15. sistemas de transporte continuo subterranea
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Sistemas de
transporte continuo
MI4070- Fundamentos de Tecnología Minera
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Contenidos
Ferrocarriles
Correas transportadoras
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Contenidos
Descripción del sistema de ferrocarriles
Descripción general de componentes
Carros y sistemas de descarga/descarga
Vias y rieles
Empalmes y cruces
Locomotoras
Diseño sistema de ferrocarriles
Automatización sistema de ferrocarriles
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Sistema de transporte por ferrocarriles
Este sistema se emplea para el transporte horizontal (0-2% pendiente ) en minas de alta capacidad productiva,distancias de transporte considerables. A diferencia de camiones tiene un camino fijo Compite con correas Se ha usado como transporte principal e intermedio
Ventajas del sistema: Alta productividad Confiabilidad
Seguridad Bajo costo operacional y de mantención Es posible usar el sistema como transporte de mineral y como suplidor de insumos
Desventajas: Alta inversión inicial Altos costos de instalación Se requieren talleres de mantención especializados Flexibilidad
Tipos de ferrocarriles Eléctrico o Diesel Sistemas automos (sin conductor) (e.g El Teniente, LKAB)
Ejemplos de uso de trenes en faenas subterráneas: Mina El Teniente (Chile) – Esmeralda 400 t- Tte 8 1200 t Mina LKAB (Suecia) Henderson (USA)
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Componentes sistemas de ferrocarriles
Locomotora Carros (convoy de carros) Sistema de descarga de carros
Vías Empalmes y cruces Sistemas de control Equipos de apoyo
Locomotora de servicio Locomotora de limpieza Locomotora de limpieza de vías
Taller mantención
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Carros
Los carros se componen de la caja, chasis y sistema derodado.
Características a considerar:
Capacidad- dimensiones (18-50 t)
Estabilidad
Sistema de descarga
Radios de curvatura mínimos
Pesos (tara- cargado) Características de las ruedas
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Dimensiones de carros
Altura, ancho y longitud de carros
Dada por capacidades de transporte requeridas
Dimensiones determinan radio de curvatura Se ha tendido a mayor capacidad de carros (50 ton)
Capacidad de convoy (320 ton- 1200 ton)
Ruedas
Se fabrican en acero fundido
Distancia entre ejes
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Ruedas
La llanta es cónica para evitar elmovimiento lateral del tren
La rueda se debe mover sobre lasllantas
La pestaña debe actuar solo en lascurvas, agujas en vias y peligro dedescarrilamiento.
Eje
Masa
Llanta
Pestaña
Diámetro
rueda:6 a 14
cm.
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Sistema de descarga de carros
Sistema rígido
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Sistema de descarga de carros
Sistema vaciado lateral
El carro pivotea mediante una rueda o bien accionado pormedio de cilindros hidraulicos
Se ha ocupado en niveles intermedios de transporte
Sistema Granby
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Sistema de descarga de carros
Sistema vaciado en el fondo
A B B
Descarga central(2 puertas)
Descargauna puerta
Es apropiado cuando existen restricciones de espacio
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Vias
Piso con 1% dependiente para
drenaje Drenaje
Vía Afirmado
Componentes de las vías:
-Base: excavación en el piso en laque se asentara el afirmado y vias.Se conecta con el drenaje.
-Afirmado: capa de grava angular.
-Vias: incluye rieles y durmientes
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Afirmado
2/3
Durmiente
Peso
Aguas
•El afirmado se fabrica de grava uniforme para permitir elescurrimiento de aguas
•El continuo viaje de trenes produce quiebre de la grava conel tiempo (mas finos).
•Con esto disminuye la resistencia del material al disminuir eltamaño y la degradación por menor permeabilidad de aguas
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Rieles
Cabeza100-130kg/mm2
Alma100-130kg/mm2
Patín o Zapata50-60 kg/mm2
Durmientes: tiene como objetivotrasmitir el peso del ferrocarril a lainfraestructura.
