Preparazione della farina cruda in un cementificio

La farina grezza è la polvere fine e omogenea di calcare, argilla (o scisto), minerale di ferro e sabbia silicea che alimenta la torre di preriscaldo di un forno da cemento. La preparazione della farina grezza è la fase a monte del processo di produzione del cemento in cui queste materie prime vengono frantumate, macinate e dosate per raggiungere un target chimico definito da tre moduli di controllo: il Fattore di Saturazione in Calce (LSF), il Modulo Silicico (SM) e il Modulo Alluminoso (AM).

L'articolo seguente analizza le materie prime e il ruolo dei rispettivi ossidi, le formule utilizzate da un ingegnere di processo per definire la chimica della miscela grezza, la scelta tra un mulino verticale a rulli (VRM) e un mulino a sfere, l'omogeneizzazione continua e gli aspetti economici legati all'acquisto di materiali correttivi quando la produzione della cava in loco è insufficiente.

Cos'è la farina grezza?

La farina grezza è la polvere fine e omogeneizzata risultante dalla macinazione della miscela grezza dosata a una finezza controllata, prima di essere alimentata alla torre di preriscaldo. La finezza tipica della farina grezza nei moderni cementifici a via secca presenta un residuo del 10-15% su vaglio da 90 micron e dell'1-2% su vaglio da 200 micron (Labahn e Kohlhaas, Cement Engineers' Handbook, 7ª ed., 1983, il testo di riferimento storico utilizzato nei programmi di formazione dei cementifici).

Farina grezza (sinonimi: alimentazione del forno, miscela grezza di cemento). La polvere fine e omogeneizzata di calcare, argilla o scisto, minerale di ferro e sabbia silicea, macinata e dosata secondo un target chimico, che viene alimentata nella torre di preriscaldo di un forno da cemento. In senso stretto: la "miscela grezza" (raw mix) è la miscela formulata prima della macinazione, la "farina grezza" (raw meal) è il prodotto macinato, l'"alimentazione del forno" (kiln feed) è la farina nel momento in cui entra nel preriscaldatore. Nella pratica, nella maggior parte degli impianti i tre termini sono usati come sinonimi.

Si noti che il termine "raw mix" compare anche in contesti alimentari e di mangimi per animali con significati non correlati; nel contesto del cemento, indica specificamente la miscela minerale a chimica controllata che si trasforma in clinker.

Le quattro materie prime e il ruolo dei loro ossidi

Quattro materie prime forniscono i quattro ossidi che costituiscono oltre il 95% del clinker di cemento Portland: calcare (CaO), argilla o scisto (SiO₂ e Al₂O₃), minerale di ferro (Fe₂O₃) e sabbia silicea (SiO₂ aggiuntiva). Il componente predominante in termini di massa è il calcare.

Fonte: Labahn e Kohlhaas, Cement Engineers' Handbook; Cembureau industry baseline. https://cembureau.eu/

L'argilla fornisce la maggior parte della silice e dell'allumina. Il minerale di ferro e la sabbia silicea sono materiali correttivi, aggiunti quando la base di calcare e argilla non raggiunge autonomamente il target chimico. In molti impianti, le ceneri volatili, la loppa d'altoforno o i fanghi rossi sostituiscono parte del flusso correttivo, sia per colmare il gap chimico sia per ridurre il costo per tonnellata e l'impronta di CO₂ della miscela grezza.

I moduli di controllo chimico (LSF, SM, AM)

La chimica della miscela grezza è controllata da tre rapporti adimensionali: il Fattore di Saturazione in Calce (LSF), il Modulo Silicico (SM) e il Modulo Alluminoso (AM). Insieme, determinano l'attitudine alla cottura del clinker, la composizione a quattro fasi del clinker risultante e le prestazioni a valle del cemento.

