INTRODUCCIÓN

La industria minero metalúrgica está considerada a nivel mundial como una de las más consumidoras de energía y dentro de ellas se destaca el proceso de molienda o de desmenuzamiento de los minerales. Se incluye en este comportamiento energético el proceso de molienda del material procedente de las menas niquelíferas de los yacimientos ubicados en Moa, al noreste de la región oriental de Cuba, que tiene lugar en la planta de preparación de minerales de la empresa “Comandante Ernesto Che Guevara”.

El consumo de energía en la molienda seca está determinado, fundamentalmente, por el molino y por el ventilador encargado del transporte neumático del material, a su vez, la carga de bolas determina la productividad del molino y la demanda energética (Andreiev et al., 1980). Dada la complejidad de este proceso y de su carestía se precisa de un estudio permanente para mantener la eficiencia bajo control. La tendencia de los productores es ubicar la carga de bolas entre el 45 % y el 50 % del volumen interior del molino, sin embargo, el rango de la carga para la cual se puede obtener la mayor eficiencia depende de muchos factores y principalmente de las características del material a moler. Por el peso que tiene el proceso de molienda en la industria desde el punto de vista energético, se adoptan diferentes medidas para lograr un uso racional de la energía, sin embargo estas medidas son insuficientes y no se conoce con precisión el rango de la carga de bolas de los molinos que puede ser la base para la obtención de los mejores valores de los indicadores de la eficiencia. Por ello, con el propósito de determinar las condiciones de operación para las cuales puede observarse una mayor eficiencia en el proceso de molienda, objeto de estudio, se determina por vía experimental el rango de la carga de bolas más adecuado para los molinos de la empresa “Comandante Ernesto Che Guevara”, donde se procesa el material de las menas niquelíferas de los yacimientos moenses.

Generalmente cuando se estudia el comportamiento energético de un circuito cerrado de molienda de minerales con el empleo de molinos de bolas (www.911metallurgist.com) la atención se centra en el molino. Profundos estudios se han llevado a cabo sobre el proceso de conminución de minerales en busca de abaratar los costos sobre la base de lograr una mayor eficiencia energética, en este sentido se destacan numerosos trabajos relacionados con la aplicación del método de Bond (Rowland,1998) para calcular la potencia más adecuada del motor del molino a diseñar, el establecimiento de modelos matemáticos para la simulación de la molienda (Aguado, 2003; Laborde, 2005), la determinación y empleo de las funciones de la fragmentación (Vedat, 2012), el empleo de balances de la población de partículas (Rivera, 2016), etc. En muy pocos de estos trabajos, referidos a la molienda seca, se estudia desde el punto de vista energético el conjunto molino-ventilador bajo el concepto de unidad de molienda. Este concepto permite un mejor enfoque del problema para un caso específico de estudio, pues si bien el molino es el equipo que demanda la mayor potencia, el ventilador centrífugo (encargado del barrido del material en el interior del molino) demanda también de una alta potencia, la cual a su vez está asociada de cierta manera a la forma de operación del molino. La eficiencia energética del proceso puede ser evaluada a partir del análisis independiente de la eficiencia de los accionamientos del molino y del ventilador pero esto resulta complejo tanto desde el punto de vista teórico como práctico y además, siempre debe ser incluida la productividad, variable que depende de todo un conjunto de factores. Una vía alternativa para evaluar la eficiencia del proceso resulta el empleo del concepto de consumo específico de energía de la unidad de molienda, donde de cierto modo se engloban las principales variables que indican en qué medida se está haciendo un uso racional de la energía utilizada en el proceso.

MATERIALES Y MÉTODOS

Para el desarrollo del trabajo se tomó como objeto de estudio uno de los circuitos cerrados de molienda de la empresa “Comandante Ernesto Che Guevara”. El mismo es un circuito típico de molienda seca, formado por numerosos equipos donde los fundamentales son el molino de bolas y el ventilador de recirculación, tanto desde el punto de vista energético como del proceso. El molino de 3,2 m x 5 m. (diámetro x longitud) posee una capacidad de diseño de 120 t/h, con una carga de 54 t de bolas de diferentes diámetros y es accionado por un motor sincrónico trifásico de 10 kV, 800 kW, 60 Hz. El ventilador de recirculación es de tipo centrífugo con una capacidad de 134 000 m3/h y es accionado por un motor asincrónico trifásico de 6 kV, 400 kW, 60 Hz. El resto del equipamiento es accionado por motores asincrónicos de pequeñas potencias que en su conjunto no superan el 2 % de la potencia del conjunto molino-ventilador. En el proceso se busca pulverizar el material que se entrega al molino, caracterizado por un tamaño máximo de partículas por debajo de los 10 mm, a fin de facilitar la eficiencia de los procesos siguientes hasta la obtención final de los concentrados de níquel. Para ello, el material a desmenuzar sale de la tolva mediante un alimentador de disco y es depositado en un alimentador de banda, el cual a su vez descarga el material en el molino. El material molido es extraído del molino mediante la corriente de aire que produce el ventilador centrífugo y transportado hacia un clasificador mecánico donde las partículas gruesas (arenas) son devueltas al molino y las finas pasan a ser almacenadas como producto final, para luego ser enviadas hacia el proceso siguiente.

