Bombas de pulpa

Selección de bombas de pulpa para minimizar el desgaste Autor: Departamentos Técnicos de

INDICE 1.-

Introducción

2.-

Estudio de del de desgaste en bombas

3.-

Forma y diseño de de la la bomba

4.-

Diseño del rodete

WARMAN y ERAL

RESUMEN

 Los desgastes en las bombas centrífugas para pulpas influyen en las características hidráulicas de la bomba  y en su duración. Este artículo refleja los resultados de una investigación detallada de la influencia del caudal   de pulpa y del tamaño de partículas de los sólidos sobre un modelo de desgaste típico en una bomba centrífuga. Se incluyen varias recomendaciones y futuras re ferencias para la selección de bombas a fin de reducir el desgaste. 1. Introducción

6.-

Influencia de los álabes expulsores

7.-

Desgaste co comparativo

8.-

Efecto del caudal

9.-

Aplicaciones de de ba bajo caudal 9.1 Voluta de bajo caudal  9.2 Rodete de admisión  reducida 

10.-

Resumen

11.- Conclusión

Las bombas centrífugas para pulpas se utilizan para manipular sólidos definidos en una gran variedad de aplicaciones. En consecuencia, están sometidas a desgastes por erosión a causa del contacto entre las superficies húmedas de la bomba y las partículas de la pulpa que se bombea. El desgaste resultante se mide normalmente en términos de pérdida de peso por unidad de superficie, o por reducción del espesor por la acción dinámica de la pulpa. Al final, es la reducción del espesor lo que determina la via útil de las piezas de la bomba. Aparte del consumo de energía, la principal preocupación de los usuarios de bombas para pulpas es el desgaste por erosión. 32 - Febrero 1998 - Americas Mining

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 selección de bombas para pulpas, pensando en minimizar los desgastes, precisa un conocimiento cuidadoso del sistema y de la interacción entre éste y la bomba. La geometría de la bomba y los materiales de construcción influyen en su duración. También son importantes otras variables del sistema, incluyendo la altura manométrica, el caudal y las características de la pulpa (tamaño y forma de la partícula, viscosidad aparente, etc.). Este informe analiza la selec-

Fig. 1- Las tres piezas de desgaste pri ncipales de una bomba centrífuga

ción óptima de una bomba de pulpas para un servicio determinado. Se han ignorado las consideraciones sobre mayeriales, para centrarse en la geometría y catacerísticas de diseño más adecuadas para conseguir desgastes y costos de operación mínimos en una aplicación concreta.

2. Estudios del desgaste

Fig. 2 - Variación del rendimiento de una bomba con la velocidad específica.

dido, para producir unos desgastes acelerados (1). Además, otros trabajos más recientes de WARMAN se han centrado en los efectos de la velocidad de la bomba y diseño del rodete. Las siguientes recomendaciones están, en gran parte, basadas en este trabajo.

3. Forma y diseño de la

en bombas

bomba

Las tres piezas de desgaste principales de una bomba centrífuga para pulpas son: el rodete, el cuello de aspiración y la voluta, tal y como se muestra en la Figura 1. Cada una de estas piezas se desgasta a un ritmo distinto con tamaños de partículas y caudales de operación diferentes. El Departamento de I+D de WARMAN ha realizado el primer estudio completo, examinando los efectos que el caudal de pulpa y el tamaño de partícula producen en los desgastes, utilizando una bomba modelo 6/4 AH con piezas blandas de hierro fun-

La forma básica de las bombas centrífugas se determina con un número sin dimensión llamado Velocidad Específica (Ns= f(H,Q,N). Para una altura (H) y un caudal (Q) dados, hay una relación inversa entre el diámetro del rodete (D2) y la velocidad de rotación (N) en el punto de diseño o Punto de Mejor Rendimiento (BEP) de la bomba. Un rodete de diámetro grande precisa una velocidad de rotación lenta, mientras que un rodete pequeño tiene que girar más rápidamente para alcanzar una altura determinada. La relación diámetro/anAmericas Mining - Febrero 1998 - 33

chura, o forma, está caracterizada por la Ns (una cantidad sin dimensión). Con las bombas para pulpas no es práctico funcionar con diseños Ns relativamente altos, a causa del desgaste producido por altas velocidades de giro. Por otra parte, no es práctico tener rodetes de baja Ns, por sus bajos rendimientos y escasa capacidad para el paso de sólidos. La Figura 2 indica la gama típica de rendimiento que pueden conseguirse con diversas Ns. Los rendimientos máximos se producen con Ns de aprox. 0,8. Las bombas para pulpas con buenas características de desgaste, generalmente, una Ns en la gama 0,3 - 0,8, con la mayoría de diseños para servicios pesados sobre Ns = 0,5.

