carga circulante molienda de cemento

7/30/2019 Carga Circulante Molienda de Cemento

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Memoria del XVI Congreso Internacional de Metalurgia Extractiva Abril 26-28 de 2006Dr. Manuel Mndez Nonell, in Memoriam Saltillo, Coah., Mxico

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EFECTO DE LA CARGA CIRCULANTE DE MOLIENDA DE CEMENTOS EN LOSPARMETROS DEL MODELO MATEMTICO

J. L. Reyes Bahena1, O. Gen2 y J. Navarro1

1Facultad de Ingeniera/Instituto de Metalurgia, Universidad, Autnoma de San Luis Potos

Av. Sierra Leona 550, Lomas 2 SeccinSan Luis Potos, S.L.P., Mxico 782102Department of Mining Engineering, Hacettepe University

Beytepe, Ankara, Turkey [email protected]

RESUMEN

El cemento es un material bsico para la construccin y la ingeniera civil. El consumo y la

produccin de cemento estn ligados directamente al incremento poblacional en nuestro pas.La produccin de cemento en Mxico alcanz en el ao 2004 las 35 millones de toneladas,aproximadamente el 2.0 % de la produccin mundial; y la demanda del producto sigue enaumento. Sin embargo, la fabricacin de cemento es una actividad industrial intensiva enenerga; energa trmica para la coccin de las materias primas; y energa elctrica para lasoperaciones de molienda, manipulacin de materiales e impulsin de gases. El consumo totalde energa elctrica vara entre 90 y 130 kWh/ton de cemento, de los cuales aproximadamenteel 30% (27 a 39 kWh/ton) de esta energa es usado para la preparacin del material crudo ycerca del 40% (36 a 52 kWh/ton) para la produccin final del cemento por la molienda delclnker de cemento. De ah la importancia de aplicar la modelacin y simulacin matemticapara optimizar el proceso de molienda de cemento y reducir el consumo de energa.

En el presente estudio, se llev a cabo el anlisis de datos de muestreo de planta los cualesmuestran una clara relacin entre los parmetros del modelo matemtico y la carga circulantedel circuito de molienda y clasificacin del cemento. El aumento de la carga circulante mejorael proceso de clasificacin de partculas. Sin embargo, el aumento de la carga circulantefavorece la velocidad de rompimiento de las partculas finas (< 0.015 mm) comparada con laspartculas gruesas (> 1.0 mm). Es decir, la mayor parte de la energa disponible para lareduccin de tamaos se utiliza en la sobre molienda de partculas finas ms que en lareduccin de las partculas gruesas.

INTRODUCCIN

El cemento es un material bsico para la construccin y la ingeniera civil. El consumo y laproduccin de cemento estn ligados directamente a la actividad constructiva (pblica yprivada) en cada momento, y por lo tanto sigue una evolucin muy pareja a la situacineconmica en general. La produccin de cemento a nivel nacional alcanz en el ao 2004 las35 millones de toneladas, aproximadamente el 2.0 % de la produccin mundial; y la demanda


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del producto sigue en aumento tal y como se presenta en la Figura 1. Esta figura muestra laevolucin que ha tenido la produccin del cemento en Mxico en el periodo 1990-2004.

Produccin = 0.373 x (Habitantes) - 5.8185

R2 = 0.7518

0

5

10

15

20

25

30

35

40

75 80 85 90 95 100 105 110

Poblacin (Millones de Habitantes)

ProduccindeCement

o

(MillonesdeToneladas

)

Figura 1.- Relacin de la produccin nacional de cemento en funcin del nmero de habitantesen el periodo 1990 al 2004 (Datos obtenidos de la CANACEM).

El total del cemento producido en Mxico se debe a la participacin de seis empresas en untotal de 30 plantas distribuidas en todo el territorio nacional, las cuales son: Cemex (15plantas), Holcim Apasco (6 plantas), Grupo Cementos de Chihuahua (3 plantas), CooperativaLa Cruz Azul (3 plantas), Cementos Moctezuma (2 plantas) y Lafarge Cementos (1 planta).

La fabricacin de cemento es una actividad industrial de procesado de minerales, la cual se

representa esquemticamente en la Figura 2. En el proceso de fabricacin de cemento puedendiferenciarse tres etapas bsicas:

a) Obtencin y preparacin de materias primas provenientes de las canteras (caliza,arcilla, etc.) que son finamente molidas para obtener el crudo.

b) Coccin del crudo en un horno rotatorio hasta temperaturas de 1450 C para laobtencin de un producto semielaborado denominado clnker de cemento.

c) Molienda conjunta del clnker con otros componentes (cenizas volantes, escoria,puzolana, yeso) para obtener el cemento.

