Cosa sono, come funzionano e a cosa servono i mulini a palle?

Premessa. Le seguenti informazioni sono limitate ai tradizionali mulini a palle discontinui, o intermittenti, fino a circa 5000 litri di volume interno del “tamburo” a tubo ruotante cilindrico, ad asse orizzontale (quelli una volta costruiti dalla Cavalleri Mattavelli Sas., per alcuni settori dell'industria chimica-farmaceutica). Vengono espressamente esclusi ad es. gli enormi mulini tubolari continui per l’industria del cemento e pure esclusi tutti i mulini a sfere ad asse verticale (es. "a microsfere" per vernici). Vengono esclusi anche i mulini continui bi-troco-conici (Hardinge), che sfruttano le pendenze dei coni per la separazione del macinato. Vengono infine esclusi i mulini a palle "planetari ad alta energia", come alcune macchine perlopiù da laboratorio specialistico.

Il classico mulino (orizzontale) a sfere, o a palle o biglie o altri corpi macinanti, in inglese “ball mill”, è una macchina polivalente destinata principalmente alla macinazione fine e secondariamente alla miscelazione, secondo un’antica tecnologia, una volta basata sull’impiego dei sassi di fiume, donde anche il nome di “pebble mill”. Nell’industria ceramica, per macinazioni ad umido, i mulini a palle sono anche denominati Alsing.

I prodotti da trattare possono essere sia fluidi (cioè con lavorazione “a umido”, purché in pratica i fluidi non siano eccessivamente pastosi), che in polvere (cioè con lavorazioni “a secco”), partendo da granulometria iniziale del prodotto millimetrica, es. come sabbia, ma anche più fine, fino a granulometrie finali micrometriche, preferibilmente sempre gli stessi prodotti nello stesso mulino. Ricordo che per granulometrie micrometriche si possono intendere colloidali o addirittura nanometriche, qualità da richiedere una trattazione specifica, qui trascurata. La pulizia finale dell'interno del tamburo ruotante può essere problematica per l’impiego di prodotti diversi. La viscosità dei fluidi trattabili nei mulini a palle deve essere decisamente più bassa di quella delle paste trattabili nelle raffinatrici a cilindri.

Il tamburo ruotante anche senza sfere può essere raramente usato per la sola mescolazione di efficacia limitata, es. bottali per conceria, ma è un’applicazione particolare, snaturante il concetto di macinazione. Si comprenda che per la sola mescolazione esistono macchine più adatte (perlopiù meglio se a pale ruotanti in vasca fissa), più veloci (dei mulini a palle ed anche dei bottali) e molto meno rumorose dei mulini a palle (il cui rumore è dato dal rotolio delle sfere o peggio dal loro martellamento in cascata, v. avanti).  

Descrizione. I mulini a palle sostanzialmente sono dei cilindri orizzontali, detti “tamburi”, in versione classica discontinua chiusi e ruotanti attorno al proprio asse, con trasmissione diretta al proprio asse, tamburi contenenti un determinato quantitativo di sfere e di prodotto. Con il procedere della rotazione, il prodotto si “macina”, nel senso che viene sempre più finemente macinato e si “mescola”, nel senso che omogeneizza i propri componenti, ovviamente anche in miscela con le sfere. Ciò può creare alla fine problemi di scarico del prodotto, a seconda che sia fluido o in polvere, richiedendo diversi accorgimenti.

Quando il prodotto è fluido basta sostituire il tappo di macinazione con un tappo di scarico dotato di una griglia per trattenere le sfere e di una valvola per scaricare il fluido, a tamburo fermo.

Quando il prodotto è polvere occorre raccogliere la polvere che esce dalla griglia del tappo di scarico, magari col tamburo in rotazione (in tal caso si è soliti circondare il tamburo con un’apposita cuffia di scarico con tramoggia di raccolta delle polveri, etc.). Il problema maggiore del mulino a palle per polveri sarà appunto la separazione finale delle polveri dalle sfere.

Il posizionamento del tamburo ruotante fino alla posizione di sostituzione dei tappi di macinazione o di scarico ed il sistema di avviamento del mulino possono presentare dei problemi tecnici, che si traducono in prezzi differenti dei sistema di costruzione scelta per i mulini a palle, secondo le grandezze delle diverse tipologie di macchine.

Limitatamente ai mulini discontinui di relativamente piccola taglia, si passò da sistemi di trasmissione a pignone/corona dentata (a cattivo allineamento e cattiva lubrificazione) a trasmissioni a riduttore perlopiù pendolare a scatola ingranaggi chiusa (il sistema migliore), in alcuni casi non trascurando le trasmissioni a cinghie direttamente al tamburo (cinghie però di difficile sostituzione), etc.

