CIS 290 - prof.usb.ve. - Universidad Simón Bolívar

OPTIMIZACIÓN DE LA PREPARACIÓN DE BARBOTINA EN PLANTAS DE BALDOSAS
TECNOLOGÍA CERÁMICA
Optimización de la preparación
de barbotina en plantas
de baldosas
Thierry Poirier (1), Cyril Lavelle (1), Mary Carolina Gonzalez (1),
Yohanna Tonito (2), Jonathan Konndryn (2), Mónica Viloria (2), Manuel Roz (2)
(1)
Centro de Ingeniería de Superficies,
(2)
Departamento de Ciencias de los Materiales, Universidad Simón Bolívar, AA 89000, Caracas 1080A,
Venezuela, [email protected]
INTRODUCCIÓN
Cuando el objetivo de una empresa
cerámica es alcanzar una mayor producción, sin invertir en nuevos equipos, su principal preocupación es la
optimización del rendimiento de producción de la maquinaria disponible.
En particular, el departamento de preparación de barbotinas de una planta
de baldosas tiene que proveer más
barbotina cada día, con características
estables, para su almacenamiento y
atomización-secado.
Donde CMP es la Carga de Materia
Prima molida durante el tiempo de un
Ciclo Total de Molienda, tCTM. Dicho
tiempo abarca el tiempo de molienda
propia (tM) y el tiempo dedicado a las
operaciones auxiliares (tOP) tales como
la carga y la descarga del molino.
pero se requiere de una inversión sustancial para aumentar la potencia del
motor debido al aumento de la densidad, y consecuentemente, de la masa
que se debe mover (fig. 2). El tOP también puede ser reducido, aprovechando el tiempo de molienda para efectuar
una precarga de la mezcla de materias
primas por una parte, y del agua por
otra parte, en tolvas ubicadas justo
encima del molino, a la salida de las
cintas de alimentación. Una tal opción
permite reducir los tiempos de carga
del molino de 90 a menos 15 minutos
en un molino industrial de 30.000
litros (casos plantas C y D, ver parte
experimental). Ciertos modelos de
bomba son capaces también de intervenir sobre el tiempo de descarga,
pero un tiempo de 30 minutos puede
ser considerado como un valor corriente para un molino de 30.000 litros.
Cabe acotar que sin la inversión en el
sistema de precarga, el rendimiento de
los molinos se puede ver afectado por
valores de tOP de hasta 2 horas.
Se pueden alcanzar reducciones importantes de tM mediante modificaciones
fundamentales, como el cambio de
cuerpos de molienda de sílice a cuerpos de alúmina (más costosos, pero
más densos y eficientes : ver fig 1),
Cualquier sea la opción técnica elegida, existe la posibilidad de intervenir
sobre los parámetros de uso corriente
del molino, como lo son las condiciones de carga de los cuerpos de molienda (CCM) y de la materia prima (CMP).
Se puede definir el rendimiento del
molino como :
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OPTIMIZACIÓN DE LA PREPARACIÓN DE BARBOTINA EN PLANTAS DE BALDOSAS
TECNOLOGÍA CERÁMICA
Fig 1 : efecto de la carga de cuerpos de molienda
sobre el tiempo de molienda, según la densidad
del material molturante : (1) alta, (2) mediana y (3)
baja (1)
power (HP)
200
Vincentini (SiO2)
Vincentini (Al2O3)
150
studied mills
(Al2O3)
100
SACMI (Al2O3)
SACMI (SiO2)
50
0
-50
0
10000
20000
30000
40000
internal volume (l)
Fig. 2 : Potencia especificada en catálogos comerciales (Sacmi y Vicentini) para molinos de diferentes volúmenes, con cuerpos de molienda de alúmina o de silex. En la planta C, un molino Sacmi
de 27400 lts con silex fue modificado para trabajar con cuerpos de alúmina. En esta modificación
se instaló un motor de 110 HP
Fig. 3 : evolución del tiempo de molienda vs altura relativa de cuerpos de molienda (unidades arbitrarias) (1). En la mayoría de los casos industriales, la carga de cuerpos de molienda representa
un 25-30% del volumen del molino, en parte por
razones de potencia del motor.
