INTRODUCCIÓN
Se entiende por molienda la reducción de los materiales a polvo. Particularmente, el objetivo de la molienda es el aumento de la superficie específica de dichos materiales, siempre de acuerdo con una distribución granulométrica establecida; concepto que se extiende al de la obtención de una adecuada reactividad para la próxima etapa del proceso de fabricación del cemento, o de una reactividad apropiada en el producto acabado (cemento) propiamente dicho.
Por lo general, la molienda se realiza en molinos de bolas, los cuales son los equipos más frecuentemente usados en los procesos de molienda llevados a cabo en la industria cementera, como son: la molienda de crudo y la molienda de cemento; pero también es común su aplicación para la molienda de carbón o coque, los cuales posteriormente pueden ser usados como combustibles.
A través de los años se han desarrollando diferentes sistemas de molienda, los cuales tienden a mejorar el proceso, para hacerlo más eficiente. La selección de un sistema de molienda depende básicamente de la calidad requerida sobre todo para la producción de cemento.
Los molinos tubulares de bolas son cilindros rotatorios de acero, en donde el desmenuzamiento del material se realiza debido al movimiento de los cuerpos moledores. A causa del giro del cilindro del molino, el montón formado por los elementos moledores y el material se eleva hasta un valor óptimo para su acción molturadora. La molienda se realiza por choque y rozamiento entre los cuerpos moledores y las paredes blindadas del molino.
Todos los sistemas de molienda deben ser operados de tal forma que se obtenga la producción requerida así como la calidad de producto deseada, especialmente tomando en cuenta los costos relevantes de producción. A pesar de que se ha acumulado una cantidad considerable de experiencias acerca de la operación de los molinos de bolas, con frecuencia se observa que no son operados a su máxima eficiencia. Con mucha frecuencia, las posibles razones no se limitan únicamente a composiciones inadecuadas de la carga de bola o al posicionamiento incorrecto del separador, sino que incluyen una serie de factores interrelacionados unos con otros, y responsables en forma global, del buen o mal funcionamiento del sistema de molienda.
Si se toma en cuenta la gran cantidad de combinaciones posibles de un sistema de molienda, resulta evidente que difícilmente se pueden establecer instrucciones generales acerca de cómo operarlo y mantenerlo.
En la industria del cemento cerca del 75% del consumo total de energía eléctrica corresponde a las operaciones de los sistemas de molienda de crudo y de clinker y, cuando se emplean, de los combustibles sólidos.
Debido a la disminución de los recursos energéticos disponibles y al desmedido aumento de los costos de la energía, es importante poner la mayor atención en la disminución de la energía utilizada en los sistemas de molienda.
La molienda de materiales inevitablemente conduce a considerables pérdidas de energía. Las necesidades actuales de energía para la reducción de un material dado a un cierto tamaño de partícula excede con mucho a la energía teóricamente
necesaria para su rotura hasta conseguir el correspondiente aumento de la superficie específica del material. Según los criterios aplicados, se estima que tan solo del 2% al 20% de la energía suministrada al sistema de molienda se aplica a la producción de nuevas superficies. Queda un remanente, entre 98% y 80% de pérdida de energía, en su mayor parte como calor, ruido y vibraciones. Desde luego, no faltan en la actualidad esfuerzos para mejorar los sistemas de molienda con el fín de conseguir un mayor ahorro en la energía utilizada.
El problema que se presenta en una instalación de molienda es cómo conseguir un máximo de economía con los equipos disponibles actualmente. Para ello, es necesario conocer las posibilidades y limitaciones del sistema presente y poseer información apropiada de las vías y medios para valorar el rendimiento de una instalación.
6.1 DESARROLLO HISTÓRICO
Ha pasado mucho tiempo desde la época en que los romanos hacían la molienda en vasijas, (ver figura 6.1), hasta lograr los modernos sistemas de molienda con capacidades de 100 a 500 tph.
Figura 6.1 Molienda en vasijas
En una etapa muy temprana en la historia de la Humanidad, se usaron ciertos aparatos para triturar algunos alimentos. Se desarrollaron máquinas sencillas para evitar el trabajo del Hombre; estos fueron evocaciones de los molinos de cuchilla que eran operados por animales, agua o viento. Alrededor del siglo IX el incremento de producción de depósitos minerales condujo a molinos aprisionadores por vía húmeda, y en el año de 1512 se desarrolló el molino de impacto por vía seca.
No obstante, debido a las limitaciones de la fuerza motríz disponible, no hubo un desarrollo substancial durante varios siglos. Un cambio decisivo ocurrió con la introducción de la maquina de vapor, lo cuál llevó al uso del primer molino con rodillos moledores en Cornwall, Inglaterra, alrededor del año de 1790. En 1858 Blake desarrolló la trituradora de quijada en los Estados Unidos, con la cuál se
crearon las bases para la reducción primaria de minerales duros para materiales crudos. La trituradora de cono apareció en el año de1877.
La tabla 6.1 muestra un sumario de las etapas mas importantes en este desarrollo.
Tabla 6.1 Desarrollo de la tecnología de molienda.
AÑO INVENTOR MAQUINA DE MOLIENDA
Alrededor de 500 años A.C.
"Molino Capstan", fue el precursor del molino de cuchilla para granos, posiblemente tambien para minerales de plata en Laurion, Grecia.
Alrededor de 900 Molino aprisionador, proceso húmedo. 1512 Sigismund Vont Maltitz Molino de aprisionador, proceso seco.
? Molino de tambor para molienda por lotes.
Cerca de 1790 Molino de rodillos (Cornwall, Inglaterra). 1842 Patente Norteamericana Molino de impacto.
Alrededor de 1850 Griffin, USA Molino centrifugo pendular. 1858 Blake, USA Trituradora de quijada. 1876 Gebr Sachsenberg,
Alemania Molino de bolas con criba en la descarga. Cerca de 1877 Gates, USA Triturador de cono.
1891
Konow & Davidson patente francesa con aplicación en
Alemania
Molino tubular continuo.
Cerca de 1925 Loesche, Alemania Molino de rodillos con sistema de carga elastico. 1935 Harding, USA (patente ya
concesionada en 1908) Molino autogeno.
1969 Feige, Alemania Molienda fina, realizada entre dos rodillos. 1977 Schonert, Alemania Molienda con rodillos a gran presión.
En el siglo XIX se desarrollaron los sistemas de molienda de crudo en escala industrial. El molino tubular se introdujo entre los años de 1890 y 1900, y posteriormente se fabricaron molinos de grandes tamaño, con diámetros aproximados de 5.0 m. y longitudes de hasta 20.0 m., como los equipos usados en las actuales fábricas de cemento.
Hace tiempo hubo molinos de tambor operados en forma discontinua o por lotes disponibles para molienda fina, además de los molinos aprisionadores y los molinos de cuchilla, y en ocasiones muchos de ellos fueron colocados en el tiro de las minas. Los cilindros de molienda estaban hechos de materiales cerámicos o de hierro fundido. Los elementos de molienda eran principalmente piedras pedernales o bolas de cerámica, y más tarde también se usaron las bolas de hierro fundido.
Las dimensiones de estos primeros molinos apenas excedían de 1.0 m. de diámetro por 1.0 m. de longitud. Así, estos equipos tenían muy baja producción; lo que hacía que tuvieran un intensivo trabajo por su modo cíclico de operación.
Pero a pesar de estas desventajas, el proceso de molienda en molinos de tambor era realmente efectivo. Así, durante el último cuarto del siglo pasado se
realizaron grandes esfuerzos para aumentar el potencial industrial de la molienda contínua.
El desarrollo de la operación contínua de molinos tubulares usados ampliamente hoy en día para la molienda fina de materiales data desde hace más de 100 años. De acuerdo a ésto, la mayoría de los inventores partieron de la suposición de que eran necesarias cribas adecuadas para la molienda contínua en molinos de tambor, así que el material grueso obtenido durante el cribado debería ser retornado al molino. En 1876 fué propuesta una máquina por Gebruder Sachsenberg, en la cuál los aparatos de cribado estaban fijos en marcos de madera rodeando el tambor de molienda y rotando con él. El material que pasaba a través de la criba formaba el producto final y era capturado en una cubierta que rodeaba la máquina, mientras que el material retenido en la criba era regresado al interior del molino a través de una abertura especial. Este molino de bolas descargando por cribas, y aún en uso prácticamente con el mismo diseño, puede operase en proceso húmedo ó seco.
