MINERODUCTOS Carguío y transporte
Nombre: Benjamín Bernal Profesor: Felipe Espinoza Carrera: T.U. en Minería y Metalurgia Curso 244-A Fecha de entrega: 1 de julio de 2017
Índice Resumen Ejecutivo
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Introducción
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Desarrollo
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- Equipos de mineroductos
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- Operaciones básicas y practica operativa
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- Aplicaciones de los mineroductos
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- Consideraciones del sistema
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Conclusión
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Bibliografía
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Anexos
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Resumen Ejecutivo: El mineroducto es un medio de transporte hidráulico de minerales y residuos de plantas de tratamientos, está compuesto de cañerías de acero atornilladas unas con otras y pueden ser de hasta cientos de kilómetros de distancia gran distancia. Este medio permite el transporte de pulpa (mezcla mineral-agua) desde una zona de producción hasta una terminal que reciba este material. Esta tecnología data desde los tiempos de los romanos y ha progresado bastante desde entonces, sobre todo en el siglo XX. La ingeniera Nora Blatch, fue la primera persona que llevo a cabo una investigación exhaustiva sobre el flujo de mezclas de sólidos y líquidos. Durante el periodo de 1913 y 1924 se ocupó una tubería de unos 20 cm de diámetro y una sumatoria de 60 metros de tubería como medio de transporte para carbón desde una barcaza en el rio Támesis hasta la central térmica de Hammersmith en Londres. En los años 40 se investigaron los factores que intervienen en el transporte de tubería como consecuencia de las operaciones de dragado . En el año 1948 después de una exhaustiva investigación sobre el transporte de arenas y gravas en tuberías de 4 a 25 cm de diámetro, esta dio grandes frutos en esta área, se logró construir una correlación empírica conocida como ecuación de Durand, por medio de la cual se estima el gradiente de presión para hidromezclas ‘’pesadas’’. Años más tarde,
esta ecuación seria cuestionada, por no cumplir para materiales con un peso específico diferente al de arenas y gravas, además de no ser aplicable para hidromezclas de más de un 20% de sólidos. Durante los años 50, los mineroductos siguieron su marcha como un medio de transporte alternativo y se comenzó a utilizar para el transporte de carbón en EE.UU, transportando el combustible fósil desde Ohio hasta Cleveland. La tubería era de 25 cm de diámetro y transportaba 1.5 Mt/año con un porcentaje de solidos del 60% y una granulometría inferior a las 4 mallas. Finalmente, en 1964 fue cerrad o ya que el trasporte por ferrocarril resulto ser más efectivo. 3
En el año 1957 la American Gilsonite Co. comenzó a transportar gilsonita desde Utah hasta Colorado, recorriendo una distancia de app 115 km. El material fue triturado bajo las 4 mallas y transportado con una concentración de 48% en peso. Los diámetros de las tuberías oscilaban entre los 10 y 15 cm. En los años siguientes, se modificaron los mineroductos ya existentes, y avanzaron aún más en la investigación de estos. También se construyeron más instalaciones en Georgia en Estados unidos para transportar caolín, en la Unión Soviética para el transporte de carbón y en Tasmania para transportar hierro llegando a una transportar 2.5 Mt/año recorriendo una distancia de app 85 km entre la planta de concentración y la de peletización. En los años 70 se construyó el mineroducto más grande del mundo propiedad de Black Mesa Coal Pipeline Inc. Con una longitud de 437 km, un diámetro de 46 cm y con la capacidad de transportar hasta 5.5 Mt/año desde la cuenca carbonífera Black B lack Mesa, en Arizona hasta la central térmica de Mohave en Nevada. Además, en la misma década, a raíz de la crisis energética, este sistema de transporte empezó a ser de gran interés, sobre todo en Estados Unidos. Ya en el año 1982 se planificaron la instalación de 6 mineroductos capaces de transportar 100 Mt/año de carbón a través de más de 10000 km de tubería. Los mineroductos a lo largo de los años añ os se fue asentando dentro de las preferencias pr eferencias para transporte de materiales, esto debido a los bajos costos de operación, su flexibilidad geográfica, al buen trato con el medio ambiente, al control automatizado y muchas otras ventajas. Esto le valió ser preferencia dentro de grandes faenas mineras en Chile. A modo de resumen, este sistema de transporte en su momento fue fue el más efectivo y productivo, además del poco espacio que ocupa dentro de la mina, esto permitía que la mina se siguiera expandiendo sin problemas.
