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CAPÍTULO 1. DIAGNÓSTICO SITUACIONAL DE LA MATERIA PRIMA (PUZOLANA) 1.1 INTRODUCCIÓN El cemento es un conglomerante para la elaboración de hormigones en sus diferentes variedades, es utilizado en un amplio campo de la construcción de obras civiles de grandes dimensiones y sometidas a las más intensas solicitaciones; tales como viviendas, edificios, puentes, torres, autopistas autopistas y presas. presas. El cemento portland típico es una mezcla de silicato tricálcico (3CaO. SiO 2), aluminato tricálcico (3 CaO. Al2O3) y silicato dicálcico dicálcico (2CaO.SiO2) en diversas proporciones, junto con pequeñas cantidades de compuestos de hierro, magnesio, manganeso, fósforo, titanio, etc. Para lograr condiciones de trabajabilidad y fraguado se adiciona yeso al clinker en la etapa de molienda final. Las características de resistencia a la compresión a edades tempranas son proporcionadas por el silicato tricálcido, llamado también alita, y a edades sobre los 21 días por el silicato bicálcico, llamado también belita (puzolana) (puzolana) 1. Las puzolanas han sido definidas como los materiales que carentes de propiedades cementicias y actividad hidráulica por si solas, contienen constituyentes que se combinan con la cal a temperaturas ordinarias y en presencia de agua; dando lugar a compuestos permanentemente permanentemente insolubles y estables que se comportan como conglomerantes hidráulicos. Las puzolanas se pueden clasificar en dos grandes grupos: Puzolanas naturales como materias de origen volcánico, materias sedimentarias de origen animal o vegetal; y, puzolanas artificiales como materias tratadas y subproductos de fabricación industrial industrial 2
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La producción de cementos con adiciones activas, tanto puzolanas como otros materiales, surge como una solución técnica a problemas problemas específicos específicos planteados por los avances avances tecnológicos en el área de llaa construcción.
1.2 CARACTERÍSTICAS DE LAS PUZOLANAS 1.2.1 PROPIEDADES FÍSICAS DE LAS PUZOLANAS Las características de las puzolanas provienen de su granulometría o estado de subdivisión, tienen formas muy diversas y sus dimensiones varían de acuerdo a su naturaleza y estructura; pero habitualmente son materiales muy finos y de menor densidad que el clinker portland . Las puzolanas son generalmente molidas muy finas y son tanto ∗
más eficaces cuanto más rápidamente pueden fijar una fuerte proporción de cal. La humedad de la puzolana puede variar desde un 3% hasta un 15% en términos promedio dependiendo del lugar, profundidad y de las condiciones climáticas en el momento de ser extraída. Además son de fácil molienda y se mejora esta propiedad cuando está completamente seca. La densidad aparente aparente está comprendida entre 0.8 a 1.4 g/cm 3 y su densidad real puede variar entre 2.30 a 2.80 g/cm 3 lo que significa que tiene una densidad menor que la del cemento Pórtland.
1.2.2 PROPIEDADES QUÍMICAS DE LAS PUZOLANAS Cuando a las puzolanas se las muele finamente, son más eficaces ya que más rápidamente pueden fijar la cal del cemento portland por la sílice y alúmina que contienen (efecto puzolánico). Esto puede se acelerado por incremento de la l a temperatura.
de la cocción a altas temperaturas de una mezcla intima de materiales arcillosos y calcáreos finamente molidos antes de su cocción y en proporciones determinadas.
∗
Pr oducto
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La producción de cementos con adiciones activas, tanto puzolanas como otros materiales, surge como una solución técnica a problemas problemas específicos específicos planteados por los avances avances tecnológicos en el área de llaa construcción.
1.2 CARACTERÍSTICAS DE LAS PUZOLANAS 1.2.1 PROPIEDADES FÍSICAS DE LAS PUZOLANAS Las características de las puzolanas provienen de su granulometría o estado de subdivisión, tienen formas muy diversas y sus dimensiones varían de acuerdo a su naturaleza y estructura; pero habitualmente son materiales muy finos y de menor densidad que el clinker portland . Las puzolanas son generalmente molidas muy finas y son tanto ∗
más eficaces cuanto más rápidamente pueden fijar una fuerte proporción de cal. La humedad de la puzolana puede variar desde un 3% hasta un 15% en términos promedio dependiendo del lugar, profundidad y de las condiciones climáticas en el momento de ser extraída. Además son de fácil molienda y se mejora esta propiedad cuando está completamente seca. La densidad aparente aparente está comprendida entre 0.8 a 1.4 g/cm 3 y su densidad real puede variar entre 2.30 a 2.80 g/cm 3 lo que significa que tiene una densidad menor que la del cemento Pórtland.
1.2.2 PROPIEDADES QUÍMICAS DE LAS PUZOLANAS Cuando a las puzolanas se las muele finamente, son más eficaces ya que más rápidamente pueden fijar la cal del cemento portland por la sílice y alúmina que contienen (efecto puzolánico). Esto puede se acelerado por incremento de la l a temperatura.
de la cocción a altas temperaturas de una mezcla intima de materiales arcillosos y calcáreos finamente molidos antes de su cocción y en proporciones determinadas.
∗
Pr oducto
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Las puzolanas permiten reducir la expansión de los morteros y hormigones, como también las resistencias con un tratamiento térmico a base de vapor saturado. La siguiente tabla muestra la composición química 2 de las puzolanas naturales.
