4. LAS TRITURADORAS EN EL SIGLO 20 En la década de 1.920 1.9 20 hubo un incentivo por construir trituradoras primarias giratorias de grandes dimensiones con el desarrollo de las minas en open pit para las menas de hierro y cobre. Los productos de agregados demandaban por una máquina que pudiera controlar la distribución de tamaños y la forma de los guijarros a un elevado ratio de producción. producción. Esto incentivó la construcción de trituradoras trituradoras de cono, las cuales tenían cámaras de trituración especialmente diseñadas para minimizar el bloqueo de las partículas. En una trituradora de cono, el lado cerrado del set podía ajustarse para controlar el tamaño del producto durante la operación. Cuando fuese necesario, estas máquinas podían fabricarse más grandes y fuertes para triturar menas duras y abrasivas de minerales metálicos para una posterior molienda. La piedra caliza utilizada para la fabricación del cemento usualmente se tritura con una trituradora de mandíbulas (jaw crusher) o una giratoria (giratory crusher) en la cantera, seguido de una trituradora de cono (cone crusher) o de impacto (impact crusher) en la planta ubicada por delante de la línea de molinos de rodillos (roller mills) o de bolas (ball mills).
4.1. Trituradoras primarias En 1.910, la necesidad de triturar grandes tonelajes de rocas provenientes de las minas en open pit condujo a un crecimiento espectacular en el tamaño de las trituradoras. En 1.905, una trituradora de mandíbulas de grandes dimensiones poseía una boca de 0,77 m x 0,61 m y era abastecida por un motor de 34 KW, mientras que una trituradora giratoria de gran tamaño tenía una boca para la alimentación de unos 0,46 m, un cóncavo cuyo diámetro era de 1,61 m y utilizaba un motor de 75 KW (Louis 1.909). Al cabo de 15 años, la trituradora de de mandíbulas más grande grande que se podía encontrar en el mercado pasó a tener una boca de de 2,15 m x 3,07 m, mientras que una giratoria giratoria alcanzaba a tener como máximo 1,84 m en su alimentación. Ambas máquinas requerían motores de 375 KW (Taggart 1.927). La creciente minería del cobre condujo a AllisAllis - Chalmers a construir 6 trituradoras giratorias construidas completamente de acero con una abertura para la alimentación de 1,54 m para una mina de cobre en Chile en 1.926 – 1.927. 1.927. Éstas pesaban 500 toneladas cada una y tenían la altura de un edificio de 2 pisos. La creciente demanda de hierro también afectó el diseño de la trituradora. Los depósitos de hematita con altas leyes en Iron Range, en Minnesota, fueron agotados durante las guerras mundiales, y comenzaron a explotarse las menas de taconita con bajas leyes, las cuales c uales son menas duras, abrasivas, y silíceas de magnetita. Por lo tanto, se necesitaban trituradoras más grandes, y las empresas como Traylor, Nordberg, y Allis-Chalmers comenzaron a fabricar f abricar trituradoras primarias y secundarias secundarias de gran capacidad y resistentes al desgaste, las cuales además tenían incorporados sistemas de lubricación y transmisiones y cojinetes más confiables. La potencia máxima que podían requerir las trituradoras giratorias primarias de 1,54 m se incrementó a 750 KW.
En la década de 1.970, las plantas de trituración operaban con más de 100.000 tpd, y en el año 2.000, las plantas estaban construidas para triturar cualquier tonelaje de mena. Estas plantas eran estructuras inmensas que requerían excavaciones profundas para obtener un buen flujo gravimétrico de los guijarros. A continuación se muestra un esquema de la trituradora primaria en Bougainville Copper Limited (Papua New Guinea), la cual trata 120.000 tpd de una mena de cobre de bajas leyes.
4.2. Trituradoras de un rolo Se han construido varios tipos de molinos de un rolo en los cuales los sólidos son fracturados al ser “mordidos” entre el rolo que rota y una superficie fi ja. Una de las primeras máquinas de un solo rolo fue la trituradora de rolo golpeador (sledging roll crusher), la cual fue construida por Allis-Chalmers en 1.911. Ésta era una máquina con un rolo dentado, muy común en la familia de trituradoras similares que se construyeron durante el siglo 20. En Fairmount, Illinois, se instalaron dos unidades con un rolo de 0,9 m de diámetro x 1,5 m de largo para tratar piedra caliza cuyo destino era ser utilizada como fundente por la Casparis Stone Company. Estas máquinas rápidamente obtuvieron un alto grado de popularidad.