Para evaluar el comportamiento del consumo específico de energía en el proceso se analizó por separado el comportamiento del molino y del ventilador de recirculación y luego se analizó el comportamiento conjunto de estos dos equipos bajo el concepto de unidad de molienda. Para el trabajo experimental a escala industrial se partió de los resultados obtenidos previamente en estudios realizados a escala de laboratorio y a escala semindustrial. En el circuito de molienda objeto de estudio se fijaron valores de las cargas de bolas 50, 60, 70, 80 y 90 % de la carga de diseño del molino (54 t) y para cada una de estas cargas se ensayaron tres valores de alimentación diferentes, realizándose tres corridas para cada valor de flujo de alimentación. Se tomaron muestras del material a la entrada y a la salida del molino, en la descarga de retorno del clasificador (arenas) y en la descarga del ciclón primario (producto final). Todas las muestras fueron sometidas a análisis granulométrico mediante la aplicación de los métodos convencionales para este tipo de análisis. Simultáneamente se registraron las corrientes, tensiones, potencias, energía consumida y otras variables del circuito eléctrico de alimentación a los accionamientos del molino y del ventilador, para ello se utilizaron analizadores de redes trifásicos, con intervalos de registro de 2 minutos. También fueron objeto de registro y de control otras variables del proceso como la humedad del material de alimentación al molino, el % de petróleo aditivo, la temperatura en los puntos de apoyo del molino, las presiones en diferentes partes del sistema, el ángulo de inclinación de las paletas del clasificador y otras.

En la literatura especializada (Andreiev et al., 1980) aparecen diferentes conceptos de la productividad de un molino de bolas. Para este trabajo se asumió esta variable como la cantidad de material que se obtiene en el proceso como producto final durante una hora de trabajo, expresada en tonelada, considerándose producto final al material desmenuzado con las siguientes características granulométricas: (80 – 85) % en el tamaño por debajo de 75 μm, (γ^{- 0,075} = ( 80 – 85) %); un 5 % o menor en la clase de tamaño 150 μm (^{γ+ 0,15} ≤ 5 %) y un contenido igual o inferior al 75 % en la clase de tamaño 44 μm (γ^{- 0,045} ≤ 75 %).

Para el cálculo del consumo específico de energía fue utilizada la expresión general (1), tomando las magnitudes específicas en dependencia del equipo o conjunto de equipos de referencia (molino, ventilador, unidad de molienda).

C_esp = Q /P kWh/t (1)

Donde,

1. Q: cantidad de material desmenuzado por hora con calidad de producto final, en t.

2. P: potencia media demanda por el equipo o conjunto de equipos considerados durante 1 hora de producción, en kW.

El material utilizado durante los ensayos fue el que se procesa industrialmente: material laterítico perteneciente a los yacimientos de Moa, compuesto fundamentalmente por limonita (parte terrosa y blanda) y por serpentina (parte rocosa). (Rojas, 1995)

RESULTADOS

En la tabla 1 se muestra la composición granulométrica media que presentó el material de alimentación al molino de bolas cuando se experimentó con cargas de bolas correspondientes al 60 % (φ = 60) y al 70 % (φ = 70) de la carga nominal respectivamente. Resultados similares fueron obtenidos para las otras cargas de bolas ensayadas.

Para una carga de bolas correspondiente al 50 % de la carga nominal del molino se observó que, para una alimentación alrededor de las 90 t/h se produce una cierta sobremolienda (87 % del producto final en un tamaño inferior a 45 µ m), lo que permitió incrementar el flujo de entrada hasta 96 t/h y mejorar el consumo específico en un 6, 6 % con respecto al caso de alimentación con 90 t/h. En un ulterior incremento del flujo de alimentación hasta las 100 t/h se observó un cierto nivel de deterioro en la calidad del producto final, dado por un valor de 7 % de retenido en la clase de tamaño γ^{+ 0,15}, aunque en este caso se obtuvo aún un mejor valor de consumo específico de energía, no es recomendable mantener el proceso en este punto de operación por cuanto se desajustan los índices de calidad del producto. Luego, para esta carga de bolas (φ = 50 %.) el mejor comportamiento del proceso se obtuvo para un flujo de alimentación alrededor de las 96 t/h (ver tabla 2).

Para la carga de bolas correspondiente al 70 % de la carga nominal, se observó que el molino admitió un flujo de alimentación alrededor de 119 t/h, por lo que casi alcanzó su productividad nominal exhibiendo un consumo específico de energía de 5,06 kWh/t (ver tabla 3).

En la figura1 se representa el comportamiento que tuvo la potencia demandada por el molino durante su operación con la carga de bolas φ = 70 %. Como puede apreciarse, dicha potencia tiene un amplio rango de variación y esto se debe por una parte a que el molino como tipo de carga mecánica semeja un volante desequilibrado y por otra parte se observó en la práctica la tendencia de aumento de la potencia con la reducción de la cantidad de material en el interior del molino y viceversa por lo que para determinar el consumo específico de energía debe trabajarse necesariamente con el valor medio de la potencia.

