Introducción
Los rodillos de acero y los rodillos compuestos se usan ampliamente en correas transportadoras de materiales a granel, y cada uno tiene un conjunto bien definido de condiciones en las que es la mejor opción. Este artículo compara ambas tecnologías en las propiedades que determinan el desempeño del rodillo en servicio: masa y manipulación, desgaste y protección de la correa, corrosión, rigidez, estabilidad dimensional, centrado de la correa, ruido, disipación de calor, comportamiento frente al fuego y al impacto, impacto ambiental y costo total de propiedad. Está escrito para ingenieros y especificadores de correas transportadoras, y se basa en las cuatro décadas de Lorbrand diseñando y fabricando rodillos de acero y en más de una década con rodillos compuestos.
Ambas tecnologías tienen fortalezas reales y limitaciones reales. Las instalaciones más eficaces usan cada tipo donde sus características se ajustan a las condiciones de operación de la posición que ocupa.
La evolución de la tecnología de rodillos compuestos
Los rodillos de acero han sido la base de los sistemas de correas transportadoras desde las primeras correas, y su tecnología es madura, bien conocida y normalizada. Los rodillos compuestos, en cambio, han evolucionado considerablemente desde su introducción en la década de 1980. Los primeros diseños eran construcciones híbridas, tubos de HDPE simple montados a presión sobre tubos de acero de pared delgada, que ofrecían resistencia a la corrosión pero estaban limitados por las pobres propiedades mecánicas del HDPE sin refuerzo.
La introducción de tubos de HDPE reforzado con fibra de vidrio (GF-HDPE) eliminó el tubo interior de acero y dio lugar a tubos íntegramente de polímero. Sin embargo, las primeras formulaciones aún carecían de la rigidez a la flexión necesaria para aplicaciones de servicio pesado. Los tubos de GF-HDPE de la generación actual, desarrollados por fabricantes especializados de polímeros, ofrecen propiedades mecánicas y una resistencia a la abrasión que los hacen aptos para aplicaciones mineras exigentes. Existen formulaciones especiales con propiedades retardantes de llama y antiestáticas, aunque los especificadores deben saber que estos aditivos pueden reducir la resistencia al desgaste y la resistencia mecánica en comparación con el GF-HDPE estándar.
Peso, seguridad y manipulación
20–60%
más liviano que un rodillo de acero equivalente
La masa de un rodillo compuesto suele ser entre un 20 y un 60% menor que la de un rodillo de acero equivalente, según sobre todo el espesor de pared del tubo de acero al que reemplaza. En un rodillo CEMA D6 de 1200 mm de largo de cara, esto equivale a pasar de aproximadamente 26 kg (acero) a 19 kg (compuesto). El beneficio ergonómico durante la manipulación manual (instalación, mantenimiento y reemplazo) es considerable. Las lesiones por manipulación manual están entre las causas más comunes de incidentes con tiempo perdido en el mantenimiento de correas transportadoras, y reducir el peso unitario en una quinta parte o más mitiga directamente este riesgo.
La menor masa rotatoria también reduce el torque de partida requerido y puede reducir moderadamente el consumo de energía en régimen permanente, aunque esto último depende de factores del sistema como la tensión de la correa, la carga de material y el largo de la correa transportadora, y no debe suponerse sin un análisis.
Resistencia al desgaste y protección de la correa
El acero es el material más duro y tiene una resistencia a la abrasión superior en términos absolutos: pierde menos material por unidad de tiempo bajo contacto abrasivo. Esto se demuestra con facilidad: en un ensayo de abrasión directo, el GF-HDPE se desgasta considerablemente más rápido que el acero. La experiencia en terreno de faenas que operan ambos tipos de rodillos en condiciones abrasivas agresivas confirma de manera consistente que los rodillos de acero superan a los compuestos en vida al desgaste en estos ambientes.