Compuestos
Puzolanas Naturales
SiO2
48-71
Al2O3 + TiO2
16-22
Fe2O3 y FeO5
3-10
CaO
2-10
MgO
Hasta 5
SO3
-
Alcalis
4-8
Tabla 1.1 Propiedades químicas de la puzolana
1.3 REQUISITOS DE LAS PUZOLANAS3 Las puzolanas tienen que cumplir con los siguientes requisitos físicos y químicos establecidos por la norma INEN:
1.3.1 REQUISITOS FÍSICOS REQUISITO
UNIDAD MIN MAX
Superficie Específica Índice de Actividad Puzolánica
∗
m2/Kg
300
----
%
75
----
MPa
4
----
%
----
0.5
Con Cemento Pórtland (28 días) Con cal (7 días)
Consistencia de Volumen (Exp. Autoclave)
∗∗
Tabla 1.2 Requisitos físicos de las puzolanas
∗
Suma de las superficies de las partículas de un gramo de muestra, se mide en cm2/g (blaines). Ver referencia Anexo 10A.
∗∗
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1.3.2 REQUISITOS QUÍMICOS
REQUISITO
UNIDAD
MIN
MAX
Oxido de Mg Soluble Total
%
---
5
Trióxido de Azufre
%
---
3
Pérdida por Calcinación
%
---
10
Tabla 1.3 Requisitos químicos de las puzolanas
1.4 CARACTERÍSTICAS DE LOS CEMENTOS CON ADICIÓN DE PUZOLANA3 1.4.1 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS La fineza de los cementos con adición de puzolana es mayor que en un cemento portland puro molido en las mismas condiciones, ya que a la fineza contribuye la de la puzolana que es mayor. Cuanto mayor sea la finura del cemento con adición de puzolana, se desarrollarán de mejor manera las reacciones de hidrólisis, dando lugar a un mayor desarrollo de hidrosilicatos, hidroaluminatos y geles por unidad de volumen, aumentando los gradientes de resistencia a la compresión y flexo tracción, sobre todo a corto plazo. En cuanto a la consistencia normal que es la que permite conocer exactamente el volumen de agua necesario para obtener una pasta de consistencia plástica y que el cemento brinde un tiempo de fraguado normal; en el caso del cemento con adición de puzolana la relación agua/cemento es mayor que la del cemento portland sin adición de puzolana. La densidad real del cemento portland con adición de puzolana es un poco inferior al del cemento portland sin adición de puzolana; y es tanto menor mientras más puzolana se le adicione ya que la densidad de ésta es menor que la del cemento portland puro. El fraguado del cemento se da en dos etapas: El fraguado inicial que se da al término del amasado formándose una pasta
que se mantiene plástica durante unos minutos,
consolidándose luego rápidamente al mismo tiempo que aumenta su temperatura; y, el fraguado final que se da cuando la pasta se convierte en un bloque rígido; este fraguado
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seguirá durantes meses y hasta años: En el caso de los cementos con adición de puzolana, alcanza su tiempo de fraguado más lento, debido a que primero ocurren las reacciones del clinker, para luego empezar a reaccionar los elementos de la puzolana con el hidróxido de calcio liberado. En cuanto a la expansión, en los cementos con adición de puzolana es menor por eliminar la cal libre que es una de las causantes de este fenómeno. La resistencia a la compresión nos da una idea clara de la calidad de un cemento; la sustitución por puzolana del cemento portland reduce siempre la resistencia de la primera época, aunque aumenta la resistencia final.
1.4.2 CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS Cuando un cemento con adición de puzolana reacciona con el agua, ocurren dos reacciones completamente diferentes: hidratación de los componentes del clinker y combinación de los óxidos reactivos de la puzolana con la cal liberada por el cemento. Una característica importante que le confiere la adición de puzolana al cemento portland es la mayor resistencia al ataque químico y particularmente al agua de mar, siendo este el motivo principal del empleo de las puzolanas en el cemento porque los hormigones fabricados con cemento con adición de puzolana, tienen una gran resistencia al ataque de las aguas marinas o de las terrestres muy puras, o ricas en sulfatos y otras con constituyentes agresivos. Su acción beneficiosa reside en la combinación de los constituyentes de la puzolana con el hidróxido de calcio formando compuestos insolubles.
1.5 ANÁLISIS DE LA PUZOLANA EN EL PROCESO DE OBTENCIÓN DEL CEMENTO Luego de describir aspectos generales sobre las puzolanas, el estudio a continuación se enfocará a la materia prima (puzolana) utilizada en Empresa Industrias Guapán.
