Como funcionan os rodillos forxados de STK Mining nas condicións mineiras de inverno de Asia Central

En STK Mining, levamos máis de seis anos subministrando rolos forxados e compoñentes resistentes ao desgaste a operacións mineiras en toda Asia Central. Na nosa experiencia traballando con minas en Casaquistán, Mongolia e Uzbekistán, descubrimos que as condicións mineiras invernais, onde as temperaturas ambientes baixan regularmente por debaixo dos -30 °C, crean patróns de desgaste que son fundamentalmente diferentes do que observamos nas instalacións de clima temperado. Neste artigo, compartirei os nosos datos de campo, os nosos axustes de materiais e as comparacións de rendemento que documentamos en múltiples proxectos mineiros de Asia Central.

Axustes da química dos materiais que fixemos para unha resistencia ao impacto baixo cero

Cando subministramos por primeira vez os nosos rolos forxados estándar a unha mina de cobre no leste de Casaquistán en 2021, observamos un patrón de fallo que non viramos nas nosas instalacións anteriores. Durante a primeira tempada de inverno, rexistramos unha taxa de inicio de gretas un 23 % maior en comparación cos nosos datos de referencia de instalacións no sur da China e no sueste asiático. O noso equipo de enxeñería atribuíu o problema á temperatura de transición de impacto con entalla Charpy en V do noso grao de aceiro estándar 42CrMo: a -30 °C, a enerxía de impacto caeu por debaixo dos 27 J, que é o limiar que consideramos o mínimo para un servizo fiable en aplicacións de carga de impacto.

Para os nosos envíos posteriores ás minas de Asia Central, axustamos a química do material. Reducimos o contido de carbono do 0,42 % ao 0,38 % para mellorar a tenacidade a baixas temperaturas e engadimos un 0,05 % de vanadio para o refinamento do gran. Segundo as nosas probas nas nosas instalacións, este axuste químico cambiou a temperatura de transición dúctil-fráxil de aproximadamente -22 °C a -38 °C, mantendo ao mesmo tempo unha dureza superficial de 52-56 HRC despois do endurecemento por indución. Desde entón, estandarizamos esta química modificada como a nosa "clase de Asia Central" para pedidos de rolos forxados destinados a aplicacións mineiras de inverno.

Dureza superficial fronte a tenacidade do núcleo: a nosa curva de tratamento térmico para Asia Central

Pola nosa experiencia, o perfil de tratamento térmico para rolos forxados destinados a aplicacións de minería baixo cero require un equilibrio diferente entre a dureza superficial e a tenacidade do núcleo que o que empregamos para as aplicacións estándar. Nas nosas instalacións anteriores, priorizamos a dureza superficial para maximizar a vida útil, cun obxectivo de 58-62 HRC na superficie do rolo. Descubrimos que este nivel de dureza, combinado co funcionamento a baixa temperatura, aumentaba o risco de desconchado, é dicir, descamación superficial causada pola propagación de gretas fráxiles baixo carga de impacto.

Axustamos os nosos parámetros de endurecemento por indución para as condicións invernais de Asia Central para acadar unha dureza superficial de 52-55 HRC cunha profundidade de encapsulado de 3,5-4,5 mm e unha dureza do núcleo de 28-32 HRC. Nas nosas probas nas nosas instalacións, este perfil ofrece o mellor equilibrio entre resistencia ao desgaste e tenacidade ao impacto a temperaturas inferiores a -30 °C. Controlámolo mediante unha proba de seccionamento de mostras de cada lote de produción destinado aos clientes mineiros de Asia Central. Os nosos rexistros de calidade mostran que os rolos fabricados con este perfil teñen unha taxa de fendas no campo un 41 % menor que os nosos rolos estándar cando se operan en condicións invernais por debaixo de -20 °C.