Figura 1.
Comportamiento de la potencia demandada por el molino de bolas durante 1hora de trabajo con φ = 70 %

Análisis similares a los expuestos para las tablas 2 y 3 se realizaron para el resto de las cargas de bolas ensayadas. El resultado del comportamiento de la productividad de la unidad de molienda en función de la carga de bolas en el molino se muestra en la figura 2. Nótese que a partir de un valor de la caga φ = 70 %, ya se alcanza prácticamente la productividad de diseño y un incremento de la masa de bolas en el molino va aparejada de un incremento en la potencia, por lo que el consumo específico de energía también crece y se hace irracional el uso de la energía.

Figura. 2.
Comportamiento de la productividad del proceso en función de la carga de bolas en el molino

En la tabla 4 se muestra el comportamiento de la potencia media demandada por el ventilador de recirculación (Pv) y de su consumo específico de energía para los diferentes niveles de cargas de bolas ensayadas, como puede apreciarse el mejor comportamiento energético se observó para la carga de bolas correspondiente al 70 % de la carga nominal.

Como puede apreciarse en la figura 3 la potencia demandada por el ventilador también es variable, ya que la misma depende del flujo de aire desplazado en el sistema y este a su vez varía con la cantidad de material que es transportado. Por ello, para los cálculos del consumo específico de energía se trabajó con la potencia media.

Figura 3.
Comportamiento de la potencia demandada por el ventilador de recirculación durante 1hora de trabajo con φ = 70 % en el molino.

Analizado el trabajo conjunto del molino y del ventilador bajo el concepto de unidad de molienda, se exponen en la tabla 5 los resultados obtenidos. Nótese que, para la carga φ = 70 % la unidad de molienda presentó el valor más favorable de consumo específico de energía.

Al hacer una comparación entre el comportamiento histórico de la unidad de molienda, objeto de estudio, y los resultados obtenidos durante los ensayos se dedujo que mantenerla operando con una carga de bolas entre el 60 % y el 70 % de la carga nominal produce una reducción del consumo específico de energía en un 25 %, a la vez que la productividad se incrementa en un 23 % y el consumo de energía se reduce en un 3 %. En la tabla 6 se muestra el resultado que se obtiene de esta comparación para 1 mes de trabajo.

CONCLUSIONES

Las condiciones de operación para las cuales se observó la mayor eficiencia en el proceso de molienda, objeto de estudio, se dieron cuando fueron prefijados los parámetros tecnológicos normales de dicho proceso y la carga de bolas del molino se mantuvo en el rango de 60 % al 70 % de la carga nominal con un flujo sostenido de alimentación al molino en el rango (110-115) t/h.

Mantener la carga de bolas del molino entre el 60 % y el 70 % de la carga nominal, con la alimentación sostenida en el rango (110-115) t/h, impacta favorablemente en la reducción aproximada de un 25 % del consumo específico de energía y de un 3 % del consumo de energía en la unidad de molienda, con respecto al comportamiento histórico de la misma.

Referencias

Aguado, M.J. (2003). Aplicación de la Simulación Matemática a la determinación de consumos energéticos en fragmentación. (Tesis inédita de doctorado). Universidad de Oviedo, España.

Andreiev, S.E. et al. (1980). Trituración, desmenuzamiento y cribado de minerales. Moscú: Editorial Mir.

Laborde, B.R. (2005). Modelación y Simulación del proceso de molienda del mineral laterítico, con composición sustancial variable. (Tesis inédita de doctorado). Instituto Superior Minero Metalúrgico, Moa, Cuba.

Rowland, C.A. (1998). Using the Bond work index to measure operating comminution efficiency. Minerals & Metallurgical Processing, 15 (4).

Vedat, D. (2012). A study on effect of ball diameter on breakage properties of clinker and limestone. Indian Journal of Chemical Technology, 19 (May), 18-22.

Rivera, I.E. (2016). Balance Poblacional en un Molino de Bolas. (Tesis doctoral). Recuperado de http://www.bdigital.unal.edu.co

Rojas, P.A. (1995). Principales fases minerales portadoras de níquel en los horizontes lateríticos de los yacimientos de Moa. (Tesis inédita de doctorado). Instituto Superior Minero Metalúrgico, Moa, Cuba.

911metallurgist (2016). Molino a bolas-Uso y funcionamiento. Recuperado de https://www.911metallurgist.com/metalurgia/molino-a-bolas/

Notas de autor

Información adicional

AGRADECIMIENTOS: Los autores agradecen a los directivos de la planta de Preparación de Minerales de la empresa “Comandante Ernesto Che Guevara” por las facilidades que brindaron para el desarrollo del trabajo experimental, así como a los técnicos y especialistas de la Planta y del CEDINIQ que colaboraron con el muestreo y procesamiento de las muestras.