Su principal desventaja era que el tamaño del producto fino que podía producirse era determinado por la abertura de la malla de la criba usada y ésta tendía a bloquearse frecuentemente, además de que estaba sujeta a un fuerte desgaste. Estos son problemas que todavía ocurren en la operación de los molinos de bolas con descarga por cribas.
Por lo tanto, se llevaron a cabo algunas consideraciones para colocar un cierto número de molinos de tambor en secuencia, y transportar la alimentación del molino de una cámara a la siguiente por cucharones. Las variantes de este desarrollo se muestran en la figura 6.2. Como hubo algunas opiniones que sostenían que parte del material sería retenido en el transporte a lo largo del molino, también se sugirió que los tambores de molienda deberían ser construidos con casco cónico hacía la descarga.
Por razones de diseño el tambor entero no fue formado como un solo tambor cónico y se dividió en tres cámaras cónicas como se muestra en la figura 6.2 y fué propuesto como una solución apropiada. Sin embargo, se tuvo poco éxito en la práctica con estos molinos, ya que este arreglo del tubo de molienda causó también bastante retrazo en el transporte del material.
Tomando en cuenta lo anterior, se pensó que el transporte de la alimentación del molino podría acelerarse a través de una caída entre los extremos de entrada y salida del molino. El 30 de Junio de 1891 Konow y Davidson de París registraron la patente No. 62871 en la oficina imperial de patentes del Reich alemán con el título: “Molino de bolas con alimentación central y descarga tangencial del material molido”, los cuales pueden ser considerados como las bases de los modernos molinos de bolas.
En detalle, la especificación de la patente, dice: “Un molino de bolas es aquel en el cual se logra un proceso de operación contínua alimentando el material a moler al centro de un extremo del tambor y descargandolo en el perímetro del otro extremo del tambor -esto da una diferencia constante de altura entre los puntos de entrada y de salida- tomando lugar un lento movimiento hacia adelante del material que está siendo molido entre las bolas en la dirección longitudinal del tambor tubular
el cuál es de longitud suficiente”.
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v vv
Figura 6.2 Primeras propuestas de molinos multicámaras para molienda contínua. La figura 6.3 muestra un ejemplo del diseño de este molino tubular de una sola cámara, el cual podía estar soportado sobre roles o muñones. El tambor de molienda también podía ser cónico, con la finalidad de incrementar la diferencia de altura entre la entrada y la salida, como se muestra en la figura 6.4. El objetivo del invento estaba relacionado con la eliminación de las deficiencias asociadas con la operación de los molino de bolas con criba de descarga usados normalmente. Esto significa que la intensión era eliminar el principal problema ocasionado por el tamaño de la criba que se encontraba en operación, lo cual determinaba la finura del producto. El costo de mantenimiento era bastante significativo, la operación se dificultaba si el material a moler era de baja densidad y si debía ser molido finamente. Por otra parte, con el molino de bolas patentado “la longitud del casco del molino era seleccionado de tal manera que el material a ser molido pasara lentamente a lo largo de toda la longitud del molino con velocidad progresiva del casco de molienda y fuera expuesto por un largo tiempo al efecto de molienda de las bolas”.
Figura 6.3 Molino tubular cilíndrico, como el descrito en la patente No. 62871.
Figura 6.4 Molino tubular cónico, como el descrito en la patente No. 62871. En esta patente el material a moler era alimentado dentro del molino por un transportador de tornillo o un transportador vibratorio. Salía del tambor por el otro extremo a través de agujeros o ranuras en el tambor o en la pared final. También era posible un tipo de cámara de descarga y existía protección provisional para el revestimiento del casco del molino.
El siguiente enfoque de la patente también se considera interesante: “Si la alimentación suministrada al molino consiste de pequeñas piezas, entonces un solo compartimento es suficiente; no obstante, si debe molerse material grande, deberán usarse varios compartimentos con bolas de diferentes tamaños. En el último caso la alimentación al molino es introducida primeramente al compartimento con las bolas más grandes y después en secuencia se alimenta a aquellos compartimentos con bolas gradualmente decreciendo en tamaño. Estos compartimentos deberán estar colocadas debajo o al lado del otro.”
La patente de Konow y Davidson expiró el 30 de junio de 1905, y desde entonces todas las compañías interesadas pudieron construir y desarrollar mejores
modelos de molinos tubulares sin ninguna restricción.
El primer molino tubular construido en el presente siglo tuvo dimensiones máximas de hasta 1,200 mm. de diámetro por 6,000 mm. de longitud, y generalmente era cargado con piedras de pedernal, o muy rara vez con bolas de acero. Era normal el uso de un recubrimiento sencillo para protección del cilindro del molino. Las producciones alcanzadas eran de alrededor de 3 tph para molienda de clinker de hornos para cemento. A pesar de estas producciones relativamente bajas, los molinos tubulares para molienda de harina cruda y clinker en la industria del cemento se convirtieron muy rápidamente en una seria competencia para los molinos centrífugos tubulares que eran construidos en los Estados Unidos por la firma Bradley, y en Alemania por Humboldt-Maschinenbau AG, los cuales habian sido los principales tipos usados hasta entonces.
Con el paso del tiempo hubo un rápido incremento en las dimensiones de los molinos tubulares usados tanto para la molienda en proceso húmedo como para la molienda en proceso seco. Las bolas de acero se usaron mas ampliamente como el medio de molienda y los elementos internos en la cámara de molienda fueron mejor adaptadas para una gran variedad de condiciones de operación. Se construyeron los molinos de cámaras multiples, y se introdujo el circuto cerrado con equipos de clasificación.
Ya en el siglo XIX, el clinker de hornos verticales y de hornos rotatorios era molido en molinos tubulares de un compartimento. Se observó que en los molinos de un compartimento la reducción de tamaño de las partículas se realiza principalmente en una longitud equivalente al 20% - 30% de la longitud total del molino, mientras que la subsiguiente reducción de tamaño de las partículas en el resto del molino era muy pequeña. En consecuencia, se desarrolló un sistema de molienda en dos etapas, a fin de combinar la premolienda y la molienda final en dos molinos separados. Las dimensiones de los molinos, es decir, la relación de longitud a diámetro, fueron seleccionados de acuerdo a los pasos respectivos de molienda. La molienda de gruesos se realizaba en molinos cortos de gran diámetro, mientras que la molienda de finos se efectuaba en molinos largos de diámetro reducido.
Con el fin de evitar el uso de dos transmisiones para los molinos separados, tal y como es necesario en la molienda en dos etapas, se introdujo el llamado molino compuesto, es decir, la molienda de gruesos y de finos se combinó en compartimentos individuales en un molino común único. Para satisfacer las exigencias de finura del producto, los molinos estaban dotados con tres y hasta cuatro compartimentos individuales.
El molino compuesto, también denominado molino de circuito abierto, fué y es aplicado con éxito para la producción de cemento portland normal con una finura normal de 2,800 - 3,500 cm2/g (Blaine).
Para la producción de cementos especiales, tales como cemento de endurecimiento rápido con una finura mayor de 3,200 - 3,300 cm2/g, la eficiencia del molino compuesto decrecía considerablemente, debido a la formación de aglomeraciones y adherencias en los elementos molturadores y en el revestimiento del molino.
El desarrollo de separadores de aire permitió aumentar el grado de finura de la molienda. El material parcialmente molturado es retirado del molino y clasificado en el separador; la porción de gruesos (rechazos) es regresada al molino para ser molida otra vez. Con la introducción de molinos en circuito cerrado ha sido posible alcanzar una superficie especifica de hasta 5,000 cm2/g.
Los actuales molinos en circuito cerrado consisten generalmente de uno ó dos compartimentos con descarga final, figura 6.5, o con descarga central, figura 6.6. Sin embargo, este último es usado únicamente en casos especiales, tales como molienda y secado de materia prima ó cemento de escoria.
Figura 6.5 Molino con dos compartimentos usado para la molienda en circuito cerrado.
