Cómo elegir un sistema de muestreo para operaciones con carbón

junio 0, 2018
Elegir el sistema de muestreo más adecuado para cualquier aplicación puede ser una decisión difícil. En esta guía se discuten las mejores opciones a fin de elegir un sistema de muestreo para operaciones con carbón.

Estándares de muestreo

Todos los estándares de muestreo, ya sea ISO, ASTM International o de un país en particular, coinciden en que el mejor momento para tomar una muestra es cuando se transporta al material (en este caso el carbón) de una ubicación a otra con una cinta transportadora. Esta es la situación donde es más probable que todos los tipos de partículas estén presentes en la muestra.  

Los estándares de muestreo coinciden en que la mejor manera de tomar los incrementos de muestra es cuando se detiene la cinta transportadora con carga y se toman secciones transversales completas mediante la recolección de todo el material (terrones y finos) comprendido entre dos planos paralelos, cuyo ancho suele ser tres veces el tamaño nominal máximo del material. Esta es la mejor manera de garantizar que se logre el objetivo fundamental del muestreo, es decir, que la distribución de tamaño de la muestra sea igual que la distribución de tamaño del lote.  

Dado que se requiere una gran cantidad de incrementos de muestra a fin de obtener una muestra completa, el método de muestreo que involucra detener la cinta transportadora no resulta práctico para la operación diaria o el control de calidad. La detención frecuente de cintas transportadoras con carga perjudica demasiado las operaciones normales y le genera una sobrecarga excesiva a los motores de accionamiento de la cinta. Por esto, el método de muestreo que le sigue en eficiencia consiste en la toma de un incremento de una sección transversal completa del carbón, sin detener las cintas transportadoras. Aquí es donde entra en juego el muestreo mecánico.

Ubicación

Uno de los primeros pasos es la elección de la ubicación del sistema de muestreo. Teniendo en cuenta algunas de las cuestiones enumeradas a continuación, el sistema debe ubicarse lo más aguas abajo posible para que todos los posibles escenarios de mezcla ocurran antes de llegar al sistema de muestreo. Considere cualquier plan de expansión potencial y cambios futuros en las características y disposiciones de manipulación de los materiales.  

Otra cuestión para tener en cuenta a fin de definir la ubicación es el acceso a la cinta transportadora. La ubicación ideal es siempre una combinación entre el espacio disponible en la cinta transportadora a fin de ubicar el recolector primario de muestra y el espacio en el suelo para ubicar los equipos de procesamiento. La mayoría de los sistemas de muestreo modernos tienen una huella ambiental muy pequeña y se alojan en contenedores de carga estándares.  El acceso vehicular es muy importante. En algunas ubicaciones, la disponibilidad de alimentación eléctrica adecuada es un problema.

La ubicación del recolector primario de muestra sobre la cinta transportadora principal puede implicar un problema de costos y de calidad.  

Si se ubica al recolector primario de muestra a gran altura, el sistema transportador del material de muestra y de retorno de muestra no utilizado deberá ser más largo (y por lo tanto, más costoso). Además, no es una buena práctica de muestreo que los incrementos de muestra caigan de una altura elevada, ya que la muestra se puede secar mientras cae o las partículas más grandes pueden romperse por el impacto. Dado que la muestra se alimenta a un chancador por gravedad o mediante una cinta, si el recolector primario de muestra está muy bajo, se deberá excavar en el área inferior a fin de generar el espacio necesario para el chancador. 

Un punto adicional para tener en cuenta es si existe o no una balanza de cinta transportadora sobre el sistema de transporte principal.  La vibración que genera el recolector primario de muestra puede afectar al desempeño de la balanza, de modo que siempre que sea posible se debe ubicar el recolector primario de muestra sobre otra cinta. Es posible ubicarlos sobre la misma cinta, pero debe hacerse lo más lejos posible entre sí y a no menos de 20 pies (6 m).

