Hace más de 40 años desde que el primer martillo hidráulico salió al mercado. Equipo Minero solicitó a algunos de los principales fabricantes del mundo su opinión respecto a la tecnología, y hacia donde apunta.

Como un pilar a largo plazo en la tecnología de perforación, la perforadora COP1838 de Atlas Copco proporciona 18-19 kW de potencia de percusión de hasta 60 Hz.

Los cambios importantes en la tecnología de la perforación en roca dura pueden contarse con una mano: la introducción de las perforadoras neumáticas para reemplazar los grandes martillos perforadores; la conciencia de que el agua es esencial para contener el polvo durante la perforación; y la sustitución de la energía neumática por la energía hidráulica. Para poner esto en perspectiva, el hombre dominó la perforación hasta mediados de la década del 1800, cuando apareció uno de los primeros diseños de perforadores neumáticos. La toma de conciencia de que el polvo generado por la perforación mecánica en seco era un gran peligro para la salud se demoró otros 50 años o más para materializarse, pero a partir de entonces, hasta la primera mitad del siglo 20, la perforación neumática era popular.

Básicamente, un desarrollo posterior a la II Guerra Mundial, la aplicación de la tecnología hidráulica en entornos industriales marcó otro hito, aunque pasó un tiempo antes de que el concepto se trasladara al sector de la minería. Según Atlas Copco, la empresa presentó su primera perforadora hidráulica, la COP1038, en conmemoración de su centenario en 1973. Su desarrollo se inició en la década del 60, agregó, señalando que si bien los primeros diseños demostraron no ser tan eficaces como se esperaba, era claro que el concepto tenía un gran potencial.

Por supuesto, Atlas Copco no era dueña de este campo; puesto que otras empresas también estaban trabajando en el concepto. Hannu Paasonen, uno de los miembros del equipo involucrado en Tamrock en ese tiempo, recordó que la empresa había introducido su propia perforadora hidráulica en 1974; él mismo diseñó más tarde las primeras unidades producidas por Doofor, otra empresa finlandesa, según mencionó a Equipo Minero.

Y en EE.UU., las empresas, como Gardner Denver, también reconocieron la oportunidad de mejorar la eficiencia de la perforación con potencia hidráulica, sobre la base de la experiencia adquirida durante la mayor parte del siglo 20 con sus perforadoras neumáticas.

Hoy en día, las perforadoras hidráulicas son las máquinas preferidas para gran parte de las empresas mineras y contratistas de todo el mundo. Por supuesto, que estas implican diferentes requisitos en términos de mantenimiento e insumos. Éstas ofrecen mayor beneficio por no tener que depender de una amplia gama de tuberías para su fuente de alimentación, con bombas eléctricas que aportan ventajas en términos de reducción de ruidos y mejor calidad de ventilación. Por sobre todo, los equipos que transportan las perforadoras hidráulicas, ya sea para el desarrollo o producción, son más flexibles de usar.

Con el fin de obtener una mejor comprensión sobre cómo la tecnología de perforación hidráulica para las aplicaciones subterráneas se ha desarrollado en los últimos años, y algunos de los principales problemas asociados con su aplicación, Equipo Minero solicitó la opinión de algunos de los proveedores más importantes del mundo. Los encuestados fueron Kalle Kuusento, gerente general de Doofor; Morgan Kanflod, gerente de la gama de productos Atlas Copco para perforadoras de roca subterráneas; Anssi Kouhia, gerente de productos de Sandvik; y Joe Patterson, vice-presidente de marketing de TEI Rock Drills en EE.UU.

El doble brazo DD422i, uno de los jumbos de la minería de la siguiente generación de Sandvik, está equipado con las perforadoras hidráulicas RD525 de 25 kW.

Mirando Una Década Hacia Atrás

La primera pregunta que Equipo Minero hizo a los expertos de la industria, fue sobre su punto de vista respecto a los principales acontecimientos de la tecnología de perforación hidráulica en los últimos 10 años.

“El enfoque ha estado en una mejor disponibilidad y períodos más largos entre los mantenimientos,” dijo Kanflod de Atlas Copco. “Esto ha ayudado a los clientes a aumentar la productividad y reducir los costos. También se han logrado mejoras adicionales en la velocidad de penetración mediante el aumento de la frecuencia de perforación de la roca.”

