Los responsables del mantenimiento de flotas mineras en canteras especifican piezas GET con bordes de corte endurecidos para operaciones de empuje con excavadoras.

Lo que aprendí sobre la especificación GET para excavadoras de cantera después de 10 años de suministro de piezas de desgaste para minería.

Cuando comencé a suministrar herramientas de trabajo en terreno (GET, por sus siglas en inglés) a las operaciones mineras de canteras en 2015, el error más común que veía cometer a los gerentes de mantenimiento de flotas de canteras era especificar los filos de corte de las GET basándose únicamente en el precio: comprar la opción más barata que se ajustara a su equipo sin considerar la abrasividad del material de la cantera, las horas de operación diarias o el costo total del consumo de GET durante la vida útil del equipo. El resultado era un desgaste prematuro (cuando se utilizaba acero de baja calidad en condiciones de alta abrasión) o un costo excesivo (cuando se utilizaban puntas de carburo de tungsteno de alta calidad en condiciones de baja abrasión donde el acero estándar tratado térmicamente habría sido suficiente).

Durante los últimos 10 años, he suministrado productos GET a canteras en el sudeste asiático, Oriente Medio y Asia Central, desde pequeñas canteras familiares de piedra caliza con una producción anual de 50 000 toneladas hasta grandes canteras de granito con una producción anual de 2 millones de toneladas. He realizado estudios de desgaste, analizado el coste total del consumo de GET por tonelada de material extraído y colaborado con equipos de mantenimiento para optimizar los intervalos de cambio y las prácticas operativas de los GET. He aprendido que la especificación de los GET es una decisión de ingeniería basada en datos, no una decisión de compra, y que la especificación adecuada puede reducir el coste total de los GET entre un 30 % y un 50 % en comparación con una especificación simplista basada en el menor coste inicial.

Comprensión de la tecnología GET: Sistemas de puntas de acero simple frente a sistemas de puntas soldadas

Las herramientas de ataque al terreno para excavadoras de cantera están disponibles en dos configuraciones principales: acero simple (donde el adaptador y el filo de corte son un solo componente fundido o forjado) y punta soldada (donde una punta fundida por separado se suelda o se fija mecánicamente a un adaptador de acero). La elección entre estos sistemas tiene implicaciones significativas en los costos operativos, las prácticas de mantenimiento y el riesgo del equipo.

Sistemas GET de acero simple

Los sistemas GET de acero único son el diseño tradicional para las cuchillas de las excavadoras y siguen siendo el estándar en muchas canteras. Todo el componente —desde el mecanismo de bloqueo que se acopla al vástago de la cuchilla hasta la cuchilla que entra en contacto con el material de la cantera— es una sola pieza de acero aleado tratado térmicamente. Cuando la cuchilla se desgasta o se rompe, se retira todo el componente y se reemplaza por uno nuevo.

Las ventajas de los sistemas de acero simple son la simplicidad (no hay soldaduras que mantener, ni herrajes de sujeción de la punta que inspeccionar, ni riesgo de pérdida de la punta durante el funcionamiento) y la fiabilidad (un GET de acero simple correctamente instalado no fallará de forma que dañe la hoja). La desventaja es el coste: cuando el filo se desgasta tras 200-600 horas de funcionamiento, es necesario reemplazar todo el componente, incluida la parte del adaptador que no ha sufrido desgaste alguno. En el caso de materiales de cantera altamente abrasivos, donde el filo se desgasta rápidamente, esto implica reemplazar un adaptador con un 70-80 % de desgaste cada 200-400 horas, lo que supone un derroche económico.

Sistemas GET con puntas soldadas

Los sistemas GET con puntas soldadas solucionan la ineficiencia económica de los sistemas de acero simple al separar el componente de desgaste (la punta) del componente estructural (el adaptador). Cuando la punta se desgasta, solo se reemplaza esta; el adaptador permanece instalado en la hoja de la excavadora y se suelda o fija mecánicamente una nueva punta. En operaciones de cantera de alto volumen, esto puede reducir el costo operativo del GET entre un 30 % y un 40 %, ya que el costo del adaptador se amortiza con los múltiples reemplazos de la punta.

