Insertos de carburo de tungsteno para TBM: guía de selección, rendimiento y proveedores

En un proyecto de túnel de roca dura, el cabezal de corte de la tuneladora es el único contacto entre la máquina y el suelo. Cientos de insertos de carburo de tungsteno viajan sobre ese cabezal de corte en cualquier momento. Cada uno es responsable de romper rocas, transportar cargas y sobrevivir en un entorno que incluye polvo, agua, vibraciones y granos minerales duros. Si un inserto falla antes de tiempo, el cabezal de corte se detiene, el túnel pierde horas y un equipo sube a un espacio reducido para reemplazarlo. La consecuencia no es sólo el coste del inserto; es el costo de que la máquina no se mueva. Es por eso que la selección de un inserto de carburo de tungsteno para TBM es una decisión de proyecto, no un pedido de repuestos.

Por qué el carburo de tungsteno es el estándar para los insertos de TBM

La razón básica es material. El carburo de tungsteno, o carburo cementado, es un compuesto hecho de partículas de carburo de tungsteno unidas por una matriz de metal de cobalto. Las partículas de carburo confieren al material su extraordinaria dureza. El aglutinante de cobalto le confiere la resistencia necesaria para sobrevivir a los impactos. Los insertos de TBM funcionan contra rocas que pueden contener cuarzo, que es más duro que casi todos los materiales de ingeniería. En funcionamiento normal, el inserto experimenta altas cargas de compresión y cargas puntuales repentinas provenientes de paredes rocosas irregulares. Un material demasiado duro se astillará. Un material demasiado blando se desgastará rápidamente. El carburo de tungsteno proporciona un equilibrio que ningún otro material práctico iguala.

El material se puede ajustar dentro de ciertos límites. El contenido de cobalto suele oscilar entre el 6 y el 13 por ciento y el tamaño del grano de carburo de tungsteno puede ser fino, medio o grueso. Un grano más fino normalmente proporciona una mayor dureza y una mejor retención de los bordes. Un grano más grueso proporciona mayor tenacidad y resistencia al choque térmico. Para los insertos TBM, la condición de operación es normalmente abrasiva y cargada de impacto, por lo que es típica una calidad más equilibrada. Los valores de dureza para estos grados comúnmente se encuentran en el rango HRA de 86 a 92. Se debe seleccionar una calidad específica sólo después de conocer las condiciones de la roca.

En la práctica, esto significa que el mismo inserto que funciona suavemente en un túnel de arcilla blanda y arena puede tener una vida muy corta en un túnel de granito duro. Una calidad que sea buena para el granito puede resultar demasiado frágil para terrenos muy fracturados. Los datos de entrada que importan son el tipo de roca, la resistencia a la compresión uniaxial y el contenido de cuarzo. En resumen: la calidad del material es el punto de partida para la selección de plaquitas y tiene que coincidir con el terreno, no con la máquina.

Insertar geometría: más que un borde afilado

Los insertos de las TBM a menudo se representan como dientes afilados, pero en realidad funcionan más como raspadores y trituradoras. La geometría del inserto determina cómo se transfiere la carga a la roca, cómo se desgasta el inserto y cuánta fuerza se necesita para penetrar.

Las principales características geométricas son la forma de la punta, el ángulo de la punta, la conicidad del cuerpo y la sección de montaje. Una punta cónica es común y eficaz para penetrar rocas. Una punta esférica o más roma extiende el área de contacto, reduce el riesgo de astillas y, a veces, se prefiere para rocas muy duras o masivas. En algunos diseños se puede utilizar una punta en forma de cincel para crear una ruptura lineal. No existe una única mejor geometría. La elección depende de la roca esperada y del diseño del cabezal de corte.

Además de la forma de la punta, el inserto debe sujetarse firmemente en el soporte. Un inserto suelto vibra, crea una ranura en el soporte y se desgasta prematuramente. El cuerpo del inserto suele fabricarse con un diámetro ligeramente mayor que el orificio o la ranura para poder presionarlo o soldarlo en su lugar. Este ajuste es una de las razones por las que las tolerancias del trabajo de mecanizado son importantes. Ni siquiera la calificación correcta puede compensar un mal ajuste.

Una buena comprensión de la geometría de los insertos también ayuda al equipo del túnel a reconocer por qué algunos insertos se desgastan en un patrón en forma de cono y por qué otros desarrollan un plano. El patrón de desgaste suele proporcionar información sobre el ángulo de contacto. Este conocimiento es útil para ajustar los parámetros del cabezal de corte o cambiar el tipo de plaquita.

Para obtener una descripción general de cómo el diseño del inserto de la TBM afecta el rendimiento, puede consultar este artículo en Insertos de carburo de tungsteno para tuneladoras. .

factoreses de selección para insertos de TBM

Seleccionando el derecho Inserto para tuneladora no es una decisión única. Es un proceso iterativo que comienza con los datos geológicos del túnel y continúa mediante pruebas en el cabezal de corte. La siguiente tabla enumera los factores de selección más importantes.

