Proceso del Cement
Contenido
Integrantes: Cristian Montenegro R. Felipe Vega H. Nicolás Toledo Z. Pedro Zamora M. Docente: Cecilia León. Carrera: Ing. (E) Mecánica.
Introducción...............................................................................................................3 1.
2.
Proceso Productivo del Cemento.......................................................................4 1.1
Extracción de materias primas.....................................................................4
1.2
Preparación de las materias primas.............................................................5
1.3
Molienda de crudo........................................................................................5
1.4
Cocción en el horno rotativo (Clinkerización)...............................................5
1.5
Molienda de cemento (Clinker + adiciones).................................................6
1.6
Almacenamiento y expedición......................................................................7
Control de procesos para la industria del cemento............................................7 2.1 Aplicación en molino de rodillos vertical..........................................................8 2.1.1
Resumen de parámetros.......................................................................9
2.1.2
Parámetros supervisados......................................................................9
2.2 Aplicación a múltiples combustibles...............................................................10 2.2.1 Parámetros controlados..........................................................................10 2.2.2 Parámetros supervisados........................................................................10 2.3 Aplicación en horno y enfriador......................................................................10 2.3.1 Parámetros controlados...........................................................................11 2.3.2 Parámetros supervisados........................................................................11 2.4 Aplicación en molino de bolas........................................................................12 2.4.1 Parámetros controlados..........................................................................13 2.4.2 Parámetros supervisados........................................................................13
Introducción 2
El cemento, un material de naturaleza inorgánica cuya producción industrial se inició hacia la mitad del siglo XIX, y sigue siendo hoy uno de los principales materiales de construcción. Pertenece a la categoría de los conglomerantes hidráulicos, es decir, productos que, mezclados con agua, producen pastas capaces de adherirse a materiales rocosos y endurecerse progresivamente, incluso sin contacto con el aire, formando bloques compactos, resistentes a la acción del agua y con resistencias mecánicas de gran nivel. En el largo período transcurrido desde su aparición, las tecnologías productivas del cemento han logrado (especialmente en las últimas décadas) notables progresos. Las instalaciones de producción del cemento pueden, por sus propias cualidades, considerarse entre las llamadas tecnologías limpias. El cemento se fabrica a partir de una mezcla de Clinker y yeso que actúa como controlador de fraguado. Además se le pueden añadir otro tipo de adiciones activas como cenizas volantes, escorias de alto horno, caliza, humo de sílice o puzolanas.
El proceso de fabricación consta de 6 etapas importantes: 1. Extracción de materias primas 2. Preparación de las materias primas 3. Molienda de crudo 4. Cocción en el horno rotativo 5. Molienda de cemento (Clinker + adiciones) 6. Almacenamiento y expedición
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1. Proceso Productivo del Cemento 1.1
Extracción de materias primas
El proceso de fabricación del cemento se inicia con los estudios y evaluación minera de materias primas (calizas y arcillas) necesarias para conseguir la composición deseada de óxidos metálicos para la producción de Clinker. Una vez evaluada se tramita la concesión o derechos sobre la cantera. El Clinker se compone de los siguientes óxidos (datos en %): Óxidos componentes del Clinker Oxido de calcio “Cal” (CaO) Oxido de Silicio “Sílice” Oxido de Aluminio “Alúmina” (Al 2O3) Óxido de Hierro (Fe2O3)
Porcentaje % 60 – 69 18 – 24 4–8 1–8
Las materias primas esenciales como caliza, margas y arcilla, que son extraídas de canteras, en general próximas a la planta, deben proporcionar los elementos esenciales en el proceso de fabricación de cemento: calcio, silicio, aluminio y hierro. Muy habitualmente debe apelarse a otras materias primas secundarias, bien naturales (bauxita, mineral de hierro) o subproductos y residuos de otros procesos (cenizas de central térmica, escorias de siderurgia, arenas de fundición, entre otros) como aportadoras de dichos elementos. Las calizas pueden ser de dureza elevada, de tal modo que exijan el uso de explosivos y luego trituración, o suficientemente blandas como para poderse explotar sin el uso de explosivos. El material resultante de la voladura es transportado en camiones para su trituración, los mismos que son cargados mediante palas o cargadores frontales de gran capacidad. Las materias primas naturales son sometidas a una primera trituración, bien en cantera o a su llegada a fábrica de cemento donde se descargan para su almacenamiento. La trituración de la roca, se realiza en dos etapas, inicialmente se procesa en una chancadora primaria, del tipo cono que puede reducirla de un tamaño máximo de 1.5 m hasta los 25 cm. El material se deposita en un parque de almacenamiento. Seguidamente, luego de verificar su composición química, pasa a la trituración secundaria, reduciéndose su tamaño a 2 mm aproximadamente. 4
1.2
Preparación de las materias primas
Uno de los factores más importantes en la fabricación del Clinker es la alimentación del horno con un material de composición homogénea. Para conseguir esto el material sufre un proceso de pre homogeneización en unas grandes pilas formadas por capas que luego se cortan en sentido transversal. La materia prima para la fabricación del Clinker debe de tener un porcentaje determinado de cada uno de los óxidos y suele ser necesario el aportar adiciones correctoras de la composición (ferrita, magnetita, alúmina, sílice, caliza, etc.).
