Macinazione del cemento e omogeneità di materiali tipici nel processo di produzione del cemento

Macinazione del cemento – In cosa consiste il processo classico di produzione del cemento?

La macinazione del cemento è una fase chiave nel processo di produzione del cemento e inizia con la preparazione delle materie prime. Il calcare, l’argilla e la sabbia vengono innanzitutto sottoposti a frantumazione del calcare e delle altre materie prime per ridurne la dimensione delle particelle. I materiali frantumati vengono poi macinati fino a ottenere la farina cruda e successivamente riscaldati in un forno rotante a circa 1.450 °C. Durante questo processo termico si forma il clinker e viene rilasciata CO₂ come sottoprodotto inevitabile. Dopo il raffreddamento, il clinker viene sottoposto alla macinazione del cemento, durante la quale viene macinato insieme a gesso e altri additivi per produrre il cemento finale.

Il fabbisogno energetico più elevato nella produzione del cemento deriva dal riscaldamento della farina cruda nel forno. Ulteriore energia elettrica è richiesta per la macinazione del cemento, la frantumazione del calcare e i processi di trasporto. Circa il 50 % delle emissioni totali di CO₂ proviene dalla reazione chimica di calcinazione nel forno rotante, mentre le restanti emissioni derivano dalla combustione dei combustibili e dal consumo di energia elettrica. Anche quando si utilizzano fonti di energia rinnovabile, queste emissioni di CO₂ legate al processo restano intrinseche alla produzione del cemento. Il cemento viene infine miscelato con acqua e aggregati per produrre malta o calcestruzzo. Per garantire una qualità costante del prodotto, tutte le materie prime, i prodotti intermedi e i prodotti finali devono essere sottoposti a rigorosi controlli di qualità. Le analisi di laboratorio e una preparazione affidabile dei campioni mediante frantoi e mulini sono quindi componenti essenziali della moderna produzione del cemento.

Sfogliate gli argomenti trattati in questo capitolo:

Frantumazione di calcare e argilla

Il calcare e l’argilla sono le principali materie prime utilizzate nella produzione del cemento. Per il controllo qualità e l’ottimizzazione dei processi, questi materiali devono essere omogenei prima dell’analisi. La frantumazione del calcare rappresenta generalmente la prima fase, poiché determina l’efficienza della macinazione successiva e la finezza finale. Nella scelta delle apparecchiature idonee, i parametri chiave includono la quantità di campione, la dimensione iniziale delle particelle e la granulometria desiderata. I frantoi a mascelle sono comunemente utilizzati per la pre-frantumazione di calcare e argilla. Un’ampia gamma di modelli consente un adattamento ottimale alle diverse caratteristiche dei campioni, da piccoli lotti di laboratorio, dove viene, ad esempio, utilizzato il BB 50, fino a quantità maggiori di campione al raggiungimento di 3,5 t/h nel BB 600. In alternativa, possono essere utilizzati mulini a martelli, poiché la frantumazione di calcare e argilla non è generalmente troppo impegnativa per questo tipo di mulino.

Possono essere utilizzati anche mulini a martelli come l’HM 200, poiché la frantumazione di calcare e argilla generalmente non coinvolge materiali estremamente duri.

Frantoi a Mascelle Mulino a Martelli HM 200

La successiva macinazione fine fino a dimensioni delle particelle inferiori a 40 µm viene generalmente eseguita in mulini a sfere. In questa fase si applicano già su scala di laboratorio i principi della macinazione del cemento, con la quantità di campione che rappresenta il fattore determinante per la scelta del mulino più adatto. Sono disponibili soluzioni adeguate per una macinazione efficiente e riproducibile, da campioni di pochi millilitri fino a campioni su scala chilogrammo.

Mulini a sfere

I mulini a rotore come l’SR 300 possono essere utilizzati anche per la frantumazione di campioni di calcare e argilla. Accettano granulometrie in ingresso fino a 25 mm e raggiungono finezze finali di circa 100 µm, elaborando quantità di campione di gran lunga maggiori rispetto ai mulini planetari a sfere. Anche i mulini a tamburo come il TM 300 sono in grado di gestire volumi più elevati, ma richiedono tempi considerevolmente più lunghi per raggiungere un intervallo di finezza compreso tra 100 e 300 µm.

