Estado actual de la tecnología del cemento y su repercusión en la Industria de los materiales refractarlos*

F. SORIA SANTAMARÍA

Instituto "Eduardo Torroja" de la Construcción y del Cemento

76/5/0062A RESUMEN

A la vista del estado de la tecnología actual del cemento, se analizan, en primer térmi­no, los procedimientos de cocción tal como hoy día se desarrollan en sus variantes de vía húmeda, vía semiseca y vía seca, destacando finalmente los últim.os avances de la vía seca con el sistema de precalcinación. Como complemento al proceso de cocción se estudian y critican someramente los distintos sistemas de enfriamiento de clinker.

Pasando al tema del refractario, después de considerar el consumo de estos materiales en los distintos sistemas, se analizan los tipos de esfuerzo a que está sometido el reves­timiento.

Más adelante se da una breve panorámica del revestimiento de cada una de las partes del horno de cemento y los tipos de materiales empleados en cada caso, concluyendo con unas breves recomendaciones sobre el tratamiento de la mampostería en las fases de ca lentamiento y paradas de los hornos.

SUMMARY

In view of the present state of cement technology, the firing procedures as they are developed today are analysed in their variations of dry, half-dry and wet types, stressing the latest advances of the dry procedure with the precalcination system. As complement to the firing process, the various satellite type cooling systems are studied and analysed in detail.

In relation to the subject of refractories, after consideration of the consumption of these materials in the different systems described, the kind of stresses at which the linings are subjected are studied.

A brief overall view is given of the lining for each of the parts of a cement kiln and the materials used in each case, concluding with some recommendations on the treatment of masonry during the stages of heating and stoppage of the kilns.

RÉSUMÉ

A la vue de l'état de la technologie actuelle du ciment, on analyse, en premier lieu, les procédés de coction de la même façon qu'ils se réalisent aujourd'hui dans ses variantes de voie humide, voie semi-sèche et voie sèche, dettachant en fin les dernières avances de la voie sèche avec le système de precalcination. Comme complément du procès de coction, on étudie et on critique sommairement les divers systèmes de refroidissement de clinker.

Après avoir considéré la dépense de ces matériels dans les différents systèmes, on passe au thème du réfractaire et on analyse les genres d'effort auquel se voit soumis le revêtement.

Plus tard, on donne une brève panoramique du revêtement de chacune des parties du four de ciment et les genres de matériels employés dans chaque cas, finissant avec des brèves recommendations sur le traitement de la maçonnerie dans les phases de réchauffe­ment et d'arrêt des fours.

ZUSAMMENFASSUNG

In Betracht der gegenwärtigen Zementtechnologie werden vorerst die Brennverfahren analysiert, so wie diese heutzutage durchgeführt werden, in feuchter, halbtrockener und trockener Art; weiterhin werden die letzten Fortschritte des Trockenverfahrens durch Vorverkalkung hervorgehoben.

Als Ergänzung zum Brennverfahren werden kurz die verschiedenen Clinkerkühlungs-methoden untersucht und bewertet.

Bezüglich feuerfester Materialien und nach Erwägung des Verbrauches dieser Materia­lien für die verschiedenen Systeme, werden die verschiedenen Kraftbeanspruchungen de­nen die Verkleidung unterworfen ist, analysiert.

Nachstehend folgt ein kurzer Überblick bezüglich der Verkleidung eines jeden Teiles des Zementofens, sowie die verschiedenen Arten des in jedem einzelnen Falle angewende­ten Materials; zum Schluss werden einige kurze Empfehlungen zur Behandlung des Mauerwerks während der verschiedenen Heizungsphasen sowie des Stillstandes der Öfen gegeben.

1. INTRODUCCIÓN

La industria del cemento, como saben, es una indus­tria básica necesaria al proporcionar el material más idóneo y, hoy por hoy insustituible, en la evolución de todo proceso constructivo (edificación, obras públicas, instalaciones industriales, etc.).

En los últimos diez años, España, siguiendo en la

* Conferencia pronunciada durante la X Reunión Técnica de la Sección de Refractarios de la S. E. C. V. celebrada en Sevilla, 7-8 de junio de 1976.

línea de su fuerte desarrollo en todos los órdenes, ha dado un notable impulso a esta industria situándose en el octavo lugar en el mundo entre los países pro­ductores de cemento y el cuarto entre los de la Europa Occidental, con una producción de 24,5 millones de toneladas el pasado año de 1975.

La instalación de nuevas plantas y la ampliación de las preexistentes han hecho que, en estos momentos, la industria cémentera española se encuentre entre las más avanzadas, no sólo en cuanto a su nivel tecnoló­gico (maquinaria, control, automatización, depuración

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ambiental, etc.) sino también en cuanto a la calidad de los productos fabricados.

Asimismo, y un poco relacionado con lo anterior, Es­paña, en el citado año 1975, exportó 3,5 millones de toneladas de clinker y cemento a países de Ultramar (Africa y Estados Unidos de América, principalmente), ocupando la cabeza de los exportadores miembros del CEMBUREAU (Agrupación de Fabricantes de Cemen­to de la Europa Ocidental).

