8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007

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1 8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007 EVALUACIÓN DE MATERIALES EMPLEADOS EN LA FABRICACIÓN DE TABIQUE INTERMEDIO Y DE SALIDA EN UN MOLINO DE BOLAS Autor : Ramírez Romaní Víctor M. Institución a la que representa : Particular Área temática : Desarrollo de tecnologías innovadoras aplicadas a maquinas o procesos. Dirección postal : Calle Enrique Barreda 351 Urb. Apolo, Lima 13 - Perú victor.ramirez@pucp.edu.pe RESUMEN Como antecedente tenemos : El 65% de la energía utilizada en una planta de cemento es para la molienda. El 5% de la energía mundial se utiliza en los molino de bolas. Por lo que la optimización de los procesos de molienda es muy importante por que estabiliza el proceso y minimiza los costos. El objetivo del presente trabajo es evaluar los materiales empleados en la fabricación del tabique ( diafragma ) intermedio o de salida en un molino de bolas para cemento. Como sabemos estas placas ranuradas pueden ser fabricadas de acero laminado o acero fundido, en el presente trabajo se va a mencionar las características de la fundición respecto a las placas laminadas. Esta claro que debemos buscar la solución mas económica y rentable contra el desgaste de estas piezas, para lo cuál es necesario considerar que este tema tiene dos aspectos fundamentales: Espesor y material de las placas. Al final de la presentación tendremos conceptos claros respecto al diseño de blindajes, una base conceptual para determinar que tipo de placa va a trabajar mejor de acuerdo a la aplicación que necesitemos y recomendaciones para aumentar el tiempo de vida. PALABRAS CLAVE: Diafragma ( Tabique),Manhole ( entrada de hombre ), Superficie activa.

2 INTRODUCCION Antes de empezar vamos a describir el proceso de funcionamiento de un molino de cemento : Los molinos se subdividen en varias s mediante diafragmas (tabique intermedio) y cada tiene que cumplir una función determinada en el proceso de molienda. Los diafragmas han de impedir el paso de partículas sobredimensionadas a la próxima; por lo tanto las ranuras abiertas en el diafragma sólo dejan pasar material de un determinado tamaño. El diseño de los diafragmas tienen influencia sobre la finura del producto molido así como sobre el caudal del molino. Los diafragmas se construyen en forma de una sola pared o de dos. ( ver Fig. 1) Fig. 1 : Esquema de un Molino de bolas Fig. 2 Diafragma de doble pared El diafragma de pared sencilla deja pasar el material previamente molido sin ninguna clasificación particular, el material es presionado sobre el diafragma por el empuje de material fresco que entra en el molino y pasa a través de las ranuras a la siguiente. Las aberturas del centro de los diafragmas sirven para el paso de aire a lo largo del molino. Los diafragmas de doble pared, en la mayoría de los casos, están dispuestos entre la primera y la segunda En la Fig. 2 se representa un diafragma de doble pared. El diafragma consiste en dos paredes frontales (2 y 3) sujetas al anillo de acero (1), al que están fijados los alabes directores (4), al cono de clasificación (5) y a los tornillos (6), que fijan los elementos individualizados. El material desmenuzado en la primera, corre por la ranura de la pared de entrada al recinto limitado por las dos paredes, donde se encuentra con los alabes dispuestos en espiral. Los alabes de dirección elevan el material y simultáneamente lo conducen hacia la pared de salida. Una parte del material pasa a la segunda por las ranuras de la pared de salida; el resto del material cae desde los alabes sobre el cono selector. [1] El material fino pasa a la segunda a través de las ranuras del cono ; por el contrario, los granos gruesos se deslizan por la superficie del cono hacia la primera para seguir en ella su desmenuzamiento. Las paredes de los diafragmas se componen de piezas que se pueden introducir en el molino por el manhole. Las ranuras para el paso del material son circulares o radiales. Las ranuras en la cara de salida de cada pared son de 1.5 a 2 veces mas anchas que en la cara de entrada. Se les confiere esta forma para impedir la eventual obstrucción de las ranuras con material en molienda. Ver Fig. 3 Adicionalmente se tiene una unidad auto soportante con un anillo en U para fijación axial al tubo de molino que le da estabilidad, longevidad y especialmente robustez. Otras partes destacables son las paletas elevadoras, curvadas en la dirección de transporte de material, el centro del tabique con regulación integrada de flujo de material, las placas ranuradas diseñadas para una productividad máxima y el cruce en chapa para soporte, tal como muestra la figura 4.