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cerámica información 290
El tiempo de molienda es una función
parabólica de la carga de cuerpos de
molienda (1) lo que significa (fig. 3) que
una carga aparente de 50-55% sería la
más eficiente (2). Sin embargo, la mayoría de los departamentos de preparación de barbotina suelen aplicar cargas
menores (aproximadamente 30-35%
del volumen aparente), siguiendo especificaciones de los constructores, debido a limitaciones de potencia del
motor : un exceso de carga impide el
arranque del molino. Cabe acotar la
existencia de modificaciones del sistema de alimentación eléctrica de los
motores para mejorar la eficiencia de
molienda (3). La distribución de los
tamaños de cuerpos de molienda (1,2)
es otro modo de reducir el valor de tM
y de aumentar el rendimiento del molino, dado que actúa sobre los mecanismos de molienda : unos cuerpos de
molienda más grandes favorecen el
impacto y la compresión, mientras que
los más pequeños tienden a producir
cizallamiento y fricción (2). El desempeño del molino al final de la molienda,
que dicta generalmente el valor de
tiempo de molienda, está estrechamente vinculado con la proporción de
estos cuerpos de molienda, debido a
que generalmente los cuerpos de
tamaño menor asumen un papel más
importante. En este sentido, una cantidad importante de estios cuerpos es
requerida.
Otro método para aumentar el rendimiento del molino consiste en actuar
paralelamente sobre CMP y tM. La relación entre tM y CMP no es lineal sino
exponencial (fig. 4). Por lo tanto, cuando CMP esta por debajo de un valor crítico, un aumento importante de CMP
se traduce tan solo por un ligero
aumento del tiempo de molienda, lo
cual resulta en un mayor rendimiento.
Sin embargo, una vez que CMP supera
este valor critico, cualquier aumento,
incluso ligero, implica un aumento proporcionalmente más importante, por lo
que el rendimiento disminuye de manera indeseable : en dado caso, sería
recomendable reducir CMP para optimizar la cantidad de barbotina procesada. Se puede considerar que el valor
crítico de CMP se alcanza cuando :
(ver fig. 9)
Una reducción de tM permite incrementar el numero de sesiones de molienda
cada día. Por lo tanto, ocurre un incremento del numero de operaciones de
carga y descarga del molino, y es necesario que la ganancia en cuanto al
tiempo de molienda (tM) logre compensar y superar este tiempo de operaciones auxiliares (tOP), si se desea un
mejoramiento real de la productividad
(reducción del tiempo de ciclo total de
molienda tCTM).
El valor crítico de CMP varia en función
de diferentes parámetros tales como
la composición mineralógica y la granulometría del batch, la naturaleza y
distribución de tamaños de los cuerpos de molienda, y la geometría del
molino. En este sentido, el valor crítico
debe ser evaluado en cada nuevo
caso, y no puede ser considerado a
priori como una constante.
Sin embargo, la caracterización del
efecto de CMP o de los cuerpos de
molienda en el medio industrial constituye un reto particularmente difícil,
dado que los proveedores de muchas
materias primas no garantizan una
reproducibilidad, o al menos un seguimiento estadístico de las características de su mercancía. Por ejemplo, la
composición mineralógica de las materias primas puede sufrir variaciones
importantes de un día para el otro.
Dichas variaciones dificultan la determinación en planta de la eficiencia de
uno u otro parámetro de carga : en
efecto, si el supervisor del departamento de preparación de barbotina
desea modificar un solo parametro de
carga a la vez, le es necesario “liberarse” de la variación de composición de
la materia prima, que representa un
parametro adicional decisivo en la
molienda. Por ejemplo, es dificil saber
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si una modificación de CMP tiene un
efecto real sobre el tiempo de molienda si la cantidad de desgrasante contenida en las arcilla cambia de un ciclo
al otro. Por lo antes planteado, es
necesario superar este obstáculo técnico.
