ACCIONAMIENTOS PARA MOLINOS DE MINERALES

I.- MOLINOS HORIZONTALES

INTRODUCCIÓN

 La trituración consiste básicamente en reducir el tamaño de los pedazos o partículas del material a triturar. Existe una amplia variedad de mecanismos empleados en la trituración de diferentes materiales y dependiendo del resultado que se desee obtener, la molienda de minerales y materiales similares como cal, cemento o coque, puede darse en una o varias etapas, que pueden incluir otros procesos intermedios. Este artículo trata sobre distintos tipos de reductores de velocidad comúnmente usados para accionar molinos horizontales para minerales y materiales similares.

Los molinos horizontales consisten en un cilindro hueco, parcialmente relleno con un medio triturador y el material a triturar. Al hacer girar el cilindro, el material se tritura en base al rodaje, golpeteo y desgaste producido por un movimiento de revolvedora en el interior del cilindro.

Los elementos de transmisión para estos molinos están expuestos a variaciones abruptas de la carga y a un medio ambiente hostil que puede incluir temperaturas extremas, humedad, lodo o polvo. La confiabilidad del equipo depende en gran medida de la experiencia del fabricante y de cómo ésta se traduce en productos mejor diseñados y fabricados. Dependiendo de la forma en que se desarrolle el proyecto, los fabricantes de reductores de velocidad y de los demás componentes de la transmisión pueden trabajar directamente con el usuario final o a través del fabricante del molino pero en todo caso deben estar involucrados desde el principio del proyecto para garantizar que la transmisión sea adecuada para cada aplicación en particular.

MEDIO TRITURADOR PARA MOLINOS HORIZONTALES

Llamamos medio triturador a elementos de material duro que mediante golpes, rodaje o desgaste, reducen el tamaño de los pedazos o partículas del mineral a triturar. Los medios más comúnmente utilizados en la molienda de minerales son barras y bolas de hierro. En  las etapas primarias del proceso de minerales se pueden emplear molinos  autógenos, en las que el mineral se tritura sin necesidad de un medio adicional, o molinos semiautógenos (semi-autogenous grinding o SAG), en que, además de la trituración autógena se incluyen bolas para contribuir en el proceso.

Las barras tienden a permanecer en la parte inferior del molino para rodar sobre el mineral, representando una carga relativamente pareja para la transmisión. En los otros tipos de molinos, el material y las bolas tienden a adherirse a las paredes del molino, elevándose hasta que ya no pueden sostenerse y caen sobre el mineral para triturarlo a base de golpes, como se puede apreciar en este video de YouTube  [1].

Los molinos de bolas, autógenos y semiautógenos son una aplicación más demandante para la máquina, y en especial para la transmisión, porque están sujetas a dos condiciones adversas, la primera es que tienen que sostener una gran masa excéntrica fuera de la línea vertical de sus soportes y la segunda es que el golpeteo de las bolas y el mineral se refleja a la transmisión, creando fluctuaciones abruptas en la carga [2]. Además, al cortar el suministro de energía a la transmisión, la carga, que busca el punto más bajo en un movimiento amortiguado de columpio, invierte varias veces el sentido de la carga sobre el reductor de velocidad, hasta que se detiene totalmente [3].

ACCIONAMIENTOS:

Los molinos horizontales para minerales son aplicaciones de baja velocidad y alto par. Hay básicamente tres formas de accionamiento: central, corona periférica y accionamiento directo.

ACCIONAMIENTO CENTRAL:

Consiste en engranajes alojados dentro de una caja cerrada con el eje de salida acoplado directamente al eje central del molino. Este tipo de trasmisión es ampliamente usado en la industria del cemento porque no le afectan ni la expansión térmica ni otras deformaciones del molino. Otras ventajas importantes de este arreglo son: que los engranes están protegidos contra un medio ambiente adverso; que son transmisiones relativamente compactas, ahorrando espacio y peso en la estructura de soporte para todo el molino; que su instalación y alineación son relativamente sencillas; y que producen menos ruido y vibraciones que las transmisiones a base de corona periférica [4].