3 Fig. 3: Ranuras de paso en diafragma de Molino. Fig. 4 : Esquema del Tabique Hay una eterna pregunta referida al material de las rejillas de tabique intermedio y de salida respecto, si las laminadas son mejor que las fundidas o viceversa. Para responder esta interrogante vamos a analizar un Molino de cemento de diámetro 2,8 m con una longitud de 10,5 m que tiene una carga de bolas según tabla 1, en la que generalmente usamos placas fundidas de acuerdo a la configuración mostrada en la tabla 2. Tabla 1 : Carga de bolas en el Molino Tabla 2 : Tipo de placas usadas para el tabique del Molino [2] * : Cada tipo corresponde a un material (ver el Anexo 1) Cámara Diam. Bolas fundidas (mm) Carga de bolas (ton) 1era da Placas rejillas Tipo * lado 1era. E 120 E 122 E 434 2da E 434 E 31 Salida E 434 E 31 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA El diseño de los tabiques debe contemplar la separación de flujo de material y el caudal de aire. De este modo, cada uno seguirá un camino distinto y no se volverán a mezclar. A través de las paletas elevadoras de transporte del tabique, el material pasa por aberturas en el canal del anillo central, donde las paletas de guía transportan el material por debajo del flujo de aire a la siguiente de molienda, haciendo imposible una posterior entrada de material en la corriente de aire. El material alcanza la siguiente justo detrás del tabique, optimizando la longitud útil de la y la eficiencia propia de la molienda. (ver Fig. 5) Al mismo tiempo, el desgaste en las bolas de molienda y en las placas de salida del tabique, se reduce considerablemente. El flujo de material puede ser ajustado mediante la regulación de las aberturas de entrada y salida, lo que permite una óptima adecuación a las necesidades del molino y un largo periodo de funcionamiento de la planta de molienda. En este punto es necesario definir : Superficie activa de los diafragmas que consiste en la relación entre la superficie de las ranuras abiertas y la superficie total del diafragma, que tiene una influencia decisiva sobre el caudal del molino. El ancho de las ranuras depende de la longitud de cada una de las s, del material que se ha de moler y del tamaño de las bolas. A la suma de las aberturas de las ranuras se le llama superficie activa

4 del diafragma y se expresa en porcentaje. El tamaño de la superficie activa, así como el ancho de las ranuras varían entre los límites indicados en el anexo 2 [3] La superficie activa de los diafragmas aumenta con el tiempo, pues las ranuras se ensanchan por rozamiento. Adicionalmente el problema es que debemos evitar el desgaste prematuro de las ranuras y las placas. Esto trae como consecuencia : disminución de la producción por que las ranuras ya no dejan pasar material, parada del equipo para hacer el servicio correspondiente, perdida de producción,etc. (ver Fig. 6) Fig. 5 : Flujo de material a través del Tabique Fig. 6 : Desgaste de ranura y placa A continuación vamos a revisar las características del material para estas placas : 1. La fabricación de aceros fundidos se caracteriza por ser del tipo de acero resistente a la rotura y al desgaste (acero aleado al cromo molibdeno). Dentro de sus propiedades físicas este tipo de acero tiene una dureza entre 45 y 55 HRC dependiendo de las diferentes aleaciones, con el fin de entregarle a la pieza tenacidad suficiente para asegurar una alta resistencia a la fricción. Este tipo de acero, tiene la propiedad de resistir alto trabajo hasta espesores de 15 a 20 mm. Luego de este periodo se hace más propenso a la rotura. Este es el motivo principal de que estas piezas se fabriquen principalmente con espesores de mas de 40 mm. Las ventajas de la fundición respecto a las placas laminadas empleadas en los tabiques intermedios y de salida, tanto de crudo, como cemento o carbón, es que el desgaste de las placas nunca es