Carga Circulante Molienda de Cemento

EFECTO DE LA CARGA CIRCULANTE DE MOLIENDA DE CEMENTOS EN LOS PARÁMETROS DEL MODELO MATEMÁTICO J. L. Reyes Bahena1, O. Genç2 y J. Navarro1 1

Facultad de Ingeniería/Instituto de Metalurgia, Universidad, Autónoma de San Luis Potosí Av. Sierra Leona 550, Lomas 2ª Sección San Luis Potosí, S.L.P., México 78210 2 Department of Mining Engineering, Hacettepe University Beytepe, Ankara, Turkey 06532 [email protected]

RESUMEN El cemento es un material básico para la construcción y la ingeniería civil. El consumo y la producción producción de cemento están ligados directamente al incremento poblacional poblacional en nuestro país. La producción de cemento en México alcanzó en el año 2004 las 35 millones de toneladas, aproximadamente el 2.0 % de la producción mundial; y la demanda del producto sigue en aumento. Sin embargo, la fabricación de cemento es una actividad industrial intensiva en energía; energía térmica para la cocción de las materias primas; y energía eléctrica para las operaciones operaciones de molienda, molienda, manipulación manipulación de materiales materiales e impu impulsión lsión de gases. El consumo total de energía eléctrica varía entre 90 y 130 kWh/ton de cemento, de los cuales aproximadamente el 30% (27 a 39 kWh/ton) de esta energía es usado para la preparación del material crudo y cerca del 40% (36 a 52 kWh/ton) para la producción final del cemento por la molienda del clínker de cemento. De ahí la importancia de aplicar la modelación y simulación matemática para optimizar el proceso de molienda de cemento y reducir el consumo de energía. En el presente estudio, se llevó a cabo el análisis de datos de muestreo de planta los cuales muestran muestran una clara relación entre los parámetros parámetros del modelo matemático matemático y la carga circulante circulante del circuito de molienda y clasificación del cemento. El aumento de la carga circulante mejora el proceso de clasificación de partículas. Sin embargo, el aumento de la carga circulante favorece favorece la velocidad velocidad de rompimiento rompimiento de las partículas partículas finas (< 0.015 mm) comparada con las partículas gruesas (> 1.0 mm). Es decir, la mayor parte de la energía disponible para la reducción de tamaños se utiliza en la sobre molienda de partículas finas más que en la reducción de las partículas gruesas. INTRODUCCIÓN El cemento es un material básico para la construcción y la ingeniería civil. El consumo y la producción de cemento están ligados directamente a la actividad constructiva (pública y privada) en cada momento, y por lo tanto sigue una evolución muy pareja a la situación económica en general. La producción de cemento a nivel nacional alcanzó en el año 2004 las 35 millones millones de toneladas, toneladas, aproximadamente aproximadamente el 2.0 % de la producción mundial; y la demanda Memoria del XVI Congreso Internacional de Metalurgia Extractiva Dr. Manuel Méndez Nonell, in Memoriam

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del producto sigue en aumento tal y como se presenta en la Figura 1. Esta figura muestra la evolución que ha tenido la producción del cemento en México en el periodo 1990-2004. 40 35

o ) t s n a 30 e d a m l e e 25 C n o e T d e 20 n d ó i s c e 15 c n u o l d l i o r M10 P (

Producción = 0.373 x (Habitantes) - 5.8185 R2 = 0.7518

5 0 75

80

85

90

95

100

105

110

Población (Millones de Habitantes)

Figura 1.- Relación de la producción nacional de cemento en función del número de habitantes en el periodo 1990 al 2004 (Datos obtenidos de la CANACEM). El total del cemento producido en México se debe a la participación de seis empresas en un total de 30 plantas distribuidas en todo el territorio nacional, las cuales son: Cemex (15 plantas), Holcim Apasco (6 plantas), Grupo Cementos de Chihuahua (3 plantas), Cooperativa La Cruz Azul (3 plantas), Cementos Moctezuma (2 plantas) y Lafarge Cementos (1 planta). La fabricación de cemento es una actividad industrial de procesado de minerales, la cual se representa esquemáticamente en la Figura 2. En el proceso de fabricación de cemento pueden diferenciarse tres etapas básicas: a) Obtención y preparación de materias primas provenientes de las canteras (caliza, arcilla, etc.) que son finamente molidas para obtener el crudo. b) Cocción del crudo en un horno rotatorio hasta temperaturas de 1450 ºC para la obtención de un producto semielaborado denominado clínker de cemento. c) Molienda conjunta del clínker con otros componentes (cenizas volantes, escoria, puzolana, yeso) para obtener el cemento. Existe una gran variedad de tipos de cementos, los cuales están en función de las características de los agregados y de la finura del producto. De acuerdo a su composición, estos pueden ser: cemento Pórtland ordinario (CPO), cemento Pórtland puzolánico (CPP), cemento Pórtland con escoria granulada de alto horno (TPEG), cemento Pórtland compuesto (CPC), cemento Pórtland con humo de sílice (CPS), y cemento con escoria granulada de alto horno (CEG). De acuerdo a su resistencia mínima mecánica a la compresión a 28 días, estos pueden ser clasificados como 20, 30 y 40 N/mm2.