Entre 1960 y 1970 hubo un incremento significante en las dimensiones de los molinos, lo que ha resultado en los modernos molinos tubulares con mecanismos de transmisión y diámetros mayores de 6.0 m. para procesos húmedos y secos. También en este período se instaló el molino autógeno (molino Aerofall) en diversas plantas para la molienda de materiales húmedos y aglutinantes.
Aunque, desde 1980 hasta la fecha se han desarrollado muchos tipos de equipos para la molienda, como los molinos verticales de rodillos, las prensas de rodillos, y los molinos horizontales de rodillos; el molino de bolas todavía es un equipo importantísimo para la industria del cemento, y a pesar de que su uso en el futuro será más y más limitado, para la molienda final de cemento aún sigue siendo competitivo.
6.1.1 DESARROLLO DE LOS ELEMENTOS INTERNOS DE LAS CÁMARAS DE MOLIENDA DE LOS MOLINOS TUBULARES.
Debido a la mayor comprensión de los procesos de molienda que se llevan a cabo en el interior del molino de bolas, desde principios del siglo se reconoció que la efectividad de tales procesos dependen en forma crítica de un gran número de parámetros, y en detalle, estos son:
x Longitud y diámetro del molino. x Velocidad de rotación del molino. x Configuración del blindaje.
x Tipo, forma, tamaño y composición del medio de molienda.
x Arreglo y configuración de los diafragmas intermedio y final, y de los anillos de retención.
x Molturabilidad y distribución del tamaño de partículas del material de alimentación.
x Especificación del producto molido (distribución del tamaño de partículas, área superficial específica, reactividad,etc.).
La obtención de buenos resultados de la molienda, con un bajo consumo específico de energía, solo será posible si estas variables son seleccionadas correctamente. En particular, la configuración del emplacado, la velocidad de rotación del molino y el tamaño y composición de los elementos de molienda deberán ajustarse para asegurar un movimiento óptimo de la carga de bolas en relación a la composición del material de alimentación y la finura requerida del producto. Además del movimiento de la carga de bolas, también es necesario asegurar que el material que se está moliendo tenga la velocidad de transporte axial necesaria (tiempo de residencia del material en el molino).
Desde hace más de 70 años se ha reconocido que no solamente los recubrimientos de molinos son indispensables para protección del desgaste, sino que también tienen una decisiva significancia tecnológica. Mientras que los primeros molinos de bolas fueron operados sin recubrimientos especiales, rápidamente se hicieron esfuerzos para proporcionar elementos reemplazables como protección del casco. Al principio éstos eran de cuarzo, de forma de cuña o bloques de piedra pedernal, de cerca de 15 cm. de espesor, y eran cortados en una forma dada y ahogados en cemento. Más tarde fueron barras longitudinales o pestañas en las
que la alimentación del molino podía hacerse y eran instaladas en la coraza cilíndrica, especialmente se usaron para molinos con molienda de minerales. En la figura 6.7 se muestran los blindajes de este tipo para molinos de procesos húmedos que fueron instalados en algunos lugares aún en los años 20´s.
a b
c d
e f
Figura 6.7 Tipos de blindaje para molinos de minerales.
a).- Placas lisas de acero con barras de forma de cuña atornilladas. b).- Bloques lisos, instalados para cemento.
c).- Placas de acero corrugadas (onduladas). d).- Placas de acero escalonadas.
e).- Rieles viejos acuñados con piedras pedernales.
f).- Blindaje El-Oro_Osborn de barras de perfil acuñados con piezas de mineral.
Debido a la gran variedad de condiciones bajo las cuales se usan los molinos de bolas, y a las diversas especificaciones de los productos obtenidos, se observó
claramente durante su desarrollo, que no hay una sola forma de emplacado que genere un resultado óptimo para todas las condiciones. Por lo tanto, todavía son usados diferentes diseños de blindajes, teniendo cada uno de ellos sus ventajas y desventajas.
Una posible forma de igualar los esfuerzos sobre la alimención del molino en un molino tubular monocámara a la finura requerida es el uso del blindaje clasificador. Estos blindajes producen un movimiento axial de los cuerpos moledores debido a la forma cónica de las placas escalonadas en la dirección axial. Este emplacado usa el efecto de la fuerza centrífuga, impacto y declive para apartar las bolas grandes hacia el extremo de entrada del molino y las bolas pequeñas hacia la salida. El punto de partida del desarrollo de los blindajes clasificadores, que comenzó a prinicipio de los 20´s, fué el molino Harding, en el que la clasificación de los cuerpos de molienda se lograba por la configuración cónica del tambor. La relación se ilustrada claramente en la figura 6.8.
Sección de un molino cónico con descarga por rebose (modelo Harding).
a
b
c
Figura 6.8 Desarrollo del blindaje clasificador basado en el molino cónico Harding. a).- Blindaje clasificador Carman.
b).- Blindaje clasificador Slegten-Magotteaux. c).- Blindaje clasificador F. L. Smidth.
Tratándose del desarrollo futuro de máquinas para la molienda fina, se espera que los molinos tubulares de bolas, los cuales tienen 100 años de uso,
seguiran estando vigentes. Esto es cierto, aún considerando el hecho de que en los últimos años se han estado usando unidades de molienda con un menor consumo específico de energía, como por ejemplo los molinos verticales, para la molienda de materiales blandos, como las materias primas para la fabricación de cemento.
Sin embargo, no debe esperarse que vaya a haber algún incremento significativo en las dimensiones del molino de tubo en los próximos años. Además de los límites de fabricación y de transporte, también se sabe que solo ha sido posible alcanzar los actuales valores específicos de diseño para los grandes molinos tubulares solo después de una extensa afinación (reducción del diámetro de las bolas grandes y del grado de llenado de bolas).
Se espera que habrá más mejoramientos técnicos y tecnológicos que ayudarán a incrementar la eficiencia de los molinos tubulares. El punto de partida para ésto será un mayor entendimiento de los mecanismos de la fractura de las partículas y del comportamiento del transporte axial en los molinos, lo que permitirá adaptar mejor los elementos internos de la cámara de molienda, el emplacado, el grado de llenado y composición de las cargas de cuerpos moledores, y la configuración del diafragma de salida.
6.2 TIPOS DE MOLINOS
En esta sección se realizará una descripción de las diferentes categorías de molinos tubulares que tienen cuerpos moledores esféricos por ser los más usados en la industria del cemento. Aquellos que no contienen cuerpos moledores (o bien tienen una pequeña cantidad, tales como los molinos autógenos) no serán incluidos en este manual.
Los molinos tubulares pueden ser clasificados según varios criterios:
6.2.1 NATURALEZA DEL PROCESO
El proceso de molienda puede clasificarse según la cantidad de agua contenida en los materiales. Los circuitos que contenien materiales con humedades mayores a 25% pueden considerarse procesos de vía húmeda. Es bien sabido que el proceso de vía húmeda es más eficiente que la molienda en seco, siendo sus ventajas las siguientes:
x Puede molerse material con gran contenido de humedad. x Menor consumo específico de energía.
Algunos autores han tratado de explicar el menor consumo específico de energía en molienda húmeda llegando a la conclusión que la partícula está sujeta a una mayor movilidad al estar en un medio acuoso y puede ser molida con mayor facilidad entre las bolas.
Existe un alto desgaste en los cuerpos moledores y en el blindaje del molino al utilizarse la molienda por vía húmeda. Además, encontramos un alto consumo de energía calorífica en el horno. Es por esto que este tipo de molienda cada vez se usa con menor frecuencia.
En las plantas donde aún se utiliza el proceso de molienda por vía húmeda encontramos dos tipos de procesos.
6.2.1.1.1 CIRCUITO ABIERTO
Para mantener la consigna de finura del producto en molinos de circuito abierto, normalmente se realiza una molienda excesiva del material; ésto consume más energía y provoca un mayor desgaste en los cuerpos molturantes y revestimientos del molino.
Debido a las desventajas de la molienda en circuito abierto sólo debe usarse en casos especiales donde no sea posible utilizar el circuito cerrado.
6.2.1.1.2 CIRCUITO CERRADO
Para evitar la molienda excesiva del circuito abierto y aumentar el rendimiento del molino se pueden instalar tamices (DSM, curvos, etc.) en la descarga del molino. El material que no tiene la consigna de finura es regresado al molino. Al introducir la molienda en circuito cerrado se han alcanzado los siguientes beneficios:
x Aumento en la capacidad de molienda entre 20% y 30% con el mismo tamaño de molino.
x Consecuente disminución en el consumo específico del motor principal. x Menor desgaste de los cuerpos moledores, medidos en gr/ton producida. x Mejor control en la calidad del producto.