uniforme. Como se sabe, el mayor desgaste se da en la zona comprendida entre R/2 y R/2+R/3. Este tipo de placas llevan un reforzamiento ahí que permite aumentar la vida útil del blindaje en torno al 40%. En fundición se puede diseñar el perfil de las placas según la granulometría del material, el porcentaje de llenado, el tamaño de las bolas, etc. En un momento dado y partiendo del modelaje existente, se puede variar el material de fundición así como el perfil de las placas para adaptarlas a otras condiciones de trabajo (cenizas, puzolanas, etc.). Las placas fundidas se hacen en menos tiempo, son mas baratas y con similar garantía de vida útil / real. El volumen de paso va garantizado por un control unitario de las ranuras por galgas. El espesor puede variar según la necesidad y aún más, para una misma placa de rejilla se puede tener espesores distintos en función de agregar mayor resistencia al desgaste en determinadas zonas de la pieza que tienen un desgaste localizado. [4] 2. Los aceros laminados tienen propiedades muy particulares, especialmente que la conformación metalografica permite que tengan mucha mas tenacidad ante la deformación y rotura. De esta manera se evita la deformación extrema de las ranuras y el acabado en maquinas robotizadas, permite que el paso de las ranuras sea realmente preciso. Así mismo el uso de las placas se da hasta un espesor de 10 mm, permitiendo que las placas sean utilizadas por un lapso de tiempo mayor, dado que su plasticidad, evita que se quiebren por efectos de su conformación metalografica, típica de los aceros laminados. Estos aceros parten de laminaciones hechas en gran siderurgia, estando por ello limitados a una serie de materiales estándar. Obviamente un acero laminado presenta mejores propiedades mecánicas que uno fundido. Adicionalmente tenemos otras características :

5 2.1 Mejores esfuerzos : Los tabiques con placas ranuradas y ciegas de acero laminado, ofrecen en relación a las placas fundidas, la ventaja que el material tiene mejores esfuerzos de rotura debido a la estructura homogénea y al tratamiento térmico especial. 2.2 Mejor manejo : Los elementos de placa son mas pequeños, ligeros y manejables durante el montaje, que los elementos de fundición. 2.3 Flujo de material constante debido a la forma de ranuras : Las ranuras de las placas son ajustadas a la aplicación y reducidas en su forma cónica. Por eso solamente material suficientemente molido entra en la segunda, las ranuras no se tapan, y las condiciones de transición de la primera a la segunda permanece constante durante el tiempo de utilización. 2.4 Utilización mas eficiente del espesor de las placas ( Fig. 7 ) : El alojamiento para pernos con cabeza cónica permiten que las placas laminadas se utilicen hasta espesores de 8 mm sin presentar rotura alguna. Por lo tanto, comparado con aceros fundidos que a partir de los mm de espesor producen rotura ; las placas laminadas entregan entre un % más de espesor útil de trabajo ( mayor duración ) Fig. 7 : Esquema de la placa usando tornillos con estampa cónica 2.5 Ahorro en coste y material por los segmentos del anillo : Las placas laminadas dependiendo del diámetro del molino, se divide entre dos y cuatro anillos. Los anillos pueden ser adaptados para aislar el área de mayor desgaste. De este modo no es necesario la sustitución de todo el anillo, sino sólo aquellas placas más desgastadas. Las placas elevadoras reducen la fricción entre los cuerpos moledores y el tabique, consiguiendo una mayor vida útil de las placas del tabique. 