Kuusento de Doofor se centró en el funcionamiento interno de la perforadora. “Hemos realizado mejoras en la función de las válvulas en nuestras perforadoras de roca, con el fin de reducir la ‘pérdida de flujo’ del aceite hidráulico y para reducir la cavitación a casi cero,” dijo.

Kouhia de Sandvik también se enfocó en el diseño interno, así como en señalar que la introducción de la perforación de alta frecuencia ha producido mayor eficacia. “La erosión por cavitación ha sido eliminada mediante el uso de la simulación CFD altamente sofisticada,” dijo, “y se han logrado mejoras importantes en la fiabilidad mecánica debido a las herramientas FEM de simulación dinámica en 3-D, de tecnología propia y última generación.”

TEI Rock Drills sostiene que la nueva TE1000 es la perforadora con el perfil más corto y bajo en su clase de potencia.

Patterson de TEI consideró que los principales desarrollos involucraron principalmente el diseño de versiones más grandes de las perforadoras de galerías antiguas, aunque “TEI cuenta con uno de los pocos conceptos nuevos en perforación de percusión durante los últimos 15 años,” afirmó. “Nuestro sistema de ajuste de carrera automático patentado, o ASA, según sigla en inglés, reduce la potencia y la frecuencia del pistón cuando la perforadora de galerías no está completamente enganchada con la roca. En la minería, esta tecnología reduce considerablemente el desgaste de las herramientas de perforación al no permitir que la perforadora de galerías ‘se incendie en seco’ durante la operación.”

Equipo Minero, a continuación preguntó sobre los materiales empleados en la construcción de la perforadora, y sobre lo que los expertos consideraban como los avances más importantes que se habían hecho. Kanflod mencionó uno de los componentes clave de la perforadora; el pistón. “Durante los últimos años, se han introducido pistones resistentes a la corrosión y, por lo general, más durables a los impactos,” dijo. “Atlas Copco ha hecho un gran esfuerzo por encontrar el proceso de endurecimiento correcto para sus pistones y otros componentes de acero.”

“El acero de alta calidad es el ingrediente más importante para lograr una perforadora de galerías exitosa,” agregó Patterson. “En Estados Unidos y Europa, tenemos acceso a acero de calidad documentado, por lo que las perforadoras de galerías más ampliamente utilizadas en todo el mundo provienen de estas áreas. Los avances en los materiales plásticos para los sellos y rodamientos también han incrementado la vida útil de estas piezas de desgaste, así como la reducción de los costos.”

Kuusento dijo, “los diferentes tipos de tratamientos y revestimientos se han vuelto más populares en la tecnología de perforación de rocas. Sin embargo, el diseño apropiado sigue siendo el elemento clave para lograr una perforadora de rocas de penetración rápida, con una buena vida útil en servicio.”

Kouhia también observó las especificaciones del acero. “Los aceros especiales se utilizan ahora más a menudo,” dijo. “En algunos casos, estos aceros son tan duros que el tratamiento térmico por separado no es necesario, y se han producido avances en la tecnología de la aleación, revestimiento y tratamiento térmico para prolongar la vida útil de los componentes en condiciones de perforación cruciales.

“La pureza del material ha sido un tema clave para las piezas de percusión, debido a sus requisitos contra ciclos de fatiga ultra altos, y la siguiente gran cosa será la impresión 3-D de partes huecas y complejas,” agregó.

