Che cos'è il cementificio?

Un  mulino per cemento  (o  mulino di finitura  nell'uso nordamericano ^[1] ) è l'attrezzatura utilizzata per macinare il clinker duro e nodulare dal forno per cemento nella polvere grigia fine che è il cemento. La maggior parte del cemento viene attualmente macinata in mulini a palle e anche mulini a rulli verticali che sono più efficaci dei mulini a palle.

Storia

I primi cementi idraulici, come quelli di James Parker, James Frost e Joseph Aspdin, erano relativamente morbidi e prontamente macinati dalla tecnologia primitiva dell'epoca, utilizzando macine piatte. L'emergere del cemento Portland negli anni '40 dell'Ottocento rese la macinazione notevolmente più difficile, perché il clinker prodotto dal forno è spesso duro quanto il materiale della macina. Per questo motivo, il cemento ha continuato a essere macinato molto grossolanamente (in genere il 20% su un diametro delle particelle di 100 μm) fino a quando non è diventata disponibile una migliore tecnologia di macinazione. Oltre a produrre cemento non reattivo con una lenta crescita della resistenza, ciò ha esacerbato il problema della non solidità. Questa espansione tardiva e dirompente è causata dall'idratazione di grandi particelle di ossido di calcio. La macinazione fine riduce questo effetto e i primi cementi dovevano essere conservati per diversi mesi per dare all'ossido di calcio il tempo di idratarsi prima che fosse idoneo alla vendita. Dal 1885 in poi, lo sviluppo dell'acciaio specializzato portò allo sviluppo di nuove forme di attrezzature per la macinazione e da questo momento in poi la finezza tipica del cemento iniziò una costante ascesa. La progressiva riduzione della proporzione di particelle di cemento più grandi e non reattive è stata parzialmente responsabile del quadruplo aumento della resistenza del cemento Portland durante il ventesimo secolo.^[2]  La storia recente della tecnologia ha riguardato principalmente la riduzione del consumo energetico del processo di macinazione.

Materiali macinati

Il clinker di Portland è il costituente principale della maggior parte dei cementi. Nel cemento Portland viene aggiunto un po' di solfato di calcio (tipicamente 3-10%) per ritardare l'idratazione dell'alluminato tricalcico. Il solfato di calcio può essere costituito da gesso naturale, anidrite o rifiuti sintetici come il gesso per la desolforazione dei gas di combustione. Inoltre, possono essere aggiunti fino al 5% di carbonato di calcio e fino all'1% di altri minerali. È normale aggiungere una certa quantità di acqua e piccole quantità di coadiuvanti di macinazione organici e potenziatori di prestazioni. I “cementi miscelati” e i cementi per muratura possono includere grandi aggiunte (fino al 40%) di pozzolane naturali, ceneri volanti, calcare, fumi di silice o metacaolino. Il cemento di scorie d'altoforno può includere fino al 70% di scorie granulate macinate d'altoforno. Vedi cemento. Il gesso e il carbonato di calcio sono minerali relativamente morbidi e si macinano rapidamente in particelle ultrafini. I coadiuvanti per la macinazione sono in genere sostanze chimiche aggiunte in una percentuale dello 0,01-0,03% che ricoprono le superfici appena formate di particelle minerali rotte e prevengono la ri-agglomerazione. ^[3]  Includono 1,2-propandiolo, acido acetico, trietanolammina e lignosolfonati.

