Molino de cemento

Un molino de cemento (o molino de acabado en el uso norteamericano ^{[1] ) es el equipo que se utiliza para moler el} clínker nodular y duro del horno de cemento hasta convertirlo en el polvo gris fino que es el cemento . Actualmente, la mayor parte del cemento se muele en molinos de bolas y también en molinos de rodillos verticales que son más efectivos 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 con la tecnología primitiva de la época, que utilizaba muelas planas . La aparición del cemento Portland en la década de 1840 dificultó considerablemente la molienda, porque el clínker producido por el horno suele ser tan duro como el material de la muela. Debido a esto, el cemento siguió moliéndose de forma muy gruesa (normalmente un 20 % sobre un diámetro de partícula de 100 μm) hasta que se dispuso de una mejor tecnología de molienda. Además de producir cemento no reactivo con un crecimiento lento de la resistencia, esto agravó el problema de la falta de solidez. Esta expansión tardía y disruptiva se debe a la hidratación de partículas grandes de óxido de calcio . La molienda fina reduce este efecto, y los primeros cementos tenían que almacenarse durante varios meses para dar tiempo al óxido de calcio a hidratarse antes de que estuviera apto para la venta. A partir de 1885, el desarrollo de acero especializado condujo al desarrollo de nuevas formas de equipo de molienda y, a partir de este punto, la finura típica del cemento comenzó a aumentar de manera constante. La reducción progresiva en la proporción de partículas de cemento más grandes y no reactivas ha sido parcialmente responsable del aumento de cuatro veces en la resistencia del cemento Portland 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 clínker 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 estar compuesto por yeso natural , anhidrita o residuos sintéticos como el yeso de desulfuración de gases de combustión . Además, se puede añadir hasta un 5 % de carbonato de calcio y hasta un 1 % de otros minerales. Es normal añadir una cierta cantidad de agua y pequeñas cantidades de coadyuvantes orgánicos de molienda y potenciadores del rendimiento. Los "cementos combinados" 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 de alto horno granulada molida . Véase cemento . El yeso y el carbonato de calcio son minerales relativamente blandos y se muelen rápidamente hasta convertirse en partículas ultrafinas. Los coadyuvantes de molienda son, por lo general, productos químicos añadidos en una proporción de 0,01-0,03 % que recubren las superficies recién formadas de partículas minerales rotas y evitan la reaglomeración. ^[3] Entre ellos se incluyen el 1,2-propanodiol , el ácido acético , la trietanolamina y los 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 aproximadamente un 2% de ellos en el cemento para controlar la hidratación del aluminato tricálcico . Si se forma más de esta cantidad, la cristalización del yeso en su rehidratación causa un "fraguado falso", un espesamiento repentino de la mezcla de cemento unos minutos después de la mezcla, que se vuelve más líquida al volver a mezclarla. Esto es causado por una temperatura de molienda alta. Por otro lado, si la temperatura de molienda es demasiado baja, no hay suficiente sulfato rápidamente soluble disponible y esto causa un "fraguado instantáneo", un endurecimiento irreversible de la mezcla. Obtener la cantidad óptima de sulfato rápidamente soluble requiere moler con una temperatura de salida del molino dentro 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 del 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 eficientes, se genera un calor insuficiente. Esto se corrige recirculando parte del aire de escape caliente 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 alimentado a través del molino se tritura por impacto y se muele por atrición entre las bolas. Los medios de molienda generalmente están 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 cual el contenido del molino simplemente se deslizaría sobre el 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 suele estar dividido en al menos dos cámaras (aunque esto depende del tamaño de la entrada de la alimentación; los molinos que incluyen una prensa de rodillos suelen tener una sola cámara), lo que permite el uso de diferentes tamaños de medios de molienda. Se utilizan bolas grandes en la entrada para triturar los nódulos de clínker (que pueden tener más de 25 mm de diámetro). El diámetro de las bolas 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 debe coincidir con el tamaño del material que se muele: los medios grandes no pueden producir las partículas ultrafinas requeridas en el cemento terminado, pero los medios pequeños no pueden romper partículas grandes de clínker. Antes se utilizaban molinos con hasta cuatro cámaras, lo que permitía una segregación estricta de los tamaños de los medios, pero ahora esto se está volviendo poco común. Las alternativas a los molinos de múltiples cámaras son:

• pares de molinos, que funcionan en tándem, cargados con medios de diferentes tamaños.
• uso de tecnología alternativa (ver Prensas de rodillos a continuación) para triturar el clínker antes de la molienda fina en un molino de bolas.

Se hace pasar una corriente de aire a través del molino. Esto ayuda a mantenerlo fresco y elimina la humedad evaporada que, de lo contrario, causaría hidratación e interrumpiría el flujo de material. El aire de escape polvoriento se limpia, generalmente con filtros de mangas .

La eficiencia de las primeras etapas de 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 de manera más eficiente cuando se obtiene un producto grueso, cuyas fracciones finas se separan y la parte gruesa se devuelve a la entrada del molino. La proporción del material que sale del molino y que se devuelve a la entrada puede variar entre el 10-30% cuando se muele cemento ordinario y el 85-95% para productos de cemento extremadamente fino. Es importante para la eficiencia del sistema que se devuelva a la entrada la cantidad mínima de material con la finura del producto terminado. 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 de retorno, minimizando así el sobrecalentamiento.

