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Diseño de un horno rotatorio para la fabricación de cemento. Research Proposal · December 2016 DOI: 10.13140/ 10.13140/RG.2.2.21823.92 RG.2.2.21823.92324 324
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Yusdel Díaz Universidad Tecnológica de la Habana, José Antonio Echeverría 48 PUBLICATIONS 3 CITATIONS SEE PROFILE
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Universidad Tecnológica de la Habana “José Antonio Echeverría”
Facultad de Ingeniería Mecánica Unidad Docente Metalúrgica
Diseño de un horno rotatorio para la fabricación de cemento. Autor Msc. Yusdel Díaz Hernández
Resumen En el presente trabajo se considera el diseño de un horno rotatorio para la fabricación de cemento Portland. Para ello se realizó un análisis a distintas bibliografías con el fin de adquirir conocimientos sobre el tema. Se ejecutan los cálculos respectivos para lograr parámetros constructivos adecuados y se determina el consumo de combustible a través del balance térmico. También se tiene en cuenta el impacto ambiental y económico.
Summary In the present work it is considered to be the design of a rotary stove for the cement manufacture Portland. For it an analysis was realized to different bibliographies in order to acquire knowledge on the topic. The respective calculations are executed to achieve suitable constructive parameters and the fuel consumption decides across the thermal balance. Also the environmental and economic impact is born in mind.
Índice Introducción ........................................................................................................ 4 Capitulo I. Generalidades del cemento Portland. ............................................... 7 Capitulo II. Balance de masa y de energía. Diseño del horno rotatorio. Partes básicas y auxiliares. Mecanismos y componentes. ............................................ 9 Diseño........................................................................................................... 12 Funcionamiento ............................................................................................ 13 Refractario .................................................................................................... 14 Características. Fórmulas. ............................................................................ 16 Estaciones de rodadura. Rodillos soporte de rodadura. ............................... 17 Estaciones de rodadura. Aros de rodadura. ................................................. 17 Dimensionamiento de los aros de rodadura. ................................................ 19 Tensiones máximas de flexión en la sección del aro de rodadura. ........... 19 Presión de Hertz. ...................................................................................... 20 Movimiento y transporte de materiales en el horno. ..................................... 23 Balance de masa .......................................................................................... 26 Balance térmico ............................................................................................ 27 Capítulo III. Impacto ambiental e impacto económico. ..................................... 31 Impacto ambiental ........................................................................................ 31 Impacto económico ....................................................................................... 32 Conclusiones .................................................................................................... 33 Bibliografía ....................................................................................................... 34 Recomendaciones ............................................................................................ 35
Introducción La fabricación del clinker de cemento portland, en los primeros tiempos, se realizaba en hornos verticales cargados y controlados manualmente. Este procedimiento exigía grandes esfuerzos físicos y presentaba el inconveniente de un funcionamiento irregular produciendo un clinker de composición química y mineralógica variable y, a menudo, de mala calidad. Además, la capacidad de producción de dichos hornos era muy baja. Este sistema, tan poco satisfactorio, fue reemplazado por hornos verticales automáticos, en los cuales con un buen crudo y con un combustible conveniente, era posible obtener un funcionamiento regular del horno y, por tanto, un clinker más homogéneo. El inconveniente que seguía presentándose era el de una producción limitada, nunca superior a las 300 toneladas por día. A finales del siglo XIX apareció en Gran Bretaña el horno rotatorio, y hoy en día el piroprocesamiento del crudo con el fin de obtener el clinker tiene lugar, casi exclusivamente, con este tipo de horno. Frederik Ransome introdujo el horno rotatorio en la industria del cemento. Ransome patentó su invención, primero en Inglaterra, patente inglesa n° 5442 del 2 de mayo de 1885, con el título "Perfeccionamiento en la industria del cemento" y después en EE.UU. (patente U.S. n° 340.357 del 20 de abril de 1886 con el título "Fabricación del cemento", etc.). Ese horno estaba calentado por gas pues entonces no se conocía la calefacción por carbón. Más tarde se utilizó la calefacción por petróleo hasta que, finalmente, predominó la calefacción por carbón. Las dimensiones del primer horno rotatorio para cemento eran 1.80 2.0m de diámetro, para una longitud de unos 20 - 25m con caudales de 30-50 t/24h. La capacidad de producción de los hornos rotatorios, comparada con la de los hornos verticales, es mayor y aumento considerablemente, especialmente después de la introducción de los sistemas de intercambiadores de calor y de precalcinación, así como del adecuado control y automatización del proceso de piroprocesamiento.