Por último, se deben tener en cuenta los posibles problemas de limpieza. Si se ubica un equipo de muestreo cerca de un sistema de supresión de polvo o de una escobilla de cinta transportadora, será una pesadilla de limpieza y además limitará la vida útil de los equipos por la corrosión excesiva. En algunos casos también podría contaminarse la muestra.  

Panorama general del diseño de los equipos

Cuando se selecciona el diseño y la disposición de un sistema de muestreo mecánico es importante entender que hay muchas maneras de cumplir el objetivo, que es tomar una muestra de manera eficiente; y que hay una gran cantidad de cuestiones que se deben comprender antes de enviar la petición de oferta. Si bien el objetivo de este artículo es proporcionar un resumen de los factores que se deben considerar, queremos remarcar que ningún consejo superará el hecho de que usted mismo investigue y determine claramente qué es lo que espera de los fabricantes.

Si bien el costo es siempre una consideración importante, existen muchas otras. Por esto, suponer que todos los fabricantes y diseños disponibles son equivalentes es un error. Es fundamental ser específico en la solicitud de diseño. Una vez comprado e instalado el equipo, corregir problemas importantes puede resultar difícil y costoso. Y hay muchos problemas que no aparecen sino hasta después de muchas horas de operación.

En la tabla 1 se muestran algunos de los datos básicos que necesita cualquier fabricante de sistemas de muestreo. Pero esto es solo el punto de partida. Se deben incluir en la petición de oferta la mayor cantidad de detalles que sea posible.  

A continuación, algunas características que se deben considerar a la hora del diseño.

  • Ancho de la cinta transportadora principal
  • Velocidad de desplazamiento de la cinta transportadora principal
  • Plano de los conjuntos de rodillos de la cinta transportadora principal
  • Caudal máximo que se debe muestrear
  • Tamaño máximo de material que se debe muestrear
  • Tamaños de lote que se debe muestrear
  • Elevación de la cinta transportadora
  • Limitaciones de espacio en la ubicación del sistema de muestreo
  • Disponibilidad de alimentación eléctrica (es decir, 440 o 480 V, trifásica, 200 A)
  • ¿Hay una balanza sobre la cinta transportadora principal?
  • Efectos por inclemencias climáticas en la ubicación del sistema de muestreo (inundaciones, muy bajas temperaturas)
  • Proximidad a un sistema de supresión de polvo con pulverización de agua
  • ¿Hay requisitos vigentes de prevención contra explosiones?

Realice su propio estudio

Conozca los productos que deberá muestrear con el sistema. Asegúrese de considerar los distintos tipos de calidades (es decir, índice HGI y contenido de humedad) y tamaños de lote con los que el sistema deberá tratar. Esto es particularmente importante en las terminales donde operan varios usuarios y es frecuente el mezclado. Esto será de mucha utilidad para que el fabricante diseñe un sistema mejor.  

Le recomendamos hacerse a la idea de que el sistema que va a comprar es mecánico, no automático. A menudo los compradores se sienten decepcionados por la cantidad de atención que requieren los sistemas de muestreo mecánico para funcionar correctamente. Una selección cuidadosa de equipos y funciones permitirá administrar la cantidad de esfuerzo que será necesario en el futuro.

En lo que respecta al diseño de sistemas de muestreo y sus componentes, siempre vale la pena prestar atención a los detalles.  Debería comenzar con una revisión de la reglamentación edilicia y de operación en cada ubicación en particular.  

Por ejemplo, en los EE.UU., en función de la ubicación del equipo de muestreo, la reglamentación puede depender de la Occupational Safety and Health Administration (OSHA) o de la Mine Safety and Health Administration (MSHA). Algunas reglamentaciones exigen que los componentes sean antiexplosivos y otras no. El diseño y el costo dependerá de la reglamentación que corresponda.  

Ser específico en la petición de oferta no solo le resultará beneficioso en términos de obtener lo que necesita: también facilitará la comparación de las cotizaciones de diferentes fabricantes. Ellos intentarán cotizar al precio más competitivo que puedan. Si su petición de oferta no es lo suficientemente específica, les resultará más difícil saber lo que necesita de verdad. Así, es más probable que reciba una versión con la simplificación y las concesiones que, inevitablemente, son inherentes al sistema con el precio más bajo.  