Lo que sí ofrecen los rodillos compuestos es una mayor reserva de desgaste. Un espesor de pared típico de 15–20 mm en un rodillo compuesto, frente a 4–6 mm en uno de acero, aporta más material antes de que el tubo se perfore por desgaste. Sin embargo, no todo el espesor de pared está disponible como vida útil al desgaste. A medida que el tubo se adelgaza, su rigidez a la flexión y su capacidad de carga disminuyen, y el factor de seguridad de diseño del fabricante se erosiona progresivamente. Una profundidad de desgaste radial de 5 mm se usa comúnmente como umbral de planificación, aunque el límite admisible real depende del margen de diseño, la carga de operación y el largo de cada rodillo. En condiciones abrasivas moderadas, esta reserva de desgaste utilizable podría aún traducirse en una vida útil mayor que la del acero pese a la mayor tasa de desgaste. En ambientes abrasivos agresivos, en cambio, la tasa de desgaste del GF-HDPE puede ser tanto mayor que la del acero que los rodillos de acero duran más que los compuestos.
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La ventaja en protección de la correa se mantiene independientemente de la tasa de desgaste. Cuando el tubo de un rodillo de acero se perfora por desgaste, el borde filoso resultante puede causar daños catastróficos a la correa y llegar a destruir en minutos una correa que vale cientos de miles de dólares. Un tubo compuesto desgastado no desarrolla bordes filosos y es mucho menos probable que dañe la correa, incluso con un desgaste severo. La ventaja está en el modo de falla más que en la resistencia al desgaste, y como seguro contra daños a la correa puede valer mucho más que el precio de compra del rodillo. Por otra parte, el desgaste de los rodillos compuestos se acelera de forma no lineal a medida que se reduce el diámetro, por efecto de la diferencia de velocidad superficial, y un desgaste excesivo disminuye la capacidad de carga.
Resistencia a la corrosión y a los productos químicos
El GF-HDPE es inmune a la corrosión por naturaleza. En instalaciones costeras, plantas de procesos químicos, manejo de fertilizantes o ambientes con aguas ácidas de mina, los tubos compuestos ofrecen una ventaja decisiva. El tubo nunca se oxidará, picará ni desarrollará desbalance por corrosión. Los rodillos de acero en estos ambientes requieren costosos recubrimientos protectores, galvanizado o construcción en acero inoxidable, todo lo cual agrega costo y aun así puede degradarse con el tiempo.
Rigidez estructural y capacidad de carga
30–70×
módulo de flexión del acero (≈200 GPa) en relación con el del GF-HDPE (3–6 GPa)
El módulo de flexión del acero (aproximadamente 200 GPa) es entre 30 y 70 veces mayor que el del GF-HDPE (3–6 GPa). Aunque la pared compuesta más gruesa compensa en buena medida, no cierra del todo esta brecha. Bajo cargas pesadas, los tubos compuestos se deflectan más que los de acero con el mismo diámetro exterior, y esta deflexión aumenta a medida que el tubo se adelgaza por desgaste.
En aplicaciones del extremo superior de las clasificaciones de servicio de correas transportadoras (altas tensiones de correa, densidades aparentes elevadas, gran espaciamiento entre polines), el acero sigue siendo la opción adecuada. Cuando se reemplazan rodillos de acero por compuestos, puede ser necesario especificar un diámetro mayor para mantener una deflexión aceptable, lo que puede afectar las holguras respecto de la correa, los revestimientos de los chutes y la estructura. Los fabricantes de rodillos deben entregar datos de deflexión tanto para las dimensiones del tubo nuevo como del tubo desgastado.
Estabilidad dimensional y térmica
Los rodillos de acero operan en un régimen dimensionalmente estable. Tanto el eje como el tubo son de acero, por lo que la dilatación térmica diferencial es despreciable. El alojamiento de rodamiento es de acero (disco de extremo estampado o soldado), que no sufre fluencia, no se ablanda con la temperatura y mantiene la precisión del asiento del rodamiento de forma indefinida.
Los rodillos compuestos enfrentan dos desafíos distintos. Primero, el coeficiente de dilatación térmica del GF-HDPE (aproximadamente 30–80 × 10⁻⁶/°C) es bastante mayor que el del acero (aproximadamente 12 × 10⁻⁶/°C). En una cara de rodillo de 1000 mm, un cambio de temperatura estacional de 30 °C genera aproximadamente 0,4 mm de dilatación axial diferencial entre el tubo de GF-HDPE y el eje de acero. En los rodillos donde el alojamiento de rodamiento está fijo al tubo (como en la construcción soldada por fricción), esta diferencia puede imponer una precarga axial cíclica sobre los rodamientos, lo que aumenta el esfuerzo en las pistas de rodadura y acelera la degradación del lubricante. Este efecto puede eliminarse, pero requiere diseños que permitan un movimiento axial (deslizante) en algún punto, normalmente dejando uno de los asientos de rodamiento del eje con ajuste deslizante.
