Selección de materiales con CES Selector. Estudio de caso. Molino de jaula operando en ambientes altamente salinos

Iván Aranda G.

SELECCIÓN DE MATERIALES PARA EQUIPOS QUE OPERAN EN MEDIOS FUERTEMENTE SALINOS (SALMUERAS)

INTRODUCCIÓN. La corrosión es un fenómeno indeseado que está presente en la gran mayoría de las actividades industriales. La gama de problemas que pude causar la corrosión es muy variado; afectando desde disminución de propiedades mecánicas, fallas electromecánicas, pérdida de funcionalidad hasta, finalmente el fallo en servicio. En nuestro caso, el fenómeno de corrosión afecta principalmente a la pureza de los productos finales. Se entiende por corrosión metálica el aumento en el estado de oxidación del metal debido a agentes externos como es el oxígeno atmosférico, acidez del medio, tensiones mecánicas, etc. Nos centraremos en particular en los problemas que causa la corrosión del acero; ya que este es el material preferido para la construcción de la gran mayoría de partes de los equipos diseñados para las plantas de tratamiento proyectadas en el Proyecto de Industrialización de las Salmueras del Salar de Uyuni. La corrosión del acero implica la oxidación del hierro metálico para formar hidróxidos de hierro. Estos compuestos, Fe(OH)2, Fe(OH)3, se pueden formar en la superficie del metal (corrosión generalizada) o bien como cavidades en el interior del material (corrosión por picadura), entre otros. La formación de estos compuestos conlleva inevitablemente la contaminación con hierro de los productos presentes en el equipo que sufre este fenómeno.

SELECCIÓN DE MATERIALES PARA BARILLAS DE UN MOLINO DE JAULA En el presente texto se pretende mostrar el procedimiento para la selección de materiales de la “jaula” de un molino de jaula que deberá reducir el tamaño de las partículas de silvinita, previo al proceso de flotación. El objetivo es conseguir un tamaño de grano óptimo y una pulpa libre de impurezas, a fin de obtener un producto de mayor calidad. CORROSIÓN EN MEDIOS SALINOS. Lo primero que se debe indicar es que el proceso de molienda transcurre en presencia de salmuera; la cual es altamente corrosiva. Los iones cloruro presentes en el medio propician una severa corrosión por picadura y generalizada en la gran mayoría de aceros comerciales; por tanto, si buscamos un producto (KCl) de alta pureza, hay que ser cuidadoso a la hora de elegir los materiales que estarán en contacto con este medio. Se deberá llegar a un compromiso entre el coste y la calidad. Cabe mencionar que existen algunos aceros y aleaciones (superaleaciones de base níquel, pej) que son altamente resistentes a estos medios; sin embargo, su precio es prohibitivo y no se justificaría en nuestro caso. @ivanag79 @fabricarelativa

1

Iván Aranda G. DISEÑO DE LA “JAULA” Se consideran dos posibilidades. 1- Las varillas y resto de componentes de la jaula son exclusivamente de metal. 2- Los elementos de la jaula están compuestos de un núcleo de metal y un revestimiento plástico resistente a la corrosión. En este segundo caso, el recubrimiento plástico supone una barrea adicional al paso de los iones cloruro. Se seleccionarán los materiales para el núcleo y para el revestimiento.

CRITERIO DE SELECCIÓN. Para seleccionar el/los materiales más apropiados, se harán una serie de consideraciones. 1- Aproximaremos la corrosión que produce la salmuera presente en la pulpa a la que tendría lugar si empleásemos agua de mar en su lugar. 2- El material a usar no tiene requerimientos mecánicos especiales; es decir, cualquier acero comercial cumple los requisitos de dureza, módulo elástico, tenacidad, etc para triturar la pulpa hasta alcanzar los tamaños de partícula y grado de liberación deseados sin sufrir pérdida de propiedades. 3- El material será optimizado a mínimo coste.

PROGRAMA CES Selector. Para realizar la selección de los materiales se empleará el programa CES Selector. El presente software contiene una base de datos de más de 2500 materiales de todo tipo (metales, cerámicos, polímeros, composites). La forma en la que el programa trabaja es a través de Diagramas de Ashbi; mediante los cuales los distintos parámetros que definen un material (mecánicos, eléctricos, ópticos, etc), son contrastados y representados en ejes cartesianos, dependiendo de los requerimientos y aplicaciones para los cuales el material es diseñado. En lo referente al criterio de selección 2, hay que mencionar que este estudio es una primera aproximación y, por tanto, es posible refinar la selección imponiendo más criterios de tipo mecánico.

