Un molino de materias primas es el equipo que se utiliza para moler materias primas en " mezcla cruda " durante la fabricación de cemento . Luego, Rawmix se alimenta a un horno de cemento , que lo transforma en clinker , que luego se muele para hacer cemento en el molino de cemento . La etapa de molienda en bruto del proceso define efectivamente la química (y por lo tanto las propiedades físicas) del cemento terminado y tiene un gran efecto sobre la eficiencia de todo el proceso de fabricación.
Historia
La historia del desarrollo de la tecnología de molienda de materias primas define la historia temprana de la tecnología del cemento. Otras etapas de la fabricación de cemento utilizaron la tecnología existente en los primeros días. Los primeros materiales hidráulicos, como las cales hidráulicas , los cementos naturales y el cemento romano de Parker, se basaban todos en materias primas "naturales", quemadas "como se cavan". Debido a que estas mezclas naturales de minerales ocurren solo en raras ocasiones, los fabricantes estaban interesados en hacer una mezcla artificial de grano fino de minerales fácilmente disponibles, como piedra caliza y arcilla, que pudiera usarse de la misma manera. Un problema típico sería hacer una mezcla íntima de 75% de yeso y 25% de arcilla, y quemarla para producir un "cemento artificial". El desarrollo del método "húmedo" para producir arcilla de grano fino en la industria cerámica proporcionó una Para ello. Por este motivo, la primera industria del cemento utilizó el "proceso húmedo", en el que las materias primas se muelen junto con el agua, para producir una lechada que contiene entre un 20 y un 50% de agua. Tanto Louis Vicat como James Frost utilizaron esta técnica a principios del siglo XIX, y siguió siendo la única forma de hacer una mezcla cruda para cemento Portland hasta 1890. Una modificación de la técnica utilizada por la industria temprana fue la "doble combustión", en la que una piedra caliza dura se quemaba y apagaba antes de combinarse con lechada de arcilla. Esta técnica evitaba el triturado de piedra dura, y fue empleada, entre otros, por Joseph Aspdin . La tecnología de trituración inicial era deficiente y las lechadas tempranas se hicieron más delgadas, con un alto contenido de agua. pararse en grande reservorios ("slurry-backs") durante varias semanas. Las partículas grandes sin moler caerían al fondo y el exceso de agua subía a la superficie. El agua se decantaba periódicamente hasta que quedaba una torta rígida, de consistencia de barro de alfarería. Esto se cortó en rodajas, desechando el material grueso en el fondo y se quemó en el horno. La molienda húmeda es comparativamente eficiente desde el punto de vista energético, por lo que cuando se dispuso de un buen equipo de molienda en seco, el proceso húmedo continuó en uso durante todo el siglo XX, a menudo empleando equipos que Josiah Wedgwood habría reconocido.
Materiales molidos
Las mezclas crudas están formuladas para contener una química correctamente equilibrada para la producción de silicatos de calcio ( alita y belita ) y fundentes ( aluminato y ferrita ) en el horno. Los datos de análisis químicos en la fabricación de cemento se expresan en términos de óxidos, y los más importantes de estos en el diseño de mezclas crudas son SiO 2 , Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 y CaO. En principio, cualquier material que pueda aportar alguno de estos óxidos puede utilizarse como componente de la mezcla cruda. Debido a que el principal óxido requerido es CaO, el componente de la mezcla cruda más prevalente es la piedra caliza , mientras que los otros son principalmente aportados por arcilla o lutita . Los ajustes menores a la química se realizan mediante adiciones más pequeñas de materiales como los que se muestran a continuación.
