UNIVERSIDAD DE CONCEPCION PROFESOR: FACULTAD DE INGENIERIA SR. M. ANIBAL VALENZUELA L. DPTO. DE INGENIERIA ELECTRICA

PROCESOS INDUSTRIALES Y ACCIONAMIENTOS

INDUSTRIALES

“PROCESO DE EXTRACCION Y PRODUCCION DE CEMENTO”

PROYECTO DE INVESTIGACION DEL CURSO ACCIONAMIENTOS INDUSTRIALES

CONCEPCION, MAYO 2013. DIEGO F. FUENTES RETAMAL

II

INDICE

INDICE ...................................................................................................................................... II

1. COMPONENTES Y PROPIEDADES DEL CEMENTO ................................................................. 1

1.1 Definición ............................................................................................................................. 1

1.2 Componentes del cemento .................................................................................................. 1

1.3 Propiedades de productos basados en cemento .................................................................. 2

2. CLASES DE CEMENTOS Y USOS ........................................................................................... 3

2.1 Cemento Portland ................................................................................................................ 3

2.2 Cemento con adicionales hidráulicas .................................................................................... 4

2.2.1 Cementos pulzolánicos ..................................................................................................................... 4

2.2.2 Cementos con cenizas volantes ........................................................................................................ 4

2.2.3 Cementos Siderúrgicos ..................................................................................................................... 4

2.2.4 Cementos Sideropuzolánicos ............................................................................................................ 4

3. EXTRACCION DE MATERIAS PRIMAS .................................................................................. 5

3.1 Métodos de explotación ....................................................................................................... 5

3.2 Etapas de extracción del mineral .......................................................................................... 6

3.2.1 Perforación ....................................................................................................................................... 6

3.2.2 Tronadura ......................................................................................................................................... 8

3.2.3 Carguío y Transporte ........................................................................................................................ 8

3.3 Trituración ......................................................................................................................... 10

4 FABRICACION DEL CEMENTO ................................................................................................ 13

4.1 Prehomogenizacion y dosificación ...................................................................................... 14

4.1.1 Tratamientos Previos ...................................................................................................................... 14

4.1.2 Prehomogenizacion ........................................................................................................................ 14

4.1.3 Dosificación de materias primas ..................................................................................................... 15

4.2 Molienda del crudo ............................................................................................................ 16

4.3 Almacenamiento del crudo y Homogenización ................................................................... 17

5 Clinkerización ...................................................................................................................... 19

5.1 Precalentador de Ciclones .................................................................................................. 20

5.2 Horno rotatorio .................................................................................................................. 22

III

5.3 Enfriadores ......................................................................................................................... 24

6 Molienda del cemento ......................................................................................................... 25

7 Almacenamiento del cemento .............................................................................................. 26

8 Envasado y despacho ........................................................................................................... 27

9 Control de calidad ................................................................................................................ 28

10 Accionamientos eléctricos principales en la industria del cemento ...................................... 29

10.1 Chancadoras..................................................................................................................... 29

10.1.1 Chancador de Mandíbulas ............................................................................................................ 31

Principio de Operación ..................................................................................................... 31

Dimensionamiento ........................................................................................................... 33

Capacidad de la chancadora de mandíbula ................................................................... 33

Consumo de Potencia ................................................................................................... 34

Motor y Control ............................................................................................................ 35

10.1.2 Chancador Cónico ......................................................................................................................... 36

Principio de Operación ..................................................................................................... 36

Dimensionamiento ........................................................................................................... 38

Capacidad de la Chancadora ......................................................................................... 38

Consumo de Potencia ................................................................................................... 38

Motor y Control ............................................................................................................ 39

10.2 Molino Semiautogeno (SAG) ............................................................................................. 40

Principio de Operación ............................................................................................................................ 40

Dimensionamiento .................................................................................................................................. 42

Demanda de Potencia ...................................................................................................... 42

Motor y control ................................................................................................................ 45

10.3 Horno Rotatorio ............................................................................................................... 49

Principio de Operación ............................................................................................................................ 49

Dimensionamiento .................................................................................................................................. 50

Referencias ............................................................................................................................ 52

1

1. COMPONENTES Y PROPIEDADES DEL CEMENTO

1.1 Definición

El cemento es un producto artificial, que se obtiene de la transformación de una materia prima, que puede estar compuesta de una mezcla de calizas, arcillas y otros minerales, o simplemente de calizas. El cemento es el material de construcción más utilizado en el mundo. Aporta propiedades útiles y deseables, tales como resistencia a la compresión (el material de construcción con la mayor resistencia por costo unitario), durabilidad y estética para una diversidad de aplicaciones de construcción.

1.2 Componentes del cemento

Las materias primas deben contener principalmente óxidos de calcio y de silicio y, en proporciones menores, óxidos de aluminio y de fierro, estando muy bien combinadas en proporciones adecuadas. El carbonato de calcio (CaCO3), de donde se obtendrá el óxido de calcio, se obtiene de depósitos calcáreos ricos en carbonato (calizas, depósitos de conchuelas, etc.). Este elemento se descompone a altas temperaturas en cal (CaO) y anhídrido carbónico (CO 2), de acuerdo a la reacción:

����� + ����� → ��� + �� Los óxidos de silicio, de aluminio y de fierro se pueden obtener de las arcillas, o de otros materiales que los contienen, como la escorias de alto horno. También se puede dar el caso que el mineral calcáreo contenga estos óxidos como impurezas en cantidades tales que no es necesario utilizar arcillas. [1] En la tabla 1.2.1 se muestra los óxidos que deben contener las materias primas y el material del cual se pueden conseguir.

2

Tabla 1.2.1

Materiales utilizados en la fabricación del cemento

Material Simbología Nombre Seudónimo

Calcáreos (Caliza) ��� Oxido de calcio Cal

Escoria de A. Horno ��� Oxido de silicio Sílice

Escoria de A. Horno � �� Oxido de Aluminio Alúmina

Escoria de A. Horno ���� Oxido de Fierro

Corrector de dosific. ��� Oxido de Silicio

Corrector de dosific. � �� Oxido de Aluminio

Corrector de dosific. ���� Oxido de Fierro

1.3 Propiedades de productos basados en cemento

A continuación se muestra en la tabla 1.3.1 algunas de las propiedades que poseen productos fabricados con cemento, como la durabilidad o la acústica, entre otros. [2]

Tabla 1.3.1

Propiedades de productos a base de cemento

Hidráulicas La reacción de la hidratación entre el cemento y el agua es única: el material fragua y luego se endurece. La naturaleza hidráulica de la reacción permite que el cemento hidratado se endurezca aún bajo el agua.

Estéticas Antes de fraguar y endurecerse, el cemento hidratado presenta un comportamiento plástico. Por lo tanto, se puede vaciar en moldes de diferentes formas y figuras para generar arquitecturas estéticamente interesantes, que serían difíciles de lograr con otros materiales de construcción.

De durabilidad Cuando se usa correctamente (por ejemplo, con buenas prácticas de diseño de mezclas de concreto) el cemento puede formar estructuras con una vida de servicio larga que soporte los cambios climáticos extremos y agresiones de agentes químicos.

Acústicas Utilizados con un diseño adecuado, los materiales basados en cemento pueden servir para un excelente aislamiento acústico.