1.3
Molienda de crudo
Esta etapa comprende la molienda de materias primas (molienda de crudo), por molinos de bolas, por prensas de rodillos o a fuerza de compresión elevadas, que producen un material de gran finura. En este proceso se efectúa la selección de los materiales, de acuerdo al diseño de la mezcla previsto, para optimizar el material crudo que ingresará al horno, considerando el cemento de mejores características. Con la molienda se logra reducir el tamaño de las partículas de materias para que las reacciones químicas de cocción en el horno puedan realizarse de forma adecuada. El molino muele y pulveriza los materiales hasta un tamaño medio de 0.05 mm.
1.4
Cocción en el horno rotativo (Clinkerización)
El crudo es introducido a través de un intercambiador de calor compuesto por ciclones, en el cual el material, al descender a contracorriente con los gases que salen del horno, se calienta hasta alcanzar una temperatura de unos 600 ºC a la entrada del mismo. Una vez en el horno, el material sufre una serie de reacciones a altas temperaturas (1500ºC) para formar los componentes básicos del Clinker que le van a conferir sus propiedades (C3S, C2S, C3A y C4AF). 5
Al llegar a temperaturas cercanas a los 900 ºC, se produce la calcinación de la mezcla cruda, con el desprendimiento de CO2 y formación de CaO, a partir del CaCO3 de la caliza. Posteriormente, a temperaturas entre 1400 y 1500 ºC se produce la sinterización o Clinkerización que implica la reacción de formación de los minerales de Clinker, a partir del óxido de calcio y óxidos de silicio, aluminio y hierro. Estos nuevos minerales, también llamados fases del Clinker, son los responsables de las propiedades hidráulicas del cemento. (Alita: C 3S silicato tricálcico, Belita: C2S silicato dicálcico, Aluminato: C 3A aluminato tricálcico y Ferrito: C 4AF ferroaluminato de calcio). El Clinker, a la salida del horno, debe sufrir un rápido enfriamiento con el fin de que no se reviertan las reacciones que acaban de producirse. Este proceso se hace mediante aire que se calienta y posteriormente se utilizará en la combustión. El aporte calorífico del horno se realiza mediante la combustión en el mechero de combustibles, principalmente coque de petróleo. No obstante, hoy en día, muchas fábricas utilizan residuos industriales (aceites, disolventes o neumáticos usados) como combustible, valorizando así los mismos y evitando los posibles daños al medio ambiente que su almacenamiento provoca. Dependiendo de las necesidades de producción el Clinker puede pasar al molino o bien almacenarse en el silo de Clinker.