Segundo, el GF-HDPE es un material viscoelástico susceptible a la fluencia bajo carga sostenida. En los rodillos soldados por fricción, donde el alojamiento de rodamiento también debe ser de GF-HDPE (el mismo material del tubo, necesario para la soldadura), el asiento del rodamiento puede agrandarse gradualmente con el tiempo y aflojar el ajuste del rodamiento. Los alojamientos de rodamiento de GF-PA66 (nylon), como los que se usan en los diseños montados a presión, ofrecen una resistencia a la fluencia sustancialmente mejor y un punto de reblandecimiento Vicat superior a 250 °C, frente a los 125–130 °C del GF-HDPE.
El TIR (Total Indicator Runout, excentricidad total indicada) de un rodillo compuesto, aunque se haya mecanizado con precisión en fábrica, puede cambiar durante su vida útil por estos efectos térmicos y de fluencia. Los rodillos de acero mantienen prácticamente en forma permanente el TIR con que fueron fabricados. En aplicaciones sensibles a la vibración, esta diferencia importa.
Centrado de la correa y autocentrado
El coeficiente de fricción en la interfaz HDPE sobre correa de goma (μ ≈ 0,2–0,3) es bastante menor que el de acero sobre goma (μ ≈ 0,35–0,5). Esta menor fricción se promociona como una ventaja del compuesto (menor desgaste de la cubierta de la correa, menor consumo de energía), pero tiene una consecuencia operacional importante: una menor fuerza de autocentrado. La capacidad de la correa para corregir su desvío lateral sobre un polín de artesa es directamente proporcional a la fricción, y con rodillos compuestos esta fuerza restauradora es entre un 30 y un 40% más débil.
El resultado práctico es que las correas transportadoras equipadas con rodillos compuestos requieren habitualmente más rodillos guía de borde que las instalaciones equivalentes con rodillos de acero. Donde la correa corre de manera persistente contra los rodillos guía, el contacto resultante aumenta la resistencia al movimiento total de la correa transportadora y acelera el desgaste de los bordes de la correa, degradando justamente la correa que el rodillo compuesto de menor fricción debía proteger. A medida que los rodillos compuestos envejecen y desarrollan perfiles de desgaste no uniformes, el centrado empeora progresivamente por los efectos de direccionamiento que induce el desgaste.
Reducción de ruido y amortiguación de vibraciones
Los rodillos compuestos generan un ruido de operación bastante menor que los de acero. El GF-HDPE es un material viscoelástico que absorbe la energía de impacto de los empalmes de la correa, de la carga de colpas y de la vibración del bastidor, en lugar de transmitirla e irradiarla como ruido. Esto importa en la minería subterránea, en plantas cerradas y en instalaciones cercanas a zonas residenciales, donde el cumplimiento de las normas de ruido es una restricción regulatoria. (El uso subterráneo conlleva una restricción aparte de seguridad contra incendios; vea Materiales calientes, fuego y resistencia al impacto más abajo.)
La misma propiedad de amortiguación atenúa las cargas de choque de alta frecuencia sobre los rodamientos, lo que puede prolongar su vida útil. En cambio, los tubos de acero transmiten cada impacto directamente al rodamiento, y el efecto acumulado de las cargas de choque dinámicas contribuye de manera importante a las tasas reales de falla de rodamientos. Esta es una de las razones por las que los rodillos compuestos pueden, en ciertas aplicaciones, superar a los de acero en vida de los rodamientos incluso dejando el desgaste y la corrosión fuera de la comparación.
Sin embargo, esta ventaja se contrarresta cuando la fluencia del alojamiento de rodamiento o la precarga térmica degradan la alineación del rodamiento (vea Estabilidad dimensional y térmica, más arriba). El efecto neto sobre la vida de los rodamientos depende del diseño específico del rodillo y de las condiciones de operación.