Equipos Hidráulicos Recargados El pasado mes de diciembre, Atlas Copco anunció la disponibilidad a nivel mundial de su perforadora jumbo, Boomer M de uno o dos brazos, “recargado,” ahora equipada con la perforadora de roca COP 1838HD+. Descrito por la empresa como su “caballito de batalla favorito en la minería subterránea y túneles,” la máquina ahora tiene una serie de mejoras que la hacen más resistente, más limpia, más segura y más fácil de operar, señaló Atlas Copco. El gerente de productos, Johan Jonsson, dijo en su momento: “El uso de contratistas en el sector de la minería se hace cada vez más común, y estas empresas nos han dicho que necesitan equipos de perforación extremadamente robustos para perforar en ambientes más duros, y de preferencia equipos que puedan ser utilizados en más de una aplicación. En respuesta, hemos desarrollado adicionalmente la nueva serie Boomer M. Estos equipos son ahora mucho más fuertes y más potentes, y se pueden utilizar para la perforación frontal así como para el apernado en roca.” El Boomer M también incorpora varias características nuevas al diseño que ayudan a ampliar los intervalos de servicio, indicó Atlas Copco. Un nuevo sistema de filtración mantiene la lubricación por aire y aceite hidráulico libre de agua y partículas finas. Esto mejora la calidad del aire y aceite, lo cual a su vez prolonga la vida útil de los componentes hidráulicos y las perforadoras de roca. Disponible en varias versiones, la familia COP1838 de perforadoras hidráulicas de galerías está diseñada para perforar agujeros de 38 mm a 89 mm de diámetro (1,5 a 3,5 pulg.), con la nueva generación de estas perforadoras con intervalos de mantención 50% más largos que los modelos anteriores de la gama. La empresa señaló que el COP 1838 tiene un sistema de amortiguación doble para disipar y alejar las ondas de choque desde la roca, estableciendo el mejor contacto posible entre la broca y la roca. Esto permite máxima transmisión de potencia a la trituración, mientras se mantiene las roscas de la columna de perforación firmemente apretadas. El diseño también incluye tres acumuladores para nivelar los picos de presión en el sistema, maximizando la vida útil de los componentes, dijo la empresa. Equipado con las perforadoras COP1838, el jumbo Boomer M ‘recargado’ cuenta con una amplia gama de mejoras de rendimiento y mantención.

Mejorando la Fiabilidad del Equipo

¿Qué han hecho los fabricantes por mejorar la confiabilidad de los equipos de perforación hidráulicos? Kuusento dijo que Doofor ha utilizado diseños computacionales desde el principio. “En los últimos 10 años, Doofor ha minimizado la fricción dentro de sus perforadoras para garantizar que los componentes más importantes logren una buena vida útil,” explicó.

“También es de suma importancia asegurar de que los usuarios finales sepan cómo utilizar sus perforadoras correctamente, usar los aceites hidráulicos apropiados de alta calidad para asegurarse de que hay suficiente lubricación en el vástago cuando se opera la perforadora.”

“No hay otro secreto para la confiabilidad que el trabajo duro y la experiencia,” dijo Kanflod. “Ustedes tienen que entender las fallas que sucedieron en las generaciones previas de las perforadoras de roca y trabajar duro para mejorar los problemas que ocurrieron. Algunos problemas pueden ser resueltos dentro de la familia existente de las perforadoras de roca, mientras que otros sólo se pueden resolver con el diseño de una nueva generación de perforadoras.”

Patterson abordó la parte técnica de la fabricación en este contexto. “El mecanizado CNC ha traído consistencia a la fabricación de las perforadoras de galerías que han ayudado a mejorar la fiabilidad y la calidad,” dijo. “La mayoría de los fabricantes tienen muchos años de experiencia con las perforadoras de galerías que no pueden ser reproducidas por una empresa principiante. Esta experiencia de lo que funcionará, y lo que no funcionará, ayuda a mejorar la fiabilidad.

“Y, por supuesto, las nuevas innovaciones, tales como el control de carrera automático de TEI, son una enorme mejora sobre las perforadoras de galerías que sólo pueden proporcionar 100% de potencia, el 100% del tiempo.”

Sandvik está “siempre apuntando a mejorar los intervalos de mantenimiento,” dijo Kouhia. “Las perforadoras son más sencillas y los materiales son seleccionados muy cuidadosamente. Los avances en la tecnología de simulación nos han permitido analizar y reducir los esfuerzos en puntos calientes, que han mejorado de forma significativa las expectativas de la vida útil para aquellas partes con las cargas más altas. Además, un mejor sistema de filtrado y enfriamiento de aceite mantiene las temperaturas del aceite en el rango óptimo, y también han habido mejoras en la tecnología de las mangueras que han ayudado a reducir la cantidad de mangueras rotas, y permitir un mejor recorrido alrededor de la máquina.