Los rieles tienen como objetivomantener la dirección demovimiento del ferrocarril.
•Tienen radios de curvaturamínimos de 25-30 metros
•
Peso lineal 14/24 kg/m•Largo: 10-12 m
TrochaT
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Capacidad del rieles
Pd mkg p
K
dPK mkg p
req
req
3) / (
17,013,0
2
1) / (
La capacidad del riel depende de lavelocidad del ferrocarril, la distanciaentre durmientes (d) y el peso por eje(P)
Se agrega esfuerzo dinámico por lavelocidad del tren
Se compara preq con p de diseño
Si el ferrocarril se tiene se adopta lo siguiente:
Carros menores a 5 Ton, T= 0,6 m
Carros mayores a 5 Ton, T= 1,0 – 1,2 m
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Rieles
Clavos rieleros Pernos rieleros
Eclisa
Rieles se unen adurmientes por mediode
•clavos rieleros(durmientes demadera)
•Pernos rieleros(durmientes deconcreto)
Rieles se unen por medio de eclisas, elorificio de este es ovalado para evitar corte
de los pernos por cizallamiento
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Peraltes
Se construyen peraltes paracontra-restar las fuerzascentrifugas en curvas
ht
a
W
FC
T
gR
TV h
T h
sen
W
F
gR
V W F
t
t
c
c
2
2
)tan(
)tan()(
)tan(
a
a a
a
R= radio de curvatura
V = velocidad del ferrocarril
Ht= altura peralte
Fc= fuerza centrifuga, W peso del
conjunto
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Empalmes y cruces
Empalmede vías
Sapo Cruce de vías
Para el empalmede vías se utilizanagujas
Para el cruce devías se utilizansapos
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Locomotoras
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Locomotoras
• Las locomotoras van equipadas con dos motores eléctricos, cuya
posición es paralela a los ejes de las ruedas motrices, efectuándose la
transmisión por medio de un sistema de piñones y engranajes.
• Los motores se montan en una suspensión elástica, con lo que se
consigue un trabajo sin vibraciones.
• Para poner en movimiento el convoy, los motores se acoplan en serie,
con lo que se consigue un gran torque de partida.
• Una vez en marcha, cuando se ha vencido la inercia del reposo, los
motores se acoplan en paralelo con lo cual se obtiene una mayor
velocidad.
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Tipos de locomotoras
Locomotoras Diesel-Eléctricas Locomotoras EléctricasMenor poder de arrastre/peso
3000-3600 hp
Disponibilidad 85%
Menor costo capital
Vida útil 15-20 años
Tienen mas poder de arrastre /peso
Mayor adhesion
4-6 ejes
25-50 kV, 60 Hz
6000 HP
Mayor costo capital
Mayor vida util (doble)
Mayor disponibilidad (95%)
Menor costo mantención (1/2 a ¼)
No hay almacenaje de Diesel yproblemas de congelamiento.
Operación es limpia y sincontaminación
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Circuito de Corriente y Conducciónde la Electricidad
• La circulación de C.C. para accionar los motores de lalocomotora se efectúa por dos conductores. El del polo
positivo corresponde a un cable aéreo y el negativo sonlos rieles que se unen entre ellos por los cables decobre.
• Debe estudiarse la pérdida de voltaje en la transmisiónde corriente.
•No debe permitirse una pérdida de voltaje superior al 5%en la línea.
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Toma de Corriente
• La toma de corriente para una locomotora desde el
cable aéreo se realiza por medio de un “colector de
corriente”
o“toma
decorriente”
.• El polo negativo se hace llegar al motor por medio de
las ruedas que lo toma desde los rieles.
• El colector toma la corriente desde el trolley por medio
de : Pluma
Pantógrafo
Bobina desenrrolladora.
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Pantógrafo:
Es lo más generalizado
• Es un paralelógramo articulado que ejerce una
presión adecuada sobre el trolley y la parte que va
en contacto con el cable aéreo corresponde a dos
barras paralelas que corren perpendicular a éste.• Se puede subir y bajar desde la cabina del
conductor.
