Un molino de materia prima es el equipo que se utiliza para moler materias primas y convertirlas en " mezcla cruda " durante la fabricación del cemento . Luego, la mezcla cruda se introduce en un horno de cemento , que la transforma en clínker , que luego se muele para fabricar cemento en el molino de cemento . La etapa de molienda de materia prima 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.
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 del cemento utilizaron la tecnología existente en los primeros tiempos. Los primeros materiales hidráulicos, como las cales hidráulicas , los cementos naturales y el cemento romano de Parker, se basaban en materias primas "naturales", quemadas "tal como se extraían". Como estas mezclas naturales de minerales se dan solo en raras ocasiones, los fabricantes estaban interesados en hacer una mezcla artificial de grano fino de minerales fácilmente disponibles, como la piedra caliza y la arcilla, que se pudieran utilizar de la misma manera. Un problema típico sería hacer una mezcla íntima de 75% de tiza y 25% de arcilla, y quemarla para producir un "cemento artificial". El desarrollo del método "húmedo" de producción de arcilla de grano fino en la industria cerámica proporcionó un medio para hacerlo. Por esta razón, la industria del cemento primitiva utilizó el "proceso húmedo", en el que las materias primas se muelen junto con 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 primitiva fue la "doble quema", en la que se quemaba una piedra caliza dura y se apagaba antes de combinarla con la lechada de arcilla. Esta técnica evitaba la molienda de piedra dura y fue empleada, entre otros, por Joseph Aspdin . La tecnología de molienda temprana era pobre, y las primeras lechadas se hacían delgadas, con un alto contenido de agua. La lechada se Se dejaba reposar en grandes depósitos ("slurry-backs") durante varias semanas. Las partículas grandes, no molidas, caían al fondo y el exceso de agua subía a la superficie. El agua se decantaba periódicamente hasta que quedaba una torta dura, de la consistencia de la arcilla de cerámica. Esta se cortaba en rodajas, descartando el material grueso del fondo, y se quemaba en el horno. La molienda húmeda es comparativamente eficiente energéticamente, y por eso, cuando se dispuso de buenos equipos de molienda en seco, el proceso húmedo continuó utilizándose durante todo el siglo XX, a menudo empleando equipos que Josiah Wedgwood habría reconocido.
Las mezclas crudas se formulan 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 químico en la fabricación de cemento se expresan en términos de óxidos , y los más importantes de estos en el diseño de mezclas crudas son SiO2 , Al2O3 , Fe2O3 y CaO . En principio, cualquier material que pueda contribuir con cualquiera de estos óxidos se puede utilizar como componente de la mezcla cruda. Debido a que el principal óxido requerido es CaO, el componente de mezcla cruda más frecuente es la piedra caliza , mientras que los otros son aportados principalmente por arcilla o pizarra . Se realizan ajustes menores a la química mediante adiciones más pequeñas de materiales como los que se muestran a continuación.
Análisis químicos típicos de los componentes de la mezcla cruda:
Nota: LoI 950 es la pérdida por ignición a 950 °C y representa (aproximadamente) los componentes perdidos durante el procesamiento en horno. Se compone principalmente de CO2 de carbonatos, H2O de hidratos de arcilla y carbono orgánico.
Utilizando estos materiales se podrían componer mezclas crudas típicas:
Los análisis químicos de estas mezclas crudas serían:
Las materias primas y mezclas mostradas son sólo "típicas": son posibles variaciones considerables dependiendo de las materias primas disponibles.
Aparte de los óxidos mayores (CaO, SiO 2 , Al 2 O 3 y Fe 2 O 3 ), los óxidos menores 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 los materiales de modo que los efectos perjudiciales de los elementos menores se minimicen o se mantengan bajo control. Los elementos menores que se encuentran con frecuencia son los siguientes:
La molienda húmeda es más eficiente que la molienda seca porque el agua recubre las superficies recién formadas de las partículas rotas y evita la reaglomeración. El proceso de mezclado y homogeneización de la mezcla cruda también es mucho más fácil cuando está en forma de suspensión. La desventaja es que el agua de la suspensión resultante debe eliminarse posteriormente, y esto generalmente requiere mucha energía. Si bien la energía era barata, la molienda húmeda era común, pero desde 1970 la situación ha cambiado drásticamente y ahora rara vez se instalan nuevas plantas de procesamiento húmedo. La molienda húmeda se realiza por dos medios distintos: molinos de lavado y molinos de bolas.
Representa la primera tecnología de molienda en bruto y se utilizaba para moler materiales blandos como tiza y arcilla. Es bastante similar a un robot de cocina. Consiste en un cuenco grande (de 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 remueve mediante gradas giratorias . Las paredes exteriores del cuenco consisten en rejillas o placas perforadas a través de las cuales puede pasar el producto fino. La molienda es en gran parte autógena (es decir, se produce por colisión entre trozos de materia prima) y es muy eficiente, produciendo poco calor residual, siempre que los materiales sean blandos. Normalmente se conectan en serie dos o tres molinos de lavado, que están provistos de perforaciones de salida sucesivamente más pequeñas. El sistema completo puede producir lodo con un gasto de tan solo 5 kW·h de electricidad por tonelada seca. Los minerales relativamente duros (como el sílex) presentes en la mezcla quedan más o menos intactos durante el proceso de molienda y se depositan en la base del molino, de donde se extraen periódicamente.