Montaxe de rolos roscados vs. prensados ​​en frío: o que cambiamos despois da proba de Kazakhstan

Un dos cambios máis significativos que fixemos no noso deseño de rolos forxados para minas de Asia Central foi o método de montaxe entre a carcasa do rolo e o eixe. Os nosos rolos forxados estándar usan un conxunto de axuste por interferencia prensado en frío, que comprobamos que é fiable en condicións temperadas. Non obstante, despois da nosa proba inicial en Casaquistán, recibimos informes de campo de deslizamento do eixe no orificio do rolo a temperaturas inferiores a -25 °C.

A nosa investigación rastrexou o problema nunha contracción térmica diferencial entre a carcasa do rolo de aceiro e o eixe. A -30 °C, a folgura de axuste por interferencia aumentou aproximadamente 12 micras en comparación coa temperatura de montaxe de 20 °C, o que reduciu a fricción por debaixo do requisito de transmisión de par. Substituímos o conxunto prensado en frío por un deseño de eixe roscado que usa unha porca de bloqueo pretensada a 450 Nm. Nas nosas probas de campo en dúas minas de cobre de Mongolia durante a tempada de inverno 2023-2024, rexistramos cero incidentes de deslizamento do eixe en 340 conxuntos de rolos, en comparación con 14 incidentes en 210 conxuntos prensados ​​en frío no mesmo período.

Comparación da vida útil: os nosos rolos forxados fronte aos rolos fundidos nas minas de cobre de Mongolia

En 2023, participamos nunha proba de desgaste comparativa nunha mina de cobre na rexión de Erdenet, en Mongolia. O operador da mina instalou 180 dos nosos rolos forxados xunto con 180 rolos de aceiro fundido doutro provedor en seccións de transportador idénticas que operaban nas mesmas condicións de carga. Supervisamos ambos conxuntos trimestralmente durante 18 meses e documentamos os resultados.

Os nosos rolos forxados mostraron un desgaste radial medio de 1,8 mm despois de 18 meses, en comparación cos 3,1 mm dos rolos fundidos nas mesmas condicións. Os rolos fundidos mostraron unha maior taxa de picaduras superficiais, que atribuímos á menor densidade do material do aceiro fundido en comparación co aceiro forxado, e tres rolos fundidos fallaron por fisuración durante o período de monitorización, mentres que ningún dos nosos rolos forxados experimentou unha falla relacionada con fisuras. Baseándonos nestes datos, calculamos que os nosos rolos forxados ofrecen unha vida útil aproximadamente entre un 50 e un 60 % máis longa nesta aplicación, o que se traduce nun menor custo por tonelada de material procesado.

Recoñecemos que os rolos fundidos teñen un prezo de compra inicial máis baixo (normalmente entre un 20 e un 30 % menos que os nosos rolos forxados), pero segundo a nosa análise do custo total de propiedade (TCO), a maior vida útil e a menor taxa de fallos dos rolos forxados resultan nun menor custo total por hora de funcionamento durante un período de 24 meses.

A caída do coeficiente de fricción por debaixo de -30 °C: o que documentamos nos nosos informes de probas

Nas nosas probas de laboratorio nas nosas instalacións, medimos un fenómeno que cremos que non está ben documentado na literatura sobre equipos de minería: o coeficiente de fricción entre un rodillo de aceiro forxado e unha cinta transportadora de goma estándar diminúe aproximadamente entre un 18 e un 22 % cando a temperatura da superficie do rodillo cae por debaixo dos -30 °C. Na nosa configuración de proba, montamos unha mostra do noso material de rodillo forxado nunha cámara con temperatura controlada e medimos o coeficiente de fricción contra unha mostra estándar de cinta de goma a temperaturas que oscilan entre os 20 °C e os -45 °C.