Sin embargo, los sistemas de puntas soldadas presentan riesgos que no existen con los sistemas de acero simple. La soldadura entre la punta y el adaptador es una unión estructural crítica que está sujeta a altas tensiones cíclicas debido al impacto y la abrasión del material de la cantera. Si la soldadura no se realiza según las especificaciones mineras (normalmente AWS D14.1 o equivalente), o si no se inspecciona regularmente para detectar grietas y fatiga, una falla en la soldadura de la punta durante la operación puede provocar que la punta se rompa y se convierta en un proyectil de alta velocidad dentro de la cantera, o puede causar daños a la hoja de la excavadora cuyo costo de reparación es de 5 a 10 veces mayor que el de la pieza GET. En mi experiencia, el riesgo de falla de la soldadura es la razón principal por la que algunos operadores de canteras prefieren los sistemas de acero simple: aceptan el mayor costo por cambio a cambio de eliminar el riesgo de falla de la soldadura.

Una tercera opción que evita tanto la ineficiencia de costos de las puntas de acero simple como el riesgo de soldadura de las puntas soldadas es el sistema de bloqueo mecánico, donde la punta se sujeta al adaptador mediante un sistema de retención mecánico (un pasador de bloqueo, un anillo de ajuste o un sistema de cuña) en lugar de mediante soldadura. Las puntas con bloqueo mecánico se pueden cambiar en 5-10 minutos (frente a 30-60 minutos para una punta soldada) y eliminan por completo el riesgo de falla de la soldadura, pero requieren inspección y mantenimiento regulares del mecanismo de bloqueo para garantizar que las puntas no se pierdan durante la operación. Cada vez recomiendo más los sistemas de bloqueo mecánico para operaciones de cantera donde la calidad del mantenimiento es variable y donde las consecuencias de una pérdida de punta son graves.

Selección del grado del material en función de la abrasividad del material de la cantera.

La abrasividad del material de cantera es el factor principal en la selección del grado del material GET, y la elección del grado del material en función de la abrasividad es la decisión más importante en la especificación GET. La abrasividad de los materiales de cantera se mide mediante pruebas de laboratorio estandarizadas: la prueba de abrasión de Los Ángeles (LA75) mide la pérdida de masa de una muestra de acero estandarizada después de 500 revoluciones con el material de cantera; el índice de abrasividad de Cerchar (CAI) mide la dureza de rayado del material de cantera sobre un palpador de acero. Ambas pruebas proporcionan datos útiles, y normalmente utilizo LA75 como parámetro de especificación principal porque, según mi experiencia en el campo, se correlaciona mejor con la vida útil del GET.

Materiales de baja abrasividad (piedra caliza, mármol, yeso)

Las canteras de piedra caliza, mármol y yeso tienen valores LA75 en el rango de 20-30 (lo que significa que el material causa una pérdida de masa del 20-30% en la prueba LA75) e índices Cerchar de 0,5-1,5. Estos materiales son relativamente blandos y causan un desgaste abrasivo moderado en los filos de corte GET. Para estas aplicaciones, especifico filos de corte de acero de baja aleación con tratamiento térmico y una dureza Brinell de 400-500 HB, lo que proporciona una vida útil adecuada (300-600 horas de funcionamiento por juego de puntas para excavadoras de 320 HP) al menor costo apropiado. Las puntas de carburo de tungsteno o carburo de cromo generalmente no son rentables en materiales de baja abrasividad porque la mejora incremental en la vida útil no justifica el costo de la pieza de 3 a 5 veces mayor.

