Siemens lidera nueva tecnología de molinos mineros

El rápido crecimiento de la minería a nivel global ha generado grandes cambios tecnológicos a medida que las minas buscan mayores niveles de productividad.

Siemens ha liderado uno de los cambios más significativos en el procesamiento de minerales: el aumento en el tamaño de los molinos de procesamiento.

De acuerdo con Siemens, uno de los principales fabricantes de gearless drives, el componente principal de un molino minero, la gran mayoría de estos equipos en las minas del mundo actual está entre los 36 y los 40 pies. Sin embargo, el desarrollo de los gearless drives de 42 pies se está imponiendo y generando aumentos en productividad.

La empresa dice que con solo 4 pies de aumento en el diámetro se dobla la capacidad de procesamiento del mineral. Y, según Siemens, el aumento de la capacidad de procesamiento ha sido definitivo para que las minas sean más productivas.

El desarrollo del gearless drive de 42 pies consiste principalmente en el aumento del tamaño del marco del motor anillo, que envuelve al molino. Sin embargo, el aumento del tamaño del marco de un motor anillo crea un verdadero desafío para los ingenieros de todas las disciplinas participantes, porque están trabajando en la frontera de los diseños factibles. Siemens aplicó una estrategia conservadora y cuidadosa para el desarrollo del gearless drive para molinos de 42 pies.

Un camino de desafíos

En la década de 1990, los molinos de bolas con gearless drive tenían un diámetro de 20 pies y 22 pies y los molinos SAG con gearless drive tenían 36 pies. En los primeros años de la presente década, las empresas mineras instalaron principalmente molinos SAG de 38 pies y molinos de bolas de 24 pies con gearless drive.

El primer gearless drive de 40 pies en el mundo fue fabricado por Siemens para el proyecto de Cadia Hill, una planta de Newcrest en Australia. En el año 1998 se puso en marcha el primer gearless drive y molino SAG.

Siemens había diseñado y fabricado este gearless drive de 40 pies basado en su experiencia de seis gearless drives de 36 pies y dos gearless drives de 38 pies, todos operativos. Estos ocho gearless drives funcionaron a la perfección. Sin embargo, el primer gearless drive de 40 pies presentó un problema importante.

Durante la puesta en marcha aparecieron problemas de resonancia (vibraciones del motor), a una velocidad particular en el rango de operación. Esto obligaba a apagar el motor del molino  paralizando la producción minera.

Los ingenieros de Siemens necesitaban probar la nueva tecnología de los gearless drives de mayor tamaño. La solución fue aplicar un modelo de elementos finitos, una herramienta de ingeniería que permite calcular la vida útil y garantizar la menor cantidad de fallas en la operación de los molinos. Sin embargo, los ingenieros encontraron muchos desafíos en el camino.

En 1999 Siemens rectificó su modelo de elementos finitos y lo está mejorando continuamente hasta el día de hoy. El  modelo de elementos finitos se aplica actualmente para verificar deformación del entrehierro, estrés sobre el material y sobre las costuras soldadas y para realizar cálculos de fatiga de material y de los modos y frecuencias de resonancia.

La aplicación de las pruebas tuvo resultados mixtos. Mientras el análisis arrojó resultados correctos en el caso de los gearless drives de 38 pies, en el nuevo  gearless drive de 40 pies proporcionó resultados erróneos.
Siemens realizó mediciones de la rigidez en el motor de Cadia (el equipo instalado en Australia), rectificó el modelo de elementos finitos y encontró una solución para Cadia. Desde 1999, el gearless drive de Cadia está en operación normal sin vibraciones.

La demanda de equipos de gran tamaño siguió en aumento. Durante los últimos tres años, Siemens recibió órdenes de compra por 10 gearless drives, que se instalarán en molinos SAG de 40 pies con potencia de hasta 28 MW.