Arreglo de engranes para una transmisión
central con engranes fijos. La primera etapa,
a la izquierda, con un piñón y dos engranes,
y la segunda etapa con dos piñones y un
engrane.

Los accionamientos centrales para molinos de bajas potencias pueden emplear motores y reductores de velocidad industriales estándar pero cuando la potencia requerida está dentro de un rango de 1 a 10 MW, se hace necesario incrementar la densidad de potencia (potencia transmitida por unidad de masa del reductor) mediante arreglos que permiten que la carga sea compartida entre varios engranes. Los engranes pueden ser fijos (imagen de la izquierda), o pueden ser arreglos planetarios (imagen de abajo). 

Las transmisiones de engranes planetarios para accionamiento central han pasado por varias etapas de desarrollo que en un lapso menor a 50 años, en base a mejores diseños y materiales y al empleo de cojinetes hidrodinámicos, se ha reducido el peso a menos de la mitad del original y al mismo tiempo se ha incrementando el factor de servicio AGMA de 2 a 2.5 [3].

ENGRANE O CORONA PERIFÉRICA:

Un engrane o corona en la periferia del molino accionado por uno o varios piñones, es una solución sencilla y barata de accionar molinos con requerimiento de potencia hasta unos 20 MW. Sin embargo, su diseño, fabricación y montaje son altamente especializados, por lo que se recomienda, como para cualquier otro elemento de transmisión, seleccionar cuidadosamente al proveedor y trabajar con él desde el principio del proyecto. En molinos que trabajan en frío, la corona normalmente se fija mediante tornillos a una brida soldada a la superficie cilíndrica exterior del molino. En hornos o molinos que trabajan a alta temperatura,  la corona está a una temperatura inferior a la del molino y el montaje es mediante resortes que absorben la diferencia en la expansión térmica entre estos dos elementos.

Arreglo de dos piñones en transmisión expuesta

(el dibujo no muestra las transmisiones auxiliares

que podrían estar acopladas al lado opuesto

a la transmisión principal de cada piñón)

Los dientes de la corona y los piñones pueden ser rectos, helicoidales o de doble hélice. Las coronas comúnmente serán de dos secciones hasta un diámetro de unos 7.5 m, de ahí en adelante se fabrican de tres o más segmentos. Las técnicas modernas permiten la fabricación de coronas en 6 segmentos o más, que  pueden rebasar los 14 m de diámetro. Entre mayor sea el diámetro y el número de segmentos, más dificultad presentará la instalación de la corona y se hace necesario reducir al mínimo la excentricidad en su giro para lograr una contacto adecuado entre los dientes de los engranes [5 y 6].

Arreglo de engranes en una transmisión cerrada en tres etapas: la

 primera consiste en el piñón de alta velocidad,1, y un engrane,2; en la

segunda etapa hay dos piñones, 3 (uno a cada lado del engrane, 2) y

dos engranes,4; y en la última etapa hay dos piñones,5 (azules),  y la

corona periférica, 6 (mostrada como un segmento color verde)

En la mayoría de las aplicaciones, las coronas y sus piñones están expuestas pero también pueden estar cerradas para protección contra un medio ambiente hostil. La capacidad de transmisión de la corona se puede incrementar haciendo que más de un piñón comparta la carga. Las transmisiones expuestas normalmente tienen un motor para cada piñón y las transmisiones cerradas se prestan mejor a arreglos con dos piñones por cada motor (ilustración de la izquierda). 

Corona con dos accionamientos cerrados, cada uno con dos piñones.
La doble extensión del eje de entrada permite acopar una extensión al
Motor principal y la otra, al accionamiento auxiliar.

ACCIONAMIENTO DIRECTO

Conocidos también como GMD (Gearless Mill Drive), consisten en un motor eléctrico que envuelve al molino y lo emplea como rotor. Aunque por sus dimensiones y peso representa una solución costosa y difícil de fabricar, transportar e instalar, el accionamiento directo elimina la transmisión auxiliar así como los acoplamientos, cajas de engranes y cojinetes de la transmisión principal, permitiendo una mayor eficiencia y control del molino. Este sistema puede alcanzar potencias superiores a las que en la actualidad son prácticas para transmisiones a base de coronas periféricas. Las GMD, por lo tanto, tienen mayor aplicación en molinos autógenos y semiautógenos en el rango de 16 a 28 MW, alcanzando diámetros cercanos a los 13 m [7, 8 y 9].

