide con el rival de las alúminas, el cromo, pero no lo suficiente para obtener ventaja frente a mineral dragado rico en alúmina. Ese margen es precisamente lo que convierte a la Clase III Tipo A en el material np1/predeterminado en el dragado de cobre, oro, hierro y, por supuesto, arena, y reafirma que la descarga de molienda ultrafina de alúmina está estrechamente alineada con el mercado cerámico y no con el alto cromo. En otras palabras: el lodo de molienda de alúmina no destruye el impulsor de Clase III Tipo A porque la aleación sea inferior, sino porque el mineral abrasivo dominante es superior. Compruebe primero Mohs, después HRC y, en tercer lugar, el nombre comercial del producto. BBP ha desarrollado una tabla comparativa de minerales y vida útil de desgaste para la mayoría de los minerales extraídos.

Alto cromo frente a materiales de desgaste alternativos: un marco de decisión más allá del caucho y Ni-Hard

Si buscara una bomba de lodos para una mina, la mayoría de las guías de selección detendrían la búsqueda en las tres opciones claramente “amarillas”: alto cromo, Ni-Hard y caucho. Pero deja “dinero” sobre la mesa si el perfil del lodo se desplaza hacia cualquiera de los extremos. A continuación se muestra una tabla de recomendación “condicional” que añadiría revestimiento cerámico, cermet WC-Co y acero inoxidable dúplex como opciones “nominales” cuatro, cinco y seis para nichos concretos.

¿Cuándo debería elegir bombas de lodos con revestimiento cerámico en lugar de alto cromo?

El punto de transición se produce cuando la dureza del abrasivo más agresivo supera la del carburo de cromo: tanto si el abrasivo dominante se ha acelerado en una descarga de remolienda con partículas Mohs 8,5-9 como si estériles ricos en alúmina, un proceso de arena de circón o una descarga de remolienda reprocesan partículas de 8,5-9 o superiores, los carburos de cromo se desgastarán aproximadamente a la misma velocidad que la matriz. Los revestimientos cerámicos —alúmina reforzada con circonia o alúmina pura— tienen HV 1.500-2.000 y vuelven a inclinar el equilibrio a favor de la bomba. Las desventajas de esta solución son la fractura frágil del componente sinterizado si recibe el impacto de incrustaciones de tubería, un coste unitario considerablemente superior —2-4 veces el componente comparable de alto cromo— y plazos de entrega considerablemente más largos. El patrón típico de instalación en campo consiste en cerámica donde el grano es más fino y duro, y alto cromo desde allí, fuera de la tubería, hasta el rechazo de grano medio más grueso. Habitualmente dentro del mismo circuito. Cuando el perfil de su lodo parezca incierto —mineralogía cambiante, pH fluctuante o variaciones estacionales de sólidos—, comience utilizando la herramienta de selección de materiales de alto cromo de BBP, que relaciona la química del lodo con una lista de posibles materiales de desgaste. Para comparaciones centradas en el caucho, consulte la gama de bombas de lodos revestidas de caucho.

Modos de fallo habituales de las bombas de lodos de alto cromo: diagnóstico a partir de patrones de desgaste

Por lo general, si una bomba de lodos de alto cromo falla en servicio, dejará un rastro visible en la geometría del desgaste. Interpretar ese rastro le permitirá concluir si la causa es el material, la hidráulica, la química o el operario. Cinco de esos rastros representan un porcentaje enorme de las «paradas imprevistas».

Rayado del borde de ataque de los álabes

Indicio: erosión festoneada de 45′ en el tercio exterior de cada álabe hasta profundizar ligeramente en el disco; la causa raíz suele ser sólidos sobredimensionados, mayores que el tamaño de paso publicado para la bomba, o un cambio brusco de densidad de alimentación que aumentó la cantidad de movimiento de las partículas. Acción correctiva: antes de la bomba, verifique la criba de alimentación y la densidad del rebose de ciclón; no es necesaria una mejora de material.