Pruebas de campo

Como paso importante en el desarrollo del gearless drive de 42 pies, Siemens decidió validar su modelo de elementos finitos con mediciones en el campo. Normalmente, los usuarios de los molinos no permiten la interrupción de la producción para tales mediciones, por los altos costos de producción de hasta US$ 8.000 por minuto. Por lo tanto, las mediciones se llevaron a cabo en la planta de Peñasquito, en México, justo después de la puesta en marcha del gearless drive y antes de la operación comercial.

Los ingenieros de Siemens definieron cuarenta lugares de medición en el motor. Con el uso de sensores midieron la aceleración en las tres direcciones ortogonales. Diseñaron un agitador mecánico para inyectar los movimientos a la carcasa del estator (motor). Se instaló en una estructura de acero fijada sobre la base del molino.

Las mediciones se realizaron en tres modos de operación del gearless drive: motor sin corriente, con corriente y en operación a 9 rpm. El análisis del motor se realizó con el proceso clásico de separación de fases.

Para todas las configuraciones de medición, el agitador generó vibraciones de la carcasa del motor con un recorrido de frecuencia sinusoidal con pasos pequeños.

Para validar el modelo de elementos finitos, Siemens comparó los valores calculados con los valores efectivos de frecuencias naturales. Las frecuencias naturales deben tener una distancia segura a las frecuencias de operación del motor.

En primer lugar, la comparación muestra que el modelo de elementos finitos determina todas las frecuencias naturales y modos de resonancias. No se midió ninguna frecuencia natural, adicional a las determinadas por el modelo.

En segundo lugar, al comparar los valores de las frecuencias naturales se  muestra una buena precisión de los valores calculados.

El modelo de elementos finitos proporciona resultados cautelosos. Los valores de las frecuencias de resonancia de todos los gearless drives operativos de Siemens se basan en un diseño en el que los motores anillo operan a gran distancia de sus frecuencias de resonancia.

Debido a este hecho, todos los motores anillo operativos tienen un margen de seguridad suficiente con referencia a la estabilidad dinámica y  a la deformación del entrehierro.

Sobre la base de las mediciones, Siemens perfeccionó el modelo de elementos finitos para gearless drives.  La validación y el perfeccionamiento del modelo de elementos finitos fue un paso importante en el desarrollo del motor   anillo de 42 pies de Siemens, porque esta herramienta de ingeniería perfeccionada permitió la verificación del diseño del  gearless drive de 42 pies.

Otro elemento importante de Siemens en la estrategia de desarrollo del gearless drive de 42 pies fue evitar elementos de diseño nuevos o únicos. Para proporcionar un diseño confiable para el nuevo gearless drive, Siemens utiliza exclusivamente los elementos de diseño, que han demostrado una operación confiable en gearless drives que están en servicio.

El sistema de refrigeración comprobado provee refrigeración homogénea y continua en todas las partes del motor. Debido a su rendimiento, también se aplica al motor anillo de 42 pies.

La fijación del núcleo de hierro laminado en la carcasa del motor es idéntica a la fijación utilizada en los motores en operación, sin fallas desde hace décadas en los motores anillo de Siemens.

El aislamiento de los bobinados del estator es de marca Micalastic, que Siemens instala desde 1966 en todos los motores de media tensión y en todos los gearless drives desde el primer momento de su introducción en el mercado en 1970. El aislamiento Micalastic VPI ha demostrado sus características sobresalientes en las mediciones efectuadas a 4.300 metros de altura.

Siemens también realizó un análisis detallado de riesgos para todos los componentes del nuevo gearless drive,  sobre la base de datos históricos. Siemens aplicó todas las mejoras del diseño en el gearless drive de 42 pies, como resultado de su experiencia en la última década.

Los ingenieros de Siemens verificaron todos los elementos de diseño con herramientas validadas por mediciones en el campo. Ingeniería adecuada y herramientas de verificación sofisticadas son la base del éxito de Siemens en la aplicación de   gearless drives confiables. De acuerdo con Siemens, el nuevo gearless drive de 42 pies tendrá la misma alta confiabilidad y disponibilidad de todos los gearless drives de Siemens.

MPA