Controllo della temperatura

Il calore generato nel processo di macinazione fa sì che il gesso (CaSO ₄.2H ₂O) perda acqua, formando bassanite (CaSO ₄.0.2-0.7H ₂O) o γ-anidrite (CaSO ₄.~0.05H ₂O). Questi ultimi minerali sono rapidamente solubili e circa il 2% di questi nel cemento è necessario per controllare l'idratazione dell'alluminato tricalcico. Se si forma una quantità superiore a questa quantità, la cristallizzazione del gesso sulla loro reidratazione provoca il "falso indurimento" - un improvviso ispessimento dell'impasto cementizio pochi minuti dopo la miscelazione, che si dirada durante la rimescolamento. Ciò provoca l'elevata temperatura di fresatura. Se invece la temperatura di macinazione è troppo bassa, è disponibile una quantità insufficiente di solfato rapidamente solubile e ciò provoca il “flash set” – un irrigidimento irreversibile dell'impasto. Per ottenere la quantità ottimale di solfato rapidamente solubile è necessaria la macinazione con una temperatura di uscita dal mulino entro pochi gradi di 115 °C. Quando il sistema di macinazione è troppo caldo, alcuni produttori utilizzano il 2,5% di gesso e il restante solfato di calcio come α-anidrite naturale (CaSO ₄). La completa disidratazione di questa miscela produce il 2% ottimale di γ-anidrite. Nel caso di alcuni moderni mulini efficienti, viene generato calore insufficiente. Ciò viene corretto facendo ricircolare parte dell'aria calda di scarico all'ingresso del mulino.

Mulini a palle

Un mulino a palle è un cilindro orizzontale parzialmente riempito con sfere d'acciaio (o occasionalmente altre forme) che ruota sul proprio asse, impartendo alle sfere un'azione rotolante e a cascata. Il materiale alimentato attraverso il mulino viene frantumato per impatto e macinato per attrito tra le sfere. I mezzi di macinazione sono generalmente realizzati in acciaio ad alto contenuto di cromo. I gradi più piccoli sono occasionalmente cilindrici ("pebs") piuttosto che sferici. Esiste una velocità di rotazione (la "velocità critica") alla quale il contenuto del mulino cavalcherebbe semplicemente sul tetto del mulino a causa dell'azione centrifuga. La velocità critica (rpm) è data da:  n _C  = 42,29/√ D, dove  Dè il diametro interno in metri. I mulini a sfere funzionano normalmente a circa il 75% della velocità critica, quindi un mulino con un diametro di 5 metri girerà a circa 14 giri/min.

Il mulino è solitamente diviso in almeno due camere (sebbene ciò dipenda dalle dimensioni dell'ingresso di alimentazione: i mulini che includono una pressa a rulli sono per lo più a camera singola), consentendo l'uso di materiali di macinazione di diverse dimensioni. All'ingresso vengono utilizzate palline di grandi dimensioni per frantumare i noduli di clinker (che possono superare i 25 mm di diametro). Il diametro della sfera qui è compreso tra 60 e 80 mm. In un mulino a due camere, i fluidi nella seconda camera sono in genere compresi tra 15 e 40 mm, sebbene a volte si incontrino fluidi fino a 5 mm. Come regola generale, la dimensione del supporto deve corrispondere alla dimensione del materiale da macinare: supporti di grandi dimensioni non possono produrre le particelle ultrafini richieste nel cemento finito, ma supporti piccoli non possono rompere le particelle di clinker di grandi dimensioni. Un tempo venivano utilizzati mulini con un massimo di quattro camere, che consentivano una stretta segregazione delle dimensioni dei supporti, ma ora questo sta diventando raro. Le alternative ai mulini multicamera sono:

• coppie di mulini, eseguiti in tandem, caricati con supporti di diverse dimensioni.
• uso di una tecnologia alternativa (vedi presse a rulli di seguito) per frantumare il clinker prima della macinazione fine in un mulino a palle.

Una corrente d'aria viene fatta passare attraverso il mulino. Questo aiuta a mantenere il mulino fresco e spazza via l'umidità evaporata che altrimenti causerebbe idratazione e interromperebbe il flusso del materiale. L'aria di scarico polverosa viene pulita, di solito con filtri a maniche.

Sistemi a circuito chiuso

L'efficienza delle prime fasi della macinazione in un mulino a palle è molto maggiore di quella per la formazione di particelle ultrafini, quindi i mulini a palle funzionano in modo più efficiente producendo un prodotto grosso, le frazioni fini di questo vengono quindi separate e la parte grossolana essere restituito all'ingresso del mulino. La proporzione del materiale in uscita dal mulino restituito all'ingresso può variare dal 10-30% durante la macinazione del cemento ordinario, all'85-95% per i prodotti cementizi estremamente fini. È importante per l'efficienza del sistema che la quantità minima di materiale di finezza del prodotto finito venga restituita all'ingresso. I moderni separatori sono in grado di effettuare un “taglio” dimensionale molto preciso e contribuiscono in modo determinante alla riduzione dei consumi energetici, ed hanno l'ulteriore vantaggio di raffreddare sia il prodotto che il materiale di ritorno, minimizzando così il surriscaldamento.