Le formule:

LSF = (100 × CaO) / (2.8 × SiO2 + 1.18 × Al2O3 + 0.65 × Fe2O3)

SM  = SiO2 / (Al2O3 + Fe2O3)

AM  = Al2O3 / Fe2O3

Dove:

• CaO, SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃. Percentuali in massa dei quattro ossidi principali nella miscela grezza, calcolate su base esente da perdita al fuoco (LOI-free).
• LSF. Fattore di Saturazione in Calce (Lime Saturation Factor). Il rapporto tra il CaO presente e il CaO che può combinarsi stechiometricamente con SiO₂, Al₂O₃ e Fe₂O₃ per formare le quattro fasi del clinker. Al di sopra di 100 si ha calce libera in eccesso; al di sotto di un minimo effettivo, si ottiene un basso contenuto di alite (C₃S) e un cemento dalle prestazioni meccaniche deboli.
• SM. Modulo Silicico (Silica Modulus, talvolta "rapporto silicico"). Definisce l'equilibrio tra le fasi silicatiche e la fase liquida alluminato-ferritica che mineralizza la cottura nel forno.
• AM. Modulo Alluminoso (Alumina Modulus, talvolta "rapporto alluminoso" o "modulo di ferro"). Definisce il rapporto C₃A:C₄AF nel clinker, che a sua volta influisce sul tempo di presa e sulla resistenza ai solfati.

Intervalli target per il clinker di cemento Portland ordinario (OPC), secondo le convenzioni industriali di Labahn / Kohlhaas e Cembureau:

Un impianto che opera al di fuori di questi intervalli non è necessariamente fuori specifica, ma ogni deriva dei moduli comporta una penalità in termini di combustibile (basso SM, problemi nella zona di coating), una penalità qualitativa (basso LSF, clinker più debole) o una penalità sulla vita utile (alto AM, tempi di presa più lunghi e minore resistenza ai solfati).

Macinazione: mulino verticale a rulli vs mulino a sfere

Le materie prime vengono macinate in farina grezza utilizzando un mulino verticale a rulli (VRM) o un mulino a sfere. I VRM dominano le nuove installazioni grazie al loro minor consumo energetico specifico (tipicamente 12-18 kWh/t a seconda della macinabilità del calcare, contro i 20-25 kWh/t per un circuito con mulino a sfere, secondo i dati pubblicati dai costruttori Loesche e FLSmidth e i dati del censimento NCB India per la flotta indiana, che stimano il consumo specifico (SPC) del VRM per la farina grezza a 8-14 kWh/t per calcari da teneri a duri). I VRM detengono la quota maggiore della capacità di macinazione della farina grezza in India secondo i dati del censimento degli impianti NCB; i mulini a sfere rimangono nei vecchi circuiti di macinazione del crudo esistenti (brownfield) e sono ancora ampiamente utilizzati per la macinazione di finitura, ma le nuove linee di farina grezza sono quasi universalmente specificate come VRM.

Fonti: dati tecnici Loesche serie LM, documentazione di prodotto FLSmidth OK Raw Mill, schede tecniche KHD Humboldt Wedag e Gebr. Pfeiffer serie MPS; bollettini ECRA sull'energia di macinazione del cemento. https://www.loesche.com/ , https://www.flsmidth.com/ , https://ecra-online.org/

Un VRM consente di risparmiare il 20-30% dell'energia di macinazione rispetto a un mulino a sfere di capacità equivalente (dati pubblicati da FLSmidth e Loesche, coerenti con i bollettini ECRA). Gestisce meglio le materie prime umide, un aspetto cruciale dato che il calcare fresco di cava può presentare un'umidità dell'8-12% prima di qualsiasi essiccazione. Lo svantaggio risiede nel maggiore investimento iniziale e in una gestione dei componenti soggetti a usura più specialistica: un mulino a sfere è più semplice da gestire, più facile da manutenere e più tollerante nei confronti di un personale di turno meno esperto. Per una nuova linea, il VRM è quasi sempre la scelta corretta anche solo per ragioni di costo dell'energia; per un revamping brownfield, la risposta dipende dalla vita utile residua del mulino a sfere esistente e dalla tariffa elettrica locale.

Miscelazione e omogeneizzazione

Dopo la macinazione, la farina grezza viene omogeneizzata in un silo di omogeneizzazione continuo a flusso di massa prima di essere alimentata al preriscaldatore. I primi sili di omogeneizzazione continua riducono la deviazione standard dell'LSF nell'alimentazione del forno di un fattore da 7 a 10 rispetto al flusso di farina grezza in ingresso (materiale didattico Holderbank Cement Course, il set di riferimento pubblicato da Holcim e utilizzato in tutto il settore). Questa riduzione della deviazione standard è ciò che rende possibile una chimica del clinker costante in un forno a funzionamento continuo.