Lavado del manguito de garganta y la lengüeta de la carcasa

Indicio: patrón de desgaste en forma de campana a lo largo de los contornos de los álabes donde el flujo de partículas vuelve a acelerarse por encima de la velocidad de diseño (normalmente situado entre las 5 y las 7 en punto en una voluta horizontal). La causa raíz es un desplazamiento del punto de funcionamiento a la derecha del punto de mejor rendimiento, que aumenta las velocidades de punta y de holgura. En una carcasa de serie AM de BBP, esto suele evidenciarse mediante desgaste acelerado del manguito de garganta antes que del impulsor.

Picaduras en el revestimiento interior de aspiración sin marcas de abrasión

Indicio: cráteres con forma de rayado concentrados cerca del ojo, ausencia de surcos direccionales. Se trata de cavitación, no de abrasión: el lodo se vaporizó en zonas de baja presión y las burbujas al colapsar golpearon el metal (acelerando el desgaste). Corrija la hidráulica: aumente el NPSH disponible, reduzca la altura de aspiración, disminuya la velocidad de giro de la bomba y sobredimensione la tubería de aspiración; no persiga una mejora metalúrgica. El alto cromo es más resistente a la cavitación que el hierro fundido, pero ningún material de desgaste resiste la cavitación indefinidamente.

Fuga del cierre de empaquetadura con desgaste axial del manguito de eje

Placa de características: marcas de desgaste axial en el manguito de eje, la empaquetadura estaba comprimida de forma asimétrica y el caudal de agua de lavado era muy inferior al de la placa de características. En realidad, la causa raíz era que la presión del agua de lavado era demasiado baja para mantener el lodo alejado del prensaestopas. Una anomalía frecuente en campo en bombas de lodos de cal FGD es el «desgaste prematuro de la empaquetadura» cuando se bloquea el suministro de agua de lavado.

Ablandamiento de la matriz tras exposición a alta temperatura

Indicio:.El valor de dureza Brinell disminuye 5 a 8 puntos respecto al valor de suministro, sin desgaste visible a simple vista. La causa raíz más probable es un revenido subcrítico en el que la fundición recibió tratamiento térmico por encima de 500C durante tiempo suficiente para iniciar la transformación de martensita a una matriz de ferrita más carburo: incidente de incendio, reparación por soldadura en campo o una alteración del proceso. Las piezas afectadas no pueden rehacerse en campo y deben desecharse. Cuando las piezas de desgaste llegan al final de su vida útil, el inventario de piezas de desgaste para bombas de lodos de BBP mantiene impulsores, manguitos de garganta, revestimientos interiores de carcasa y manguitos de eje listos para expedición, y la herramienta de decisión de material de revestimiento interior ayuda a decidir si se vuelve a pedir la misma especificación o se mejora.

Buenas prácticas operativas: prolongación de la vida útil en lodos de alta densidad

La mayoría de los fallos de las bombas para lodos de alta resistencia se pueden evitar con un pequeño conjunto de prácticas operativas cuya implantación cuesta casi nada. Una bomba correctamente cebada, arrancada con agua limpia, puesta en servicio con una referencia de vibración y reapretada según el calendario funcionará entre un 30 y un 50 por ciento más tiempo que la misma bomba instalada conforme al manual pero operada sin disciplina.

¿Cómo se ceba una bomba para lodos de alto cromo?

Una bomba horizontal para lodos no es autoaspirante. El cuerpo de la bomba y la tubería de aspiración deben llenarse de líquido antes del arranque, normalmente con agua limpia y no con el lodo del proceso. La secuencia es la siguiente: cierre la válvula de impulsión, abra la válvula de aspiración, llene la voluta por la conexión de cebado hasta que el líquido rebose por la válvula de purga de aire, cierre la purga, arranque el motor a velocidad de giro reducida si el accionamiento lo permite, aumente hasta las r. p. m. de diseño en 30 segundos y abra después la impulsión de forma gradual hasta el punto de funcionamiento de diseño. En emplazamientos remotos sin agua limpia, los eyectores o las cámaras de cebado en la aspiración son alternativas viables, pero el principio básico se mantiene: los sólidos nunca deben entrar en una carcasa seca. Un bombeo inicial de 30 minutos con agua limpia permite registrar la evolución de la temperatura de los rodamientos desde la temperatura ambiente, comprobar la presión en la línea de drenaje del prensaestopas (normalmente de 0.35 a 0,5 bar por encima de la presión de drenaje de la alimentación de aspiración) y, a continuación, establecer una firma de vibración de referencia.

