Un molino de cemento (o molino de acabado en el uso norteamericano [1] ) es el equipo utilizado para moler el clinker nodular y duro del horno de cemento hasta convertirlo en el fino polvo gris que es el cemento . Actualmente, la mayor parte del cemento se muele en molinos de bolas y también en molinos verticales de rodillos, que son más eficaces que los molinos de bolas.
Los primeros cementos hidráulicos, como los de James Parker , James Frost y Joseph Aspdin, eran relativamente blandos y se molían fácilmente mediante la tecnología primitiva de la época, utilizando piedras de molino planas . La aparición del cemento Portland en la década de 1840 hizo que la molienda fuera considerablemente más difícil, porque el clinker producido por el horno suele ser tan duro como el material de la piedra de molino. Debido a esto, el cemento continuó moliéndose de manera muy gruesa (típicamente 20% sobre un diámetro de partícula de 100 μm) hasta que estuvo disponible una mejor tecnología de molienda. Además de producir cemento no reactivo con un lento crecimiento de resistencia, esto exacerbó el problema de la falta de solidez. Esta expansión tardía y disruptiva es causada por la hidratación de grandes partículas de óxido de calcio . La molienda fina disminuye este efecto, y los primeros cementos debían almacenarse durante varios meses para que el óxido de calcio tuviera tiempo de hidratarse antes de que estuviera apto para la venta. A partir de 1885, el desarrollo del acero especializado condujo al desarrollo de nuevas formas de equipos de molienda y, a partir de ese momento, la finura típica del cemento comenzó a aumentar constantemente. La progresiva reducción de la proporción de partículas de cemento más grandes y no reactivas ha sido parcialmente responsable de que la resistencia del cemento Portland se haya cuadriplicado durante el siglo XX. [2] La historia reciente de la tecnología se ha centrado principalmente en reducir el consumo de energía del proceso de molienda.
El clinker Portland es el componente principal de la mayoría de los cementos. En el cemento Portland se añade un poco de sulfato de calcio (normalmente entre un 3 y un 10 %) para retardar la hidratación del aluminato tricálcico . El sulfato de calcio puede consistir en yeso natural , anhidrita o desechos sintéticos como el yeso de desulfuración de gases de combustión . Además se podrá añadir hasta un 5% de carbonato cálcico y hasta un 1% de otros minerales. Es normal añadir una cierta cantidad de agua y pequeñas cantidades de ayudas de molienda orgánicas y potenciadores del rendimiento. Los "cementos mezclados" y los cementos de mampostería pueden incluir grandes adiciones (hasta un 40 %) de puzolanas naturales , cenizas volantes , piedra caliza , humo de sílice o metacaolín . El cemento de escoria de alto horno puede incluir hasta un 70% de escoria granulada de alto horno molida . Ver cemento . El yeso y el carbonato de calcio son minerales relativamente blandos y se muelen rápidamente hasta formar partículas ultrafinas. Los auxiliares de molienda suelen ser productos químicos que se agregan en una proporción de 0,01 a 0,03 % que recubren las superficies recién formadas de partículas minerales rotas y evitan la reaglomeración. [3] Incluyen 1,2-propanodiol , ácido acético , trietanolamina y lignosulfonatos .
El calor generado en el proceso de molienda hace que el yeso (CaSO 4 .2H 2 O) pierda agua, formando bassanita (CaSO 4 .0.2-0.7H 2 O) o γ-anhidrita (CaSO 4 .~0.05H 2 O). Estos últimos minerales son rápidamente solubles y se necesita alrededor del 2% de ellos en el cemento para controlar la hidratación del aluminato tricálcico . Si se forma más de esta cantidad, la cristalización del yeso al rehidratarlo provoca un "falso fraguado": un espesamiento repentino de la mezcla de cemento unos minutos después de mezclarlo, que se diluye al volver a mezclar. Esto se debe a una alta temperatura de molienda. Por otro lado, si la temperatura de molienda es demasiado baja, no hay suficiente sulfato rápidamente soluble disponible y esto causa un "flash set", un endurecimiento irreversible de la mezcla. La obtención de la cantidad óptima de sulfato rápidamente soluble requiere una molienda con una temperatura de salida del molino de unos pocos grados de 115 °C. Cuando el sistema de molienda está demasiado caliente, algunos fabricantes utilizan un 2,5 % de yeso y el resto de sulfato de calcio como α-anhidrita natural (CaSO 4 ). La deshidratación completa de esta mezcla produce el 2% de γ-anhidrita óptimo. En el caso de algunos molinos modernos y eficientes, no se genera suficiente calor. Esto se corrige recirculando parte del aire caliente de escape a la entrada del molino.