Toma de Corriente
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Fuentes de Energía de Corriente Continua
• Para evitar importantes pérdidas de voltaje se lleva
corriente alterna trifásica hasta las estaciones dealimentación y allí se transforman en corriente
continua, con un rectificador estático.
Pueden ser de mercurio o de selenio.
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Riesgos del Uso de Trolleys
• La producción de chispas es inevitable.
Inflamación y explosiones de grisú en minas de
carbón.
Incendios
electrocuciones
Corriente vagabundas
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Elementos de
Diseño
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Diseño de locomotoras
• El diseño de locomotoras esta dado por definir eltonelaje de la locomotora (ton) y la potencia
requerida
• Se deben calcular las fuerzas que actúan
contrarios y a favor de la dirección de movimiento
de la locomotora y carros (llenos y vacíos)
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Fuerzas en un tren
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1. Resistencia a la rodadura
2. Resistencia a la curvatura
3. Resistencia a la pendiente
4. Resistencia a la aceleración o frenado
Esfuerzos a Vencer
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Resistencia Friccional o a la Rodadura (Rr)
La resistencia al movimiento de la locomotora y carros debido alas vías depende de:
Condición de las vías
Tipo de rodamiento y ruedas de carros
Velocidad del tren Uniones entre vías
2
2
29 0, 00241, 3 0, 03 ( / )
_ / ,_
,
_ ,
r
AV R V lb ton
W WN
W peso locomotora eje tons N numero ejes
V velocidad mph
A area frontal pies
locomotora
2
2
29 0, 00051,3 0, 045 ( / )
_ / ,
_
,
_ ,
r
AV R V lb ton
W WN
W peso locomotora eje tons
N numero ejes
V velocidad mph
A area frontal pies
vagones
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Rf (kg/ton) Tipo de carro Condicionesde Vía
3,0 - 4,5 Grande (>30 ton) con Excelente
descanso de primera calidad
4,5 - 7,0 15 a 30 ton, buenos descansos Buena
9,0 - 11,0 5 a 10 ton, descanso en Buena a
aceptable
rodamientos
14,0- 16,0 Bajo 5 ton, descansos en bujes Pasable
de Bronce
Resistencia Rodadura (Rr) - carros
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Resistencia a Pendiente (Rp)
Corresponde a la componente del peso del convoy, en
la dirección contraria al movimiento, por lo que su valor
será Rp = P sen α en que α es el ángulo de pendiente y
P el peso del convoy.
Si α < 5º entonces sen α ≈ tg α, y como generalmente la
pendiente se expresa como porcentaje, la formula se
puede transformar en:
pendienteG
tonlbG Rp
(%)
) / (20
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Resistencia a la curvatura (Rc)
La resistencia a la curvatura es debida a: Patinaje de las ruedas
Fricción entre pestañas y rieles
La diferencia entre el ancho de carros y trocha
225( )
tan _ _ ,
,
_ ,
B K Rc
r
B dis cia ejes carros pies
K trocha pies
r radio curva pies
Las curvas se pueden medir en grados.Una curva de un grado es una en la cualen 100´ es 1/360°de un circulo.
El radio de una curva que tiene 1°es5730´.
5730
_ ( )
0,8 ( / )
GC radio curva pies
Rc GC lb ton
Formula empírica 2
Formula empírica 1
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Resistencia a la Aceleración y Frenado (Ra ó Rd)
La fuerza para sobrepasar la inercia: F=ma
g
Pm
pies
slb
s pies
tonlbtonm
)(11,62
) / (2,32
) / 2000)((12
Aceleración lineal de 1 Ton a 1mphs
)(3,9147,111,62
47,1
))(3600(1
)5280)(1(
2
lbmaF
s pies
shr
shr
milla
piesmilla
a
a
Se aumenta un 5-10% para considerar aceleración por rotación (100lb/ton)
) / (
)(_
)(100
smphnaceleracióa
Tontren pesoT
lbaT F a
Fuerza requerida:
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Fuerza de arrastre locomotora & Adhesion
La adhesion o coeficiente de fricción es el linkque existe entre las ruedas de la locomotora y lavia.
