Perforacion Rotativa en Minas a Tajo Abierto

CURSO ESPECIFICO SOBRE EL DISEÑO DE UN TRICONO

PERFORACION ROTATIVA EN MINAS A RAJO ABIERTO

• INTRODUCCION

La perforación de hoyos de tronadura en minas a tajo abierto requiere de perforadoras, barras de perforación, elementos de la columna de perforación y triconos de perforación.

Las brocas tricónicas han evolucionado desde de los triconos con dientes de acero, hasta triconos de insertos de carburo de tungsteno en su estructura de corte. El mejoramiento del rendimiento de las brocas tricónicas ha sido enorme y estamos seguros que este desarrollo va a continuar.

En ROTACAN, este mejoramiento continuo ha sido tomado como un compromiso, es por eso que día a día se trabaja en forma personalizada con los clientes para entregarles la tecnología mas avanzada y el mejor servicio con el objeto de cooperarles en su gestión, para Rotacan el trabajo directo con el cliente es vital, ya que mas que un proveedor queremos ser un socio en su gestión.

PERFORACION ROTATIVA CON BROCAS TRICONICAS ROTACAN

Con la excepción de referencias ocasionales a otros tipos de perforación, este curso se dedica a la discusión de perforación rotativa con brocas tricónicas, usando aire como medio de barrido de los recortes.

Las variables que afectan los costos de perforación son: • Costo del tricono• Costo de la perforadora y de la operación • Rendimiento de equipo

Estas tres variables, incluyendo todos los factores directos con la operación y desarrollo de la mina, se deben considerar dentro de una evaluación real de los costos de perforación. El factor más importante dentro del rendimiento del equipo, es la velocidad de penetración del tricono.


• Triconos de insertos de carburo de tungsteno.Los triconos de insertos de carburo de tungsteno, tienen insertos cilíndricos con extremos preformados como dientes cortantes. Se introducen los insertos a presión en agujeros perforados en la superficie exterior de los conos. Bajo las mismas condiciones de perforación, los triconos de insertos de carburo de tungsteno rinden más larga vida que la estructura de corte de los triconos de dientes de acero. Esta larga vida y la velocidad de penetración sostenida justifican su mayor costo.

• Definiciones de diseño de un tricono.

Angulo del eje.Es el ángulo formado entre el eje vertical del tricono y una línea perpendicular al eje. Una definición mas simple es el ángulo formado entre el eje y el fondo del hoyo.

Desplazamiento del cono.La desviación del cono es el desplazamiento horizontal paralelo al centro del cono, de una línea central al centro del tricono, o sea a tres líneas de los centros de los conos a 120° cada una.

120°120°

120°


Angulo del cono.Es el ángulo incluido en el cono formado entre el eje del cono y el fondo del pozo. El incremento del ángulo del eje hace decrecer el ángulo del cono, para evitar la interferencia entre los conos. Con la reducción del ángulo del eje, se puede aumentar el ángulo del cono.

Longitud de los dientes.En triconos de insertos de carburo de tungsteno, la longitud de los dientes está determinada por la longitud de la parte cortante, sobresaliente del inserto en la superficie del cono.

Espesor del cuerpo del cono.Se debe mantener un espesor mínimo del cuerpo del cono para asegurar su integridad estructural. Se determina el espesor por el tamaño del cojinete dentro del cono y también por la profundidad de los fresados torneados entre las hileras de dientes en el caso de los triconos de dientes, o la profundidad de los agujeros para los insertos en el caso de los triconos de insertos de carburo de tungsteno.


Carburo de tungsteno.Las primeras herramientas para minería con carburo de tungsteno fueron fabricadas por Widia de Alemania durante los años treinta. En 1940 aparecieron brocas de percusión con insertos de carburo de tungsteno soldados con bronce. En 1951 aparecieron las primeras brocas tricónicas fabricadas con insertos de carburo de tungsteno, introducidos a presión en los conos.

Proceso de fabricación.El “carburo” o frecuentemente llamado “carburo tungsteno”, es una combinación de los símbolos químicos WC, formado con tungsteno ”W” y carbono “C”, dentro de un material aglomerante de cobalto “CO”. El proceso de fabricación requiere:

1. Carburización del tungsteno a 1.500°C (2.732 °F.) para formar carburo de tungsteno.

2. Mezclar carburo de tungsteno en forma de polvo con cobalto.

3. Compactación del carburo de tungsteno y el cobalto en formas de tamaño ligeramente mayores. Esto compensa el encogimiento de hasta un 20% que ocurre durante el proceso de sintetización.


4. El proceso de sintetización se lleva a cabo al vacío dentro de un horno de atmósfera, controlada a temperatura entre 1.400°C (2.552 °F) y 1.500°C (2.732 °F).

Propiedades físicas.