Ciertas técnicas de corrección, basadas sobre la caracterización extensiva
de cada lote suministrado y mezclas
controladas son disponibles (4), para
garantizar que se usa prácticamente
la misma mezcla todos los días, pero
su aplicación requiere de modificaciones profundas en la organización de
un departamento de preparación de
barbotina. Por otra parte, la homogenización de materias primas mediante
técnicas adaptadas de terrazas es
posible en la planta(5), y permite limitar el problema de variación en gran
manera (ver fig. 5). Sin embargo, subsiste la necesidad de una vigilancia
estricta de las materias primas, pues
se pueden observar todavía unos
cambios indeseables en la reología y
el comportamiento en molienda de
las barbotinas entre dos sesiones de
molienda consecutivas. En todos los
casos, el factor “mano de obra” es
determinante y el nivel de adiestramiento y sensibilización del personal
a la necesidad de una producción
reproductible y de calidad puede decidir del grado de variabilidad de la
molienda y de su rendimiento. Frente
a estos retos, el presente articulo propone al ingeniero encargado de un
departamento de molienda, una metodología sencilla para limitar las variaciones en las características de las
barbotinas, y optimizar el rendimiento
de producción.
EXPERIMENTACIÓN
Se aplicaron los conceptos antes mencionados a cuatro plantas de baldosas, referenciadas A, B, C y D, las cuales recurren a molinos de capacidad
27.400 o 30.000 litros (tipo Sacmi
MTD 300 y MTD 340), generalmente
con cuerpos de molienda de alúmina,
importados o de fabricación nacional.
Para cumplir con el propósito de una
optimización, rápidamente realizable a
nivel de la planta, se descartó todo
ensayo de molienda a nivel de laboratorio, aplicando los ensayos directa y
sistemáticamente sobre los molinos
industriales de las plantas A,B,C y D.
El tratamiento del problema preliminar
de reproducibilidad entre dos ciclos de
molienda recurrió a las técnicas que a
continuación se exponen, considerando la fuente de error :
a) Limitación del efecto vinculado con
las condiciones de carga del molino
(error humano, imprecisión de los
equipos). Para procesar este tipo de
efecto, bastante corriente en las plantas estudiadas, se implantaron procedimientos sencillos y baratos de control y ajuste de la densidad y reología
de la barbotina que permiten adicionalmente realizar un seguimiento del
grado de molienda : se detiene el molino industrial cada 45 minutos y se
recoge un pequeño volumen de barbotina (0.3 litros) para luego medir su
densidad (picnómetro metálico de 100
ml), tiempo de derrame (copa ford n°4)
y el residuo seco (malla 230 mesh),
prosiguiendo con este proceso hasta
que el residuo medido alcance un valor
especificado (a menudo 3-7 g
seco/100 ml de barbotina), definiendo
asi el tiempo de molienda tM (ver fig 6).
Cada interrupción genera un retraso no
mayor de 5 minutos, y permite realizar
simultáneamente el seguimiento y el
ajuste de la barbotina.
TECNOLOGÍA CERÁMICA
Fig. 4 : evolución del tiempo de molienda of grinding time vs Carga de Materia Prima (CMP)1: el
punto B representa una condición de trabajo
donde es ventajoso aumentar CMP para obtener
un mejor rendimiento de producción (fuerte pendiente tiempo/CMP), mientras que el punto A
representa una condición donde es mas adecuado
aumentar CMP para obtener un mayor rendimiento
(pendiente debil).