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Introducción: Los mineroductos son estructuras construidas de acero hechas para transportar el mineral desde, en el caso del de l carbón la mina, hasta una termoeléctrica y en e n caso de minerales (refiriéndome al cobre) desde un chancador hasta la planta de flotación. Estas estructuras llegan a tener una gran longitud y funcionan mediante una bomba que impulsa la mezcla por la tubería. Estas mezclas son preparadas con materiales granulares cuyos pesos específicos son conocidos. c onocidos. La dureza de los sólidos es una propiedad que afecta al desgaste de las bombas y al de las tuberías. Este sistema debe funcionar a un régimen de flujo turbulento, esto debido a las granulometrías del material transportado, esto sabiendo que los granos más grandes tienden a decantar más rápido. Los equipos utilizados para el mineroducto son: bombas, tuberías y equipos auxiliares, los cuales debieran ser suficientes para suplir las necesidades básicas de la instalación. Este medio de transporte tiene una gran importancia y fue una gran revolución en su momento, permitiendo transportar material de manera rápida, cómoda y grandes cantidades, pero fue en la década de los 80 cuando debido a la crisis energética se volvió de una gran importancia para la industria energética y minera, transportando carbón desde las minas hasta centrales eléctricas, y en Chile, este sistema se usa para transportar el concentrado de cobre desde la planta de chancado hasta la planta de flotación.
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Desarrollo: Los mineroductos deben trabajar con una granulometría específica y son hechas para transportar un material en específico. En base a este material es el tipo de acero utilizado para las tuberías. Por ejemplo, el peso específico del concentrado de cobre el 4.3, para saber que acero utilizar debo conocer la dureza de este concentrado, la cual sería en escala Miller de 128-0. Al momento de trabajar la granulometría del material también es considerado, ya que si la granulometría es gruesa tiende a decantar, para esto se hizo la siguiente tabla con el máximo tamaño de las partículas en el transporte hidráulico.
Tabla 1 Esta tabla viene indicado el peso específico del material a trabajar, su granulometría y la velocidad con la que debe ser transportada para que el material no decante y quede pegado en el tubo.
Tabla 2: distribución granulométrica de sólidos. Suele darse en la escala Tyler, en la que cada número de malla equivale a un tamaño en micrones
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Tabla 3: concentración de sólidos en mineroductos. Viene el detalle del porcentaje de sólidos en peso y en volumen óptimos para su transporte.
La actual experiencia en el transporte de solidos por tuberías de grandes distancias ha puesto de manifiesto que las concentraciones optimas por peso y volumen son las indicadas en la tabla de ‘’concentración de sólidos en mineroductos’’.
Con esta tabla se puede deducir que para el transporte de hidromezclas, el porcentaje de volumen del material es bajo y ni siquiera llega al 50% , con esto se puede afirmar que el agua que se usa para este proceso es mucha, ya que este es un
medio
de
transporte
continuo
y
recorre
grandes
distancias.
El flujo de las tuberías se llama ‘’flujo turbulento’’ el cual es un tipo de flujo que
supone un movimiento de partículas en trayectorias irregulares, lo que ayuda a mantenerlas en suspensión. La naturaleza del flujo se expre sa mediante el número de Reynolds, cuya ecuación seria:
1.737∗ = ∗∗ = ∗
dónde:
R= número de Reynolds V= velocidad media (m/s) p= peso específico (kg/m 3) μ= viscosidad (kg/ms)
Q= caudal (m 3/día) D= diámetro interior de la tubería v= viscosidad cinemática, centistrokes (cSt)
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Equipos del mineroducto: Bombas
Tuberías
Equipos auxiliares
1) Bombas: la potencia requerida en el bombeo de una hidromezcla es en función del peso de la mezcla que se desea mover en un tiempo determinado, además de la presión diferencial o altura manométrica. La potencia absorbida por el árbol de la bomba seria:
= 864 ∗∗ Donde P: potencia en el eje (kW) Δp: presión diferencial de la bomba (kPa)
Q: caudal (m3/día) e: eficiencia global Las bombas que generalmente se usan para el transporte de hidromezclas pueden ser centrifugas, de pistones o especiales. -Centrifugas: se utilizan generalmente como bombas de succión de arenas en dragas, así como en la transferencia de pulpas en las plantas de concentración de minerales, siempre en la gama de alturas manométricas bajas a medias. este tipo de bombas se compone de una rueda de álabes o impulsor, capa de producir fuerza centrífuga a la hidromezcla en contacto con ella, proyectándola hacia
el
exterior.