3

2. CLASES DE CEMENTOS Y USOS

La clasificación de cementos se puede hacer según diferentes criterios las cuales pueden ser según su composición, según las clases o categorías resistentes o según sus propiedades o características especiales más importantes, tales como la resistencia frente medios agresivos, sulfatos, bajo calor de hidratación, etc. A continuación se presenta la clasificación de cementos según su composición, pero antes de esto se debe definir el componente principal de estos. Clinker: Es el producto constituido principalmente por silicatos cálcicos; se obtiene por calentamiento de una mezcla homogénea finamente molida, en proporciones adecuadas, formada principalmente por óxido de calcio (CaO) y silicio (SiO2) y, en menores cantidades, por óxido de aluminio (Al2O3) y fierro (Fe2O3).

2.1 Cemento Portland

Los cementos Portland resultan de la molienda conjunta de clínker más un porcentaje de yeso para regular el fraguado. Sus características dependen de la composición potencial del clínker, por este motivo, la norma norteamericana ASTM C-150 clasifica los cementos Portland en cinco tipos.

Tabla 2.1.1

Clasificación de cementos Portland

Cemento Portland Norma ASTM C-150

TIPO I

Cemento Portland común, apto para toda obra que no requiera cementos con requisitos especiales.

TIPO II Cemento Portland de moderado calor de hidratación y moderada resistencia a los sulfatos, con un contenido máximo de 8% de C3A.

TIPO III Cemento Portland de alta resistencia inicial.

TIPO IV Cemento Portland de bajo calor de hidratación, con contenidos máximos de 35% de C3S y 7% de C3A.

TIPO V Cemento Portland resistente a los sulfatos, con un contenido máximo de 5% de C3A y la suma de C4AF + 2C3A, menor o igual a 20%.

4

2.2 Cemento con adicionales hidráulicas

Resultan de la molienda conjunta de clínker, yeso y una o más adiciones hidráulicas o potencialmente hidráulicas, los cuales se clasifican en los siguientes:

2.2.1 Cementos pulzolánicos

Producto de la molienda de clínker, puzolana y yeso

2.2.2 Cementos con cenizas volantes

Producto de la molienda conjunta de clínker, ceniza volante y yeso.

2.2.3 Cementos Siderúrgicos

Producto de la molienda conjunta de clínker, escoria básica granulada de alto horno y

yeso.

2.2.4 Cementos Sideropuzolánicos

También llamados cementos siderúrgicos mixtos, resultan de la molienda conjunta de

clínker, escoria básica granulada de alto horno, puzolana y yeso.

5

3. EXTRACCION DE MATERIAS PRIMAS

3.1 Métodos de explotación

Como anteriormente se mencionó, el clinker es el compuesto principal para la fabricación

del cemento, el cual está compuesto mayoritariamente por carbonato de calcio (CaCO3) y

por otros minerales en menor cantidad como la arcilla, hematita, siderita, cuarzo, etc. Los

cuales también se pueden extraer y posteriormente derivar de la misma roca

sedimentaria llamada Caliza.

Estas materias primas se encuentran en yacimientos, normalmente en canteras a cielo

abierto, las cuales son explotadas mediante voladuras controladas, en el caso de

materiales duros como caliza y pizarras, mientras que en caso de materiales blandos como

la arcilla y margas se utilizan excavadoras para su extracción.

En Chile, la explotación de caliza se realiza principalmente a cielo abierto, este sistema

consiste en la eliminación de las capas superiores del suelo para la extracción de minerales

de yacimientos cercanos a la superficie, por lo que existe un orden lógico en el sentido de

la explotación, es decir una secuencia de extracción del mineral de arriba hacia abajo, a

medida que se vaya agotando el mineral en cada capa. La remoción del material tronado

se realiza mediante el uso de palas mecánicas y el transporte en camiones hasta la planta

chancadora.

También existe, pero en menor volumen, la explotación subterránea, donde para poder

acceder al yacimiento de mineral hay que excavar una red de galerías de acceso, que se

suele extender por la roca de desecho que rodea el yacimiento, este trabajo se denomina

desarrollo. La extracción del mineral se denomina arranque, y la elección del método

depende de la forma y orientación del yacimiento. En los depósitos tubulares horizontales

hay que instalar sistemas de carga y transporte mecanizados para manejar la roca

extraída. En los yacimientos muy inclinados, gran parte del movimiento de la roca puede

efectuarse por gravedad. [4]

6

3.2 Etapas de extracción del mineral

Los métodos de extracción de mineral y la forma en que se procesa para obtener los

compuestos necesarios para la producción del cemento, son similares en todas las minas

de caliza ya sea a cielo abierto o subterráneo.

En este informe solo se analizara la extracción a cielo abierto, esto debido a que es la

forma más común en que se extrae este mineral. Y las etapas serán ejemplificadas con el

proceso productivo realizado por la empresa Cementos Bio BIo S.A.

La extracción bajo suelo es muy similar a cielo abierto pero posee más etapas en la

explotación para poder dar la forma sólida y segura del túnel, en las referencias se

encuentra el link de un video animado donde se muestran las maquinarias y etapas de

extracción bajo suelo [5].

3.2.1 Perforación

Para lograr el arranque de la roca in-situ, es necesario realizar perforaciones de distintas

profundidades en un esquema geométrico previamente calculado de acuerdo a las

características de la roca (llamado “diagrama de tronadura o diagrama de disparo”).

Para la realización de la perforación se utiliza maquinaria especializada para diferentes

diámetros de perforación dependiendo de los objetivos de la tronadura. Minera el WAY

perteneciente a Cementos Bio Bio S.A. emplea perforadoras para diámetros de 3 a 6

pulgadas.

Los parámetros de perforación que utilizan en Minera el WAY son los siguientes:

Tabla 3.2.1.1

Parámetros de perforación Minera WAY

Diámetro de perforación 3 a 6 pulgadas

Burden 2,5 a 4 m

Espaciamiento 3 a 6 m

Longitud de perforación 6 a 12 m

7

Minera WAY propone en un proyecto [6] utilizar una flota de perforación hidráulica, las cuales se detallan en la tabla 3.2.1.2

Tabla 3.2.1.2

Equipos de perforación Minera WAY

Equipo Marca Modelo Sistema Rendimiento

Perforadora Atlas Copco Roc-460 DTH 22 m/H

Perforadora Atlas Copco Roc-D7 OTH 30m/H

En la figura 3.2.1.1 se muestra una perforadora Atlas Copco Roc-460.

Figura 3.2.1.1

Perforadora Atlas Copco Roc-460

8

3.2.2 Tronadura

Al interior de las perforaciones se deposita el explosivo con el fin de realizar tronaduras

que fracturen la roca a tamaños apropiados a los equipos de carguío y transporte. Como

material explosivo usualmente en voladuras se utiliza ANFO [7] (material seco que pierde

su eficacia en agua) o PESMUL (emulsión que no pierde eficacia con el agua). Para cada

detonación normalmente se usa una relación de carga de 85 a 125 g/TON de roca sana.

3.2.3 Carguío y Transporte

Una vez realizada las detonaciones de las grandes masas de piedra, las rocas

fragmentadas deben ser cargadas y transportadas para ser procesadas en la planta.

Toda la roca a remover es útil, es decir no existe material estéril, sin embargo y a

consecuencia de las exigencias del mercado, parte de ella queda en acopios transitorios

para su utilización futura.

El material Fraccionado es cargado mediante cargadores frontales y/o excavadoras sobre

camiones mineros de 40 a 60 toneladas de capacidad o bandas, lo que dependiendo de la

clasificación del material es transportado a diversos puntos asignados (plantas o acopios

transitorios).

En la figura siguiente presenta una ilustración del carguío mineral en un camión [8].

Figura 3.2.3.1

Cargador frontal y camion minero

El tipo de equipo de carguío, transporte y apoyo propuesto [6] por Minera WAY se

muestra en las siguientes tablas.