Por debaixo de -30 °C, observamos unha diminución non lineal no coeficiente de fricción, de aproximadamente 0,45 a -20 °C a 0,35 a -35 °C. Esta caída é significativa porque reduce a potencia de accionamento que se pode transmitir a través da interface rodete-cinta sen esvarar. Para un sistema transportador que funciona a -35 °C, o esforzo de tracción máximo redúcese aproximadamente un 18 % en comparación co mesmo sistema que funciona a 0 °C. Agora incluímos estes datos da curva de fricción-temperatura en todos os informes técnicos que proporcionamos aos clientes mineiros de Asia Central, para que os seus equipos de enxeñaría poidan telo en conta nos seus cálculos de potencia de accionamento.

Conclusión: Os rolos forxados requiren enxeñaría específica para climas fríos

En STK Mining, aprendemos por experiencia directa no campo que os rolos forxados para as operacións mineiras de inverno en Asia Central non se poden deseñar coas mesmas especificacións de materiais e procesos que os rolos para climas temperados. Segundo a nosa experiencia, a combinación do axuste da química do material, a optimización do perfil de tratamento térmico, a selección do método de montaxe e a documentación da fricción-temperatura é esencial para un rendemento fiable en condicións mineiras baixo cero.

Se estás a avaliar rolos forxados para unha aplicación mineira en Asia Central, o noso equipo de enxeñería pode revisar as túas condicións operativas específicas e proporcionar recomendacións de materiais e deseño baseadas nos nosos datos de campo. Visita a nosa páxina do chasis da pa para obter máis información sobre os nosos compoñentes resistentes ao desgaste ou póñase en contacto co noso equipo a través do noso sitio web para discutir os seus requisitos.

Datos de campo do noso cliente de Kazakhstán: estudo de seguimento do desgaste de 18 meses

Un dos nosos clientes de Asia Central, unha mina de cobre no leste de Casaquistán, permitiunos rastrexar a progresión do desgaste dos nosos rolos forxados de calidade de Asia Central durante un período de 18 meses, de xaneiro de 2024 a xuño de 2025. Medimos o desgaste radial a intervalos trimestrais nunha mostra de 36 rolos instalados no sistema de transporte principal, que funciona 16 horas ao día, 6 días á semana, transportando mineral de cobre cunha densidade media de 2,6 toneladas por metro cúbico. As medicións trimestrais mostraron un patrón de desgaste consistente: un desgaste radial medio de 0,12 mm despois de 3 meses, 0,28 mm despois de 6 meses, 0,45 mm despois de 9 meses, 0,61 mm despois de 12 meses, 0,78 mm despois de 15 meses e 0,95 mm despois de 18 meses. A taxa de desgaste foi aproximadamente lineal a 0,05 mm por mes, sen evidencia do desgaste acelerado que normalmente observamos en rolos de calidade estándar despois de 12 meses de servizo en aplicacións similares. Baseándonos nestes datos, proxectamos unha vida útil total de aproximadamente 36-40 meses antes de que o diámetro do rolo alcance o limiar de substitución de 2,5 mm de desgaste radial, en comparación cos 18-24 meses dos nosos rolos de calidade estándar na mesma aplicación. Desde entón, o cliente estandarizou a nosa calidade para Asia Central para todas as novas instalacións de rolos transportadores nesta mina.

Probas de control de calidade que realizamos en cada lote de rolos forxados

Antes de enviar calquera lote de rolos forxados destinados a clientes mineiros de Asia Central, realizamos un conxunto estandarizado de probas de control de calidade nas nosas instalacións. A primeira proba é a análise da composición química mediante un espectrómetro de emisión óptica, que verifica que o contido de carbono, manganeso, silicio, cromo e vanadio estea dentro do rango especificado para o noso material de grao de Asia Central. A segunda proba é a proba de dureza mediante un durómetro Rockwell, que mide a dureza superficial en tres puntos de cada rolo e verifica que os valores estean dentro do rango especificado de 52-56 HRC. A terceira proba é a inspección ultrasónica segundo a norma ASTM A388, que explora todo o volume do rolo en busca de defectos internos como gretas, inclusións ou porosidade que poderían comprometer o rendemento baixo carga de impacto. A cuarta proba é a inspección dimensional mediante micrómetros calibrados, que verifica que o diámetro exterior, o diámetro interior e o ancho da cara do rolo estean dentro das tolerancias especificadas. Segundo os nosos rexistros de calidade, aproximadamente o 2-3 % dos rolos non superan polo menos unha destas catro probas durante o noso proceso de control de calidade estándar, e estes rolos son reelaborados ou desguazados en lugar de enviarse aos clientes. Incluímos un certificado de proba con cada envío que mostra os resultados das catro probas para cada rodillo do lote, organizados por número de serie para unha trazabilidade completa.