Existe una gran variedad de tipos de cementos, los cuales estn en funcin de lascaractersticas de los agregados y de la finura del producto. De acuerdo a su composicin,estos pueden ser: cemento Prtland ordinario (CPO), cemento Prtland puzolnico (CPP),

cemento Prtland con escoria granulada de alto horno (TPEG), cemento Prtland compuesto(CPC), cemento Prtland con humo de slice (CPS), y cemento con escoria granulada de altohorno (CEG). De acuerdo a su resistencia mnima mecnica a la compresin a 28 das, estospueden ser clasificados como 20, 30 y 40 N/mm2.


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Trituracin

Pre-homogenizacin

Canteras

Molienda del Crudo

Harina CrudaPre-calentado

Horno

Clnker

Molienda de Cemento

Cemento

Agregados

Aditivos

Trituracin

Pre-homogenizacin

Canteras

Molienda del Crudo

Harina CrudaPre-calentado

Horno

Clnker

Molienda de Cemento

Cemento

Agregados

Aditivos

Figura 2.- Proceso de fabricacin del cemento.

La fabricacin de cemento es una actividad industrial intensiva en energa; energa trmicapara la coccin de las materias primas; y energa elctrica para las operaciones de molienda,manipulacin de materiales e impulsin de gases (Figura 2). El consumo total de energa varaentre 90 y 130 kWh/ton de cemento, cifra que depende de tres factores:

La facilidad de molturacin de los materiales, relacionado bsicamente con suestructura mineralgica. En el caso del cemento blanco por tratarse de estructurasnormalmente de mayor dureza, podra llevar a valores por encima del rangomencionado.

La eficiencia energtica de los equipos de molienda. La finura del material molido, especialmente en la fabricacin de cementos de

diferentes categoras resistentes.

Aproximadamente el 30% (27 a 39 kWh/ton) de esta energa es usado para la preparacin delmaterial crudo y cerca del 40% (36 a 52 kWh/ton) para la produccin final del cemento por lamolienda del clnker de cemento.

Actualmente, un grupo de investigacin de la Facultad de Ingeniera y el Instituto deMetalurgia, UASLP, ha estado trabajando en la modelacin y simulacin matemtica de loscircuitos de molienda de cementos. El objetivo de este grupo de investigadores es aplicar lastecnologas de modelacin y simulacin desarrolladas exitosamente en el procesamiento deminerales para el desarrollo de modelos matemticos de los circuitos de molienda en la

industria del cemento. Hasta el momento, las tcnicas de modelacin y simulacin en laindustria del cemento son vistas ms comnmente como un arte y no como tecnologastiles para la optimizacin del proceso de reduccin de tamaos. El desarrollo de estosmodelos esta basado en las caractersticas del mineral y de una extensa coleccin de datos deoperaciones industriales. En este articulo, la modelacin matemtica es aplicada como parte dela metodologa desarrollada en la evaluacin de los circuitos de molienda del cemento.


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Molienda del cemento

Debido a la variedad de tipos de cemento requeridos por el mercado, predominan los sistemasde molienda de ltima generacin equipados con separador dinmico de aire. Los sistemas demolienda ms empleados son:

- molino de bolas en circuito cerrado (el porcentaje de adiciones es bastante limitado, sino son secas o presecadas).- molino vertical de rodillos (mejor adaptado para porcentajes de adicin 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 mecnico de aire o separador de aire

de ciclones de antiguas generaciones.- molino horizontal de rodillos.

Uno de los sistemas que ms se han estudiado en los circuitos de molienda en seco,contemplan el uso de molinos de bolas de dos compartimentos, conocidos tambin comomolinos tubulares, y los separadores de aire. El avance de la tecnologa sobre la molienda decementos es lento y estos avances estn limitados principalmente a los pases de mayordesarrollo. La alimentacin al circuito de molienda del cemento es aproximadamente 95%clnker y el resto son agregados, los cuales incluyen aditivos de molienda. La calidad delcemento es medida por el rea superficial de las partculas de cemento, conocido como elndice de Blaine (m2/kg), el cual es determinado por pruebas de permeabilidad de aire.

