II.- MOLINOS DE RODILLOS VERTICALES
En estos molinos, el material se tritura haciendo que un rodillo le ruede por encima. La ilustración de abajo muestra el mecanismo básico que podría trabajar de alguna de las siguientes maneras:
a.- Hacer girar el eje central B;
b.- Hacer que el rodillo, A, gire sobre su eje, permitiendo que éste gire sobre el eje central, B;
c.- Hacer girar el rodillo, A, sobre un eje fijo para que éste haga girar la mesa, C; y,
d.- Hacer girar la mesa, C; para que el rodillo, A, gire sobre un eje fijo.
Todos estos mecanismos se han usado desde tiempos ancestrales para la
molienda de una amplia variedad de productos, sin embargo, debido a ciertas
inquietudes respecto a la calidad del producto terminado, no fue sino hasta
finales del siglo XX que esta tecnología fue generalmente aceptada por la
industria del cemento. Hoy en día, después de haber demostrado que pueden
producir producto con calidad y características similares, y siendo más
eficientes que los molinos horizontales, los molinos verticales han adquirido
popularidad para la molienda de crudo, clinker, coque y cemento [1].
Las transmisiones para molinos verticales de cemento se han desarrollado
conforme a la demanda en la potencia requerida para los continuos incrementos
en la capacidad de producción de los molinos. Los molinos verticales de mediados
del siglo pasado tenían capacidades de producción del orden de 200 toneladas
por hora (t/hr), demandando potencias de unos 400 kW y pares de alrededor de
100 kNm. Estos molinos empleaban transmisiones con una etapa de engranes
cónicos y un par de etapas helicoidales. Para finales de la década de 1970 se
comenzaron a fabricar molinos con requerimientos de potencia del orden de 1,000
kW, haciendo necesario el desarrollo de reductores de velocidad que permitieran
compartir la carga entre varios engranes. Para ello se diseñaron reductores con una
etapa de engranes cónicos y una etapa planetaria. A finales del siglo pasado, los
molinos verticales habían rebasado los 2.5 MW con pares del orden de 1,000 kNm, haciendo necesario
incorporar una segunda etapa planetaria. Los molinos actuales superan las 700
t/hr, con demandas de 6 MW y pares de 3,000 kNm y han requerido de
soluciones innovadoras en los trenes de transmisión [2, 3 y 4].
PRIMERA GENERACIÓN – CÓNICOS y HELICOIDALES
Los primeros molinos verticales, que requerían potencia entre 50 y 1000
kW, eran accionados mediante reductores de velocidad con una primera etapa de
engranes cónicos y otras dos etapas de engranes helicoidales. A medida que
incrementó la potencia requerida por el molino, el engrane helicoidal de baja
velocidad fue creciendo hasta que su manufactura se volvió poco práctica y muy costosa. Al llegar a los 1,000 kW se hizo evidente que sería necesario
desarrollar un concepto nuevo. [3]
SEGUNDA GENERACIÓN – CÓNICOS CON UNA ETAPA PLANETARIA
Con el objeto de reducir el peso de los reductores y de resolver
problemas de capacidad en los engranajes, se diseñaron reductores de velocidad
con una etapa de engranes cónicos, A, y una etapa planetaria, B, con la corona fija y la mesa giratoria, C, unida al portador de engranes. El tamaño y la forma
cilíndrica de un reductor con este diseño, brindan un mejor soporte al cojinete
axial de la mesa giratoria del molino. Este diseño dio buen resultado hasta que
a finales del siglo XX el requerimiento de potencia llegó a unos 2.5 MW. La
limitación ahora aparecía en el engrane cónico. [2 y 3]
TERCERA GENERACIÓN - CÓNICOS CON DOS ETAPAS PLANETARIAS.