La resistencia a la abrasión de las bombas se consigue mediante revestimientos de goma o aleaciones especiales del impulsor e interior de la carcasa. La eficiencia es baja como consecuencia de los compromisos de diseño que tratan de reducir los desgastes e incrementar las secciones de paso de la hidromezcla
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-De pistones: este tipo de bombas se usa generalmente en la industria del de l petróleo, alcanzando hasta los 30 MPa de presión. Tanto la presión de trabajo como la velocidad de las bombas afecta la vida útil de estas. Hay tres tipos de bombas de pistones, una es la de doble acción y dos cuerpos, las cuales tienes bastantes componentes sometidos a desgaste por lo que no se recomienda su utilización cuando se pretenden disponibilidades mayores al 95% o rendimientos mayores al 83%. Otro tipo de bomba son las de simple acción y tres cuerpos en las cuales el vástago y la empaquetadura no se hallan en contacto con la hidromezcla. Pueden alcanzar rendimientos del 90%, con motores de potencia inferior al 20% a los necesarios con bomba de doble acción. Estas son recomendadas para la impulsión de hidromezclas a grandes distancias. El ultimo tipo de bomba de pistones es la bomba de vástago de simple acción y tres cuerpos, la cual se desarrolla para manipular mezclas no abrasivas a elevadas presiones. Para compensar el bajo desplazamiento volumétrico actúan a una gran velocidad variando entre los 100140 ciclos/minuto lo que implica desventajas como elevados desgastes, escasa vida de las válvulas, elevados costos de operación, baja disponibilidad, entre otros problemas. -Bombas especiales: son bombas de reciente desarrollo en las que la hidromezcla está aislada por una membrana. Pueden ser de doble acción y dos cuerpos y de simple acción y tres cuerpos. Este diseño permite funcionamientos continuados, y considerable
duración
en
los
diversos
componentes.
Otro sistema de bombas dentro de este tipo, con separación de la hidromezcla y los elementos sometidos a desgaste, son aquellos que utilizan una barrera de separación
a
base
de
aceite
o
agua.
La bomba de hidromezcla y la bomba de agua a alta presión están continuamente en servicio. Las válvulas son capaces de resistir presiones de hasta 16 MPa. Finalmente, existen bombas de tornillo, que permiten manipular mezclas viscosas, abrasivas y con algunas partículas gruesas, que alcanzan presiones de hasta 7 MPa.
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2) Tuberías: el diseño de las tuberías para mineroductos es de la máxima importancia, ya que la selección inadecuada de las mismas puede condicionar la viabilidad de todo el sistema. Hay ciertos parámetros que se deben considerar a la hora de elegir las tuberías que utilizaremos:
Presiones de operación
Propiedades mecánicas del material
Sismicidad del área
Características geomecánicas del itinerario
Fenómenos de desgaste, abrasión y corrosión
En los apartados anteriores se ha calculado la presión o altura manométrica necesaria para mover un volumen determinado de hidromezcla en un mineroducto. Estos valores permitirán, de acuerdo con las especificaciones normalizadas de tuberías, seleccionar aquella que se adapte a las máximas presiones practicas del sistema. Las presiones de operación generalmente oscilan en el rango de 5-10 MPa, aunque en su selección influyen los intervalos de las estaciones de bombeo en lugar de una reduce en un 50% la presión máxima má xima de operación que es necesaria y, como consecuencia, el coste de la tubería en un 50%. El espesor máximo de la pared necesario se calcula de acuerdo a la siguiente expresión:
= (2000 ∗ ∗ ∗ ∗ ) +
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Los materiales que generalmente se usan para la confección de las tuberías son aceros al carbono y especiales en aleaciones de níquel y manganeso y una resistencia
a
la
deformación
de
700
MPa.
Los anteriores con revestimiento interior de polímero (PVC, polietileno, polipropileno, etc.), caucho, basalto, etc., se usan como protección contra la corrosión. Estos materiales también se utilizan como constituyentes de tuberías en solitario, por su resistencia interior y exterior a la corrosión, no producen corrientes galvánicas, son ligeras de peso y se cortan y sueldan con facilidad, aunque estén limitados a valores inferiores a 1400 kPa de presión interna y son altamente sensibles
a
las
temperaturas
y
el
envejecimiento.
Y el fibrocemento, aplicable al transporte, generalmente por gravedad, de mezclas abrasivas y corrosivas. Soportan presiones interiores de hasta 1400 kPa. Las tuberías de transporte deben de disponer protección no solo contra la abrasión y la corrosión, sino que también contra agentes externos y sobrep resiones o vacíos que accidentalmente pudieran producirse. Frente a los fenómenos de abrasión y corrosión interna se minimizan seleccionando velocidades de flujo bajas (< 3.5 m/s) y acondicionando la pulpa con inhibidores de la corrosión (cal, compuestos de fosfato sódico, etc.) cuando la superficie interna es metálica. Los recubrimientos internos de tipo orgánico anteriormente mencionados, incrementan la resistencia a la abrasión-corrosión. Los fenómenos de variación accidental de la presión interna, pueden destruir al mineroducto, por lo que las medidas de protección c onsisten en válvulas de control que ayudan cortar el paso del material en caso de una rotura r otura de alguna tubería, así evitar tanto la perdida de material, como daño al medio ambiente.