La grandezza del mulino a palle dipende dai quantitativi di prodotto che si intende trattare ad ogni carica, o “batch”, del prodotto e dal valor medio di granulometria che si intenda raggiungere in un ragionevole tempo totale di lavorazioni successive. Infatti il mulino a palle (tranne quelli enormi e magari continui, che però la Cavalleri Mattavelli non costruiva) è solitamente discontinuo, cioè lavora per batchs, e ridurrà la granulometria del prodotto secondo il tempo di utilizzo, che talvolta è di parecchie ore, ma se basta solo miscelare senza macinare può essere relativamente poco tempo.

Per valutare il numero di batchs che servono a realizzare una determinata produzione è necessario conoscere il tempo di utilizzo del mulino/mescolatore tramite prove sperimentali o sicure informazioni precedenti, prove da effettuarsi alla velocità di rotazione ottimale per il prodotto, per raggiungere la desiderata granulometria finale. La velocità di rotazione del tamburo determina le condizioni di macinazione per solo sfregamento oppure per contemporaneo martellamento del prodotto, fino alla centrifugazione totale del prodotto + sfere, oltrepassando il numero di giri/min. critico, oltre il quale non c'è più né macinazione né mescolamento del prodotto, in quanto tutte le masse interne girano insieme al tamburo, ma ferme tra loro.

Come riempimenti, occorre rispettare solitamente 1/3 di vuoto del volume interno del tamburo ruotante, 1/3 in volume di sfere e 1/3 in volume utile per il prodotto, ma tali indicazioni sono solo indicative, come indicativo è il numero di giri/min. del tamburo. E' fondamentale che il livello del prodotto copra sempre abbondantemente il livello delle sfere (ma non eccessivamente!), per non macinare le sfere tra loro.

Quando si desidera la sola rotazione delle sfere, per macinazioni di puro sfregamento per attrito tra sfere e prodotto, occorre lavorare dal 50 a poco oltre il 60% del numero di giri/min. critico, al quale avviene la totale centrifugazione delle masse interne. Il numero di giri/min. critico è pari a circa 30 diviso la radice quadrata del raggio interno del tamburo ruotante, raggio espresso in metri. Per esempio, fissando circa la rotazione al 56% del numero di giri/min. critico, un tamburo orizzontale di 1 m di diametro dovrebbe ruotare a circa 24 giri/min.

Proseguendo la macinazione il prodotto può surriscaldarsi, pertanto può essere necessario dotare il tamburo di un’intercapedine di raffreddamento (o raramente di riscaldamento), perlopiù ad acqua corrente, con giunti rotativi.

Soprattutto nel caso di macinazioni a secco osservare che col proseguire della macinazione il peso specifico apparente delle polveri diminuirà, rigonfiando un poco il volume occupato dal prodotto e diminuendo lo spazio vuoto dentro il tamburo, vuoto che deve permanere sempre, ovviamente minimo possibile: si può discutere sul citato 1/3 di vuoto del volume interno totale del tamburo, ma io non scenderei sotto 1/5 iniziale, sempre parlando di mulini a palle discontinui classici per macinazioni ultrafini.

Giragiare. Nel caso si volesse macinare (e miscelare) o provare solo piccoli quantitativi di prodotto, potrebbe essere utile usare un giragiare. Io chiamo giare quelle che qualcuno chiama sempre mulini. Credo che esistano ancora in commercio giare cilindriche di porcellana di capacità interna 1,5 - 3 -5 -10 -15 -20 litri (con capacità del prodotto circa 1/3 della capacità interna nominale). Esse andrebbero equipaggiate con sfere della stessa porcellana, ma forse si può chiudere un occhio sulla qualità del materiale delle sfere (allumina, steatite etc.), se il prodotto tollera inquinamenti infinitesimali di sfere macinate. Tali giare di materiale ceramico sono solitamente di spessore elevato, ma talora si può ricorrere ad altri materiali (es. acciaio o plastica o vetro), con le opportune considerazioni dei pro e contro.

Nel giragiare esistono 2 rulli ruotanti, di cui uno solitamente folle, sui quali appoggiano una o più giare, realizzando un rapporto di trasmissione tra il diametro esterno della giara ed il diametro del rullo motorizzato, rapporto esatto se la rotazione della giara avviene senza slittamenti. Occorrerà tener conto di questo rapporto di trasmissione per l'esatta valutazione del numero di giri della giara. Es. poniamo interno giara diametro 0,24 m, esterno giara diametro 300 mm, diametro rullo 60 mm, consegue rapporto di trasmissione 5. Il numero di giri/min. critico della giara essendo circa 88, il rullo dovrà ruotare a circa 246 giri/min, sempre al 56% del  critico. In pratica per il rotolamento delle masse interne però si può tollerare più 20 % o meno 10% rispetto a tale 56. Il rullo folle solitamente può essere spostato di interasse, per usare giare di vari diametri: in tale caso occorrerebbe anche che il giragiare sia dotato di variatore di giri/min.