1ª RECOMENDACIÓN   Para aplicaciones en servicio pe sado, elegir Ns = 0,40 - 0,55.   Para aplicaciones en servicios  medio a pesado, elegir Ns = 0,55 - 0,60.

de D 2 y N que ilustra en la Figura 3. cumpla óptimaLos límites de la velocidad pemente con el ser- riférica los establecen las propievicio requerido. dades físicas del material del roLa velocidad dete (generalmente el esfuerzo de periférica tiene un tracción), sin embargo, las recoefecto significati- mendaciones para obtener un ritvo en el desgaste mo óptimo de desgaste se basan, del rodete. En un por lo general, en la experiencia ensayo de erosión con diversos tipos de pulpas. En con chorro per- aplicaciones con servicios partipendicular, el rit- cularmente ultrapesados, no es mo del desgaste extraño utilizar dos bombas acovaría, típicamente, pladas en serie, a fin de reducir con un valor entre las velocidades periféricas requeel cuadrado y el ridas para conseguir la altura cubo de la veloci- manométrica de servicio. Esta sodad de choque (2). lución puede proporcionar desSin embargo, en el gastes y costos operativos más barodete de una  jos, aún cuando los costos de cabomba, un aumen- pital son obviamernte mayores. to de la velocidad de giro no sola-  2ª RECOMENDACIÓN  Fig. 3 - Efecto de la velocidad del rodete en el desgaste mente cambia la Si es necesario limitar la velocivelocidad periféri-  dad, no especificar la velocidad  ca sino la velocidad relativa de  de giro de la bomba; utilizar la paso y los ángulos de choque so- velocidad periférica. 4. Velocidad de giro Algunos diseñadores de plan- bre los álabes. Un incremento de 5. Diseño del rodete tas establecen límites de veloci- la velocidad de giro del rodete, a un caudal relativo constante, prodad de giro de los rodetes de las La necesidad, cada vez mayor, duce un aumento en el ritmo de bombas para pulpas, por debajo de, de los correspondientes a una desgaste buena práctica normal. Esto tie- aproximadamente, ne como consecuencia una el cuadrado de la deficnición, de hecho, de la Ve- relación de velocilocidad Específica para un servi- dades. Si el caudal cio determinado (ya que se dan relativo no se manlas tres variables, H, Q y N, de tiene constante, Ns). Las consecuencias de esta produce un aumenpráctica son el empleo de dise- to en el ritmo de de, ños con Ns bajos, que producen desgaste rendimientos muy inferiores a los aproximadamente, que serían normalmente acepta- el cuadrado de la relación de velocibles. Si los ingenieros de plantas de- dades. Si el caudal sean imponer limitaciones de ve- relativo no se manlocidad en las bombas para pul- tiene constante, el pas, tendría más sentido utilizar índice de desgaste como criterio la velocidad peri- (WR) puede variar férica o tangencial del rodete. significativamente Esto no produce una limitación por su dependencia Fig. 4 -Diferencia entre rodetes para servicio pesado y de la Ns y permite una slección del caudal. Esto se de alto rendimiento

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menor velocidad de rotación para desarrollar una determinada altura manométrica.

El diseño de rodetes de alto rendimiento debe incluir:

Fig. 5 Trayectorias de  partículas  finas y gruesas en un rodete.