Mulino a rotore SR 300

Campioni di calcare

30 mm, 0,5 kg

Pre-frantumazione BB 250
Macinazione fine TM 300

45 min. | < 45 µm

15 mm, 200 g

BB 50

2,5 min. | < 1 mm

10 mm, 10 kg

HM 200

25 kg/min | < 3 µm

35 mm, 250 g

Pre-frantumazione BB 50
Macinazione fine PM 100

6 min. | < 200 µm

Campioni di argilla

10 mm, 12 g

MM 400

20 s | < 250 µm

15 mm, 80 g

PM 100

2 min. | < 500 µm

120 mm, 10 kg

BB 300

5 min. | < 2 mm

15 mm, 2 kg

SR 300

2,5 min. | < 100 µm

Macinazione di cemento, clinker e calcestruzzo

Il clinker di cemento, formato dopo la sinterizzazione, è significativamente più duro e abrasivo rispetto al calcare o all’argilla. In linea di principio, si applicano gli stessi mulini e le stesse considerazioni utilizzate per la frantumazione di calcare e argilla, e i frantoi a mascelle sono generalmente impiegati anche per la pre-frantumazione.

Frantoi a Mascelle

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Tra i mulini a rotore, il mulino a croce SK 300 è adatto per la fase di macinazione, poiché è progettato per materiali più duri e abrasivi. Grazie alle piastre di deviazione intercambiabili in carburo di tungsteno e agli inserti dentati della camera di macinazione, è ideale per la frantumazione del clinker di cemento. In questo modo, 1 kg di campione pre-frantumato (5 mm) può essere ridotto a circa 200 µm in appena 1 minuto. Se è richiesta una finezza finale maggiore, si utilizzano mulini a sfere come il PM 400, che raggiunge 80 µm in 15 minuti. Il miglior approccio tra velocità e alta finezza, è offerto da un mulino a dischi ideale per la frantumazione dei campioni di clinker. Per questo motivo, una combinazione tra il frantoio a mascelle seguito da un mulino a dischi, RS 200 o RS 300, rappresenta la configurazione classica per la macinazione del cemento. L’RS 300 può macinare una quantità di un chilogrammo fino a una granulometria inferiore a 100 µm in circa 4 minuti. L’RS 200 è progettato per quantità di campione più ridotto, fino a 250 ml, ed è generalmente ancora più veloce rispetto all’RS 300.

Mulino a dischi vibranti RS 200 Mulino a Dischi Vibranti RS 300

Campioni di clinker

Pre-frantumazione nel frantoio a mascelle fino a 5 mm, macinazione fine nell’RS 300 fino a 200 µm. Il tempo totale di processo per 1 kg è stato di 4 minuti.

Le stesse considerazioni valide per la frantumazione del clinker si applicano anche alla macinazione del cemento o ai campioni di calcestruzzo. Tuttavia, per la macinazione fine si utilizzano principalmente mulini a sfere o mulini a dischi (RS 200, RS 300 o DM 200).

Campioni di calcestruzzo

100 x 200 mm, 3,5 kg

Pre-frantumazione BB 600
Macinazione fine DM 200

1 min. | < 150 µm

80 mm, 200 g

Pre-frantumazione BB 200
Macinazione fine MM 400

40 s | < 150 µm

150 x 75 mm, 8 kg

Pre-frantumazione BB 300
Macinazione fine MM 400

2,5 min. | < 3 mm

50 mm, 50 g

Pre-frantumazione BB 50
Macinazione fine RS 200

1 min. | < 100 µm

15 mm, 45 kg

TM 500

3 Ore | < 100 µm

Gesso come additivo

Rispetto al clinker, il gesso presenta proprietà del materiale molto più tenere, il che semplifica la frantumazione e l’omogeneizzazione in laboratorio. Tuttavia, il gesso tende a formare agglomerati, che possono complicare la macinazione fine durante la preparazione per la macinazione del cemento. L’approccio classico per i campioni di gesso prevede quindi una pre-frantumazione in un frantoio a mascelle, seguita da un mulino a rotore come il mulino a battitori incrociati SK 300, il mulino a martelli HM 200 o il mulino ultracentrifugo ZM 300. Si raccomanda l’essiccazione dei campioni prima della macinazione, ad esempio nel TG 200, per prevenire la concentrazione anche nei mulini a rotore. Anche l’utilizzo di moduli a ciclone d’aspirazione è utile, in quanto facilita lo scarico del campione. Nel ZM 300, per i campioni di gesso si preferiscono setacci distanziatori. In molti casi, l’uso dei frantoi a mascelle può essere evitato se i campioni vengono inizialmente macinati con un setaccio a maglia molto grossa nello ZM 300 o nell’HM 200, per poi essere omogeneizzati nella fase finale di macinazione fine utilizzando un setaccio più fine.