Para disminuir el desgaste algunos molinos están siendo equipados con revestimiento de caucho en el segundo compartimiento.
6.2.1.2 MOLIENDA VÍA SECA
Al aumentar el costo de los energéticos utilizados en la producción del cemento se han buscado alternativas para disminuir el costo de producción.
Actualmente las nuevas líneas de producción cuentan con hornos de vía seca y molinos en circuito cerrado cuando se muele cementos con finuras superiores a 3,200-3,300 Blaine, pudiéndose en casos especiales, producir cementos de endurecimiento rápido de 5,000 Blaine. En crudos los requerimientos son de 85-95% pasando 90 micras. Los circuitos abiertos en molienda de cemento, ahora poco usados, son utilizados cuando los requerimientos de finura son de 2,600 - 3,200 Blaine.
6.2.1.2.1 CIRCUITO ABIERTO
Como ya se dijo, este tipo de circuito se utiliza para producir cementos de baja resistencia y finura; cuando se produce crudo, la longitud del molino en circuito abierto es generalmente mayor que en circuito cerrado debido a que en este último aproximadamente la mitad del material saliendo del molino tiene la finura requerida, la porción restante es regresada por el separador para ser molida de nueva cuenta. En circuito abierto el molino tiene una mayor longitud para terminar de moler el material a la finura deseada. El desgaste en gr/ton para molinos de circuito abierto
es generalmente más elevado debido a la mayor longitud del molino y a las cargas de bola más pesadas.
En cuanto a producto, la distribución de partículas de los cementos y crudos producidos en circuitos abiertos muestran una banda de distribución más amplia en comparación con aquellos producidos en circuitos cerrados. Con frecuencia, al producir cementos finos (superiores a 3,200 Blaine), los molinos en circuito abierto producen una mayor cantidad de partículas finas (menores de 3 micras) que no contribuyen a las resistencias del cemento, pero si influyen negativamente en la producción al contribuir en la agregación de partículas y enforramiento de bola.
El cemento que se muele en molinos de circuito abierto frecuentemente debe alcanzar una superficie específica más alta que la del cemento molido en circuito cerrado para la misma resistencia final.
La siguiente figura muestra los dos tipos de circuitos de molienda.
Alimentación Fresca Producto Final Molino CIRCUITO ABIERTO Alimentación Fresca Producto Final Molino CIRCUITO CERRADO Rechazos Separador
Figura 6.9 Sistemas de molienda en circuito abierto y en circuito cerrado.
6.2.1.2.2 CIRCUITO CERRADO
En un molino largo de circuito abierto gran parte de material alcanza la finura deseada después de algunos metros dentro del molino. El material sigue expuesto a la acción de los cuerpos moledores en la parte restante del molino. Esto resta
eficiencia de molienda al presentarse agregación de material, amortiguamiento por bola enforrada y amortiguamiento de la molienda por material fino.
En circuito cerrado el material pasa por el molino con una mayor rapidez al ser el molino más corto, esto reduce el riesgo de los problemas antes descritos, además de disminuir la probabilidad de deshidratación de yeso.
Cuando los cementos producidos tienen valores menores a 3,200 Blaine, los molinos en circuito cerrado tiene iguales, e inclusive mayores consumos de energía. El consumo específico de energía en circuito abierto (que incluye solamente el motor) es igual o menor a la potencia consumida por el motor principal, elevador de cangilones y separador de un molino en circuito cerrado.
La molienda en circuito cerrado puede ser controlada con mayor facilidad. El separador usado pueden cambiar la finura y la distribución de partículas del producto rápidamente; es por esto que la molienda en circuito cerrado puede producir cementos con diferentes características como: resistencia, manejabilidad y consistencia entre otras. En harina cruda se puede moler con el mismo retenido en la malla de control, pero el producto contendrá un menor retenido en 145 micras.
6.2.2 NÚMERO DE CÁMARAS
6.2.2.1 MOLINOS CON 1 CÁMARA
La mayoría de las materias primas usadas en la producción de harina cruda contiene entre 3% y 8% de humedad y en algunos casos mayores. Para poder realizar una molienda efectiva es necesario el uso de gases calientes para secar el material antes y durante la molienda. Los molinos de una sola cámara mantienen una baja caída de presión inclusive en los casos donde se maneja una gran cantidad de aire. Al eliminar el diafragma intermedio, la cámara de molienda fina se equipa con un emplacado clasificador; esto asegura una correcta distribución de bola dentro del molino. La figura 6.10 muestra un molino monocámara.
Los molinos de una sola cámara son poco usados en la molienda de cemento; en planta Barrientos se tiene un molino de una cámara marca KVS trabajando para la molienda de cemento.
Existen algunas desventajas en la operación de estos molinos. Cuando se utilizan para la molienda de crudo se debe tener especial cuidado al presentarse un aumento de humedad del material alimentado, o al existir un desabasto de gases calientes; en ambos casos el exceso de humedad provoca una disminución en la molienda de gruesos. Estas partículas gruesas pasan a la sección de bola fina y no pueden ser molidas. Al suceder esto el molino debe trabajar varias horas con producción baja o nula hasta desgastar el material. Además existe el riesgo de una segregación reversible de bola; esto es, la bola grande se encuentra a la salida del molino y la bola fina en la parte inicial de éste.
6.2.2.2 MOLINOS CON 2 CÁMARAS
La subdivisión en dos compartimientos de molienda por un diafragma permite una alimentación del material con una granulometría más gruesa y materiales más duros que en molinos con una sola cámara. En el primer compartimiento encontramos emplacado levantador y bolas grandes (90-50 mm) que realizan la reducción del material principalmente por impacto. Aquí el material es reducido de un tamaño máximo de 5% retenido en 15-20 mm a un nuevo tamaño de 2 mm. El diafragma de la primer cámara tiene una gran influencia en el tiempo de retención y en el tamaño del material que pasa a la segunda cámara. En el segundo compartimiento la reducción del tamaño del material se realiza utilizando bola pequeña (40-15 mm) que realiza molienda por atrición. En esta cámara se utiliza blindaje clasificador y en otros casos levantador según el tamaño máximo de la bola usada. La figura 6.11 muestra un molino de dos cámaras.
Los molinos con dos cámaras tiene la ventaja de dividir los tamaños de bolas en dos cámaras diferentes, tienen poca restricción al flujo de gases y puede inyectarse agua a cualquiera de las dos cámaras. Se usa para moler harina cruda cuando la granulometría de alimentación es muy gruesa o inconsistente; el diafragma impide que los pedazos grandes pasen a la sección de molienda fina. En la molienda de cemento este tipo de molinos es el más usado por las ventajas que ofrece.
6.2.2.2 MOLINOS CON 3 CÁMARAS
Para mejorar la eficiencia de molienda se usan molinos de 3 o más cámaras; esto asegura un tamaño de bola óptimo según la granulometría del material dentro de cada cámara. La desventaja se presenta en la caída de presión en el sistema. Cada diafragma restringe el paso de los gases a través del molino, lo que se traduce en un mayor consumo de energía en el ventilador de barrido.
Generalmente estos tipos de molinos son usados cuando se tiene un sistema abierto produciendo cementos con altas finuras. La figura 6.12 presenta un molino con tres cámaras. Estos molinos no son usados para moler harina cruda por su alta caída de presión.
Figura 6.12 Molino con tres cámaras.
6.2.3 POSICIÓN DE DESCARGA DEL PRODUCTO
6.2.3.1 DESCARGA CENTRAL
La mayoría de las materias primas utilizadas en la fabricación de cemento contienen entre 2% y 8% de humedad y en algunos casos hasta 15%. Para poder moler este material es necesario secarlo antes de la molienda. Esto requiere una gran cantidad de gases calientes disponibles para el secado y poca caída de presión en el sistema. La baja caída de presión ofrecida por la molienda en sistemas de una sola cámara y la alta eficiencia de molienda obtenida en molinos de dos cámaras pueden ser encontrados en los molinos con descarga central.