Fig. 5 : evolución del porcentaje másico de silice en
una arcilla suministrada a la planta C, al salir del
camión y al salir de la terraza de homogenización
Durante las primeras interrupciones,
una eventual corrección de densidad
es posible agregando pequeñas cantidades de agua (algunas decenas de
litros) al molino, en el caso de medir
una densidad superior al valor especificado. En cambio, cuando la densidad
medida es inferior al valor especificado, resulta más complejo realizar una
corrección (se requiere agregar una
cantidad definida del batch, preparado
separadamente). Cabe acotar que
generalmente, tal corrección no es
necesaria, y a medida que los agregados se dispersan y se elimina el aire
atrapado dentro de los mismos, la dencerámica información 290
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TECNOLOGÍA CERÁMICA
Tabla 1 : condiciones de carga del molino (planta A) : se seleccionaron 3 valores de CCM y 3 valores de
CMP, trabajando asimismo con 9 condiciones de carga (3 x 3). Los valores en negritas se refieren a los
parámetros corrientemente aplicados en la planta A.
Fig. 6 : ejemplos de medición del tiempo de
molienda mediante interrupciones periódicas de la
molienda (planta C). En el caso A, el material resultó más dificil de moler que en el caso B. En ambos
casos el tiempo clásico de molienda no es el adecuado, por lo que se recomienda la técnica de
medición de dicho residuo en tiempo real.
Fig. 7 : seguimiento de la densidad de barbotina
vs tiempo de molienda (planta B)
Fig. 8 : variación de residuo seco después de un
tiempo fijo de molienda (3h30, planta C)
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cerámica información 290
Carga de Cuerpos Moledores
(% volumen real ocupado)
18%
24%
29%
Carga de Barbotina (% volumen
real ocupado por la barbotina
de densidad 1.73 kg/l)
54%
61%
66%
sidad de la barbotina aumenta hasta
un nivel estable (ver ensayo en planta
B : fig. 7). Aveces, la medición de tiempo de derrame después de 60 minutos
de molienda aparece muy superior al
valor especificado, por un error del
operador (falta de defloculante), o por
una concentración anormal de sales
solubles en las materias primas, por
ejemplo : más de 1000 ppm de sulfatos o más de 150 ppm de cloruros en
las arcillas. En tal caso, se recomienda
agregar una cantidad moderada de
defloculante hasta que el tiempo de
derrame se ajuste a lo especificado :
por ejemplo por dosis equivalentes a
un 10% de la cantidad previamente
agregada.
Ensayo con un molino : en este sentido, se apartó en el patio de almacenamiento de la planta A un lote fijo de
cada materia prima o “lote piloto”,
para proceder a los cambios de parametros de carga en el molino considerado. Es recomendable homogenizar
cada lote piloto por medio de un payloader, para garantizar la ausencia de
variación debida a la materia prima en
los ensayos. Sin embargo, considerando que cada molino del orden de
30.000 lts se carga con más de
15000 kg de materia prima, los requerimientos de espacio para una serie de
varios ensayos (por ejemplo, 4 condiciones de CMP en el molino) no siempre pueden ser satisfechos.
b) Limitación del efecto de las variaciones inherentes a la materia prima y
consideraciones a tomar sobre el molino utilizado. Es razonable asumir que
las características básicas de la materia prima (granulometría inicial, composición mineralógica ...) cambian en cierta medida todos los días, por las variaciones inherentes al yacimiento y las
posibles deficiencias en el control realizado por el proveedor : debido a este
cambio, el tiempo de molienda y el producto final se ven influenciados a diario
por estas variaciones (ver fig. 8).
De hecho, en el caso de la planta A, el
espacio disponible siendo muy reducido, se decidió recurrir a un molino de
menor capacidad que un molino SACMI
MTD300 de 27.400 lts (diámetro interno : 3.05 m), por lo que se escogió un
molino Vicentini de 380 lts (diametro
interno : 0.82 m), destinado clásicamente a la preparación de esmalte. Se
realizaron pruebas comparativas con
tres condiciones de Carga de Materia
Prima (CMP) y tres condiciones de
Cuerpos de Molienda (CCM) (ver tabla
1), con el propósito de medir de manera comparativa la evolución del tiempo
de molienda (tM), del rendimiento de
molienda correspondiente, y luego
trasponer las condiciones óptimas
identificadas, al molino de 27.400 lts.