Situación Problemática -Como diseñar un horno rotatorio para la fabricación de cemento. Problema Científico -Determinar los problemas que influyen en el funcionamiento de este horno para realizar el cemento. Objeto de estudio -Operaciones Unitarias. Objetivo General -Diseño de un horno rotatorio para la fabricación de cemento Portland Objetivos específicos o tareas -Analizar bibliografía especializada sobre el tema. -Escoger un horno rotatorio adecuado. -Diseñar un horno rotatorio. Campo de acción -Proyectos de ingeniería de las operaciones unitarias. Hipótesis -Proponer dimensiones del horno y parámetros constructivos. Variable dependiente -Proyectar y calcular un horno rotatorio para la fabricación de cemento. Variable independiente -Diseño del horno rotatorio. Métodos de investigación Histórico - lógico: Fue aplicado como punto de partida para desarrollar el estudio histórico del comportamiento de los hornos rotatorios para la fabricación de
cemento en Cuba, de ahí que es necesario consultar los criterios de varios especialistas. Análisis y síntesis: Descomponer en sus elementos constitutivos a todas las partes de la investigación, verlas en su aspecto particular y volverlas a unir en un todo único armónico. Inducción y deducción: Permitió analizar el funcionamiento de los hornos rotatorios para la fabricación de cemento. La observación: Permitirá valorar la explotación de hornos rotatorios para la fabricación de cemento y fundamentar las propuestas de las modificaciones que se plantearan en el desarrollo del trabajo.
Capitulo I. Generalidades del cemento Portland. En la fabricación de los distintos tipos de cemento Portland se utilizan como materias primas el clinker de cemento Portland y diversos productos naturales (tierra de diatomeas, tobas volcánicas, etc.) y artificiales (escoria siderúrgica, cenizas volantes, escorias metalúrgicas, etc.). La composición química del clinker de cemento portland (62/70 % CaO, 18/24 % SiO2, 4/8 % Al2O3 y 1.5/4.5 % Fe2O3), teniendo en cuenta solamente a sus cuatro óxidos principales, cae dentro del sistema cuaternario CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3, siendo el óxido mayoritario el CaO, disminuyendo después en el orden SiO 2- Al2O3- Fe2O3 esto nos indica que los componentes de las materias primas deben de ser predominantemente calcáreos con cantidades sucesivas más pequeñas de constituyentes silíceos, aluminosos y ferruginosos. Las rocas naturales que tengan los cuatro óxidos principales en las proporciones adecuadas y que, por tanto, no necesiten ninguna corrección para que mediante su cocción den el clinker, son extremadamente raras. Se pueden mencionar la
“portlandstone” en Lehigh, Ohio (USA) y Novorosiisk (Rusia). Por tanto, la elección de las materias primas para fabricar el clinker de cemento portland cae en una variedad, más o menos grande, de rocas de origen natural y en una escala muy reducida de productos industriales (generalmente subproductos). El óxido mayoritario (CaO) se obtiene normalmente de las calizas (CaCO 3), la cual puede representar sobre el 70-99 % dependiendo de su calidad (Normalmente el 75-80 %) en peso de las materias primas a mezclar (Componente principal de las materias primas). El componente arcilloso es el segundo componente en orden de importancia para la fabricación del clinker de cemento. Compensan la deficiencia composicional que presenta el componente calcáreo, en cuanto a silicio y aluminio fundamentalmente. Los componentes correctores se añaden en aquellos casos en que con los dos componentes mayoritarios no se consigue una composición química del crudo adecuada para la fabricación del clinker. Se trata de compensar las pequeñas deficiencias que puedan existir en el crudo. Esto ocurre en raras ocasiones ya
que los dos componentes principales pueden disponerse dentro de un amplio rango de composiciones, bien por arranque de distintos frentes de una misma explotación o bien porque se disponga de más de una explotación. La adición de componentes correctores solo es posible en una escala limitada, a menos que estemos fabricando un cemento especial. Generalmente, se añaden en una cantidad que oscila entre el 1 y el 2 %. En algunas ocasiones puede llegarse al 5 %. Los componentes correctores pueden ser silíceos (menor que 70 % de SiO2), aluminosos (menor que 30 % de Al2O3) y ferruginosos (menor que 40 % de Fe2O3). El yeso, aun cuando no es una materia prima utilizada en la preparación del crudo que se introduce en el horno, se utiliza en la fabricación del cemento portland como aditivo del clinker con el fin de regular el tiempo de fraguado, retardándolo adecuadamente. El retraso en el fraguado se produce por la reacción del sulfato (la parte activa es el ión SO-24 que participa en la hidratación después de su disolución) con el aluminato tricálcico que, en otr o caso, fraguaría muy rápido no dando tiempo a manipular la pasta.
