Iván Aranda G.

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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.

Iván Aranda G.

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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.

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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.

Iván Aranda G.

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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

Iván Aranda G.

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

Figura1. Precio de materiales Vs Resistencia al agua de mar.

Sea WaterAverage Good Very Good

Pri

ce

(E

UR

/kg

)

0.1

1

10

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

Wood Chipboard, Type C1A, parallel to board

Cast aluminium alloy (A356.0) (b)

Zinc-Copper Alloy, Fastener Wire

Austenitic cast iron, f lake (BS grade F3)

Sandstone(2.61)

Concrete (Structural Lightw eight)

Calcium Lead w ith 1.3% tin, rolled

High Chromium White Cast Iron

Brick (Common, Hard)(2.03)

Poliuretano

Iván Aranda G.

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

Figura 2. Precio materiales metálicos Vs Resistencia a la corrosión.

Sea WaterAverage Good Very Good

Pri

ce

(E

UR

/kg

)

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

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

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

Carbon steel, AISI 1060 (as-rolled)

Grey (Flake graphite) cast iron (BS grade 100)Low alloy steel, AISI 9255 (tempered @ 425 C, oil quenched)

Low alloy steel, AISI 5130 (tempered @ 540 C, oil quenched)High Cr w hite cast iron (BS grade 3A)

Iván Aranda G.

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

Figura3. Precio materiales poliméricos Vs resistencia a la corrosión.

Sea WaterVery Good

Pri

ce

(E

UR

/kg

)

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

2.6

2.8

PET (40% Glass Fibre. Flame Retarded)

High density PE

Acrylonitrile (Molding and Extrusion)

UF (Alpha Cellulose Filler)

PP (Impact Modif ied, Copolymer)

Polyvinylchloride (PVC) - 0.03 (Plasticised)

Polystyrene

PVC

Iván Aranda G.

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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.

Iván Aranda G.

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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.

Iván Aranda G.

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A N E X O 1 A u s t e n i t i c c a s t i r o n , f l a k e ( f o r m e r B S L - N i M n 1 3 7 ) General Designation Austenitic CI: Flake graphite, ex-BS grade L-NiMn 13 7

Composition Fe/1.8-2.6C/13Ni/7Mn Atomic Volume (average) 7.6e-003 - 7.8e-003 m^3/kmol Density 7.25 - 7.35 Mg/m^3 Energy Content * 58 - 71 MJ/kg Price * 0.4791 - 0.7104 EUR/kg Recycle Fraction * 0.75 - 0.85

Mechanical Bulk Modulus 50 - 69 GPa Compressive Strength * 180 - 290 MPa Elongation 0.5 - 1 % Elastic Limit * 90 - 145 MPa Endurance Limit * 55 - 100 MPa Fatigue Strength * 38.65 - 115.9 MPa Fracture Toughness * 21 - 36 MPa.m^1/2 Hardness 1250 - 1600 MPa Loss Coefficient 0.01 - 0.013 Modulus of Rupture * 100 - 170 MPa Poisson's Ratio 0.27 - 0.28 Shape Factor 30 Shear Modulus 27 - 36 GPa Tensile Strength 140 - 220 MPa Young's Modulus 70 - 90 GPa

Thermal Glass Temperature Not Applicable K Latent Heat of Fusion * 265 - 280 kJ/kg Maximum Service Temperature 723 - 773 K Melting Point 1403 - 1650 K Minimum Service Temperature 193 - 218 K Specific Heat * 460 - 490 J/kg.K Thermal Conductivity * 38 - 42 W/m.K Thermal Expansion 18 - 18.5 10^-6/K

Electrical Breakdown Potential Not Applicable MV/m Dielectric Constant Not Applicable Resistivity * 80 - 100 10^-8 ohm.m Power Factor Not Applicable

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

Iván Aranda G.