Posteriormente, se llenó el molino de
27.400 lts en la mañana con el valor
clásico de CMP (54%) y en la tarde con
el valor óptimo de CMP en la tarde,
durante varios días, con el fin de con-
Por ello, el poder discriminar el efecto
positivo (benéfico) o negativo de un
cambio en los parámetros de carga de
un molino industrial requiere de una
condición : trabajar con el mismo material (misma composición y granulometría de batch) en cada ensayo, y realizar
mediciones comparativas entre las
diversas condiciones adoptadas.
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TECNOLOGÍA CERÁMICA
firmar la validez de las observaciones
realizadas con el molino de 380 lts.
Ensayo con dos molinos similares : se
implementó en las plantas C y D una
alternativa al metodo anterior, que
prescinde de un lote piloto : se seleccionan dos molinos similares en cuanto a volumen, potencia de motor y tipo
de cuerpo de molienda. La eventual
diferencia de tM entre ambos molinos
se puede cuantificar mediante sesiones simultaneas de molienda, con
materias primas proviniendo del
mismo lote, y aplicando el mismo valor
de CMP y CCM durante varios días (ver
fig. 12). Una vez establecido el coeficiente de corrección que permite comparar los valores de tM de cada molino
entre ellos, se mantiene las condiciones estándar en el primer molino y se
implementa la modificación deseada
en el segundo molino. Se mide entonces la diferencia de tM y se deduce el
eventual aumento de rendimiento.
RESULTADOS
a) Ensayo con un molino mediano y
aplicación a un molino de 27.400 lts
Los ensayos realizados con el molino
de esmalte confirman que una mayor
carga de cuerpos de molienda (CCM)
genera tiempos de molienda más cortos (fig. 9). Por otra parte, se observa
que el valor critico de CMP aumenta
cuando CCM disminuye. Esto implica
Fig 9 : ratio variación relativa de tiempo de molienda (tM) / variación relativa de CMP vs carga de
materia prima (CMP), para tres condiciones de
carga volumica de cuerpos de molienda (CCM)
(planta A)
que un molino muy cargado de cuerpos
de molienda trabaja mejor con una baja
carga de materia prima. En este sentido, se recomienda evitar el exceso de
CCM pues, aunque el molino muele
muy rápidamente la carga de materia
prima considerada, y aunque presenta
una de los mejores proporciones
CMP/tM, el hecho que solamente una
cantidad pequeña de materia prima
sea molida en cada ciclo obliga el
supervisor de preparación de barbotina
a planificar un mayor numero de ciclos,
y por lo tanto, un mayor numero de operaciones de carga y descarga : el factor
“tiempo de operaciones auxiliares” (tOP)
trae como consecuencia un rendimiento global menor a lo esperado.
Fig. 10 : calculo con un molino mediano (380 l) del
rendimiento relativo de producción en función de
CMP y CCM (tOP tomado en cuenta). Base 100 :
condiciones estandar de la planta A (CMP = 54% y
CCM = 24%)
Sobre la base de un valor de tOP = 45
minutos, la figura 10 propone un estimado del rendimiento de molienda que
resultaría de las condiciones seleccionadas con el molino mediano : las condiciones seleccionadas por la planta A
en vista a estos resultados fueron :
CCM = 24% y CMP = 61% del volumen
del molino. En este sentido, se requería únicamente de la aplicación un
cambio de CMP (de 54% a 61%vol), sin
cambio de CCM en el molino. Se realizó una comparación de productividad
del molino industrial MTD300 entre
ambas condiciones de carga, según el
modo siguiente : cada día, el primer
ciclo de molienda se realiza con CMP =
54% y el ciclo siguiente con 61%, lo
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OPTIMIZACIÓN DE LA PREPARACIÓN DE BARBOTINA EN PLANTAS DE BALDOSAS
TECNOLOGÍA CERÁMICA
cual permite utilizar una misma materia prima practicamente constante. La
productividad comparada sobre 5 días
(fig. 11) muestra un aumento sistemático de la productividad real, con la
magnitud prevista en el molino de
prueba (aproximadamente 3-4% en el
presente caso).
b) Ensayo con dos molinos de 27.400 lts
Fig 11 : comparación del rendimiento entre dos
condiciones de carga del molino MTD340 de la
planta A : conforme a lo obtenido con el molino de
380 l, se obtiene una ganancia de rendimiento del
orden de 3%.