Capitulo II. Balance de masa y de energía. Diseño del horno rotatorio. Partes básicas y auxiliares. Mecanismos y componentes. El horno rotatorio consiste en un tubo cilíndrico apoyado sobre estaciones de
rodadura (2, 3, …,8), que tiene una pendiente del orden del 3.5 % con respecto a la horizontal y que gira a velocidades de rotación comprendidas entre 1.8 y 3.5 rev/minuto (rpm). La puesta en rotación del horno puede asegurarse de dos maneras: Horno de 3 apoyos y más: por medio de uno o dos grupos de accionamiento en los que un piñón ataca una corona dentada fijada sobre la virola. Horno de 2 apoyos: bien por medio de un grupo de accionamiento en los que un piñón ataca una corona dentada fijada sobre la virola o bien directamente por medio de uno o dos rodillos de una estación de rodadura, ellos mismos accionados por dos o cuatro motores electrohidráulicos o electromecánicos. El sistema de accionamiento comprende un engranaje en dos piezas que rodea la virola (corona dentada) y los piñones (uno para los hornos pequeños, dos para los hornos grandes), ambos engranajes con acoplamientos, embragues, trenes de engranajes como reductores de velocidad y sus motores. El accionamiento del horno debe ser capaz de afrontar todas las situaciones de trabajo, incluyendo los casos extremos (Figuras 2.1 y 2.2).
Figura 2.1. Conjunto de accionamiento de un horno rotatorio.
Figura 2.2. Piñón de accionamiento de un horno y su montaje. La corona dentada y su(s) piñón(es) van envueltos por una caja de plancha de acero para el aceite y el polvo. En los hornos pequeños se aplica la lubrificación por cucharas, en los mayores se usa lubrificación atomizada por medio de inyectores. Motor principal: velocidad variable, corriente continua - tiristor, con capacidad próxima a 100 % de la exigencia de energía teórica (Figura 2.3).
Figura 2.3. Potencia de accionamiento aproximada para los hornos rotatorios provistos de precalentador de ciclones. Motor auxiliar: su función consiste en poder imprimir al horno, en caso de fallos de energía, un movimiento de rotación continuo (a velocidad reducida), a falta del motor principal. En las fábricas de cemento, donde se dispone de u n suministro auxiliar de energía para dichas eventualidades, el motor auxiliar
puede ser de corriente alterna trifásico, en otros casos se emplea un motor de combustión interna (diesel o de gasolina) dispuesto para una rápida puesta en marcha. En vez de engranajes, se han empleado a veces sistemas de accionamiento óleo-hidráulico en los hornos rotativos, pero no alcanzaron gran aceptación. Con el fin de evitar los movimientos de deslizamientos de sube y baja de los aros de rodadura sobre los rodillos el guiado axial del horno está asegurado por uno o dos topes hidráulicos, las cuales imprimen al horno un movimiento axial limitado, con el fin de repartir de manera uniforme el desgaste sobre toda la superficie de los rodillos soporte. Si el horno estuviera horizontal, los ejes de los rodillos de apoyo, del aro de rodadura y del horno podrían estar paralelos y el horno estaría en posición. Sin embargo, para que el material a cocer avance en el horno es necesario darle una inclinación de unos grados, de tal modo que es preciso compensar la componente que tiende a hacer descender el horno por un esfuerzo de sentido opuesto aportado sobre los aros de rodadura. Dicho esfuerzo esta suministrado mediante: - el no paralelismo entre los ejes de los rodillos de apoyo y el eje del horno. - un rodillo empujador. El reglaje entre el aro de rodadura y los rodillos soportes debe permitir el desplazamiento del horno de 40 a 60 mm en los dos sentidos. La duración de la subida del horno será del orden de 8 a 24 horas, mientras que la del descenso será de 4 a 8 horas. En los hornos pequeños, con rodillos del tamaño correspondiente, se dispone el último par formando sus ejes un pequeño ángulo con el eje del horno en vez de mantenerse paralelos con él. No obstante, actualmente, en los grandes hornos, los ejes de los rodillos se emplazan paralelamente al horno en una disposición que permita al horno realizar continuamente movimientos de sube y baja, evitándose, de este modo, que los aros no se apoyen oblicuamente sobre los rodillos y no se formen en ellos surcos o deformaciones laterales. Según que el
horno rotatorio este equipado o no de rodillos empujadores el principio de l reglaje será diferente. Sin rodillos empujadores, los ejes de los rodillos soporte están orientados, con respecto al eje del horno de manera de hacerlo subir. Cuando se llega a la posición más alta, la puesta en acción de un engrasador es suficiente par a hacer descender el horno. La figura 2.4 esquematiza, para hornos girando en el sentido de las agujas de un reloj y en el sentido contrario, la dirección en que deben ponerse los rodillos soporte para permitir el movimiento ascendente del horno.