Los fabricantes de sistemas de muestreo pueden resultar una fuente inestimable de información sobre estas y otras cuestiones de los sistemas de muestreo. Los fabricantes le ayudarán a entender los distintos problemas de los sistemas de muestreo; y consideramos que solo después de prolongados intercambios con los distintos fabricantes se puede saber cuál es la mejor opción. 

Soluciones de muestreo populares: EE.UU. vs. resto del mundo

Todos los sistemas de muestreo consisten de componentes mecánicos a fin de tomar y mezclar una serie de incrementos iniciales o primarios, y luego procesar esos incrementos para obtener una muestra más pequeña, lista para el laboratorio y, al mismo tiempo, preservar la integridad de la muestra.  

Existen dos diseños diferentes para tomar este incremento primario. En el primero, la sección transversal se toma de una corriente de carbón que cae en un punto de transferencia entre dos cintas transportadoras. Este diseño se conoce como toma transversal de muestra descendente (cross-stream sampling). En el segundo método, el incremento primario se toma con un barrido de una sección transversal del material sobre una cinta transportadora. A este otro diseño se lo conoce como toma de muestra transversal desde cinta transportadora (cross-belt sampling).

Si se los mantiene bien, ambos diseños permiten tomar un buen incremento primario. Sin embargo, los equipos de muestreo desde cinta tienen muchas ventajas significativas. Primero, con los equipos de muestreo desde cinta se toma una masa de incremento primario muy inferior a la que se toma con los de muestra descendente. A pesar de que la boca del recolector primario de muestra es igual para ambos diseños, los de toma de muestra descendente no se pueden mover muy rápidamente a través de la corriente descendiente de carbón sin que se comience a rechazar en forma selectiva las partículas más grandes. La necesidad de este movimiento lento se traduce en un mayor tiempo de desplazamiento a través de la corriente de carbón y, por lo tanto, en la obtención de incrementos primarios grandes.

Los equipos de muestreo desde cinta, por otro lado, pueden ser muy rápidos dado que se mueven a través del carbón que se encuentra sobre la cinta transportadora. De hecho, cuanto más rápido, mejor. Por ello, el tiempo de desplazamiento a través de la corriente de carbón es menor y se toma una menor cantidad de muestra. A modo de ejemplo, los incrementos primarios de un sistema de muestreo de alto caudal bien pueden ser superiores a 1.000 libras (454 kg), mientras que un incremento primario proporcional desde cinta para el mismo caudal puede ser inferior a 220 libras (100 kg). Esta diferencia en el peso del incremento primario se traduce aguas abajo en componentes de manipulación y procesamiento de material a una escala mucho menor. En consecuencia, los equipos de muestreo desde cinta son mucho más económicos. 

En segundo lugar, los equipos de muestreo desde cinta se instalan en la parte superior de las estructuras de las cintas. Por esto, no se requiere diseñar y construir una estructura adicional para instalar los recolectores primarios de muestra en la tolva, en el punto de transferencia entre dos cintas transportadoras. Esto no constituye solamente una ventaja en costos, sino que también significa que los sistemas de muestreo desde cinta se pueden acondicionar para instalar en cintas transportadoras existentes. Como consecuencia, normalmente solo se elige entre un equipo de muestreo de muestra descendente o uno mecánico desde cinta durante la etapa de diseño de una nueva línea de cinta transportadora.  

Por lo anterior, la gran mayoría de los sistemas de muestreo mecánico que se usan en la actualidad son del tipo de muestreo desde cinta. Por ello, el resto de este artículo se centrará únicamente en los sistemas de muestreo desde cinta.                    

¿Cuán importante es el mantenimiento para una operación de muestreo adecuada?