El carburo de tungsteno cementado tiene la más alta resistencia a la compresión de cualquier metal sintético comercialmente disponible.El mismo mantiene su alto nivel de resistencia, dureza y rigidez de una amplia gama de temperaturas. Debido a su resistencia a la abrasión combinada con su resistencia al impacto, no hay nada igual para ser empleado como herramientas cortantes para la perforación y trituración de roca. Las propiedades del carburo de tungsteno más importantes para la minería son resistencia a la abrasión y al impacto.

En general, un incremento en una de estas propiedades decrece la otra propiedad. Ambas propiedades están determinadas por su contenido de cobalto, su granulometría y dureza sintetizada.


El cobalto aglomerante sirve como amortiguador entre granos adyacentes de carburo de tungsteno duros y muy frágiles. Un incremento en el contenido de cobalto resulta en el incremento de la resistencia contra el impacto (en términos de la fuerza de ruptura transversal), al mismo tiempo decrece la resistencia a la abrasión.

El contenido de cobalto de la mayoría de tipos de carburos es entre 6% a 15%. Los tipos con 6% son utilizados en insertos de botón en forma esférica para brocas de percusión. Los tipos más usados en triconos de cono rotativo tienen un 10%. Tipos de 15% son raramente usadas en minería.

El incremento de la granulometría resulta en el incremento de la resistencia al impacto, al mismo tiempo decrece la resistencia a la abrasión. Por otra parte, la disminución de la granulometría resulta en la disminución de la resistencia contra el impacto y el incremento de la resistencia contra la abrasión. El tamaño promedio de la granulometría de carburo de tungsteno, usado en tipos para minería es entre 2 a 7 micrones. Los tamaños de entre 3 a 5 micrones son los más comunes.


• Diseño de triconos de insertos de carburo de tungsteno.

Los triconos de conos rotativos para minería, con rodamientos abiertos que usan aire para su enfriamiento y para el barrido de los detritus, tienen consideraciones de diseño básicas e independientes del tipo de roca para el cual fue diseñado. Las consideraciones también se aplican a triconos de dientes de acero.

1. Los puntos de contacto entre los insertos, los tres conos y la roca perforada, deben formar una plantilla simétricamente distribuida sobre el fondo del hoyo para tronadura.

2. La presión sobre la roca debe estar soportada igualmente por los tres conos.

3. La carga de los rodamientos transmitida a través de la estructura cortante de los conos, debe corresponder al tamaño de los rodamientos. O sea, la carga radial aplicada al descanso del botón por la nariz del cono debe ser proporcionalmente más pequeña que la carga radial aplicada al anillo exterior del rodamiento del área del calibre del cono.


4. El aire para el enfriamiento debe fluir libremente a través de la superficies de los rodamientos, sin reducir la habilidad de la carga de empuje de estas superficies. Eso es contradicción que requiere compromisos de diseño.

5. Se debe proveer espacio para el barrido de los recortes y el flujo de aire encima del cuerpo del cono, entre los dientes y hacia arriba desde el fondo del hoyo.

6. Se debe proveer espacio para el barrido de los detritus y el flujo libre de aire entre la pared del hoyo y los faldones del tricono hacía arriba y a través del espacio anular del hoyo.

7. El tricono debe ser apto para resistir cargas estructurales severas en condiciones ambientales extremas.


Las diferencias entre los triconos de insertos de carburo de tungsteno para terrenos blandos, medianos y duros, no son tan claras. En verdad hay indicios que el desarrollo de los triconos de insertos de carburo de tungsteno se pueden llegar a algunos triconos universales para perforar en una variedad de formaciones con niveles óptimos de rendimiento. La mayoría de los triconos de insertos de carburo de tungsteno de distintos fabricantes, tienen el mismo tipo de rodamiento para el mismo diámetro del tricono; consecuentemente, las diferencias entre varios tipos de triconos se encuentra sólo en la estructura de corte.

Consideraciones especiales para el carburo de tungsteno.

Simplificación de diseños de triconos.

El uso de insertos de carburo de tungsteno simplificó algunos aspectos del diseño de los triconos.

1. Los triconos del mismo diámetro para aplicación en formaciones blandas, medianas y duras pueden usar el mismo de rodamientos. La profundidad de los agujeros perforados en los conos para colocar los insertos a presión, es relativamente constante para un rango de tamaños y formas de la porción de los insertos que fracturan la roca.


2. Dentro de ciertos límites, la estructura de corte aplicada a la superficie de un cono puede ser variada con solamente cambiar los tipos y formas de los insertos.

Otros cambios en el diseño de triconos.

Otros aspectos del diseño de los triconos fueron cambiados para acomodar la estructura de corte de carburo de tungsteno.