Cuando se preguntó qué mejoras en el rendimiento pueden esperar lograr los usuarios con el cambio de la perforación neumática a la hidráulica, dijo Patterson, “las perforadoras de galerías neumáticas se utilizan principalmente en los países del tercer mundo y los países con grandes subsidios a los combustibles. Nadie le dirá que una perforadora de galerías perfora dos veces más rápido por la mitad del costo del combustible. Se requiere el doble de combustible para girar los tornillos en un compresor de aire que una bomba hidráulica.”

“Las perforadoras de galerías hidráulicas dan de 3.500-6.000 golpes por minuto,” dijo. “Una vieja perforadora neumática con suerte da 1.700 golpes por minuto. Por último, ninguna empresa ha diseñado una perforadora neumática nueva en más de 25 años. Tecnología antigua…tecnología realmente antigua.”

Kuusento: “Lo más importante es el ahorro de combustible. Uno puede conseguir una muy alta velocidad de perforación en comparación con la perforación neumática con el mismo motor.”

Kanflod estuvo de acuerdo y dijo: “Hay una enorme mejora en la eficiencia energética cuando se cambia de un equipo neumático a uno hidráulico. La velocidad de perforación es mejor, lo que por supuesto aumenta la productividad del cliente, y también hay una notable reducción de los costos del acero para las brocas al pasar de las perforadoras neumáticas a las perforadoras de roca hidráulicas.”

Kouhia: “La confiabilidad es mejor donde la perforación de alta potencia es necesaria. Los pistones y las herramientas duran más debido al diseño de los componentes de las perforadoras hidráulicas, mientras que los sistemas hidráulicos pueden utilizar la estabilización del retroceso de roca, lo cual es muy difícil o imposible de usar con los martillos neumáticos.”

Consideraciones Sobre Fluidos

El fluido utilizado en los sistemas hidráulicos es un aspecto fundamental para lograr buenos resultados con ellos. Demasiado a menudo, los fluidos pueden ser contaminados por el agua o la suciedad debido a las malas condiciones de almacenamiento, mientras que los problemas relativos al mantenimiento pueden conducir a que los filtros no se cambien con la regularidad que deberían. ¿Qué deberían hacer las empresas mineras para asegurarse de que los fluidos que utilizan se mantengan libres de contaminación?

Patterson: “Usar filtros hidráulicos de alta presión en todas las líneas de presión hacia la perforadora. Nunca hacen esto, y las empresas mineras siempre pagan el precio por ignorar una solución tan simple.”

Kanflod: “El mantenimiento preventivo, incluyendo el cambio de filtros, es uno de los primeros pasos. La filtración continua del aceite hidráulico, a través de los sistemas de filtración renal, también es algo de lo cual podemos ver buenos resultados, eliminando no tan sólo las partículas sino que también el agua. Por último, la limpieza durante la mantención y reparación de la perforadora de roca es lo más importante; no importa cuan bueno sea su sistema de filtración si deja contaminación dentro de la perforadora durante la mantención.”

Kuusento: “Es importante asegurarse de que los filtros de aceite estén en buenas condiciones, y es una buena idea tener un filtro tanto en el lado de presión y el lado de retorno de la broca. Los operadores pueden capacitar a su personal para que recuerden que cuando se abre una perforadora hidráulica para su mantención, el riesgo de ingreso de partículas extrañas en la perforadora debe ser minimizado mediante un alto grado de limpieza.”

Kouhia resume este consejo diciendo: “Almacenar fluidos hidráulicos correctamente y seguir estrictamente las recomendaciones de los proveedores de aceite. El análisis periódico y mantenimiento preventivo del aceite son la clave para un buen rendimiento.”

De este modo, se les preguntó respecto a cuáles son los errores que los fabricantes reconocen como los más comunes que las empresas mineras cometen cuando usan y mantienen sus sistemas de perforación hidráulicos, y qué consejo podrían darles para ayudarles en este sentido. “Los fluidos hidráulicos pierden viscosidad con el tiempo y se deben cambiar a los intervalos recomendados por el proveedor de aceite,” dijo Kuusento. “Si se realiza una revisión general en una perforadora jumbo, los aceites hidráulicos no siempre se cambian, lo cual es un gran error.”