Figura 2.5. Ajuste de los rodillos de rodadura del horno rotatorio.
Diseño Diámetro exterior (m)
3,6
Diámetro interior (m)
3,09
Largo del horno (m)
50,4
Inclinación del horno (grados)
2,17
R.P.M
2,2
Peso del horno (kg)
1097440,317
Cantidad de apoyos
2
Altura del refractario (m)
0,23
Diámetro del aro de rodadura (m)
2,138
Ancho del aro de rodadura (m)
1
Espesor del aro de rodadura (m)
0,335
Diámetro del palier (m)
0,2
Capacidad de producción (kg/h)
54365,74802
Tiempo de permanencia (min)
42
Velocidad de desplazamiento (m/h)
71
Altura de la chimenea (m)
16,87
Diámetro de la base de la chimenea 1,85 (m) Diámetro de salida de la chimenea 2,78 (m) Masa del clinker en el horno (kg)
166500
Funcionamiento En el interior del horno la temperatura de los gases evoluciona de 2000 – 2350ºC (Llama) a 1050ºC, mientras que el material pasa de 850 – 900ºC a 1420 – 1450ºC. Un revestimiento refractario protege a la virola y reduce las pérdidas de calor. El horno de clinker está sometido a diversas solicitaciones que tienen su origen en: 1.- Cargas mecánicas puestas en obra o aplicadas. 2.- Cargas térmicas. 3.- Defectos de geometría. Las cargas mecánicas, puestas en obra o aplicadas, pueden ser: i.- Uniformemente repartida: peso propio de la virola, peso del material refractario y peso del material. ii.- Concentradas: peso de la corona, peso sobre los extremos del horno (juntas, satélites) y fuerza y par de accionamiento. iii.- Evolutivas: encostramiento, anillos. Las solicitaciones debidas a la carga térmica son: i.- Variación de la temperatura a lo largo de la longitud del horno. ii.- Distribución de temperatura no homogénea en las secciones transversales del horno.
Estas solicitaciones generan esfuerzos y deformaciones que se evalúan mediante cálculo, con el fin de que estén dentro de límites aceptables. Como defectos de geometría se pueden citar los siguientes: i.- Alineamientos imperfectos de los soportes (Horizontal y vertical). ii.- Construcción defectuosa durante el montaje (eje de la virola no rectilíneo). iii.- Deformaciones permanentes creadas por sobrecalentamientos.
Refractario Características y propiedades requeridas en el refractario. Conocer las principales características de los materiales refractarios, que se utilizan o se podrían utilizar resulta imprescindible para lograr un buen trabajo de la misma; planificar, prever el comportamiento del refractario proporciona un factor de control de grandes posibilidades para asegurar y mejorar rendimientos; en la contraparte, el desconocimiento de este campo provoca serios riesgos y pérdidas de producción al asumir causas equivocadas a los problemas que se presentan. 1. Resistencia mecánica en frío. Aunque este valor normalmente expresado como resistencia a la compresión en kg/cm2, no puede asumirse para prever su exacto comportamiento en condiciones de operación, resulta de gran utilidad, como un punto de partida para asumir en forma aproximada el mismo y además como factor de control de calidad que podría resultar indicativo de variaciones en las condiciones de fabricación, que provocarían cambios en su trabajo. Se exige: 350-500 Kg/cm2 para ladrillos de alta alúmina(ácidos). 500-700 Kg/cm2 para ladrillos de dolomita o magnesita(básicos). 2. Poder refractario. Representa el comportamiento del material a altas temperaturas, y se expresa como una cifra con carácter abstracto deducida de un ensayo realizado en condiciones pre-establecidas. En la zona de clinkerización se emplea el cono
Seger No 36. La estabilidad frente a la carga térmica bajo presión, se mide por la temperatura a la que el material refractario comience a reblandecerse bajo una presión de 2Kg/cm2. El refractario debe adoptar, a determinadas temperaturas, cierto grado de plasticidad, por ello es conveniente que este valor se ubique unos 150 oC por encima de la temperatura de clinkerización. 3. Dilatación térmica Tiene gran importancia conocer los coeficientes de dilatación térmica de los refractarios y de los materiales que sean empleados con ellos en el colocado, asi como de la chapa metálica que se protege, a la temperatura de trabajo en cada caso. La alta temperatura soporta la cara interior del ladrillo, en la zona crítica produce esfuerzos que provocan el “spalling” o desconchamiento de la cara superior; la resistencia del ladrillo al “spalling” se controla e incluso se halla normalizada (ASTM C-122). Durante el diseño del colocado debe preverse la dilatación radial y longitudinal del ladrillo, existiendo todas las técnicas y elementos necesarios para lograr las condiciones que mejor se adapten a las de operación. 4. Resistencia química. La agresividad del material, los gases o cenizas del combustible que se presentan en condiciones muy variadas, y el refractario en cada zona debe presentar la suficiente inercia química, o resistencia a ser atacado por las condiciones existentes. La presencia de fase líquida favorece la acción agresiva de carácter químico, por lo cual este aspecto requiere especial atención en las zonas calientes del horno. En esta zona, sin embargo, resulta necesaria la formación de costra y para ello la parcial reacción del refractario con el material del proceso. Para efecto de la resistencia a los volátiles agresivos, que se presentan, juegan importante papel la porosidad y permeabilidad de los materiales. 5. Conductividad térmica.