El molino de bolas permite moler las calizas más duras, más comunes que la tiza. Un molino de bolas consiste en un cilindro horizontal que gira sobre su eje. Contiene 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 el 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 atrición entre los medios de molienda. Los diversos componentes minerales de la mezcla cruda se alimentan al molino a una velocidad constante junto con agua, y la lechada fluye desde el extremo de salida. El tambor de lavado tiene un concepto similar, pero contiene poco o ningún medio de molienda, siendo la molienda autógena, por la acción en cascada de los trozos de materia prima más grandes. Es adecuado para materiales blandos, y particularmente para tiza de pedernal, donde el pedernal sin moler actúa como medio de molienda.
Es esencial que las partículas grandes (> 150 μm para el carbonato de calcio y > 45 μm para el cuarzo) se eliminen de la mezcla cruda, para facilitar la combinación química en el horno. En el caso de las lechadas, las partículas más grandes se pueden eliminar mediante hidrociclones o dispositivos de tamizado. Estos requieren una cierta cantidad de energía, suministrada por bombeo a alta presión. Este proceso, y el movimiento y mezcla de la lechada, requieren un control cuidadoso de la viscosidad de la lechada. Obviamente, se obtiene fácilmente una lechada más fina añadiendo más agua, pero a expensas de un alto consumo de energía para su posterior eliminación. En la práctica, la lechada se hace tan espesa como el equipo de la planta puede manejar. Las lechadas de mezcla cruda de cemento son plásticos de Bingham que también pueden presentar un comportamiento tixotrópico o reopéctico . La energía necesaria para bombear el lodo a una velocidad deseada está controlada principalmente por la tensión de fluencia del lodo , y esta a su vez varía más o menos exponencialmente con la relación sólidos/líquidos del lodo. En la práctica, a menudo se añaden desfloculantes para mantener la capacidad de bombeo a bajos contenidos de humedad. Los desfloculantes comunes utilizados (en dosis típicas de 0,005-0,03%) son carbonato de sodio , silicato de sodio , polifosfatos de sodio y lignosulfonatos . En circunstancias favorables, se pueden obtener lodos bombeables con menos del 25% de agua.
Las mezclas crudas contienen frecuentemente minerales de durezas contrastantes, como calcita y cuarzo. La molienda simultánea de estos minerales en un molino de crudo es ineficiente, porque la energía de molienda se utiliza preferentemente en la molienda del material más blando. Esto da como resultado una gran cantidad de material blando excesivamente fino, que "amortigua" la molienda del mineral más duro. Por este motivo, a veces se muele la arena por separado y luego se alimenta al molino de crudo principal como una suspensión fina.
Los molinos de materia prima en seco son la tecnología habitual que se instala hoy en día y que permite minimizar el consumo de energía y las emisiones de CO2 . En general, las materias primas del cemento se extraen principalmente de canteras, por lo que contienen una cierta cantidad de humedad natural. Intentar moler un material húmedo no tiene éxito porque se forma un "lodo" intratable. Por otro lado, es mucho más fácil secar un material fino que uno grueso, porque las partículas grandes retienen la humedad en su estructura profunda. Por lo tanto, es habitual secar y moler simultáneamente los materiales en el molino de materia prima. Puede utilizarse un horno de aire caliente para suministrar este calor, pero normalmente se utilizan los gases residuales calientes del horno. Por este motivo, el molino de materia prima suele colocarse cerca del precalentador del horno. Los tipos de molinos de materia prima en seco incluyen molinos de bolas, molinos de rodillos y molinos de martillos.
Son similares a los molinos de cemento , pero a menudo con un mayor flujo de gas. La temperatura del gas se controla mediante purgas de aire frío para garantizar un producto seco sin sobrecalentar el molino. El producto pasa a un separador de aire, que devuelve las partículas de gran tamaño a la entrada del molino. Ocasionalmente, el molino está precedido por un molino de martillos barrido por aire caliente que realiza la mayor parte del secado y produce un 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 usa a veces para moler previamente alimentos húmedos grandes. Es un molino semiautógeno corto de gran diámetro, que generalmente contiene un 15% en volumen de bolas de molienda muy grandes (130 mm). El alimento puede ser de hasta 250 mm y los trozos más grandes producen gran parte de la acción de molienda. El molino es barrido por aire y los finos se arrastran en la corriente de gas. El triturado y el secado son eficientes, pero el producto es grueso (alrededor de 100 μm) y generalmente se vuelve a moler en un molino de bolas separado.
Estos son la forma estándar en las instalaciones modernas, a veces llamados molinos de husillo vertical . En una disposición típica, el material se alimenta a una mesa giratoria, sobre la cual se presionan rodillos de acero. Se mantiene una alta velocidad de flujo de gas caliente cerca del plato para que las partículas finas se eliminen tan pronto como se producen. El flujo de gas lleva las partículas finas a un separador de aire integral, que devuelve las partículas más grandes al camino de molienda. El material fino se elimina con el gas de escape y es capturado por un ciclón antes de ser bombeado al almacenamiento. El gas polvoriento restante generalmente se devuelve al equipo de control de polvo del horno principal 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 de más de 800 toneladas por hora. A diferencia de los molinos de bolas, la alimentación al molino debe ser regular e ininterrumpida; de lo contrario, se produce una vibración resonante dañina.
Los molinos de martillos (o "secadores trituradores") barridos con gases de escape calientes del horno tienen una aplicación limitada cuando se muele una materia prima blanda y húmeda. El diseño simple significa que puede funcionar a una temperatura más alta que otros molinos, lo que le otorga una alta capacidad de secado. Sin embargo, la acción de molienda es deficiente y el producto a menudo se vuelve a moler en un molino de bolas.