Selección de bombas de pulpa para minimizar el desgasteAutor: Departamentos Técnicos de WARMAN y ERAL INDICE 1.2.Introducción Estudio del desgaste en bombas 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 referencias para la selección de bombas a fin de reducir el desgaste. 1. Introducción 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 3.- Forma y diseño de la bomba Diseño del rodete Influencia de los álabes expulsores Desgaste comparativo Efecto del caudal Aplicaciones de bajo caudal 9.1 Voluta de bajo caudal 9.2 Rodete de admisión reducida 4.6.- 7.8.9.- 10.- Resumen 11.- Conclusión 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- 33 chura.Febrero 1998 . elegir Ns = 0. 1 .8. para centrarse en la geometría y catacerísticas de diseño más adecuadas para conseguir desgastes y costos de operación mínimos en una aplicación concreta. ción óptima de una bomba de pulpas para un servicio determinado. Por otra parte.3 . 2 . utilizando una bomba modelo 6/4 AH con piezas blandas de hierro fun- dido. examinando los efectos que el caudal de pulpa y el tamaño de partícula producen en los desgastes. otros trabajos más recientes de WARMAN se han centrado en los efectos de la velocidad de la bomba y diseño del rodete. 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.0. o forma. a causa del desgaste producido por altas velocidades de giro. Los rendimientos máximos se producen con Ns de aprox.N). Con las bombas para pulpas no es práctico funcionar con diseños Ns relativamente altos. con la mayoría de diseños para servicios pesados sobre Ns = 0. basadas en este trabajo.60. no es práctico tener rodetes de baja Ns. El Departamento de I+D de WARMAN ha realizado el primer estudio completo. una Ns en la gama 0. para producir unos desgastes acelerados (1). está caracterizada por la Ns (una cantidad sin dimensión). Se han ignorado las consideraciones sobre mayeriales. La relación diámetro/anAmericas Mining .5. Para una altura (H) y un caudal (Q) dados.8. generalmente.Fig. Forma y diseño de la bomba La forma básica de las bombas centrífugas se determina con un número sin dimensión llamado Velocidad Específica (Ns= f(H. Para aplicaciones en servicios medio a pesado. 2.55. Cada una de estas piezas se desgasta a un ritmo distinto con tamaños de partículas y caudales de operación diferentes. La Figura 2 indica la gama típica de rendimiento que pueden conseguirse con diversas Ns. tal y como se muestra en la Figura 1.0. Además. 0. elegir Ns = 0.0. por sus bajos rendimientos y escasa capacidad para el paso de sólidos.Q. en gran parte.Las tres piezas de desgaste principales de una bomba centrífuga Fig. Las bombas para pulpas con buenas características de desgaste. Estudios del desgaste en bombas Las tres piezas de desgaste principales de una bomba centrífuga para pulpas son: el rodete.40 . el cuello de aspiración y la voluta.55 . Un rodete de diámetro grande precisa una velocidad de rotación lenta. Las siguientes recomendaciones están. 1ª RECOMENDACIÓN Para aplicaciones en servicio pesado. 3. .Variación del rendimiento de una bomba con la velocidad específica. mientras que un rodete pequeño tiene que girar más rápidamente para alcanzar una altura determinada. de los correspondientes a una desgaste buena práctica normal.to en el ritmo de de. tendría más sentido utilizar índice de desgaste como criterio la velocidad peri.Febrero 1998 . un aumen. En un por lo general. proLa necesidad. de la Ve. Si el caudal sean imponer limitaciones de ve.tiene constante. por debajo duce un aumento en el ritmo de de.la velocidad de giro del rodete. Las consecuencias de esta produce un aumenpráctica son el empleo de dise. ños con Ns bajos. Un incremento de tas establecen límites de veloci. to de la velocidad Fig. en la experiencia ensayo de erosión con diversos tipos de pulpas. que producen desgaste aproximadamente.dades. 3 . 4. 