Margen de NPSH para servicio con lodos

El requisito de NPSH de la curva del fabricante presupone agua limpia. Para lodos de alta densidad, añada una corrección —la práctica industrial habitual contempla entre 0.5 y 1.5 metros de margen de NPSH por cada unidad de gravedad específica por encima del agua—. Un lodo con SG 1.4 que bombee a un NPSHr publicado de 4 metros debería disponer de al menos 5 a 6 metros. Las tuberías de aspiración infradimensionadas y una geometría de pozo ajustada son los culpables habituales cuando una instalación alega «cavitación inexplicable» en una bomba que funcionó correctamente en fábrica.

Calendario de reapriete para revestimientos con unión cónica

Las caras de acoplamiento cónicas de los revestimientos de la serie AM dependen de un ajuste por interferencia mantenido por pernos pasantes. A las 100 horas de servicio, reapriete conforme a la especificación del OEM: la interferencia se asienta y se relaja ligeramente durante el rodaje. Un segundo reapriete a las 500 horas recoge cualquier relajación lenta antes de que el desplazamiento del revestimiento genere desgaste por holgura. El ajuste externo del impulsor, una característica de los bastidores BBP AM, permite reajustar la holgura frontal sin desmontaje; registre las vueltas de ajuste para poder supervisar por separado la alineación de los rodamientos.

Control del pH y puntos de inflexión de los grados de material

El acero inoxidable Clase III Tipo A con 27 por ciento de Cr funciona bien hasta aproximadamente pH 4.5 en servicio continuo. Por encima de ese valor, la matriz experimenta una disolución pasivante entre los carburos, de ahí que A49 con 30 por ciento de Cr esté disponible para sistemas de drenaje ácido de mina y FGD que pueden bajar de pH 4. Si la química del proceso tiende a ser ácida estacionalmente, registrar trimestralmente el pH en la aspiración de la bomba resulta menos costoso que sustituir prematuramente las piezas de desgaste. Para consultas de dimensionamiento, la herramienta de dimensionamiento de bombas para lodos de alto cromo de BBP solicita el punto de funcionamiento y devuelve bastidores AM candidatos.

Coste total de propiedad: cálculo del ciclo de vida de las bombas para lodos de alto cromo

Una bomba para lodos de alto cromo es inicialmente más cara que una equivalente de hierro dúctil, pero resulta considerablemente menos costosa a lo largo de cinco años. La curva de TCO es donde se gana o se pierde el argumento de compras. Tres factores dominan el cálculo: la frecuencia de sustitución de la bomba, el coste de las piezas en cada sustitución y los beneficios de producción del tiempo de parada en cada sustitución. Los trabajos revisados por pares sobre predicción del desgaste de componentes de bombas para lodos de Sellgren (TexasAM, 2005) y sus continuaciones académicas coinciden: el coste de su ciclo de vida vendrá determinado por el mantenimiento y el tiempo de parada inducido, no por las piezas. Una forma práctica muy útil de desglosar el origen de los costes previstos es: 70 por ciento por el valor del tiempo de parada, 15 por ciento por piezas y 15 por ciento por mano de obra; un refinamiento útil de la cifra del 70 por ciento de coste del ciclo de vida que a veces acaba etiquetando «coste» hasta tres veces, primero en las piezas y después en la mano de obra. Estas cifras son representativas del servicio de alimentación de ciclones de tamaño medio (bastidor de 4/3 a 8/6). El patrón se generaliza: con un valor bajo del tiempo de parada, la progresión lógica es de hierro dúctil a Ni-Hard y a alto cromo porque domina el coste de las piezas. Con un valor alto del tiempo de parada (en torno a $2.400 por hora o superior, típico de operaciones continuas de concentradora), la cerámica y el alto cromo convergen porque el tiempo de parada evitado compensa el mayor coste de las piezas. Para la mayoría de las instalaciones mineras con un valor de tiempo de parada de $500 a $1.500 por hora, el alto cromo Clase III Tipo A es el claro ganador. Para referencias específicas de minería que tengan en cuenta la dureza del mineral, la densidad de alimentación de ciclones y las tarifas de mano de obra de la instalación, consulte la herramienta de comparación de TCO específica para minería.

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