Se construyeron diversos tipos similares de trituradoras de un rolo durante el siglo 20. Debido a su baja producción de finos, estas máquinas eran las indicadas para la fragmentación del carbón. Este mineral, el cual es frágil y se fractura fácilmente, se trituraba manualmente hasta hace unos 100 años atrás, momento en el cual los ingenieros comenzaron a adoptar a los molinos de martillos y las trituradoras de rolos para la trituración de carbón.
4.3. Trituradoras secundarias Las trituradoras secundarias no se utilizaron hasta que el set en lado abierto de las trituradoras primarias construidas a principios del siglo 20 hizo necesario un equipo de trituración con un set menor. Las primeras máquinas para la trituración secundaria consistían en tr ituradoras giratorias estándar construidas en una escala menor, pero que tenían la tendencia a “ahogarse” con el material, por lo que
su productividad era baja, haciéndolas ineficientes para la trituración f ina. La creciente popularidad del hormigón armado generó una demanda cada vez mayor de finos en lo que se refiere tanto a piedras como a gravas trituradas, lo cual condujo a la necesidad de una mejor trituradora para partículas pequeñas. El sistema de trituración en una planta de áridos construida en Thornton, Illinois, en 1.913, era típico de los nuevos desarrollos en la industria de los agregados. Este comprendía una trituradora primaria para un tamaño de alimentación de 1,2 m, cuatro trituradoras secundarias con una boca de alimentación de 178 mm, y 16 trituradoras finales; todas estas giratorias. Se le adicionaron dos conjuntos de trituradoras de rolos para aumentar la producción de pequeños cantos rodados. Previo a la Primera Guerra Mundial se hicieron intentos de adaptar a las giratorias estándar para tareas de trituración fina mediante la construcción de un modelo de cabeza corta (shorthead), el cual consistía simplemente de una cabeza de trituración abreviada instalada en una máquina estándar con cóncavos que hacían juego. Los revestimientos de la trituradora se conocían como “cóncavos”, debido a
que éstos se adherían a la superficie interior de la trituradora formando una zona de trituración cóncava. Este modelo no resultó ser muy exitoso; las tensiones de la trituración se encontraban concentradas en un punto en donde la parte superior de la coraza estaba mal equipara para soportarlas. Además, la garganta en el punto de descarga era demasiado pequeña como para aprovechar la ventaja de un aumento de diámetro en la abertura de descarga. A principios de la década de 1.920, varias compañías de ingeniería estaban cambiando el diseño de la cámara de trituración y de los cóncavos en función de construir trituradoras para finos que sean eficientes. La trituradora para la reducción de finos Superior-McCully fue la primera en mostrar una mejora significativa por sobre los otros modelos cuando la cámara de trituración fue modificada para incluir una carcasa cilíndrica, cóncavos verticales, y una cabeza de trituración con forma de campana. La velocidad del excéntrico era aún mayor, y la canaleta de descarga (garganta) estaba ajustada para una operación efectiva con un set para tamaños finos. Luego los cóncavos se encontraban más estrechos sobre ambos extremos para distribuir mejor el desgaste, y eventualmente, se volvieron estándar. El desarrollo de estos cóncavos utilizando el principio de cámaras de trituración con un perfil curvo, fue la mejora más importante que se hizo en el diseño de una trituradora durante muchos años (posiblemente el mejor desde la introducción de equipos giratorios). Allis -Chalmers diseñó cóncavos de este tipo, los cuales implementaron la productividad de las trituradoras y, además, tenían la ventaja de que podían encajar en cientos de equipos de trituración existentes en aquel entonces. A continuación se muestra la diferencia entre los cóncavos rectos y los curvos.
Los cóncavos curvos trituraban las rocas de un modo más efectivo antes de que éstas entraran en la región final de trituración, y además controlaban mejor el flujo de los guijarros a través del equipo.