La fuerza de arrastre que la locomotora ejercedepende del coeficiente de fricción, el quedepende: Del material de ruedas y vias
Condición de las vías: humedo, seco, mojado
Centro de gravedad de la locomotora
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Adhesión _ _% 100
_ _ _%
( )100
_ _
_ _
_ _
arrastre G
G
a
T
fuerza arrastre disponibleadhesion
peso total boggies locomotoraadhesion
F P
P peso en boogies
P peso en guías
P peso total locomotora
Condición % adhesión
Rieles secos c/arena 25
Rieles secos s/arena 20
Rieles humedos 15
Rieles mojados 5-10
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Adhesión- Curva de desempeño
0
5000
10000
15000
20000
25000
0 5 10 15 20 25
velocidad (mph)
F u e r z a
d e
a r r a s t r e
( l b )
Curva de fuerza de arrastre efectiva para distintas velocidades
Locomotora de 45 ton
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Formulas utiles para diseño
Item Formula
Aceleración (mph/s) Fuerza arrastre (lb) /100 x peso tren (ton)
Tiempo al cual se asume aceleracióncte (s)
Cambio velocidad (mph) /aceleración (mph/s)
Distancia recorrida (pies) 1,467x vel media (mph) x tiempo (s)
Fuerza de empuje convoy (lb) (Fuerza arrastre (lb) /resistencia total (lb/ton))-peso locomotora (ton)
Potencia tren (HP) (Fuerza arrastre x velocidad)/375
Potencia requerida generador (Potencia tren)/eficiencia
Potencia total a la maquina Potencia en el generador + otros
Radio de la caja Numero de dientes en caja/numero dientes enpiñones
Motor (rpm) 336 x veloc. X GP/diámetro de ruedas
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• Se requiere saber la capacidad de lalocomotora a frenar.
• Condiciones favorables: toda la energía
cinética es consumida
• Condiciones desfavorables: bajada
• El valor de la adhesión durante el frenado es
un 80% de la adhesión durante acarreo, por
lo que la fuerza de frenado es también un
80% el esfuerzo de arrastre.
Resistencia al Frenado (Rd)
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Ejemplo de diseño trenes y costos de transporte
1. Cálculo tamaño locomotora
2. Cálculo número de carros para una
determinada locomotora3. Determinación de costos de transporte
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Correas
transportadoras
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Contenidos
Sistema de correas transportadoras
Elementos del sistema
Capacidad del sistema
Cálculos de ingeniería
Calculo de costos sistema
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Introducción
Las correas son uno de los medios mas baratospara el transporte de materiales dados los preciosde combustibles actuales
Son confiables y de gran capacidad de transporte
Son tecnologías limpias
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Transporte por correas
Las correas sirven para el transporte de material a granel Se pueden ocupar en minería subterránea y rajo abierto
Rajo Dentro del pit Sobre el terreno (fuera del pit): se han probado hasta 25 km de largo En plantas de tratamiento
Subterránea A un costado/ sobre galería de transporte principal
Desventajas: Limite es la granulometría del material a transportar Alta inversión Radio de curvatura
Ventajas:
Competitivas a grandes distancias (hasta 50 kms) Pueden trabajar en pendientes (20% y mas)
Pueden alcanzar altas productividades (8700-11000 tph)
La contaminación es menor cuando se tienen sistemas de supresión de polvo en los puntos detransferencia
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Usos de correas transportadoras
Subterránea Rajo abierto
En el pit En superficie
Distancias: 24 km-50 km Velocidad: 3.1 – 6.1 m/s Ancho correa: 900-1200 mm
Plantas de procesamiento Velocidades 1.0 – 3.1 m/s
Botaderos
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Tipos de correas transportadoras
Correas convencionales
Inclinación derodillos
Angulo de la carga
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Correas transportadoras
Los cables soportan laestructura de los rodillos
En términos de costos de
capital son un 20% menoresque correas convencionales
Correas soportadas por cables
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Tipos de correas transportadoras
Cable
La correa descansa en los cablessin fin mientras la tension requeridapara el movimiento de la correa se
transmite a los cable. Este tipo decorrea es economico en largossobre los 4-8 kms: los cablesrequieren una polea motriz de grandiametro por lo que no son
economicas en distancias cortas.