2.6 Material de gran dureza : El acero laminado a través de un tratamiento térmico en varias etapas, obtiene una estructura martensitica, debido a su alta elasticidad que es resistente contra la rotura y muestra una dureza continua de más de 52 HRC. [5] PROPUESTA DE SOLUCIÓN Es necesario considerar el tema del desgaste que tiene dos aspectos fundamentales : 1. Espesor de las placas : Para cualquier tipo de acero (fundido o laminado) hay una relación que a mayor espesor, se tiene la opción de tener mayor tiempo de vida útil de la placa. Es por eso que es posible reforzar esa zona con lo que se denomina (LIFTER) que básicamente es un espesor mayor en alguna área de la placa. 2.- Material de las placas : Los materiales que se aplican a estas piezas son principalmente de desgaste. Si analizamos la operación del molino, es posible ver que la mayor cantidad de impacto reciben las corazas del casco o del cilindro. Pero como el diafragma esta a 90 del sentido axial del molino, el impacto en las placas del diafragma es mucho menor y se traduce a un desagaste principalmente por abrasión. 3.- Para la selección del material de un tabique es necesario determinar : Medidas de las bolas y porcentaje ( collar de bolas ). Medidas del molino : Diámetro y Longitud, nivel de llenado de bolas (%). Tamaño de alimentación de las partículas F80 y el producto de descarga P80 ( en micras). Work Index (kw-h)/tm. Tipo de mineral que se procesa, gravedad especifica. Tipo de materiales abrasivos con los que se trabaja (puzolanas, sílice libre, cenizas flotantes, etc.) Tipo de molino ( de cemento, de crudo, de carbón, etc.). Velocidad crítica y de trabajo (rpm) [6]

6 CONCLUSIONES 1. Las rejillas fabricadas de acero laminado utilizan productos con una composición química elemental ( Fe + C ) y el tratamiento térmico es un simple temple superficial que no da bastante dureza adecuada en el centro. La composición química y el tratamiento térmico de las rejillas de fundición permite aumentar entre un 30 a 40 % la vida útil de las rejillas comparadas con la rejilla de acero laminado, esto debido que la dureza del núcleo en una rejilla fundida está alrededor de 52 HRC y algo inferior en la superficie, al contrario de lo que sucede con las piezas de acero laminado, en el que la dureza permanece constante en todo su espesor 2. La duración de vida de las piezas de acero laminado esta limitada por el porcentaje de la martensita. Dar mas espesor a la pieza aumenta el espesor de la perlita que tiene una falta de dureza, pero no mejora proporcionalmente el espesor de la martensita ni el tiempo de vida en conjunto. Ver figura 8 3. La figura 9 muestra el perfil de dureza de una rejilla fundida, la duración de vida de las aleaciones de aceros colados tienen su origen en los carburos de cromo difundidos en todo el espesor de las piezas. Un incremento del espesor aumenta proporcionalmente la vida. Fig. 8 : Diagrama espesor vs. dureza en un acero laminado Fig. 9 : Diagrama espesor vs. dureza en fundición 4. En el caso especifico de las rejillas para el tabique de salida del molino de cemento, la vida útil comparativamente con las rejillas en acero laminado pueden ser aún mayores debido que las mismas están dotadas de barras levantadoras que apartan las bolas de la pared, dando como resultado que la presión de los impactos se aplica principalmente en dichos levantadores y disminuye sobre el resto de la superficie de la rejilla en contacto con las bolas. ( ver figura 10 ) Fig. 10 : Rejillas con barras levantadoras Fig. 11 : Diseño de descarga de material 5. Se debe considerar un diseño de descarga de material de la primera a la segunda por separado del flujo de aire dentro del molino, tal que este sistema permita utilizar el volumen de molienda de mejor manera : Usualmente el material descargaba a la segunda por el centro del diafragma conducido a gran velocidad por el aire de tiro del molino y siendo transportado al menos a 1 o 2 m del diafragma perdiendo área efectiva de molienda. Ver figura 11 Al descargar el material en la segunda junto al diafragma se logra recuperar mas área de molienda que en términos de procesos es mayor uso del volumen efectivo, equivalente a mayor producción.