de costos de operación cada vez 1.- Alabes gruesos de curvatura re ducida, debido a la trayectoria más bajos en las plantas de promás corta y el mayor ángulo de cesos, ha obligado a diseños de salida de las partículas mayores. rodetes de alto rendimiento. Un buen diseño de alto rendimiento 2.- Caras paralelas con salida ancha, para evitar el bloqueo de puede incrementar éste en un las partículas gruesas y reducir 10% sobre el diseño de servicio la componente transversal de la pesado. La Figura 4 muestra un velocidad. número de diferencias entre los 3.- Alabes de expulsión en la cara diseños tradicionales para servifrontal, para reducir el desgaste cio pesado y los de alto rendicentrifugando las partículas más miento. Esto surge debido a los gruesas hacia la de la voluta y fuera de la zona entre el rodete y distintos servicios pretendidos el cuello de aspiración. para cada rodete y los tipos de 4.Elevado ángulo de salida del desgaste resultantes. álabe y rodete de salida ancha, Las pulpas con partículas gruelo que supone un coeficiente de sas (d85 > 700 um) tienden a seelevación mayor y, por tanto, guir una ruta distinta a la del fluido, ya que la fuerza de inercia de las partículas son mayores que las de rozamiento ejercidas sobre el fluido. Los patrones de desgaste típicos consisten en surcos profundos donde haya cualquier cambio de dirección del flujo (ver Fig. 5). En las pulpas con partí- Fig. 6.culas finas (d85 < 100 um) éstas  Efecto siguen la misma ruta del fluido. del Esto significa que donde se tamaño crea una separación o torbellino de en el flujo, puede producirse una  partícula erosión seria por la acción de los sobre el sólidos finos retenidos. Las con- desgaste secuencias para el diseño y selec- con diferentes ción son significativas. rodetes

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1.- Alabes girados delgados con án gulo de entrada variable a lo largo del borde de ataque, y una curvatura larga del álabe para acoplarse de forma óptima a la trayectoria del fluido. 2.- Sección transversal decreciente, para asegurar una velocidad de salida uniforme y una acelera ción gradual del fluido en las zonas de paso. 3.- Caras frontales y traseras suaves, para evitar torbellinos locales y pérdidas asociadas a los álabes expulsores. 4.- Menor ángulo de salida del álabe y pasos más estrechos, de un menor coeficiente de eleva ción y un mayor rendimiento de la bomba.

Aunque los rodetes de alto rendimiento son considerablemente más livianos que los de servicio pesado, su duración puede ser igual o mayor en pulpas con partículas finas. Esto se debe al reducido nivel de turbulencia (mayor rendimiento) asociado a sus álabes curvados y sección decreciente. En la Figura 6 se muestra el efecto del tamaño de partícula sobre el desgaste con diferentes

Fig. 7. Efecto del tipo de rodete y tamaño de  partícula en el desgaste del cuello de aspiración.

tipos de rodetes. En este caso, un rodete de alto rendimiento tiene un ritmo de desgaste mucho más bajo con tamaños de partículas menores de 500 um. Con partículas de 150 um, un rodete de alto rendimiento tiene la mitad de desgaste (en términos de pérdida de masa).

 3ª RECOMENDACIÓN  Con pulpas de partículas fi nas, la utilización de rodetes de   alto rendimiento no solamente  reduce el consumo de energía,

 sino también el ritmo de desgas te. 6. Influencia de los álabes expulsores El desgaste del cuello de aspiración depende mucho del tipo de rodete y tipo de pulpa que se manipula. Para pulpas con partículas gruesas mayores de 200 um, los álabas expulsores actúan reduciendo el desgaste del cuello de aspiración centrifugando los sólidos gruesos y evitando una recirculación significativa hacia

Fig. 8.- Indices de desgaste comparativo en bombas con rodete para servicio pesado

la entrada del rodete, en el intersticio entre el rodete y el cuello de aspiración. La figura 7 muestra el efecto del tamaño de partícula en el desgaste del cuello de aspiración. Por ejemplo, cuando se bombean partículas de 1.000 um el desgaste del cuello de aspiración con un rodete de alto rendimiento puede ser cinco veces superior que con un rodete de servicio pesado con álabes expulsores. Este aspecto necesita ser considerado cuidadosamente cuando se selecciona el tipo de rodete. La elección de un rodete de alto rendimiento para manipular partículas de 500 um puede ser la mejor opción en cuanto al desgaste del rodete, pero puede que no lo sea para el del cuello de aspiración.

 4ª RECOMENDACION   Para maximizar la duración  del cuello de aspiración con par tículas gruesas, utilizar rodetes  para servicio pesado con álabes expulsores 7. Desgaste comparativo Además de las consideraciones específicas para piezas individua-

Fig. 9.- Indice de desgaste comparativo en bombas con rodete de alto rendimiento

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Fig. 10.- Efecto del caudal en el desgaste de rodetes  para servicio pesado (1000 um)

Fig. 11.- Efecto del caudal sobre el desgaste en rodetes para servicio pesado (450 um)