@ivanag79 @fabricarelativa

2

Iván Aranda G.

PRIMERA SELECCIÓN. Materiales con buena resistencia a la corrosión salina y un precio menor a 10Euro/Kg. En esta primera etapa, se representan el precio de los materiales contenidos en la base de datos en función de su resistencia a la corrosión salina. Se impone la condición que el precio esté por debajo de 10Euro/Kg y su comportamiento a corrosión sea medio, bueno o muy bueno. Figura1. El programa nos devuelve todos los materiales que cumplen este criterio. Entre elles se pueden mencionar: -

Aceros de bajo contenido en carbono: Low Steel (AISI 5130, tempered) Aleaciones de aluminio de moledo. Aleaciones de Zn-Cu Maderas Ladrillos Cementos Aceros al cromo Aleaciones con plomo Polímeros termoplásticos (Poliuretano). Bronces al fósforo.

En esta primera selección, se pretende hacer la primera acotación a groso modo. En este punto, 1700 materiales de los más de 2500 presentes en la base de datos cumplen este primer criterio de selección.

SEGUNDA SELECCIÓN: Núcleo metálico.

Metales con elevada resistencia a la corrosión

y precio inferior a 1Euro/Kg. Para llevar a cabo esta selección, impondremos dos condiciones adicionales. 1- Dado que existe materiales con buenas características de resistencia a la corrosión a un menor precio, rebajaremos nuestro coste límite a 1Euro/Kg. 2- Referente a la naturaleza del material, podemos asumir que las partes de la jaula deberán ser metálicas. De este modo, suprimimos de la lista los materiales cerámicos y poliméricos. Dentro de los metales, en este nuevo rango de costo, tenemos aceros y aleaciones de plomo. Estas últimas tanto a nivel medioambiental como mecánico son menos convenientes que los aceros; de modo que tras esta segunda selección sólo 457 materiales cumplen los criterios. A la vista de la figura2, se pueden observar algunos de los aceros candidatos. -

Aceros al carbono Aceros de baja aleación Aceros austeníticos Aceros al cromo.

@ivanag79 @fabricarelativa

3

Iván Aranda G. Afinando un poco más esta selección, optaremos por aquellos aceros con “buena” o “muy buena” resistencia a la corrosión. De esta forma, sólo 100 materiales cumplen el criterio. Llegados a este punto, para refinar la búsqueda, deberíamos imponer más condiciones de tipo mecánico pero, atendiendo a la suposición inicial, cualquiera de estos materiales podrá ser empleado para la construcción del núcleo metálico de la jaula. Se seleccionarán dos aceros: 1º Acero Austenítico:

Austenitic cast iron, flake (former BS L-NiMn 13 7)

DESCRIPCIÓN: Resistencia a la corrosión buena-muy buena y costo 0.5Euro/Kg. Anexo1. 2º Acero al Cromo:

High Cr white cast iron (BS grade 3A)

DESCRIPCIÓN: Resistencia a la corrosión muy buena y costo 0.6Euro/Kg. Anexo2.

TERCERA SELECCIÓN:

Cobertura Plástica: Polímeros con elevada resistencia a la

corrosión y precio inferior a 3 Euro/Kg. A fin de obtener una mayor protección, se sugiere la idea de un recubrimiento plástico que actuará como barrera entre el metal y el medio salino minimizando la corrosión y, por tanto, la contaminación de la pulpa. Dentro de los materiales que cumplen los requisitos se tiene: -

Tereftalato de polietilento (PET) Polietileno de alta densidad Acrilonitrilo Polipropileno Poliestireno Cloruro de polivinilo (PVC), entre otros.

A la vista de la Figura 3, se tiene que el material con las mejores propiedades de resistencia a la corrosión así como un menor coste es el PVC. Por tanto, será este el material óptimo para conformar la cobertura plástica. 1º Policloruro de vinilo (PVC)

Polyvinylchloride (PVC) - 0.003 (Plasticised)

DESCRIPCIÓN: Resistencia a la corrosión Muy buena y costo de 1Euro/Kg. Anexo3

@ivanag79 @fabricarelativa

4

Iván Aranda G.

