INTRODUCCION

Las virolas son uno de los componentes básicos del típico horno rotativo. El armazón o conjunto de virolas se basa en una tubería de acero de chapa delgada, cuyo recubrimiento, está expuesto a tensiones elásticas generadas independientes de la deformación elástica. La deformación elástica se puede dar de las siguientes maneras:

• en las soldaduras del eje del tambor
• por torsión en las virolas
• deformaciones radiales localizadas en secciones de las virolas

El último tipo de deformación es particularmente peligroso, debido a su naturaleza claramente cíclica, cuyo periodo corresponde con los giros de la instalación. Este carácter cíclico es perjudicial desde el punto de vista de la fatiga, en el material de las virolas, (acero), y de la durabilidad del recubrimiento interior del mismo, (material refractario, hormigón), siendo estos problemas en el recubrimiento interior los más comunes en de la mayoría de los hornos rotativos.
En las zonas de apoyo o soportes es donde generalmente se produce una deformación radial de la sección transversal. Como consecuencia del peso de la chapa y de las cargas externas, (como por ejemplo el peso del revestimiento interior del horno), se generan una a deformación elástica en la sección transversal del tambor, que trata de adaptar su forma a la rigidez del aro que esta ensamblade a la virola con un deferminado juego /1/.
Esto significa, que durante la rotación del equipo, un punto de la superficie del virola no describe un círculo perfecto, ya que a lo largo de un contorno excéntrico posee un radio de curvatura diferente para cada posición de este punto. Estas variaciones en el radio se pueden definir en función del ángulo de rotación /2/. /. El hecho de que el radio este cambiando es debido a que la chapa de acero de la virola este bajo flexiones cíclicas, y el riesgo de rotura por fatiga en el acero de la virola aumenta con los cambios en la variación de la amplitud.
Los cambios cíclicos que se dan en el radio de la virola también influyen en la vida del recubrimiento interior de la instalación. Dicha influencia se plasma perfectamente en el efecto que deja los ladrillos con forma de cuña. Cuando la superficie del horno se deforma, el recubrimiento interior sufre tensiones alternativas y fuerzas de compresión /3/.
Dichas fuerzas alternativas pueden llevar al ladrillo a su rotura o astillamiento en sus aristas de contacto, donde este desgaste produce efecto de chaflán. Los típicos mecanismos de degradación del recubrimiento se muestran en la figura /3/. En la figura /3a/ se muestra una situación ideal, en la que la estructura no muestra ninguna deformación y los ladrillos están unidos de manera perfecta. La distribución de fuerzas en el área de contacto entre ladrillos esta en equilibrio. La figura /3b/ muestra una situación en la que el radio de curvatura aumenta excesivamente, las cargas en las superficies de los ladrillos disminuyen, aumentando la separación entre los ladrillos. Cuando el radio de la virola aumenta lo suficiente, existe la posibilidad de que los ladrillos se desplacen de su posición original o incluso se desprendan de la misma /3c/ cuando la posición de la instalación varié, (como consecuencia de su movimiento circular), este sufrirá una compresión. Esta situación podría provocar la rotura del ladrillo desplazado, en la sección de cizalladura comprimida por las aristas de los ladrillos adyacentes y el consiguiente desprendimiento de la sección cizallada y de mayor longitud del mismo. Una parte del ladrillo aun conserva su posición, pero el revestimiento en dicha zona es notablemente más delgado /3d/. En el caso de pequeños cambios en el radio de curvatura o una mejor adherencia entre los ladrillos, (fenómenos iniciales en la instalación), el movimiento de los ladrillos es limitado, pero se puede seguir produciendo el efecto de astillamiento. En este caso, este efecto se produce por micro-perdidas en zonas localizadas con acumulación de cargas en las aristas /3e/.

Resumiendo, el fenómeno de variación cíclica del radio de curvatura en la sección transversal del armazón, tiene un impacto muy negativo en la vida del recubrimiento interior del horno y de la chapa del mismo. Desafortunadamente este esfuerzo es inevitable, especialmente por especificaciones y necesidades desde el punto de vista de diseño, de la perdida de adherencia entre diámetro exterior de la virola y el diámetro interior del aro en que se apoya.
Monitorización periódica y mantener las tensiones en valores mínimos es a la postre la única manera de alargar la vida de operación del tambor en este aspecto.