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Operaciones básicas y practica operativa: El transporte a través de mineroductos implica en realizar una mezcla solido-líquido solido -líquido a partir de un sólido granular y de adecuada cantidad de agua, de forma que se pueda almacenar, recuperar y manipular fácilmente. La finalidad es obtener un producto bombeable a una distancia requerida. Este proceso requiere además de las ya mencionadas bombas y tuberías, las siguientes instalaciones:
De preparación de mezcla
De recepción y agotado del agua
-Preparación de la mezcla: la planta de preparación de mezcla debe contar con todos los equipos necesarios para recibir y almacenar el producto sólido, reducirlo a granulometría necesaria para su transporte, preparación de hidromezcla y almacenado de la misma manera previo al bombeo a través del mineroducto. Si la planta de preparación está alejada, será necesario disponer de los equipos de descarga necesarios para recibir el producto desde la mina, transportado por camión, tren o cinta transportadora. Unido a lo anterior existirá un almacén regulador con capacidad necesaria para adaptarse a los ritmos de recepción y alimentación al sistema de transporte hidráulico. La capacidad de este almacén tiene una equivalencia de entre 1-3 días de transporte dependiendo de la proximidad de la planta general, o de carácter continuo o discontinuo del sistema de transporte del sólido. Una vez que el mineral tenga la granulometría deseada, se mezcla con el e l agua y el recirculado en la estación de bombeo. Esta mezcla se envía a través de un distribuidor a un tanque de almacenado almacenad o y recepción. Estos tanques pueden disponer de un agitador y de una bomba de recirculado de agua. La mezcla se retira por el fondo y se envía a un depósito distribuidor desde donde se bombea a través de un circuito de control de esta misma, la cual mantiene sus características adecuadas previamente a la entrada en las bombas principales del sistema. En caso de ser necesario modificar las características de la mezcla, se devolverá a los tanques. En la estación receptora, la mezcla se somete a un agotado, con el fin de devolver a los sólidos su condición y facilitar las operaciones de manipulación. El grado de 12
agotado, o incluso su no realización son en función de la utilización posterior del mineral, y representa un capítulo importante desde un punto de vista económico por los elevados costes de capital y operación que esto conlleva. Los aparatos necesarios para llevar a cabo la operación de agotado pueden distinguirse según la función que ejerzan, esta puede ser clasificar, espesar, centrifugar y secado térmico. Los principales parámetros para la elección de sistemas de agotamiento son: la distribución granulométrica, el comportamiento del producto durante el proceso de tratamiento, el porcentaje de agua contenida en la materia sólida, la posibilidad de reutilizar el agua del transporte, y la necesidad de almacenamiento de producto. Para este procedimiento existen distintos aparatos tales como cribas vibradoras, centrifugas (de pared cerrada o agujereada), filtros de vacío, ciclones y espesadores. La elección y combinación más conveniente de tales instalaciones, dependen del tamaño de las partículas en la mezcla.
Aplicaciones de los mineroductos: Desde el desarrollo de las grandes instalaciones de mineroductos durante la década de 1950 fue el carbón el principal producto que se transportó por este medio, y al pasar los años y el desarrollo de estos mismos y a raíz de ensayos de corte empírico, se fueron trabajando más materiales con este sistema de transporte. Hablando del caso del carbón, los mineroductos también fueron usados en las centrales eléctricos para trasportar la ceniza de carbón a botaderos. Una ventaja que fue aprovechada por las carboníferas de Estados Unidos, pionera en las grandes estructuras de mineroductos, fue su poca infraestructura dentro de la mina, esto permitía la ampliación de las minas de escasa faena. Hablando de Chile, los mineroductos son utilizados para transportar mineral de cobre desde la planta de chancado hasta la planta de flotación. Tomando el caso de la minera ‘’Los Bronces’’, esta cuenta con un mineroducto de 56 km de longitud
y hasta el año 2011 contaba con una producción de 61000 ton/día en promedio. El mineroducto hasta hoy sigue siendo utilizado por la minera. 13
Consideraciones del sistema. 1. Ventajas económicas: -Tiene mucha eficiencia, creciente a mayor volumen y distancia. -Además
este
sistema
tiene
una
alta
fiabilidad.