El mantenimiento es crítico para el desempeño de un sistema de muestreo; y en el diseño se debería maximizar la accesibilidad a los componentes a fin de realizar mantenimiento preventivo y reparaciones. Si bien es válida la preocupación de que un fácil acceso puede generar riesgos de seguridad (si no está bien diseñado), los componentes a los cuales no sea fácil acceder no recibirán toda la atención que requieren. Mantener y reparar los sistemas de muestreo de por sí no es muy popular como para complicar aún más este proceso.

Una característica importante que mejora tanto la seguridad como la accesibilidad es la posibilidad de desconectar la alimentación eléctrica de cada componente por separado. A menos que se especifique lo contrario, normalmente hay solo un punto para aislar con seguridad los equipos, en el panel eléctrico. Si se instalan interruptores locales con traba en cada componente, los operadores del sistema de muestreo mecánico pueden manipular rápidamente el componente de forma segura para limpiarlo e inspeccionarlo.  

Otra característica valiosa es que el chancador sea de fácil acceso, que afortunadamente se está convirtiendo en la norma de la industria. Los chancadores son elementos que están sometidos a mucho desgaste y tienden a obstruirse. Seleccionar el chancador que tenga el mejor acceso valdrá mucho la pena, por la reducción del tiempo de inactividad y la facilidad para reemplazar los martillos y las zarandas del chancador.  

Cada detalle pequeño cuenta. Recomendamos que los equipos de muestreo que adquieran tengan líneas de lubricación desde una ubicación central, para simplificar el proceso. También recomendamos la utilización de cubiertas de aluminio en cintas y componentes, para que no solo sean resistentes a la corrosión sino también livianas y fáciles de manipular durante las tareas de mantenimiento.  

Un caso muy importante de accesibilidad para mantenimiento se da en la plataforma y el acceso al recolector primario de muestra. Hemos visto muchos sistemas que no vinieron con ningún acceso al recolector primario de muestra simplemente porque no se lo solicitó así en la petición de oferta. Como consecuencia, muchos recolectores primarios de muestra nunca se limpiaron ni inspeccionaron. En los equipos de muestreo desde cinta hay un componente de desgaste crítico, en el extremo del recolector primario de muestra que barre las partículas más finas de la cinta transportadora. Es necesario ajustarlo con regularidad, por lo que debe contar con un acceso. Debido a la falta de un acceso adecuado, esta es la falla de mantenimiento más común y ocurre en el componente más importante.

El muestreo de carbón y coque es una aplicación exigente. Ambos productos pueden ser muy abrasivos y corrosivos, y el movimiento de estos materiales a través de tolvas de metal y dispositivos de muestreo inevitablemente repercute en los equipos. Utilizar metales y materiales menos robustos para disminuir costos siempre resultará evidente a medida que aumenten las horas de operación de los equipos. 

Es importante elegir bien el espesor y el grado del acero. Resulta esencial utilizar acero inoxidable en áreas de desgaste elevado o en lugares donde el carbón puede adherirse y comenzar a corroer el acero templado. Cuando revise planos de diseño, tenga especial consideración con la protección contra la lluvia y la acumulación de polvo en equipos clave, como el chancador.

Piense a largo plazo

A menudo, se pasan por alto cuestiones como las capas de imprimación y el tipo de pintura, donde los materiales y las aplicaciones de calidad inferior resultarán evidentes con el paso del tiempo.  

Se le debe prestar especial atención al recolector primario de muestra, el cual tomará miles de incrementos desde un flujo de carbón en movimiento desde la cinta transportadora. Asegúrese de que la estructura de la cinta transportadora sea lo más robusta posible, dado que una imperceptible y constante flexión puede ocasionar la fatiga del metal. Una innovación reciente que recomendamos enfáticamente es usar un embrague y un freno hidráulicos, combinados con un motor en funcionamiento constante.  Entendemos que este es un excelente ejemplo de que hay que pensar a largo plazo y tener en cuenta los incontables ciclos de operación de los equipos.

Uno de los criterios para tener en cuenta a la hora de seleccionar el fabricante del equipo de muestreo debería ser la reputación en cuanto a su confiabilidad y el servicio posterior a la venta. Un diseño deficiente será un dolor de cabeza difícil de curar.