1. La vida más larga de las estructuras de corte resultó en la necesidad inmediata de rodamientos de larga vida.

2. Con la excepción de los triconos diseñados para formaciones muy blandas, la desviación, de los conos debe ser mínima para evitar cargas laterales en los insertos de carburo de tungsteno.


Efectos de una más larga vida de los triconos y el aumento de la velocidad de penetración.

Con el aumento de la vida útil de los triconos de insertos de carburo de tungsteno y el aumento de las velocidades de penetración, virtualmente todos los elementos de un tricono debieron ser rediseñados.

• El desgaste de las ranuras de los conos entre las hileras de insertos, somete a los insertos en cargas laterales y a fracturas. Algunos conos se desgastan hasta los rodamientos resultando en la falla de estos. Esto hizo necesario la carburización y proceso térmico adicional de las ranuras de los conos, se agregaron insertos planos de protección para las caras exteriores de los conos y lo calibres.

• Toda la superficie de los faldones del tricono está sometida al desgaste abrasivo resultando esto en la exposición de rodamientos de conos en la parte inferior del faldón, exponiendo así los agujeros para los tapones de retención de los rodamientos de bolas, exponiendo además los pasos de aire de los rodamientos dentro del faldón y en casos graves, el desgaste de la sección del faldón hasta el punto de su ruptura. El primer y evidente cambio fue el refuerzo de los faldones con la aplicación de metal y usar más insertos protectores de carburo de tungsteno hasta el hombro de los faldones.


3. La remolienda de los recortes desgasta el realce del domo del tricono. Para evitar este desgaste, las ranuras de soldadura fueron profundizadas y los sistemas de circulación de aire para el barrido de los detritus fueron modificados.

4. Eventualmente, las espigas de los triconos pueden ser rediseñadas y nuevos materiales pueden ser usados para construir componentes de triconos.

Hombro tricono

Parte inferior faldón

Agujero para introducir Rodamientos debolas

Refuerzo del brazoCon insertos planos deCarburo de tungsteno

Refuerzo con soldaduraDe Hard facin

Agujero para introducirRodamientos de bolas

Refuerzo del hombro conInsertos agresivos de carburoDe tungsteno.

Agujero para introducirRodamientos de bolas

Agujero para el clavo trabanozzles


Rendimiento del tricono

El rendimiento del tricono se mide considerando la vida total de éste, la velocidad de penetración con una variedad de fórmulas para calcular los costos de perforación. Algunos rendimientos máximos y mínimos de brocas tricónicas en minas de tajo abierto en diferentes partes del mundo.

1. Muy bajo – 12.1/4” pulgadas (311 milímetros) mineral de hierro, 91 metros (en 30 horas)

2. Bajo – 10.5/8” pulgadas (270 milímetros) mineral de oro, 550 metros (en 75 horas)

3. Moderado – 12.1/4” pulgadas ( 311 milímetros ) mineral de cobre (Dasita), 3.000 metros (en 130 horas)

4. Alto – 12.1/4” pulgadas (311 milímetros) mineral de cobre (Pórfidos) 6.500 metros (en 135 horas).

PERFORACIÓN ROTATIVA CON BROCAS TRICONICAS ROTACAN

El peso sobre el tricono.El peso óptimo sobre el tricono es determinado por la formación geológica (particularmente la resistencia a compresión), diámetro del pozo, diseño y tamaño de los rodamientos de el tricono, el diseño de la estructura de corte del tricono y la velocidad de rotación de la columna de perforación. Para penetrar la roca, la carga impuesta sobre la roca por el diente de un cono del tricono debe exceder la resistencia a la compresión.

Las resistencias de compresión de la roca varían desde menos de 70 kilogramos por centímetro cuadrado (7 Mega Pascal) hasta más de 4 mil kilogramos por centímetro cuadrado (414 Mega Pascal)Se recomiendan márgenes amplios de peso sobre el tricono, dependiendo de su tamaño y la perforabilidad estimada de la roca, para la cual el tricono fue diseñado. Estos pesos recomendados se extienden desde 18 kilogramos por milímetro (1.000 libras por pulgadas) del diámetro del tricono pequeño en roca blanda hasta 143 kilogramos por milímetro (8.000 libras por pulgada) del diámetro del tricono, para un tricono grande en roca dura.


Velocidad de rotación.La velocidad de rotación óptima se determina considerando la formación geológica de la roca, el diámetro del pozo, diseño y tamaño de los rodamientos del tricono, el diseño de la estructura de corte del tricono y el peso sobre la misma.

Se recomienda velocidades de rotación de hasta 200 revoluciones por minuto para un tricono pequeño en roca blanda, hasta 50 revoluciones por minuto para un tricono grande en roca dura.