ACCIONAMIENTO AUXILIAR

Dependiendo del tipo de motor principal que emplee el molino, algunos requieren de un accionamiento auxiliar para los movimientos de baja velocidad y posicionamiento para su mantenimiento.

1.- Motor auxiliar con freno de contravuelta

2.- Acoplamiento hidráulico

3.- Freno estático de fricción

4.- Reductor de velocidad auxiliar

5.- Acoplamiento tipo mordaza

6.- Motor Principal

7.- Acoplamiento elástico

8.- Reductor de engranes planetarios

9.- Brida para acoplamiento al molino

10.- Sistema de lubricación.

El motor auxiliar,1, tiene un freno de contravuelta integrado que impide el giro en sentido invertido. El acoplamiento hidráulico, 2, puede actuar, entonces, como freno dinámico cuando el molino gira en sentide invertido cuando se columpia al cortar el suministro de energía al motor auxiliar. Durante el proceso de paro, el reductor principal requiere de lubricación que se le puede hacer llegar suministrando energía eléctrica a los motores de las bombas de lubricación o mediante un sistema auxiliar de lubricación a base de gravedad. El acoplamiento de mordaza, 5, permite usar el motor auxiliar para el arranque y desembraga automáticamente cundo el motor principal rebasa la velocidad del accionamiento auxiliar. El embragado o desembragado manual de este acoplamiento sólo puede hacerse con el molino totalmente parado.

La velocidad típica de operación para molinos horizontales de bolas es de unas 14 a 18 rpm con poca variación del par requerido respecto a la velocidad a la que gira el molino. Si para propósitos de mantenimiento se requiere una velocidad de giro de 1.5 rpm aproximadamente, la relación de velocidad para la transmisión auxiliar acoplada a la extensión posterior del eje del motor será del orden de 10:1 y la potencia requerida para el motor auxiliar será del orden de una décima parte de la potencia del motor principal.

CONCLUSIÓN

Los molinos horizontales para minerales y materiales similares son una aplicación demandante para los elementos de transmisión, conviene, por ello, trabajar con fabricantes con la experiencia y los conocimientos necesarios para ofrecer productos que garanticen una operación eficiente, confiable y rentable.

 Los accionamientos centrales pueden transmitir hasta 10 MW y son una buena solución para molinos de bolas que trabajan a alta temperatura y en ambientes contaminados; las coronas periféreicas con piñón son una solución relativamente barata que requiere cuidado en la fabricación, transporte e instalación, y representan una buena solución para transmitir entre 10 y 20 MW de potencia; y el accionamiento directo es una solución eficiente y es la mejor opción para potencias en el rango de 16 a 28 MW.

REFERENCIAS:

1.- Grinding Mill Design & Ball Mill Manucacturer. 911 Metallurginst

2.- Ball Mill Critical Speed & Working Condition. 911 Metallugy Corpration. YouTube

3.- High torque Planetary Gears PBLZ for Central Mill Drivea, Renk AG

4.- W Acle. Central Drice or Girth Gear Drive for Ball Mills. MAAG Zurich 

5.- Steve Lovell. Girth Gears- More than just Metals and Teeth Gear Technology, May, 2017

6.- Joe Brown. Ring Gear Drives Huge Grinding Mill. Power Transmission Design, March 01, 2000

7.- Maarten van de Vijfeijken. Mills and GMD's. International Mining, October 2010  

8.- Helmut Liepolt. Mining for Productivity and Profit. Siemens Customer Magazine

9.- R. Kalra, J. Jiangang, I. Druce, M. Rauscher. Updates on Geared vs. Gearless Drive Solutions for Grinding Mills. SME Annual Meeting February 24-27, 2013. Denver, Co. USA