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Canteras

Agregados

Pre-homogenización Trituración

Molienda del Crudo

Pre-calentado

Harina Cruda

Horno

Clínker Molienda de Cemento

Aditivos

Cemento

Figura 2.- Proceso de fabricación del cemento. La fabricación de cemento es una actividad industrial intensiva en energía; energía térmica para la cocción de las materias primas; y energía eléctrica para las operaciones de molienda, manipulación de materiales e impulsión de gases (Figura 2). El consumo total de energía varía entre 90 y 130 kWh/ton de cemento, cifra que depende de tres factores:  La facilidad de molturación de los materiales, relacionado básicamente con su estructura mineralógica. En el caso del cemento blanco por tratarse de estructuras normalmente de mayor dureza, podría llevar a valores por encima del rango mencionado.  La eficiencia energética de los equipos de molienda.  La finura del material molido, especialmente en la fabricación de cementos de diferentes categorías resistentes. Aproximadamente el 30% (27 a 39 kWh/ton) de esta energía es usado para la preparación del material crudo y cerca del 40% (36 a 52 kWh/ton) para la producción final del cemento por la molienda del clínker de cemento. Actualmente, un grupo de investigación de la Facultad de Ingeniería y el Instituto de Metalurgia, UASLP, ha estado trabajando en la modelación y simulación matemática de los circuitos de molienda de cementos. El objetivo de este grupo de investigadores es aplicar las tecnologías de modelación y simulación desarrolladas exitosamente en el procesamiento de minerales para el desarrollo de modelos matemáticos de los circuitos de molienda en la industria del cemento. Hasta el momento, las técnicas de modelación y simulación en la industria del cemento son vistas más comúnmente como un “arte” y no como tecnologías útiles para la optimización del proceso de reducción de tamaños. El desarrollo de estos modelos esta basado en las características del mineral y de una extensa colección de datos de operaciones industriales. En este articulo, la modelación matemática es aplicada como parte de la metodología desarrollada en la evaluación de los circuitos de molienda del cemento. Memoria del XVI Congreso Internacional de Metalurgia Extractiva Dr. Manuel Méndez Nonell, in Memoriam


Molienda del cemento

Debido a la variedad de tipos de cemento requeridos por el mercado, predominan los sistemas de molienda de última generación equipados con separador dinámico de aire. Los sistemas de molienda más empleados son: - molino de bolas en circuito cerrado (el porcentaje de adiciones es bastante limitado, si no son secas o presecadas). - molino vertical de rodillos (mejor adaptado para porcentajes de adición altos, debido a su capacidad de secado, mejor adaptado para la molienda separada de las adiciones). - prensa de rodillos (el porcentaje de adiciones es bastante limitado, si no son secas o presecadas). Otros sistemas de molienda son: - molino de bolas en circuito abierto. - molino de bolas en circuito cerrado con separador mecánico de aire o separador de aire de ciclones de antiguas generaciones. - molino horizontal de rodillos. Uno de los sistemas que más se han estudiado en los circuitos de molienda en seco, contemplan el uso de molinos de bolas de dos compartimentos, conocidos también como molinos tubulares, y los separadores de aire. El avance de la tecnología sobre la molienda de cementos es lento y estos avances están limitados principalmente a los países de mayor desarrollo. La alimentación al circuito de molienda del cemento es aproximadamente 95% clínker y el resto son agregados, los cuales incluyen aditivos de molienda. La calidad del cemento es medida por el área superficial de las partículas de cemento, conocido como el índice de Blaine (m2 /kg), el cual es determinado por pruebas de permeabilidad de aire. La reducción de tamaños se lleva a cabo en un molino de bolas de dos compartimentos. El primer compartimiento es mucho más corto que el segundo. El material de clínker más grueso es molino en el primer compartimiento donde se utiliza un tamaño de bolas más grande (80, 60, 50 mm). La molienda fina se lleva a cabo en el segundo compartimiento donde bolas pequeñas son usadas (30, 25, 20 mm). La separación entre el primer y el segundo compartimiento se realiza a través de un diafragma, el cual permite el paso únicamente de ciertos tamaños de partículas al segundo compartimiento. El producto del segundo compartimiento es a través de una rejilla de separación para retener el medio de molienda (bolas de acero). Generalmente, los finos del cemento en la descarga del molino son separados con aire. El producto final es la fracción fina del separador mientras que los gruesos son regresados al molino. Modelación matemática del circuito de molienda