4 -Diferencia entre rodetes para servicio pesado y de la Ns y permite una slección del caudal.relativo no se manlocidad en las bombas para pul. lución puede proporcionar desSin embargo. Esta sodad de choque (2).dades. Esto se de alto rendimiento 34 . del rodete. aún cuando los costos de cabomba.aplicaciones con servicios partipendicular.(WR) puede variar férica o tangencial del rodete.2ª RECOMENDACIÓN mente cambia la Si es necesario limitar la velocivelocidad periféri. pladas en serie. Velocidad de giro Algunos diseñadores de plan.riférica los establecen las propievicio requerido. Diseño del rodete dad de giro de los rodetes de las un caudal relativo constante. el pas. no es mo del desgaste extraño utilizar dos bombas acovaría. a 5.manométrica de servicio. típicamente. Esto tie. en el gastes y costos operativos más barodete de una jos. cada vez mayor.aproximadamente.el cuadrado de la relación de velocibles. sin embargo.de D 2 y N que ilustra en la Figura 3. Si los ingenieros de plantas de. a fin de reducir con un valor entre las velocidades periféricas requeel cuadrado y el ridas para conseguir la altura cubo de la veloci. rendimientos muy inferiores a los que serían normalmente acepta.mendaciones para obtener un ritvo en el desgaste mo óptimo de desgaste se basan. Si el caudal cio determinado (ya que se dan relativo no se manlas tres variables.cularmente ultrapesados. dades físicas del material del roLa velocidad dete (generalmente el esfuerzo de periférica tiene un tracción).dad. de hecho. no especificar la velocidad ca sino la velocidad relativa de de giro de la bomba.pital son obviamernte mayores. significativamente Esto no produce una limitación por su dependencia Fig. H. el rit. las recoefecto significati. Q y N. bombas para pulpas.Efecto de la velocidad del rodete en el desgaste de giro no sola. de tiene constante. ne como consecuencia una el cuadrado de la deficnición. cumpla óptimaLos límites de la velocidad pemente con el ser.Americas Mining .bre los álabes. En con chorro per. utilizar la paso y los ángulos de choque so. Ns).velocidad periférica.relación de velocilocidad Específica para un servi. Las consecuencias para el diseño y selección son significativas.Alabes girados delgados con án gulo de entrada variable a lo largo del borde de ataque. lo que supone un coeficiente de elevación mayor y. Aunque los rodetes de alto rendimiento son considerablemente más livianos que los de servicio pesado. Un buen diseño de alto rendimiento puede incrementar éste en un 10% sobre el diseño de servicio pesado.Sección transversal decreciente.. para reducir el desgaste centrifugando las partículas más gruesas hacia la de la voluta y fuera de la zona entre el rodete y el cuello de aspiración. 3.Menor ángulo de salida del álabe y pasos más estrechos. Esto se debe al reducido nivel de turbulencia (mayor rendimiento) asociado a sus álabes curvados y sección decreciente.. y una curvatura larga del álabe para acoplarse de forma óptima a la trayectoria del fluido.35 . 1. 6.Febrero 1998 . de costos de operación cada vez más bajos en las plantas de procesos.Elevado ángulo de salida del álabe y rodete de salida ancha.Caras frontales y traseras suaves. puede producirse una erosión seria por la acción de los sólidos finos retenidos. En la Figura 6 se muestra el efecto del tamaño de partícula sobre el desgaste con diferentes Fig. debido a la trayectoria más corta y el mayor ángulo de salida de las partículas mayores. por tanto. 4. Los patrones de desgaste típicos consisten en surcos profundos donde haya cualquier cambio de dirección del flujo (ver Fig. 2.Efecto del tamaño de partícula sobre el desgaste con diferentes rodetes Americas Mining . 