Análisis químicos típicos de componentes de mezcla cruda:
Óxido | Piedra caliza gris | Piedra caliza blanca | Marga | Arcilla | Arena | Millscale | Caolín | Bauxita | Ceniza voladora |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
SiO 2 | 6.6 | 2.1 | 14,1 | 61,6 | 98,0 | 1.3 | 46,1 | 11,1 | 48,1 |
Al 2 O 3 | 1,5 | 0,3 | 3.3 | 17,5 | 0,9 | 1.2 | 38,5 | 54,4 | 26,5 |
Fe 2 O 3 | 0,7 | 0,13 | 1.3 | 7.5 | 0,13 | 96,8 | 0,35 | 9,7 | 6 |
CaO | 48,4 | 53,7 | 43,8 | 1.1 | 0,1 | 0,3 | 0,3 | 0,6 | 4,7 |
MgO | 2.0 | 0,8 | 0,7 | 1.1 | 0.0 | 0,6 | 0,1 | 0,1 | 1.2 |
Na 2 O | 0,07 | 0,02 | 0,07 | 0,5 | 0,02 | 0,11 | 0,01 | 0,05 | 0,3 |
K 2 O | 0,27 | 0,08 | 0,43 | 1,9 | 0,37 | 0,05 | 0,09 | 0,05 | 1.3 |
TiO 2 | 0,06 | 0,02 | 0,15 | 0,8 | 0,06 | 0,30 | 0,9 | 2.1 | 1,5 |
Mn 2 O 3 | 0,03 | 0,01 | 0,02 | 0,12 | 0 | 0,63 | 0 | 0,09 | 0,07 |
LoI 950 | 40,0 | 42,7 | 35,8 | 6,8 | 0,3 | 0 | 13,7 | 20,8 | 9.1 |
Nota: LoI 950 es la pérdida por ignición a 950 ° C y representa (aproximadamente) los componentes perdidos durante el procesamiento en el horno. Se compone principalmente de CO 2 de carbonatos, H 2 O de hidratos de arcilla y carbono orgánico.
Con estos materiales, se podrían componer mezclas crudas típicas:
- Mezcla 1: Cemento de uso general: 88,0% de piedra caliza gris, 8,9% de arcilla, 2,2% de arena y 0,9% de cascarilla.
- Mezcla 2: Cemento resistente a los sulfatos: 87,6% de piedra caliza gris, 5,2% de arcilla, 5,0% de arena y 2,2% de cascarilla.
- Mezcla 3: Cemento blanco : 82,3% piedra caliza blanca, 6,8% caolín y 10,9% arena.
Los análisis químicos de estas mezclas crudas serían:
Óxido | Mezclar 1 | Mezcla 2 | Mezcla 3 |
---|---|---|---|
SiO 2 | 13.46 | 13,91 | 15.55 |
Al 2 O 3 | 2,91 | 2.30 | 2,96 |
Fe 2 O 3 | 2.16 | 3,14 | 0,14 |
CaO | 42,69 | 42,47 | 44.23 |
MgO | 1,86 | 1,82 | 0,67 |
Na 2 O | 0,11 | 0,09 | 0,02 |
K 2 O | 0,41 | 0,35 | 0,11 |
TiO 2 | 0,13 | 0,10 | 0,09 |
Mn 2 O 3 | 0,04 | 0,05 | 0,01 |
LoI 950 | 35,8 | 35,4 | 36,1 |
Las materias primas y mezclas que se muestran son sólo "típicas": son posibles variaciones considerables dependiendo de las materias primas disponibles.
Control de elementos menores
Aparte de los óxidos principales (CaO, SiO 2 , Al 2 O 3 y Fe 2 O 3 ), los óxidos minoritarios son, en el mejor de los casos, diluyentes del clínker y pueden ser perjudiciales. Sin embargo, las materias primas del cemento se extraen en su mayor parte de la corteza terrestre y contienen la mayoría de los elementos de la tabla periódica en cierta cantidad. Por lo tanto, el fabricante selecciona materiales de manera que los efectos nocivos de los elementos menores se minimicen o se mantengan bajo control. Los elementos menores que se encuentran con frecuencia son los siguientes:
- El flúor es beneficioso para el proceso del horno porque permite que se forme alita a temperaturas más bajas. Sin embargo, a niveles superiores al 0,25% en el clínker, se produce un tiempo de fraguado del cemento retrasado y errático.