Las pérdidas de calor por radiación en el sistema representan aproximadamente el 10% del consumo en Kcal/kg de Clinker, por lo cual la capacidad de aislamiento representa un permanente objetivo de control y mejoramiento mediante mejores diseños y sistemas.
El coeficiente de conductividad térmica (λ) de los ladrillos silicoaluminosos a 20oC, es 1Kcal/(mxhxoC) y a 1000oC 1,3Kcal/(mxhxoC). En este caso de los ladrillos de magnesita y dolomita sucede, al contrario. La chapa del horno tiene
un λ = 40Kcal/(mxhxoC). 6. Resistencia a la abrasión. En los materiales que se emplean en el proceso de clinkerización, frecuentemente se comete el error de considerar solo el factor de temperatura y juzgar la calidad del refractario en función de su contenido de alúmina. Considerando los ladrillos silicoaluminosos, la resistencia a la abrasión disminuirá con el incremento del porcentaje de alúmina y aumentará su resistencia a mayores temperaturas. 7. Porosidad y permeabilidad. El tamaño, forma y cantidad de poros en los materiales refractarios revisten gran importancia en sus características; con menor porosidad o mayor compacidad, se logra mayor resistencia al ataque químico y a la abrasión, así como másaltas resistencias a compresión. La conductividad térmica también disminuye con la porosidad. La permeabilidad tiene gran importancia para la presencia de gases o fase liquida de características muy agresivas.
Características. Fórmulas. Según la longitud del horno, se soporta sobre dos o más aros (anillos giratorios) montados sobre rodillos de soporte. La relación de diámetro entre los rodillos y los aros varía entre 1:2.2 y 1:4.4 y depende del diámetro del horno y del número de aros y juegos de rodillos que soportan al horno, y esto obedeciendo al criterio determinante del tamaño de los rodillos con respecto a la presión de contacto que permitan los cojinetes.
Estaciones de rodadura. Rodillos soporte de rodadura. Las cargas radiales de la virola se transmiten a las fundaciones (Bancadas) por medio de los aros de rodadura, los rodillos soporte y los palieres. La carga radial del horno, Q, se reparte por hipótesis, uniformemente sobre los dos rodillos soporte, con una carga por rodillo igual a (Figura 2.5):
r = = = ℎ = =
ec 2.1
que se puede descomponer en sus componentes vertical y horizontal: ec 2.2 ec 2.3
Al aumentar el valor de α lo hace Qh, con lo que existe una carga mayo r sobre las estaciones de rodadura, pero por otra parte aumenta la estabilidad del horno sobre los rodillos soporte, por tanto, hay que ir a una solución de compromiso.
El valor de α= 30º, esta comúnmente aceptado como el valor de compromiso.
Figura 2.5. Esquema de una estación de rodadura.
Estaciones de rodadura. Aros de rodadura. Los aros de rodadura (Figura 2.6 ) son los elementos más importantes entre todos los del horno rotatorio. Constituyen las piezas de soporte por medio de las cuales se transmite a los rodillos de rodadura la carga del horno y su contenido. Esta función debe realizarse con seguridad a despecho de los movimientos longitudinales y de la dilatación térmica de la virola del horno.