1.5
Molienda de cemento (Clinker + adiciones)
El proceso de fabricación de cemento termina con la molienda conjunta de Clinker, yeso y otros materiales denominados "adiciones". Los materiales utilizables, que están normalizados como adiciones, son entre otros:
Escorias de alto horno Humo de sílice Puzolanas naturales Cenizas volantes Caliza
En función de la composición, la resistencia y otras características adicionales, el cemento es clasificado en distintos tipos y clases. La molienda de cemento se
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realiza en equipos mecánicos en las que la mezcla de materiales es sometida a impactos de cuerpos metálicos o a fuerzas de compresión elevadas Para ello se utilizan los siguientes equipos:
Prensa de rodillos Molinos verticales de rodillos Molinos de bolas Molinos horizontales de rodillo
1.6
Almacenamiento y expedición
El cemento es almacenado en Silos para su posterior despacho, el cual puede ser realizado en sacos de papel de 42,5 kg (individuales o Paletizado) o a granel en camiones graneleros propios, en ferrocarril o en "big-bags" de hasta 2 toneladas.
2. Control de procesos para la industria del cemento En todo tipo de procesos, el control de las distintas variables es clave para un correcto desarrollo de las etapas unitarias con el objetivo de lograr una óptima utilización de recursos, llámese materias primas y equipos, entre otros. Apuntando hacia ello es que se han desarrollado nuevos tipos de control, y en el caso particular del proceso de elaboración de cementos, se han alcanzado los siguientes índices:
Aumento de un 8% en la producción luego de implementar el sistema de control. Ahorro de un 6% de combustible/energía en los procesos. Hasta un 30% menos de la desviación estándar de ña calidad.
Esto, acompañado de un menor desgaste en los equipos debido a un mal control de procesos, menores tiempos de parada, y una disminución de costos en mantenimiento. 7
En una planta de elaboración de cementos, los principales controles que se pueden realizar, son en las siguientes etapas:
Molino de rodillo vertical Combustibles Horno y enfriador Molino de bolas
A continuación, se presentarán los controles en específico que se aplican a dichas cuatro zonas principales, así como el esquema de aplicación de estos controles y los parámetros a supervisar y controlar.
2.1 Aplicación en molino de rodillos vertical Los puntos de ajuste manipulados de un molino de rodillos vertical son la velocidad del separador, la alimentación de fresco y el ventilador del molino. Sin embargo, la selección de mediciones del proceso, las variables de control y los puntos de ajuste se personalizan según la configuración del proceso del molino. En comparación a un molino de bolas cuya dinámica cambia cada 15-20 minutos, en los molinos de rodillos verticales la dinámica cambia en 2-4 minutos. Esta rápida dinámica necesita una vigilancia más estrecha de las condiciones del proceso y la puesta en marcha de acciones correctivas a tiempo. Entre los otros retos se incluyen los cambios en la capacidad de molienda de los materiales y las inyecciones de agua que causan vibraciones en el molino que pueden resultar en una desconexión del molino. En el caso de que haya vibraciones en el molino, el control apunta a realizar inmediatamente acciones correctivas reduciendo la alimentación del molino, consiguiendo un grosor óptimo del lecho. Si se declara inválida la medición de un proceso (por ejemplo, por un fallo en el equipo), el controlador sustituirá 8
automáticamente las mediciones con señales de prioridad secundarias o valores estimados para continuar las operaciones. Esta sustitución provisional de las mediciones también la puede seleccionar manual mente el operador si se extrae un dispositivo manualmente para su mantenimiento. 2.1.1 Resumen de parámetros
Control de alimentación y finura con la alimentación de fresco y velocidad del separador Control de proporción del alimentador para conseguir calidad Tiro del molino Flujo de agua Estimación del estado del proceso en línea
2.1.2 Parámetros supervisados
Calidad del producto como Blaine o analizador del tamaño de las partículas en línea, SO3 , LOI. Velocidad de los ventiladores y separador Alimentación de fresco y de rechazo Grosor del nivel del lecho del molino, potencia y presión diferencial Tiro y temperatura Respuesta del alimentador a un punto de ajuste determinado
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2.2 Aplicación a múltiples combustibles El control para múltiples combustibles asegura la mejor mezcla posible de combustibles basada en costes, valor calorífico e implicaciones químicas. El control se diseña para ofrecer un valor calorífico total al menor coste posible. Eso se consigue con una técnica predictiva que gestiona las limitaciones y la dinámica de alimentador de combustible a la vez que reduce al mínimo las molestias de la combustión en el horno. La aplicación para múltiples combustibles se implementa mejor como complemento integrado en la aplicación del horno y el enfriador, pero también puede instalarse como aplicación autónoma.