2. ya que la fuerza de inercia de las partículas son mayores que las de rozamiento ejercidas sobre el fluido. su duración puede ser igual o mayor en pulpas con partículas finas. En las pulpas con partículas finas (d85 < 100 um) éstas siguen la misma ruta del fluido.. Esto surge debido a los distintos servicios pretendidos para cada rodete y los tipos de desgaste resultantes. para evitar el bloqueo de las partículas gruesas y reducir la componente transversal de la velocidad.. 5 Trayectorias de partículas finas y gruesas en un rodete... El diseño de rodetes de alto rendimiento debe incluir: 1. ha obligado a diseños de rodetes de alto rendimiento. para evitar torbellinos locales y pérdidas asociadas a los álabes expulsores.Alabes gruesos de curvatura re ducida. 3.Alabes de expulsión en la cara frontal. para asegurar una velocidad de salida uniforme y una acelera ción gradual del fluido en las zonas de paso. 4. de un menor coeficiente de eleva ción y un mayor rendimiento de la bomba. Fig. 5).Caras paralelas con salida ancha. La Figura 4 muestra un número de diferencias entre los diseños tradicionales para servicio pesado y los de alto rendimiento. Esto significa que donde se crea una separación o torbellino en el flujo.menor velocidad de rotación para desarrollar una determinada altura manométrica.. Las pulpas con partículas gruesas (d85 > 700 um) tienden a seguir una ruta distinta a la del fluido.. Influencia de los álabes expulsores El desgaste del cuello de aspiración depende mucho del tipo de rodete y tipo de pulpa que se manipula. un rodete de alto rendimiento tiene un ritmo de desgaste mucho más bajo con tamaños de partículas menores de 500 um. Este aspecto necesita ser considerado cuidadosamente cuando se selecciona el tipo de rodete. Con partículas de 150 um.Indices de desgaste comparativo en bombas con rodete para servicio pesado Fig. sino también el ritmo de desgaste. Desgaste comparativo Además de las consideraciones específicas para piezas individua- Fig. Para pulpas con partículas gruesas mayores de 200 um.Efecto del tipo de rodete y tamaño de partícula en el desgaste del cuello de aspiración. 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.Fig.Indice de desgaste comparativo en bombas con rodete de alto rendimiento 36 . La figura 7 muestra el efecto del tamaño de partícula en el desgaste del cuello de aspiración. la utilización de rodetes de de aspiración centrifugando los alto rendimiento no solamente sólidos gruesos y evitando una reduce el consumo de energía. 4ª RECOMENDACION Para maximizar la duración del cuello de aspiración con partículas gruesas.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... Por ejemplo. 7.Americas Mining . En este caso. un rodete de alto rendimiento tiene la mitad de desgaste (en términos de pérdida de masa). tipos de rodetes. en el intersticio entre el rodete y el cuello de aspiración. recirculación significativa hacia la entrada del rodete. 6. cuando se bombean partículas de 1.Febrero 1998 . 9.duciendo el desgaste del cuello nas. utilizar rodetes para servicio pesado con álabes expulsores 7. pero puede que no lo sea para el del cuello de aspiración. 8. los álabas expulsores actúan re3ª RECOMENDACIÓN Con pulpas de partículas fi. En este caso. al seleccionar los materiales de cada pieza.8 QBEP. 9. mientras que con partículas gruesas lo es el rodete. merecería la pena considerar el uso de un cuello de aspiración de elastómero. Las características indicadas de desgaste del rodete. 12. 5ª RECOMENDACIÓN Al seleccionar los materiales. 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). o de alto ren- Americas Mining . Las consecuencias de estos diferentes índices de desgaste aconsejan. La Fig. a fin de dilatar el período de mantenimiento. enuna situación en la que el cuello de aspiración tuviera la mitad de duración del rodete. el desgaste del rodete es mínimo. Esto se ilustra en la Fig. el desgaste del cuello de aspiración disminuye en esa gama de flujos.. aumentando hasta duplicarlo al aproximarse a QBEP. La Fig. el caudal real de operación relativo al caudal de diseño. o caudal QBEP. voluta y cuelo de aspiración con una gama de tamaños de partícula. es el ritmo de desgaste local. También. 