La reduccin de tamaos se lleva a cabo en un molino de bolas de dos compartimentos. Elprimer compartimiento es mucho ms corto que el segundo. El material de clnker ms gruesoes molino en el primer compartimiento donde se utiliza un tamao de bolas ms grande (80,60, 50 mm). La molienda fina se lleva a cabo en el segundo compartimiento donde bolaspequeas son usadas (30, 25, 20 mm). La separacin entre el primer y el segundocompartimiento se realiza a travs de un diafragma, el cual permite el paso nicamente deciertos tamaos de partculas al segundo compartimiento. El producto del segundocompartimiento es a travs de una rejilla de separacin para retener el medio de molienda(bolas de acero). Generalmente, los finos del cemento en la descarga del molino son separadoscon aire. El producto final es la fraccin fina del separador mientras que los gruesos sonregresados al molino.

Modelacin matemtica del circuito de molienda

En el proceso de reduccin de tamaos en seco, los modelos matemticos basados en elbalance poblacional han sido exitosamente desarrollados para quebradoras, molinos derodillos de alta presin, 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.,


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2001, 2003). Esto modelos pueden ser usados para simular los circuitos de molienda delcemento y ayudar a los ingenieros de procesos a optimizar la operacin de reduccin detamaos.

En general, la modelacin matemtica de los procesos de molienda del cemento incluyen lossiguientes modelos hasta hoy desarrollados:

Curvas TROMP del separador. Modelo de mezclado perfecto en molinos de bolas.

Caractersticas del tamao de corte del separador

El rendimiento de un separador es generalmente determinado por los cuatro siguientesparmetros:

Tamao de corte, d50 (tamao al cual la separacin del producto tiene el 50%).

Imperfeccin (50

2575

2d

ddI

), y forma (

75

25

d

d ).

Clasificacin global por corto circuito ( by-pass). Mximo by-pass.

La curva para la salida acumulada de finos puede tambin ser analizada. Esto proporciona, atravs de su mximo valor, una indicacin global de la eficiencia del separador en un circuitoy permite evaluar el impacto sobre la operacin del molino en el circuito. Tambin, la cargacirculante (CC) y la carga reciclada (CR) puede ser definida por:

finosdeflujo

nalimentacideflujoCC Ec. (1)

1finosdeflujogruesosdeflujo

CCCR Ec. (2)

La curva de eficiencia para la etapa de clasificacin es determinada por la siguiente ecuacin(Lynch, 1977):

2expexp

1exp1*

*

x

xCEoa Ec. (3)

Donde es el parmetro de eficiencia. es el parmetro para corregir el efecto de gancho.

C es el factor de recuperacin por corto circuito o by-pass, (C = 100-R f), %.x es la relacin del tamao actual de la partcula (d) sobre el tamao de corte (d50c).


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Caractersticas del rompimiento de partculas

El modelo de mezclado perfecto (Lynch, 1977) es muy similar al modelo de balancepoblacional. Este modelo es utilizado para describir el comportamiento del molino de bolas dedos compartimentos, el cual es presentado en la siguiente ecuacin:

iii

i

j

jjiji srpsraf 1 Ec. (4)

Sustituyendo el contenido del molino en la ecuacin, se tiene:

i

ii

i

i

j j

jjij

id

prp

d

praf

1

Ec. (5)

Donde fi es la velocidad de alimentacin de la fraccin i (tph),pi es el flujo del producto de la fraccin i (tph),

aij es la fraccin en masa del tamao que aparece en la fraccin i despus delrompimiento de la fraccin j,ri es la velocidad de rompimiento de la fraccin i (h

-1),si es la cantidad de tamao de partculas dentro del molino (toneladas),di es la velocidad de descarga de la fraccin i (tph).

La relacini

i

dr

puede ser calculada para cada fraccin de tamaos de un conjunto de

fracciones en la alimentacin (fi) y del producto (pi) medidos experimentalmente si la funcinde rompimiento (aij) es conocida.

Relacin entre parmetros del modelo y la carga circulante

La evaluacin del circuito de molienda de cemento es realizado a travs de un estudio sobre elefecto de la carga circulante sobre los parmetros de los modelos matemticos antes descritos.La Figura 3 presenta el efecto de la carga circulante sobre el tamao de corte (d50) delseparador de aire.

Al aumentar la carga circulante, el tamao de corte del separador disminuye. Es decir, laoperacin del separador se hace mucho ms eficiente. Este beneficio en la reduccin deltamao de corte del separador se debe principalmente al aumento del parmetro deimperfeccin (Figura 4) y la disminucin del parmetro de forma (Figura 5) del modelo de la

curva TROMP de clasificacin.


