Elementos que componen el sistema de corte por chorro de agua
1. Orificio
El orificio es un elemento fundamental del sistema de corte por chorro de agua, puesto que es el encargado de transformar la energía potencial que tiene el agua en forma de presión en energía cinética en forma de un chorro de agua a altísima velocidad.
Éste orificio está sometido a una condiciones de trabajo extremas, dado que por una parte debe soportar la altísima presión del agua (unos 4.000 bares) y por otra parte debe ser capaz de soportar el paso del chorro de agua a unas velocidades enormes (900 m/s, tres veces la velocidad del sonido). Es por ello que debe estar fabricado en un material extremadamente duro y resistente. Hoy en día se fabrican orificios en dos materiales fundamentalmente: rubí y diamante. El orificio de rubí es mucho mas barato y menos resistente y el diamante es mucho mas caro pero mucho mas resistente.
En la figura 1 se observa una fotografía al microscopio del agujero practicado en el diamante. A este diamante se le rodea de una pieza de acero inoxidable para poder instalarlo convenientemente en la máquina y obtenemos así uno de los orificios comerciales disponibles en el mercado como los que se muestra en la figura 2. Recientemente han salido al mercado orificios de diamante integrados en la cámara de mezcla, ofreciendo además de una larga duración, una precisa y excelente alineación con el tubo de mezcla. Esta opción es si duda la de mayor calidad.
Debido al intenso desgaste que soportan, hay que sustituir periódicamente los orificios. La duración de éstos depende de muchos factores, como la presión del agua, las características químicas del agua (cantidad de cal, PH, sólidos disueltos, cantidad de hierro y otros minerales, etc..), y también depende en gran medida de los golpes de ariete que sufre en los ciclos de apertura y cierre del chorro. Sin embargo, como estimación, se puede afirmar que la duración de un orificio de rubí puede estar entre unas 50-100 horas mientras que la duración de un orificio de diamante puede ser de unas 10 ó 20 veces más, pudiendo llegar a alcanzar las 1.000 horas de funcionamiento.
Respecto al tamaño de los orificios, existe una gran variedad en el mercado. En la tabla 1 se muestran los diámetros de orificio normalizados, tanto en milímetros como en milésimas de pulgada. Sin duda los más utilizados en la práctica para corte con abrasivo son los de 0,25mm y los de 0,33 mm de diámetro.
Tabla 1
La elección del tamaño del orificio es sin duda la mas importante a la hora de elegir un sistema de corte por chorro de agua, pues es el factor principal a la hora de determinar la velocidad de corte y la potencia de bomba que necesitaremos, como veremos mas adelante.
Figura 1
Figura 2
2. Tubos de mezcla o focalizadores
Una vez que hemos generado el chorro de agua, añadimos el abrasivo, cuyas características analizaremos en el apartado siguiente. Esta mezcla crea un chorro abrasivo que es el que se utiliza para cortar materiales duros como metales, piedras etc. Sin embargo, la tendencia natural del chorro abrasivo es a abrirse y por tanto necesitamos un sistema focalizador que concentre todo el poder abrasivo del chorro en un pequeño punto y logre erosionar el material con tal intensidad que logre cortarlo por erosión,
Para conseguir esta concentración de energía en un punto usamos los tubos de mezcla o focalizadores, que se llaman así precisamente porque realizan dos funciones: por una parte es donde se mezcla el agua con el abrasivo y por otra parte focaliza el chorro abrasivo en un punto de manera que esta enorme energía concentrada en un punto sea capaz de erosionar y cortar cualquier material.
Las características de los tubos de mezcla o focalizadores son sus dimensiones y su dureza o resistencia a la abrasión.
La primera característica de un tubo de mezcla es el diámetro interno, cuyas medidas suelen estar especificadas en su referencia tal y como se indica en la figura 3. En el mercado existen tubos con distintos tipos de diámetro interno, pero los mas comunes son los de 30 milésimas de pulgada (0,76mm) y los de 40 milésimas de pulgada (1,01mm).
Figura 3
El diámetro interno es una característica muy importante porque es el que va a determinar el diámetro de nuestro chorro abrasivo. Por ejemplo el tubo de mezcla de referencia MT-010460-40-30 cuando está nuevo, tiene un diámetro interno de 40 milésimas de pulgada, que corresponde aproximadamente a 1,01mm, (0,040 pulgadas x 25,4 mm/pulgada= 1,01 mm).
El chorro abrasivo cuando sale del tubo de mezcla, se expande un poco, aumentando su diámetro en aproximadamente un 10% (ver figura 3). Por tanto el diámetro del chorro abrasivo será de aproximadamente 1,1 mm y el radio 0,55 mm (ver figura 4) y nuestra ranura de corte tendrá esas dimensiones. Este es un dato importante puesto que si por ejemplo queremos cortar con precisión un cuadrado de 100 x 100 mm deberemos desplazar la trayectoria del chorro una distancia igual al radio del mismo, es decir 0,55mm tal y como se indica en la figura 4.