- Los metales alcalinos (principalmente sodio y potasio ) causan problemas de procesamiento porque forman sales volátiles en el sistema del horno. Estos se evaporan en la zona de combustión del horno y se vuelven a condensar en las regiones más frías del precalentador, provocando bloqueos. Los álcalis también son perjudiciales para el hormigón y pueden provocar una reacción de sílice alcalina . Por esta razón, muchos estándares limitan los álcalis (típicamente expresados como "sosa equivalente total" que es Na 2 O + 0,658 K 2 O). Los límites de especificación típicos están en el rango de 0.5 a 0.8%.
- El MgO causa problemas a niveles superiores al 2,5%. Pequeñas cantidades se alojan en solución sólida en los minerales de clínker, pero por encima del 2,5%, existe MgO "libre" en el clínker como periclasa . Esto puede hidratarse lentamente a Mg (OH) 2 con expansión en el concreto endurecido, causando agrietamiento. El procesamiento cuidadoso del clinker para mantener la periclasa en forma microcristalina permite gestionar niveles de hasta un 5% sin efectos graves. Todos los estándares limitan el MgO, los límites típicos están en el rango de 4-6%.
- P 2 O 5 a niveles superiores al 0,5% comienza a provocar un fraguado lento y una baja reactividad del clínker.
- El cloro produce sales muy volátiles y los consiguientes bloqueos del precalentador, y normalmente se limita a menos del 0,1% en la mezcla cruda.
- El TiO 2 es ubicuo, pero rara vez está presente en niveles (~ 1%) que puedan causar problemas.
- El cromo puede terminar como cromatos (Cr [VI]) en el cemento, particularmente cuando el clínker tiene un alto contenido de sulfato. Los cromatos causan dermatitis alérgica por contacto en los usuarios de cemento y, por esta razón, el contenido de Cr [VI] del cemento está limitado en muchos estándares al 0,0002%. Las mezclas crudas naturales típicas contienen alrededor de 0,01% de Cr 2 O 3 y, a este nivel, se puede controlar la formación de Cr [VI]. El cromo presente en el cemento como Cr [III] no tiene importancia.
- El Mn 2 O 3 no es perjudicial, actúa como sustituto del hierro. Pero aporta más color al cemento que el hierro, y los cementos con alto contenido de Mn 2 O 3 (> 1%) son casi negros.
- El ZnO se encuentra en algunos aditivos de mezcla cruda (así como en los neumáticos utilizados como combustible para hornos). A niveles superiores al 0,2%, provoca un fraguado lento y una baja reactividad del clínker.
- El estroncio y el bario actúan como sustitutos del calcio y solo comienzan a reducir la reactividad del clínker a niveles de 1,5% y 0,2% respectivamente.
- Metales pesados tóxicos : entre estos, los niveles bajos de arsénico , selenio , cadmio , antimonio y tungsteno no son un problema, porque son absorbidos en la estructura básica del clínker como aniones. Por otro lado, el mercurio , el talio y el plomo deben controlarse cuidadosamente porque pueden emitirse como haluros volátiles en los gases de escape del horno.
Molinos húmedos
La trituración en húmedo es más eficiente que la trituración en seco porque el agua recubre las superficies recién formadas de las partículas rotas y evita la reaglomeración. El proceso de mezclar y homogeneizar la mezcla cruda también es mucho más fácil cuando está en forma de suspensión. La desventaja es que el agua de la lechada resultante debe eliminarse posteriormente, y esto suele requerir mucha energía. Si bien la energía era barata, la trituración en húmedo era común, pero desde 1970 la situación ha cambiado drásticamente y ahora rara vez se instala una nueva planta de proceso en húmedo. La trituración en húmedo se realiza por dos medios distintos: molinos de lavado y molinos de bolas.