Los sistemas de circuito cerrado eficientes, debido a su estricto control del tamaño de las partículas, dan lugar 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 es una ventaja, ya que maximiza el potencial de producción de resistencia del clínker, porque las partículas grandes son inertes. Como regla general, solo la "piel" exterior de 7 μm de cada partícula se hidrata en el hormigón, 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 rellenan 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 conduce a una menor resistencia. Esto se puede remediar incluyendo un 5% de carbonato de calcio en el cemento: este mineral blando produce partículas ultrafinas adecuadas en el primer paso por el molino.

La dureza del clínker es importante para el costo energético del proceso de molienda. Depende tanto de la composición mineral del clínker como de su historial térmico. El mineral de clínker más fácil de moler es la alita , por lo que los clínker con alto contenido de alita reducen los costos de molienda, aunque son más caros de fabricar en el horno. El mineral más duro es la belita , porque es más duro y es algo plástico, por lo que los cristales tienden a aplanarse en lugar de romperse cuando impactan en el molino. El modo de combustión del clínker también es importante. El clínker quemado rápidamente a la temperatura mínima para la combinación, luego enfriado rápidamente, contiene pequeños cristales defectuosos que se muelen fácilmente. Estos cristales también suelen ser óptimos para la reactividad. Por otro lado, la combustión prolongada a exceso de temperatura y el enfriamiento lento dan lugar a cristales grandes y bien formados que son difíciles de moler y no reactivos. El efecto de un clínker de este tipo puede ser duplicar los costos de molienda.

Estos se han utilizado durante muchos años para el proceso de molienda de materia prima menos exigente, pero recientemente se han utilizado molinos de rodillos, en combinación con separadores de alta eficiencia, para la molienda de cemento. La acción de molienda aplica una tensión mucho mayor al material que en un molino de bolas y, por lo tanto, es más eficiente. El consumo de energía suele ser la mitad del 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.

Estos consisten en un par de rodillos dispuestos a una distancia de 8–30 mm y que giran en sentido contrario con una velocidad de superficie de alrededor de 0,9–1,8 m·s ⁻¹ . Los cojinetes de los rodillos están diseñados para proporcionar una presión de 50 MPa o más. El lecho de material arrastrado entre los rodillos emerge como una aglomeración en forma de placa de partículas altamente fracturadas. La eficiencia energética de este proceso es comparativamente alta. Se han diseñado sistemas, que incluyen un desaglomerador y un separador, que proporcionarán material con una 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 un proceso de "premolienda", con el cemento terminado en un molino de bolas de una sola cámara. Esto proporciona un buen rendimiento del cemento y reduce el consumo de energía en un 20-40% en comparación con un sistema de molino de bolas estándar.

Los molinos de cemento de una cementera suelen estar dimensionados para un consumo de clínker considerablemente mayor que la producción de los hornos de la planta. Esto se debe a dos motivos:

• Los molinos están dimensionados para hacer frente a los picos de demanda del mercado de cemento. En los países templados, la demanda de cemento en verano suele ser mucho mayor que en invierno. El exceso de clínker producido en invierno se almacena para estar preparado para los picos de demanda estivales. Por este motivo, las plantas con una demanda muy estacional suelen tener almacenes de clínker muy grandes.
• La molienda de cemento es el mayor consumidor de energía eléctrica en una planta de cemento y, como se puede poner en marcha y parar fácilmente, suele ser rentable hacer funcionar los molinos de cemento sólo durante los períodos de "poca demanda", cuando hay energía más barata disponible. Esto también es favorable para los productores de electricidad, que pueden negociar los precios de la energía con los principales usuarios para equilibrar su capacidad de generación durante las 24 horas. A menudo se emplean mecanismos más sofisticados, como el "corte de energía", que consiste en que el fabricante de cemento cierre la planta con poca antelación cuando el proveedor de energía espera un pico crítico de demanda, a cambio de precios favorables. Evidentemente, se necesita una gran capacidad excedente de molienda de cemento para "recuperar" la capacidad después de esas interrupciones.

Además del control de la temperatura (mencionado anteriormente), el requisito principal es obtener una finura constante del producto. Desde los primeros tiempos, 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 todavía se mide, generalmente mediante tamizado por chorro de aire o tamizado húmedo. La cantidad que pasa por este tamiz (normalmente el 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 en la actualidad es la superficie específica . Debido a que las partículas de cemento reaccionan con el agua en su superficie, la superficie específica está directamente relacionada con la reactividad inicial del cemento. Al ajustar la finura de la molienda, la fabricación puede producir una gama de productos a partir de un solo clínker. Es necesario un control estricto de la finura para obtener cemento con el rendimiento constante deseado día tras día, por lo que se realizan mediciones las 24 horas del día en el cemento a medida que se produce, y se ajustan las velocidades de alimentación del molino y los ajustes del separador para mantener una superficie específica constante.

El análisis del tamaño de las partículas permite obtener una visión más completa de la finura , ya que permite medir la cantidad de cada rango de tamaño presente, desde el submicrométrico hacia arriba. Antes, este método era principalmente una herramienta de investigación, pero con la llegada de los analizadores de difracción láser industriales y baratos, su uso para el control rutinario se está volviendo más frecuente. Puede adoptar 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 se pueden introducir directamente en el sistema de control del molino, lo que permite una automatización completa del control de la finura.

Además de la finura, los materiales añadidos al cemento deben controlarse. En el caso de la adición de yeso, el material utilizado es con frecuencia de calidad variable, y es una práctica normal medir el contenido de sulfato del cemento regularmente, normalmente mediante fluorescencia de rayos X , utilizando los resultados para ajustar la velocidad de alimentación de yeso. Nuevamente, este proceso suele estar completamente automatizado. Se aplican protocolos de medición y control similares a otros materiales añadidos, como piedra caliza, escoria y cenizas volantes.