En la molienda de cemento el material fresco se introduce al compartimiento de molienda de gruesos; en los casos donde se utiliza para moler materias primas, el material se alimenta directamente a una cámara de secado antes de pasar a la cámara de molienda gruesa. Después de esta molienda el material es descargado del molino a través de orificios que se encuentran en la periferia del casco y es alimentado al separador por medio de un aerodeslizador y un elevador. Las partículas rechazadas por el separador son alimentadas al compartimiento de molienda fina y los finos son capturados por ciclones o colectores de polvos. El material descargado de la cámara de finos es alimentado también al separador. Las cargas de bolas en cada compartimiento son iguales a las de un molino con descarga final. La figura 6.13 muestra un molino de descarga central.
Figura 6.13 Molino de descarga central.
El aire de ventilación puede ajustarse de acuerdo a los requerimiento de cada cámara. En casos donde se tienen problemas con el secado de aditivos, como puzolana o escoria, se puede ajustar un mayor flujo en la cámara de molienda gruesa; el yeso puede alimentarse a la cámara de molienda fina donde pasa un menor flujo de gases, evitando así el riesgo de deshidratación.
6.2.3.1 DESCARGA FINAL
Como su nombre lo indica, el material es descargado en el extremo opuesto a la alimentación. La mayoría de los molinos construidos hoy en día cuentan con este tipo de descarga por su facilidad de construcción mecánica. El separador, elevador y deslizador utilizados son de menor capacidad en comparación a los utilizados en sistemas con descarga central.
6.2.4 MÉTODO DE DESCARGA DEL PRODUCTO
Los primeros molinos utilizados producían cementos y crudos relativamente gruesos y eran de baja capacidad (entre 5 y 10 tph). El material se introducía, molía y descargaba después de un tiempo; este tipo de proceso se conoce como molienda por lotes o discontinua. A medida que las capacidades fueron aumentando, la necesidad de una molienda contínua fue haciéndose más imperante. Los molinos fueron equipados con dispositivos que alimentaban y descargaban el material por los extremos, transformando al proceso en continuo.
6.2.4.1 DESCARGA POR REBOSE
Este tipo de molinos son usados para moler harinas crudas con bajo porcentajes de humedad y la mayoría de los cementos, aprovechando la baja velocidad de paso del material. La descarga del material en este tipo de molinos se realiza usando solamente medios mecánicos; el material al ser molido fluye debido a la presión ejercida por la alimentación fresca. La parte final del molino está equipado con placas que dejan pasar el material, reteniendo solamente los cuerpos moledores. Además, la mayoría cuenta con placas colocadas radialmente para ayudar a fluir al material.
En este tipo de molinos se fuerza una cantidad de aire con varios fines: x Desempolvar el interior del molino, retirando así el material fino.
x Enfriar el material y ayudar a retirar el vapor generado por el agua de enfriamiento, o evaporado de las materias primas.
Las velocidades normales de operación dentro del molino son del orden de 0.8 a 1.2 m/seg , manejando un 10% del material en el flujo de aire.
6.2.4.2 SEMIBARRIDO POR AIRE
Estos molinos frecuentemente son usados para secar materiales húmedos. La característica de estos molinos es la utilización de gases calientes dentro del molino con el propósito de desalojar la humedad desprendida por el material. No son utilizados en molienda de cemento por la facilidad de deshidratar el yeso. Además, las velocidades que se manejan en estos molinos son tales que no favorecen el tiempo de residencia del material necesario para crear las superficies específicas determinantes en las resistencias tempranas del cemento.
Las velocidades normales de operación dentro del molino son del orden de 1.8 a 2.5 m/seg, manejando un 40% del material por el tiro del molino. Estos molinos cuentan con diafragma de salida y emplacado clasificador.
6.2.4.3 BARRIDO POR AIRE
A diferencia de los tipos de molinos mencionados anteriormente, éstos no cuentan con elevador para el transporte de material; esto es, el 100% del material es transportado neumáticamente fuera del molino. Las velocidades típicas de operación dentro del molino son de 3 a 4 m/seg. Ver la figura 6.14.
Este tipo de molino es usado cuando se requiere secar un alto porcentaje de humedad y los materiales a moler son poco abrasivos (carbón y harina cruda baja en sílice). Generalmente cuentan con emplacado levantador en la primera sección y
clasificador en la segunda. Carecen de diafragmas y levantadores dentro de ellos, lo cual hace que solamente el material que se encuentra en la superficie sea arrastrado por el tiro.
Figura 6.14 Molino barrido por aire.
6.3 ARREGLOS DE MOLINOS
Existe un sin número de arreglos en los sistemas de molienda, todos ellos con diferentes finalidades para el proceso. En esta sección se explicarán las ventajas y desventajas de los principales arreglos existentes.
6.3.1 MOLINOS DE CRUDO
Los diferentes tipos de arreglos encontrados en los molinos de crudo son utilizados con la finalidad de secar el material. Los arreglos se encuentran detallados en la sección 4.2 del capítulo Sistemas de Secado.
6.3.2 MOLINOS DE CEMENTO
Los arreglos utilizados en la molienda de cemento tiene dos finalidades, obtener el menor consumo eléctrico del sistema y optimizar el proceso químico para obtener las máximas resistencias del cemento.
6.3.2.1 FLUJO DE MATERIAL
x Alimentación fresca al molino.
La mayoría de los arreglos existentes alimentan el material fresco al molino por medio de una banda transportadora. El material es depositado en la banda de la siguiente manera: primeramente el yeso, después la puzolana y encima el clinker, esto con el fin de no dañar la banda cuando se opere con clinker muy caliente. x Alimentación fresca al separador.
En este arreglo uno o todos los componentes del material “fresco” o nuevo son alimentados al separador por medio del elevador que transporta el material descargado del molino o directamente vía una banda. Este tipo de arreglo es muy utilizado cuando alguno de los componentes, como la puzolana, contiene una considerable cantidad del material con la finura buscada en el producto.
x Descarga de un separador estático.
En los molinos barridos o semibarridos por aire se utiliza un separador estático ajustable para aliviar la carga de polvo al colector. Cuando el material arrastrado por el flujo de aire tiene las consignas de finura deseadas, este material puede enviarse como producto terminado. En los casos donde el material arrastrado contiene gruesos, el separador estático se ajusta para que la mayor parte del material que sale con la corriente de aire contenga las finuras deseadas. El material captado por el separador estático se alimenta al separador dinámico para separar las partículas finas que pudieron ser captadas.
Figura 6.15 Posibles arreglos de un sistema de molienda con relación al flujo del material captado por los colectores.
x Descarga del colector de barrido del molino.
Típicamente los arreglos de molinos cuentan con dos colectores separados, donde uno de ellos se utiliza para captar el polvo arrastrado por el tiro del molino. El material que viaja en el flujo de aire contiene diferentes grados de finura dependiendo de la velocidad de los gases. Estas condiciones son determinantes para decidir si el material captado por el colector se envía al producto final o al separador dinámico para su clasificación. El parámetro de velocidad dentro del molino depende en gran parte de la cantidad de humedad a retirar y la velocidad de paso del material buscada.
La figura 6.15 muestra los posibles arreglos, dependiendo de la finura de los productos de los colectores.
x Descarga del separador.
En la mayoría de los molinos el material rechazado por el separador dinámico se introduce a la primer cámara del molino junto con la alimentación
fresca. Cuando se tiene un molino de descarga central se tiene la posibilidad de mandar este producto a la primera o a la segunda cámara. En condiciones normales de operación se envía un 10% del producto rechazado a la primer cámara. En condiciones donde la alimentación contiene un alto porcentaje de humedad se desvía una mayor porción del material a la primer cámara con el fin de eliminar la máxima cantidad posible de humedad. Esta situación se muestra en la figura 6.16.
Figura 6.16 Sistema de molienda con molino de descarga central mostrando las posibilidades de manejo del material rechazado por el separador.
6.3.2.2 FLUJO DE AIRE
x Recirculación de gases al separador con dos colectores.
En este arreglo se tiene la posibilidad de ajustar la temperatura de los retornos entre 80°C y 105°C, según la humedad contenida en los materiales alimentados. Cuando la temperatura de los retornos está en el rango alto, se disminuye el riesgo de prehidratación de los minerales del clinker en el primer compartimiento del molino.