Essiccatore a letto fluido TG 200 Mulino Ultra Centrifugo ZM 300

Campioni di gesso

10 mm, 1 kg

Pre-frantumazione BB 200
Macinazione fine SK 300

2 min. | < 500 µm

15 mm, 200 g

Pre-frantumazione BB 250
Macinazione fine ZM 300

1,5 min. | < 200 µm

10 mm, 10 kg

BB 250

40 s | < 4 mm

35 mm, 250 g

HM 200

1 min. | < 2 mm

Riciclo del gesso

L’essiccazione dei campioni nel TG 200 fa in modo che il campione diventi omogeneo più facilmente.

Il TG 200 è un essiccatore rapido da laboratorio progettato per l’essiccazione veloce e delicata di cemento, gesso e materiali granulari correlati. Funziona secondo il principio del letto fluido, garantendo un trasferimento uniforme del calore senza surriscaldamenti localizzati del campione. Questo processo di essiccazione delicato aiuta a preservare le proprietà originali del materiale, aspetto fondamentale per analisi affidabili del cemento e per il controllo qualità. Grazie al suo potente flusso d’aria, il TG 200 consente tempi di essiccazione molto brevi, generalmente nell’ordine di pochi minuti invece che ore, come nei forni di essiccazione tradizionali. Diverse opzioni di contenitori e filtri rendono il TG 200 flessibile per un’ampia gamma di applicazioni nel settore del cemento e dei materiali da costruzione. Il TG 200 è facile da utilizzare e supporta una preparazione dei campioni riproducibile, elemento cruciale per ottenere risultati analitici coerenti nei laboratori del cemento. Nel complesso, il TG 200 aumenta significativamente l’efficienza del laboratorio combinando rapidità, trattamento delicato e elevata affidabilità di processo.

Essiccatore a letto fluido TG 200

Esempio: Campioni di gesso prima e dopo la pre-macinazione con un setaccio da 4 mm e la macinazione fine con un setaccio da 0,25 mm nello ZM 300

Campione 1: 10 mm, 0,3 kg

Campione 2: 10 mm, 0,3 kg

15 min. | < 80 µm

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Perché la frantumazione del calcare è una fase iniziale critica nella macinazione del cemento?

La frantumazione del calcare rappresenta una fase iniziale critica nella macinazione del cemento perché influisce direttamente sull’efficienza di essa, sul consumo energetico e sulla finezza finale del cemento. Una corretta frantumazione del calcare riduce la dimensione iniziale delle particelle, garantisce un materiale di alimentazione omogeneo e consente una macinazione stabile e riproducibile nelle fasi successive di macinazione. Una frantumazione insufficiente del calcare comporta tempi di macinazione più lunghi, maggiore usura e una qualità del cemento non uniforme, sia nella preparazione dei campioni in laboratorio sia nei processi industriali di macinazione del cemento.

Quali apparecchiature vengono tipicamente utilizzate per la frantumazione del calcare e la macinazione del cemento nel controllo qualità?

Per la frantumazione del calcare, si utilizzano più comunemente frantoi a mascelle e mulini a martelli per ottenere la granulometria di alimentazione richiesta per la successiva macinazione del cemento. La macinazione fine del cemento viene poi eseguita utilizzando mulini a sfere, mulini a dischi o mulini a rotore, a seconda della finezza desiderata e della quantità di campione. Questa combinazione di frantumazione del calcare seguita dalla macinazione del cemento garantisce campioni omogenei, risultati analitici accurati e un controllo di processo affidabile per materie prime, clinker, cemento e additivi.

Qual è il ruolo del gesso nella macinazione del cemento e in cosa differisce la frantumazione del calcare dalla preparazione del gesso?

Il gesso svolge un ruolo fondamentale nella macinazione del cemento, poiché viene aggiunto al clinker per controllare il tempo di presa e garantire prestazioni costanti del cemento. A differenza della frantumazione del calcare, che si concentra sulla riduzione di materiali duri e fragili a una dimensione ottimale per la macinazione del cemento, la preparazione del gesso richiede un’attenzione particolare a causa della sua natura più tenera e della tendenza ad agglomerarsi.

In cosa differisce il clinker dalla frantumazione del calcare nei processi di macinazione del cemento?

Il clinker si differenzia in modo significativo dai materiali trattati durante la frantumazione del calcare, poiché è molto più duro e abrasivo a causa del processo di sinterizzazione nel forno rotante. Mentre la frantumazione del calcare mira a ridurre materiali relativamente fragili a una dimensione ottimale per l’alimentazione, la preparazione del clinker per la macinazione del cemento richiede soluzioni di frantumazione e macinazione più robuste.