METODO DE EVALUACION

El parámetro más usado en evaluar la deformación elástica en la sección transversal de la virola es el radio excéntrico del armazón elástico, ω₀ ( elastic shell-ovality-ratio). Se ha descubierto que la deformación de la sección transversal de la virola se puede aproximar por una elipse, y en algunos casos por un ovalo. Entonces el grado de excentricidad de la misma se podría describir con la siguiente formula:

, donde:

alongitud del semi-eje mayor de la elipse
blongitud del semi-eje menor de la elipse
rradio medio de la elipse /4/.

En la practica, en la formula anterior, a y b, son respectivamente el mayor y menor radios de curvatura en la sección transversal estudiada, que son el r_max y r_min /1/. Entonces la formula anterior pasa a ser:

, donde:

d - diámetro nominal del armazón en la sección analizada.

El valor buscado es entonces la máxima diferencia entre los radios, por ejemplo la amplitud máxima de variación del radio de la virola. Aparentemente, cuando la instalación esta en movimiento, es más sencillo determinar el rango de variación de los radios, que sus valores concretos. Se puede obtener indirectamente midiendo la diferencia de distancia entre el contorno sección transversal y la cuerda de longitud constante L - que conecta los dos puntos seleccionados A y B, que se encuentran en la superficie de la sección transversal examinada /5/.
En una elipse, los valores máximos y mínimos de la distancia medida son para la posición vertical y horizontal de la cuerda, respectivamente. El esquema de este método de medición se muestra en la figura /5/.
Para este método de medición, el rango de valores de ovalidad elástica de la virola se calcula según la fórmula simplificada: Esta fórmula es una aproximación de la realidad en relación a la fórmula anterior, basada en el máximo y el radio mínimo.

SHELLTESTER - principio de operación

La culminación del procedimiento descrito es el instrumento llamado Shelltester. Consiste en una viga de un metro con soportes magnéticos en sus extremos, para su instalación en la superficie de la virola y un sensor electrónico, ubicado en el centro de la longitud de la viga, que mide la variación relativa de la curvatura del mismo durante la rotación de la instalación /6/.
Este instrumento, diseñado, fabricado y puesto en práctica por los ingenieros de ZMP, permite tomar y almacenar los datos obtenidos en su memoria interna, así como su transmisión a un ordenador a través de una conexión wireless, para su posterior análisis /7/, /8/.

TESTS RUTINARIOS DE CAMPO

Estos exámenes incluyen la medición de todas las etapas del horno - en cada una se toman mediciones en dos secciones transversales de cada apeyo, en el lado de entrada y de salida, es decir, justo antes y justo después del aro. En cada sección, el dato se obtiene en tres tomas sobre la circunferencia de la virola,( A, B y C) - espaciadas equidistantemente 120^o.
Estos tests pueden variar, dependiendo de las limitaciones de los instrumentos instalados en un área determinada de la virola y/o decisiones conscientes del destinatario del servicio - consultadas con el ingeniero que lleva a cabo las mediciones.
Como norma, los siguientes parámetros se determinan también:

• La temperatura de la virola y del aro
• La migración circunferencial del aro relativa a la sección de la virola
• Tolerancias de ajuste, es decir , el juego del aro de apoyo.

Este dato es siempre fuertemente correlado con la ovalidad elástica de la virola y es un complemento necesario en el análisis de las deformaciones en el armazón de virolas de un horno.

DPOSIBILIDADES DE DIAGNOSTICO

El parámetro principal obtenido durante las mediciones con Shelltester es el radio de excentricidad del ovalo elástico de la virola. Comparando el valor obtenido con los limites permitidos y comparando los resultados de las tomas parciales en en la virola durante su giro, nos muestra una idea básica del riesgo de aparición de grietas en las virolas del horno por fatiga y/o pronóstico de vida del revestimiento interno (si existe). De todas maneras, determinar dichos limites no es sencillo, particularmente en el contexto de la vida de de la chapa de acero de la virola, sometida esfuerzos de fatiga. Sin exhaustivos cálculos de resistencia de materiales, es difícil determinar cual es el alcance de los esfuerzos a flexión que sufre el armazón y su eje geométrico, (flexiones en la conducción) y hasta donde se extiende los efectos de torsión.
En consecuencia, es difícil determinar el nivel permitido de tensiones residuales en cada punto, en relación con las deformaciones en el perfil de la sección transversal, o deformaciones de ovalo. Sin embargo, haciendo algunas suposiciones, se puede intentar establecer normas generales que permiten estimar estos límites permisibles. Si simplificando, asumimos que las variaciones tensiónales cíclicas, (o pulsos alternativos), sobre una calidad de acero normal, es de 40 MPa, y el 50% de el valor de esa tensión actúa flexionando en el eje del armazón de virolas y el otro 50% actúa sobre la sección transversal de este y con una torsión que consideraremos despreciable, asumiremos entonces que el valor de las tensiones de ovalidad elástica no sobrepasara valores de 20MPa.
Con este límite, el rango permitido de valores,("excentricidad de ovalo"), se puede determinar como función del diámetro interno del armazón /9/, pero es importante reseñar que el límite superior admisible se corresponde con los espesores mínimos típicos empleados en secciones de virola, y el límite inferior - para los valores máximos típicos. El valor típico del espesor para cada diámetro viene mostrado entre paréntesis /9/.
El diagrama /9/ muestra como por ejemplo, para un diámetro 5000mm, la deformación de ovalo no debería exceder de un 0.35% - para un espesor de virola de 80mm y 0.80% - para un espesor de 36mm.