Se opera con bajas temperaturas de los retornos cuando los materiales contienen poca humedad. Los retornos con baja temperatura influirán para reducir el incremento de temperatura dentro del molino (causado por la molienda), disminuyendo la inyección de agua.
Mediante la admisión de aire frío al separador, se puede regular la temperatura final del cemento y mantenerla entre 80°C y 85°C. La desventaja que presenta este arreglo es un complicado control del flujo de aire, siendo necesario
mantener una masa de aire constante a través del separador con el fin de no alterar la calidad del producto. El sistema se muestra en la figura 6.17.
Figura 6.17 Sistema de molienda con recirculación de gases al separador, y venteo independiente del molino.
x Recirculación de gases al separador con un colector.
A diferencia del arreglo anterior, aquí (figura 6.18) se elimina la compuerta de aire frío disminuyendo el aire al colector. La temperatura del material de retorno puede ajustarse por la relación de aire fresco y aire recirculado a través del separador; la temperatura de los rechazos del molino puede variarse en un rango de temperaturas de entre 70°C y 120°C. Esta temperatura deberá ajustarse según la humedad y temperatura de la alimentación.
Figura 6.18 Sistema de molienda con recirculación de gases al separador y con un solo colector.
Este tipo de arreglo es apropiado para cuando se utilizan aditivos húmedos y la temperatura del clinker no es muy constante. La desventaja de este arreglo es la
necesidad de utilizar un enfriador de cemento para los casos donde se opere con la máxima temperatura de retornos.
x Un colector y un ventilador de aire del barrido del molino.
En los dos últimos arreglos el molino es desempolvado directamente a un colector. Otra alternativa en el arreglo podría ser el venteo del molino a través del separador, como se muestra en la figura 6.20. A continuación se realizará una comparación entre dos formas alternativas de venteo del molino.
Esta comparación es interesante cuando se controla la mínima temperatura del producto con el fin de eliminar el uso de un enfriador de cemento. En la figura 6.20 se muestra el sistema de ventilación a través del separador, y en la figura 6.21 se muestra un arreglo donde la ventilación se realiza directamente a un colector.
Para comparar los dos sistemas, se han calculado los consumos específicos basados en parámetros típicos de presiones, temperaturas y flujos de gases. La figura 6.19 muestra la relación del sistema 6.20 entre el 6.21 en consumo del ventilador, el flujo de gases a través del separador y el volumen total de gases a desempolvar como función de la temperatura de cemento del sistema con ventilación a través del separador, manteniendo en 75°C la temperatura final del cemento del arreglo con ventilación por el colector.
0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 75 77 79 81 83 85 87 89
Temperatura de finos y rechazos
°C
Vol. Total de aire Flujo aire Separador Consumo Energía
Figura 6.19 Comparación entre arreglos de desempolve del molino.
De la figura 6.19 se puede ver que en el caso del venteo del molino a través del separador, manejando una temperatura de cemento de 75°C, el consumo de energía del ventilador es un 70% mayor que el consumo de los dos ventiladores utilizados en el arreglo del venteo independiente del molino. A la misma temperatura de cemento (75°C) se requiere un separador de mayor volumen debido al aumento del 30% en el manejo de aire en el último arreglo. El volumen total a desempolvar es prácticamente el mismo en los dos arreglos, la mayor necesidad de aire se debe a que la cantidad de aire manejado através del molino que pasa por el separador no contribuye al enfriamiento del cemento.
Figura 6.20 Sistema de molienda con venteo del molino a través del separador. En consecuencia, se hace necesario un aumento en la demanda de aire frío para enfriar el material descargado del molino. El aire frío debe introducirse al separador por medio de una compuerta, la cual genera un caída de presión equivalente a la caída de presión del molino. Esta caída de presión, y en menor grado, el mayor volumen de aire manejado a través del separador, son las razones por las cuales se tiene un mayor consumo de energía en este arreglo.
Figura 6.21 Molienda de cemento con tiro independiente a través del molino y a través del separador.
Además, puede concluirse que para el mismo tamaño de separador usado en los dos arreglos (esto es, mismo flujo de aire a través del separador), el arreglo con la ventilación del molino por el separador operará con temperaturas entre 5°C y 10°C más altas en los rechazos y en el cemento que el arreglo alternativo.
1. Menor consumo de ventilación y un separador menor.
2. El venteo del molino directamente al colector facilita un mejor control del producto.
Asumiendo que el clinker alimentado al molino tenga grandes variaciones de temperatura, el aire del venteo del molino variará en cantidad, temperatura y punto de rocío. Estas variaciones pueden afectar la calidad del cemento si el venteo es a través del separador, a menos que el ventilador, el colector y el separador estén dimensionados para operar en los casos más críticos de temperatura.
Cabe señalar que el dimensionamiento del equipo para situaciones extremas cuesta más y operan menos eficientemente. Como ejemplo, supongamos que la temperatura del clinker aumenta, esto causa un incremento en la inyección de agua al molino y la temperatura de punto de rocío. Esto aumenta la masa en el separador y por consiguiente el consumo en el ventilador. En el arreglo alternativo el filtro y el ventilador usados para desempolvar el molino son más chicos que los usados para desempolvar el separador. Aquí los primeros equipos son diseñados para manejar las variaciones en la temperatura de alimentación sin influir grandemente en los costos de inversión. Además, el separador operará en condiciones estables y con aire fresco solamente. Ésto asegura la finura y temperatura del producto constantes sin que el separador y su arreglo de venteo sean diseñados para situaciones extremas.
6.3.3. MOLINOS DE CARBÓN
La molienda de carbón se ha desarrollado conjuntamente con los sistemas de calcinación, por lo que las distinciones entre las diferentes tipos se realizará en base a estos sistemas. Como principio, puede establecerse una diferencia entre las instalaciones de inyección directa, semi-directa e indirecta.
6.3.3.1 SISTEMAS DIRECTOS
En estos sistemas el carbón es molido e inyectado directamente al horno sin tolva intermedia (figura 6.22).
Horno de Satélites
El aire caliente necesario para el secado del carbón dentro del molino puede obtenerse de los gases residuales del horno, del enfriador de clinker, o de un generador de gases calientes. El ventilador succiona gas del molino y lo descarga junto con el carbón pulverizado, sirviendo como aire primario del quemador. La desventaja de este sistema es la inyección de aire falso al horno, resultando en un alto consumo de calor. Además, desde el punto de vista del proceso, la producción del molino debe variar según los requerimientos de combustible del horno. También existe una gran interdependencia entre la producción del horno y la del molino; cualquier disturbio en la operación de éste puede resultar en el paro del horno al no contar con ninguna reserva de carbón.
6.3.3.2 SISTEMAS SEMI-INDIRECTOS
Esta es una variante del sistema directo, aquí el carbón se muele con un molino barrido por aire. El carbón pulverizado se separa en un clasificador y los finos se recogen en un ciclón. El ventilador del sistema opera con gas limpio del cual parte del flujo que maneja se envía al ventilador de aire primario. El suministro de carbón tiene más independencia de la producción del molino, el ciclón del separador suministra carbón pulverizado al quemador, además funciona como amortiguador para cualquier variación de producción, evitando así disturbios en el horno.
Existe una variante cuando se muele y seca carbón con alto contenido de humedad, aquí el exceso de gases húmedos son descargados a la atmósfera pasando a través de un filtro.
Horno de Satélites
Figura 6.23 Arreglo de un sistema semi-indirecto de molienda de carbón.
6.3.3.3 SISTEMAS INDIRECTOS
También son conocidos como sistemas centralizados, y se caracterizan por incluir un silo con una determinada capacidad de almacenaje entre el molino de carbón y el quemador.
Horno de Satélites
Figura 6.24 Arreglo de un sistema indirecto de molienda de carbón.
Las ventajas del sistema de inyección indirecta son: independencia de producción entre el molino y el horno, la posibilidad de alimentar a varios sistemas de hornos a un mismo tiempo, la posibilidad de regular en forma óptima el aire primario y la inyección de carbón.
Las desventajas de estos sistemas son: mayor inversión inicial del equipo, necesidad de un filtro de gran rendimiento y equipo de gases inertes para seguridad de fuego.