MobilesTienen el mismo diseño que las correasconvencionales y sobre cables. Se puedenreposicionar con el uso de equipos de apoyo.Las bases poseen rieles en la base.Generalmente son horizontales y se elevan paratransferencia, se ocupan principalmente en
mineria a rajo abierto
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Cleat
Esta compuesto de murallas transversales ylaterales insertas en la correa. Las lateralesson plizadas para adaptarse al cambio deradio cerca de las poleas motrices. Lasmurallas transversales permiten conducircarga verticalmante.
Levantadas por Aire
La correa es soportada por medio de unacapa delgada de aire, que se suple medianteuna bamba que inyecta aire a presión al
sistema, no se usan rodillos. La correaretorna usando rodillos convencionales.
Otros tipos de correas
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Otros tipos de correas
Tipo ducto:
Usa una correa especial que se puede amoldar como un circuloo ducto. Se usan 6 rodillos para mantener la forma circular. Estetipo de correas es limpio (polvo), compacto en sección vertical,no requiere recubrir la correa, y tiene menores radios de giroque correas convencionales
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Otros tipos de correas transportadoras
Tipo Sandwich: tiene dos correas una sobre otra con lacarga al medio. Se puede ocupar para fuertesinclinaciones
Curvadas: puede ir a traves de obstáculos sin necesidadde puntos de transferencia. Usan un menor radio decurvatura:
Otras : > 500 m
Curvas :
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Componentes principales
Correas Poleas motrices
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Componentes principales
Rodillos o polines
Alimentador
Transporte
Retorno
Impacto porcarga
Cinta
Distancia polines 0,5 m
Distancia polines < 2 m
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Factores en la determinación del tamaño de lacorrea
Para determinar el tamaño a ocupar de la correa se deben tener encuenta los siguientes factores:
Tipo de correa
Densidad del material a transportar
Distancia al borde de la cinta y % carga (generalmente un 90%)
Velocidad de la correa
Tamaño y distribución de colpas
Angulo de sobrecarga
Angulo de rodillos de soporte y largo de rodillos
Inclinación
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Factores economicos
Rules of thumb (CEMA, 1995):
El transporte por correas es mas economico que por camiones si ladistancia de transporte excede 1 km
Sobre 1 km el costo de la ton/km puede ser hasta 1/10 del costo por
camiones
Los costos de mantención por año son aproximadamente 5% del costo deoperación y un 2% del costo de adquisición
Las correas se reemplazan en promedio cada 5 años para roca dura yhasta 15 años para material no-abrasivo
Los sistemas de correas pueden alcanzar valores sobre 90% dedisponibilidad
Los costos de la estructura y de la correa son los mas altos del sistema
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Capacidad de correas
Q AV
T Q
T A
V
Q= capacidad
A= area transversal de la correaCapacidad(m3/s)
Capacidad (ton/s)
Area
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Consideraciones en
el diseño de correas
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Calculo de requerimientos de transporte usandocorreas
El sistema de correas es continuo por lo que no se calculan ciclos.