2.2.1 Parámetros controlados
Proporción entre combustibles
2.2.2 Parámetros supervisados
Costes de combustible Alimentador de combustible o limitaciones medioambientales Tasa de alimentación actual de distintos combustibles Análisis químico de los combustibles Temperaturas de la zona de quemado y NO x Datos de emisiones del sistema de supervisión de emisiones
2.3 Aplicación en horno y enfriador Un proceso de control normal estabiliza el pre calentador, el horno y el enfriador con una serie de índices de rendimiento clave calculados. Estos índices incluyen el Índice de temperatura en la zona de quemado, el Índice de estabilidad en el funcionamiento del horno y el Índice de consumo de calor del horno. Entre las acciones de corrección se suelen incluir una combinación de cambios en la inyección del combustible, la alimentación del horno y la velocidad, así como en la velocidad del ventilador. El resultado es un control estable de la temperatura en el calcinador, un grado de llenado estable en el horno, un funcionamiento del enfriador estable y una calidad de Clinker consistente.
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Una vez el proceso se ha estabilizado, se tratará de optimizar el proceso operando lo más cerca posible de los límites. En el control de optimización, se mantiene la cantidad de cal libre cerca del objetivo permitiendo incrementar ese objetivo. Además, también se controla el factor de saturación de la cal (LSF) en la alimentación del horno y ajusta automáticamente el objetivo de cal libre para evitar un quemado excesivo del Clinker. Se apunta a asegurar consecuentemente un menor consumo de combustible y reduce al mínimo el riesgo de obtener un Clinker que no cumple las especificaciones. En el caso de problemas como la caída de revestimientos en el horno, se reduce la alimentación y velocidad del horno, a la vez que controla las condiciones del horno para asegurar una recuperación rápida y controlada. Una detención del molino de crudo es otro de los problemas posibles, en donde se gestionan los cambios en la presión de los gases cambiando la velocidad de los ventiladores de tiro inducido y EP. Otros ejemplos de problemas gestionados incluyen un alto nivel de salida de CO del pre calentador, una acumulación de lecho en el enfriador y una detención del molino de carbón que afecte a la alimentación de carbón al horno
2.3.1 Parámetros controlados
Alimentación, velocidad y combustible del horno Combustible del calcinador Velocidad del ventilador de tiro inducido Parrilla del enfriador y velocidad de los ventiladores
2.3.2 Parámetros supervisados
Mediciones del analizador de gases de la entrada del horno Temperaturas y presión del horno Par del horno Presión y temperaturas del enfriador
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2.4 Aplicación en molino de bolas En una planta de molienda de circuito cerrado convencional, la velocidad del separador y la alimentación de fresco son los principales parámetros de control. La aplicación para molino de bolas ajusta automáticamente la alimentación de fresco, dependiendo de la capacidad de molienda del Clinker, asegurando a la vez el nivel deseado de finura. Esto asegura el mantenimiento del mejor volumen y calidad para una receta determinada. En el caso de atasco en el horno, el control asegura una acción rápida para conseguir una recuperación óptima, reduciendo la alimentación y supervisando el molino hasta que se restauren las condiciones normales. Si se declara inválida la medición de un proceso (por ejemplo, por un fallo en el equipo), el controlador sustituirá automáticamente las mediciones con señales de prioridad secundarias o valores estimados para continuar las operaciones. Esta sustitución provisional de las mediciones también la puede seleccionar manual mente el operador si se extrae un dispositivo manualmente para su mantenimiento.
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2.4.1 Parámetros controlados
Control de alimentación y finura con la alimentación de fresco y velocidad del separador Control de proporción del alimentador para conseguir calidad Tiro del molino Flujo de agua Estimación del estado del proceso en línea 2.4.2 Parámetros supervisados
Calidad del producto como Blaine o analizador del tamaño de las partículas en línea, SO3 , LOI. Velocidad de los ventiladores y separador Alimentación de fresco y de rechazo Folafono del molino o potencia elevadora Tiro y temperatura Respuesta del alimentador a un punto de ajuste determinado
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