“Vemos empresas que usan componentes y piezas por mucho tiempo sin prestarles ningún servicio,” dijo Kouhia. “Algunos usan el tipo equivocado de aceite y puede ser que no haya ninguna instalación adecuada de mantenimiento o herramientas. La capacitación de mantenimiento puede ser deficiente y esto conduce a la contaminación que ocurre cuando se revisan los componentes críticos. Si las mangueras se rompen, puede ingresar polvo si éstas no se lavan correctamente.”

Patterson: “Abrir solamente las perforadoras de galerías en una sala limpia, y tener una de repuesto para intercambiarla por una que requiere mantenimiento. No hay nada como la limpieza en lo que respecta a los sistemas hidráulicos.”

Kanflod: “Un problema común que vemos, al usar la configuración incorrecta para una aplicación específica, es que los operadores utilizan una configuración ‘estándar’ para todas las diferentes condiciones y perforadoras de roca. Otra cosa es no llevar a cabo las tareas de mantenimiento preventivo de acuerdo a nuestras recomendaciones; esto puede afectar la vida útil de la perforadora y la disponibilidad del equipo.

“Una forma de resolver estos dos problemas es seguir los documentos de configuración y las instrucciones de mantención para nuestras perforadoras de rocas y unidades de rotación; de este modo se podrá mejorar su rendimiento y aumentar su disponibilidad.”

TEI fue un Pionero Perforando con una perforadora de galerías TE1000. Joe Patterson dijo a Equipo Minero que la empresa comenzó a fabricar su primeras perforadoras hidráulicas cuando los nuevos dueños de Gardner Denver, para quien su padre fue el ingeniero jefe, traslado la producción de Colorado a la costa este de los EE.UU. en 1981. Aunque la empresa se centra ahora más en la industria de la construcción que en la minería, debido a su estabilidad por mayor demanda, TEI trabaja con OEMs y usuarios finales del sector minero que deseen cambiar las marcas de perforadoras de galerías por sus jumbos. La perforadora de galería hidráulica más reciente de la empresa, la TE1000, se diseñó con el fin de incorporar su sistema de percusión ASA, junto con el alto par motor de su perforadora rotatoria RDS1000. ASA sólo permite a la unidad de percusión funcionar a plena fuerza cuando se enganchan las herramientas de perforación; cuando se topa con un vacío o no tiene suficiente presión descendente, ASA reduce automáticamente la energía y la frecuencia del pistón. La alta frecuencia y buen funcionamiento del sistema de percusión se logra mediante la utilización de tres acumuladores cargados de nitrógeno que nivelan los picos de presión en el sistema hidráulico, para garantizar la máxima vida útil a las partes de la perforadora de galería internamente, así como la máxima vida útil a las herramientas externamente. Según Patterson, las perforadoras TE260 y TE160HT más pequeñas de TEI son muy populares para el empernado de techos, mientras que la TE260 de 7,4 kW también se utiliza de forma generalizada en Sudáfrica en perforadoras jumbos montadas en riel para vetas estrechas, las cuales fueron introducidas al mercado en 2012. El fabricante, contratista minero JIC Mining Services, diseñó el equipo Mantis de doble brazo para llenar la brecha entre los martillos perforadores manuales y los jumbos de gran producción. TEI ha entregado más de 70 unidades de perforación sólo para esta aplicación, con las jumbos Mantis que han demostrado ser muy populares para el desarrollo tanto de las minas de oro como de platino en el país.

Diseñadas para Una Mantención Más Simple

A partir de estas reflexiones, Equipo Minero, preguntó cómo los fabricantes pueden hacer que sus perforadoras sean más fáciles de mantener por los usuarios, dado que la industria minera a menudo carece de mecánicos calificados que se especialicen en equipos hidráulicos.

“Tenemos que usar menos piezas y proporcionar buenas instrucciones de mantenimiento,” sugirió Kouhia, “con la posibilidad de entregar capacitación regular en nuestras instalaciones de producción y distribución. El uso de kits de servicio con instrucciones sencillas también ayudarán, mientras que necesitamos diseñar perforadoras que sean apropiadas para diferentes grupos de clientes.”