El diámetro interno del aro debe ser suficientemente ancho para que permita una separación adecuada de la virola cuando el horno alcance en su plenitud la temperatura de trabajo. Una separación insuficiente tiende a causar apreturas y encogimientos de la chapa por el aro. En general, el aro suele dimensionarse en relación con la virola de modo que la ovalización de esta última deformación elíptica) se mantenga por debajo del 0.2 %.
Figura 2.6. Diferentes tipos de aros de rodadura. En condiciones normales de trabajo, la separación existente entre la virola y el aro debe estar comprendida en una banda de 3 a 20 mm, dependiendo de las temperaturas de ambos componentes. Con aros flotantes, tan sólo se podrá mantener la virola con una ovalización aceptable si la chapa es suficientemente rígida, en conjunción con el aro, construido con el menor huelgo posible, compatible con el riesgo de que la virola sea constreñida por dicho aro. Este huelgo del aro o su atraso circunferencial con respecto a la virola deben ser vigilados continuamente. Si el distanciamiento es demasiado grande, podrá reducirse por inserción de empaques entre el aro y la virola. El espesor de la pletina necesaria, e, podrá calcularse a partir de la fórmula:
= 3
ec 2.4
Donde Umin representa la distancia mínima de atraso del aro, en mm, estando el horno en funcionamiento normal. La razón entre el atraso circunferencial y el distanciamiento generalmente se sitúa entre 1.5 y 2.5.
Dimensionamiento de los aros de rodadura. Los factores, comúnmente admitidos, que se toman en consideración en los cálculos de dimensionamiento de los aros de rodadura, con sus valores límites son los siguientes: - Tensión de flexión σ fmax <5.5 daN/mm2 - Presión de Hertz σHmax < 42 daN/mm2 - Ovalidad ωB<0.18 % Tensiones máximas de flexión en la sección del aro de rodadura. El principio de cálculo consiste en considerar al aro de rodadura como un empotramiento circular cerrado sobre dos apoyos teniendo en cuenta la simetría vertical y analizar la estructura por el método de los desplazamientos. Se determina, en cada punto de la estructura, los valores del esfuerzo cortante, del momento flector y de la tensión de flexión. Los momentos flectores, para un valor del ángulo α= 30 º , toman los siguientes valores según las zonas (Figura 2.7). MI = -0.056QRb
ec 2.5
MIa= -0.031QRb
ec 2.6
MIb= 0.024QRb
ec 2.7
MII= 0.066QRb
ec 2.8
MIIa= 0.041QRb
ec 2.9
MIII= Mmax = -0.086QRb
ec 2.10
MIV= -0.024QRb
ec 2.11
siendo: Q = Carga en el apoyo (daN) Rb = radio medio del aro de rodadura (mm)
La tensión máxima de flexión, σ fmax(daN/mm2) tiene el valor:
σfmax = MωI I = .QRbω =
ec 2.12
El módulo de flexión ω(mm 3) de un aro de rodadura de sección rectangular de anchura b (mm) y espesor h (mm) viene dado por: ec 2.13
Figura 2.7. Curva de los momentos flectores. Presión de Hertz.
La presión de Hertz, σ H, (daN/mm2) es la relación entre la carga aplicada, Q (daN) y la superficie de contacto entre los dos cilindros correspondientes al aro de rodadura y al rodillo soporte.
σH = 0.42√ cosQ Eb RRR+R dónde: Rar es el radio del aro de rodadura (mm). Rr es el radio del rodillo soporte (mm).
ec 2.14
siendo: E módulo de Young.
= = +
ec 2.15
Debido a los cálculos anteriores de acuerdo con los parámetros de diseño del horno se tiene que: Tensión máxima de flexión = 5,28daN/mm 2 Presión de Hertz = 53,89 daN/mm2 Se observa que el horno cumple con los parámetros constructivos de los apoyos. Accionamiento La potencia P absorbida por el accionamiento del horno rotatorio es la suma de las potencias necesarias para vencer los diferentes elementos resistentes: -- La carga a poner en movimiento, P1. -- Las fuerzas de rozamiento entre los rodillos de apoyo y el palier, P2. -- Las fuerzas ligadas al contacto entre los rodillos de apoyo y los aros de rodadura, P3. Como se puede observar el cálculo se basa en dos componentes: Las fuerzas para vencer el rozamiento y la fuerza para sostener el movimiento de la carga. Se tiene pues: P = P1 + P2+ P3 P1 = P1 = 86.4 (Dsenθ) 3ncL Siendo:
θ = Semiángulo de talud del material visto desde el centro del horno (Figura 2.8). n = Velocidad de rotación (rpm). c = Coeficiente cuyo valor es función del ángulo de talud natural. c = 0.76x10-3 para un ángulo de talud natural de 35 º (Horno de cemento). c = 0.92x10-3 para un ángulo de talud natural de 40 º.
c = 1.8x10-3 para los hornos con dispositivos interiores para la elevación del material.