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1.5.1 ORIGEN Y CARACTERÍSTICAS El tipo de puzolana utilizada en la elaboración de cemento en Empresa Industrias Guapán corresponde al grupo de puzolanas naturales de origen volcánico, provine de los yacimientos ubicados en la parroquia Challuabamba perteneciente al cantón Cuenca y tiene las siguientes características: 9
Granulometría.- Para determinar la granulometría de la puzolana se utiliza un juego de seis tamices teniendo los siguientes resultados: (procedimiento ver anexo 1A)
# ABERT TAMIZ (MM)
PESO MUESTRA (KG)
PESO TAMIZ (KG)
PESO NETO (KG)
50
4.04
2.13
1.91
9.51
9.51
31.5
3.56
2.21
1.35
6.72
16.23
20
4.54
2.31
2.23
11.11
27.34
16
3.43
2.28
1.15
5.72
33.06
10
4.69
2.43
2.26
11.26
44.32
6.3
4.66
2.92
1.74
8.66
52.98
% % RETENIDO ACUMULADO
Tabla 1.4 Granulometría de la puzolana utilizada en el proceso de obtención del cemento 9
Densidad Aparente.- La densidad aparente determina la cantidad de puzolana necesaria para ocupar un espacio, el valor calculado de densidad aparente servirá como referencia para determinar el total de puzolana que ocupará el secador. (Ver procedimiento anexo 2A) Para establecer la densidad aparente se utilizó el mayor porcentaje de retenido obtenido en el análisis de granulometría siendo en este caso el correspondiente al tamiz 10 ASTM con un 11.26% de retenido. Con la muestra del tamiz 10 ASTM se procede a colocar la muestra en un recipiente de un litro hasta rasar. Teniendo así:
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DATOS Peso Total Peso de la Muestra Volumen 2065 gr
1010 gr
1 lt
Tabla 1.5 Datos obtenidos en el ensayo de la densidad aparente
Peso Neto = Peso Total - Peso del Recipiente Peso Neto = 2065 − 1010 Peso Neto = 1055 gr Por consiguiente se tiene una densidad aparente de 1055gr/lt = 1055kg/m 3. 9
Densidad Real.- La densidad real es una comparación de la masa que ocupa un volumen determinado, este valor servirá para calcular los valores de otras propiedades que de ella dependan. Para determinar la densidad real se utiliza el método de Le Chatelier que consiste en establecer la relación entre la masa de sustancia (cemento, puzolana, etc) y el volumen de líquido no reactivo que esta masa desplaza en el frasco de Le Chatelier. Primer Ensayo: El método de Le Chatelier establece que se deben determinar ciertas condiciones de análisis para efectuar las medidas de la densidad (ver procedimiento anexo 3A). DATOS Temperatura Volumen Inicial Masa Volumen Final 19.9 ºC
0.20 cm3
50 gr
19.8 cm3
Tabla 1.6 Datos obtenidos en el primer ensayo de la densidad real
Siendo •
ºT = Temperatura del líquido (agua) en el cual se sumerge el recipiente de Le Chatelier.
•
V1 = Volumen del líquido en la primera lectura.
•
m = Masa de la muestra de cemento utilizada.
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•
V2 = Volumen del líquido más la muestra en la lectura final.
ρ1
=
m
(1.1)
(V2 − V1 )
50gr (19.8cm3 − 0.2cm 3 ) 3 ρ1 = 2.55 gr cm ρ1
=
Segundo Ensayo: DATOS Temperatura Volumen Inicial Masa Volumen Final 0.22 cm3
19.9 ºC
50 gr
19.61 cm3
Tabla 1.7 Datos obtenidos en el segundo ensayo de la densidad real
ρ2
=
m
(V2 − V1 )
50gr (19.61cm3 − 0.22cm3 ) 3 ρ 2 = 2.58 gr cm ρ2
=
Luego de realizar dos pruebas se establece un promedio de los resultados obtenidos.
ρm
ρm ρm
9
=
ρ1
+
ρ2
2 2.55 + 2.58 = 2 3 = 2.565 gr cm
≈
2570 kg m 3
Porcentaje de Retenido.- Este ensayo se basa en medir la cantidad de muestra que queda retenida en el tamiz (procedimiento ver anexo 4A): y tiene gran utilidad para conocer la fineza del material ya molido, en este caso con el secado se logrará un mejor porcentaje de retenido, puesto que a menor porcentaje de retenido mayor fineza del material tratado. Peso Muestra:
1gr
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Presión:
10Psi
Resultado final: Porcentaje de Retenido = 13% 9
Humedad.- Es un indicador de la cantidad de puzolana que se puede adicionar al cemento; para determinar la humedad es necesario conocer la forma en la que esta está presente en el material, a continuación se realiza un breve análisis de los tipos de humedad presentes en los materiales: 1) Humedad Higroscópica.- Se denomina humedad higroscópica a la cantidad de agua absorbida en una muestra 4 expresada en porcentaje en peso cuando se seca a 106ºC. 2) Humedad Bruta.- La humedad bruta es la cantidad de agua evaporada cuando la materia está expuesta al aire a temperatura ambiente 4. Por lo tanto se puede definir a los sólidos con comportamiento higroscópico y a los sólidos húmedos: 1) Sólido Higroscópico.- Se dice que un sólido es higroscópico cuando la presión de vapor del agua que acompaña al sólido es menor que la tensión de vapor del agua a la misma temperatura4. 2) Sólido Húmedo.- Se da cuando la presión de vapor del agua que acompaña al sólido es igual a la tensión de vapor del agua a esa temperatura 4. Para determinar la humedad se tomaron muestras de puzolana almacenada en los halls y la que recién llega a la planta (procedimiento ver anexo 5A). Humedad de puzolana recién llegada:
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DATOS Peso Total (crisol + muestra) 110.46 gr
Peso Crisol 50 gr
Peso luego de Secar (crisol + muestra) 105.49 gr
Tabla 1.8 Datos obtenidos para determinar la humedad de la puzolana recién llegada a la planta
Humedad = (Peso Inicial - Peso Final) Humedad = 110.46 − 105.49 Humedad = 4.97% Para el 100% el resultado se multiplica por dos Humedad = 4.97 × 2 = 9.94% Humedad de puzolana en reposo: DATOS
Peso Total (crisol + muestra) 109.93 gr
Peso Crisol 50 gr
Peso luego de Secar (crisol + muestra) 104.62 gr
Tabla 1.9 Datos obtenidos para determinar la humedad de la puzolana en reposo
Humedad = (Peso Total - Peso Crisol) Humedad = 109.93 − 104.62 Humedad = 5.31% Para el 100% el resultado se multiplica por dos, así : Humedad = 5.31× 2 = 10.62% Según reportes del departamento de calidad el porcentaje máximo de humedad que presenta la puzolana durante el año es del 17%, valor crítico que se tomará para el diseño del sistema de secado. Luego de la realización de este análisis y en base a los estudios realizados en laboratorio se puede concluir que la puzolana que se encuentra en los halls de almacenamiento se comporta como un sólido húmedo con una humedad bruta
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aproximadamente del 17%; durante el proceso de secado se comportará como un sólido higroscópico hasta alcanzar un estado de equilibrio con una humedad del 2%, estos porcentajes de humedad servirán de referencia para los cálculos de dimensionamiento del secador mediante un cálculo matemático de entalpías donde intervienen directamente la humedad inicial y final de la puzolana. 9
Calor Específico.- El calor específico es la propiedad que definirá la cantidad de calor necesario para originar el proceso de secado; al iniciar el estudio no se tenía datos de esta propiedad, por lo que fue necesario realizar ensayos con procedimiento empírico para obtener el valor exacto. El procedimiento a seguir se detalla en el anexo 6A. Con los datos conseguidos por medición se realizó varías pruebas dando como resultado final la media aritmética de los valores obtenidos en los diferentes ensayos así se tuvo que el calor específico de la puzolana es de 1,0881 kJ/kgºC (0.26 kcal/kgºC).