Un molino de bolas es un cilindro horizontal parcialmente lleno de bolas de acero (u ocasionalmente de otras formas) que gira sobre su eje, impartiendo una acción de volteo y cascada a las bolas. El material que pasa por el molino se tritura por impacto y se muele por desgaste entre las bolas. Los medios de molienda suelen estar hechos de acero con alto contenido de cromo . Los grados más pequeños son ocasionalmente cilíndricos ("pebs") en lugar de esféricos. Existe una velocidad de rotación (la "velocidad crítica") a la que el contenido del molino simplemente pasaría por encima del techo del molino debido a la acción centrífuga. La velocidad crítica (rpm) viene dada por: n C = 42,29/ √ d , donde d es el diámetro interno en metros. Los molinos de bolas normalmente funcionan a alrededor del 75% de la velocidad crítica, por lo que un molino con un diámetro de 5 metros girará a alrededor de 14 rpm.
El molino generalmente está dividido en al menos dos cámaras (aunque esto depende del tamaño de la entrada de alimento; los molinos que incluyen una prensa de rodillos son en su mayoría de una sola cámara), lo que permite el uso de diferentes tamaños de medios de molienda. En la entrada se utilizan bolas de gran tamaño para triturar los nódulos de clinker (que pueden tener más de 25 mm de diámetro). El diámetro de la bola aquí está en el rango de 60 a 80 mm. En un molino de dos cámaras, los medios en la segunda cámara suelen estar en el rango de 15 a 40 mm, aunque a veces se encuentran medios de hasta 5 mm. Como regla general, el tamaño de los medios tiene que coincidir con el tamaño del material que se está moliendo: los medios grandes no pueden producir las partículas ultrafinas requeridas en el cemento terminado, pero los medios pequeños no pueden romper las partículas grandes de clinker. Alguna vez se utilizaron molinos con hasta cuatro cámaras, lo que permitía una segregación estricta de los tamaños de los medios, pero ahora esto se está volviendo raro. Las alternativas a los molinos multicámara son:
Se hace pasar una corriente de aire a través del molino. Esto ayuda a mantener el molino fresco y elimina la humedad evaporada que, de otro modo, causaría hidratación e interrumpiría el flujo del material. El aire de salida polvoriento se limpia, normalmente con filtros de bolsa .
La eficiencia de las primeras etapas de la molienda en un molino de bolas es mucho mayor que la de la formación de partículas ultrafinas, por lo que los molinos de bolas funcionan más eficientemente elaborando un producto grueso, del que luego se separan las fracciones finas y la parte gruesa. siendo devuelto a la entrada del molino. La proporción del material de salida del molino que regresa a la entrada puede variar del 10 al 30% cuando se muele cemento común y del 85 al 95% para productos de cemento extremadamente finos. Es importante para la eficiencia del sistema que la cantidad mínima de material de la finura del producto terminado regrese a la entrada. Los separadores modernos son capaces de realizar un "corte" de tamaño muy preciso y contribuyen significativamente a la reducción del consumo de energía, y tienen la ventaja adicional de que enfrían tanto el producto como el material devuelto, minimizando así el sobrecalentamiento.
Los sistemas eficientes de circuito cerrado, debido a su estricto control del tamaño de las partículas, conducen a cementos con distribuciones de tamaño de partículas relativamente estrechas (es decir, para un tamaño medio de partículas determinado, tienen menos partículas grandes y pequeñas). Esto tiene la ventaja de que maximiza el potencial de producción de resistencia del clinker, porque las partículas grandes son inertes. Como regla general, sólo la "piel" exterior de 7 μm de cada partícula se hidrata en el concreto, por lo que cualquier partícula de más de 14 μm de diámetro siempre deja un núcleo sin reaccionar. Sin embargo, la falta de partículas ultrafinas puede ser una desventaja. Estas partículas normalmente llenan los espacios entre las partículas más grandes en una pasta de cemento y, si no están presentes, el déficit se compensa con agua adicional, lo que reduce la resistencia. Esto se puede remediar incluyendo un 5% de carbonato de calcio en el cemento: este mineral blando produce ultrafinos adecuados en el primer paso por el molino.