Los cálculos de ingeniería se refieren a determinar, para unrequerimiento de transporte, tipo de mineral y tipo de correa :
Las dimensiones de correas : ancho de correa
Velocidad de transporte
El porcentaje de carga
Calculo de potencia del motor
Costos de capital y de operación asociados para una determinadacapacidad
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Geometría de correas
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Clasificaciones de materiales fragmentados
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Clasificaciones de materiales fragmentados
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Ancho de correa en función del tamaño del mineralpara distintos ángulos de carga
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Seleccionar la velocidad de la correa (SME, 1992)
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Velocidades máximas
recomendadas paramaterialesfragmentad
os (CEMA,2005)
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Capacidad de carga en correas
Disminuye ángulo de carga
Bwe= 0,055BW+0,9 pulgadas
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Metodología CEMA (2005)1. Determinar el ángulo de carga (ángulo de reposo – 5°)
2. Determinar la densidad del material
3. Determine la forma de la correa (ángulo polines)
4. Determinar la velocidad recomendada
5. Determinar el tonelaje equivalente (ft3/hr)
Ft3/hr= Q x 2000 x DF/d
DF : factor de diseño 1,25
Q [tph]
d: densidad (lbf/ft3)
1. Convertir la velocidad a Q100Q100=Q(ft/hr3)*(100 fpm)/velocidad de la correa (fpm)
Q=capacidad requerida
7. Determine el ancho de correa a partir del valor de velocidad
8. Si el material es grueso verificar que cumpla con ancho sugeridos
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Metodología CEMA
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Ejemplo- Diseño correas (metodologia SME, 1992)
Determinar las especificaciones para una correatransportadora, con los siguientes requerimientos:
Material: carbón bituminoso
Capacidad requerida : 352.8 kg/s (1270 Ton/hr) Densidad 800 kg/m3
Angulo de reposo: 38°
Largo correa: 457.2 m
La altura a levantar es de 61 m (13%)
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Calcular la sección de la correa
2
3
352.8( / )0,145
800( / ) 2, 79( / )
T A
V
kg s A m
kg m m s
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Tabla de requerimientos de ancho de correa
Ancho de correa para angulo de rodillos de 25°
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Determinar el ancho de la correa
Ancho de correa para angulo de rodillos de 35°y distintas área
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Determinar el peso de correa por unidad de largoincluido la resistencia de rodillos
Peso es 61 kg/m
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Calculo de potencia requerida
Se calcula la potencia para:
• Mover la correa vacia (PR1)
• Elevar el material (PR2)
•Mover el material horizontalmente (PR3)
•La potencia requerida es la suma de las tres anteriores
PR1
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PR1
1
1
1
0,5
13310
PV PR
PR W
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PR2
2 2
2225349( )
PR P H
PR W
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Determinar la potencia para transportar material
3
3
3
1 2 3
25
45250( )
0,95
298852( ) 400
T
T
P T PR
PR W PR PR PR
PR
PR W hp
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Costos transporte correas
Los costos en sistemas de transporte por correas son:
Costo de instalación Componentes mecánicos, estructura, y construcción Costos de preparación del terreno Equipo electrico (15% costos correas) Costos del techo para la correa cuando existen condiciones extremas : 2575-
2950 US$/m
Costos de operación y mantención
Costo de mano de obra (1 operador cada 800-1500 metros)
Costo energia: obtenido de los Kw-año del motor de la correa del sistema de transferencia(alimentadores (Apron feeder), vibrating grizzlies)
Costo anual EE= HP*horas/dia*dias/año*0.746 Kw/HP*eficiencia*US$/kw-hora
Costo mantención y reparación: 2-4 % del costo de inversion
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Costos transporte correas
)(tan
) / (
&
kmciadis
C C
añotonsCapacidad
C C C
totalkmton
mant opcapital
Total
E tim ió d t d i t l ió
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Estimación de costos de instalación
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Costo de motor y accesorios
Costo Capital = Costo correa instalada + (costo motores + accesorios)+ costo inst. electrica + costos preparacion del terreno + costossistema de protección
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Ejercicio en clases
Diseñar una correa de 400 metros delargo con las siguientes características
técnicas:
1. Densidad mineral=1.6 ton/m3
2. Capacidad requerida= 2200 ton/hr
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Referencias
CEMA, 2005. Belt Conveyors for BulkMaterials, 6th edition.