Martellamento per macinazione ad urti. Si potrebbe arrivare anche a circa più 32% del famoso 56, cioè fino all’84% del numero di giri/min. critico, ma oltrepassando circa il 60% del numero di giri/min. critico e fino a circa l’84% le sfere, oltre che rotolare, cascano su sé stesse, con un tipo di martellamento “a cascata” o “cascading”. Credo che sia ciò che viene attuato nei  mulini a barre d’acciaio per la polverizzazione di alcuni minerali in continuo, ma non ho un’esperienza diretta, in quanto ho sperimentato solo mulini a palle discontinui a sfere.

Corpi macinanti e rivestimenti. Solitamente si utilizza per le sfere una miscela di diametri da 20 a 60 mm, sia per i giragiare che per i mulini più grandi, anche se in teoria non sarebbe esatto, per la diversità del numero dei punti di contatto tra le sfere. All’interno del tamburo ruotante il volume effettivamente occupato dalle sfere è circa il 60% del volume apparente di riempimento delle sfere o altri corpi di riempimento (sfere ovalizzate o cilindretti etc.). Si dovrà moltiplicare il volume effettivo per il peso specifico del materiale dei corpi di riempimento, per ottenere il peso dei corpi utili ad occupare il sopracitato 1/3 del volume dell’interno tamburo destinato alle cosiddette sfere. La ceramica pesa meno della metà dell’acciaio.

Infatti esistono anche mulini a palle con sfere di acciaio, barre ruotanti libere e piastre antiusura all’interno del tamburo, addirittura anche penso con barre ruotanti fissate al tamburo (uso ascensore per aumentare il cascading), ma nella maggioranza degli utilizzi comuni a molteplici attività i mulini a palle impiegano sfere di materiale ceramico soltanto rotolanti in tamburi internamente lisci (senza cascading), per macinazioni ultrafini tramite solo sfregamento sfere/prodotto.

Alcuni tamburi sono rivestiti internamente in gomma, ma nel caso di sfere in materiale ceramico il tamburo viene solitamente rivestito internamente di mattoni dello stesso materiale, cementato come una volta a botte con mattoni cuneiformi nei tratti cilindrici del tamburo e mattoni “rettangolari” nelle 2 testate piane del tamburo. Anche il tappo di macinazione ed eventuale passo d’uomo devono essere rivestiti ad arte.

Impiegando sfere di diametro minore di 20 mm, a parte eventuali problemi allo scarico del prodotto, in teoria si dovrebbero raggiungere prima granulometrie finali più fini, partendo ovviamente da granulometrie iniziali già ben inferiori ai diametri delle sfere. Poi tutto potrebbe dipendere da una valutazione economica del prezzo delle sfere e dei rivestimenti.

Conclusione. Sebbene apparentemente i mulini a palle sembrino tutti uguali, esistono notevoli differenze costruttive e di motorizzazione, a seconda del previsto carico di sfere e prodotti. Un pari volume di sfere d’acciaio o barre d’acciaio richiede una potenza di installazione anche superiore al 100% delle costruzioni per sfere ceramiche, che pure richiedono un tamburo estremamente rigido, allorquando debba essere internamente rivestito, per evitare un possibile crollo del rivestimento in macinazione, crollo possibile in cattive costruzioni o gestioni. Nei mulini rivestiti in ceramica è d'obbligo lavorare, per ovvie ragioni, con velocità di rotazione inferiori o massime al 60% del numero di giri/min. critico dei tamburi. Anche in fase di  carico delle sfere di ceramica nel tamburo rivestito occorrono adeguate cautele.

Cavalleri Mattavelli Sas. ha costruito mulini a palle discontinui, con tamburi ruotanti ad assi torniti fino a 6000 litri di capacità geometrica prima del rivestimento. L'interno può essere nudo (per macinazioni fini ad umido tipi MAP..., indicandone il volume in litri), oppure rivestito in mattonetti di porcellana, steatite od allumina (rispettivamente tipi MARP, MARS, MARA.../..., indicando il volume del tamburo prima/dopo il rivestimento). Inoltre il tamburo può essere dotato di una camicia per intercapedine di raffreddamento ad acqua (ulteriore suffisso finale .../2P).

Soltanto nei tipi per macinazioni fini di polveri secche Cavalleri Mattavelli Sas. costruiva attorno al tamburo una cuffia di raccolta polveri (tipi individuabili dal suffisso finale .../C), con anelli di tenuta a feltri o gomma striscianti su 2 piste tornite sul tamburo, ed eventualmente cuffia terminante in un convogliatore di scarico, talora anche con possibilità d'uso come tramoggia di stoccaggio provvisorio delle polveri macinate.

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