Lavar
Esto representa la tecnología de molienda en bruto más temprana y se utilizó para moler materiales blandos como tiza y arcilla. Es bastante similar a un procesador de alimentos. Consiste en un cuenco grande (hasta 15 m de diámetro) en el que se vierten las materias primas trituradas (hasta menos de 250 mm) junto con un chorro de agua. El material se agita mediante juegos rotativos de gradas . Las paredes exteriores del cuenco están formadas por rejillas o placas perforadas a través de las cuales puede pasar el producto fino. La trituración es en gran parte autógena (es decir, se produce por colisión entre trozos de materia prima) y es muy eficaz, produciendo poco calor residual, siempre que los materiales sean blandos. Normalmente, dos o tres lavados están conectados en serie, dotados de perforaciones de salida sucesivamente más pequeñas. Todo el sistema puede producir purines con un gasto de tan solo 5 kW · h de electricidad por tonelada seca. Los minerales relativamente duros (como el pedernal) en la mezcla, están más o menos intactos por el proceso de molienda y se depositan en la base del molino, de donde se extraen periódicamente.
Molinos de bolas y tambores de lavado
El molino de bolas permite moler las calizas más duras que son más comunes que la tiza. Un molino de bolas consta de un cilindro horizontal que gira sobre su eje. Sostiene medios de molienda esféricos, cilíndricos o en forma de varilla de tamaño 15–100 mm que pueden ser de acero o una variedad de materiales cerámicos, y ocupan 20–30% del volumen del molino. La carcasa del molino está revestida con placas de acero o caucho. La molienda se efectúa por impacto y desgaste entre los medios de molienda. Los diversos componentes minerales de la mezcla cruda se alimentan al molino a una velocidad constante junto con el agua, y la suspensión fluye desde el extremo de salida. El tambor de lavado tiene un concepto similar, pero contiene poco o ningún medio de trituración, siendo la trituración autógena, por la acción en cascada de las piezas más grandes de materia prima. Es adecuado para materiales blandos, y particularmente para yeso, donde el pedernal sin triturar actúa como medio de molienda.
Finura de la lechada y contenido de humedad
Es esencial que las partículas grandes (> 150 μm para carbonato de calcio y> 45 μm para cuarzo) se eliminen de la mezcla cruda, para facilitar la combinación química en el horno. En el caso de las suspensiones, las partículas más grandes pueden eliminarse mediante hidrociclones o dispositivos de cribado. Estos requieren una cierta cantidad de energía, suministrada por bombeo a alta presión. Este proceso y el movimiento y la mezcla de la lechada requieren un control cuidadoso de la viscosidad de la lechada. Claramente, una suspensión más fina se obtiene fácilmente añadiendo más agua, pero a expensas de un alto consumo de energía para su posterior eliminación. En la práctica, por lo tanto, la suspensión se hace tan espesa como puede manejar el equipo de la planta. Las lechadas de cemento en bruto son plásticos de Bingham que también pueden exhibir un comportamiento tixotrópico o reopéctico . La energía necesaria para bombear la lechada a una tasa deseada está controlada principalmente por el límite elástico de la lechada , y esto a su vez varía más o menos exponencialmente con la relación sólidos / líquido de la lechada. En la práctica, desfloculantes a menudo se agregan a fin de mantener la capacidad de bombeo a bajos contenidos de humedad. Desfloculantes comunes usados (a valores de dosis típicos de 0,005-0,03%) son carbonato de sodio , silicato de sodio , polifosfatos de sodio y lignosulfonatos . En circunstancias favorables, se pueden obtener suspensiones bombeables con menos del 25% de agua.