Los pesos aplicados sobre los triconos y las velocidades de rotación que recomendamos, representan no más que una guía o sugerencia. Se pueden aplicar estos parámetros como puntos de referencias y variarlos hasta establecer la combinación para el mejor rendimiento de perforación, en una mina determinada. En la práctica, los operadores y fabricantes de equipo con su experiencia adquirida durante perforaciones en rocas y con equipos similares, pueden determinar pesos y velocidades de rotación adecuados para comenzar un nuevo programa de perforación.


Aire refrigerante y para el barrido de los detritus.Se usa aire comprimido soplado hacia abajo a través del centro de la barra para enfriar los rodamientos del tricono y para barre los detritus desde el fondo del pozo hacia la superficie. El volumen del flujo de aire está determinado por la sección transversal de la área anular formada entre el diámetro exterior de la barra y la pared de pozo, también por la velocidad mínima seleccionada, para el barrido de los detritus, para llevarlos hasta la superficie.

Las velocidades requeridas aumentan cuando aumenta la densidad y el tamaño de los recortes. En caso de velocidades de aire de barrido demasiado bajas, los recortes grandes que quedan en el fondo del hoyo, son recirculados hasta su pulverización a tamaños suficientemente pequeños para su elevación a través del espacio anular. Esta recirculación y remolienda rebajan la velocidad de penetración y desgastan triconos, adaptadores (bIT-sub) y barras en el fondo de la columna de perforación.

Las formaciones livianas características en sobrecarga de minas de carbón se pueden perforar con velocidades de penetración altas, sin problemas importantes de barrido de recortes; sin embargo, se encuentran problemas de barrido de recortes en formaciones de minerales más pesados.


Puede haber problemas severos de desgaste de conos y faldones que lleguen a ser crónicos, cuando se perforan materiales como cobre y hierro con velocidades de penetración altas. Debido a la similitud de tamaños de los compresores montados en perforadoras con normas comunes, es evidente, que aparecieran problemas de barrido de los detritus, primero al perforar formaciones con una mayor densidad. Se pueden anticipar problemas de barrido cuando se perfora en sobrecarga, donde se aumentan los tamaños de los detritus continuamente por las velocidades más altas de penetración de los triconos. Se confirma la necesidad de compresores de aire más grandes en estas perforadoras.

Supresión y precipitación del polvo.Los sistemas de precipitación de polvo incluyen inyecciones de espuma o agua en el aire para el barrido de los detritus, múltiples rociadores en la superficie del hoyo, rociadores montados en unidades dentro de la columna de perforación y sacos secos para la recolección de polvo, por ciclones otro sistema.La inyección de agua, y los sistemas de rociadores tienen la ventaja de la simplicidad pero fácilmente se les da mal uso. La tendencia es usar demasiada agua, lo que forma una pasta pegajosa y abrasiva dentro del pozo, la que es difícil de barrer hasta la superficie, causando un desgaste innecesario de los elementos de perforación.


Código de International Association of Drilling Contractors, IADC.El código IADC es un sistema para la designación de triconos de acuerdo con el tipo de la estructura de corte de dientes o insertos de carburo de tungsteno, el tipo de la formación de roca para la cual fue diseñado y algunos otros elementos mecánicos del tricono. El código IADC para cada tricono se publica usualmente en el catálogo del fabricante, y es necesario al facturar en caso de despachos internacionales.

Cada dígito del código de IADC, con un rango de tres dígitos representa la designación que sigue:

Dígito primero.La designación del primer dígito es para el tipo de tricono y el tipo de la roca para el cual fue diseñado.

1. Triconos de dientes para formaciones blandas, con poca resistencia a compresión y alta perforabilidad.


2. Triconos de dientes para formaciones medianas, con alta resistencia a la compresión.

3. Triconos de dientes para formaciones duras, semi - abrasivas y abrasivas.

4. Triconos de insertos de carburo de tungsteno para formaciones blandas, hasta medianas con baja resistencia a compresión.

5. Triconos de insertos de carburo de tungsteno para formaciones medianamente duras, con alta resistencia a compresión.

6. Triconos de carburo de tungsteno para formaciones duras, semi – abrasivas y abrasivas.

7. Triconos de insertos de carburo de tungsteno para formaciones extremadamente duras y abrasivas.


Dígito segundo.La designación del segundo dígito (1,2,3 ó 4) es para sub – clasificación de formaciones desde la más blanda hasta la más dura, dentro de la clasificación del primer dígito.

Dígito tercero.La designación del tercer dígito, es para las características mecánicas del tricono, como sigue:

1. Dientes normales en el calibre (se habla de dientes de acero mecanizados en forma de “V”).

2. Dientes en forma de “T” en el calibre (triconos de dientes de acero mecanizados).

3. Insertos del calibre.

4. Rodamientos de rodillos sellados.


5. Rodamientos de rodillos sellados e insertos en el calibre.

6. Descanso de fricción sellados.

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