Fig. 12.- Efecto del caudal sobre el desgaste en rodetes para servicio pesado (150 um)

les, la selección óptima precisa un conocimiento del desgaste relativo de las tres piezas principales. Al final, la duración y la fiabilidad están limitadas por la pieza «más débil» de la bomba. También, 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 aspiración con una gama de tamaños de partícula, para un rodete de servicio pesado. Con partículas finas, la pieza de mayor desgaste es el cuello de aspiración, mientras que con partículas gruesas lo es el rodete. Esta situación cambia ligeramente en bomabs con rodetes de alto rendimiento. En este caso, el desgaste del cuello de aspiración puede llegar a ser tres veces mayor en toda la gama de tamaño de partículas analizada. Esto se ilustra en la Fig. 9. Las consecuencias de estos diferentes índices de desgaste aconsejan, al seleccionar los materiales de cada pieza, elegir uno que proporcione una duración en

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múltiplos de la pieza de menor desgaste. Por ejemplo, enuna situación en la que el cuello de aspiración tuviera la mitad de duración del rodete, siendo ambas piezas de acero con alto contenido en cromo, merecería la pena considerar el uso de un cuello de aspiración de elastómero, o incluso uno cerámico, más caro, a fin de dilatar el período de mantenimiento.

 5ª RECOMENDACIÓN   Al seleccionar los materiales,  tener en cuenta el desgaste com parativo para poder optimizar el   período de mantenimiento y los  costos de las piezas. 8. Efecto del caudal Si bien el ritmo de desgaste en una bomba es generalmente proporcional a las toneladas de sólidos manipuladas por esa bomba (para cualquier caudal dado), el caudal real de operación relativo al caudal de diseño, o caudal Q BEP, tiene un efecto dramático en el desgaste de piezas individuales. La Fig. 10 muestra las características de desgaste de un rodete para servicio pesado que manipula una pulpa gruesa. En este gráfico, el desgaste del rodete es mínimo, alredeeedor de 0,8 Q BEP, aumentando hasta duplicarlo al aproximarse a Q BEP. Por el contrario, el desgaste del cuello de aspiración disminuye en esa gama de flujos, mientras que el de la voluta no cambia mucho. En este caso, sería mejor que la bomba funcionase en la gama 0,7 - 0,8 QBEP , para segurar un desgaste mínimo del rodete y de la voluta. Aún cuando el desgaste del cuello de aspiración no es mínimo, resulta aceptable. Las características indicadas de desgaste del rodete, son típicas de pulpas gruesas para rodetes de servicio pesado, o de alto ren-

hay diseños especiales de rodete y voluta que proporcionan un aumento de la vida. Caudales muy bajos producen problemas significativos de desgaste en la voluta, justo detrás del corta-aguas (debido a flujos vorticiales separados), así como también en la entrada del rodete (debido a recirculación en la aspiración. WARMAN ha desarrollado diseños especiales de rodetes y carcasas para bajos caudales, que eliminan estos problemas. Fig. 13.- Voluta WARMAN de “bajo caudal”.

dimiento. Debido a la gran diferencia en desgastes, cuando se seleccionan bombas para aplicaciones con pulpas gruesas, es crítico que se elija la bomba para operar lo más posible a 0,8 Q BEP. Para pulpas con d85 <500 um, las tendencias no son tan claras como con los materiales más gruesos. El desgaste del cuello de aspiración con rodete para servicio pesado dismunuye al aumentar el caudal, en toda la gama analizada; sin embargo, el desagaste de la voluta disminuye de forma similar con una arena media, a pesar de que hay un máximo con arena fina a 0,8 Q BEP. El desgaste del rodete indicaba un mínimo con arena fina, pero aumentaba el caudal en arena media. Las tendencias en rodetes de alto rendimiento, analizadas para ambas arenas, no fueron demasiado distintas; el desgaste del cuello de aspiración disminuía considerablemente al aumentar el caudal. El desgaste general del rodete fue relativamente bajo, comparado con los de la voluta y cuello de aspiración. Estos puntos se ilustran en las Figuras 11 y 12.