9

Tabla 3.2.3.1

Equipos de Carguío

Equipo Marca Año Modelo Capacidad

Cargador Frontal Caterpillar 2005 972G 4.2 m3

Cargador Frontal Volvo 2007 L-180E 4.2m3

Cargador Frontal Volvo 2010 L-180F 4.2m3

Tabla 3.2.3.2

Equipos de transporte

Equipo Marca Año Modelo Capacidad

Camión Iveco 2005 380E27 H 15 m3

Camión Iveco 2006 410-E38 20m3

Camión Iveco 2007 410T42 20m3

Tabla 3.2.3.3

Equipos de apoyo

Equipo Marca Año Modelo

Motoniveladora New Holland 2004 RG-170

Excavadora Komatsu 2008 PC-200

Camion Aljibe Ford 2004

10

3.3 Trituración

Una vez extraído y clasificado el material, se procede a su trituración hasta obtener una

granulometría adecuada para el producto de molienda y se traslada a la fábrica mediante

camiones o cintas transportadoras para su almacenamiento en el parque de

prehomogenizacion.

La siguiente figura esquematiza esta etapa de procesamiento de la caliza.

Figura 3.3.1

Chancado del mineral, obtencion del crudo

La siguiente figura muestra un corte esquemático de un chancador [3].

Figura 3.3.2

Corte esquemático de un chancador

11

Como se puede apreciar en la figura 3.3.2, una vez que la caliza se deposita en la tolva del triturador, las rocas ingresan al cono de la chancadora, en donde son triturada a presión consiguiéndose así disminuir el tamaño de rocas y generar el crudo, este accionamiento será analizados posteriormente de forma más detallada. Minera WAY posee dos plantas de procesamiento de minerales, una exclusivamente para el chancado de árido y otra para el chancado de calizas para cal y calizas para cemento. La primera planta tiene un rendimiento promedio de 200 ton/hora y la segunda de 400 ton/hora. La data de construcción de las plantas difiere en gran cantidad de años por lo cual una cuenta con modernas instalaciones mientras que la segunda se ha mejorado a través de los años [6]. La planta para procesar caliza para cemento posee el siguiente circuito de chancado [9].

Figura 3.3.3

Circuito de chancado Minera WAY

El material depositado en la tolva de recepción pasa a un chancador primario de mandíbula y luego el material es derivado a un harnero primario. El material de granulometría mayor a 90 mm se desvía hacia la recirculación del chancado secundario y el resto bajo 90 mm corresponde al producto terminado de calizas para cemento. El

12

producto terminado es transportado por medio de correa transportadora hacia el tripper stacker, para ser apilado sobre el túnel del lado norte. Bajo el túnel norte, se cuenta con extractores vibratorios de 160 ton/hora [6] de capacidad cada uno y una correa transportadora de 340 ton/hora que transporta las calizas para cemento hasta una tolva de despacho de 240 ton. de capacidad, desde donde los camiones son cargados y despachados para la fabricación de cemento.

13

4 FABRICACION DEL CEMENTO

El proceso de fabricación del cemento comienza con la llegada de los minerales a la

fábrica y termina con el descacho a las distribuidoras, este proceso cuenta con varias sub-

etapas, las cuales son Prehomogenizacion y dosificación, Molienda del crudo,

almacenamiento del crudo y Homogenización, fabricación del clínker, molienda del

cemento, envasado/paletizado y despacho. A continuación se presenta el diagrama de

flujo utilizado por Cementos Bio Bio S.A [3].

Figura 4.1

Diagrama de flujo Cementos Bio Bio S.A

14

4.1 Prehomogenizacion y dosificación

4.1.1 Tratamientos Previos

Dependiendo de la naturaleza de las materias primas y de las condiciones en que llegan a

la planta de cemento, pueden sufrir uno o varios tratamientos primarios previos a la

prehomogenizacion, como:

-Harneado -Reducción de tamaño -Secado -Concentración de carbonato - Selección de acuerdo a composición química o características físicas

4.1.2 Prehomogenizacion

Cuando las materias primas se encuentran preparadas para la prehomogenizacion, estas

son depositadas en una cancha de prehomogenizacion. Acá el material se deposita en

capas sucesivas horizontales por medio de una faja telescópica apiladora que recorre un

ángulo prefijado. Con esto se logra obtener materias primas en estado granular [10].

Figura 4.1.2.1

Parque de prehomogenizacion circular cubierto

15

4.1.3 Dosificación de materias primas

La calidad del clínker depende de los compuestos mineralógicos que se formen, y estos

dependen del porcentaje en que se encuentren los óxidos mencionados en la sección 1.2

(tabla 1.2.1). Para dosificar un crudo, es necesario considerar:

- Definir el tipo de Clínker que se desea obtener. - Conocer el análisis químico de las materias primas. –Tener presente que la cantidad de óxidos agregados condicionan la calidad final del Clínker, y la operación del Horno. - Conocer las características y cantidad de los materiales que se pueden agregar en el proceso.

Estos fenómenos hacen necesario tener en consideración algunas relaciones, como:

Módulo Hidráulico: �� =���

����������������

Módulo de Silicato �� =����

�����������

Módulo de Alúmina: �� =�����

�����

Estándar de Cal: �� = !!���

.#����� . ������!.$�����

Tanto los porcentajes de óxidos, como sus concentraciones deben ser estrictamente

controlados [3].

16

4.2 Molienda del crudo

La molienda de las materias primas tiene por objeto reducirlas de tamaño, a un estado

pulverulento, para que puedan reaccionar químicamente durante la clinkerización. Esta se

puede hacer en húmedo (vía húmeda) o en seco (vía seca).

Cuando los materiales son desleíbles (que forman barro) o cuando es necesario

concentrar el carbonato se utiliza la vía húmeda, que consiste en licuar las materias en

grandes estanques circulares provistos de peines giratorios. Después, los materiales pasan

a molinos de bolas, de donde se obtiene una pasta fluida que se prensa posteriormente

para eliminar parte del agua y se almacena hasta introducirla al horno en forma de

nódulos.

Figura 4.2.1

Esquema de molienda con molino vertical

Si se utiliza la vía seca (caso particular de Cementos Bío Bío), la molienda se hace en

molinos de rodillos o de bolas, obteniéndose en ellos un polvo fino de tamaño inferior a

150 micrones. Generalmente los molinos de vía seca están provistos de dispositivos que

inyectan aire caliente para secar las materias primas, simultáneamente con la molienda.

17

La figura 4.2.2 muestra un molino SAG diseñado por Metso Minerals y fabricado con una maestranza europea, el cual opera con un motor diseñado por ABB, este tipo de accionamiento es muy común en todas las industrias mineras y en la fabricación del cemento es uno de los principales accionamientos, por lo que será analizado posteriormente en forma detallada.

Figura 4.2.2

Molino SAG (de bolas)

4.3 Almacenamiento del crudo y Homogenización

La homogeneización consiste en mezclar los distintos materiales, a tal punto que en

cualquier porción de la mezcla que se tome deben estar presentes los componentes en las

proporciones previstas. Cuando se usa la vía húmeda se emplean estanques agitadores

mecánicos y cuando se usa la vía seca (caso Cementos Bio Bio), se emplean silos donde el

crudo se agita mediante la inyección de aire comprimido.

Una buena homogeneización permite corregir las dosificaciones, mantener una operación

adecuada del horno y prever la calidad del clínker. Por el contrario, una mala

homogeneización puede dar lugar a clínker de mala calidad, cometer errores en los

cambios de dosificación, dificultar la operación del horno e impedir las reacciones

químicas de formación de clínker.