Al incrementar la demanda de potencia en los molinos, la industria adoptó como diseño básico estándar
para los engranajes de reductores de velocidad: una etapa de engranes cónicos
con dos etapas planetarias. Dentro de este diseño básico han prevalecido dos
configuraciones en los engranes planetarios:
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En la primera configuración, la mesa giratoria, A, está unida al portador de engranes, B, de la primera etapa planetaria y a la corona, C, de la segunda. La corona, D, de la primera etapa puede girar y está acoplada al piñón, E, de la segunda etapa planetaria. En este arreglo, los elementos B y C comparten el par transmitido; [3]
Para la misma capacidad, la primera versión ofrece un reductor de
velocidad de menor tamaño y costo que la segunda pero impone una mayor demanda sobre los engranes cónicos. A cambio del mayor costo y dimensiones de la segunda
versión, ésta es más robusta y ofrece mayor confiabilidad para el engrane cónico.
CUARTA GENERACIÓN (ACTUAL)
El diseño anterior alcanzó su límite alrededor de los 5 MW, en que, una
vez más, la limitante fue el conjunto de engranes cónicos. Para la
siguiente generación aparecieron conceptos diferentes, todos ellos con
accionamientos múltiples para evitar sobrecargar los engranes cónicos. La
incorporación de varios motores permite que en caso de una falla, los molinos de
esta generación puedan trabajar a capacidad reducida con un motor (y en algunas versiones dos) fuera de servicio. Esto significa que si se tiene una falla en una planta con dos molinos de un solo accionamiento, una falla del motor o su transmisión reduce la capacidad de la planta en un 50%. En cambio, ante una falla, la capacidad de producción de un molino de motores múltiples solamente se reduce en la fracción de la potencia total que representa el accionamiento que ha fallado. Otra ventaja que caracteriza a estos diseños es la facilidad de
acceso a los elementos de transmisión, que ahora están en el exterior del
molino, desde donde pueden retirarse y sustituirse rápidamente para que el
molino vuelva a operar en un tiempo mínimo.
Consideraremos básicamente tres diseños que han alcanzado cierta aceptación en el mercado: el primero tiene un
accionamiento directo para cada rodillo; el segundo tiene una corona periférica
con varios piñones, cada uno con su accionamiento propio; y el tercero tiene
dos pasos de reducción de velocidad, en el primero hay un engrane central
accionado por seis u ocho piñones, cada uno con su propio motor, y el segundo
paso es un conjunto planetario con entrada en el piñón central, corona fija y
salida por el portador de engranes. El tiempo que esta generación de
accionamientos lleva en operación no ha sido suficiente para alcanzar un consenso sobre la cualidades y limitaciones de cada uno de estos pero podemos analizarlos en
base a fundamentos teóricos y al sentido común.
ACCIONAMIENTO DIRECTO A LOS RODILLOS.
En este diseño, cada rodillo, E, tiene su propio accionamiento que consta de un motor eléctrico, A, y un reductor de engranes cónicos y planetarios, B. El eje del rodillo está soportado por una chumacera, C, y un castillo, D. Este castillo tiene un cilindro hidráulico para imprimir la carga sobre el rodillo. Los rodillos hacen girar la mesa, que es la única conexión mecánica entre los motores. Comparado con otros sistemas en que la conexión mecánica entre los motores se da en base a engranajes, este mecanismo permite cierto grado de deslizamiento entre el rodillo y la mesa giratoria y, por lo tanto, tolera mayor diferencia entre las velocidades de los motores, permitiendo el uso de sistemas de control de velocidad más sencillos. La principal desventaja de este diseño es que los motores y sus transmisiones requieren de una robusta estructura de soporte a la altura de los rodillos y de la cimentación correspondiente. [5]
CORONA PERIFÉRICA CON PIÑONES.
Este diseño emplea una corona horizontal, C, con dientes rectos para mover
la mesa giratoria, D. El accionamiento se hace mediante dos o más motores, A. Los motores pueden estar colocados en
posición horizontal, acoplados al reductor de velocidad, B, que tiene una etapa de engranes cónicos, una o varias etapas de
engranes helicoidales y un piñón de dientes rectos accionando la corona, C. [6]
En
otro arreglo, los motores, A, se colocan en posición vertical y el movimiento se
transmite a través varias etapas de reducción, B, C y D, a los piñones, E. Por cada motor, hay dos piñones compartiendo el par de transmisión. Un arreglo típico incluye tres motores con un total de seis piñones colocados alrededor de la corona. [C]
Las cargas de la molienda se transmiten
directamente a la cimentación del molino sin pasar por las paredes del reductor
de velocidad, dándole mayor rigidez.