1.5.2 COMPONENTES QUÍMICOS5: COMPONENTE
(%)
SiO2
58.81
Al2O3
17.47
Fe2O3
5.92
Ca
4.72
Mg
2.21
Tabla 1.10 Composición química de la puzolana utilizada en Empresa Industrias Guapán
Es necesario señalar que los análisis para obtener las propiedades físicas y químicas de la puzolana se los realizó con un secado previo del material; además se puede concluir que el sistema de secado no alterará las propiedades de la puzolana excepto la humedad puesto que la temperatura máxima que se alcanzará es de 300ºC, temperatura a la cual el material puzolánico no presenta degradación ni cambio de propiedades. La producción de un cemento de mejores características dependerá del porcentaje de puzolana adicionada al cemento y de la calidad del clinker que produce la fábrica 5.
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Como se afirmó anteriormente, la puzolana por si sola no mejora sus propiedades al secarse (excepto la humedad) sino simplemente permite su incremento en la composición del cemento por el bajo contenido de humedad; logrando así mejorar las propiedades del cemento más no de si misma. La calidad de clinker producido en la Empresa Industrias Guapán S.A. permite una adición de puzolana de hasta un 25% en la composición del cemento, los análisis de las propiedades del cemento que se analizarán en las siguientes secciones demostrará como varían estas con diferentes porcentajes de puzolana adicionado.
1.6 DIAGNÓSTICO DEL PROCESO ACTUAL1 1.6.1 CEMENTO Es una mezcla de calizas que proporcionan un contenido de carbonato tricálcico (CO3Ca) de aproximadamente 76% de caliza. Esta mezcla se homogeniza y se somete a temperaturas de 1500ºC para obtener un nuevo material de propiedades físicas, químicas y mecánicas llamado clinker. Este clinker se muele con el 4% de yeso y de un 12 a un 15% de puzolana hasta alcanzar una superficie específica que oscila entre 3900 y 4200 ∗
blaines . ∗∗
Los tipos de cemento que actualmente produce Compañía Industrias Guapán S.A. son los siguientes:
1.6.1.1 Cemento portland puzolánico modificado 9
TIPO 1PM.- Cemento Pórtland puzolánico-modificado para uso en construcción de hormigón en general. El cemento 1PM es una mezcla intima y uniforme del cemento portland o cemento portland de escoria de altos hornos y puzolana fina producida sea por molienda de clinker de cemento portland y puzolana, por mezcla de cemento portland o cemento
Superficie (expresada, por ejemplo, en cm2) de un gramo de este polvo igual a la suma de las superficies individuales de todos los gramos. Unidad en la que viene expresada la superficie específica cm2/gr. ∗
∗∗
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portland de escorias de altos hornos y puzolana finamente dividida; o, una combinación de molienda y mezcla en la cual la constituyente puzolana es menor que el 15% en masa de cemento 1PM.
1.6.1.2 Cemento portland puzolánico. 9
TIPO 1P. Cemento portland puzolánico para uso en construcción de hormigón en general.
9
TIPO P. Cemento portland puzolánico para uso en construcciones de hormigón donde no se requiera elevadas resistencias a edades tempranas.
La diferencia entre el cemento 1PM, 1P y P se da en que estos dos últimos son cementos hidráulicos en los que la constituyente puzolana está entre el 15% y 40% en masa de cemento 1P y P. Los productos que actualmente se fabrica en Empresa Industrias Guapán, se encuentran regulados bajo la Norma INEN 490, con adición de hasta un 15% de puzolana en el tipo 1PM y del 15 al 40% para el tipo 1P. Con el secado de la puzolana se conseguirá producir un cemento PÓRTLAND PUZOLÁNICO DE TIPO P Y 1P con un porcentaje de hasta un 25% de puzolana en la composición del cemento.
1.6.2 PROCESO DE FABRICACION La tecnología que Industrias Guapán utiliza para la elaboración del cemento es del tipo vía seca con una capacidad de 1.100 toneladas métricas por día. El proceso tiene lugar a través de siete áreas de producción: 1. Trituración, 2. Prehomogenización, 3. Molienda de crudo, 4. Homogenización, 5. Clinkerización, 6. Molienda de clinker o acabado, 7. Despacho o expendio.
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DIAGRAMA DE PROCESO
Diagrama 1.1 Diagrama de proceso del cemento
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1.6.2.1 Trituración. (Área B)
Figura 1.1 Esquema del Area B (Trituración)
Fotografía 1.1 Área de Trituración.
Esta área del proceso realiza la disminución del tamaño de la materia prima procedente desde las canteras desde un tamaño aproximado de 1,20m hasta un 95 % pasante en la malla de 25mm. La capacidad del triturador es de 500 TMPH con una humedad de entrada de 8%, lo suficiente para abastecer al proceso de producción con un funcionamiento de 8 horas diarias durante 5 días a la semana. El accionamiento de esta
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máquina es mediante un motor eléctrico de 1500HP y un consumo específico de 3,5 Kwh/ton.