En la figura 4.3.1 se muestra un corte esquemático de un silo donde el crudo es agitado

mediante inyección de aire comprimido.

18

Figura 4.3.1

Corte esquematico de silo de homogenizacion.

En la figura 4.3.2 se pueden apreciar los silos de una de las fábricas de Cementos Bio BIo.

Figura 4.3.2

Silos Cementos Bio Bio

19

En la industria del cemento, la máquina más delicada y más cara es el horno.

Su trabajo a alta temperatura y su revestimiento refractario obliga a una operación

continua, debida a los serios riesgos que se corren en cada detención. Por ese motivo, se

debe disponer de silos de almacenamiento de crudo, para asegurar una continuidad en el

funcionamiento del horno, sin que éste se vea afectado por detenciones del molino de

crudo. El número y capacidad de los silos de crudo se diseña para que el horno continúe

trabajando por alrededor de 10 días después de detener el molino

5 Clinkerización

El proceso de calcinar la harina fina (crudo) es considerado por muchos el corazón de una

planta cementera. Este sentir está fuertemente fundamentado, ya que si el material

alimentado cumple satisfactoriamente con los requerimientos químicos y físicos, es de

esperarse que al ser calcinado se obtenga un producto (clinker) de excelente calidad. Esto

no se logra si se descuidan parámetros de operación que son de suma importancia para el

proceso como:

a) Perfil de temperatura del Precalentador

b) Flujo de combustible suministrado

c) Alimentación constante

d) Velocidad del horno

e) Temperatura de aire secundario

Cualquier descuido de uno o varios de los parámetros puedo ocasionar clinker de baja

calidad y problemas en la estabilidad del sistema de calcinación.

A continuación se detalla las subetapas de este proceso.

20

5.1 Precalentador de Ciclones

El precalentador de ciclones calienta la materia prima para facilitar la cocción del crudo. El

crudo se introduce por la parte superior de la torre y este va descendiendo por ella,

mientras tanto los gases provenientes del horno, que están a altas temperaturas,

ascienden a contracorriente precalentando así el crudo que alcanza los 1000°C antes de

entrar al horno.

En la figura siguiente se muestra un esquema de un calentador de ciclones [11].

Figura 5.1.1

Precalentador de ciclones

Los precalentadores de ciclones constan usualmente entre 4 a 5 etapas de ciclones que se

encuentran ubicados unos encimas de otros, en torres de unos 70 metros de altura.

Mantener un buen perfil de temperatura en esta etapa traerá como resultado una

correcta descarbonización, la factibilidad de obtener mayor producción y un mejor

balance en el sistema

En la siguiente figura se muestra un precalentador de ciclones marca Minggong.

21

Figura 5.1.2

Precalentador de ciclones Shanghai Minggong

22

5.2 Horno rotatorio

Una vez que la harina sale del precalentador de ciclones, entra al horno y a medida que

esta va avanzando a través de él, mientras este rota, la temperatura va aumentando hasta

alcanzar los 1500°C. A estas temperaturas se producen complejas reacciones químicas que

dan origen al clinker.

Al interior del horno existen 2 zonas importantes de destacar:

1- Zona de transición: La temperatura promedio es de 1200°C, en esta zona comienza

a producirse la fase liquida con presencia de � ��, 3��� y � ��, ���� y 4���,

como medios para que la cal que está en exceso reaccione a los 1350 °C con el

���,2��� hasta alcanzar la formación de cristales de ��� ,3��� a su máximo

nivel de temperatura de 1450-1500 °C.

2- Zona de clinkerización: Su temperatura promedio es de 1500°C , en esta fase, se

logró alcanzar la máxima combinabilidad entre la cal libre o en exceso con el

���,2��� para lograr la mayor cantidad de cristales de ���,3���.

En la figura siguiente se muestra un esquema del horno.

Figura 5.2.1

Horno y precalentador de ciclones

23

En la siguiente figura se muestra un horno rotatorio perteneciente a Cementos Bio BIo.

Figura 5.2.2

Horno rotatorio

Este es uno de los accionamientos más importantes que hay en la industria del cemento, por lo cual será analizado posteriormente de forma detallada. Anexo al horno mismo deben existir otros equipos, tales como:

• Sistema de alimentación que regula la cantidad de crudo que entra al horno.

• Sistema de preparación e inyección del combustible.

• Sistema recuperadores de calor de los gases.

• Sistema de captación de polvo de los gases.

24

5.3 Enfriadores

Al salir del horno, el clínker se debe enfriar rápidamente para evitar la descomposición del

silicato tricálcico, en silicato bicálcico y cal libre:

3���. ��� → 2���. ��� � ���

Este consta de varias superficies escalonadas compuestas por palcas fijas y móviles

alternadas, con unos pequeños orificios por donde pasa el aire que es insuflado por la

parte inferior, por la acción de ventiladores con el objeto de enfriar el clinker hasta

alrededor de los 100 °C. El aire caliente generado en este dispositivo se introduce

nuevamente en el horno para favorecer la combustión, mejorando así la eficiencia

energética del proceso [12].

En la siguiente figura se muestra un esquema del enfriador.

Figura 5.3.1

Esquema de enfriador

Posteriormente el clinker debe permanecer en canchas techadas durante algún tiempo,

para que termine de enfriarse.

El almacenamiento se debe hacer en lugares libres de contaminación y sin contacto con

agua, ya que se puede producir una hidratación parcial de los compuestos. Sin embargo,

pequeñas cantidades de agua pueden ser beneficiosas para hidratar la cal libre superficial

y la magnesia, disminuyendo de esta manera su efecto expansivo.

25

6 Molienda del cemento

Esta etapa consiste en reducir el clínker, yeso y otros componentes a polvo fino, inferior a

100 micrones.

La molienda se realiza en molinos de bolas o molinoa semiautogenos. Los molinos pueden

ser de “circuito abierto” donde el material entra por un extremo del molino y sale

terminado por el otro, o bien, de “circuito cerrado”, donde los materiales entran por un

extremo del molino y salen por el otro hacia separadores, los cuales tienen por objeto

separar las partículas finas y enviarlas como producto terminado, mientras que las

partículas gruesas son devueltas al molino.

En las siguientes figuras se muestran esquemas de los dos tipos de circuitos mencionados

Figura 6.1

Molino de bolas

.

Figura 6.2

Esquema circuito cerrado

26

7 Almacenamiento del cemento

Una vez terminado el proceso de fabricación del cemento, este es transportado y

almacenado en silos de hormigón.

Éstos tienen equipos auxiliares adecuados para mantener el cemento en agitación y así

evitar la segregación por decantación de los granos gruesos o la aglomeración. En ellos, el

cemento puede permanecer por varios meses sin que se afecte su calidad.

Figura 7.1 Silo de hormigón para almacenamiento de cemento

27

8 Envasado y despacho

El cemento se puede despachar en bolsas o a granel. Las bolsas de papel o polipropileno

deben cumplir con ciertos requisitos establecidos en la norma NCh 642. Por otra parte, el

transporte a granel se hace en depósitos metálicos, que pueden ser herméticos y, en tal

caso, se descargan con inyección de aire, o bien, en recipientes que se descargan por

volteo. También se usan contenedores de fibra o plástico, denominados Big Bag o

maxisacos.

Figura 8.1

Palatización

Figura 8.2

Envasado en Big Bag

28

9 Control de calidad

Es muy importante saber la calidad del producto final antes de despacharlo, como

también lo es, saber la calidad que tiene el producto durante el proceso de fabricación

para así evitar que alguna distorsión provocada en una etapa no afecte a las siguientes.