Allis-Chalmers tenía la estrategia de mantener su posición como fabricante líder de equipos de reducción de tamaños mediante un trabajo innovador de diseño e ingeniería, y mediante la compra ocasional de competidores tales como el fabricante de las trituradoras finas Superior-McCully y su línea de trituradoras primarias giratorias conocidas como trituradoras McCully. Poco tiempo después de esta adquisición, a Allis-Chalmers le ofrecieron las patentes de una trituradora desarrollada por Will Symons, un ingeniero de Chicago. Sin embargo, Allis-Chalmers declinó esta oferta, sin dudas, debido a que dos trituradoras nuevas y competentes en un período corto de tiempo habría sido algo muy difícil de digerir por parte de la compañía. En cambio, la Nordberg Company de Milwaukee compró las patentes de la trituradora secundaria de cono Symons de alta velocidad. En poco tiempo esta máquina virtualmente acabó con las ventas de la trituradora para finos McCully y redujo seriamente las ventas de las trituradoras más pequeñas de Allis-Chalmers.
4.4. Trituradoras de cono En comparación con la trituradora giratoria, la trituradora de cono se caracteriza por su velocidad más elevada y una cámara de trituración con menos ángulo, la cual tiene la intención de aportar una mayor capacidad y una razón de reducción más alta, apropiada para este tipo de procesamiento. El objetivo es el de retener al material la mayor cantidad de tiempo posible en la cámara de trituración para trabajar más sobre el material a medida que éste es procesado (SME – AIME 1.985). A continuación se muestra como las partículas fluyen a través de la cámara de trituración de una trituradora de cono.
Las trituradoras de cono han sido utilizadas ampliamente en la industria minera durante 70 años para preparar la alimentación para los molinos de barras (rod mills) y de bolas (ball mills), y para triturar los guijarros con un tamaño crítico que han sido extraídos desde los molinos autógenos (AG mill s) o semiautógenos (SAG mills), debido a que éstos son demasiado pequeños como para actuar como medios de molienda y demasiado grandes para ser fragmentados por las rocas con mayores dimensiones. Su principal uso ha sido en la industria de los áridos produciendo agregados para
satisfacer la demanda establecida por la industria de la construcción. Se han desarrollado sistemas de control automático para asegurar que se cumpla con las especificaciones para diversos productos.
4.5. Trituradoras de impacto En este tipo de trituradoras se aplican impactos a alta velocidad para fragmentar a las rocas. Estas trabajan no solo golpeando las rocas con martillos a una elevada velocidad (molinos de martillo), sino también arrojándolas contra una lámina de acero (trituradora Barmac). La fractura por impacto era el concepto detrás del molino autógeno Hadsel, lo cual se discutirá más adelante, pero en la mayoría de los casos la fragmentación por impacto no trabajaba bien en el molino Hadsel debido a que la velocidad de las rocas no era lo suficientemente alta como par ser trituradas hasta partículas pequeñas. Se creía eventualmente que las rocas gruesas hechas pedazos mediante el impacto en un molino autógeno era lo opuesto a lo que era necesario. Para prevenir que el molino se llene con guijarros demasiado grandes para ser descargados desde el mismo, era necesaria una fragmentación lenta de las rocas gruesas por abrasión con la mena más fina siendo fracturada por el impacto sufrido con las rocas de mayor tamaño.
4.6. Molinos de martillos En 1.830, en EEUU, se patentó una máquina que nunca entró en producción comercial, pero que estableció las bases de lo que hoy es el molino de martillos (hammer mill). Este equipo constituye la trituradora más ampliamente utilizada de las cuales cuyo principio para la fragmentación de las rocas es la aplicación de impactos a una gran velocidad. La característica distintiva del molino de martillos es la elevada velocidad de su eje, la cual puede estar en el rango de las 700 – 1.500 rpm. La velocidad desarrollada por los martillos (hasta 3.000 – 4.000 m/min) le brinda suficiente energía cinética a la
máquina para hacer pedazos a las rocas en el instante del impacto. Esta velocidad puede obtenerse más fácilmente con motores eléctricos que con máquinas de vapor, por lo que los molinos de martillos tuvieron que esperar hasta la aparición de la electricidad en el siglo 20 para poder ser ampliamente utilizados para la fragmentación de rocas duras, aún cuando ya habían sido utilizados previamente en el siglo 19. A continuación se muestra una vista en sección de la operación en un molino de martillos.