En relación al recubrimiento interior del armazón, el límite de las deformaciones permitidas debe de ser especificado por el fabricante o el distribuidor. Se puede asumir que la deformación de ovalo, (expresada como porcentaje), aproximadamente, no debe exceder una décima parte del valor del diámetro de la virola, (expresado en metros). Por ejemplo, para un diámetro de 3600mm, se puede aproximar un valor de deformación elástica de ovalo en el armazón, de 0,36% como admisible, ( calculo; 0,1 x 3,6 m).

ANALISIS DE LOS DIAGRAMAS

Otra información útil, se puede obtener del análisis de la forma que toman las curvas en los diagramas que ilustran los cambios en el radio de curvatura de la sección transversal estudiada, como función del ángulo de giro del horno. Estos diagramas nos pueden dar pistas sobre las causas que provocan el aumento de la excentricidad.

En el caso de los tests rutinarios, se tomaran 6 mediciones en cada etapa con Shelltester (en 2 secciones por etapa x 3 posiciones A, B y C). Cada una de las 6 tomas generar una curva. Cada curva de manera individual y su comparación, son importantes fuentes de información adicional para la obtención de diagnostico apropiado. Si no se diese ningún tipo de deformación en la virola, la curva (en coordenadas cartesianas), se trataría de una línea recta, (entendiéndose esto como una ausencia de indicadores por parte del sensor).

Esta situación nunca ocurrirá, porque la deformación siempre esta presente incluso en puntos, aunque la virola ajuste perfectamente al aro, la instalación acabara creando deformaciones correspondientes con el cambio de radio. Estas, desde luego, serán muy pequeñas, pero en la mayoría de los hornos rotativos serán finalmente visibles en el contorno circular de la instalación. Estos puntos, que corresponderán con los extremos del radio de curvatura de la virola,( también del aro), se muestran en la figura /10a/.
La grafica mostrada en esta figura, muestra claramente que la virola, (aro), se endereza (el radio de curvatura va en aumento) en el lugar de contacto con los rodillos y en la posición cenital.
Asumiremos entonces que el comportamiento del armazón con relación a la figura /10a/ es correcto. Sin embargo, esta curva no es siempre perfecta. La desviaciones típicas con relación al estándar se muestran en las figuras /10b/ - /10h/. Estas figuras representan los cambios en la forma de las curvas en función del tipo de defecto presente en la instalación.

Por ejemplo:

• Cargas excesivas por parte del aro y/o infradimensionamiento del mismo /10b/,
• Exceso de juego aro-virola /10c/,
• Carga insuficiente en el aro y/o sobredimensionamiento del mismo /10d/,
• Excentricidad en el eje geométrico de la virola /10e/,
• Desalineación en el sistema de apoyo, en el plano horizontal /10f/,
• Grietas en la virola /10g/,
• Incorrecta inclinación de los rodillos (y en el aro) con relación al eje de rotación /10h/.

Por supuesto, en las actuales condiciones, estos defectos están presentes en mayor o menor medida y se propagan, y las curvas resultantes no siempre tienen un carácter irrefutable.
A pesar de las posibles dificultades, las curvas, sin embargo, proporciona una oportunidad adicional para una evaluación general del estado técnico de un horno giratorio, y en caso de que el análisis incluye los cálculos de resistencia, detección de defectos que pueden ser aún evaluados en términos cuantitativos.

CONDICIONES DE MEDICION

• Velocidad de giro de la instalación: 0.5 - 3.5 rpm
  (recomendada de 2.5 rpm),
• Temperatura máxima de la virola: < 350^oC,
• Temperature ambiente: 0 - 40^oC,
• Acceso seguro a las secciones de medida
  (podría requerir una parada temporal).