6.4 ELEMENTOS DEL MOLINO DE BOLAS
6.4.1 TUBO DEL MOLINO
El molino de bolas es de forma tubular. Esta forma está dada por el casco o carcaza, en el cual se alberga la carga de bola y demás piezas para la molienda del material. En el casco se identifican dos partes: la sección cilíndrica y las tapas o frentes.
La sección cilíndrica consta de varios segmentos habiendo sido soldados en los talleres del proveedor, aunque para molinos muy grandes este trabajo de soldado de partes se culmina en planta. El espesor del casco varía directamente con las dimensiones del molino y va, aproximadamente, del 1/100 hasta el 1/75 de su diámetro. Así, para molinos de más de 4 metros de diámetro, el espesor del casco puede llegar hasta 60 o 70 mm. Para la definición del espesor del casco hay que tener en cuenta que los taladros dispuestos para la colocación de las placas de blindaje rebajan la resistencia mecánica de aquél en un 11%, aproximadamente. Esto es debido a las fisuras que pueden iniciarse en estas perforaciones, y en los agujeros de inspección, al estar sujeto a esfuerzos de tensión-compresión por la carga de bola y el peso mismo del casco. Este no debe ser sujeto a soldadura, a menos que se realice alguna reparación en él, como fisuras, etc. Si se requiere perforar el casco se recomienda hacerlo con herramienta de precisión.
Los frentes de los molinos se fabrican de una sola pieza, en acero fundido. Estos frentes se componen de la parte cónica y de las uniones al muñón (en caso
de que cuente con este tipo de apoyo) y al casco; ésta última se puede realizar por medio de una brida o por soldadura. La parte cónica de los frentes de los molinos, hoy en día, se fabrica totalmente lisa; las nervaduras de refuerzo, que antes se usaban, perjudican de modo importante las resistencias a las tensiones radiales. Las caras frontales de los molinos están sometidas principalmente a solicitaciones por flexión; las de compresión y tracción son mínimas.
6.4.2 SOPORTES DEL MOLINO
Los molinos son sustentados en sus extremos, o cerca de ellos. Existen dos tipos de soportes: el de muñón/chumacera y el de zapata deslizante, que a continuación se explican.
6.4.2.1 MUÑÓN/CHUMACERA
En general, los molinos de bola en la industria del cemento van provistos de apoyos lisos, de muñón/chumacera. Éstos consisten en dos superficies lisas, una móvil (muñón, con el giro del molino) y otra fija (chumacera, al fundamento), de material antidesgaste en un baño de aceite. Tienen como funciones: sostener al molino; permitir la rotación del mismo y formar una película de lubricante que pueda carga al molino; y llevar un dispositivo de “levantamiento” de aceite. Un soporte, el del lado de la transmisión, es fijo y hace las veces de soporte de guía, mientras que el otro tiene tolerancia de movimiento axial para permitir las dilataciones del equipo (molino). En la figura 6.25 se muestra un diagrama del soporte.
Figura 6.25 Soporte de muñón/chumacera.
Es de primordial importancia la atención a las condiciones de lubricación de las partes del soporte al momento de arranque y marcha normal. Cuando la lubricación es por anillos, éstos deben girarse una vuelta con la mano antes de que se arranque el molino, al haber estado mucho tiempo parado. Si la lubricación es por circulación de aceite por bombeo, debe asegurarse que la bomba de
recirculación suministre aceite al arrancarse el molino, por lo que debe haber interbloqueo eléctrico entre los motores de la bomba y del molino. Cuando los soportes están provistos de bombas de alta presión, éstas inyectan aceite a presión entre las partes lisas en contacto, inmediatamente antes del arranque, de modo que exista una película de aceite entre ambas. El aceite a alta presión se suministra por un orificio localizado al centro de la chumacera. El lubricante, entonces, suspende el muñón y reduce con ello el rozamiento entre las dos superficies metálicas hasta una cuantía soportable. Cuando el molino ya esté en marcha normal, por lo general debe pararse la bomba de alta presión. El aceite lubricante debe conservarse, siempre a una viscosidad mayor de 6° Engler.
Debe monitorearse permanentemente la temperatura de los soportes. Para ello, el sensor debe estar en contacto con el metal antifricción. No se considera adecuado medir y controlar con la temperatura del aceite pues conduce a errores como consecuencia de la mala conductividad térmica del lubricante, siendo posible que el metal ya haya alcanzado una alta temperatura peligrosa antes de que el aceite haya llegado a ella. Para la molienda con secado, los soportes son refrigerados por agua. La cantidad mínima de agua es del orden de 20-25 litros por minuto, para cada apoyo, a una presión máxima permisible de 2 kg/cm2; sin embargo, este flujo puede ser insuficiente si la temperatura del material y/o gases que pasan a través del soporte es demasiada alta, o si el agua se encuentra a temperatura alta; etc. El flujo de agua ha de ponerse en marcha antes de poner en servicio el molino. Al pararse éste, no debe cortarse el flujo de agua antes de que se hayan enfriado completamente los soportes; en caso contrario, la película de aceite entre la partes de contacto sería exprimida antes de haber terminado de contraerse el muñón, lo que haría que las partes de desgaste se arañen.
Cuando se fabrican los cojinetes, la superficie de las placas son pulidas hasta tener una aspereza, Ra, no mayor de 0.8 micras. Esta aspereza puede entenderse como la media aritmética de las desviaciones de cada punto del perfil de la placa, Yi, con respecto al punto promedio de este perfil, Lm. En la figura 6.26 se presenta graficado el perfil de las placas, y la identificación de la aspereza.
Para obtener una película de lubricante entre el muñón y la chumacera, estas superficies de contacto deben tener diámetros distintos; de tal modo que, cuando el molino esté parado, se forme una cuña de aceite lubricante de cada lado del punto de contacto. En operación, este espacio también es llenado por aceite. También es importante que la chumacera no abrace al muñón “apretándolo”; si esto sucede por imperfecciones en la fabricación de las placas, se deben rebajar las orillas de la chumacera en el montaje. El perfil de presión es el que se presenta en la figura 6.27. En ella se observa el ángulo E formado por la dirección de carga, P, y la línea que pasa por los centros del muñón y chumacera, que delimita el sector donde la película de aceite es más delgada. También se observa que, inmediatamente antes del punto donde la película es mínima, la presión alcanza su valor máximo. En sentido longitudinal, la máxima carga se encuentra al centro. Los soportes se diseñan para que la chumacera soporte una presión hasta de 15 - 20 kg/cm2 si es de metal blanco, o 25 - 28 kg/cm2 si es de bronce.
Figura 6.27 Distribución de la presión en el soporte muñón chumacera.
6.4.2.2 ZAPATAS DESLIZANTES
Otro tipo de soporte empleado en los molinos son las zapatas de deslizamiento, mostrado en la figura 6.28. Este tipo de soporte consiste en un aro de deslizamiento, montado al casco del molino, soportado por dos apoyos fijos, en ángulos de 30° en sentido vertical, que contienen las zapatas de material antidesgaste. El soporte con zapatas de deslizamiento está ejecutado de tal modo que puede utilizarse en ambos sentidos de rotación. En caso de una modificación del sentido de rotación del molino sólamente será necesario invertir la posición de los rascadores de aceite y la disposición de la instalación para el aceite de circulación.
Cada una de las zapatas reposa, por medio de asiento esférico (rótula) y un bloque de presión, sobre unos rodillos que pueden moverse en el sentido longitudinal del molino. Este apoyo móvil asegura que las zapatas de deslizamiento
puedan seguir la dilatación térmica del cuerpo del molino.
Estos soportes son lubricados por una unidad de bombas, compuesta de dos bombas de alta presión y una de baja presión. Las primeras inyectan el aceite a alta presión (entre 10 y 20 bars) en el arranque que, antes de la puesta en marcha del molino, tienen por función formar una película de aceite entre ambas zapatas y el aro de deslizamiento. Este suministro de aceite se realiza por un orificio al centro de la zapata. La bomba de baja presión funciona como bomba de recirculación de aceite, es decir, aspira el aceite del cárter del soporte bombeándolo a un depósito que está colocado delante de una de las zapatas (antes del contacto aro zapata de deslizamiento). La lubricación ocurre al inmergir el aro de deslizamiento del molino en el aceite del depósito.
Las zapatas de deslizamiento están enfriadas por agua, y la entrada de agua refrigerante está colocada en el punto inferior de éstas.