1.6.2.2 Prehomogenización (Área C)
Figura 1.2 Esquema del Área C (Prehomogenización)
Figura 1.2a Fotografía del Área de Prehomogenización
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Figura 1.2b Fotografías Interior del Área de Prehomogenización
Es el área destinada a dos objetivos fundamentales: almacenar el material triturado y realizar una mezcla con una disminución de 8:1 en la desviación estándar de las variables de calidad que controlan el proceso tales como porcentaje de carbonato tricálcico (CO 3Ca) y granulometría, indispensable para garantizar la homogeneidad del producto en elaboración. La maquinaria que realiza la prehomogenización está dentro de una bodega circular, que consta de un apilador con capacidad de 600 TMPH, almacenando el material en dos pilas y un recuperador con capacidad de alimentación de 200 TMPH. La capacidad nominal de almacenamiento es de 40.000 toneladas, pero por efectos de un mayor control en la calidad y disponibilidad de recuperación se lo utiliza en un 50%, y de acuerdo a la necesidad del siguiente proceso de producción que es la molienda de crudo . ∗
El transporte del material prehomogenizado se lo realiza a través de una cadena con paletas al cual cae mediante el accionamiento de un rascador y deposita el material en una tolva y esta a su vez a una banda por dos vibradores instalados a la salida del recuperador. El consumo específico es de 0,53 Kwh/TMPH tratada.
∗
Material calcáreo que a pasado por el proceso de trituración y molienda, y se ha seleccionado para continuar con el proceso.
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1.6.2.3 Molienda de crudo (Área D)
Figura 1.3 Esquema del Área D (Molienda)
Figura 1.3 Molino de Crudo
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El objetivo de esta área es el de dosificar y preparar la materia prima de acuerdo a los requerimientos físico-químicos para la elaboración del clinker de cemento. La molienda se realiza hasta una finura tal que el retenido en el tamiz de 200 ASTM (75 micras) sea menor al 15%, con una humedad del producto menor al 0,5%. El equipo principal de esta área es el molino de bolas; de tipo horizontal, consta de un tubo de acero de 3,96m de diámetro y una longitud de 7,93m dividido en dos cámaras de molienda, que con el blindaje adecuado y la carga necesaria tiene una capacidad de producción de 90TMPH; es accionado por un motor de 2500HP, con un consumo específico de 34,7Kwh/TMPH, está diseñado para trabajar 6 días por semana y 24 horas al día. Una función adicional de la molienda de crudo es evaporar el contenido de agua en la materia prima, y se lo realiza en la cámara de secado utilizando para el efecto los gases provenientes de la torre de precalentador del horno rotativo. El molino tiene un diseño de descarga central, dispone de dos entradas simultáneas a las dos cámaras de molienda; tanto para los gases calientes para el secado, cuanto para el material de alimentación. A la primera cámara se alimenta material desde los dosificadores y a la segunda material procedente de la recirculación de gruesos provocados por el separador de aire. El aire de barrido del molino es manejado por un ventilador de tiro accionado por un motor eléctrico de 800HP y los gases son filtrados mediante colectores ciclónicos en serie.
1.6.2.4 Homogenización (Área E)
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Figura 1.4 Esquema del Área E (Homogeneización)
El producto de la molienda de crudo es transportado hasta dos silos de homogeneización, que tienen una capacidad de 2340 m 3 en total. Tienen la función de realizar la mezcla de la harina cruda para mejorar la homogeneidad del material. Este trabajo se lo realiza mediante la inyección de aire comprimido a impulsos para generar un movimiento interno del polvo. El aire comprimido es generado por un compresor de aletas rotativas con una capacidad de 3000 m3/h a 2 Kg/cm2 de presión y es distribuido adecuadamente por un sistema de lanza de aire rotativo.
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35
Una vez completada la homogenización y la comprobación de las variables de calidad, el material listo para alimentar al horno es trasladado a los silos de almacenamiento que están por debajo de los primeros, con una capacidad total de 4540 m 3.
La dosificación al horno es controlada desde el panel central en función de determinadas variables del proceso; lo cual se realiza mediante una banda dosificadora que recibe el material desde una caja de despresurización y descarga en un sistema de transporte neumático que impulsa el material hasta el precalentador del horno.