Disipación de calor
El acero es un excelente conductor térmico. El calor generado por el rodamiento se disipa fácilmente a través del disco de extremo y del tubo de acero. En los rodillos compuestos, el alojamiento de polímero actúa como aislante térmico y retiene el calor alrededor del rodamiento. A mayores velocidades o con cargas más pesadas, esto puede acelerar la degradación del lubricante. Como referencia general, la vida del lubricante del rodamiento se reduce a la mitad por cada 15 °C de aumento en la temperatura de operación. En aplicaciones de correas transportadoras de alta velocidad o en correas que operan con temperaturas ambiente elevadas, esta es una consideración importante.
Materiales calientes, fuego y resistencia al impacto
Los rodillos de acero son la opción clara para transportar materiales calientes: clínker, sínter, roca recién tronada o cualquier material que pueda elevar la temperatura de la superficie del rodillo hasta el punto de reblandecimiento Vicat del GF-HDPE (125–130 °C) o por encima de él. El acero también resiste mejor las ranuras causadas por objetos metálicos atrapados o por componentes dañados de los empalmes de la correa, y las cargas de impacto filosas. Aunque los rodillos de impacto con discos de goma (disponibles con ejes de acero y compuestos) mitigan el impacto en los puntos de carga, el acero sigue siendo más tolerante al maltrato en ambientes severos.
La inflamabilidad es una diferencia relacionada y crítica para la seguridad. El GF-HDPE estándar es combustible: en un incendio puede sostener y propagar la llama y producir humo, un peligro grave en labores subterráneas confinadas. Por ello, las aplicaciones subterráneas, y en particular la minería subterránea de carbón, requieren rodillos compuestos de grado retardante de llama y antiestático (FRAS), e incluso estos deben especificarse solo después de una evaluación de riesgo de incendio del sitio. Como se indicó en la sección sobre la evolución de los rodillos compuestos, los aditivos FRAS también reducen la resistencia al desgaste y la resistencia mecánica respecto del GF-HDPE estándar. El acero, al no ser combustible, no tiene esa restricción y sigue siendo la opción por defecto cuando manda el riesgo de incendio.
Consideraciones ambientales
Generación de microplásticos
≈10 t
de residuos de desgaste de GF-HDPE puede depositar una correa overland de 5 km durante su vida útil
Los tubos de los rodillos compuestos desprenden partículas de microplástico de GF-HDPE a medida que se desgastan. Las cantidades no son menores. Una correa overland de 5 km puede depositar aproximadamente 10 toneladas de residuos de desgaste de GF-HDPE durante su vida útil. Estos residuos incluyen fibras de vidrio liberadas. El desgaste de los rodillos de acero genera polvo de óxido de hierro, que es inerte y está presente en la naturaleza. Los operadores en zonas ambientalmente sensibles deberían considerar la generación de microplásticos en sus evaluaciones de riesgo ambiental.
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Artículo complementario
Desgaste del tubo de rodillos compuestos: cantidades y mecanismos de los residuos de desgaste
Reciclaje al final de la vida útil
Los rodillos de acero son totalmente reciclables a través de los canales habituales de chatarra. Los rodillos compuestos de GF-HDPE no pueden ir al reciclaje general de plásticos, porque las fibras de vidrio dañan los equipos de procesamiento y contaminan el material reciclado. Se requieren recolección dedicada y procesamiento especializado. Lorbrand recibe rodillos compuestos devueltos para procesarlos en productos con contenido reciclado cuando la logística lo permite.
Costo total de propiedad
Los rodillos compuestos generalmente tienen un precio de compra unitario mayor. Que entreguen un menor costo total de propiedad depende por completo de la aplicación. Una comparación significativa debe incluir la mano de obra de instalación (menor para los compuestos), la vida al desgaste esperada en el ambiente abrasivo específico, la frecuencia y logística de mantenimiento, el efecto sobre la vida de la correa (los compuestos eliminan el daño a la correa por bordes filosos), el consumo de energía (depende del sistema) y los costos de disposición. Ninguna de las dos tecnologías es intrínsecamente más barata durante todo su ciclo de vida. La respuesta depende de las condiciones.
