Molino crudo

En la fabricación de cemento , un molino de materia prima es un tipo de equipo industrial que se utiliza para triturar, moler y dosificar materias primas en una mezcla uniforme conocida como harina cruda (o mezcla cruda ), que posteriormente se procesa en un horno de cemento para producir clínker , que luego se muele para hacer cemento en el molino de cemento . ^{[ 1 ]}

La etapa de molienda en bruto del proceso define de hecho la composición química (y, por lo tanto, las propiedades físicas) del cemento acabado, y tiene un gran efecto en la eficiencia de todo el proceso de fabricación.

La historia del desarrollo de la tecnología de molienda de materias primas define los inicios de la tecnología del cemento. En sus comienzos, otras etapas de la fabricación de cemento utilizaban tecnología ya existente. Los primeros materiales hidráulicos, como las cales hidráulicas , los cementos naturales y el cemento romano de Parker, se basaban en materias primas naturales, calcinadas tal como se extraían. Dado que estas mezclas naturales de minerales son escasas, los fabricantes estaban interesados ​​en crear una mezcla artificial de grano fino a partir de minerales fácilmente disponibles, como la piedra caliza y la arcilla, que pudiera utilizarse de la misma manera. Un problema típico consistía en obtener una mezcla homogénea de 75 % de tiza y 25 % de arcilla, y calcinarla para producir un cemento artificial. El desarrollo del método húmedo para producir arcilla de grano fino en la industria cerámica proporcionó una solución. Por este motivo, la industria cementera temprana utilizaba el proceso húmedo, en el que las materias primas se molían junto con agua para producir una pasta con un contenido de agua del 20 % al 50 %. Tanto Louis Vicat como James Frost utilizaron esta técnica a principios del siglo XIX, y siguió siendo la única forma de preparar la mezcla cruda para el cemento Portland hasta 1890. Una modificación de la técnica empleada por la industria primitiva fue la "doble cocción", en la que se quemaba y apagaba una piedra caliza dura antes de combinarla con la lechada de arcilla. Esta técnica evitaba la molienda de la piedra dura y fue empleada, entre otros, por Joseph Aspdin . La tecnología de molienda inicial era deficiente, y las primeras lechadas se preparaban fluidas, con un alto contenido de agua. La lechada se dejaba reposar en grandes depósitos ("tanques de lodo") durante varias semanas. Las partículas grandes sin moler se depositaban en el fondo, y el exceso de agua subía a la superficie. El agua se decantaba periódicamente hasta obtener una torta firme, con la consistencia de la arcilla para cerámica. Esta se cortaba en rodajas, desechando el material grueso del fondo, y se cocía en el horno. La molienda húmeda es relativamente eficiente en términos energéticos, por lo que, cuando se dispuso de buenos equipos de molienda en seco, el proceso húmedo siguió utilizándose durante todo el siglo XX, empleando a menudo 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 en el diseño de la mezcla cruda son SiO₂ _{, Al₂O₃} , _Fe₂O₃ y _CaO . En principio, cualquier material que pueda aportar alguno de estos óxidos puede utilizarse como componente de la mezcla cruda. Dado que el óxido principal requerido es el CaO, el componente más frecuente de la mezcla cruda es la piedra caliza , mientras que los demás son aportados principalmente por arcilla o pizarra . Se realizan ajustes menores a la química mediante pequeñas adiciones de materiales como los que se muestran a continuación.

Análisis químicos típicos de los componentes de la mezcla cruda:

Nota: La pérdida por ignición a 950 °C (LoI ₉₅₀ ) representa (aproximadamente) los componentes perdidos durante el proceso en el horno. Consiste principalmente en CO₂ _procedente de carbonatos, H₂O _procedente de hidratos de arcilla y carbono orgánico. 

Utilizando estos materiales, se podrían componer mezclas de materias primas típicas:

• Mezcla 1: Cemento de uso general: 88,0% de caliza gris, 8,9% de arcilla, 2,2% de arena y 0,9% de cascarilla de laminación.
• Mezcla 2: Cemento resistente a los sulfatos: 87,6% de caliza gris, 5,2% de arcilla, 5,0% de arena y 2,2% de cascarilla de laminación.
• Mezcla 3: Cemento blanco : 82,3% de caliza blanca, 6,8% de caolín y 10,9% de arena.

Los análisis químicos de estas mezclas crudas serían:

Las materias primas y las mezclas que se muestran son solo "típicas": pueden existir variaciones considerables dependiendo de las materias primas disponibles.

Aparte de los óxidos principales (CaO, SiO₂ _, Al₂O₃ _y Fe₂O₃ ₎ , 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 mayoritariamente 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 manera 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:

• El flúor resulta beneficioso para el proceso de cocción, ya que permite la formación de alita a menor temperatura. Sin embargo, en concentraciones superiores al 0,25 % en el clínker, se produce un retraso en el fraguado del cemento, que además es irregular.
• Los metales alcalinos (principalmente sodio y potasio ) causan problemas en el procesamiento debido a que forman sales volátiles en el sistema del horno. Estas se evaporan en la zona de combustión y se condensan en las zonas más frías del precalentador, provocando obstrucciones. Los álcalis también son perjudiciales para el hormigón, pudiendo causar una reacción álcali-sílice . Por este motivo, muchas normas limitan los álcalis (generalmente expresados ​​como "soda equivalente total", que es Na₂O ₊ 0,658 K₂O ₎ . Los límites de especificación típicos se encuentran en el rango de 0,5 a 0,8 %.
• El MgO causa problemas a niveles superiores al 2,5 %. Pequeñas cantidades se encuentran en solución sólida en los minerales del clínker, pero por encima del 2,5 %, el MgO libre existe en el clínker como periclasa . Esta puede hidratarse lentamente a Mg(OH) _₂ con la expansión del hormigón endurecido, provocando fisuras. Un procesamiento cuidadoso del clínker para mantener la periclasa en forma microcristalina permite controlar niveles de hasta el 5 % sin efectos graves. Todas las normas establecen límites para el MgO, siendo los límites típicos entre el 4 % y el 6 %.
• El P ₂ O ₅ en niveles superiores al 0,5% comienza a provocar un fraguado lento y una baja reactividad del clínker.
• El cloro produce sales muy volátiles y, como consecuencia, obstrucciones en el precalentador, por lo que su concentración suele limitarse a menos del 0,1 % en la mezcla cruda.
• El TiO2 _es omnipresente, pero rara vez está presente en niveles (~1%) que puedan causar problemas.
• El cromo puede aparecer en forma de cromatos (Cr[VI]) en el cemento, especialmente cuando el clínker tiene un alto contenido de sulfato. Los cromatos provocan dermatitis alérgica de contacto en los usuarios de cemento, por lo que el contenido de Cr[VI] en el cemento se limita en muchas normas al 0,0002 %. Las mezclas de cemento naturales típicas contienen alrededor del 0,01 % de Cr₂O₃ _{, y} a este nivel, la formación deCr[VI] puede controlarse. El cromo presente en el cemento como Cr[III] no tiene ninguna consecuencia.
• El _{Mn₂O₃ no es perjudicial, ya que actúa como sustituto del hierro. Sin embargo} , aporta más color al cemento que el hierro, y los cementos con alto contenido de Mn₂O₃( _> 1%) son casi negros.
• El óxido de zinc (ZnO) se encuentra en algunos aditivos para mezclas de materias primas (así como en neumáticos utilizados como combustible para hornos). En concentraciones superiores al 0,2 %, provoca un fraguado lento y una baja reactividad del clínker.
• El estroncio y el bario actúan como sustitutos del calcio, y solo comienzan a reducir la reactividad del clínker a niveles del 1,5 % y del 0,2 % respectivamente.
• Metales pesados ​​tóxicos : entre ellos, los niveles bajos de arsénico , selenio , cadmio , antimonio y tungsteno no representan un problema, ya que se absorben en la estructura básica del clínker como aniones. Por otro lado, el mercurio , el talio y el plomo deben controlarse cuidadosamente, puesto que pueden emitirse como haluros volátiles en los gases de escape del horno.

La molienda húmeda es más eficiente que la molienda en seco porque el agua recubre las superficies recién formadas de las partículas rotas y evita la reaglomeración. El proceso de mezcla y homogeneización de la materia prima también es mucho más fácil cuando está en forma de lodo. La desventaja es que el agua del lodo resultante debe eliminarse posteriormente, lo que generalmente requiere mucha energía. Cuando 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 mediante dos métodos distintos: molinos de lavado y molinos de bolas.

Finura y contenido de humedad de la suspensión

Es fundamental eliminar las partículas grandes (>  150 μm para el carbonato de calcio y > 45 μm para el cuarzo) 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 cierta cantidad de energía, suministrada por bombeo a alta presión. Este proceso, así como el transporte y la mezcla de la lechada, requieren un control preciso de su viscosidad. Evidentemente, se puede obtener una lechada más fluida añadiendo más agua, pero a costa de un alto consumo de energía para su posterior eliminación. Por lo tanto, en la práctica, la lechada se prepara con la viscosidad máxima que permita el equipo de la planta. Las lechadas de mezcla cruda de cemento son plásticos de Bingham que también pueden presentar comportamiento tixotrópico o reopéctico . La energía necesaria para bombear la suspensión a la velocidad deseada está controlada principalmente por su límite elástico , que a su vez varía de forma más o menos exponencial con la proporción de sólidos y líquidos. En la práctica, se suelen añadir defloculantes para mantener la bombeabilidad con bajos contenidos de humedad. Los defloculantes más comunes (en dosis típicas de 0,005–0,03%) son el carbonato de sodio , el silicato de sodio , los polifosfatos de sodio y los lignosulfonatos . En condiciones favorables, se pueden obtener suspensiones bombeables con menos del 25% de agua. 

Las mezclas de materias primas suelen contener minerales de dureza contrastante, como calcita y cuarzo. La molienda simultánea de estos en un molino de materias primas resulta ineficiente, ya que la energía de molienda se utiliza preferentemente en el material más blando. Esto genera una gran cantidad de material blando excesivamente fino, que amortigua la molienda del mineral más duro. Por este motivo, a veces la arena se muele por separado y luego se introduce en el molino principal como una suspensión fina.

Los molinos de materia prima en seco son la tecnología habitual en la actualidad, ya que permiten minimizar el consumo de energía y las emisiones de CO₂ _. Generalmente, las materias primas para cemento se extraen principalmente de canteras, por lo que contienen cierta cantidad de humedad natural. Intentar moler un material húmedo resulta infructuoso, pues se forma un lodo difícil de manejar. Por otro lado, es mucho más fácil secar un material fino que uno grueso, ya que las partículas grandes retienen la humedad en su estructura. Por lo tanto, es habitual secar y moler los materiales simultáneamente en el molino de materia prima. Se puede utilizar un horno de aire caliente para suministrar este calor, pero normalmente se utilizan los gases de escape calientes del horno. Por esta razón, el molino de materia prima suele ubicarse cerca del precalentador del horno. Entre los tipos de molinos de materia prima en seco se incluyen los molinos de bolas, los molinos de rodillos y los molinos de martillos.