En el presente ejemplo (planta D), se
cargaron dos molinos con la misma
carga de cuerpos moledores (silex) y
de materia prima, durante dos semanas : la proporción promedio tiempo
molino 1 / tiempo molino 2 fue encontrada igual a f = 0.83. Se procedió
luego a modificar la carga de materia
prima : en el caso presente se redujo
la carga de materia prima de 15000 kg
(carga estandar) a 13.000 kg, o sea
una reducción de CMP de 13.3%. La
diferencia de tiempo total corregido de
molienda (incluyendo operaciones
fijas) es definida a continuación :
Se consiguió una reducción de tiempo
total (corregida) de 2 horas, generando
así una ganancia de tiempo del orden
de 15.3%. Un aumento real de productividad del orden de 2% es obtenido
(ver fig. 12). En el presente caso, se
consta que el valor de CMP es cercano
a su valor crítico.
CONCLUSIÓN
Fig 12 : evolución del tiempo total de molienda
usando dos molinos distintos con los mismos
parametros de carga (planta D). Se nota una proporción entre los tiempos del molino 1 y del molino 2. Después del cambio de condiciones de
carga en el molino 2 (día 9), se produce un cambio relativo, reflejado en la ganancia de tiempo
(hasta 15.3%)
Ingeniería
de
La práctica de las interrupciones periódicas de molienda como táctica de
control reológico y seguimiento de
molienda, aparece como una herramienta de suma utilidad para racionali-
maquinaria
zar la producción de un departamento
de preparación de barbotina. Se puede
limitar el efecto de los errores de operación, y monitorear el tiempo de
molienda. Así, el encargado del departamento de preparación de barbotina
puede definir condiciones industriales
óptimas, en cuanto a carga de cuerpos
de molienda y de materia prima, para
aumentar al máximo el rendimiento de
producción de los molinos, por medio
de ensayos paralelos con dos molinos
grandes, o en su defecto recurriendo a
un molino mediano para predecir de
manera consistente el comportamiento de un molino grande. La optimización de la distribución de cuerpos de
molienda puede ser realizada de la
misma manera.
AGRADECIMIENTOS:
Los autores quieren agradecer a los
Ing. Andrade, d’Amelio, Mijares, Petit,
el TSU Azad, y los Dr. Velez y Lira por
su apoyo y recomendaciones
REFERENCIAS:
1 IMPIVA : “Tecnología de la fabricación de
azulejos”, VI-18, 1990
2 J. Reed, “Introduction to principles of ceramic processing”, p 268, J.Wiley, 1988
3 G.Nassetti, C.Palmonari, “Application of a
variable frequency inverter in discontinuous grinding of ceramic raw materials”,
Am. Cer. Soc. Bull vol 71, n°4, 1992, pp
648-652
4 J.E Funk, D.R Dinger, J.A Montoya,
“Achieving constant body performance by
improving the raw material bath”, Ceramic
Industry, 147, n°7, 16-18, julio 1997
5 R.Whittemore, “Raw material stockpiling
techniques”, Am.Cer. Soc. Bull. Vol 73,
nº6, 1994, pp 60-62
industrial
y
cerámica
FABRICACIÓN, VENTA Y REPARACIÓN MAQUINARIA
Fabricación y Repuestos, S.A.
GRANELL maquinaria cerámica
Ctra. Vila-real / Onda, Km 3.2 • Apdo. 358 • 12540 Vila-real (Castellón) • Te. (+34 964) 52 02 30 • Fax: (+34 964) 52 68 11
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