Presentación Esta edición recoge los trabajos presentado por el Ing. Wilfredo Mandujano al I y III Coloquio de Química de Cemento, y la contribución de los Ingenieros Juan Prado y Pedro Oporto presentado al V Coloquio de Química del Cemento.

APLICACION DEL INDICE DE MOLTURABILIDAD DE BOND EN LA INDUSTRIA DEL CEMENTO

DEL PERU

Ing. Wilfredo Mandujano V. ARPL Tecnología Ind. S.A.

APLICACION DEL INDICE DE MOLTURABILIDAD DE BOND EN LA INDUSTRIA DEL CEMENTO DEL PERU

Resumen El objetivo del presente trabajo es la aplicación del método del Índice de Trabajo de Bond a las materiales primas y clinker en la industria del cemento del país por su utilidad en el diseño de molino de bolas y, principalmente, como método de Control y eficiencia de molinos en operaciones de plantas industriales. Se seleccionaron materiales primas, mezclas crudas diseñadas en laboratorio de ARPL y en fábrica y algunos clinkeres para evaluar sus índices de molturabilidad de Bond. A estas, además de sus análisis químicos, se les determinaron sus respectivos índices de Bond (wi). De los resultados se deducen sus rangos de variación; Crudos: 5.9-14.3; Arcillas: 9.9 -11.9 (a excepción de la muestra D); Mineral de Fierro: 7.1 - 10.1; Crudos: 7.4 -13.5 y Clinker 12.1 - 13.8. Todos estos valores son discutidos y analizados. Con algunos valores de Wi se efectuaron cálculos de eficiencia de molienda de crudo y clinker de molinos típicos usados en la industria del cemento que nos permiten visualizar mejor la utilidad del Indice de Bond como método de Control de molienda. Dichos valores son para el crudo ARPL 3: 0.98, Crudo ARPL 1: 0.76, Crudo fábrica 2: 0.82 y para Clinker: 0.90. Se comparan valores de Wi determinados en laboratorios de ARPL y los obtenidos por Allis Chalmers y Slegten, realizados en forma paralela sobre 2 muestras de crudo. Estos valores son: 13.5 de ARPL frente a 13.7 de Slegten para un crudo, 12.2 de ARPL frente a13.4 de Allis Chalmers para el otro crudo. Finalmente se da un caso sencillo y completo de determinación de Wi para diseñar un molino de bolas para la molturación de clinker, usando además los factores de correción específicos y los gráficos de diseño necesarios. Introducción La molienda de la materia prima y de clinker es uno de los procesos de vital importancia en la industria del Cemento que -junto al proceso de calcinación y cochura- representa un porcentaje apreciable en el consumo de energía. El creciente costo de la energía impulsa hoy en día a los fabricantes y técnicos de la industria cementera a optimizar los procesos y operación de equipos de una planta y, dentro de estos, optimizar el consumo de energía en el proceso de molturación. En cálculos de potencia del equipo requerida para la trituración y molienda de materiales, hoy en día se usan diversos métodos de evaluación de la molturabilidad; siendo el «índice de Trabajo de Bond» (Work lndex) el más universal, ya que los resultados obtenidos en el laboratorio habiéndose realizado con procedimientos standard y controlados, son reproducibles y exactos. El índice de trabajo de Bond se define como el parámetro de molturación el cual expresa la resistencia que ofrece el material al proceso de trituración y molienda. Numérica son los kwh por tonelada corta (907 Kg) requerida para reducir el material desde un tamaño infinito, hasta que el 80% pase por un tamiz de 100 micras y está dado por la extensión:

W=Wi 10 - 10 √P √ F

donde W Potencia requerida en kwh/Ton.corta Wi Factor que representa al índice de trabajo P y F Tamaño de la partícula del producto y la alimentación respectivamente. Los cuales 80% pasan determinando tamiz en micras. El índice de trabajo de Bond determinado en ensayos standard de laboratorio se usa generalmente para el diseño de equipos de molturación; pero también tiene gran utilidad para evaluar la eficiencia de una ó diferentes etapas de operación de trituración y molienda comparado los wi obtenidos en laboratorio con los obtenidos de datos de operación de la planta y para comparar la eficiencia de diferentes plantas procesando un mismo material. Considerando estos aspectos en los laboratorios de ARPL se desarrolló un programa de trabajo de aplicación del método del Work Index de Bond a molino de bolas a fin de:

1. Evaluar los índices de molturabilidad de Bond de clinkeres y material primas típicas usadas en la industria cementera del país.