Los datos de control de calidad que entrega el sistema robótico Robolab utilizado en la

planta ubicada en Curicó de Cementos Bio Bio, pueden ser por hora o en fracciones de

tiempo menores.

Esta tecnología permite disponer en forma oportuna y confiable de información sobre

calidad de productos intermedios y finales, lo cual hace posible aminorar las naturales

distorsiones que se generan en algunas condiciones operacionales muy particulares,

como, por ejemplo, los transientes al cambiar de un tipo de producto a otro “on line”.

Adicionalmente, esta tecnología presenta además importantes ventajas para procesos en

línea, dado que como su monitoreo abarca toda la línea de producción, las distorsiones en

calidad se corrigen en el punto mismo en donde se producen, evitando que esa distorsión

afecte a la etapa siguiente. Por lo tanto, esta tecnología permite un control anticipativo,

similar al control automático “prealimentado”, garantizando una alta calidad y con

mínimas desviaciones respecto de lo pretendido [3].

Figura 9.1

Sistema robotico Robolab

29

10 Accionamientos eléctricos principales en la industria del

cemento

10.1 Chancadoras

Como se mencionó en la sección de trituración (3.3) un sistema de chancado puede estar

compuesto por una o más chancadoras donde el flujo del material puede ser en serie o

retroalimentado.

Existen diferentes tipos de chancadoras disponibles en el mercado, los cuales son:

• Chancador de Mandíbula

• Chancador Giratorio

• Chancador Cónico

• Chancador de Rodillos

• Chancador de Impacto

• Chancador de Martillos

Además existen diferentes subtipos de chancadoras como por ejemplo la chancadora de

mandíbula Blake, Dodge y Universal.

Todas las chancadoras existentes cumplen la misma función la cual es disminuir el tamaño

del mineral, pero sin embargo existen diferencias en eficiencia entre ellas, lo cual depende

del mineral, tamaño de las rocas y flujo de producción.

El tamaño de una chancadora se designa indicando las dimensiones de la abertura de

alimentación (gap) y el ancho de la boca de alimentación (width).

Las chancadoras más utilizadas, en industrias mineras, para el chancado primario son la

chancadora de mandíbulas y la chancadora giratoria. Las chancadoras giratorias

generalmente se usan donde se requieren elevada capacidad, ya que ellas trituran en un

ciclo completo, y son más eficientes que las chancadoras de mandíbula. En cambio, las

chancadoras de mandíbulas se usan donde la abertura de la boca de alimentación es más

importante que la capacidad para poder triturar partículas grandes. Una relación

frecuentemente usada en el diseño de plantas, es la planteada por Taggart [13]:

“�� )*� < 161.7 /�0�1231� − 5�67 entonces utilizar una chancadora de mandíbula,

caso contrario utilizar chancadora giratoria”.

30

Nota: TPH=Toneladas por hora

En el chancado secundario, las chancadoras más típicas en la industria minera son la

chancadora cónica Symond Standard y trituradora de martillo.

En la siguiente figura se muestra un esquema de chancado primario (chancador de

mandíbula) y secundario (chancador de martillos fijos), en donde el flujo del mineral esta

en serie [14].

Figura 10.1

Circuito Chancado primario y secundario

A continuación se analizara el principio de operación de dos chancadoras, el chancador de

mandíbula el cual es muy común en chancado primario y el chancador cónico el cual es

utilizado en chancado secundario. Estos corresponden a las chancadoras más comunes de

la industria minera.

31

10.1.1 Chancador de Mandíbulas

Principio de Operación

Consta de dos placas de hierro instaladas de tal manera que una de ellas se mantiene fija y

la otra tiene un movimiento de vaivén de acercamiento y alejamiento a la placa fija,

durante el cual se logra fragmentar el material que entra al espacio comprendido entre las

dos placas (cámara de trituración).

Figura 10.1.1.1

Corte esquemático de una chancadora de mandíbulas tipo Blake

En la figura 10.1.1.2 se muestran las partes más importantes de la chancadora de mandíbula tipo Blake El movimiento de vaivén de la mandíbula móvil es accionado por el movimiento vertical (ascendente y descendente) de una biela (pitman) la que está articulada a un eje excéntrico por su parte superior y a dos riostras por la parte inferior, estando la riostra trasera articulada a un punto de apoyo ubicado en la parte trasera de la máquina y la riostra delantera articulada a la parte inferior de la mandíbula móvil, en estas condiciones, esta última pieza tiene un recorrido (amplitud de golpe) desde un punto de máxima abertura de descarga (open side setting) hasta un punto de mínima abertura de descarga (close setting).

32

Nota: Riostra es una pieza que se coloca atravesada en un armazón para que no ceda hacia los lados.

Figura 10.1.1.2

Partes de una chancadora de mandibula blake de doble efecto

Estas máquinas trabajan en condiciones extremadamente duras y por tanto son de construcción robusta. El marco o bastidor principal está hecho de hierro fundido o acero, las chancadoras grandes, pueden estar construidas en partes y unidas a través de pernos. Las mandíbulas están hechas de acero fundido y están recubiertos por placas (forros o soleras), reemplazables de acero al manganeso u otras aleaciones, fijadas a las mandíbulas través de pernos. La superficie de estos forros puede ser lisa, corrugada o acanalada longitudinalmente, esta última es bastante utilizada para tratar materiales duros. Las otras paredes internas de la cámara de trituración también pueden estar revestidas de forros de acero al manganeso, para evitar el desgaste de ellas. El ángulo formado entre las mandíbulas, normalmente es menor a 26°, a objeto de aprisionar a las partículas y no dejar que estas resbalen a la parte superior. Este accionamiento suele usar un volante pesado para tener un movimiento más suave en la mandíbula móvil.

33

Dimensionamiento

Muchos investigadores han realizado han realizado sus propios modelos matemáticos que determinan la capacidad y potencia de una chancadora de mandíbula, entre ellos se puede mencionar a:

• A.J. Lynch

• E.A. Hersam

• A.M. Gaudin

• A.J. Taggart

• H.E. Rose and J.E. English A continuación se presentan las ecuaciones empíricas determinadas por Rose y English [15].

Capacidad de la chancadora de mandíbula

La expresión general de la capacidad de la chancadora está dada por: 8 = 9(:, �, �<�= , �<�>, �? , @, AB) (1) Dónde:

8: Capacidad. :: Ancho. �: Largo (o profundidad de las mandíbulas). �<�=: Largo de partícula máximo en la salida. �<�>: Largo de partícula mínimo en la salida. �?: Largo del recorrido. @: Frecuencia (rpm). B: Constante relacionada con características de la máquina. A: Angulo del martillo.

En su estudio ellos determinaron que la capacidad máxima de la chancadora estaba dada por:

8<�= = 2820:�?!.F(2�<�> + �?) G HHI J!.F KL9(*M)9(N)�O (2)

34

Donde �: Razón de reducción de la máquina. KL: Densidad del mineral. 9(*M): Distribución que relaciona el tamaño del mineral. 9(N): Función de incremento de material debido al cambio de tamaño en las

muelas. �O: Parámetro relacionado con la superficie de las muelas.