-Poca sensibilidad a la inflación, ya que el 70% de los recursos son fijos, un 15 % es en energía y el otro porcentaje restante es en personal y otros costos. 2. Flexibilidad geográfica -Se adapta a cualquier terreno -Facilita la ubicación entre dos plantas de proceso -Minimiza la estancia de personal en lugares remotos 3. Seguridad y protección al medio ambiente -Habitualmente enterrados, se eliminan ruidos, polvo, gases, etc. -Se eliminan error humano por manipulación de equipos -Control automatizado -Nula influencia de condiciones meteorológicas adversas. 4. Limitaciones técnicas -Capacidad de transporte poco flexible -Capacidad de distribución muy limitada, se limita al diseño inicial. -Suministro de agua, cuya disponibilidad puede plantear dificultades en origen, así como en destino por el tratamiento previo al vertido. -Limitaciones del producto, ya que debe ser compatible con el fluido a utilizar , separable del mismo en destino.
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Conclusión: El desarrollo de este medio de transporte a través de los años fue a través de experimentaciones con diversos materiales, entre los que encontramos cuales son los principales usados a principios del siglo XX como el carbón en Inglaterra. Su desarrollo fue dando paso a nuevos materiales para trabajar y nuevas aplicaciones tales como arenas y gravas en 1948. El flujo de transporte hidráulico fue estudiado primeramente por la Ing. Nora Blatch, luego, seguido de años de estudio se planteó la ecua ción de Durand, pero esta entro en cuestionamientos debido a su poco campo de aplicación. Luego de es o se siguió investigando sobre los flujos de hidromezclas, con el fin de sacar el máximo provecho a los sistemas de transporte hidráulico. Todo esto deriva en los diagramas de flujos en mineroductos que conocemos hoy en día. Los equipos de trabajo para este sistema son las bombas, tuberías de acero y ciertos equipos auxiliares para la recepción de pulpa. Hablando un poco de las bombas, estas deben ser especializadas, pero lamentablemente, su durabilidad es baja debido al tipo de material que se trabaja, ya que estos materiales abrasivos destruyen las partes internas de la bomba. En cuanto a las tuberías, estas también en un principio tenían una baja ba ja vida útil, hoy en día, se usan us an revestimientos de goma, caucho o de algún polímero para proteger p roteger la tubería de la abrasión de las partículas de material que son transportadas. Hablando un poco de las aplicaciones de este sistema, este fue aplicado en un primer momento para transportar carbón proveniente de minas carboníferas en estados unidos, a pesar de ser un sistema que nació en Inglaterra, este descubrimiento fue aprovechado por la minería en todo el mundo, causando gran revolución en cuanto al transporte de pulpa. De esa forma llego a Chile para ser en un momento el principal método de transporte en mineras como el Salvador o la minera Los Bronces antes de que se aplicara el sistema de cinta transportadora. Este sistema cuenta con ventajas y desventajas, las cuales son variables según donde este ubicada la minera en cuanto al acceso al agua. Estas características 15
nos dan fiabilidad económica siempre y cuando sea rentable, ya que en un primer momento la instalación de mineroductos requieren una fuerte inversión inicial y no se puede predecir con seguridad su rentabilidad económica. A modo de resumen, los mineroductos son una efectiva forma de transporte de minerales, son de económico mantenimiento, sus instalaciones son pequeñas y se adaptan a cualquier geografía y no generan mucha contaminación. Pero a pesar de todo esto son muy limitados en cuanto al material que transportan y sus características y hacia donde se quiere transportar. El sistema trabaja con flujos turbulentos para que las partículas de mineral no decanten y generen bloqueos en las las tuberías. Para conocer el flujo que requiere cada material a transportar debe aplicarse la ecuación de Reynolds, la cual es de carácter empírico. Esta ecuación permitirá conocer cuál es el flujo ideal del material que se desea transportar.
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Bibliografía:
Instituto Tecnológico GeoMinero GeoMinero de España. 1995. Manual de arranque, carga y transporte en minería a cielo abierto.
Ing. Freddy Blanco Cerda. 2016. Plan Integral de transporte de personas e insumos parla operación Los Bronces
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Anexos:
Imagen 1: esquema de bomba centrifuga.
Imagen 3: esquema de bomba de simple acción.
Imagen 5: esquema de bomba de pistón y diafragma
Imagen 2: esquema de bomba de doble acción.
Imagen 4: esquema de bomba bomba de vástago.
Imagen 6: esquema de bomba de barrera
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Esquema resumen de datos a considerar para el trabajo de mineroductos.
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Ciclo de transporte hidráulico desde el chancador hasta la entrega del producto.
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