cemento

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Rev Soc Qum Per. 75 (3) 2009Rev Soc Qum Per. 75 (3) 2009

AHORRO DE ENERGA EN EL PROCESO DE FABRICACIN DECLINKER DE CEMENTO EMPLEANDO MINERAL FLUORITA,

(CaF )

SAVING OF ENERGY IN CLINKERS MANUFACTURINGPROCESS OF CEMENT USING MINERAL FLUORITA, (CaF )

2

2

Rubn Gilvonio Alegra y Fernando Domnguez Linares

Se caracterizaron materias primas como calizas, travertinos, minerales de slice y hierro,adems del mineral fluorita (CaF ). Las dosificaciones de fluorita ensayadas fueron 0,2%,0,4%, 0,6%, 0,8%, 1,0% de la harina cruda. Se evalu las finezas y la adicin de fluorita quepermita completar las reacciones de formacin de los silicatos di y triclcicos; 3CaO.SiO y2CaO.SiO , dejando lamenor cantidad deCaO libre.En ensayos a nivel de laboratorio como a nivel industrial, se encontr reducciones en latemperatura de clinkerizacin, para unmnimode cal libre.Tambin se consigui incrementosen las resistencias a la compresin del cemento.De acuerdo a resultados de laboratorio, se logr reduccin de 100C en las reacciones declinkerizacin. En posterior prueba industrial se logr reducir en 60 C la temperatura declinkerizacin.

: cemento Prtland I, clinker, reacciones clinkerizacin, mineralizador,fluorita, ahorro energa.

Raw materials like limestones, travertinos, minerals silica and iron were characterized; inaddition to the fluorita mineral (CaF ). The triedmeterings of fluorita were 0,2%, 0,4%, 0,6%,0,8%, 1,0% of the crude. The necessary finenesses were determined and the addition offluorita that allows to complete the reactions of formation of silicates 3CaO.SiO and2CaO.SiO , leaving the smaller amount of free CaO. Tests at level of laboratory like aindustrial level, were reductions in the temperature of pyroprocess, for a minimum of freelime.Also one obtained increases in the compressive strenghts of the cement.According to results of laboratory, profit reduction of 100C in the pyroprocess reactions. InLater industrial test profit to be reduced in 60 C the temperature.

: cement, fluorita, energy, pyroprocess.

El proceso de clinkerizacin en la industria del cemento es el mayor consumidor de energatanto trmica como elctrica, representando el costo de la energa ms del 40% del costo defabricacin. El proceso de clinkerizacin a nivel industrial se lleva a cabo a temperaturas de1450C en hornos rotatorios, donde las reacciones son en fase semilquida, formando

RESUMEN

Palabras clave

ABSTRACT

Keywords

INTRODUCCIN

2

2

2

2

2

2

o

o

*Cementos Lima S.A., Av. Atocongo 2440, Villa Mara del Triunfo, Lima Per,[email protected]

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principalmente silicatos de calcio y aluminoferritos. Los consumos especficos de energatrmica, en plantas de reciente tecnologa, son superiores a 700 kcal/kg de clinker.Los fabricantes de cemento centran sus esfuerzos en el ahorro de energa trmica, buscando elreemplazo o reduccin de los combustibles.La mejora en la reactividad de la mezclas de harina cruda a alimentarse a los hornos es una delas vas para mejorar la productividad y obtener ahorros de energa . La distribucin delconsumo energtico en la clinkerizacin, nos dice que los mayores potenciales estn enreducir los 448 kcal/kg de calor de formacin del clinker y en disminuir las 236 kcal/kg declinker, prdidas de calor por radiacin, entre otras .Definiremos a la fluorita como unmineralizador que es capaz de promocionar la formacin deuna fase determinada alterando la estabilidad termodinmica con respecto a otras fases.Acelera la velocidad de una reaccin tanto en la fase slida, en fase lquida o en la interfaseslido-lquido; reduce la temperatura de aparicin de la fase lquida favoreciendo al desarrollode los silicatos .La fase lquida en la clinkerizacin puede estar constituida entre 23 a 32%, dependiendo de lasmaterias primas, y est formada por aluminatos y ferritos. La fase lquida crea un mediolquido para el transporte de los cristales de slice, calcio y los dems elementos menores quese disuelven en l. Cuando el lquido se satura en slice y calcio precipitan formando2CaO.SiO , (C S, belita), luego si el lquido sigue saturado en CaO y sobre los 1400C; losC S absorben calcio y se forma3CaO.SiO , (C S, alita).La reaccin de los silicatos triclcicos en la fase slida transcurre muy lentamente y se veenormemente acelerada por la presencia de los fundentes.Los xidosAl O y Fe O actan como fundentes, aumentando la velocidad de las reaccionessin alterar significativamente el equilibrio termodinmico de dicha reaccin.La fluorita de grado metalrgico, procedente de San Luis de Potos, Mxico es elmineralizador empleado en los ensayos.Se evalu la quemabilidad de diseos de harina cruda; as como la adicin del mineralizadorfluoruro de calcio para acelerar las reacciones. Los cementos con fluorita aumentan sustiempos de fraguado ymejoran sus resistencias.Se emplearon las tcnicas deFRX,DRXymicroscopa.