Figura 2.8. Diagrama para la determinación del seno de θ a distintos grados de llenado Las potencias P2 y p3 son la sumas parciales para cada apoyo.
siendo:
2 = 0,58∗ 10− ∗ ( ) 3 = 5,7 ∗10− ∗ ( )
Qf= Peso del horno rotatorio correspondiente a cada apoyo.
α= Angulo definido (en general es igual a 30 º) . Dar = Diámetro del aro de rodadura (m). Dr = Diámetro del rodillo soporte (m). Dp = Diámetro del palier (m). f = Coeficiente de rozamiento cuyo valor depende del tipo de palier f = 0.02 para palieres lisos lubrificados con aceite. f = 0.06 para palieres lisos lubrificados con grasa.
f = 0.06 para palieres con rodamientos de bolas.
Movimiento y transporte de materiales en el horno. El movimiento o desplazamiento el material dentro del horno rotatorio viene determinado por la resultante de dos componentes o factores decisivos que son: A.- El material se mueve en la misma dirección que el eje longitudinal debido a la inclinación del horno. Esta inclinación varía entre el 3 y el 4 % lo cual corresponde a un ángulo de entre 1º 43' y 2º 17'. B.- El material se desplaza perpendicularmente con respecto al eje longitudinal debido a la rotación del horno.
Según Heiligenstaedt (1951) el ángulo de deslizamiento θ ( ángulo de talud del material) para el material en un horno rotatorio tiene los siguientes valores: - Polvo de cemento, caliente, medida 0 – 0.2 mm θ= 35 º - Polvo de cemento, maduro, medida 0 – 0.2 mm θ= 45 º - Cemento clínker, medida 0 - 50 mm θ= 35 º - 40 º
El movimiento resultante se caracteriza por un ángulo β que puede calcularse aplicando la fórmula siguiente:
ϐ = siendo:
β= Movimiento de material resultante (Ángul o del material en movimiento) grados(º)
υ = Inclinación del horno en grados, grados (º) θ= Angulo de deslizamiento del material, grados (º) Se ha demostrado que la capacidad de transporte por hora Q (Producción horaria, kg/h) en un horno rotatorio por vía seca puede determinarse por:
= 1,48∗ ∗ ∗ ∗ ∗ϐ
siendo: Q = Capacidad de transporte por hora, (kg /h). Di = Diámetro interior del horno (m). n = Velocidad de rotación del horno, r.p.m.
Φ = Grado de llenado del horno. ρ = Densidad del material .
El tiempo que el material utiliza para pasar por el horno rotatorio (el tiempo de permanencia t en minutos) se puede hallar por medio de la fórmula siguiente:
siendo:
= 23∗ ∗
t = Tiempo de permanencia, minutos.
L= Longitud del horno, metros. Di = Diámetro interior del horno, metros. n = Velocidad de rotación del horno por minuto, r.p.m.
%ν = Porcentaje de inclinación del horno, %.
´
Balance de masa 70% 21% 7% 2%
44%
30% 14% 12%
C3S silicato tricálcico, su fórmula es 3 CaO. SiO2 C2S silicato dicálcico, su fórmula es 2 CaO. SiO2 C3A aluminato tricálcico, su fórmula es 62.3% de CaO, 37.7 % de Al2O3 C4AF ferritoaluminato tetracálcico, su fórmula es Fe2O3 • A12O3 • 4 CaO
Balance térmico
Materias primas (CaO, Al2O3, Fe2O3 y SiO2)
Gases producto de la combustión Evacuación del material 2 ventanas de trabajo
Qcombusti A través de las
Indeterminad
Q1+ Q2 = Q3 + Q4 + Q5 + Q6 +Q7 Donde: Q1 calor entregado al horno utilizando combustible Q2 calor entregado al horno por las materias primas Q3 calor que se llevan los gases por la chimenea Q4 pérdidas a través del refractario Q5 pérdidas por evacuación del material Q6 pérdidas indeterminadas Q7 pérdidas por los orificios de trabajo) Cálculo de las pérdidas a través del refractario.