Como se puede observar en la imagen, el material es alimentado uniformemente a la zona de fractura mediante una bandeja inclinada. Los martillos se encuentran adheridos a un eje de modo que se encuentren libres de moverse en ángulos rectos con respecto al eje a través de un recorrido de 180°. Estos producen golpes rápidos y duros, desplazando a la roca y arrojándola contra una lámina en donde continúa fracturándose por el impacto. Los pedazos rebotan y el procedimiento se repite hasta que los fragmentos dejan el molino a través de una rejilla en el fondo de la máquina. La capacidad de un molino de martillo depende de la naturaleza del material más que la mayoría de las otras trituradoras. También depende de la velocidad de los martillos y de las aberturas en la parrilla. La energía en los martillos mantiene la energía cinética en el eje del rotor, a menudo suplementada por volantes pesados adheridos a los extremos del eje. Estos equipos tienden a producir un producto cúbico debido a que la acción del impacto es la adecuada para la fractura de las rocas planas o alargadas que no escapan fácilmente a través de las barras de la parrilla en el fondo de la máquina. Consecuentemente, se las utiliza para la producción de agregados con una forma cúbica aún cuando pueda ocurrir un elevado desgaste por la dureza misma de la roca. La razón de reducción en un molino de martillos es muy alta, de hasta 20:1 en circuito abierto y mucho más en circuito cerrado. El desgaste potencialmente elevado de los martillos y de las láminas generalmente limita el uso de estas máquinas para la trituración de rocas blandas y no abrasivas, tales como piedra caliza, carbón o yeso. Una regla elemental ha sido que los molinos de martillos son los
equipos adecuado para tratar materiales que contienen no más de un 5% de sílice, es dudoso su uso cuando el contenido de sílice es del 10 – 15%, peligroso cuando éste es del 20 – 25%, y prohibitivo si excede del 30%.
4.7. Trituradoras de impacto de eje vertical En los molinos de martillos el impacto de un martillo moviéndose a gran velocidad sobre una roca que se traslada a una baja velocidad causa el desplazamiento de la misma. También esto puede ser causado por la colisión de una roca que se mueve a una gran velocidad contra otra roca o contra la lámina fracturadora (breaker plate). Este es el concepto de una trituradora de impacto de eje vertical. Un problema con la máquina original era que el máximo tamaño de alimentación hacia el rotor era demasiado pequeño; el cual consistía de 60 mm cuando se necesitaba que fuera de 100 mm. La solución era adicionar a las partículas más grandes como un flujo separado directamente dentro de la cámara de trituración. Este equipo se denominaba máquina de doble alimentación o Barmac Duopactor. La trituradora Barmac fue inventada en 1.970 por Jim Macdonald, un ingeniero de la ciudad de Wellington, Nueva Zelanda. El observó que se involucraban dos principios durante la trituración:
Las piedras se romperían si se golpeaban lo suficientemente fuerte entre las mismas (evitando de esta forma el desgaste en las partes metálicas). El acero se encontraría protegido contra el desgaste por abrasión si se lo cubría con una capa de piedras atrapadas (Bartley 1.996).
Un prototipo básico demostró que la idea era correcta, de modo que con la asistencia de su compañero Bryan Bartley, se pudo fabricar una máquina que fuera comercialmente factible. En el año 2.002, se
vendieron más de 3.300 trituradoras Barmac, siendo la más grande una unidad de 650 KW de potencia utilizada en una mina de mena de hierro.