Efficienti sistemi a circuito chiuso, grazie al loro rigoroso controllo della dimensione delle particelle, portano a cementi con distribuzioni delle dimensioni delle particelle relativamente strette (cioè per una data dimensione media delle particelle, hanno meno particelle grandi e piccole). Ciò è vantaggioso in quanto massimizza il potenziale di produzione di forza del clinker, poiché le particelle grandi sono inerti. Come regola generale, solo la "pelle" esterna di 7 μm di ciascuna particella si idrata nel calcestruzzo, quindi qualsiasi particella di diametro superiore a 14 μm lascia sempre un nucleo non reagito. Tuttavia, la mancanza di particelle ultrafini può essere uno svantaggio. Queste particelle normalmente impacchettano gli spazi tra le particelle più grandi in una pasta di cemento e, se assenti, il deficit viene compensato con acqua extra, portando a una resistenza inferiore. Si può rimediare inserendo nel cemento il 5% di carbonato di calcio: questo minerale tenero produce un'adeguata ultrafinitura al primo passaggio nel mulino.

 

Consumo energetico tipico del mulino per vari gradi di finezza. I valori effettivi variano in base all'efficienza del sistema di macinazione e alla durezza del clinker.

Consumo e produzione di energia

Durezza clinker

La durezza del clinker è importante per il costo energetico del processo di macinazione. Dipende sia dalla composizione minerale del clinker che dalla sua storia termica. Il minerale di clinker più facile da macinare è alite, quindi i clinker ad alta alite riducono i costi di macinazione, sebbene siano più costosi da produrre nel forno. Il minerale più duro è il belite, perché è più duro ed è in qualche modo plastico, quindi i cristalli tendono ad appiattirsi piuttosto che a frantumarsi quando vengono colpiti nel mulino. Anche la modalità di combustione del clinker è importante. Il clinker ha bruciato rapidamente alla temperatura minima per la combinazione, quindi raffreddato rapidamente, contiene cristalli piccoli e difettosi che si macinano facilmente. Questi cristalli sono generalmente anche ottimali per la reattività. D'altra parte, la lunga combustione a temperatura eccessiva e il lento raffreddamento portano a cristalli grandi e ben formati, difficili da macinare e non reattivi. L'effetto di un tale clinker può essere quello di raddoppiare i costi di fresatura.

Mulini a rulli

Questi sono stati utilizzati per molti anni per il processo di macinazione del grezzo meno impegnativo, ma recentemente sono stati utilizzati mulini a rulli, in combinazione con separatori ad alta efficienza, per la macinazione del cemento. L'azione di macinazione impiega sul materiale uno stress molto maggiore rispetto a un mulino a sfere, ed è quindi più efficiente. Il consumo di energia è in genere la metà di quello di un mulino a palle. Tuttavia, la ristrettezza della distribuzione granulometrica del cemento è problematica e il processo deve ancora ricevere un'ampia accettazione.

Presse a rulli ad alta pressione

Questi sono costituiti da una coppia di rulli distanziati di 8–30 mm e controrotanti con velocità superficiale di circa 0,9 – 1,8 ms ⁻¹ . I cuscinetti dei rulli sono progettati per fornire una pressione di 50 MPa o più. Il letto di materiale trafilato tra i rulli emerge come un agglomerato lastriforme di particelle altamente fratturate. L'efficienza energetica di questo processo è relativamente alta. Sono stati progettati sistemi, tra cui un disagglomeratore e un separatore, che consegneranno materiale di finezza del cemento. Tuttavia, la distribuzione delle dimensioni delle particelle è di nuovo un problema e le presse a rulli sono ora sempre più popolari come processo di "pre-macinazione", con il cemento finito in un mulino a sfere a camera singola. Ciò offre buone prestazioni del cemento e riduce il consumo di energia del 20-40% rispetto a un sistema di mulino a sfere standard.