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y = -0.0746x + 43.922

R2

= 0.4889

0

5

10

15

20

25

30

35

150 200 250 300

% Carga Circulante (%CC)

Tama

odeCorte(d50)

Figura 3.- Relacin entre el d50 y la carga circulante.

y = 0.0013x + 0.0931

R2

= 0.4363

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

150 200 250 300


Imperfeccin(I)

Figura 4.- Relacin entre el parmetro de Imperfeccin y la carga circulante.

y = -0.0013x + 0.7497

R2 = 0.4109

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

150 200 250 300

% Carga Ci rculante (%CC)

Forma()

Figura 5.- Relacin entre el factor de forma y la carga circulante.


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Al incrementar la carga circulante, la diferencia entre los valores de los tamaos de partculadel 25 y 75 % pasado se hace ms grande. Esto provoca que el valor del parmetro deimperfeccin tienda a incrementarse y que el valor del parmetro de forma disminuya. Esdecir, un incremento en la carga circulante del circuito de molienda del cemento producir unadistribucin de tamaos mucho ms amplia lo cual favorece la eficiencia de separacin.

Sin embargo, el efecto negativo del incremento en la carga circulante se ve reflejado en elparmetro de clasificacin debido al corto circuito, tambin conocido como by-pass (Figura6). La cantidad de material no clasificado por la accin de las fuerzas de separacin, es la queprovoca que la carga circulante se incremente. Es de esperarse entonces, que una proporcinsignificante de material que regresa al circuito este compuesto por material fino, lo cualprovocara una remolienda de partculas finas e incrementar el consumo de energa en lamolienda.

y = 0.0006x- 0.0002

R2

= 0.2857

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

150 200 250 300


By-pass(By)

Figura 6.- Relacin entre el factor de by-pass y la carga circulante.

Para estudiar el efecto del reciclado de la fraccin de material fino al molino de bolas, seinvestigo el efecto de la funcin de rompimiento en funcin del tamao de partculas decemento a diferentes valores de carga circulante (Figura 7).

Como puede observarse en esta figura, el incremento del valor de carga circulante aumenta lavelocidad de rompimiento de partculas de 0.015 mm. Esto corrobora la sobremolienda departculas finas, las cuales demandan mayor consumo de energa.

Por otro lado, al investigar el efecto de la velocidad de rompimiento a tamaos de 1.00 mm(Figura 8), el rompimiento de estas partculas disminuye con el aumento de la carga circulante.


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y = 0.0008x - 0.1445

R2

= 0.8861

-1.0E-02

0.0E+00

1.0E-022.0E-02

3.0E-02

4.0E-02

5.0E-02

6.0E-02

150 170 190 210 230 250 270

% C arga Circulante (%CC)

R/D*(0.0

15mm)

Figura 7.- Relacin entre la carga circulante y la funcin de rompimiento (R/D*) a 0.015 mm.

y = -1.4131x + 377.03

R2

= 0.4522

0.0E+00

2.0E+01

4.0E+01

6.0E+01

8.0E+01

1.0E+02

1.2E+02

1.4E+02

1.6E+021.8E+02

2.0E+02

150 170 190 210 230 250 270

% Carga Ci rculante (%CC)

R/D*(1.0mm)

Figura 8.- Relacin entre la carga circulante y la funcin de rompimiento (R/D*) a 1.0 mm.

CONCLUSIONES

El anlisis de los datos de muestreo de planta ha mostrado que existe una clara relacin entrelos parmetros del modelo matemtico y la carga circulante del circuito de molienda yclasificacin del cemento. El aumento de la carga circulante mejora el proceso de clasificacinde partculas; sin embargo, la mayor parte de la energa disponible para la reduccin detamaos se utiliza en la sobremolienda de partculas finas (< a 0.015 mm) ms que en la

reduccin de las partculas gruesas (> a 1.0 mm).


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REFERENCIAS

Benzer H, Ergn L., Lynch A.J., ner, M., Gnl, A., elik, .B., and Aydoan, 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 airseparator grinding circuits, In: Proc. XXII International Mineral Processing Congress, eds.

Lorenze, V., and D. Bradshaw, 2003, Cape Town, South Africa.CANACEM, Cmara Nacional del Cemento, [en lnea]. Direccin URL:. [Consulta: 2 Diciembre 2005].

Lynch, A. J., Mineral crushing and grinding circuit their simulation, optimization, designand 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 industrialhydrociclones. PhD Thesis, 1978, University of Queensland (JKMRC).

Navarro, J., Reyes Bahena, J.L., Lynch, A.J., and Lpez Valdivieso, A., Modelacin delcircuito de molienda No. 6. Reporte Interno, 1998, Instituto de Metalurgia, UniversidadAutnoma de San Luis Potos.

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