Consumo de Potencia

Rose y English encontraron una expresión empírica para la determinación de la potencia consumida en función del índice de trabajo de Bond’s (P�). Existen varias formas de evaluar el índice de Bond’s [16], ellos en particular consideraron el tamaño máximo del mineral de alimentación y el tamaño máximo en la descarga de la chancadora [15]. Ellos tomaron una gran base de datos y encontraron el tamaño del 80% de las partículas más grandes que ingresaban a la chancadora �#!y más grande que salían de ella *#!. Así encontraron que �#! correspondía a 0.7 veces el tamaño más grande que ingresaba a la chancadora y el tamaño más grande por integridad de la maquina debía ser 0.9 veces el tamaño de la abertura de la alimentación. Así �#! fue determinado como: �#! = 0.9 ∗ 0.7S ∗ 10T = 6.3U10TS V�W1X@Y (3) Donde G es la abertura de alimentación en metros. Además establecieron que el tamaño máximo en la salida se producía para la máxima abertura. *#! = 0.7(�<�> + �?)10T = 7.0U10F(�<�> + �?) V�W1X@Y (4) Donde �<�> Z �? están en metros Luego habiendo estimado el valor de *#! y �#! expresaron la potenciar requerida en términos del índice de trabajo de Bond’s.

35

*X:�1 = P�810 [ \]̂ _ −

\�̂ _` [kW] (5)

Donde 8 corresponde a la capacidad en t/h Luego reemplazando la ecuación (3) y (4) en la ecuación (5) y simplificando se tiene:

* = 0.01195P�8 [√cI .!Fd\(efgh�ei)√c\(efgh�ei) ` jkPℎ/2n (6)

Dónde: 8: Capacidad de la chancadora. P�: Es el índice de trabajo (kWh / t), expresa la resistencia del material a triturar.

G: Abertura de alimentación.

Luego dado a que se requiere conocer la potencia máxima que consumirá la chancadora para dimensionar el motor, se debe reemplazar la ecuación (2) en la ecuación (6), así se obtiene que la potencia máxima, aproximada, demandada por la chancadora:

*<�= = 67.4:P��?!.F G�<�> + ei J G H

HI J!.F KL [√cI .!Fd\(efgh�ei)√c\(efghIei) ` 9(*M)9(N)�O (7)

Motor y Control

La energía para triturar el material depende netamente del tipo de material y calidad, por lo tanto tener algún tipo de control de velocidad sirve para aumentar la potencia de trituración para cuando sea necesario y para mantener el rendimiento constante del material triturado. Usualmente muchas trituradoras se encuentran en zonas remotas, donde las líneas de transmisión son largas y las redes son débiles, con este tipo de red es muy importante evitar las altas corrientes de partidas de un motor de inducción, por lo cual se recomienda siempre utilizar conversores dc para poder tener partidas suaves, para así disminuir los efectos de regulación de tensión, disminuir los costos de mantenimiento y vida útil del motor y sistema reductor, mejorar el factor de potencia, precisión en la velocidad y regulación de torque dinámico debido al control directo de torque para el caso de conversores ABB, permite el uso de motores de inducción de corriente alterna totalmente cerrados diseñados para entornos difíciles, es decir, polvo y vibraciones [14].

36

10.1.2 Chancador Cónico

Principio de Operación

La chancadora de cono es una chancadora giratoria modificada. La principal diferencia es el diseño aplanado de la cámara de chancado para dar alta capacidad y alta razón de reducción del material. El objetivo es retener el material por más tiempo en la cámara de chancado para realizar mayor reducción de este en su paso por la máquina. El eje vertical de la chancadora de cono es más corto y no está suspendido como en la giratoria sino que es soportado en un soporte universal bajo la cabeza giratoria o cono. Puesto que no se requiere una boca tan grande, el casco chancador se abre hacia abajo lo cual permite el hinchamiento del mineral a medida que se reduce de tamaño proporcionando un área seccional creciente hacia el extremo de descarga. Por consiguiente, la chancadora de cono es un excelente chancador libre.

Figura 10.1.2.1

Corte esquematico chancador de cono

Las principales partes de un chancador cónico se muestran en la figura 10.1.2.2

37

Figura 10.1.2.2

Partes principales de un chancador cónico

Dónde:

A: Cuerpo Superior. B: Cuerpo Principal. C: Muñón de Asiento (Head Center). D: Forro Móvil (Mantle). E: Forro Fijo (Bowl liner). F: Eje Principal (Main Shaft). G: Polea Conducida. H: Chumacera de Contra-eje. I: Corona Cónica. J: Piñón de ataque cónico. K: Zona de lubricación.

38

Dimensionamiento

Capacidad de la Chancadora

El método de Rose y English para determinar la capacidad de la chancadora de mandíbula,

también es aplicable a la chancadora giratoria y cónica. La ecuación (8) es para determinar

la capacidad Q de una trituradora cónica [17].

8 = ogpqr\efstIefgh(efst�efgh)uv w

wxy 26ℎ (8)

Dónde:

P�: Índice de trabajo de Bond’s z: Diámetro del tazón (del cóncavo) �<�=: Distancia máxima entre el cóncavo y el borde inferior del manto. �<�>: Distancia mínima entre el cóncavo y el borde inferior (conjunto cerrado). �: Razón de reducción. B: Factor estadístico.

Nota: Para materiales blandos, como el carbón y el coque, K = 0,5 para materiales más

duros, como el cuarzo y granito, K = 1

Consumo de Potencia

Luego de determinar los valores de *#!Z �#! se puede reemplazar la ecuación (8) en la ecuación

(5) del mismo modo como se hizo en la chancadora de mandíbula y se obtiene la potencia

consumida aproximada por la chancadora.

Motz sugirió que cuando no se conoce el índice de trabajo se puede conseguir de una forma

aproximada de la siguiente manera [17].

P� = !.!d#F (�{�|}� ~� �<��|O�� <�~�� j�/<n)qr (9)

39

Así la potencia queda:

* = [0.485 (�1�. �V6W2. V���X )KL `

����P�zKL\�<�= − �<�>(�<�= + �<�>)B

2v �� − 1 ���� � 1

\*#!− 1

\�#!� (10)

Motor y Control

En este accionamiento es esencial la presencia de algún conversor CA para controlar la

velocidad del MI. Con el control de velocidad se puede controlar el tamaño de las

partículas en la salida del chancador y por lo tanto se puede optimizar el consumo

energético, pues tener una velocidad constante daría como resultado partículas de

tamaño muy grande o muy pequeño. Si las partículas son demasiado pequeñas mucha

energía se utilizaría en la trituración y si las partículas son muy grandes se necesitaría un

chancador terciario. [14]

Poseer un conversor CA dará la posibilidad de giro inverso, lo cual puede llegar a ser muy

útil en caso de que el chancador se tranque, además de esto utilizar conversores tiene

todas las demás ventajas mencionadas en el chancador de mandíbula.

40

10.2 Molino Semiautogeno (SAG)

Principio de Operación

Un molino semiautógeno (SAG) es un equipo creado para conminuir material mediante

impacto. Es utilizado en operaciones mineras con gran flujo másico (hasta 130.000 [tpd]

en Minera Escondida) y grandes potencias de accionamiento (hasta 21[MW] en Compañía

Minera Doña Inés de Collahuasi). La molienda de los minerales es debida a los impactos

producidos entre los mismos minerales y bolas de acerero que posee el molino. Estas

bolas de acero, comúnmente de 5 pulgadas de diámetro, aportan a la trituración del

material y a la eficiencia global del equipo. En el proceso de molienda SAG, el material

centrifuga y es elevado por las pare des internas del molino mediante elementos

levantadores en rotación (lifters), hasta el punto en que la gravedad lo despega y impulsa

en una caída parabólica, produciendo así una ola continua que impacta con el mineral en

la zona inferior del molino. El golpe conjunto de las bolas de acero y el mismo material

aledaño, disminuyen continuamente el tamaño de las rocas, hasta el momento de su

expulsión a través de las parrillas adosadas a la tapa de descarga. La necesidad de generar

una caída libre suficiente, para una correcta molienda, determina el gran diámetro del

equipo, actualmente 40 pies. El porcentaje de capacidad utilizado por bolas de acero es de

un 12% aproximadamente, menor al 35% que normalmente es utilizado en molinos de

bolas [18].