Capacità dei mulini di cemento

I cementifici di un cementificio sono generalmente dimensionati per un consumo di clinker notevolmente superiore alla produzione dei forni dell'impianto. Questo per due motivi:

• I mulini sono dimensionati per far fronte ai picchi di domanda del mercato di cemento. Nei paesi temperati, la domanda estiva di cemento è generalmente molto più alta di quella invernale. Il clinker in eccesso prodotto in inverno viene immagazzinato per essere pronto per i picchi di domanda estivi. Per questo motivo, gli impianti con una domanda altamente stagionale hanno solitamente depositi di clinker molto grandi.
• La cementeria è il più grande utilizzatore di energia elettrica in una cementeria e, poiché possono essere avviate e arrestate facilmente, spesso conviene far funzionare le cementerie solo durante i periodi "non di punta" quando è disponibile energia più economica. Ciò è vantaggioso anche per i produttori di elettricità, che possono negoziare i prezzi dell'energia con i principali utenti al fine di bilanciare la loro capacità di generazione nelle 24 ore. Vengono spesso impiegati accordi più sofisticati come "power shedding". Ciò consiste nel fatto che il produttore di cemento chiude l'impianto con breve preavviso quando il fornitore di energia si aspetta un picco critico della domanda, in cambio di prezzi favorevoli. Chiaramente, è necessaria un'abbondante capacità di fresatura del cemento in eccesso per “recuperare” dopo tali interruzioni.

Controllo della qualità del prodotto

Oltre al controllo della temperatura (di cui sopra), il requisito principale è quello di ottenere una finezza costante del prodotto. Sin dai primi tempi, la finezza veniva misurata setacciando il cemento. Poiché i cementi sono diventati più fini, l'uso di setacci è meno applicabile, ma la quantità trattenuta su un setaccio da 45 μm viene ancora misurata, di solito mediante setacciatura a getto d'aria o setacciatura a umido. La quantità che passa questo setaccio (tipicamente il 95% nei moderni cementi per uso generico) è correlata al potenziale di sviluppo della resistenza complessiva del cemento, poiché le particelle più grandi sono essenzialmente non reattive.

La principale misura della finezza oggi è la superficie specifica. Poiché le particelle di cemento reagiscono con l'acqua sulla loro superficie, la superficie specifica è direttamente correlata alla reattività iniziale del cemento. Regolando la finezza della macinatura, la manifattura può produrre una gamma di prodotti da un singolo clinker. È necessario uno stretto controllo della finezza per ottenere il cemento con le prestazioni quotidiane costanti desiderate, quindi vengono eseguite misurazioni 24 ore su 24 sul cemento mentre viene prodotto e le velocità di avanzamento del mulino e le impostazioni del separatore vengono regolate su mantenere costante la superficie specifica.

Un quadro più completo della finezza è dato dall'analisi granulometrica, che fornisce una misura della quantità di ogni intervallo dimensionale presente, da sub-micrometro in su. Questo era principalmente uno strumento di ricerca, ma con l'avvento di analizzatori di diffrazione laser economici e industrializzati, il suo uso per il controllo di routine sta diventando più frequente. Questo può assumere la forma di un analizzatore da tavolo alimentato con campioni raccolti automaticamente in un laboratorio robotizzato o, sempre più comunemente, strumenti collegati direttamente ai condotti di uscita del mulino. In entrambi i casi, i risultati possono essere inseriti direttamente nel sistema di controllo del mulino, consentendo la completa automazione del controllo della finezza.

Oltre alla finezza, devono essere controllati i materiali aggiunti nel cemento. Nel caso dell'aggiunta di gesso, il materiale utilizzato è spesso di qualità variabile ed è prassi normale misurare regolarmente il contenuto di solfato del cemento, tipicamente mediante fluorescenza a raggi X, utilizzando i risultati per regolare la velocità di alimentazione del gesso. Anche in questo caso, questo processo è spesso completamente automatizzato. Protocolli di misurazione e controllo simili vengono applicati ad altri materiali aggiunti, come calcare, scorie e ceneri volanti.

Mr. Nick Sun   [email protected]