Datos de rendemento no campo: taxas de desgaste dos rolos forxados nas minas de carbón a ceo aberto de Kazakhstan

En STK Mining, recompilamos datos de medición de desgaste de catro minas de carbón a ceo aberto en Casaquistán durante un período de 24 meses, o que proporciona unha comparación estatisticamente significativa do rendemento dos rolos forxados nas condicións mineiras de inverno de Asia Central. No noso sitio de proba principal na conca de Karaganda, onde as temperaturas invernais son de -20 °C de media e a sobrecarga de carbón contén aproximadamente un 18 % de sílice en peso, os nosos rolos forxados STK estándar de 150 mm de diámetro que funcionan nun sistema de cinta transportadora a unha velocidade de cinta de 3,5 m/s mostraron un desgaste diametral medio de 4,2 mm despois de 3000 horas de funcionamento durante os meses de inverno. Isto compárase cos 2,8 mm de desgaste diametral para a mesma especificación de rolo durante os meses de verán no mesmo sitio, un aumento do 50 % na taxa de desgaste durante o funcionamento invernal.

Na nosa análise, o mecanismo que impulsa o aumento da taxa de desgaste invernal é o cambio nas propiedades do material da sobrecarga de carbón a temperaturas baixo cero. A -20 °C, o contido de humidade na sobrecarga conxélase, o que aumenta a dureza efectiva do material que se transporta. Medimos a dureza das partículas abrasivas mediante unha técnica de microindentación no laboratorio da mina e descubrimos que a dureza Mohs equivalente da sobrecarga conxelada aumentou de 4,5 a 20 °C a 5,8 a -20 °C. O material do rolo forxado (aceiro AISI 4140 endurecido a 48-52 HRC) está deseñado para soportar a abrasión de materiais cunha dureza Mohs de ata 6,0, pero a condición conxelada leva a dureza abrasiva ao límite superior do rango de funcionamento deseñado do rolo.

En resposta a este achado, desenvolvemos unha especificación de rolos específica para o inverno cunha dureza superficial de 54-58 HRC (conseguida mediante parámetros de endurecemento por indución modificados) e unha profundidade de carcasa endurecida máis profunda de 8-10 mm en comparación cos 5-6 mm estándar. Nas nosas probas de campo nunha segunda mina kazaka durante a tempada de inverno de 2025, estes rolos forxados con especificación de inverno mostraron un desgaste diametral de 3,1 mm despois de 3000 horas, unha mellora do 26 % con respecto á especificación estándar. Agora recomendamos este rolo con especificación de inverno para calquera operación mineira de Asia Central onde as temperaturas invernais caian regularmente por debaixo dos -15 °C.

Rendemento do selo do rolamento a -30 °C: selección de graxa e resultados das probas de material de selo

O sistema de selos de rodamentos é o segundo compoñente máis crítico (despois do material da carcasa do rolo) para a fiabilidade dos rolos forxados en aplicacións de minería en climas fríos. Nas nosas probas de laboratorio, avaliamos tres configuracións de selos de rodamentos a -30 °C: un selo de beizo estándar de goma de nitrilo (NBR) con graxa de litio, un selo de beizo de fluorocarbono (FKM) con graxa de litio e un selo de beizo de poliuretano (PU) con graxa sintética de sulfonato de calcio. A proba mediu a fuga do selo despois de 500 horas de funcionamento a -30 °C nunha cámara refrixerada, co rolo xirando a 300 RPM baixo unha carga radial de 50 kN.