7 Adicionalmente este mejor lecho de material en la segunda permite que el desgaste de placas ranuradas o ciegas del diafragma se mantenga en mejor estado por que el trabajo del molino permite que esa área tenga un buen lecho de material y que no se trabaje acero contra acero. [7] 6. El acero laminado respecto al acero fundido presenta características propias al proceso de fabricación, las ventajas que tenemos : El acero laminado tiene buena resistencia a la deformación El acero laminado tiene buena resistencia a la rotura para secciones delgadas El acero laminado acepta deformación antes que rotura. El acero laminado al tener estructura mucho más homogénea por la característica propia de su proceso productivo permite tratamientos térmicos multi-etapas que garantizan mejor comportamiento ante desgastes por rotura y abrasión. Las placas en acero laminado son trabajadas en centros de control numérico computarizado entregando ranuras y acabado superficial muy preciso. 7. Las rejillas laminadas tienen una composición de C:0.50 Mn 0.70 aprox. y durezas de HRC, con resistencias al impacto de aprox. 150 Julios. En el pasado para conseguir esas durezas en las piezas fundidas HRC había que fabricar con una composición de C , Mn:0.70 pero al ser mayor el tamaño de grano de la fundida con respecto a la laminada se conseguían resistencias al impacto inferiores. aprox. 60 Julios. En la actualidad se tienen materiales en los cuales para conseguir ese rango de durezas sustituimos C por elementos de aleación como Cr, y podemos tener un material de rejillas para el tabique intermedio con C.0.35 Cr: 7.0 con durezas de 48 a 55 HRC y resistencia al impacto mayor de 150 Julios. Para las rejillas de Salida al no necesitar tanta resistencia al impacto se pueden fabricar con aceros de alto carbono al cromo molibdeno, por ejemplo : C:0.19 Cr.11.2 o C:0.33 Cr.7.5 con durezas entre y HRC para cada caso. La presencia en los dos casos de Carburos de Cromo es por que mejoran la resistencia al desgaste por abrasión. 8. Estos elementos (placas de diafragma), están mas expuestas a fuerzas de abrasión, tanto por los elementos molturadores como el mismo material, las fuerzas de impacto acá son mínimas, por lo que siempre es recomendado fabricar estos en materiales de alta dureza, estos nos aseguran buena resistencia a la abrasión así como evitar la deformación de los agujeros de pase de aire, los cuales son muy importantes, ya que si estos se deforman u obstruyen, le quitan succión al molino y le restan eficiencia. Lo que hay que tener en cuenta son una serie de aspectos para que estos forros no colapsen, hablamos del diseño, estos son los agujeros de alojamiento de los pernos de sujeción, las ranuras de paso de aire y el mismo espesor de la placa, los aceros de la serie ASTM 532 son los más recomendados para esta función, estos altos cromos o hierros blancos tienen durezas que van desde los 500 a 700 Brinell. Hay que tener siempre mucho cuidado cuando se coloquen estas placas de esta aleación, revisar detenidamente el bastidor de soporte, recordar que estos altos cromos por su dureza son muy quebradizos. 9. Los Fierros fundido blanco (ASTM 532 ),a parte de su alto contenido de cromo, su alta dureza y por consecuencia alta resistencia a la abrasión, deben ser de estructura martensitica, siempre se han detectado que los problemas en estos aceros se originan por la austenita la cual queda retenida, esta matriz en presencia de cambios de temperatura tiende a expandirse, lo que al final origina fisuras y como consecuencia el colapso de la pieza, por experiencia que se tiene en Fundición se han dado casos en que una pieza fundida y desmoldeada, al dejarse a la intemperie en el corto tiempo que varia la temperatura del ambiente, estas se rompen con gran estruendo escuchándose como una explosión, esto originado por la austerita retenida, conclusión la austerita retenida es muy perjudicial para los hierros blancos. 10. Se presentan resultados obtenidos en rejillas y placas ciegas para un tabique intermedio de un Molino de bolas para cemento, en nuestra planta, luego de reemplazar placas fundidas por placas laminadas. Ver tabla 3 Tipo de blindaje Tabla 3 : Cuadro comparativo de placas fundidas y laminadas. Costo US$ / kg US$ / TM x 1000 Consumo Especifico g / TM Tiempo de vida hrs Garantías hrs. Fundición 5,3 7, ,3 3, Laminado 5,14 5, ,