En el proceso de reducción de tamaños en seco, los modelos matemáticos basados en el balance poblacional han sido exitosamente desarrollados para quebradoras, molinos de rodillos de alta presión, molinos de bolas, molinos de bolas de aire-barrido y separadores (Lynch, 1977; Nageswararao, 1978; Morrell y col., 1997; Navarro y col., 1998; Benzer y col., Memoria del XVI Congreso Internacional de Metalurgia Extractiva Dr. Manuel Méndez Nonell, in Memoriam


2001, 2003). Esto modelos pueden ser usados para simular los circuitos de molienda del cemento y ayudar a los ingenieros de procesos a optimizar la operación de reducción de tamaños. En general, la modelación matemática de los procesos de molienda del cemento incluyen los siguientes modelos hasta hoy desarrollados:  Curvas TROMP del separador.  Modelo de mezclado perfecto en molinos de bolas. Características del tamaño de corte del separador

El rendimiento de un separador es generalmente determinado por los cuatro siguientes parámetros:  Tamaño de corte, d50 (tamaño al cual la separación del producto tiene el 50%). d  d d  Imperfección ( I  75 25 ), y forma (   25 ). d 75 2d 50  Clasificación global por corto circuito (ó by-pass).  Máximo by-pass. La curva para la salida acumulada de finos puede también ser analizada. Esto proporciona, a través de su máximo valor, una indicación global de la eficiencia del separador en un circuito y permite evaluar el impacto sobre la operación del molino en el circuito. También, la carga circulante (CC ) y la carga reciclada (CR) puede ser definida por: flujo de alimentación flujo de finos

Ec. (1)

flujo de gruesos  CC  1 flujo de finos

Ec. (2)

CC 

CR 

La curva de eficiencia para la etapa de clasificación es determinada por la siguiente ecuación (Lynch, 1977): E oa

 1   * x exp    1   *  exp  x   exp   2 

 C 

Ec. (3)

Donde  es el parámetro de eficiencia.  es el parámetro para corregir el efecto de gancho. C es el factor de recuperación por corto circuito o by-pass, (C = 100-R f ), %. x es la relación del tamaño actual de la partícula (d) sobre el tamaño de corte (d 50c).



Características del rompimiento de partículas

El modelo de mezclado perfecto (Lynch, 1977) es muy similar al modelo de balance poblacional. Este modelo es utilizado para describir el comportamiento del molino de bolas de dos compartimentos, el cual es presentado en la siguiente ecuación: f i 

i

 a r s j1

ij j

j

 pi  r i si

Ec. (4)

Sustituyendo el contenido del molino en la ecuación, se tiene: f i 

 aij r j p j  r i  p i    pi   d i j1   d j  i

Ec. (5)

Donde f i es la velocidad de alimentación de la fracción i (tph), pi es el flujo del producto de la fracción i (tph), aij es la fracción en masa del tamaño que aparece en la fracción i después del rompimiento de la fracción j, r i es la velocidad de rompimiento de la fracción i (h-1 ), si es la cantidad de tamaño de partículas dentro del molino (toneladas), d i es la velocidad de descarga de la fracción i (tph). La relación

r i

d i

puede ser calculada para cada fracción de tamaños de un conjunto de

fracciones en la alimentación ( f i ) y del producto ( pi) medidos experimentalmente si la función de rompimiento (aij) es conocida. Relación entre parámetros del modelo y la carga circulante

La evaluación del circuito de molienda de cemento es realizado a través de un estudio sobre el efecto de la carga circulante sobre los parámetros de los modelos matemáticos antes descritos. La Figura 3 presenta el efecto de la carga circulante sobre el tamaño de corte (d 50) del separador de aire. Al aumentar la carga circulante, el tamaño de corte del separador disminuye. Es decir, la operación del separador se hace mucho más eficiente. Este beneficio en la reducción del tamaño de corte del separador se debe principalmente al aumento del parámetro de imperfección (Figura 4) y la disminución del parámetro de forma ( Figura 5) del modelo de la curva TROMP de clasificación.



35 ) 0

30

5

d ( e 25 t r o C 20 e d 15 o ñ a m 10 a T

y = -0.0746x + 43.922 2

R = 0.4889

5

0 150

200

250

300

% Carga Circulante (%CC)

Figura 3.- Relación entre el d50 y la carga circulante. 0.5 0.4

) I ( n ó 0.3 i c c e f r e 0.2 p m I

y = 0.0013x + 0.0931

0.1

2

R = 0.4363

0.0 150

200

250

300


Figura 4.- Relación entre el parámetro de Imperfección y la carga circulante. 0.6 0.5 ) 0.4 ( a 0.3 m r o F

0.2 y = -0.0013x + 0.7497 0.1

R2 = 0.4109

0.0 150

200

250

300

% Carga Ci rculante (%CC)