Materiales de abrasividad media (arenisca, grava, mineral de hierro)

La arenisca, algunas formaciones de grava y los depósitos de mineral de hierro de menor ley tienen valores LA75 en el rango de 40-60 e índices Cerchar de 2.0-3.5. Estos materiales causan un desgaste abrasivo significativo que degradará rápidamente el acero estándar tratado térmicamente GET Para estas aplicaciones, especifico acero de aleación media tratado térmicamente con adición de cromo (típicamente 2-4% de cromo) para aumentar la dureza y la resistencia al desgaste, con una dureza Brinell de 500-600 HB. La adición de cromo aumenta el costo en aproximadamente 15-25% en comparación con el acero estándar tratado térmicamente pero extiende la vida útil al desgaste en 50-100%, lo que lo hace rentable para aplicaciones de abrasividad media. Alternativamente, especifico una placa de recubrimiento de carburo de cromo en la cara del filo de corte para la solución más rentable en materiales de abrasividad media: el recubrimiento proporciona una dureza superficial de 600-700 HB mientras que el sustrato permanece como acero de aleación resistente.

Materiales de alta abrasividad (granito, basalto, cuarcita)

El granito, el basalto, la cuarcita y algunas formaciones de mineral de hierro duro tienen valores LA75 en el rango de 70-100 e índices Cerchar de 4.0-6.0. Estos materiales se encuentran entre los materiales naturales más abrasivos que se encuentran en las canteras, y las puntas de acero estándar tratadas térmicamente pueden desgastarse en tan solo 50-100 horas de operación en estas condiciones. Para aplicaciones de alta abrasividad, especifico puntas compuestas de carburo de tungsteno (con una dureza global de 1500-1800 HB) o placas de aleación patentadas resistentes a la abrasión con dureza ultra alta (superficie de 650-700 HB). El costo de estos materiales premium es de 3 a 10 veces mayor que el del acero estándar tratado térmicamente, pero su mayor vida útil (1000-4000 horas de operación, dependiendo del grado específico del material y la abrasividad del material de la cantera) los convierte en la opción más rentable cuando se considera el costo total del tiempo de inactividad, la mano de obra y la pérdida de productividad.

El costo real del desgaste de los equipos en las operaciones de cantera

El costo del desgaste de las herramientas de corte en las canteras es mucho mayor de lo que la mayoría de los gerentes de canteras se imaginan, ya que el costo directo de las piezas es solo una fracción del costo total. Según mi experiencia analizando datos de costos de herramientas de corte en canteras de varios países, el costo total del desgaste se desglosa aproximadamente de la siguiente manera: entre el 20 % y el 30 % corresponde al costo directo de las piezas de las herramientas de corte (puntas, adaptadores, filos de corte); entre el 30 % y el 40 % corresponde al costo de la mano de obra por tiempo de inactividad para el cambio de herramientas de corte y el mantenimiento de las cuchillas; y entre el 40 % y el 50 % corresponde al costo de la pérdida de productividad más los daños secundarios a la estructura de la cuchilla de la excavadora causados ​​por herramientas de corte desgastadas que operan más allá del punto de cambio recomendado.

Impacto en la productividad del desgaste GET

Cuando los filos de corte de la GET se desgastan más allá del punto de cambio recomendado, la eficiencia de empuje de la excavadora disminuye significativamente. Una excavadora con una GET con el mantenimiento adecuado puede empujar entre un 15 % y un 25 % más de material por hora que la misma máquina con una GET desgastada que opere en las mismas condiciones. Esta pérdida de productividad no siempre es evidente, ya que se acumula gradualmente a medida que la GET se desgasta, pero a lo largo de una jornada de producción completa, la diferencia entre una GET con el mantenimiento adecuado y una desgastada puede representar una reducción del 10 % al 20 % en el material movido diariamente, lo que, a un precio en la cantera de entre 10 y 30 USD por tonelada, representa entre 1000 y 5000 USD diarios en ingresos perdidos para una cantera de tamaño mediano.