= ℎ1 21 ln П12 21 ln Dal Dextumina αaire1Dextl
Donde: T1 Temperatura dentro del horno. T2 Temperatura fuera del horno. Sustitución
= 4,84∗1 3,09 2∗10,8ln П3,3,25005059252 ∗581 ln 3, 35,65 0,371∗3,650,4
Qpar = 397113,8W
Cálculos del calor que se llevan los gases por la chimenea. Composición de trabajo.
Gas licuado
CO
CH4
C2H4
C3H8
C4H10
C5H10
N2
0,75
91,2
1,96
0,74
1,32
0,67
2,5
A través de la composición de trabajo del gas se obtiene el volumen de los gases de combustión. Vg = 31,53 m3/kg Qgases = Cpgases x Vg x T Qgases = 1,476 x 31,53 x 2050 Qgases = 40946,05 W Cálculos de las pérdidas por las 2 ventanas de trabajo de 0,3m de largo.
Donde:
ℎ = ∗ Ф∗ (100) (100)
Co = 5,7W/m2K4
Ф coeficiente de diafragmentación
Sustitución
2050 273 25 273 = 5,7 ∗0,75∗ ( 100 ) ( 100 ) 0,09 ∗2
Qven = 224020,5W
Cálculo del calor entregado al horno por las materias primas. Q = Cp x m x T Al2O3 Q = 0,88 x 277,2 x 298 Q = 72692,928W Fe2O3 Q = 0,65 x 104,84 x 298 Q = 20307W CaO Q = 653 x 2310 x 298 Q = 449512140W SiO2 Q = 740 x 693 x 298 Q = 152820360W Calor total aportado por las materias primas. Q = 602425500,4W Cálculos de las pérdidas por evacuación del material. Q = Cp x m x T Al2O3 Q = 0,88 x 277,2 x 373 Q = 90988,128W Fe2O3 Q = 0,65 x 104,84 x 373 Q = 25418,458W
CaO Q = 653 x 2310 x 373 Q = 562644390W SiO2 Q = 740 x 693 x 373 Q = 191281960W Calor total perdido por la evacuación del material Q = 754042657W Cálculo del calor aportado por el combustible Q1 = (Q3+Q4+Q5+Q6+Q7) – Q2 Q1 =754042657+ 602425500,4+ 224020,5 + 40946,05 + 0,1Q1 - 471780,1 Q1 = 1506957048W = 1506957,048KW Q1 = Qat x B Donde B Consumo de combustible específico para el tiempo de balance, kg gas/kg metal. Qbt Potencia térmica menor del combustible de trabajo, (KJ/Kg)
B = 32,87 Kg de gas/Kg de clinker.
Capítulo III. Impacto ambiental e impacto económico. Impacto ambiental La producción convencional de cemento puede ocasionar algunos problemas ambientales como:
Enorme erosión del área de las canteras por la extracción continua de la piedra caliza y otros materiales.
Transporte inadecuado de materiales para su almacenamiento.
Emisión de contaminantes al aire (CO, SO2 y partículas muy finas).
El polvo de los residuos del horno forma el llamado clinker que puede contener metales pesados y otros contaminantes. Si el polvo clinker se desecha en las canteras donde se extrajo la piedra caliza puede contaminar los mantos de aguas subterráneas.
La exposición al CO afecta el sistema nervioso central y comparte los efectos de dióxido de azufre y partículas suspendidas, pues provocan la irritación de los tejidos del aparato respiratorio y agrava los síntomas de personas con enfermedades pulmonares.
Impacto económico La fabricación de un horno rotatorio para cemento genera una fuente de empleo, además de sustituir importaciones. La utilización racional del horno debe tener en cuenta una serie de medidas como son: -
Constante mantenimiento al refractario para evitar las pérdidas de calor innecesaria y perjudiciales en la fabricación del clinker.
-
El manejo del mismo debe ser a través de personal capacitado.
-
Evitar detener el horno para ahorrar combustible y evitar recalentar las zonas previamente calentadas.
Conclusiones Los cálculos de los hornos rotatorios para la fabricación de cemento son complejos porque gran parte del funcionamiento de esto se basa en un movimiento circular alrededor de su eje, vital para el desplazamiento de la carga del mismo, en donde los conocimientos sobre mecánica teórica son fundamentales al momento de diseñarlos. El diseño del horno se basó en los parámetros ya establecidos para la correcta implementación del mismo.
Bibliografía Chang Cardona, Antonio R. Cálculos de los Principales Procesos en Los Hornos Metalúrgicos. Editorial Félix Varela, La Habana, 1997. https://books.google.com.cu/books?id=pt20Ey56YC&printsec=frontcover&hl=es http://www.elconstructorcivil.com/2013/02/estabilizacion-con-cementomejoramiento.html