Figura 5.- Relación entre el factor de forma y la carga circulante. Memoria del XVI Congreso Internacional de Metalurgia Extractiva Dr. Manuel Méndez Nonell, in Memoriam


Al incrementar la carga circulante, la diferencia entre los valores de los tamaños de partícula del 25 y 75 % pasado se hace más grande. Esto provoca que el valor del parámetro de imperfección tienda a incrementarse y que el valor del parámetro de forma disminuya. Es decir, un incremento en la carga circulante del circuito de molienda del cemento producirá una distribución de tamaños mucho más amplia lo cual favorece la eficiencia de separación. Sin embargo, el efecto negativo del incremento en la carga circulante se ve reflejado en el parámetro de clasificación debido al corto circuito, también conocido como by-pass (Figura 6). La cantidad de material no clasificado por la acción de las fuerzas de separación, es la que provoca que la carga circulante se incremente. Es de esperarse entonces, que una proporción significante de material que regresa al circuito este compuesto por material fino, lo cual provocara una remolienda de partículas finas e incrementará el consumo de energía en la molienda. 0.25 0.20 ) y B ( 0.15 s s a p y 0.10 B

y = 0.0006x- 0.0002

0.05

2

R = 0.2857

0.00 150

200

250

300


Figura 6.- Relación entre el factor de by-pass y la carga circulante. Para estudiar el efecto del reciclado de la fracción de material fino al molino de bolas, se investigo el efecto de la función de rompimiento en función del tamaño de partículas de cemento a diferentes valores de carga circulante (Figura 7). Como puede observarse en esta figura, el incremento del valor de carga circulante aumenta la velocidad de rompimiento de partículas de 0.015 mm. Esto corrobora la sobremolienda de partículas finas, las cuales demandan mayor consumo de energía. Por otro lado, al investigar el efecto de la velocidad de rompimiento a tamaños de 1.00 mm (Figura 8), el rompimiento de estas partículas disminuye con el aumento de la carga circulante.



6.0E-02 5.0E-02

y = 0.0008x - 0.1445

) m 4.0E-02 m 5 3.0E-02 1 0 . 0 ( 2.0E-02 * D / 1.0E-02 R

2

R = 0.8861

0.0E+00 -1.0E-02 150

170

190

210

230

250

270

% C arga Circulante (%CC)

Figura 7.- Relación entre la carga circulante y la función de rompimiento (R/D*) a 0.015 mm. 2.0E+02 1.8E+02 1.6E+02 ) m1.4E+02 m1.2E+02 0 . 1 ( 1.0E+02 * 8.0E+01 D / R6.0E+01 4.0E+01 2.0E+01 0.0E+00

y = -1.4131x + 377.03 2

R = 0.4522

150

170

190

210

230

250

270

% Carga Ci rculante (%CC)

Figura 8.- Relación entre la carga circulante y la función de rompimiento (R/D*) a 1.0 mm. CONCLUSIONES El análisis de los datos de muestreo de planta ha mostrado que existe una clara relación entre los parámetros del modelo matemático y la carga circulante del circuito de molienda y clasificación del cemento. El aumento de la carga circulante mejora el proceso de clasificación de partículas; sin embargo, la mayor parte de la energía disponible para la reducción de tamaños se utiliza en la sobremolienda de partículas finas (< a 0.015 mm) más que en la reducción de las partículas gruesas (> a 1.0 mm).



REFERENCIAS Benzer H, Ergün L., Lynch A.J., Öner, M., Günlü, A., Çelik, İ.B., and Aydo ğan, N., Modelling Cement Grinding Circuit, Minerals Engineering , 2001, 14(11), 1469-1482. Benzer, H., Ergun, L., Oner, M., and Lynch, A.J., Case studies of models of tube mill and air separator grinding circuits, In: Proc. XXII International Mineral Processing Congress, eds. Lorenze, V., and D. Bradshaw, 2003, Cape Town, South Africa. CANACEM, Cámara Nacional del Cemento, [en línea]. Dirección URL: . [Consulta: 2 Diciembre 2005]. Lynch, A. J., Mineral crushing and grinding circuit – their simulation, optimization, design and control. Elsevier Scientific, Amsterdam, 1977. Morrell, S., Shi, F., and Tondo, L., Modelling and scale-up of high preasure grinding rolls. In: Proc. XX International Mineral Processing Congress, eds. HB von Blottnitz and H. Hohberg, 1997, Aachen, Germany. Nageswararao K., Further developments in the modelling and scale up of industrial hydrociclones. PhD Thesis, 1978, University of Queensland (JKMRC). Navarro, J., Reyes Bahena, J.L., Lynch, A.J., and López Valdivieso, A., Modelación del circuito de molienda No. 6. Reporte Interno, 1998, Instituto de Metalurgia, Universidad Autónoma de San Luis Potosí.



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