Figura 4
Todos los controles de movimiento de la máquina requieren que se les introduzca un valor del radio de la herramienta tal y como se indica en la figura 4, y es fundamental introducirlo con exactitud, puesto que si no es exacto, cortaremos todas las piezas con las dimensiones erróneas.
Otra característica del tubo de mezcla es su longitud, y suele estar indicada en su referencia tal y como se muestra en la figura 3. Si el último número es un 30, la longitud es de 3 pulgadas (76 mm) y si es un 40 la longitud es de 4 pulgadas (101mm).
La elección del diámetro interno del tubo de mezcla se realiza en función del tamaño del orificio utilizado. Cuanto mayor es el orificio y por tanto el caudal, obviamente mayor debe ser el diámetro interno del tubo de mezcla. En la tabla 2 se muestran los diámetros apropiados de tubos de mezcla en función de los diámetros de los orificios, y que experimentalmente se ha comprobado que funcionan correctamente. Las combinaciones más frecuentes en la práctica son 0,25/0,76 (10/30) y 0,33/1,01 (13/40). Como se observa, el diámetro del tubo de mezcla es aproximadamente tres veces el del orificio.
Tabla 2
La última característica importante de los tubos de mezcla es su dureza o resistencia a la abrasión. Los tubos de mezcla están construidos de un material extremadamente duro llamado carbide. Sin embargo, el interior del tubo está sometido al roce continuo del chorro de agua con abrasivo, lo que produce un desgaste no deseado pero inevitable. Este desgaste hace que el diámetro interno del tubo de mezcla se vaya agrandando progresivamente y con él, el diámetro del chorro de agua, hasta un límite en el cual hay que sustituirlo.
En la figura 5 vemos las curvas de desgaste de dos tubos de mezcla distintos, el Roctec 100 y el Roctec 500 fabricados con materiales distintos. Como podemos apreciar, cuando los dos tubos están sin usar, ambos tienen un diámetro interno igual, de aproximadamente 0,040”, pero al de 50 horas de trabajo el Roctec 100 tiene un diámetro interno de aproximadamente 0,050” (1,27mm) mientras que el Roctec 500, más duro, mantiene un diámetro interno de aproximadamente 0,048” (1,21mm). Al de 100 horas de trabajo el Roctec 100 tiene un diámetro de 0,058” y el Roctec 500, 0,052” . Obviamente el Roctec 500 es más caro que el Roctec 100. El Roctec 100 tiene una vida útil de unas 120 horas y el Roctec 500 unas 175.
Figura 5
3. Abrasivo
El abrasivo utilizado para el corte por chorro de agua es un mineral en grano llamado granate cuya composición química es la siguiente:
• FeO 36%
• SiO2 33%
• Al2O3 20%
• MgO 4%
• TiO2 3%
• CaO 2%
• MnO2 2%
Las características físicas de éste mineral son:
• Dureza 7,5 escala Mohs
• Gravedad esp. 4,2 g/cm3
• Densidad 2,5g/cm3
• Aspecto grano
• Granulometría 50, 60, 80, 120
La granulometría indica el tamaño del grano. Al igual que las lijas, cuanto mayor es el número, más fino es el grano y viceversa. En la tabla 3 se indica el rango de tamaños del grano para cada tipo de abrasivo.
Un grano mas grueso, por ejemplo 50, tiene mayor poder de abrasión pero el acabado del corte es más rugoso, mientras que un grano de 120 tiene menor poder de abrasión, pero el acabado del corte es más fino. El más utilizado en la práctica es el grano 80 que consigue un acertado compromiso entre la capacidad de abrasión y el acabado.
Tabla 3
La elección de un grano mayor o menor depende de la elección que hayamos hecho del orificio / tubo de mezcla. Obviamente, cuanto mayor es el diámetro del orificio y tubo de mezcla, mayor debe ser el grano del abrasivo y viceversa.. En la tabla 4 se muestra el grano recomendado para cada combinación orificio / tubo de mezcla. Las combinaciones más usadas en la práctica usan grano 80.
Tabla 4
En general, las combinaciones orificio/tubo de mezcla 10/30, 13/40, 14/40 trabajan bien con un grano 80. A partir de 16/40 hacia arriba no hay duda que se debe utilizar 50 para sacar mayor partido al mayor caudal de agua a alta presión que estamos manejando. Hacia abajo, conviene utilizar grano de 120 e incluso trabajando con la 7/20 mejor ir a 220. La razón es que el tamaño (diámetro) del tubo de mezcla no maneja bien el grano más grueso de abrasivo y se pueden producir las obstrucciones en el mismo.
La cantidad de abrasivo a utilizar varía principalmente en función del caudal de agua que tengamos. Para determinar la cantidad de abrasivo óptima, es mejor aceptar en principio las recomendaciones que experimentalmente ha determinado el fabricante para cada combinación orificio / tubo de mezcla, y luego si queremos, ajustar ligeramente dicha cantidad según nuestras necesidades y nuestra experiencia. En la práctica se suele usar entre 250 y 500 gramos por minuto aproximadamente.
Figura 6. Extracción del mineral en una cantera de Australia
Figura 7. Abrasivo refinado y seleccionado
