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Acoplamiento entre Ansys y Rocky DEM busca soluciones para fallas en los harneros vibratorios de una multinacional chilena

Industria Minería y Metalurgia

Chile posee la minería como la fuerza impulsora de su economía. La actividad es responsable de aumentar los ingresos financieros e impulsa los sectores industriales y de servicios. El suelo chileno es extremadamente rico en recursos minerales, especialmente en reservas de cobre. El país es el mayor productor y exportador mundial del mineral. Los principales depósitos de extracción de cobre se encuentran en el norte de Chile, donde diferentes empresas nacionales e internacionales trabajan en la exploración y extracción.

La empresa minera Anglo American tiene una de sus instalaciones ubicadas en la región metropolitana de Santiago, en el yacimiento llamado Los Bronces. En 2011, la nueva planta Confluencia comenzó a operar en la división, con una capacidad del 70% de la producción anual de la compañía. Lo que significa que la inversión aumentó la producción en más del 200%. La nueva planta comenzó a mostrar sus primeras fallas, ubicándose principalmente en los harneros vibratorios de los molinos SAG. Debido a las condiciones de funcionamiento, estos equipos a menudo fallan y con el tiempo se convierten en el cuello de botella de la producción, estancando las posibilidades de aumento del flujo.

 

Mina Los Bronces - Anglo American

Los Bronces – Anglo American

El estudio “Modelación numérica del comportamiento estructural de harnero vibratorio R-MD, mediante acoplamiento entre el método de elementos finitos y elementos discretos”, guiado por el Prof. Dr. Ing. Franco Perazzo, de la Universidad Técnica Federico Santa María, modeló el comportamiento de un harnero vibratorio operando en los molinos SAG. Al complementar dos softwares, uno de elementos finitos y uno de elementos discretos, Ansys y Rocky, respectivamente, se analizó el origen de las fallas de estos equipos.

Fallas estructurales en harneros de descarga

El harnero de descarga del molino SAG es un equipo que tiene fallas estructurales recurrentes, generando numerosas pérdidas en el área de mantenimiento y producción. Sin embargo, después de numerosos estudios, no fue posible determinar el origen de estas fallas, siendo el desgaste la causa más estudiada entre las condiciones de operación.

Diagrama del flujo del mineral

Diagrama del flujo del mineral

El problema causado por el equipo, no solo para Anglo American, sino para la mayoría de las compañías mineras con tasas de producción similares, ha creado la necesidad de realizar varios estudios para comprender las fallas. Las simulaciones que utilizan el método de elementos finitos son las principales fuentes de análisis. Este tipo de metodología se aplica con un software especializado, que estudia el comportamiento de cualquier estructura en función de las condiciones de contorno que se incorporan. Cuanto más cercanas estén las condiciones de frontera a la realidad, mejores serán los resultados.

Fractura de la pieza principal interior (izquierda) y reparación de la viga de descanso (derecha)

Fractura de la pieza principal interior (izquierda) y reparación de la viga de descanso (derecha)

El propósito del estudio para resolver el problema de manera precisa fue acoplar dos softwares de modelado numérico, uno de elemento finito y uno de elemento discreto. Mediante el estudio de las partículas del mineral, las cargas que esto causa en la estructura, la vibración ejercida por el excitador y la amortiguación de los resortes, fue posible analizar cómo se comporta el harnero en sus condiciones de funcionamiento reales.

Según la información recopilada por el ingeniero en la minera Anglo American sobre las fallas presentadas en los harneros vibratorios, entre enero de 2013 y enero de 2015, las pausas de la planta, durante las horas de trabajo, causadas por los equipos seleccionadores fue de aproximadamente 70 horas – equivalente al 0.5% del total de horas trabajadas entre estos dos años. Esta cantidad de horas corresponde a un total de 28 pausas o, en términos simples, un promedio de 2.5 horas por pausa. El número de pausas y el tiempo promedio generan un horizonte de funcionamiento de 624 horas entre cada falla, es decir, el equipo seleccionador falla en promedio cada 624 horas de trabajo (MTBF), o a cada 26 días.