La dureza del clínker es importante para el coste energético del proceso de molienda. Depende tanto de la composición mineral del clinker como de su historial térmico. El mineral de clinker más fácil de moler es la alita , por lo que los clinkers con alto contenido de alita reducen los costos de molienda, aunque son más costosos de fabricar en el horno. El mineral más duro es la belita , porque es más duro y algo plástico, de modo que los cristales tienden a aplanarse en lugar de romperse cuando se impactan en el molino. También es importante el modo de combustión del clinker. El clinker, que se quema rápidamente a la temperatura mínima para combinarse y luego se enfría rápidamente, contiene cristales pequeños y defectuosos que se muelen fácilmente. Estos cristales también suelen ser óptimos para la reactividad. Por otro lado, la combustión prolongada a temperatura excesiva y el enfriamiento lento dan lugar a cristales grandes y bien formados que son difíciles de moler y no reaccionan. El efecto de un clínker de este tipo puede ser duplicar los costes de molienda.
Estos se han utilizado durante muchos años para el proceso menos exigente de molienda de materias primas, pero recientemente se han utilizado molinos de rodillos, en combinación con separadores de alta eficiencia, para la molienda de cemento. La acción de molienda ejerce una tensión mucho mayor sobre el material que en un molino de bolas y, por lo tanto, es más eficiente. El consumo de energía suele ser la mitad que el de un molino de bolas. Sin embargo, la estrechez de la distribución del tamaño de las partículas del cemento es problemática y el proceso aún no ha recibido una amplia aceptación.
Consisten en un par de rodillos separados entre 8 y 30 mm y que giran en sentido contrario con una velocidad superficial de entre 0,9 y 1,8 m·s -1 . Los cojinetes de los rodillos están diseñados para entregar una presión de 50 MPa o más. El lecho de material arrastrado entre los rodillos emerge como una aglomeración similar a una losa de partículas altamente fracturadas. La eficiencia energética de este proceso es comparativamente alta. Se han diseñado sistemas, incluido un desaglomerador y un separador, que entregarán material de finura de cemento. Sin embargo, la distribución del tamaño de las partículas vuelve a ser un problema, y las prensas de rodillos son cada vez más populares como proceso de "molienda previa", con el cemento acabado en un molino de bolas de cámara única. Esto proporciona un buen rendimiento del cemento y reduce el consumo de energía entre un 20 y un 40 % en comparación con un sistema de molino de bolas estándar.
Los molinos de cemento de una planta cementera suelen estar dimensionados para un consumo de clinker considerablemente mayor que la producción de los hornos de la planta. Esto se debe a dos razones:
Además del control de la temperatura (mencionado anteriormente), el requisito principal es obtener una finura constante del producto. Desde la antigüedad, la finura se medía tamizando el cemento. A medida que los cementos se han vuelto más finos, el uso de tamices es menos aplicable, pero la cantidad retenida en un tamiz de 45 μm aún se mide, generalmente mediante tamizado con chorro de aire o tamizado en húmedo. La cantidad que pasa por este tamiz (típicamente 95% en los cementos modernos de uso general) está relacionada con el potencial general de desarrollo de resistencia del cemento, porque las partículas más grandes son esencialmente no reactivas.
La principal medida de finura hoy en día es la superficie específica . Debido a que las partículas de cemento reaccionan con el agua en su superficie, el área superficial específica está directamente relacionada con la reactividad inicial del cemento. Al ajustar la finura del molido, el fabricante puede producir una variedad de productos a partir de un solo clínker. Es necesario un control estricto de la finura para obtener cemento con el rendimiento constante deseado en el día a día, por lo que se realizan mediciones las 24 horas del día en el cemento a medida que se produce, y las velocidades de alimentación del molino y los ajustes del separador se ajustan a mantener una superficie específica constante.
El análisis del tamaño de las partículas proporciona una imagen más completa de la finura , que arroja una medida de la cantidad de cada rango de tamaño presente, desde submicrómetros hacia arriba. Esto solía ser principalmente una herramienta de investigación, pero con la llegada de analizadores de difracción láser industrializados y baratos, su uso para el control de rutina se está volviendo más frecuente. Esto puede tomar la forma de un analizador de escritorio alimentado con muestras recolectadas automáticamente en un laboratorio robotizado o, cada vez más comúnmente, instrumentos conectados directamente a los conductos de salida del molino. En cualquier caso, los resultados pueden introducirse directamente en el sistema de control del molino, lo que permite una automatización completa del control de finura.
Además de la finura, se deben controlar los materiales añadidos al cemento. En el caso de la adición de yeso, el material utilizado suele ser de calidad variable y es una práctica normal medir el contenido de sulfato del cemento con regularidad, normalmente mediante fluorescencia de rayos X , utilizando los resultados para ajustar la velocidad de alimentación del yeso. Nuevamente, este proceso suele estar completamente automatizado. Se aplican protocolos de medición y control similares a otros materiales añadidos, como piedra caliza, escorias y cenizas volantes.