Su principal inconveniente es que las
transmisiones y motores requieren de una superficie considerable en la base.
Otro inconveniente es que las cargas a las que están sometidos los piñones, se
transmiten directamente del reductor de velocidad al piso, incrementando los
requerimientos de cimentación del molino.
ENGRANE CENTRAL CON VARIOS PIÑONES.
Este diseño usa seis u ocho motores asíncronos, A, enfriados por agua y colocados en posición vertical,
cada uno acoplado directamente a un piñón. El engrane central, B, es accionado por
este conjunto de piñones. El eje del engrane central está acoplado
al piñón central, C, de un sistema de engranes planetarios, D. La corona, E, está fija y la mesa giratoria esta unida al portador de engranes planetarios, F. Las cargas de la molienda se transmiten a la base a través de la caja de la transmisión, H, cuya forma cilíndrica ofrece un buen soporte para este propósito. Su eficiencia es bastante alta, todas las cargas generadas en los dientes de
los engranes quedan contenidas dentro del reductor sin transmitirse a la base, y resulta fácil cortar el suministro de energía o extraer uno o
dos motores para que el molino continúe operando a carga reducida. [7 y 8]
CONCLUSIÓN.
Como respuesta al incremento en la capacidad de producción, el diseño de
reductores de velocidad para el accionamiento de los molinos verticales de
rodillos ha sufrido una profunda transformación a los largo de los últimos 70
años. Desde sus sencillos inicios de engranes cónicos y helicoidales, han
pasado por varias generaciones de diseño que a través de innovación han
superado los límites de potencia que imponía cada generación anterior. Sin embargo, todavía se fabrican molinos con capacidades relativamente bajas, en
los que conviene emplear reductores de velocidad con una etapa de engranes
cónicos y una o dos etapas de engranes planetarios. Hoy en día se siguen
refinando los diseños de estos equipos de menor capacidad para ofrecer productos con mejor
estructura de soporte, más eficientes, más confiables y más accesibles al
mantenimiento. Al seleccionar
el reductor de velocidad para una aplicación específica, vale la pena estudiar
cuál reductor se adapta mejor a las necesidades del usuario.
OTRAS CONSIDERACIONES
En la selección del fabricante también debe tenerse en cuenta:
- - Los cojinetes axiales que soportan la mesa giratoria y su importante impacto en la confiabilidad del equipo y en la temperatura, limpieza y vida útil del aceite de lubricación.
- - La rigidez estructural de la caja que soporta las cargas generadas por la molienda.
- - El arreglo de rodamientos y cojinetes, su eficiencia y la frecuencia de reemplazo de rodamientos.
- - La facilidad de acceso para la inspección, el mantenimiento y el reemplazo de los componentes, y su repercusión en los tiempos de paro y en los costos de mantenimiento.
- - La disponibilidad de refacciones.
- - La calidad del servicio que ofrece el proveedor.
REFERENCIAS:
1.- Th. Fahrland y K. H. Zisk: Cements Ground in Vertical Roller Mills Fulfil the Requirements of the Market. Loesche, GmbH
2.- P. Boiger: Development of the 4th Generation Vertical Roller Mill Drives. 58th IEEE-IAS/PAC Cement Industry Technical Conference, 15-19 May 2016, Dallas/USA
3.- R. Raeber, U. Weller y R Amato: A New Gearbox Gereration for Vertical Roller Mills. Maag, AG
4.- M Baechler, N Khoury y J. Weston: Drive Systems for Vertical Roller Mills. IEEE, 2016
5.- T. Schmitz: Qadropol QMC-RD. Worlds First Vertical Roller Mill with Driven Rollers. VDZ Congress 2013
6.- Inovative Flender Vertical Mill Drives. Siemes AG
7.- Cope Drive Systems for Loesche VRM. Renk, AG
8.- M. Keybner y T. Fahrland Dive Selection for Loesche Vertial Roller Mills. Loesche GmbH
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