Se determin inicialmente las condiciones de quemabilidad de la harina cruda, la que sedise con saturaciones de cal del orden empleados en la obtencin del cemento Prtland tipoI, se determin los tamaos de partculas del crudo y los tiempos y temperaturas declinkerizacin para niveles de 0,0%, 0,2%, 0,4%, 0,6%, 0,8%y1,0%de fluorita (tablas 1 y 2).

Se prepar una pasta de crudo con 26% de agua, formando por embutido pellets. Se secaron a110Cdurante 6 horas.La eliminacin delCO (descarbonatacin), fue en 30minutos a 950C.

2

3,4,5

2 2

2 2 3

2 3 2 3

2

PARTE EXPERIMENTAL

Clinkerde laboratorio.

Ruben Gilvonio Alegra y Fernando Domnguez Linares

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SiO2 % 6,71

Al2O3 % 1,11

Fe2O3 % 0,54

CaF 2 % 85,7

SO3 % 0,45

Prdida al fuego % 3,48

Total % 98,60

Cloruros % 0,01

xidos Composicin

Tabla 2. Composicin de la harina crudo en prueba a nivel laboratorio

Fluorita 1,00% 0,80% 0,60% 0,40% 0,20% 0,00%

SiO2 12,32 12,42 12,42 12,62 12,62 13,82

Al2O3 4,34 4,40 4,41 4,44 4,45 2,67

Fe2O3 2,36 2,37 2,38 2,41 2,42 2,39

CaO 42,53 42,43 42,43 42,53 42,43 43,63

SO3 1,05 1,04 1,04 1,05 1,05 1,11

Mdulo slice 1,84 1,83 1,83 1,84 1,84 2,73

Mdulo fundentes 1,84 1,86 1,85 1,84 1,84 1,12

Saturacin de cal 103,35 102,22 102,17 100,92 100,64 100,53

Tabla 1. Composicin qumica de la fluorita

Obtenidas las condiciones ptimas de uso de la fluorita, se escalo a ensayos a nivel industrialen un horno rotatorio de 85mde longitud y 5,25mde dimetro con dos torres de precalentadorde 6 etapas, calcinador con aire terciario. Se utiliz carbn y gas natural como combustible(figura 1) y (tabla 3).Los flujos de los combustibles para el horno se orientaron a:

Quemador de horno con 100%de carbn, 16,2TM/hPrecalentador torreA: gas natural, 2400Nm /hPrecalentador torreB: 2,0TM/h de carbn ms 10400Nm /h de gas natural

3

3

Figura 1. Horno rotatorio y zona de clinkerizacin

La harina cruda se dise partiendo decalizas, mineral de slice y de hierro, y lacomposicin qumica fue determinada porFRX.

Ahorro de energa en el proceso de fabricacin de clinker de cemento, empleando mineral de fluorita ...

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Los C S que se forman desde 1100C, disminuyen con el incremento de temperatura, portransformacin en C S al reaccionar con la CaO libre. La adicin de fluorita de calciodisminuye la cal libre al facilitar las reacciones (ver figura 3).

2

3

SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO SO3 FluoritaSaturacin

cal

% % % % % % %

12,47 4,38 1,89 42,98 1,06 0,40 104,04

12,15 4,38 1,85 42,90 1,03 0,40 106,21

12,52 4,48 1,88 42,91 1,09 0,40 103,24

12,76 4,56 1,89 43,25 1,04 0,40 102,16

12,75 4,45 1,89 42,70 1,09 0,40 101,23

Tabla 3. Composicin de la harina cruda en prueba a nivel industrial

RESULTADOS Y DISCUSINSe trabaj con 5% de retenidos en malla 200 (75 micras), en los ensayos con adicin defluorita.Se considera xido de calcio libre comoaquel que no reacciona en el horno, debido a exceso decalcio o condiciones no apropiadas para su reaccin. La figura 2 muestra la variacin del C Spor accin de la temperatura de ensayo.