Maximice la flexibilidad

La instalación no estará completa hasta que se calibre y certifique el sistema de muestreo. La calibración comienza con la configuración de los parámetros operativos, como las frecuencias de las cortadoras y las velocidades de las cortadoras y cintas transportadoras. Después, hay que probar estos parámetros con carbón en las condiciones operativas esperadas. Mientras se cumplan las condiciones mínimas de muestreo, hay margen para configurar los parámetros operativos a fin de lograr un buen flujo de material a través del sistema de muestreo. Es importante lograr un equilibrio entre un caudal suficiente como para que la muestra no pierda humedad (en particular en el chancador) y que haya capacidad no utilizada suficiente como para que el sistema de muestreo pueda manejar los picos máximos de caudal de la cinta principal.

Para cada conjunto de parámetros de muestreo (p. ej.: para distintos tamaños de lote), el sistema de muestreo se diseña para que la masa de muestra obtenida sea la milésima parte de la masa en análisis (lo que se conoce como relación de muestreo). La primera indicación de que la operación es adecuada es si la masa de relación de muestreo real se encuentra dentro del 10 % de la relación por diseño.  

La relación de muestreo se debe evaluar mediante Control de proceso estadístico (SPC) para determinar si el proceso de muestreo está en control.  

Una vez que se logra el control, definido en la mayoría de las normas como cuando se obtiene un coeficiente de variación inferior al 15 %, se puede considerar que el sistema de muestreo está calibrado y listo para la prueba de certificación, conocida como prueba de sesgo.

La prueba de sesgo es una prueba controlada donde se compara un conjunto de muestras (generalmente de alrededor de 30) con un conjunto de muestras de referencia similares, para confirmar la similitud estadística entre ellas. El método de recolección de las muestras de referencia para esta prueba no es otro que el de recolección de las muestras desde cinta estacionaria, considerado, en general, como el mejor método de muestreo posible. En breve, la prueba de sesgo confirma que el método de muestreo más práctico (muestreo mecánico) puede compararse con el mejor método de muestreo posible (muestreo desde cinta estacionaria).

Como señalamos al principio de este artículo, el muestreo desde la cinta estacionaria es perjudicial para las operaciones normales y se necesita gran cantidad de conjuntos de pruebas a fin de demostrar que un sistema de muestreo está libre de sesgo. Por lo tanto, la prueba de certificación es un proceso arduo y costoso. Por todo esto, es una buena práctica confirmar que el proceso de muestreo está en control antes de comenzar con la prueba. En muchos casos, se condiciona el pago final del sistema de muestreo a la aprobación de una prueba de sesgo, la cual es realizada en general por un tercero independiente. En los casos en que el comprador y el vendedor acuerdan el uso de un tercero, el fabricante ya no controla el calendario y, por lo tanto, es una práctica leal acordar un período de tiempo durante el cual se debe completar la prueba o realizar el pago final.

Calibración y certificación

Otra área importante en la cual planificar para el futuro puede dar sus frutos es un diseño del sistema de muestreo mecánico que tenga en cuenta la flexibilidad operativa. Siempre que sea posible deje un margen para el tamaño y la composición de los lotes que se deben muestrear. Tenga en cuenta potenciales planes de expansión de la planta o terminal donde se instalará el equipo de muestreo. Un escenario típico de incremento de productividad que se debe considerar es un futuro incremento en la velocidad de la cinta transportadora desde donde se toman las muestras. 

Una herramienta clave para maximizar la flexibilidad operativa es aprovechar las funciones del controlador lógico programable (PLC) que tienen todos los sistemas de muestreo modernos. Antes que nada, asegúrese de contar con el software incluido en la compra para modificar el programa. Esto le permitirá realizar cambios ante la aparición de requisitos adicionales imprevistos debido al agregado de nuevos equipos en el futuro. Asegúrese de dejar margen para la expansión del PLC y que se puedan agregar entradas y salidas, las cuales son esenciales a fin de agregar más funciones de control que se mencionan a continuación. Siempre que sea posible, configure al sistema de muestreo para que reciba datos del caudal y las toneladas de carga directamente desde una balanza de cinta transportadora.