El daño secundario causado por el desgaste de la hoja de la topadora es quizás el componente de costo más subestimado. Cuando el filo se desgasta hasta el punto de dejar de ofrecer una superficie de corte afilada, la hoja comienza a deslizarse sobre el material en lugar de cortarlo limpiamente. Esto provoca que la hoja entre en contacto con el suelo y que las placas laterales rocen contra el material sin cortar, lo que acelera el desgaste de las placas inferiores de la hoja, las placas laterales y las conexiones del brazo de empuje. He visto reparaciones estructurales de hojas de topadora que costaron entre 8000 y 25 000 dólares —de cinco a diez veces el costo anual de la hoja de la topadora— causadas por operar con hojas desgastadas más allá del punto de cambio recomendado.

Planificación de intervalos de cambio para operaciones de flotas en canteras

El intervalo de cambio de GET para las excavadoras de cantera debe basarse en el desgaste medido, no en un programa fijo, ya que la abrasividad del material de la cantera varía entre áreas, bancos y estaciones. Sin embargo, la mayoría de las operaciones de cantera necesitan un punto de partida para su planificación de mantenimiento, y a continuación se presentan las siguientes directrices basadas en el tipo de material de la cantera y la clase de tamaño de la excavadora, con la recomendación de que los operadores ajusten los intervalos según las mediciones reales en el campo.

Protocolo de inspección

Recomiendo una inspección visual del GET en cada cambio de turno, normalmente cada 8 o 12 horas de funcionamiento, que un operador capacitado o un técnico de mantenimiento tardará aproximadamente 5 minutos en realizar. La inspección debe comprobar lo siguiente: desgaste de la punta (medir la longitud restante de la punta desde la punta hasta el hombro del adaptador; sustituir si está a menos de 10 mm del hombro del adaptador); grietas visibles (buscar grietas que vayan desde la punta hacia la interfaz del adaptador; cualquier grieta de más de 5 mm de longitud requiere la sustitución inmediata de la punta); retención de la punta (para sistemas de bloqueo mecánico y de puntas soldadas, verificar que las puntas estén seguras y que el mecanismo de retención esté intacto); y estado del adaptador (comprobar si las superficies de bloqueo del adaptador están dobladas o desgastadas, lo que podría impedir el correcto asentamiento de la punta).

Intervalos de cambio planificados

Para la planificación inicial del mantenimiento, recomiendo los siguientes intervalos de cambio de GET como puntos de partida, ajustados en función de los datos de inspección reales: para excavadoras de clase 320HP (típicas para canteras de piedra caliza de tamaño mediano) en piedra caliza (LA75 20-30): reemplazar las puntas a las 300-500 horas de funcionamiento; en arenisca (LA75 40-60): reemplazar las puntas a las 200-400 horas de funcionamiento; en granito/basalto (LA75 70-100): reemplazar las puntas a las 100-200 horas de funcionamiento con puntas de carburo de tungsteno. Para excavadoras de clase 520HP (típicas para canteras de gran escala): escalar los intervalos anteriores por un factor de aproximadamente 0,8, porque los equipos más grandes tienen un mayor costo de GET por hora de funcionamiento debido a los tamaños de punta más grandes involucrados.

Para conocer las normas sobre piezas de desgaste de equipos mineros, consulte laISO 10414estándares de equipos de perforación de rocas y laSAE InternacionalDirectrices para la especificación de piezas de desgaste en maquinaria de movimiento de tierras.

Preguntas frecuentes

¿Cuál es la diferencia entre los sistemas GET de punta de acero simple y los de punta soldada para excavadoras de cantera?

Los sistemas GET de acero simple utilizan componentes fundidos o forjados de una sola pieza, donde el adaptador y el filo de corte son una sola pieza; cuando el filo de corte se desgasta, se reemplaza todo el componente, incluido el adaptador en buen estado. Los sistemas de punta soldada utilizan una punta fundida por separado que se suelda o se bloquea mecánicamente a un adaptador de acero; solo se reemplaza la punta desgastada cuando se desgasta, lo que reduce el costo operativo entre un 30 y un 40 %. El acero simple ofrece simplicidad y riesgo cero de pérdida de punta; la punta soldada reduce el costo, pero introduce riesgo de falla de soldadura. Los sistemas de punta con bloqueo mecánico ofrecen una tercera opción: reemplazo de la punta sin soldadura y sin el riesgo de falla de soldadura.