Figura 10.2.1

Molino SAG

41

Las dos topologías existentes en molinos SAG de bolas son, la de doble piñón y la Gearless.

En la figura 10.2.2 se muestra el corte esquemático de un molino de doble piñón y en la

figura 10.2.3 se muestra un Gearless.

Figura 10.2.2 Molino SAG de bolas de doble piñon.

Figura 10.2.3

Molino SAG de bolas, tipo Gearless.

42

Dimensionamiento

Demanda de Potencia

No existe en la actualidad una fórmula teórica que permita el cálculo exacto de la potencia

demandada por un molino semiautógeno en función de sus variables de operación y

geometría interna. Sin embargo, haciendo uso de la mecánica de un sólido en rotación, es

posible desarrollar una expresión que entregue un valor aproximado. A continuación se

presenta el esquema de rotación de un molino [13].

Figura 10.2.4

Esquema de rotacion de un molino

A partir de la figura anterior se puede escribir el torque como:

� = �� ∗ W ∗ Y�@� (11)

Dónde:

�: Torque que debe proporcionar el motor (N*m). ��: Peso total de la carga (mineral, bolas y agua) (N). W: Distancia entre el centro del molino y el centro de gravedad de la carga (m). �: Ángulo de levantamiento de la carga (sexagesimales).

Además se tiene que la potencia neta en el cilindro del molino es:

* = � ∗ � (12)

43

Dónde:

*: Potencia neta consumida (kw) �: Torque que el motor debe ejercer para elevar la carga (N*m) �: Velocidad angular con que gira el molino (RPM)

El uso de la ecuación (12) requiere que se cumplan las siguientes condiciones:

• Que la carga no resbale sobre el manto del cilindro, esto puede darse en caso de

tener un revestimiento liso o a bajas velocidades de rotación.

• Que la superficie libre de la carga permanezca aproximadamente plana durante la

rotación.

• Que no exista transferencia de momentum entre la fracción de la carga en caída

libre y el molino.

• Que la carga tenga una distribución homogénea en el volumen que ocupa, para

ello debe hacerse una correcta selección de la carga.

Luego haciendo consideraciones geométricas y considerando sólo la parte cilíndrica del

molino, se obtiene que:

Wz =

(2)3 Y�@� GA2JA − Y�@A (13)

Por otra parte, el nivel de llenado del molino en movimiento �~ se puede escribir como

[13]:

�~ = A − Y�@A2� (14)

A través de estas ecuaciones se puede ver que es posible relacionar �~ con Op a través del

ángulo A.

Como las expresiones involucradas son funciones geométricas difíciles de despejar

algebraicamente, es preferible establecer una correlación numérica entre Op y �~. Si se

efectúa una correlación lineal en el rango 0.30 a 0.50 se obtiene:

Wz = 0.4339 − 0.4447�~ (15)

44

Esta ecuación tiene un coeficiente de correlación 1 = 0.99977. Debe notarse que el

valor de �~ que debe usarse en el cálculo anterior debe corresponder al nivel de llenado

que ocupa la carga cuando el molino se encuentra en movimiento.

Por simplicidad interesa referir la expresión de potencia al nivel de llenado que ocupa la

carga cuando el molino esta en reposo �� por lo que se puede definir que:

�~ = � ∗ �� (16)

Donde � vendría a ser:

� = 1 − �H1 − �~ (17)

Donde �H y �~ son proporcionalidades de la carga en reposo y en movimiento; es decir,

son los volúmenes de intersticios en la carga expresados como fracción del volumen

aparente ocupado por ella cuando el molino está en reposo y en movimiento

respectivamente.

Por otro lado la velocidad angular puede ser expresada en función de las revoluciones por

unidad de tiempo, �, en la siguiente forma:

� = 2�� (18)

Reemplazando las ecuaciones (11), (13), (14), (15), (16), (17) y (18) en la ecuación (12) se

obtiene:

* = ��5 �2 � �1 + z

3� 2�@�� z��(� ∗ �� + � ∗ ��)(� − 0 ∗ � ∗ ��)Y�@� (19)

Dónde:

*: Potencia consumida por el molino (kw) 5: Gravedad ( 9.81 m/sˆ2) �: Velocidad de rotación del molino (RPM) z: Diámetro del Molino (mm) �: Longitud del Molino (mm) �: Ángulo de las tapas, suele ser un valor de diseño �: Constante que se calcula mediante la ecuación (20) ��: Nivel de llenado del molino (%) (22) �: Constante que se calcula mediante la ecuación (21) ��: Fracción del volumen ocupado por las bolas (%) �: Valor obtenido de la regresión lineal en la ecuación (15) 0: Valor obtenido de la regresión lineal en la ecuación (15)

45

�: Coeficiente de esponjamiento, se calcula con la ecuación (17) �: Ángulo de Levantamiento de la carga (sexagesimales) � = �< + �O���� (20)

� = �� − �< (21) �� = �< + �� (22) Dónde: ��Z �<: Densidad apararente de la bola y el mineral (kg/mˆ3). �O: Porosidad de la carga (adimensional). ��: Densidad de la pulpa en el molino (mineral fino más el agua) (kg/m 3).

�<: Fracción del volumen interno del molino ocupado por el mineral grueso. ��: Fracción del volumen interno del molino ocupado por las bolas.

Motor y control

Los motores utilizados en los molinos SAG dependen del tipo y velocidad de operación,

para el caso de un molino tipo Gearless el motor que acciona el tambor suelen ser

motores sincrónicos de doble devanado de estator, y por lo general poseen 56 polos en el

rotor, para el control de velocidad y torque se utilizan cicloconversores y control vectorial.

Debido a las grandes potencias que manejan estos molinos (hasta 24MW en

Latinoamérica) deben poseer filtros pasivos, se suelen utilizar 3 filtros, uno sintonizado

para la armónica onceava, uno para la treceava y uno pasa alto, aunque esto depende del

número de pulso que posee el cicloconversor [19].

En la siguiente figura se muestra el esquema de control utilizado.

46

Figura 10.2.5

Esquema de control vectorial de el motor sincronico

En el caso de un molino SAG de doble piñón, los motores que se utilizan son motores

sincrónicos o motores de inducción jaula ardilla, lo cual depende de la velocidad de

operación del molino [20].

En la siguiente figura se muestra un esquema de molino de doble piñon para alta

velocidad y baja velocidad.

Figura 10.2.6

Molino de doble piñon alta velocidad con caja reductora y baja velocidad sin caja reductora

47

En la figura 10.2.7 se muestra un esquema simplificado de la alimentación de los molinos

mostrados en la figura anterior.

Figura 10.2.7

Esquema simplificado de molino de doble piñon para alta velocidad y baja velocidad

Para la operación a baja velocidad se suelen usar 2 motores de inducción idénticos sin caja

reductora, los cuales poseen un número elevado de polos (aprox 36). Estos motores

operan como maestro-esclavo, los cuales son capaces de ejercer un torque de partida alto

de modo que no se necesita embragues de aire en la partida, normalmente solo se utiliza

un limitador de par, ya que en el caso hipotético de tener un cortocircuito de dos fases de

ambos motores al mismo tiempo podría dar lugar a torques opuestos muy altos, lo cual

podría sacar al molino de su anclaje.