6ª RECOMENDACION    Para minimizar el desgaste   del rodete con pulpas gruesas,

9.1 VOLUTA DE BAJO CAUDAL

Una voluta de bajo caudal tie-

  operar lo más próximo a 0,8 ne un corta-aguas ampliado y un Q BEP . cuello de impulsión menor, para 7ª RECOMENDACION    Para minimizar el desgaste  general de piezas con pulpas con  partículas finas, utilizar rodetes   para servicio pesado a Q BEP , o  próximo a él, y utilizar rodetes  de alto rendimiento a 0,8 Q BEP , o  próximo a él. 9. Aplicaciones de bajo caudal Si es inevitable seleccionar una bomba para caudales inferiores a 0,6 QBEP, o si hay que mejorar el desgaste de una sobre dimensionada bomba existente,

reducir la recirculación de caudal desde el cuello de impulsión hacia la cámara. Esto reduce los desgastes localizados detrás del corta-aguas cuando se opera con caudales por debajo de 0,6 Q BEP. La Fig. 13 muestra un esquema de una voluta de bajo caudal. 9.2 RODETE DE ADMISION  REDUCIDA

Un rodete de admisión reducida tiene un diámetro de entrada menor que un rodete estándar para servicio pesado. Esto produce un mejor gradiente de presión

Fig. 14.- Rodete WARMAN de “admisión reducida”.

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en la admisión, para evitar la recirculación del caudal principal hacia la tubería de aspiración. Los rodetes d admisión reducida tienen también velocidades de entrada del álabe más bajas, debido a su menor diámetro, lo que me jora la vida por desgaste. La Fig. 14 muestra un esquema de un rodete de admisión reducida.

etapa. 5. Seleccionar el tipo de rodete y la gama de caudal: a) Servicio pesado: Rodete de servicio pesado: 0,60-0,80 QBEP. b) Servicio medio: Rodete de alto rendimiento:0,60-0,85 Q BEP. c) Servicio ligero: Rodete de alto rendimiento: 0,80-1,1 Q BEP d) Caudales bajos: Rodete de admisión reducida: <0,60 QBEP

11.Conclusión

8ª RECOMENDACION  Los pasos anteriores son úni Para caudales inferiores a 0,6  QBEP, seleccionar una combi- camente una guía técnica gene nación de voluta de bajo caudal  ral para minimizar los desgastes  y rodete de admisión reducida. que se producen como conse10. Resumen Los pasos a dar en la selección de una bomba, para aminorar el desgaste, son: 1. Determinar las características del sistema y definir H, Q y las pro piedades CW de la pulpa, d85, SGs y la forma de partícula. 2. Clasificar la pulpa como: a) Servicio pesado: CW >35%, d85 >400 um, SGs >2,0, partículas cortantes. b) Servicio medio: 20% 1,4 partículas angulares c)Servicio ligero: CW<20%, d85 < 150 um, SGs> 1,4, partículas redondeadas 3. Escoger el tipo básico de bomba: a) Servicio Pesado: 0,4
cuencia de las características de diseño particulares. Sin embargo, las restricciones de tipo económico determinadas no solo por el desgaste consecuencia del diseño, sino por los materiales de construcción, rendimiento, costos de energía y costos de inversión son los que, finalmente, determinarán la mejor selección de la bomba. En particular, para conseguir un resultado óptimo, la elección de los materiales del rodete y forros tiene que casar con el tipo de servicio.

Nomenclatura CW Concentración de sólidos en peso (%) d85 Tamaño de malla por la que

Si la velocidad requerida para cumplir con la manométrica del sistema es mayor que la máxima, considerar una operación multi Americas Mining - Febrero 1998 - 39

pasa el 85% en peso, de las partículas (um) D2 Diámetro exterior del rodete (m) g Constante de gravedad (9,8 m/s2) H Altura total del servicio (m. de pulpa) HBEP Altura desarrollada por la bomba a QBEP N Velocidad de giro del rodete (rad/s) Ns Velocidad específica Ns = N (QBEP)0,5(gHBEP)-0,75 Q Caudal (m3 /s) QBEP Caudal de operación de la bomba a BEP (m3 /s) SGs Densidad específica del sólido. Referencias (1) Walker, Cl, Wells, PJ y Bodkin, GC, «The effect of flowrate and solid particle size on the wear of  centrifugal pumps». Debates del 5º Simposio Internacional de Flujos Sólido&Líquido, ASME, Lake Tahoe, USA (Junio 1994). (2) Walker, Cl y Bodkin, GC, «Erosive wear characteristics of  various materials». Debates del Hydrotranport 12, BHR Fluid Eng., Brujas, Bélgica (Septiem bre 1993). (3) Shook, CA y Roco, MC, «Slurry Flow principles and practice», Butterworth, Heinemann, USA, (1991). Referencia: 205-8