PRIMERA SELECCIÓN. MATERIALES CON RESISTENCIA A LA CORROSIÓN MEDIA, BUENA Y ALTA Y CON UN PRECIO MENOR DE 10Euro/Kg 10

Zinc-Copper Alloy, Fastener Wire

Low alloy steel, AISI 5130 (tempered @ 425 C, oil quenched)

Price (EUR/kg)

Poliuretano

1

Calcium Lead w ith 1.3% tin, rolled Cast aluminium alloy (A356.0) (b) Brick (Common, Hard)(2.03)

Sandstone(2.61)

High Chromium White Cast Iron

Austenitic cast iron, flake (BS grade F3) Concrete (Structural Lightw eight) 0.1

Wood Chipboard, Type C1A, parallel to board

Average

Good

Very Good

Sea Water

Figura1. Precio de materiales Vs Resistencia al agua de mar. @ivanag79 @fabricarelativa

5

Iván Aranda G.

SELECCIÓN NÚCLEO METÁLICO: METALES CON ELEVADA RESISTENCIA A LA CORROSIÓN Y COSTO MENOR DE 1Euro/Kg

0.8

0.7

Low alloy steel, AISI 5130 (tempered @ 540 C, oil quenched)

High Cr w hite cast iron (BS grade 3A)

0.6

High Cr w hite cast iron (BS grade 3E) 0.5

Price (EUR/kg)

Austenitic cast iron, flake (former BS L-NiMn 13 7) 0.4

Carbon steel, AISI 1060 (as-rolled)

0.3

Low alloy steel, AISI 9255 (tempered @ 425 C, oil quenched)

Grey (Flake graphite) cast iron (BS grade 100)

0.2

Average

Good

Very Good

Sea Water

Figura 2. Precio materiales metálicos Vs Resistencia a la corrosión. @ivanag79 @fabricarelativa

6

Iván Aranda G.

SELECCIÓN COBERTURA PLÁSTICA:

POLÍMERO CON ELEVADA RESISTENCIA A LA CORROSIÓN Y PRECIO MENOR DE 2 Euro/Kg.

2.8 2.6

PET (40% Glass Fibre. Flame Retarded)

2.4

2.2

2

High density PE

Price (EUR/kg)

1.8

Acrylonitrile (Molding and Extrusion) 1.6

UF (Alpha Cellulose Filler)

1.4

PP (Impact Modified, Copolymer)

1.2

Polystyrene 1

PVC

0.8

Polyvinylchloride (PVC) - 0.03 (Plasticised) Very Good

Sea Water

Figura3. Precio materiales poliméricos Vs resistencia a la corrosión. @ivanag79 @fabricarelativa

7

Iván Aranda G.

SELECCIÓN FINAL En la presente discusión se han plantea do dos posibilidades de diseño. 1ª Opción: Elementos de la jaula exclusivamente metálicos. En este caso, se recomendaría el uso del acero al cromo; ya que, a pesar de ser 0.1Euro/Kg más caro que el acero austenítico, presenta una mayor resistencia a la corrosión. Selección:

High Cr white cast iron (BS grade 3A)

Costo: 0.6Euro/Kg

2ª Opción: Los elementos de la jaula tienen un núcleo metálico y revestimiento plástico. La decisión sobre el acero a emplear (austenítico o al cromo) dependerá de la cantidad de material requerida y diferencia de precio entre ambas opciones. En definitiva, del presupuesto. Se asumirá que el peso de la cobertura plástica supone un 5% del peso total del material.

Aplicación

Material

Costo Eur/Kg

Material Núcleo

High Cr white cast iron (BS grade 3A)

0.57

Material Rebestimiento

Polyvinylchloride (PVC) - 0.003 (Plasticised)

0.05

TOTAL

0.62

* El costo corresponde a Eur/Kg de producto terminado. No se han incluido los gastos de conformado

Aplicación

Material

Costo Eur/Kg

Material Núcleo

Austenitic cast iron, flake (former BS L-NiMn 13 7)

0.48

Material Rebestimiento

Polyvinylchloride (PVC) - 0.003 (Plasticised)

0.05

TOTAL

0.53

* El costo corresponde a Eur/Kg de producto terminado. No se han incluido los gastos de conformado

Se recomienda finalmente cualquiera de las dos posibilidades de la opción 2; ya que le incorporación de la cobertura plástica supondrá una barrera efectiva que disminuirá significativamente la corrosión y por tanto, mejorará la calidad del KCl final. Para tener una idea más realista de los costos, habrá que considerar los costos asociados al conformado.