Las mezclas crudas contienen con frecuencia minerales de dureza contrastante, como calcita y cuarzo. La trituración simultánea de estos en un molino de crudo es ineficaz, porque la energía de trituración se utiliza preferentemente para triturar el material más blando. Esto da como resultado una gran cantidad de material blando excesivamente fino, que "amortigua" la molienda del mineral más duro. Por esta razón, la arena a veces se muele por separado y luego se alimenta al molino principal como una suspensión fina.
Molinos secos
Los molinos secos son la tecnología habitual instalada en la actualidad, lo que permite minimizar el consumo de energía y las emisiones de CO 2 . En general, las materias primas del cemento se extraen principalmente y, por lo tanto, contienen una cierta cantidad de humedad natural. Intentar moler un material húmedo no tiene éxito porque se forma un "barro" intratable. Por otro lado, es mucho más fácil secar un material fino que uno grueso, porque las partículas grandes retienen la humedad profundamente en su estructura. Por lo tanto, es habitual secar y triturar simultáneamente los materiales en el molino de crudo. Puede utilizarse un horno de aire caliente para suministrar este calor, pero normalmente se utilizan gases residuales calientes del horno. Por esta razón, el molino se coloca generalmente cerca del precalentador del horno. Los tipos de molino seco incluyen molinos de bolas, molinos de rodillos y molinos de martillos.
Molinos de bolas
Estos son similares a los molinos de cemento , pero a menudo con un flujo de gas mayor. La temperatura del gas se controla mediante purgas de aire frío para asegurar un producto seco sin sobrecalentar el molino. El producto pasa a un separador de aire, que devuelve partículas de gran tamaño a la entrada del molino. Ocasionalmente, el molino es precedido por un molino de martillos barrido por aire caliente que realiza la mayor parte del secado y produce alimento de tamaño milimétrico para el molino. Los molinos de bolas son bastante ineficientes y, por lo general, requieren de 10 a 20 kW · h de energía eléctrica para producir una tonelada de mezcla cruda. El molino Aerofall se utiliza a veces para pre-triturar grandes piensos húmedos. Es un molino semiautógeno corto y de gran diámetro, que normalmente contiene un 15% en volumen de bolas de molienda muy grandes (130 mm). El avance puede ser de hasta 250 mm y los trozos más grandes producen gran parte de la acción de trituración. El molino es barrido por aire y los finos son arrastrados por la corriente de gas. La trituración y el secado son eficaces, pero el producto es grueso (alrededor de 100 µm) y, por lo general, se vuelve a moler en un molino de bolas separado.
Molinos de rodillos
Éstas son la forma estándar en las instalaciones modernas, ocasionalmente llamadas fresas de husillo vertical . En una disposición típica, el material se alimenta a una mesa giratoria, sobre la que presionan los rodillos de acero. Se mantiene una alta velocidad de flujo de gas caliente cerca del plato de modo que las partículas finas se barren tan pronto como se producen. El flujo de gas lleva los finos a un separador de aire integral, que devuelve las partículas más grandes a la ruta de molienda. El material fino se barre en los gases de escape y es capturado por un ciclón antes de ser bombeado al almacenamiento. El gas polvoriento restante generalmente se devuelve al equipo principal de control de polvo del horno para su limpieza. El tamaño de alimentación puede ser de hasta 100 mm. Los molinos de rodillos son eficientes, utilizan aproximadamente la mitad de la energía de un molino de bolas, y parece que no hay límite para el tamaño disponible. Se han instalado molinos de rodillos con una producción superior a 800 toneladas por hora. A diferencia de los molinos de bolas, la alimentación al molino debe ser regular e ininterrumpida; De lo contrario, se establece una vibración resonante dañina.
Molinos de martillos
Los molinos de martillos (o "secadoras trituradoras") barridos con gases de escape calientes del horno tienen una aplicación limitada donde se muele una materia prima blanda y húmeda. El diseño simple significa que se puede operar a una temperatura más alta que otros molinos, lo que le confiere una alta capacidad de secado. Sin embargo, la acción de trituración es mala y el producto a menudo se vuelve a triturar en un molino de bolas.