Metodología: el acoplamiento de Rocky y Ansys

Primero, se estudiaron las fallas, la geometría y las condiciones de contorno más frecuentes de este tipo de harnero para reproducirlas en los programas de trabajo, que se utilizaron para diseñar un modelo CAD del equipo y así configurar el flujo del equipo para el análisis estructural.

Vista frontal CAD harnero vibratorio (izquierda) y vista isométrica modelo CAD harnero (derecha)

Vista frontal CAD harnero vibratorio (izquierda) y vista isométrica modelo CAD harnero (derecha)

Después de la modelación CAD, se inició el análisis de elementos discretos en ROCKY y luego elementos finitos en Ansys, obteniendo análisis de estructura utilizando criterios de falla estática (Von Mises) y criterios de falla dinámica (desgaste).

Finalmente, se obtuvieron resultados para diferentes flujos minerales y para cada caso de interés. Se presentaron análisis comparativos basados en deformaciones, tensiones y factores de seguridad, destacando los componentes y sus principales fallas.

El estudio propuso medidas de diseño para mitigar fallas y mejorar el rendimiento de los equipos vibratorios. La principal propuesta fue modificar el mallado del harnero para que exista una retención leve del mineral en la zona de descarga y así que el mineral pueda impactar sobre sí mismo. Esto genera la reducción de fuerzas de impacto en la zona posterior del equipo y con ello no se interrumpe el movimiento armónico del harnero. La estructura no cambió en nada, solo se modificó el punto ciego que tiene la malla de harneado en la zona posterior, que genera menor porcentaje de mineral seleccionado, pero mayor zona de amortiguamiento del mineral.

Vista isométrica diseño CAD / harnero modificado

Vista isométrica diseño CAD / harnero modificado

Beneficios de la base analítica

El acoplamiento entre el método de elementos finitos y el método de elementos discretos en el estudio del comportamiento estructural del harnero vibratorio permitió identificar las variables de diseño más relevantes (deformación total máxima, tensión máxima y factores de seguridad estáticos y dinámicos) para los componentes de la estructura.

Los componentes con las tasas de falla más altas en el historial de trabajo de la planta fueron aquellos expuestos a estos análisis y sometidos a condiciones de operación ideales, pero con un alto grado de proximidad a la realidad debido al uso del software de modelación de partículas Rocky.

Según los resultados presentados en el estudio, fue posible comprender el comportamiento mecánico del harnero vibratorio para diferentes condiciones de operación, identificando los más críticos y creando así una base analítica para estudiar las posibles mejoras requeridas por el diseño de este equipo.

El acoplamiento de los métodos de análisis de elementos finitos y elementos discretos ha permitido llevar a cabo estudios más completos sobre las simulaciones de fenómenos físicos, que se pueden encontrar en cualquier tipo de proceso de producción donde existan equipos particularmente pesados y estos provienen de materiales a granel.

Deformación total máxima, harnero completo modificado

Deformación total máxima, harnero completo modificado

Resultados y conclusiones relevantes del estudio

  • La modificación del diseño de la malla de harneado ha reducido en promedio casi un 3% la deformación total máxima y en un 13 % el esfuerzo máximo para la placa lateral derecha, dejando de ser el componente más solicitado.
  • En general todos los componentes reducen sus demandas, de esta manera queda como el componente mayor expuesto la viga madre, debido a que el mineral afecta de manera indirecta su actuación.
  • La mayor parte de las cargas que sufre la estructura de este equipo viene de los excitadores, a causa de los bajos porcentajes de crecimiento de la deformación total máxima.
  • Al aumentar el punto ciego en la malla de harneado en el equipo, se hace que el mineral se deslice en la zona posterior y el impacto de las cargas se desplace hacia adelante quedando dentro de los límites de la cama de resortes, lo que provoca que el harnero se mueva de forma oscilante para la cual está diseñado.

estudio de caso codelco



Chefe de Confiabilidade/Jefe de Confiabilidad - Komatsu Chile

Diego Alejandro Escobar Moscoso es ingeniero civil mecánico titulado de la Universidad Técnica Federico Santa María. Actualmente es jefe de confiabilidad en Komatsu Chile. Ha trabajado en K+S Chile S.A., Thyssenkrupp y Anglo American, donde desarrolló el estudio presentado anteriormente.


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