Figura 6.28 Soporte del molino por zapatas de deslizamiento.
Las ventajas de los soportes por zapatas sobre los soportes por muñón/chumacera son:
x Se suprimen las chumaceras, que en algunos casos han dado lugar a grandes averías.
x Al suprimirse los muñones, el molino resulta más corto. Dado que la construcción con zapatas no estrangula la sección libre del molino (como en el caso de muñón/chumacera) no se produce cuello de botella para el paso de gases calientes.
x Como consecuencia de la menor distancia entre los soportes, la solicitación mecánica del casco es menor, por lo que puede ejecutarse con menor espesor de chapa.
6.4.3 TRANSMISIÓN DEL MOLINO
La diferencia entre las velocidades del motor y la requerida en el molino hace necesaria el empleo de reductores de velocidad precisos. La trasmisión y reducción del movimiento del motor al molino se puede efectuar de dos maneras mecánicas distintas: por accionamiento lateral (corona/piñón) o por accionamiento central. A continuación se explican cada uno de ellos.
6.4.3.1 CORONA / PIÑÓN
La transmisión por corona/piñón consiste en una corona dentada fijada sobre el casco del molino mediante tornillos, accionada por un piñón o con dos piñones instalados en cada uno de los lados del molino.
Este tipo de accionamiento hace posible emplear motores de gran velocidad. Los ejes de alta y baja velocidad de los reductores van provistos de acoplamientos elásticos. Los accionamientos con un piñón está limitado a una potencia de 2,500 kW, y en el caso de dos piñones a una potencia de 5,000 kW.
Estos tipos de accionamiento pueden presentar variantes en cuanto al número de motores empleados y a los pasos de reducción en la transmisión del movimiento. En las figuras 6.29 y 6.30 se muestran los diagramas de accionamiento empleando uno y dos motores, respectivamente.
Figura 6.29 Accionamiento de piñon y corona dentada, con un motor.
La lubricación de estos accionamientos-reductores es mediante la inyección de aceite , con enfriamiento del lubricante en un intercambiador aceite-agua. La lubricación se ve afectada por la velocidad periférica de la corona, la presión entre los dientes y la rugosidad entre los flancos de los dientes. Los movimientos relativos entre los ejes de los piñones y de la corona tienen igualmente un efecto negativo respecto a las condiciones del lubricante, ya que estos desplazamientos provocan sobrecargas incrementando la presión entre los dientes.
Figura 6.30 Accionamiento, de dos motores, con piñon y corona dentadas. La lubricación de estos accionamientos-reductores es mediante la inyección de aceite , con enfriamiento del lubricante en un intercambiador aceite-agua. La lubricación se ve afectada por la velocidad periférica de la corona, la presión entre los dientes y la rugosidad entre los flancos de los dientes. Los movimientos relativos entre los ejes de los piñones y de la corona tienen igualmente un efecto negativo respecto a las condiciones del lubricante, ya que estos desplazamientos provocan sobrecargas incrementando la presión entre los dientes.
6.4.3.2 ACCIONAMIENTO CENTRAL
El accionamiento central consiste en la transimsión de movimiento directamente al eje del molino, a través de un reductor de velocidad de precisión. El accionamiento central es un poco más caro que el accionamiento con corona/piñón.
Los accionamientos centrales pueden presentar variantes en cuanto al número de etapas para la reducción de movimiento, y en cuanto al número de motores. En las figuras 6.31 y 6.32 se presentan dos diagramas de estos ejemplos.
Algunos reductores de estos tipos son:
a).- Reductor en dos etapas, de dos vías, con un motor de accionamiento. b).- Reductor en dos etapas, de dos vías, con dos motores de accionamiento. c).- Reductor en tres etapas, de dos vías, con motores gemelos.
d).- Reductor en tres etapas, de dos vías, con un motor.
Figura 6.32 Accionamiento en tres etapas, de dos vías, con motores gemelos. Un ejemplo de reductor de velocidad central de precisión es el Symetro (F.L.Smidth), ver la figura 6.33.
Figura 6.33 Reductor Symetro (F.L.Smidth).
El eje de baja velocidad del reductor (el eje de torsión ) puede ser acoplado directamente al molino. El eje de gran velocidad (acoplado al motor y/o embrague) tiene un piñón que engrana en dos ruedas intermedias, colocadas en sendos ejes
intermedios, cuyos dientes engranan en una rueda compensadora. De este modo, la potencia trasmitida se reparte a dos ruedas intermedias y a dos ejes intermedios lo que posibilita la construcción compacta del reductor Symetro. La estructura simétrica del reductor Symetro tiene además por efecto que el eje de gran velocidad y el eje de torsión estén dispuestos uno en prolongación del otro.
Los piñones y las ruedas intermedias están provistas de dentado helicoidal sencillo, en tanto que los ejes intermedios y la rueda de equilibrio cuentan con dentado helicoidal doble. La rueda compensadora está fijada, mediante un juego de membranas, al eje de torsión, que reposa en un soporte de zapata de deslizamiento. La zapata de soporte del cojinete de compensación, está suspendida en resortes de discos por medio de dos hierros de soporte. La suspensión flexible de la rueda compensadora, en membranas y resortes de disco, en conexión con los dos aros de guía tiene por efecto que las presiones de los dientes en los dos engranes de la rueda compensadora sean automáticamente mantenidas con igual fuerza. Con esto se asegura que los ejes intermedios transmitan cada uno la mitad de la potencia total.
Otro accionamiento central es del tipo reductor planetario, (ver figura 6.43). Estos reductores están compuestos por:
x Rueda solar y piñones satélites cementados, templados y rectificados, que engranan con la corona interior.
x Portasetélites sujetados por cojinetes.
El sistema de los tres planetas y el piñón solar, centrado mediante los tres engranes, sin soporte, garantiza una distribución del momento de giro segura y regular. La temperatura del reductor es gobernada automáticamente de modo óptimo, a través del sistema de circulación del aceite que sirve a la lubricación, en función de la temperatura del exterior.
El reductor planetario, realizado con dentado endurecido, pulimentado y corregido tanto en la rueda solar como en los planetas, trabaja con rendimiento de 98.9% a plena carga. El sistema de máquinas acopladas axialmente permite dilataciones térmicas sin deformaciones de la carcaza y sin deterioro del contacto de los flancos de los dientes.
6.4.4 DIAFRAGMAS DEL MOLINO
Cuando los molino son de dos o más cámaras, éstas son separadas por diafragmas; asimismo, al final de la última cámara se suele colocar un diafragma para impedir la salida de las bolas. Los diafragmas intermedios han de impedir el paso de partículas sobredimensionadas a la siguiente cámara, reteniendo a su vez la carga de bola; por tanto, las ranuras abiertas en el diafragma sólo dejan pasar material de un determinado tamaño. El tipo de construcción y el tamaño de las ranuras tienen influencia sobre la finura del producto molido, así como sobre el caudal del molino. Ver la figura 6.35.
Paletas levantadoras
Rejilla central Salida de material
Pared de salida (emplacado) Placa con ranuras
Pared de entrada (con placas con ranuras)
Figura 6.35 Diafragma de un molino y sus partes
Los diafragmas constan de varias partes según su uso: una estructura o esqueleto de fijación, que sirve de soporte y al cual se fijan las otras partes; la pared de entrada, formada por segmentos de placas ranuradas, a través de las cuales pasa el material de menor tamaño y retiene la carga de bola de la cámara previa al diafragma; la rejilla central, que sirve para el paso libre de aire a lo largo del molino; los álabes o paletas levantadoras, que levantan y facilitan el transporte de material al siguiente recinto; y la pared de salida.
Las ranuras de las placas comunes de entrada (ranuras de abertura establecida) se encuentran posicionadas de tal modo que el área libre sea lo mayor posible sin poner en riesgo la rigidez de la placa misma. La capacidad de transporte del molino está íntimamente ligada a este espacio libre, hablándose de 5 ton/dm2hr, para molienda en vía seca. Los diafragmas Combidan (F.L.Smidth) tienen la pared de entrada diferente, formada por una rejilla a la que se anteponen placas protectoras (sin ranuras) que retienen los cuerpos moledores en la cámara anterior. Ya que la rejilla está protegida contra los impactos de las bolas, su desgaste queda