¿Cómo afecta la calidad del material a la vida útil de los filos de corte GET en aplicaciones de cantera?

El grado del material es el principal determinante de la vida útil del filo de corte GET. El acero al carbono estándar (300-400 HB) se desgasta en 100-200 horas en piedra caliza abrasiva de cantera. El acero de baja aleación tratado térmicamente (450-550 HB) extiende la vida útil a 300-500 horas. El recubrimiento de carburo de cromo (600-700 HB) extiende la vida útil a 600-1000 horas. Las puntas compuestas de carburo de tungsteno (1500-1800 HB) pueden extender la vida útil a 2000-4000 horas en condiciones abrasivas severas. El grado correcto debe coincidir con el índice de abrasividad LA75 o Cerchar del material de la cantera: usar material de primera calidad en material de baja abrasión supone un desperdicio de dinero, mientras que usar acero estándar en material de alta abrasión provoca un desgaste excesivo y daños secundarios.

¿Cuál es el coste real del desgaste de los equipos de extracción en las operaciones mineras de canteras?

El costo total del desgaste del GET incluye: (1) Costo directo de la pieza del GET: 20-30% del total; (2) Costo de mano de obra de reemplazo: 30-40% del total (2-4 horas de tiempo de inactividad por evento de cambio); (3) Pérdida de productividad debido al desgaste del GET que reduce la eficiencia de empuje en 15-25%: 20-30% del total; (4) Daños secundarios a las placas de ala de la pala, brazos de empuje y placas de desgaste inferiores: 20-30% del total. El costo total puede alcanzar USD 3-8 por hora de operación en condiciones severas de cantera. El costo de las reparaciones estructurales de la pala causadas por operar con GET desgastado más allá del punto de cambio recomendado puede alcanzar USD 8,000-25,000 por evento: 5-10 veces el costo anual del GET.

¿Cómo afecta la abrasividad de los materiales comunes de cantera a la selección de GET?

La abrasividad del material de cantera varía ampliamente: la caliza blanda (LA75 20-30, Cerchar 0.5-1.0) utiliza acero tratado térmicamente de 450-500 HB con una vida útil de 300-600 horas. La arenisca y la grava de abrasividad media (LA75 40-60, Cerchar 2.0-3.0) requieren un recubrimiento de carburo de cromo de 550-650 HB con una vida útil de 300-500 horas. El granito y el basalto de alta abrasividad (LA75 70-100, Cerchar 4.0-6.0) requieren puntas de carburo de tungsteno o aleaciones de ultra alta dureza (650-700 HB) con una vida útil de 400-2000 horas según el grado. Siempre pruebe u obtenga los datos LA75/Cerchar para su material de cantera específico antes de especificar el grado del material GET.

¿Qué intervalo de cambio GET deberían utilizar los gestores de flotas de canteras para las excavadoras?

Base los intervalos de cambio en el desgaste medido, no en el tiempo calendario. Para bulldozers de clase 320HP en piedra caliza: 300-500 horas de operación por juego de puntas. En arenisca: 200-400 horas de operación. En granito/basalto: 100-200 horas de operación con puntas de carburo de tungsteno. Para bulldozers de clase 520HP, reduzca los intervalos en aproximadamente un 20%. Inspeccione en cada cambio de turno (cada 8-12 horas) y reemplace cuando la punta esté desgastada a menos de 10 mm del hombro del adaptador, cualquier grieta visible desde la punta hasta el adaptador que exceda los 5 mm, o la pérdida de peso exceda el 15% del original. Operar más allá de estos umbrales aumenta significativamente el riesgo de daños secundarios.