Este es un lugar donde un proveedor puede agregar valor. Un fabricante profesional no etiquetará simplemente un inserto como "duro" o "para roca". Le solicitarán el informe geológico, las especificaciones del cabezal de corte y el tamaño de plaquita requerido. Pueden comparar el grado y la geometría seleccionados con datos de rendimiento típicos. Este diálogo es particularmente importante cuando el túnel pasa por varias zonas geológicas. Un inserto de roca dura puede funcionar durante la mayor parte de la ruta, pero una sección más blanda o una zona de falla pueden crear cambios rápidos.

Una práctica común es probar uno o dos diseños de insertos al comienzo de un proyecto. El período de observación no tiene por qué ser largo. Si las plaquitas muestran mucho desconchado, la calidad es demasiado dura o la geometría demasiado puntiaguda. Si los insertos se desgastan rápidamente pero la roca no es particularmente abrasiva, la calidad es demasiado blanda o los parámetros del cabezal de corte son incorrectos. Estas pruebas revelan cómo se comporta la roca real debajo de la máquina, lo que siempre es mejor que una suposición de laboratorio.

Calidad de fabricación y el problema de la coherencia

La calidad y la geometría son la parte visible de la selección de plaquita. La parte invisible es la coherencia en la fabricación. El carburo de tungsteno se produce a partir de polvo. Si el polvo está mal mezclado, si la distribución del tamaño de grano varía o si el proceso de sinterización no está controlado, los insertos de un lote pueden comportarse de manera diferente a los de otro. En un túnel, esta inconsistencia es muy difícil de aceptar porque el cabezal de corte lleva muchos insertos a la vez. Si uno de cada cien insertos se desgasta rápidamente, puede crear un área local en la cara del túnel que no está completamente cortada, dejando un gran trozo de roca que el cortador vecino debe romper.

Producir un inserto TBM confiable requiere una línea de producción integrada. En nuestras instalaciones en Changzhou, China, comenzamos con el prensado de polvo de carburo de tungsteno utilizando prensas TPA. Este método utiliza un perfil de presión controlado para crear un cuerpo verde con una forma y densidad consistentes. A continuación, el cuerpo crudo se sinteriza en hornos de sinterización de baja presión. La sinterización a baja presión reduce la porosidad residual final y produce una estructura más fina y densa. Una estructura densa con pocos poros está directamente relacionada con una mejor resistencia al desgaste y un menor riesgo de fractura.

Después de la sinterización, las inserciones se rectifican hasta alcanzar las dimensiones y el acabado superficial finales. El rectificado de precisión se realiza en rectificadoras de herramientas CNC de cinco ejes y la geometría de la herramienta se verifica con equipos de ajuste de herramientas digitales. Para herramientas redondas y otros componentes de precisión, nuestra producción sigue un estándar de producción alemán reconocido. Este sistema nos proporciona un punto de referencia para las tolerancias y la vida útil de la herramienta. Los instrumentos de inspección son parte del proceso; no se eliminan del entorno de producción y se utilizan únicamente para comprobaciones finales. También se utilizan para controlar la operación de rectificado de la máquina.

La empresa está certificada según ISO9001 e ISO14001. Estas certificaciones indican que el sistema de producción está auditado y que existen procesos de gestión ambiental y de calidad. Para un proyecto de túnel, este nivel de control respalda un objetivo simple pero importante: los insertos que llegan al sitio deben comportarse de manera consistente con los insertos que se probaron.

Vida y coste del inserto en el mundo real

El costo de un inserto de tuneladora es pequeño en comparación con el costo del tiempo de inactividad del túnel. Ésta es la razón por la que la selección de insertos debe verse como un factor de productividad, no sólo como una línea de compra.

Una plaquita mal adaptada también puede crear problemas de geometría. Si un inserto se desgasta de manera desigual, el disco cortador puede dejar de girar y cortar un borde plano en la roca. Esto aumenta la resistencia al corte de todo el cabezal de corte. Los contratistas de túneles saben que el coste de una parada inesperada del cabezal de corte no es sólo la mano de obra o las piezas nuevas; también es la pérdida de producción y el riesgo para el cronograma.

Una práctica eficaz es realizar un seguimiento de la vida útil de los insertos por zona del túnel, en metros de avance. Esto crea una curva de rendimiento simple que se puede comparar con el tipo de roca. Cuando el inserto llega al final de su vida útil, se puede realizar un reemplazo planificado en un lugar seguro. El material utilizado en el inserto, su geometría y su calidad de fabricación contribuyen a ese plan.

La relación entre la elección de la plaquita, las condiciones de la roca y el rendimiento del cabezal de corte se trata con más profundidad en nuestro artículo sobre Por qué los insertos de carburo de tungsteno de TBM son cruciales para la construcción subterránea .

El inserto de carburo de tungsteno de la TBM es un componente pequeño con una enorme influencia en el progreso del túnel. El material debe ser resistente a la abrasión. La geometría tiene que coincidir con la roca. El grado tiene que coincidir con el cabezal de corte real. Y la fabricación tiene que producir piezas consistentes. Cuando estos factores se cumplen, el inserto funciona según lo diseñado para una distancia predecible. Cuando un factor falla, la máquina es la que sufre. Los compradores y los ingenieros de túneles deben tratar la selección de insertos como una negociación técnica: recopilar los datos geológicos, discutir el diseño del cabezal de corte y solicitar un proveedor que pueda controlar todo el proceso de producción. Los días que el cabezal de corte permanece abajo son más caros que el propio inserto.