8 es un comparativo de desgastes locales en el rodete. más caro. 10.7 . Por ejemplo. Esta situación cambia ligeramente en bomabs con rodetes de alto rendimiento. sería mejor que la bomba funcionase en la gama 0. alredeeedor de 0. son típicas de pulpas gruesas para rodetes de servicio pesado. y no del desgaste promedio (en toda la superficie).8 QBEP. para segurar un desgaste mínimo del rodete y de la voluta.Efecto del caudal sobre el desgaste en rodetes para servicio pesado (150 um) les. Con partículas finas. elegir uno que proporcione una duración en múltiplos de la pieza de menor desgaste. 11. o incluso uno cerámico. 8.Fig. siendo ambas piezas de acero con alto contenido en cromo.37 . la selección óptima precisa un conocimiento del desgaste relativo de las tres piezas principales. el que determina el fallo de una pieza. el desgaste del cuello de aspiración puede llegar a ser tres veces mayor en toda la gama de tamaño de partículas analizada. 10 muestra las características de desgaste de un rodete para servicio pesado que manipula una pulpa gruesa. la duración y la fiabilidad están limitadas por la pieza «más débil» de la bomba. En este gráfico. Por el contrario.Efecto del caudal sobre el desgaste en rodetes para servicio pesado (450 um) Fig.. resulta aceptable.Efecto del caudal en el desgaste de rodetes para servicio pesado (1000 um) Fig. para un rodete de servicio pesado. la pieza de mayor desgaste es el cuello de aspiración. Aún cuando el desgaste del cuello de aspiración no es mínimo.. tener en cuenta el desgaste comparativo para poder optimizar el período de mantenimiento y los costos de las piezas. Al final.0. mientras que el de la voluta no cambia mucho. En este caso. a menudo. tiene un efecto dramático en el desgaste de piezas individuales.Febrero 1998 . así como también en la entrada del rodete (debido a recirculación en la aspiración. y utilizar rodetes La Fig. operar lo más próximo a 0.Americas Mining . utilizar rodetes corta-aguas cuando se opera con para servicio pesado a QBEP.8 QBEP. o si hay que mejorar el para servicio pesado. Fig.1 VOLUTA DE BAJO CAUDAL dimiento. comparado con los de la voluta y cuello de aspiración. 9. en toda la gama analizada.8 QBEP.. Una voluta de bajo caudal tiene un corta-aguas ampliado y un cuello de impulsión menor.6 Q . justo detrás del corta-aguas (debido a flujos vorticiales separados). Caudales muy bajos producen problemas significativos de desgaste en la voluta. es crítico que se elija la bomba para operar lo más posible a 0. próximo a él.2 RODETE DE ADMISION 9. El desgaste general del rodete fue relativamente bajo. WARMAN ha desarrollado diseños especiales de rodetes y carcasas para bajos caudales. Las tendencias en rodetes de alto rendimiento. El desgaste del cuello de aspiración con rodete para servicio pesado dismunuye al aumentar el caudal. para reducir la recirculación de cau7ª RECOMENDACION dal desde el cuello de impulsión Para minimizar el desgaste hacia la cámara. o caudales por debajo de 0.Febrero 1998 . Esto reduce los general de piezas con pulpas con desgastes localizados detrás del partículas finas. Estos puntos se ilustran en las Figuras 11 y 12. el desagaste de la voluta disminuye de forma similar con una arena media.hay diseños especiales de rodete y voluta que proporcionan un aumento de la vida. Debido a la gran diferencia en desgastes. Esto produdesgaste de una sobre ce un mejor gradiente de presión dimensionada bomba existente. 6ª RECOMENDACION Para minimizar el desgaste del rodete con pulpas gruesas.8 QBEP.8 QBEP.Rodete WARMAN de “admisión reducida”. Fig. que eliminan estos problemas.. Aplicaciones de bajo REDUCIDA caudal Un rodete de admisión reduciSi es inevitable seleccionar una da tiene un diámetro de entrada bomba para caudales inferiores a menor que un rodete estándar 0. 