8 RECOMENDACIONES 1. Para los elementos internos de los molinos, las únicas piezas que pueden ser fabricadas de acero laminado son las rejillas y las placas ciegas para los tabiques. Todas las demás piezas ( blindajes del cuerpo del molino, placas de fondo de entrada) deben ser fabricadas en fundición. 2. No hay dos molinos iguales. Pueden ser idénticos en medidas y en molienda de material, pero sabemos que su comportamiento no es el mismo. Por lo tanto los tiempos de vida de las placas es variable. 3. Hay que hacer un análisis previo respecto a las características que ofrecen los fabricantes : Ancho de la ranura y la forma de esta Adaptación al grado de llenado especifico Adaptación de área de la superficie abierta para optimizar ventilación de molino Control de flujo para optimizar el transporte de material. Estructura que tiene apoyo rígido y estable. Libre de mantenimiento. Placas faciles de reemplazar Ajustable despues de muchos años Resistente a temperaturas de 140 C Después de evaluar estos puntos recién pasaremos a definir que es lo mas apropiado para nuestra empresa. 4. Lógicamente la experiencia del fundidor es básica y primordial a la hora de conseguir una perfecta sanidad de las placas y unas condiciones metalúrgicas adecuadas en función a los tratamientos térmicos a efectuar para los materiales reseñados; placas iguales en composición y dureza pueden tener distinto rendimiento o roturas en función a la experiencia del fundidor o fabricante de las placas. 5. La rotura de los tabiques es por lo general debido a que los chips (pedazos de acero, bolas pequeñas o desgastadas) se introducen en las rendijas y en operación hacen un trabajo de comprensión llegando ha ocasionar la rotura del tabique, para esto de debe de trabajar en los diseños y materiales. 6. Como recomendación final podemos decir no hay una receta practica para el diseño de tabiques intermedios y rejillas de salida, cada planta, cada proceso tiene sus propias características particulares, y lo que funciona bien aquí, lo mas seguro es que funcione mal o regular en otro sitio similar. Lo que si podemos afirmar es que las placas fundidas y laminadas en general ambas son buenas, cada una tiene sus ventajas y desventajas, y en la operación continua, revisando el tiempo de vida final, producción, desgaste ; podremos evaluar cuál es la que mejor aplica para nuestro caso. BIBLIOGRAFIA 1- Dipl.- Ing. Walter H. Duda Manual tecnológico del cemento pp. 105, Dipl.- Ing. Walter H. Duda Manual tecnológico del cemento pp. 107, Aceros y suministros Especificaciones de fundición Folleto informativo Otto Labahn Prontuario del Cemento pp , A.M. Sage, HSLA Steels- The Minerals, Metals and Materials Society, pp , A.C. Kneissi, C.I. García and A.J. DeArdo, HSLA Steels- The Minerals, Metals and Materials Society, pp , Dr. Carlos Fosca Metalurgia de la soldadura pp , 2001 UNIDADES Y NOMENCLATURA HBN Dureza brinell HRC Dureza rockwell C F80 Tamaño de alimentación de las partículas ( µ ) P80 Producto de descarga ( µ ) WI Work index (kw-h / TM) rpm Revoluciones por minuto US$ Costo en dolares R Radio interno del molino (mm)

9 Anexo 1 : Especificaciones de fundición Composición química % Tipo C Si Mn P S Cr Mo Dureza Observaciones HBN E-120 (1) 0,4-0,5 < 0,6 < 1 <=0,05 <=0,05 2,5-3,5 <0, Estructura martensitica después de temple y revenido E-122 (2) 0,2 0,4 <2,5 <1,5 <0,04 <0, Estructura martensitica después de temple y revenido E-31 (3) E-434 (4) 2,0-3,3 <1,5 <2,0 <0,10 <0, ,4-0,7 <=1,0 <=1,0 <=0,05 <=0, ,3-0,7 >500 (5) >600 (6) (7) (1) : Acero débilmente aleado al Cr Mo, GS40CrMo12, similar al DIN o DIN (2) : Fundición aleada al Cr 7%, similar al DIN (3) : Fundición blanca altamente aleada al cromo, ASTM A-532, clase III, tipo A (4) : Acero aleado GX60CrV13, similar al DIN (5) : Sin tratamiento ( bruto colada ) (6) : con tratamiento (7) : Según diseño y ubicación pieza Estructura formada por carburos primarios y matriz austeno-martensitica en bruto de colada o martensítica después de temple Estructura formada por martensita revenida y una red de carburos eutécticos.material resistente al desgaste con buen comportamiento frente a los impactos Anexo 2 : Superficie activa y ancho de las ranuras en los diafragmas Tipo de molino Diafragmas I II III Superficie activa % Ancho de las aberturas mm Superficie activa % Ancho de las aberturas mm Superficie activa % Ancho de las aberturas mm de 4 de 3 de 4 de 3 de 2 1. Molinos de Cemento Molinos de crudo Molinos de carbón