4.8. Trituradoras de carbón Los principales usos del carbón son como combustible en los hornos y como químico para reducir l os óxidos de hierro a hierro metálico. Para satisfacer los estándares medioambientales para estos propósitos, el carbón debe ser explotado, triturado, separado por tamaños, enriquecido, y molido para quemar eficientemente con los desechos gaseosos y sólidos. También se requiere piedra caliza moli da para remover el sulfuro de hidrógeno desde los gases almacenados en las calderas. Los esquistos bituminosos y los minerales se separan del carbón durante la fractura mientras se rechaza el contenido de pirita, de modo que se pueda quemar un carbón limpio de impurezas en las calderas. Las trituradoras de carbón sufrieron algunos cambios a lo largo del siglo 20, y aún se encuentran en uso tres tipos de máquinas:
Trituradoras convencionales para fracturar el carbón proveniente de mina (run-of-mine) hasta un tamaño de 150 mm, dependiendo de los procesos que se encuentren a continuación en el flowsheet. Tambores en los cuales el carbón se fractura levemente para separar los esquistos bituminosos y los minerales desde el carbón, de modo que pueda concentrarse y generar un carbón con una alta calidad para su uso en los hornos de coque. Molinos de rodillos y molinos de bolas en los cuales se producen partículas muy finas para su combustión en las calderas.
Las trituradoras de un rolo a baja velocidad con dientes largos y cortos rotando a una velocidad de 20 rpm han sido utilizadas para la trituración gruesa de carbón run-of-mine desde comienzos del siglo 20.
También pueden utilizarse las máquinas con dos rolos rotando en contra-corriente en lugar un rolo triturando contra una lámina fragmentadora. Podían obtenerse productos más finos con máquinas con una mayor velocidad que utilizaban más energía por tonelada, y por lo tanto, el molino de martillos se volvió la primera trituradora de alta velocidad ampliamente utilizada. Esta máquina es particularmente apropiada para la trituración de finos a partir de menas frágiles y blandas, y continua siendo líder en este campo. “En EEUU, las
trituradoras de impacto y los molinos de martillos para la conminución de carbón normalmente se empleaban para preparar los tamaños relativamente finos utilizados para cargar a los hornos de coque” (Leonard 1.991).
El desintegrador Carr apareció a fines del siglo 19 para triturar carbón hasta partículas finas. Esta máquina poseía una elevada velocidad (hasta 200 rpm) y tenía discos paralelos que rotaban en direcciones opuestas. La velocidad del disco externo era de hasta unos 2.000 m/min. Los discos tenían filas de barras dispuestas en forma alternada, tres en uno de éstos y dos en el otro de los mismos. El material alimentaba a la máquina por el centro de la misma y era despedazado por el impacto de l as barras a medida que dicha alimentación atravesaba el equipo. Eventualmente, los fragmentos resultantes eran lo suficientemente pequeños como para preparar a través del anillo externo. Estas máquinas promediaban un diámetro de 0,6 – 2,5 m. La capacidad de un equipo cuyo diámetro era de 1,8 m y utilizaba 15 KW, era de 15 – 30 tph de carbón. Los rolos a abaja velocidad producían guijarros grandes que contenían sustancias mineralizadas sin liberar y que solo podían ser concentrados en concentradores jigs; las trituradoras que operaban con una alta velocidad producían demasiados finos, los cuales eran difíciles de concentrar. Ninguna de ambas máquinas resultó ser ideal para la preparación de carbón de coque para una concentración debido a que el contenido de sustancias mineralizadas era muy importante.
El fragmentador Bradford se construyó a fines del siglo 19 para fracturar a los guijarros del carbón para fabricar coque.
El fragmentador Bradford fue inventado por Hezekiah Bradford, pero se conoce poco acerca del inventor o del origen de la máquina. Este equipo consistía de un tambor que rotaba montado sobre unos muñones similares a los de un molino de bolas, cuya velocidad de rotación era de 12 – 18 rpm. El carbón se elevaba dentro del equipo mediante unos lifters adheridos al interior del cilindro del tambor y permitían su caída. La energía cinética del guijarro de carbón de mayor tamaño era suficiente para fracturarse cuando golpeaba el fondo del tambor, pero los guijarros de minerales y esquistos bituminosos tenían la tendencia a resistir la fractura. La pared del tambor consistía de cribas, cuyas aberturas permitían que las partículas que eran lo suficientemente pequeñas, usualmente alrededor de 50 mm, salían del tambor y se dirigían hacia su posterior procesamiento. Las partículas que no se fragmentaban, comúnmente estéril, no pasaban a través de las aberturas de la criba y se extraían mediante un buzón (chute) situado en el extremo del tambor. La fractura por abrasión, la cual producía un exceso de f inos, se veía minimizada, por lo que no se requería el uso de bolas de acero.