Se recomienda incluir por diseño variadores de velocidad en las cintas de alimentación de los sistemas de muestreo. Los variadores de velocidad otorgan la flexibilidad necesaria para transportar el carbón a la velocidad de desplazamiento correcta cuando fluctúan el caudal o las frecuencias de los incrementos. Estas unidades de accionamiento pueden programarse con el PLC para modificar la velocidad de la cinta transportadora de acuerdo con caudales de alimentación predeterminados. En muchas situaciones, es una buena práctica de muestreo que el caudal hacia el chancador sea constante, y esto se logra mediante la flexibilidad en la velocidad de la cinta transportadora. La velocidad de desplazamiento de la cinta transportadora debe tener la flexibilidad para transportar incrementos primarios de lotes grandes que sean menos frecuentes (menor volumen en un corto período de tiempo) y, a la vez, transportar incrementos de lotes pequeños, que pueden ser más frecuentes y de mayor volumen en un corto período de tiempo.

Resulta crítico que la expansión sea posible; asegúrese de que su sistema cuente con los lazos de control por retroalimentación adecuados, dispositivos detectores y componentes electrónicos de información. Se deben instalar vibradores e indicadores de obstrucción de tolva en ubicaciones estratégicas de las tolvas de un sistema de muestreo. Con los vibradores se minimizan las obstrucciones en el sistema, cuando se toman muestras de carbón húmedo o fino. Los vibradores deben conectarse electrónicamente a los indicadores de detección de obstrucción de tolva. Si uno de los indicadores de obstrucción de tolva detecta una acumulación de carbón, puede emitir una señal electrónica para arrancar el vibrador antes de que efectivamente tenga lugar la obstrucción. Si el vibrador logra eliminar la acumulación, el indicador lo detectará y el sistema continuará con el procesamiento de la muestra sin interrupción. 

Los recolectores primarios de muestra siempre deben tener un enclavamiento de relés con la cinta transportadora principal desde donde se toma la muestra. Este enclavamiento es un mecanismo para evitar que ocurran daños y derrames de carbón excesivos si el recolector primario de muestra falla cuando se encuentra en medio del flujo de carbón. Además, el encendido del recolector primario de muestra siempre debe interconectarse con la señal de la balanza o del detector de material sobre la cinta transportadora. Los dispositivos electrónicos pueden detectar flujo de material y comunicarlo al temporizador de encendido del recolector primario de muestra. No es necesario que el recolector primario de muestra realice un ciclo de toma de incremento si no hay flujo de material.  

A veces los dispositivos de muestreo pueden levantar metal no triturable y el daño resultante puede ser grave. Se pueden incluir en el diseño detectores electrónicos de metal, para interrumpir el funcionamiento del recolector primario de muestra cuando se detecta la presencia de metal en la cinta transportadora principal. Un intervalo programado de retraso permitirá que el metal pase el punto de toma de muestra antes de continuar con el ciclo de muestreo. 

Consideraciones adicionales

Hay muchas consideraciones para tener en cuenta en el diseño y la compra de sistemas de muestreo mecánico. Este artículo describe muchos de ellos, pero siempre habrá factores que son únicos para cada situación.  Quienes compren sistemas de muestreo deben hacer los deberes y no solamente comprender la variedad de opciones que hay disponibles, sino también que deben transmitir lo que necesitan en la petición de oferta. La planificación y la supervisión durante todo el proceso son importantes para una instalación exitosa.

En muchos casos, con las muestras que se obtengan del sistema, se tomarán decisiones operativas importantes o se realizarán pagos comerciales. Creemos que resulta útil pensar la adquisición de un sistema de muestreo mecánico como la compra de una caja registradora para contabilizar su dinero. Asegúrese de obtener un sistema de buena calidad, hecho por un fabricante con un historial comprobado y con reputación por proveer soporte para su producto. 

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