1.6.2.5 Clinkerización y Enfriamiento (Área F)
Figura 1.5 Esquema del Área F (Clinkerización y Enfriamiento)
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Fotografía 1.5 Horno del Clinkerización
Es el área fundamental del proceso de fabricación de cemento; el equipo principal es el horno rotativo, con una capacidad de producción de 1.100TMPD de clinker de cemento, a una temperatura de descarga de 65ºC sobre la temperatura ambiente. El horno es un tubo de acero de 4.11m de diámetro y 57,91m de longitud, revestido interiormente con material refractario, que se apoya en tres bases con aros y rodillos que permiten el movimiento y accionado por un motor de 250HP de velocidad variable. El proceso de clinkerización se describe de la siguiente manera: el material crudo procedente de los silos de almacenamiento descritos anteriormente, es inyectado al ducto de salida de los gases de la segunda etapa del precalentador. El precalentador está constituido por 4 etapas de ciclones instalados en serie, la etapa 4 es la que está ubicada a la boca de alimentación del horno; la etapa 1 consta de dos ciclones en paralelos a cuya salida de gases se encuentra el ventilador de tiro del precalentador que es accionado por un motor eléctrico de velocidad variable con una potencia de 1250HP. El tipo de motor con
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velocidad variable permite disponer de un caudal de aire adecuado para satisfacer los diferentes requerimientos de la alimentación, garantizando una atmósfera estable en el proceso de clinkerización del material en el tubo del horno. El precalentador actúa como un intercambiador de calor entre los gases resultantes de la combustión del horno y el material pulverizado de alimentación. La otra función que desempeña el precalentador es el de colector estático ya que impide que el material sea arrastrado conjuntamente con los gases. En el funcionamiento a plena capacidad, esto es con una alimentación estable alrededor de 75TMPH, el material crudo incrementa su temperatura en aproximadamente 800ºC; y la temperatura de los gases desciende hasta llegar a los 250ºC. El material al incrementar su temperatura mientras desciende por el precalentador, comienza su proceso de transformación química, la temperatura máxima alcanzada en el horno rotativo depende de las características del material y del tipo de clinker de cemento que se está produciendo. Actúan como elementos fundentes para llegar a la fase líquida el aluminio (Al), y el hierro (Fe); disminuyendo el tiempo de reacción del silicio (Si) y calcio (Ca), a la vez que bajan la temperatura necesaria para que se produzca la clinkerización, que para este caso es de alrededor de los 1400ºC. Parte importante del proceso de clinkerización es el enfriamiento, que se realiza en el enfriador Fuller, que consta de un varillado metálico que produce la descarga del material enfriado mediante la transferencia de temperatura por la inyección de aire frío con 4 ventiladores. A la salida del enfriador se encuentra el triturador de clinker que permite descargar un producto con una granulometría alrededor de 25mm. El aire necesario para la combustión es tomado del aire utilizado para el enfriamiento de clinker. Este aire que está siempre entre los 600 y 800ºC, permite que se produzca el proceso de cocción, utilizando como combustible Fuel oil # 6 (Bunker C). Para la dosificación y manipulación de este combustible pesado se dispone de un caldero, que calienta al residuo de temperatura ambiente a la temperatura de inflamación del Bunker (110ºC) mediante la transferencia de calor utilizando aceite térmico.
38
SECADOR DE PUZOLANA
El aire del enfriador que no es utilizado para la combustión en el horno es evacuado mediante un ventilador de compensación. El consumo específico de energía de esta área es de 35Kwh/TMPH de clinker producido y un consumo calorífico de 840Kcal/Kg de clinker.
1.6.2.6 Molienda de acabado (Área G)
Figura 1.6 Esquema del Área G (Molienda de Acabado)
Fotografía 1.6 Molino de Acabado
La molienda de cemento o acabado es una parte fundamental del proceso de fabricación. En esta área se dosifican y muelen los ingredientes finales del cemento, su equipo principal es el molino de bolas con un diámetro de 3,66m y una longitud total de 11,28m, es de tipo horizontal dividido en dos cámaras: la primera de 3,66m de longitud en
SECADOR DE PUZOLANA
39
la que se realiza la molienda gruesa y la segunda de 7,62m en la que se realiza la molienda fina. El molino tiene un diseño con descarga periférica y por lo tanto tiene una sola entrada y salida; es accionado por un motor eléctrico de 3000HP, con una garantía de producción de 60TMPH de cemento con una superficie específica de 3900 a 4200cm 2/g (blaines). El consumo específico es de 43Kwh/TMPH; estos valores se garantizan considerando una alimentación de 81 % de clinker y 4% de yeso con granulometría menor a 25mm. El sistema de molienda es de tipo cerrado con un separador de aire que clasifica el producto de acuerdo a los requerimientos establecidos por el departamento de calidad. En la actualidad se dosifica también puzolana en un porcentaje que varía entre 12 y 15%, con el fin de obtener cementos regulados por la norma INEN 490.
1.6.2.7 Despacho y Empaque de cemento (Área H)
Figura 1.7 Esquema del Área H (Despacho y Empaque)
40
SECADOR DE PUZOLANA
a)
b) Fotografías 1.7 a) y b) Área F (Despacho y Empaque)
El área está equipada con dos líneas completas de enfundado del cemento con ensacadoras rotativas Haver Boecker con 8 bocas cada una y una capacidad de enfundar 2500 sacos/hora cada máquina. Cada una de estas ensacadoras están alimentadas con sus respectivos aplicadores RADIMATIC, que son servomecanismos autómatas que permiten un flujo contínuo y estable en la emisión de sacos. Paralelamente para el despacho a granel se dispone de dos sistemas de alimentación para carros cisterna. El respectivo control en el despacho relacionado con la variable de peso (50 ± 0,5 Kg/saco), está controlada a la salida del vehículo de transporte por una báscula
SECADOR DE PUZOLANA
41
electrónica de 80 toneladas de capacidad y certificada por el Instituto Ecuatoriano de Normalización.
1.7 ESPECIFICACIONES DEL PROCESO Y PRODUCTO El cemento portland 1PM que actualmente se produce presenta las siguientes especificaciones. 9
Blaine: mínimo 4000
9
Resistencia a la compresión: Mínimo: 13,0 MPa a los 3 días 20,0 Mpa a los 7 días 25,0 Mpa a los 28 días
9
Finura: tamiz 325 ASTM ( 45 micras) : 3 - 4 % retenido
9
Cal libre: máximo 2 %
9
Expansión en autoclave: máximo 0,5 %
9
Fraguados: Inicial: mínimo 45 minutos Final: máximo 420 minutos
9
Falso fraguado: mínimo 50 %
9
Pérdidas al fuego: máximo 5 %
9
Oxido de magnesio: máximo 5 %
9
Trióxido de azufre: máximo 4 Saturación de cal: 90 – 94 %
El secado de puzolana implica mejorar estás propiedades, ya que así será posible incrementar el porcentaje de adición de este material en la composición del cemento; a continuación se presenta los resultados de los análisis realizados de las diferentes propiedades del cemento con porcentajes de adición de puzolana que varía desde 0 hasta 30%.