Guía de aplicación
La siguiente tabla resume las condiciones que favorecen a cada tipo de rodillo:
| Favorece al compuesto | Favorece al acero |
|---|---|
| Ambientes corrosivos o químicos | Tensiones de correa muy altas y cargas pesadas |
| Abrasión moderada (mayor reserva de desgaste) | Abrasión agresiva o materiales calientes |
| La seguridad en la manipulación manual es una prioridad | Zonas de carga con impacto severo |
| Ambientes sensibles al ruido | El centrado preciso de la correa es crítico |
| La protección de la correa es primordial (correa de alto costo) | Aplicaciones de alta velocidad (calor en los rodamientos) |
| Correas overland largas (ahorro de peso) | Zonas ambientalmente sensibles (residuos de desgaste inertes, sin microplásticos) |
| Faenas remotas (menos reemplazos, logística más liviana) | Reemplazos donde las holguras impiden aumentar el diámetro |
| Estructuras elevadas / posiciones de difícil acceso (peso) | Se requiere precisión dimensional durante toda la vida útil |
La minería subterránea es un caso especial. Los rodillos compuestos ofrecen beneficios reales de ruido y peso en labores confinadas, pero el GF-HDPE estándar es combustible. Por lo tanto, las instalaciones subterráneas deben usar rodillos compuestos de grado retardante de llama y antiestático (FRAS), especificados solo después de una evaluación de riesgo de incendio del sitio. Cuando el riesgo de incendio es la preocupación principal, el acero sigue siendo la opción más segura.
Muchas instalaciones se benefician de usar ambos tipos: rodillos compuestos en estructuras elevadas o en pendientes y terrenos difíciles, donde dominan sus ventajas, y acero en las ubicaciones donde el recambio es más fácil, en zonas de alta temperatura o en posiciones que requieren un control preciso del centrado.
Conclusión
Los rodillos de acero y los rodillos compuestos para correas transportadoras son tecnologías complementarias. Cada uno tiene características que lo convierten en la mejor opción en condiciones específicas. El acero ofrece mayor rigidez, estabilidad dimensional, centrado de la correa, disipación de calor y reciclabilidad. El compuesto ofrece una resistencia a la corrosión superior, menor peso, amortiguación del ruido y protección de la correa.
La tarea de ingeniería es ajustar el rodillo a cada aplicación. Esto requiere datos honestos de los fabricantes sobre las fortalezas y las limitaciones de sus productos, y un criterio informado de los ingenieros sobre qué características importan más en cada posición de la correa transportadora.
Lorbrand fabrica rodillos de acero y compuestos porque ambos tienen un papel esencial en los sistemas de correas transportadoras modernos. Invitamos a los usuarios a evaluar cada aplicación según sus méritos, con las consideraciones descritas en este artículo, y a contactarnos para recibir orientación específica para su aplicación.
Preguntas frecuentes
¿Se pueden usar rodillos compuestos en minería subterránea?
Solo en grados retardantes de llama y antiestáticos (FRAS), y solo después de una evaluación de riesgo de incendio del sitio. El GF-HDPE estándar es combustible: en un incendio puede sostener la llama y producir humo, un peligro grave en labores confinadas. Cuando el riesgo de incendio es la preocupación principal, los rodillos de acero siguen siendo la opción más segura.
¿Cuánto más liviano es un rodillo compuesto que uno de acero?
Normalmente entre un 20 y un 60% más liviano, según sobre todo el espesor de pared del tubo de acero. Un rodillo CEMA D6 de 1200 mm de largo de cara pesa unos 19 kg en compuesto frente a unos 26 kg en acero, lo que reduce el riesgo en la manipulación manual durante la instalación y el recambio.
¿Son los rodillos compuestos más económicos que los de acero durante su vida útil?
Depende de la aplicación. Los rodillos compuestos suelen costar más al comprarlos. Una comparación justa incluye la mano de obra de instalación, la vida al desgaste en las condiciones abrasivas del sitio, la logística de mantenimiento, la protección de la correa frente a tubos desgastados con bordes filosos, el consumo de energía y la disposición final. Ninguno de los dos tipos es intrínsecamente más barato durante toda su vida útil.
¿Qué tipo de rodillo es adecuado para materiales calientes?
El acero. El clínker, el sínter, la roca recién tronada o cualquier material que pueda calentar la superficie del rodillo hasta acercarse al punto de reblandecimiento Vicat del GF-HDPE, de 125–130 °C, exige rodillos de acero, que además resisten mejor las ranuras causadas por metal atrapado y los impactos filosos.