9. las tendencias no son tan claras como con los materiales más gruesos. a pesar de que hay un máximo con arena fina a 0. BEP próximo a él.Voluta WARMAN de “bajo caudal”. 13 muestra un esquema de alto rendimiento a 0.6 QBEP. no fueron demasiado distintas. 13. el desgaste del cuello de aspiración disminuía considerablemente al aumentar el caudal. pero aumentaba el caudal en arena media. analizadas para ambas arenas. 14. sin embargo. Para pulpas con d85 <500 um. o de una voluta de bajo caudal. El desgaste del rodete indicaba un mínimo con arena fina. 38 . cuando se seleccionan bombas para aplicaciones con pulpas gruesas. 0.4 <Ns <0.75 Q Caudal (m3/s) QBEP Caudal de operación de la bomba a BEP (m3/s) SGs Densidad específica del sólido. d85. Q y las pro construcción.5(gHBEP)-0. finalmente.39 .1 QBEP 14 muestra un esquema de un rod) Caudales bajos: Rodete de dete de admisión reducida. Escoger el tipo básico de bomba: a) Servicio Pesado: 0. 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. d85 >400 um. nen también velocidades de enb) Servicio medio: Rodete de trada del álabe más bajas. alto rendimiento: 0.8 4.8 m/s2) H Altura total del servicio (m. Los a) Servicio pesado: Rodete de rodetes d admisión reducida tieservicio pesado: 0. PJ y Bodkin. considerar una operación multi Americas Mining . para conCW >35%. para evitar la etapa..85 QBEP. admisión reducida: <0. sino por los materiales de sistema y definir H. Cl. Comprobar las velocidades periféricas máximas recomenda das (sólo en rodetes metálicos): a) Servicio pesado: 25 m/s máxima. lo que mec) Servicio ligero: Rodete de jora la vida por desgaste.Febrero 1998 . (2) Walker. costos piedades CW de la pulpa. La Fig. Referencias (1) Walker. partículas redondeadas 3. «Erosive wear characteristics of various materials». a su menor diámetro. (3) Shook. rendimiento. Los pasos a dar en la selección las restricciones de tipo económide una bomba. Resumen diseño particulares. de energía y costos de inversión SGs y la forma de partícula.ligero: 0. recirculación del caudal principal 5. Brujas. Determinar las características del ño.6 QBEP. Cl y Bodkin.60-0. MC. BHR Fluid Eng.55 <Ns <0.camente una guía técnica genenación de voluta de bajo caudal ral para minimizar los desgastes y rodete de admisión reducida. Seleccionar el tipo de rodete y la gama de caudal: hacia la tubería de aspiración. ASME. SGs > 1.4 partículas el tipo de servicio.80-1. elección de los materiales del rob) Servicio medio: 20% <CW<50%. para aminorar el co determinadas no solo por el desgaste. seleccionar una combi. En particular. «Slurry Flow principles and practice». Debates del Hydrotranport 12. USA (Junio 1994).4. son los que. de las partículas (um) D2 Diámetro exterior del rodete (m) g Constante de gravedad (9. Wells.60 Q BEP 11.Conclusión 8ª RECOMENDACION Los pasos anteriores son úniPara caudales inferiores a 0. (1991). debido alto rendimiento:0. la >2. angulares Nomenclatura c)Servicio ligero: CW<20%. SGs seguir un resultado óptimo. determi2. Referencia: 205-8 Si la velocidad requerida para cumplir con la manométrica del sistema es mayor que la máxima. GC. USA.80 QBEP.60-0. partículas cortantes.en la admisión. Heinemann. son: desgaste consecuencia del dise1. «The effect of flowrate and solid particle size on the wear of centrifugal pumps». Bélgica (Septiem bre 1993). 150 um <d85 < dete y forros tiene que casar con 400 um. GC. que se producen como consecuencia de las características de 10. Butterworth. CA y Roco. d85 < 150 um. b) Servicio medio: 32 m/s máxima c) Servicio ligero: 38 m/s máxima CW Concentración de sólidos en peso (%) d85 Tamaño de malla por la que pasa el 85% en peso. Clasificar la pulpa como: narán la mejor selección de la a) Servicio pesado: bomba. Sin embargo. Debates del 5º Simposio Internacional de Flujos Sólido&Líquido.55 b) Servicios medio . SGs> 1. Lake Tahoe.