42
SECADOR DE PUZOLANA
1.7.1 DENSIDAD DEL CEMENTO
DENSIDAD (G/CM3) % DE
MUESTRA
PUZOLANA ADICIONADO
Nº1
Nº2
Nº3
Promedio
0
3.172
3.171
3.167
3.17
5
3.135
3.138
3.138
3.137
10
3.112
3.097
3.091
3.1
15
3.079
3.08
3.084
3.081
20
3.048
3.052
3.047
3.049
25
3.016
3.012
3.011
3.013
30
2.997
3.002
3.007
3.002
AL CEMENTO
DENSIDAD
3,2 o 3,15 i d e m 3,1 o r P 3,05 d a d 3 i s n e 2,95 D
2,9 0
5
10
15
20
25
30
% de Puzolan a Adic ion ado al Cement o
Tabla 1.11 Densidad del Cemento con adición de distintos porcentajes de Puzolana
Como se puede apreciar en este análisis la relación puzolana-densidad es inversamente proporcional ya que a mayor porcentaje de puzolana adicionado al cemento la densidad de este es menor y por consiguiente se mejora la reacción de hidrólisis al momento de realizar la mezcla como se analizó en la sección 1.4.1.
43
SECADOR DE PUZOLANA
1.7.2 SUPERFICIE ESPECÍFICA (BLAINE):
SUPERFICIE ESPECÍFCIA % DE
∗
MUESTRA
PUZOLANA ADICIONADO
Nº1
Nº2
Nº3
Promedio
0
3300
3200
3190
3230
5
3600
3500
3450
3517
10
3750
3600
3720
3690
15
3900
3980
3920
3933
20
4200
4180
3950
4110
25
4230
4200
4250
4227
30
4300
4280
4200
4260
AL CEMENTO
SUPERFICIE ESPECÍFICA 4500
o i d 4000 e m 3500 o r P 3000 . p 2500 s E 2000 e i c 1500 i f r 1000 e p u 500 S
0
0
5
10
15
20
25
30
% de Puzo lana Adicio nado al Cemento
Tabla 1.12 Superficie Específica del Cemento con adición de distintos porcentajes de Puzolana
∗
Ver Referencia Anexo 7A
44
SECADOR DE PUZOLANA
La superficie específica es la suma de las superficies de las partículas de un gramo de muestra, la puzolana disminuye la densidad del cemento y por consiguiente los espacios intermoleculares son cada vez menores con lo que se logra una mejor homogeneidad en el material y por consiguiente su calidad aumenta.
1.7.3 PORCENTAJE DE RETENIDO EN EL TAMIZ 325:
PORCENTAJE DE RETENIDO EN EL TAMIZ % DE
MUESTRA
PUZOLANA ADICIONADO
Promedio
Nº1
Nº2
Nº3
0
22.50
22.43
21.98
22.30
5
21.83
21.54
21.34
21.57
10
20.95
20.63
50.56
20.71
15
20.11
19.98
20.02
20.04
20
17.91
19.49
19.30
19.50
25
17.50
17.01
17.12
17.21
30
16.32
16.54
16.28
16.38
(%)
AL CEMENTO
% DE RETENIDO EN EL TAMIZ 25
z i m a 20 T l e n 15 e o d i 10 n e t e R 5 e d 5
0
0
5
10
15
20
25
30
% de Puzolana Adi cionado a l Cemento
Tabla 1.13 Porcentaje de Retenido del Cemento con adición de distintos porcentajes de Puzolana
45
SECADOR DE PUZOLANA
La adición de puzolana al cemento proporciona mayor fineza y homogeneidad, por consiguiente el retenido en el tamiz se reduce considerablemente, además al momento de realizar la molienda del cemento la puzolana le proporciona mayor facilidad porque una de sus propiedades es la facilidad de molienda en estado seco. Los análisis antes descritos fueron realizados en un molino de laboratorio obteniendo un valor crítico de retenido de 16.38% sin embargo a escala real este valor se reduce a un 3 o 4%.
1.7.4 CONSISTENCIA NORMAL :
CONSISTENCIA NORMAL (%) % DE
MUESTRA
PUZOLANA ADICIONADO
Nº1
Nº2
Nº3
Promedio
0
23.80
23.80
23.80
23.80
5
24.20
24.20
24.20
24.20
10
24.40
24.40
24.40
24.40
15
24.90
24.90
24.90
24.90
20
25.60
25.60
25.60
25.60
25
25.90
25.90
25.90
25.90
30
26.40
26.40
26.40
26.40
AL CEMENTO
∗
Ver Referencia Anexo 8A
46
SECADOR DE PUZOLANA
CONSISTENCIA NORMAL 26,5
. m 26 o r P 25,5 . N 25 a i c 24,5 n e t s 24 i s n 23,5 o C 23 %
22,5 0
5
10
15
20
25
30
% de Puzolana Adici onado al Cemento
Tabla 1.14 Consistencia Normal del Cemento con adición de distintos porcentajes de Puzolana
En la sección 1.4.1 se definió a la consistencia normal como aquella que permite conocer exactamente el volumen de agua necesario para obtener una pasta de consistencia plástica y que el cemento brinde un tiempo de fraguado normal; en este análisis se puede comprobar que con mayor adición de puzolana la relación agua/cemento es mayor.