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A N E X O 2 . H i g h C r w h i t e c a s t i r o n ( B S g r a d e 3 A ) General Designation White CI: high Cr, BS grade 3A

Composition Fe/1.8-3.0C/14-17Cr/<2.5Mo/<1Si/.15-1.5Mn/<2Ni/<2Cu/<.1P/<.1S Atomic Volume (average) 6.9e-003 - 7.4e-003 m^3/kmol Density 7.6 - 8 Mg/m^3 Energy Content * 66 - 80 MJ/kg Price * 0.5782 - 0.9912 EUR/kg Recycle Fraction * 0.75 - 0.85

Mechanical Bulk Modulus 119 - 167 GPa Compressive Strength * 500 - 900 MPa Elongation 0 - 0 % Elastic Limit * 300 - 450 MPa Endurance Limit * 120 - 180 MPa Fatigue Strength * 89.85 - 216.1 MPa Fracture Toughness * 11 - 22 MPa.m^1/2 Hardness 4500 - 7000 MPa Loss Coefficient * 1.5e-003 - 2.5e-003 Modulus of Rupture 720 - 920 MPa Poisson's Ratio 0.27 - 0.28 Shape Factor 29 Shear Modulus 64 - 87 GPa Tensile Strength 300 - 450 MPa Young's Modulus 165 - 220 GPa

Thermal Glass Temperature Not Applicable K Latent Heat of Fusion * 265 - 280 kJ/kg Maximum Service Temperature * 973 - 1073 K Melting Point 1403 - 1650 K Minimum Service Temperature * 258 - 288 K Specific Heat * 520 - 560 J/kg.K Thermal Conductivity * 19 - 29 W/m.K Thermal Expansion * 8 - 12.5 10^-6/K

Electrical Breakdown Potential Not Applicable MV/m Dielectric Constant Not Applicable Resistivity * 60 - 100 10^-8 ohm.m Power Factor Not Applicable

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

Notes Typical Uses Abrasion resistant components, typically in mineral-pulverising mills, e.g. grinding balls, drum liner plates, spiral classifier-shoes, pulverizing-bars.

Iván Aranda G.

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Warning Very brittle. Very low resistance to thermal or mechanical shock. So hard as to be unmachinable - finish by grinding, if needed

Other Notes Gets its name from the white crystalline appearance of its fracture surface, which is caused by the fact that all the carbon is present as iron carbide (FeC), in a martensite/austenite matrix. The FeC makes the hardness:yield stress ratios very high.

A N E X O 3 .

P o l y v i n y l c h l o r i d e ( P V C ) - 0 . 0 0 3 ( P l a s t i c i s e d ) General Designation Polyvinylchloride: plasticised

Composition (CH2-CH-Cl)n Atomic Volume (average) * 7e-003 - 7.5e-003 m^3/kmol Density 1.23 - 1.24 Mg/m^3 Energy Content 125 - 145 MJ/kg Price 0.7434 - 0.826 EUR/kg Recycle Fraction * 0.02 - 0.04

Mechanical Bulk Modulus * 1.5 - 2 GPa Compressive Strength 15 - 25 MPa Elongation 4.3 - 4.6 % Elastic Limit 10 - 11 MPa Endurance Limit * 7.5 - 8.25 MPa Fatigue Strength * 7.065 - 8.717 MPa Fracture Toughness * 0.2 - 0.4 MPa.m^1/2 Hardness Not Applicable MPa Loss Coefficient * 0.68 - 1.6 Modulus of Rupture 11 - 12 MPa Poisson's Ratio * 0.48 - 0.49 Shape Factor 1 Shear Modulus * 1e-003 - 1.4e-003 GPa Tensile Strength 10 - 11 MPa Young's Modulus 3e-003 - 3.5e-003 GPa

Thermal Glass Temperature * 250 - 260 K Latent Heat of Fusion Not Applicable kJ/kg Maximum Service Temperature 320 - 325 K Melting Point Not Applicable K Minimum Service Temperature * 150 - 200 K Specific Heat 1600 - 1800 J/kg.K Thermal Conductivity 0.16 - 0.2 W/m.K Thermal Expansion 155 - 165 10^-6/K

Electrical Breakdown Potential 29 - 30 MV/m Dielectric Constant 6.9 - 7.2 Resistivity 3.16e+017 - 3.16e+018 10^-8 ohm.m Power Factor 0.12 - 0.14

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

Notes

Iván Aranda G.

@ivanag79 @fabricarelativa 13

Typical Uses Simulated leather, seals, gaskets, cable covers, tape, hose, tubing, bottles, sachets, wall covering, flexible floor covering.

Warning

Other Notes Standard hardness measurements are impossible to perform on elastomers, as it is very difficult to make a permanent indentation in them.