@ivanag79 @fabricarelativa

8

Iván Aranda G.

CONCLUSIONES En la gran mayoría de los casos, a la hora de adquirir equipos, lo más usual es comprarlo con todas sus partes. En este caso, no es necesario, generalmente, preocuparse de los materiales de los que están fabricados sus componentes. Sin embargo, puede haber situaciones en las que haya que tomar decisiones sobre materiales; esto es, en el caso de diseños propios. O bien, sea necesario elegir equipos donde los materiales jueguen un rol importante en el proceso; como en el caso de la jaula en contacto con la salmuera. Es en estos casos donde un programa como el aquí mostrado pude suponer una gran ayuda, para tener una idea de la gama de posibilidades. El objetivo de este documento, además de dar una orientación sobre algunos materiales que pueden servir para el diseño del molino de jaula, es mostrar la aplicación del software CES Selector como herramienta de selección de materiales.

LIMITACIONES. Es importante conocer cuáles son las limitaciones de este software y hasta donde llega su alcance. Por un lado, mencionar que la base de datos es del año 2002 (aprox) y, por tanto, una gran cantidad de nuevos materiales han aparecido en el mercado desde entonces. Además de esto, los precios han podido fluctuar significativamente. Este programa debe ser considerado como una herramienta orientativa, por un lado y, por otro, como una herramienta didáctica para profundizar en el conocimiento de la ciencia e ingeniería de materiales.

@ivanag79 @fabricarelativa

9

Iván Aranda G.

A N E X O 1 A u s t e ni tic c ast ir o n, fl ak e (f o r m e r L- Ni M n 1 3 7)

BS

General Designation Austenitic CI: Flake graphite, ex-BS grade L-NiMn 13 7

Composition Fe/1.8-2.6C/13Ni/7Mn Atomic Volume (average) Density Energy Content Price Recycle Fraction

7.6e-003 7.25 * 58 * 0.4791 * 0.75

-

7.8e-003 7.35 71 0.7104 0.85

m^3/kmol Mg/m^3 MJ/kg EUR/kg

50 * 180 0.5 * 90 * 55 * 38.65 * 21 1250 0.01 * 100 0.27 30 27 140 70

-

69 290 1 145 100 115.9 36 1600 0.013 170 0.28

GPa MPa % MPa MPa MPa MPa.m^1/2 MPa

Mechanical Bulk Modulus Compressive Strength Elongation Elastic Limit Endurance Limit Fatigue Strength Fracture Toughness Hardness Loss Coefficient Modulus of Rupture Poisson's Ratio Shape Factor Shear Modulus Tensile Strength Young's Modulus

MPa

- 36 - 220 - 90

GPa MPa GPa

-

K kJ/kg K K K J/kg.K W/m.K 10^-6/K

Thermal Glass Temperature Latent Heat of Fusion Maximum Service Temperature Melting Point Minimum Service Temperature Specific Heat Thermal Conductivity Thermal Expansion

Not Applicable * 265 723 1403 193 * 460 * 38 18

280 773 1650 218 490 42 18.5

Electrical Breakdown Potential Dielectric Constant Resistivity Power Factor

Not Applicable Not Applicable * 80 Not Applicable

MV/m - 100

10^-8 ohm.m

Environmental Resistance Flammability Fresh Water Organic Solvents Oxidation at 500C Sea Water Strong Acid Strong Alkalis UV Wear Weak Acid Weak Alkalis

Very Good Very Good Very Good Good Good Average Good Very Good Very Good Very Good Very Good

Notes Typical Uses Pumps and vessels for caustic liquids; furnace parts; exhaust manifolds; turbocharger housings; valve bodies.

Warning Very brittle. BS 3468 ("Austenitic cast iron") was completely revised in 1986, so this grade is officially obsolete and may no longer be available. See 'Similar Standards' field for nearest modern equivalent.

@ivanag79 @fabricarelativa

10

Iván Aranda G.

A N E X O 2. Hi g h Cr 3 A )

w hi t e c ast iro n (BS gr ad e

General Designation White CI: high Cr, BS grade 3A

Composition Fe/1.8-3.0C/14-17Cr/