1.7.5 TIEMPO DE FRAGUADO :
TIEMPO DE FRAGUADO CLASE DE FRAGUADO MUESTRA
∗
Porcentaje de Puzolana 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30%
N°1
140 170 160
175
180
175
155
Fraguando Inicial
N°2
145 180 165
185
185
175
140
(minutos)
N°3
145 176 175
190
190
190
140
Promedio
143 175 167
183
185
180
145
N°1
265 230 270
260
275
260
245
Fraguando Final
N°2
260 235 278
240
260
250
249
(minutos)
N°3
270 245 280
255
260
260
260
Promedio
265 237 276
252
265
257
251
Ver Referencia Anexo 9A
47
SECADOR DE PUZOLANA
TIEMPO DE FRAGUADO 300
) n i m 250 ( o d 200 a u g a r 150 F e d 100 o p m 50 e i T
Fraguando Inicial Fraguando Final
0 0%
5%
10% 15% 20% 2 5% 30%
% de Puzolana Adicio nado al Cemento
Tabla 1.15 Tiempo de Fraguado del Cemento con adición de distintos porcentajes de Puzolana
El tiempo de fraguado es relativamente más lento esto se debe a que primero ocurren las reacciones del clinker, para luego empezar a reaccionar los elementos de la puzolana.
1.7.6 EXPANSIÓN EN AUTOCLAVE EXPANSIÓN EN AUTOCLAVE (%) % DE PUZOLANA ADICIONADO AL
Nº1
Nº2
Nº3
Promedio
0
0.068
0.067
0.07
0.068
5
0.062
0.063
0.06
0.061
10
0.049
0.05
0.052
0.05
15
0.04
0.036
0.038
0.038
20
0.031
0.028
0.032
0.03
25
0.023
0.024
0.025
0.024
30
0.015
0.014
0.016
0.015
CEMENTO
∗
MUESTRA
Ver Referencia Anexo 10A
48
SECADOR DE PUZOLANA
EXPANSION EN AUTOCLAVE 0,07
e v a 0,06 l c o t u 0,05 A n 0,04 e n 0,03 ó i s n 0,02 a p x E 0,01 %
0 0
5
10
15
20
25
30
% de Puzolana Adi cionado a l Cemento
Tabla 1.16 Expansión en Autoclave con distintos porcentajes de Puzolana
El gradiente de expansión con el tiempo es considerable; con el 0% de adición el cemento se expande un 0.068% mientras que con el 30% que es el valor máximo adicionado en la muestra analizada el porcentaje de expansión es apenas del 0.015%, esto tiene una explicación lógica por cuanto la puzolana elimina la cal libre que se desprende de las reacciones y que es la causante de este fenómeno.
1.7.7 TABLA DE FLUJO (CONTENIDO DE AIRE EN MORTEROS )
CONTENIDO DE AIRE EN MORTEROS (%) ∗
% DE PUZOLANA ADICIONADO AL
Nº1
Nº2
Nº3
Promedio
0
7.70
8.00
7.50
7.73
5
7.30
7.45
7.25
7.33
10
6.95
7.90
6.80
7.22
15
6.65
6.74
6.68
6.69
20
6.20
6.30
6.25
6.25
25
5.58
5.74
5.62
5.65
30
5.23
5.42
5.34
5.33
CEMENTO
∗∗
∗
MUESTRA
Ver Referencia Anexo 11A Mezcla de arena normalizada, agua y cemento en cantidades normados.
49
SECADOR DE PUZOLANA
CONTENIDO DE AIRE EN MORTEROS 8 7
n e 6 e r ) i % A ( 5 e s d o r 4 e o t d i r 3 n o e m t 2 n o C 1
0 0
5
10
15
20
25
30
% de Puzolana Adicionado al Cemento
Tabla 1.17 Contenido de Aire en morteros con distintos porcentajes de Puzolana
El contenido de aire en morteros se basa en la observación del cambio en el volumen de una muestra de mortero, al igual que las otras propiedades esta también se mejora, porque el contenido de aire con el 30% de puzolana es de aproximadamente el 69% menos que la muestra con 0% de adición.
1.7.8 RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN : RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN (MPA)
EDAD
3 días
7 días
28 días
∗
MUESTRA
PORCENTAJE DE PUZOLANA 0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
N°1
21.00
19.50
18.40
17.23
16.50
16.00
15.50
N°2
24.50
20.00
18.00
17.34
16.80
16.20
15.40
N°3
21.70
19.70
17.86
17.40
17.00
16.40
15.70
Promedio
21.40
19.73
18.09
17.32
16.77
16.20
15.53
N°1
31.50
28.90
26.00
25.50
24.90
24.30
23.20
N°2
31.40
29.00
26.80
25.20
24.80
24.50
23.10
N°3
31.00
29.20
26.50
25.90
25.00
24.10
23.50
Promedio
31.30
29.03
26.43
25.53
24.90
24.30
23.27
N°1
33.80
32.80
32.10
31.00
31.00
29.90
28.60
N°2
33.80
32.60
31.90
32.10
30.90
30.00
28.50
N°3
34.00
32.50
32.00
31.50
30.80
29.50
29.20
Promedio
33.87
32.63
32.00
31.53
30.90
29.80
28.77
Ver Referencia Anexo 12A
50
SECADOR DE PUZOLANA
RESISTENCIA A LA COMPRESION
35 30
) a a p l 25 M a ( a n 20 i c ó n i e s t e 15 s r i p s e m 10 R o C
3 días 7 días 28 días
5 0
0
5
10
15
20
25
30
% de Puzolana Adi cionad o al Cemento
Tabla 1.18 Resistencia a la compresión con distintos porcentajes de Puzolana
La sustitución por puzolana del cemento portland reduce siempre la resistencia de la primera época, aunque aumenta la resistencia final 1 (aumenta a partir de los 30 días).