2. Posibilitar el uso del wi de Bond no sólo como parámetro de diseño, sino también como un método de Control e Investigación de eficiencia de molinos de crudos y clinker.

3. Comparar nuestros resultados del wi con los reportados por laboratorios extranjeros de probada experiencia en la utilización de este método, realizados sobre una misma muestra.

Fundamento del método Los antecedentes de la Tercera Ley del desmenuzamiento de Bond (Método de Bond), son las teorías o leyes de reducción de tamaño de partículas dadas por Rittinger (1ra. Ley, 1867) y F. Kick (2a. Ley, 1888). La Teoría de Rittinger conocida como teoría superficial de desmenuzamiento establece que le trabajo requerido para reducir el tamaño de una partícula es directamente proporcional a la nueva superficie producida.

w= wo (S2 – S1) (1)

donde: w = trabajo consumido expresado en Kwh/Tc. S2 S1 = superficie específica del producto y alimentación Wo = una constante. La 2a. Teoría de F. Kick, es la teoría del desmenuzamiento en volumen o peso según el cual el trabajo requerido es proporcional a la reducción en volúmen de las partículas. Esta Ley puede escribirse de la siguiente forma:

w = C log X 1 (2) X2

donde

w = trabajo realizado c = una constante X1, X2 = relación de reducción de tamaño de partículas.

Walker, Lewis, Mc. Adams y Gilliland demostraron que ambas leyes están relacionadas por la ecuación diferencial:

dw = -C dx (3) xn

La solución de esta ecuación resulta cuando n>1 w= ( C ) ( 1 - 1 ) (4)

n-1 x2 n-1 x1

n-1 La 3a. Ley de Bond, establece que para el trabajo consumido para reducir un material de una dimensión teóricamente infinita D a una dimensión de convencional es igual al trabajo requerido por el producto menos requerido por la alimentación. Además, desde que el trabajo de Bond se basa en las 2 Leyes anteriores, la solución de la ecuación (3) cuando N=1.5 corresponde a la 3a. Ley de Bond. Para casos de cálculos prácticos, cuando el trabajo requerido para reducir una unidad de peso de alimentación la cual 80% pasa en determinado diámetro Ft en micras a un producto el cual pasa un diámetro determinado Pt, la 3a. Ley de Bond queda expresada:

W= 10Wi - 10Wi √Pt √ Ft

Donde wi es el Índice de trabajo ó trabajo requerido para reducir una unidad de peso desde un tamaño teóricamente infinito a un producto que pase 80% 100 micrones. El wi los calculamos experimentalmente en el laboratorio utilizando el molino de Bolas y la ecuación empírica revisada de Bond:

Wi = 44.5 .

(Pi).23 x (GBP).82 x (10/√Pt - 10/√ Ft donde:

wi = factor de corrección, Kwh/Tonelada corta Pi = es la abertura del tamiz de referencia GBP = Molturabilidad de material en el molino de bolas, gr. Netos/revoluvión, que pasa tamiz de referencia.

Estos resultados son válidos para molinos de circuito cerrado vía húmeda. Para molino de circuito cerrado vía seca debe multiplicarse por 1.333 el resultado por vía húmeda. IV. APLICACION DEL METODO

1. Aparatos y materiales

Molino de Bolas de Bond con las siguientes características: Longitud 12 pulg., Diámetro 12 pulg. com Puerta 8 pulg. x 4 pulg., de forma lisa de esquinas redondeadas, con velocidad 70 r.p.m. y régimen discontinuo. La carga de material es 700 cc x DA y la carga de bola es:

- Trituradora de mandíbula de laboratorio - Ro-Tap - Balanza 20 Kg. - Balanza Analítica - Tamices Nros. 4,6,8,16,30,50,325 - Recipiente metálico de 1,000 cc de capacidad - Cronómetro. 2. Procedimiento del Método Del material tal como se recibe, se selecciona una muestra representativa de más o menos 10 Kg., se pasa por la triturad ora con 1/4" de abertura y luego se tamiza con tamíz #6. El material que pasa este tamiz es la muestra de alimentación al molino de Bond. Se determina la densidad aparente usando un recipiente metálico de 1,000 c.c. de capacidad previamente calibrada, compactada con ligeros golpes a los costados del recipiente. Se realiza el análisis granulométrico (fig.1) para determinar el % de material que pasa el tamiz de referencia elegido, la cantidad de material a producir que pase el tamiz de modo que la carga recirculante sea el 250%, finalmente por interpolación gráfica se determina el tamiz por el cual pasa el 80% de la alimentación. Con los datos anteriores se carga al molino un peso de material que ocupe 700 c.c. y se inicia el primer período de ensayo haciendo que el molino efectúe 100 revoluciones. Se descarga todo el material, se tamiza y el material que pasa el tamiz de referencia se desecha, éste es el Gbp del 1er. período. El material de mayor diámetro que la malla de referencia se vuelva a cargar completando el peso que ocupa 700 c. c. con material fresco. Sobre la base del Gbp y los demás datos se calcula el número de revoluciones del molino del siguiente período, de modo que la carga recirculante sea 250%. Esta operación se repite tantos períodos como sea necesario hasta que el producto neto por revolución (Gbp) que pasa el tamiz de referencia sea la 1/3.5 parte de la carga total. El período final se alcanza cuando el Gbp creciente ó decreciente se hace constante ó sufre una deflexión. Por interpolación en la curva granulométrica del producto fino inferior a la malla de referencia, se obtiene Pt. Finalmente reemplazando en la ecuación de Bond el Gbp promedio de los 2 ó 3 últimos períodos, el Producto (P), la alimentación (F) y Pi, hallamos el Wi del material, como se muestra en el reporte de ensayo de Bond de ARPL adjunto.

V. RESULTADOS

REPORTE PARA DETERMINACION DEL INDICE DE BOND MUESTRA : Clinker .

(Pi) TAMIZ DE PRUEBA MATIZ DE PRUEBA : 100 M . EN MICRAS: 150 Um . (DA) DENSIDAD % CARGA APARENTE: 1.716 gr/cc . RECIRCULANTE: 250% . (P100) % QUE PASA (AT) ALIMENTACION M100 DE MUESTRA: 6.2% . TOTAL DE MUESTRA

AT= (700 cm3 x DA): 1,201.2 gr. (AN) ALIMENTACIÓN NETA QUE PASA M100 AN+ (AT x P100): 74.47 gr. . (PD) PRODUCTO DESEADO QUE PASE M100 POR PRUEBA (PD=AT/3.5) 343.27 gr. . Nº DE PERIODOS: 4 .

(GBP) MOLTURABILIDAD DEL MOLINO DE BOLAS; IGUAL AL PROMEDIO DE PNR DE LOS ULTIMOS 3 PERIODOS: 1.36 . (FT) TAMAÑO EN MICRAS QUE PASA 80% DE ALIM. NUEVA (FEED): 3,145 . (PT) TAMAÑO EN MICRAS QUE PASA 80% DE PRODUCTO FINAL FINO (PRODUCT) 112 Um .

Wi = 44.5 = 14.3 (pi).23 x (GBP).82 x (10/√Pt - 10/√ Ft)

(Hg) Índice de Molturabilidad Hardgrove:

Hg = (435) 1.0989 = 42.6 wi VI. CASO DE APLICACION DEL METODO PARA EL DISEÑO DE UN MOLINO: PARA CEMENTO Tomemos como ejemplo el cIinker cuyo Wi es 14.3. Disponemos de los siguientes datos y requisitos: a. Wi = 14.3 Kwh/Tc = 15.8 Kwh/TM: Ver la hoja reporte de ensayo de Bond de ARPL y la gráfica

#1. b. Capacidad Producción = 100 TM/Hr. c. Rango tamaño de partícula de alimentación: 3/4" = 20,000 micras. d. Finura deseada: 3,400 cm2/gr. - Blaine e. Relación L/D = 3:1