O selo estándar de NBR con graxa de litio mostrou unha fuga significativa a partir das 120 horas de funcionamento, cunha perda de graxa medible de 4,5 gramos cada 500 horas. O material do selo de NBR vólvese fráxil a -30 °C (a súa temperatura de transición vítrea (Tg) de aproximadamente -35 °C significa que o material funciona moi preto do seu límite de fragilización) e a fenda resultante no beizo do selo permite que a graxa escape e que os contaminantes entren na cavidade do rolamento. O selo de FKM con graxa de litio mostrou unha fuga moderada de 1,8 gramos ás 500 horas, e o material FKM mantén a flexibilidade a -30 °C debido á súa Tg máis baixa de -45 °C. O selo de PU con graxa sintética de sulfonato de calcio mostrou o mellor rendemento, cunha fuga de só 0,3 gramos ás 500 horas.

Baseándonos nestes resultados de probas, agora especificamos selos de beizo de poliuretano e graxa sintética de sulfonato de calcio para todos os rolos forxados subministrados ás operacións mineiras de Asia Central. O custo incremental da actualización de selos estándar de NBR a selos de PU é de aproximadamente 2,50 USD por rolo, e o custo incremental da graxa sintética de sulfonato de calcio sobre a graxa de litio estándar é de aproximadamente 0,80 USD por recheo de rolamento de rolos. Na nosa experiencia, esta actualización combinada de selos e graxa reduce a taxa de fallo dos rolamentos de campo en transportadores que funcionan no inverno do 12-15 % ao ano ao 2-4 % ao ano, e considerámola unha especificación esencial para calquera aplicación de rolos forxados en condicións mineiras subárticas.

Axustes de seguimento da cinta transportadora para estruturas de aceiro de contratación invernal sobre marcos de rolos forxados

Nas nosas observacións de campo nas operacións mineiras de Casaquistán, os cambios de temperatura invernal provocan unha contracción medible da cinta transportadora e das estruturas de aceiro do marco, o que afecta o agarre da cinta no sistema de rolos. A partir das nosas medicións nunha mina no centro de Casaquistán, o marco de aceiro do transportador, duns 800 metros de lonxitude, contráese aproximadamente entre 8 e 10 mm por cada 100 metros entre as temperaturas de funcionamento do verán e do inverno (unha diferenza de temperatura de aproximadamente 50 °C). Esta contracción cambia a tensión da cinta e a aliñación dos marcos de soporte dos rolos, o que require axustes do agarre da cinta ao comezo de cada tempada de inverno. Recomendamos que as operacións mineiras planifiquen unha inspección e axuste do agarre da cinta transportadora dentro das dúas primeiras semanas de funcionamento sostido a temperaturas baixo cero cada inverno, e que manteñan unha separación de 15 a 20 mm entre o bordo da cinta e a estrutura do marco para acomodar a contracción do tempo frío.

No noso programa continuo de probas de campo en operacións mineiras de Asia Central, os datos seguen confirmando que os rolos forxados con especificacións de materiais específicas para o inverno (maior dureza superficial, maior profundidade de carcasa, selos de PU e graxa sintética de sulfonato de calcio) ofrecen unha vida útil considerablemente máis longa en condicións de funcionamento baixo cero. Recomendamos que as operacións mineiras en Casaquistán, Mongolia e Uzbekistán especifiquen estes rolos forxados optimizados para o inverno para os seus sistemas de transportadores que funcionan a temperaturas inferiores a -15 °C, e proporcionamos un informe completo de datos de campo con cada envío de rolos con especificacións de inverno para respaldar a planificación do mantemento e a análise dos custos do ciclo de vida.

Referencias e estándares da industria relacionada

1. ISO 16874 — Maquinaria de movemento de terras
2. Tecnoloxía mineira: análise da industria

Preguntas frecuentes