Una tecnología muy utilizada son los convertidores ACS6000 de ABB (o similares de otras

empresas), los cuales tienen la capacidad de detectar cargas congeladas, la cual es

controlada para que no caiga de golpe en la partida del molino y no dañe la estructura

interna o externa del él. Además de detectar la carga congelada da la posibilidad de

removerla mediante pulsos de torque los cuales lo hace cuando el molino se encuentra en

movimiento antes del ángulo crítico y con torques positivos, de modo que siempre se

48

encuentra operando en el primer cuadrante lo cual asegura el permanente contacto entre

el piñón corona y no daña el sistema de transmisión [21].

49

10.3 Horno Rotatorio

Principio de Operación

El horno es un recipiente cilíndrico, ligeramente inclinado respecto a la horizontal, que

gira lentamente sobre su eje. El material a procesar se introduce en el extremo superior

del cilindro. A medida que el horno gira, el material se mueve gradualmente hacia el

extremo inferior, y puede experimentar un cierto grado de agitación y mezcla. Los gases

calientes pasan por el horno, a veces en la misma dirección que el material del proceso

(co-corriente), pero por lo general en la dirección opuesta (hacia la actual). Los gases

calientes se pueden generar en un horno externo, o puede ser generada por una llama

dentro del horno. Esta llama se proyecta desde un quemador de la tubería (o "tubo de

tiro" "), que actúa como un quemador Bunsen grandes. El combustible para esto puede

ser de gas, petróleo o carbón pulverizado.

Los componentes básicos de un horno rotatorio son la cáscara, el revestimiento

refractario, neumáticos y rodillos de apoyo, equipo de la unidad e intercambiadores de

calor interno.

En la siguiente figura se muestra un esquema del sistema de accionamiento usado

comúnmente en un horno.

Figura 10.3.1

Accionamiento del horno giratorio [22].

50

Dimensionamiento

La potencia P absorbida por el accionamiento del horno rotatorio es la suma de las

potencias necesarias para vencer los diferentes elementos resistentes:

-La carga a poner en movimiento * .

- Las fuerzas de rozamiento entre los rodillos de apoyo y el palier *.

- Las fuerzas ligadas al contacto entre los rodillos de apoyo y los aros de

rodadura *�.

Como se puede observar el cálculo se basa en dos componentes: Las fuerzas para vencer

el rozamiento y la fuerza para sostener el movimiento de la carga.

Se tiene pues: * = * + * + *�

Una aproximación teórica permite evaluar las potencias anteriores, con las fórmulas que

se van a dar a continuación [23].

En general, * representa el 85 % de la potencia total y viene dada por:

* = 86.4(zY�@(�))�@W�

Dónde:

�: Largo del tubo. z: Diámetro del tubo. �: Semiángulo de talud del material visto desde el centro del horno. @: Velocidad de rotación (rpm) W: Coeficiente cuyo valor es función del ángulo de talud natural

Las potencias *y *� son la suma de las potencias parciales calculadas para cada apoyo.

* = 0.58U10Id 8�WXY�z�|z�z| @9

*� = 5.7U10I# 8�WXY�

z�| + z�z| @

51

Dónde: 8�: Peso del horno rotatorio correspondiente a cada apoyo.

�: Angulo definido en la figura 10.3.2 (en general es 30°). z�|: Diámetro del aro de rodadura (m). z|: Diámetro del rodillo soporte (m). z�: Diámetro del palier (m).

9: Coeficiente de rozamiento cuyo valor depende del tipo de palier.

Así la potencia absorbida por el accionamiento queda dada por:

* = 86.4(zY�@(�))�@W� + 0.58U10Id 8�WXY�z�|z�z| @9 + 5.7U10I# 8�WXY�

z�| + z�z| @

Luego para determinar la potencia del motor se debe seleccionar un valor porcentaje de

seguridad para la regulación de tensión y considerar el valor de la eficiencia del motor, lo

cual queda a criterio.

52

Referencias

[1]: B. Norambuena, “Optimización Energética en los Secadores de Escoria de Cementos Bío-Bío

S.A.C.I, Planta Talcahuano”, Memoria de título, Universidad del Bío-Bío, Concepción, Chile, 2007.

[2]: “Productos y servicios, cemento”, CEMEX S.A.B. de C.V. [Online]. Disponible:

http://www.cemex.com/ES/ProductosServicios/Cemento.aspx

[3]: “Cementos, Fabricación y Clasificación”, Cementos Bio-Bio S.A.C.I.

[4]: H. Acevedo, R. Guerra, “Factibilidad técnica y económica de la explotación de un yacimiento

de Caliza en la Región Metropolitana”, Universidad de Chile, Santiago, Chile, 2005.

[5]: “Video de Perforación y Tronadura en Minera Subterránea.”. [Online]: Disponible:

https://www.youtube.com/watch?v=H6SCH54c0Rw

[6]: B & CA Bordoli & Consultores Asociados E.I.R.L “Proyecto Aumento de Capacidad de

Producción Mina El Way”, Antofagasta, Chile, 2011.

[7]: Estudio Ingeniería Ambiental EIA S.A “Informe Ambiental, Resumen”, Cementos del Plata S.A,

Montevideo, Uruguay, 2012.

[8]: “Como hacemos Cemento”, CEMEX S.A.B de C.V. [Online]. Disponible:

http://www.cemex.com/ES/ProductosServicios/ComoHacemosCemento.aspx

[9]: “Balance Ajustado de Materiales en Circuitos de Chancado/Zarandeo”, PROCMIN S.A,

Arequipa, Perú. [Online]. Disponible: http://www.procmin.edu.pe/content/balance-ajustado-de-

materiales-en-circuitos-de-chancadozarandeo-nivel-experto

[10]: “Técnica de prehomogeneización y almacenamiento”, Polysius, ThyssenKrupp Technologies,

German.

[11]: “Proceso de Fabricación del Cemento”, Instituto Español del Cemento y sus Aplicaciones.

[Online], Disponible: http://ieca.es/reportajeT.asp?id_rep=6

[12]: J. Flores, Seminario “Composición química del cemento”, Universidad Nacional de Cajamarca,

Cajamarca, Perú, 2007.

[13]: “Guía de Asistencia Técnica de E.E en Sistemas de Tratamiento de Materiales”, Ministerio de

Energía, Gobierno de Chile, Chile, 2010.

[14]: “AC drives prolong crusher lifetime and optimize electricity use”, Application Notes ABB,

2010.

[15]: “Chapter 4, Jaw Crusher” N/N.

53

[16]: “Métodos de Evaluación del índice de Trabajo de Bond’s”, [Online], Disponible:

http://procesaminerales.blogspot.com/2012/06/determinacion-del-work-index-2.html

[17]: “Chapter 5, Gyratory and Cone Crusher” N/N

[18]: W. Tejada, “Analisis Dinamico de Molino SAG” , Universidad de Chile, Santiago, Chile 2010.

[19]: “Aplicaciones industriales de convertidores estáticos”, Molienda SAG-AIEC, 2010.

[20]: “Sophisticated ring-geared mill drives from ABB”, Driving value ABB, 2011.

[21]: “Overview on the Grinding Mills and their Dual Pinion Mill Drivers”, Copper Mountain, ABB

Switzerland Ltd.

[22]: “Video de Principio de Operación y accionamiento principal de un horno giratorio”. [Online].

Disponible: http://www.youtube.com/watch?v=n0xL2BzdpYk

[23] F. Blancos, “Cementos y hornos rotatorios”, Apuntes de clases, Universidad de Oviedo.