La principale fonte a monte della variabilità dell'LSF è la cava di calcare stessa: la geologia non è uniforme e il contenuto di CaCO₃ di un fronte di scavo può variare di diversi punti percentuali nell'arco di una settimana lavorativa. Gli analizzatori in linea a fluorescenza a raggi X (XRF) all'uscita del mulino del crudo e all'alimentazione del forno chiudono l'anello di regolazione, regolando i dosatori dei materiali correttivi in tempo reale. Gli impianti privi di XRF in linea analizzano un campione medio di laboratorio a ogni turno; questo metodo funziona, ma sconta sempre un ritardo di ore rispetto alla variabilità a monte.

Progettazione della miscela grezza ed economia dei materiali correttivi

La progettazione della miscela grezza (raw mix design) è un problema di ottimizzazione volto a raggiungere i target di LSF, SM e AM utilizzando le materie prime disponibili al minor costo di consegna possibile. Quando il calcare in loco è di bassa qualità o fuori specifica (alto contenuto di silice, alto MgO, alti alcali), gli impianti acquistano materiali correttivi, tipicamente minerale di ferro, bauxite o sabbia silicea, per colmare il gap chimico.

Esistono due leve: gestire la coltivazione della cava con maggiore attenzione (estrazione selettiva, parchi di preomogeneizzazione, coltivazione su più fronti) o acquistare correttivi esterni. La coltivazione selettiva in cava è economica per tonnellata ma operativamente rigida; i correttivi acquistati sono costosi per tonnellata ma consentono all'impianto di correggere la chimica nel giro di poche ore anziché di settimane. La maggior parte degli impianti utilizza entrambe le soluzioni, con un equilibrio determinato dalla qualità delle riserve in loco e dal prezzo locale dei flussi correttivi.

Le materie prime alternative (ceneri volatili da centrali a carbone, loppa d'altoforno, scaglie di laminazione, fanghi rossi da raffinerie di allumina) sostituiscono parte del flusso correttivo quando la chimica lo consente. Queste riducono sia il costo di consegna sia l'impronta di CO₂ per tonnellata della miscela grezza, poiché evitano la CO₂ da calcinazione che deriverebbe altrimenti da calcare aggiuntivo.

Perché la preparazione della farina grezza è fondamentale per il funzionamento del forno

La variabilità chimica della farina grezza è una delle principali cause a monte dell'instabilità di funzionamento del forno. Un'oscillazione dell'LSF superiore a ±2 punti percentuali all'alimentazione del forno è solitamente sufficiente a spingere la calce libera, il consumo di combustibile e l'usura dei refrattari al di fuori dei loro intervalli target, secondo le linee guida operative per i forni del VDZ. Ecco perché il silo di omogeneizzazione e l'XRF in linea non sono opzionali: fanno la differenza tra un forno stabile e un forno che mette in difficoltà gli operatori a ogni turno.

L'umidità della farina grezza è un fattore secondario del consumo di combustibile: ogni punto percentuale nell'alimentazione del forno aggiunge kcal/kg misurabili al consumo specifico di combustibile, poiché lo stesso combustibile deve far evaporare quell'acqua prima di svolgere l'effettivo lavoro di calcinazione. Le linee dotate di VRM, grazie alla loro capacità di essiccazione integrata, possono trattare stock di cava più umidi senza subire tale penalità.

Per l'operatore del forno, la chimica della farina grezza stabilisce la base di partenza per ciò che è realizzabile a valle. Una farina grezza ben preparata è la precondizione per un piroprocesso stabile nel calcinatore e nel forno rotativo; una farina grezza mal preparata moltiplica ogni altro problema, dall'ingresso di aria falsa alla durata della campagna dei refrattari.

Il team di consulenza ingegneristica di Oswal valuta la progettazione della miscela grezza e il controllo chimico nell'ambito di più ampie verifiche delle prestazioni dei forni sulle operazioni dei cementifici; i target di LSF / SM / AM e la riduzione della deviazione standard (SD) nel silo di omogeneizzazione costituiscono la base diagnostica standard.