3

Efecto de la temperatura en la formacin de silicatos

3,30

77,10

36,70

18,3012,45

9,18 7,20

32,05

56,20

64,50 67,8070,20

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1 250 1 300 1 350 1 400 1 450 1 500

Temperatura ensayo, C

Sili

cato

Trica

lcico,

%

C S, %2 C S3

Figura 2. Efecto de la temperatura en la formacin del C S3


307


Reduccin de la cal libre con la fluorita

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

1 250 1 300 1 350 1 400 1 450 1 500

ADIC

IN

FLUO

RIT

A,%

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Figura 3. Efecto de la CaF en la reaccin del CaO con C S.2 2

La adicin de fluorita favorece la reaccin del CaO con el 2CaO. SiO para formar el3CaO.SiO , (C S) hasta con 0.6%de adicin deCaF . (figura 4).

2

2 3 2

Efecto de la fluorita en la formacin del C S3

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

1 250 1 300 1 350 1 400 1 450

TEMPERATURA, oC

C3S

,%

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Figura 4. Efecto del CaF y de la temperatura en el C S2 3

Los ensayos en cementos, presentan un incremento de los tiempos de fraguado (tabla 4); lasresistencia a la compresin se incrementen con la adicin de CaF , llegando a un mximo yluego desciende.Anivel industrial se obtuvomenores consumos de energa; la figura 5muestra los cambios detemperatura del aire secundario y las kcal/kg de clinker.

2


308


Figura 5: Prueba industrial de la fluorita, reduccin energa trmica

Consumo especfico calor en prueba en horno 2

666673685

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

11/0

6/2

007

12/0

6/2

007

13/0

6/2

007

14/0

6/2

007

15/0

6/2

007

16/0

6/2

007

17/0

6/2007

18/0

6/2

007

19/0

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20/0

6/2

007

21/0

6/2

007

22/0

6/2

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23/0

6/2

007

24/0

6/2

007

25/0

6/2

007

26/0

6/2

007

Co

nsu

mo

esp

ecif

ico

calo

r,kc

al/k

gcl

inke

r

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12/06/2007

13/06/2007

14/06/2007

15/06/2007

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19/06/2007

20/06/2007

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24/06/2007

25/06/2007

26/06/2007

CON ADICIN DE0.4% DE FLUORITA

Tabla 4. Caracterstica qumica y fsica del cemento industrial con fluorita

ENSAYO AL CEMENTO RESULTADO

Retenidos Malla 325, % 9,64

Blaine, cm 2/g 2 810

Expansin autoclave, % 0,16

Fluidez, % 97

Tiempo de Fraguado Inicial, min. 204

Tiempo de Fraguado Final, min. 342

Resistencia a la compresin

1 da 121

3 das 209

7 das 326

28 das 382

Las microestructuras con flor muestran granos ms compactos, figuras 6 y 7.

Figura 6. Microestructura sealndosela cal libre en clinker sin fluorita

Figura 7. Clinker con adicin de fluoritacoloreada conHNO .Con cristales 22m3


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CONCLUSIONES

AGRADECIMIENTOS

REFERENCIAS

- Con la adicin de 0,4% de fluorita, el consumo de energa trmica durante el periodo deprueba industrial se redujo en 56,5 kcal/kg de clinker.

- Los tiempos de fraguado del cemento aumentaron ligeramente, estando dentro de lasespecificaciones de las normas tcnicasASTM,NTPyUNE.

- La resistencia a la compresin del cemento fabricado con fluorita en laboratorio se vioaumentado en 15% con respecto al cemento sin fluorita calcinado a lamisma temperaturade 1400C.

- A nivel de laboratorio la adicin de 0,4% de fluorita en el rango de temperatura declinkerizacin de 1300C a 1350C fueron las condiciones ms convenientes paraimplementarlo industrialmente.

Los autores dan su agradecimiento a Cementos Lima S.A., Planta Atocongo, por el apoyo aldesarrollo de esta investigacin.

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