1. Con el valor de Wi y haciendo uso del gráfico #4 hallamos la potencia requerida para lTM, W = 38 Kwh/TM

2. Calculamos la potencia del molino: 38 Kwh x 100 TM = 3,800 Kw x 1.341 = 5,096 HP TM h

Seleccionamos un molino de 5,100 HP 3. Con los 5,100 HP y usando la Fig. # 5 (ver figura): hallamos la longitud y diámetro del molino:

L= 42 pies D= 14 pies

4. Eventualmente para mayor seguridad se elegirá un molino de 6,000 HP L: 45 pies D: 15 pies

VII. DISCUSION DE RESULTADOS Del análisis del Cuadro #1, se desprende que las calizas usadas en la industria del cemento del país, presentan un amplio rango de valores de work index que va desde 5.9 hasta 14.3. Más allá de este rango puede tipificarse como muy duras. En el caso de Arcillas -a excepción de la muestra D que se discute más abajo el rango de variación en el Cuadro #2 es más angosto y está entre 9.9 a 11.9. El mismo cuadro para minerales de fierro el rango es de 7.1 a 10.1. La arena, como es lógico, tiene el más alto índice de trabajo: 28.4. Las amplias variaciones de Wi de estos materiales son atribuidas fundamentalmente a su composición minerológica, a sus impurezas, a su contenido de sílice como cuarzo ya su origen geológico. Como ilustración la Fig. # 2 de difracción de RX nos indica que la muestra D que lo habíamos incluido como «arcilla», no es tal, pese a su composición química similar. La curva difractométrica de D indica una mezcla de silicatos: plagioclasas, chamosita y otras rocas. Este material está tipificado mineralógicamente como «andesita», material muy compacto y de alta dureza, mientras que la curva del material C. Fig. # 3, indica presencia mayormente de cuarzo y caolinita, típica de una arcilla. De igual modo los Wi de crudos diseñados en laboratorios y en Planta, varían ampliamente de 7.4 a 13.5 dependiendo de su diseño. Los clinkeres tienen una variación de Wi de 12 a 16. El mayor ó menor Wi está determinado por su composición química, el proceso de enfriamiento, porosidad, entre otros. En cuanto el análisis de eficiencia de molienda, del Cuadro # 4 notamos que los molinos que procesan el crudo ARPL 3 es mucho más eficiente que los molinos de Crudo ARPL 1 y de Fábrica 2. De otro lado el molino de clinker es más o menos eficiente. Los datos de W reales son valores promedios mensuales de fábrica. Cuando un sistema de molienda de una planta trabaja en óptimas condiciones se espera que su consumo eléctrico real debe ser igual al calculado con el Wi. No habiendo laboratorios en el país que utilizan este método con la experiencia del caso, hemos ensayado materiales en común con laboratorios extranjeros con la finalidad de comparar nuestros valores obtenidos. Lamentablemente disponemos de pocos datos, sin embargo éstos nos indican que estamos muy cercanos a ellos, especialmente con Slegten cuyos valores son prácticamente iguales: 13.5 y 13.7. La diferencia de Wi con Allis Chalmers (12.2 -13.4) se puede atribuir a que

este laboratorio, si bien usó los mismos materiales, sin embargo hizo una leve variación en el diseño. VIII. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES El método de Índice de Bond es un método útil por su fácil aplicación a problemas prácticos, bajo costo, fácil ejecución y rápida respuesta. La construcción de un molino standard no ofrece ningún problema, los demás equipos y aparatos lo disponen todo laboratorio o fábrica y su operación puede ser ejecutado por cualquier operario calificado. Desde que los materiales requieren de 4 a 6 períodos de 30 a 45 minutos cada uno, pueden determinarse hasta 2 Work Index por día. Este método nos permite evaluar las materias primas, clinker, etc. a fin de usado como indicativo para posibles cambios ó modificaciones de sistema de molienda, así como utilizar como método de Control de eficiencia de una etapa ó diferentes etapas de molienda de materiales de Planta. La aplicación extensiva del método ha contribuido a la racionalización de la producción de cemento en el país y ha sido un elemento útil para el diseño de ingeniería básica de las fábricas de Cemento en el Perú. Es necesario establecer un programa de trabajo más amplio de aplicación de este método a fin de dominado y ponemos a la altura de laboratorios de prestigio internacional y así colaborar en el avance de una tecnología nacional.