Kuusento acordó: “Los fabricantes deben entregar manuales de mantención ilustrados, fáciles de seguir, por escrito y en formato de video,” dijo. “Las perforadoras de galerías Doofor no son muy difíciles de mantener y entregamos a nuestros distribuidores, clientes OEM y usuarios finales la capacitación adecuada.”

Kanflod: “Podemos hacer la vida del usuario un poquito más fácil, al diseñar equipos más confiables que no tienen que ser mantenidos con tanta frecuencia. También tenemos que diferenciar claramente entre una mantención diaria que se puede realizar en el lugar de trabajo y las revisiones más grandes que tienen que realizarse en un taller. Los puntos de mantención deben ser de fácil acceso y las mangueras deben estar protegidas contra el desgaste accidental e innecesario para prolongar su vida útil.”

Patterson: “Esta es una pregunta difícil, ya que no hay sustituto para la mano de obra calificada. En TEI, nos tomamos muy en serio este problema. Mantenemos escuelas de perforación, hidráulica y reconstrucción de perforadoras para ayudar a nuestros clientes a mantenerse operando y de manera rentable. Cualquier fabricante que no esté entrenando activamente a sus clientes tendrá graves consecuencias en el futuro,” advirtió.

¿Hacia Dónde Ahora?

Por último, Equipo Minero preguntó sobre los desarrollos más importantes que los expertos esperan ver en cuanto a la tecnología de perforación hidráulica en los próximos cinco años. Todos ellos mencionaron las mejoras en la eficiencia de perforación, el menor consumo de energía y el incremento en los intervalos de mantención, todo lo cual ayudará a los usuarios a reducir sus costos de perforación en general. De Atlas Copco, Kanflod señaló que la confiabilidad de las perforadoras de roca es muy importante, con la necesidad de reducir las paradas no programadas para hacer mejor uso de la automatización y perforación operada en forma remota para aumentar la seguridad y la productividad.

Kuusento: “Doofor continúa desarrollando sus productos para crear perforadoras de roca más rápidas y hacer intervalos de mantención más largos. Con mejores métodos de fabricación se reducirá el precio de los repuestos para los usuarios.”

Patterson: “Las perforadoras usadas en aplicaciones subterráneas se diseñarán de mejor manera, para que las perforadoras más pequeñas y livianas operen a la misma potencia de salida que las que se utilizan en la actualidad. Esto permitirá la misma cantidad de extracción de rocas con equipos más pequeños y un menor consumo de combustible.”

Kouhia prevé el uso de perforadoras de roca con mayor frecuencia, no necesariamente con más potencia, pero que son capaces de lograr una mejor eficiencia de perforación. “La hidráulica digital está llegando, con avances en los sistemas de control, funciones automáticas, navegación de brazos a través de sensores y GPS subterráneo,” dijo. “Todos estos están orientando el juego más y más hacia el uso de los equipos electrónicos y computacionales.”

Doofor Abastece a Varios Mercados Según Kalle Kuusento, Doofor produce perforadoras de galerías hidráulicas con salida de potencia de 5 kW a 22 kW para la excavación, explotación minera y apernado en general. Ha estado suministrando sus equipos a OEMs en todo el mundo desde 1993, y desde 2010 ha estado trabajando con Scandinavian Pile Driving (SPD) en el desarrollo de mástiles de perforadoras que se pueden montar en excavadoras y grúas hidráulicas. Kuusento dijo a Equipo Minero que el mástil MD33 de SPD, equipado con la perforadora Doofor DF530S, ha sido diseñado como una buena combinación para la perforación de pernos móviles. La perforadora Doofor DF530S es una versión actualizada de la perforadora de galerías serie DF500, con una nueva válvula de control para minimizar el desvío de flujo y crear una alta frecuencia de percusión de 90 Hz. Doofor afirma que la DF530S puede ahorrar hasta el 20% del flujo de aceite hidráulico en comparación con la versión anterior, además de ser más resistente a las variaciones de presión de la plataforma de perforación. Un mástil SPD MD33 y perforadora de galerías Doofor, montados en un retroexcavador Huddig 1260c.