Dentro del proceso de fabricación de los cementos, ocupa un lugar preponderante el sistema de cocción o de clinkerización. La necesidad de mayores produccio­nes y mayor productividad ha conducido a máquinas de grandes producciones equipadas con dispositivos va­riados tendentes a mejorar el rendimiento energético del conjunto.

Esta evolución, que analizaremos con más detalle en el siguiente capítulo, ha repercutido muy directamente en el consumo y exigencias de materiales refractarios en el sistema de coción. A ello dedicaremos una expo­sición más amplia a lo largo de esta charla.

2. PROCEDIMIENTOS DE COCCIÓN

A pesar de los notables éxitos y progresos logrados en los últimos años en la técnica de procesos, emplean­do dispositivos de combustión o tratamiento térmico más modernos y de mayores dimensiones, la cocción del clinker sigue siendo el proceso parcial más costoso y aparatoso de la fabricación del cemento. De esta fase de la fabricación depende en gran medida la economía y rentabilidad de la empresa.

El costo de combustible se ha elevado considerable­mente en los últimos años y éste es un factor domi­nante a la hora de decidir al hacer un estudio de los distintos sistemas de cocción.

Como ustedes saben, según el estado físico del ma­terial de alimentación, se distinguen tres grupos o ti­pos de sistemas de cocción:

— Hornos alimentados con pasta u hornos de vía húmeda, más o menos largos según dispongan o no de elementos concentradores o desecadores previos al tubo del horno (concentrator o calci-nator).

— Hornos alimentados con nodulos o productos moldeados, que pueden ser largos con intercam­biadores interiores o cortos con un precalentador de parrilla.

— Hornos alimentados con crudo en polvo y que pueden ser largos también o cortos provistos de un intercambiador vertical de ciclones en distin­tas etapas o estar equipado, incluso, de un dispo­sitivo adicional de precalcinación. Dichos siste­mas se agrupan en la figura 1.

Los hornos de vía húmeda usan mucho más combus­tible que los de vía seca, aunque, por otra parte, estos requieren frecuentemente un combustible adicional para el secado de materias primas, previo o simultáneo a la molienda de crudos, salvo el caso en que la materia prima no contenga una humedad elevada (6-8 % má­ximo).

Desgraciadamente, no sólo podemos contemplar fría­mente la economía del proceso de cocción, sino que también deben considerarse otros factores relaciona-

. i Crudo pulverizado

z*̂ f¡ Pasta cruda

/ " T " ^ ' / '̂ •.' Nodulos /.- / 'Moldeados r

Zona de cocción ;í?:::

fl^ rt:;.- -I Precalentamíenlo

enfriamiento Clinkerización Calcinación

FiG. 1.—Agrupamiento de los procesos de cocción.

dos con la buena marcha del mismo y con la calidad del producto obtenido: los hornos muy económicos térmicamente hablando reciclan mucho los materiales, aprovechan al máximo el calor de los gases y concen­tran en el producto acabado ciertos componentes volá­tiles como los compuestos alcalinos que son pernicio­sos tanto en el proceso en sí como en las propiedades del cemento a la hora de la hidratación.

2.1. VIA HÚMEDA

A pesar de todo, en los últimos años, la vía húmeda ha sido ampliamente desplazada por la vía seca; sólo se conserva donde las materias primas no se pueden preparar en seco, por sus propiedades físicas (untuo­sidad, etc.) y su elevada humedad de origen o por la presencia de impurezas que sólo pueden eliminarse en la preparación por vía húmeda. La causa está en los elevados costos del combustible en esta vía que, por cada kilo de clinker, necesita de 300 a 700 kcal, más que la vía seca (es decir, puede llegar a ser el doble).

Como dato les diré que de los 500 grandes hornos que existen hoy en el mundo (llamo grandes a hornos de diámetro superior a 4 m) no llegan al centenar los que emplean la vía húmeda ; gran parte de ellos se en­cuentran en la Unión Soviética y Estados Unidos por tener más disponibilidades de combustible y porque, sin duda, la mayor sencillez de procedimiento, la re­gulación y la automatización exigen un menor esfuer­zo técnico.

Como saben, en la vía húmeda, la materia prima se muele con agua fría hasta formar una pasta con 30-40 % de agua que se introduce en el horno. Hoy día han desaparecido los precalentadores externos que sólo se conservan en hornos de pequeña capacidad y dejan de ser aconsejables para producciones por encima de 800 t/día, ya que entonces son demasiado elevadas las velocidades de los gases en el precalentador, arrastran gran cantidad de polvo y aparecen irregularidades en la marcha del horno.

El mayor horno rotatorio de vía húmeda del mundo fue construido para una producción de 3.600 t /día; se encuentra en Estados Unidos y tiene las respetables di­mensiones de 232 m de longitud y 7,60/6,40/6,90 m 0 .

Lógicamente no puede establecerse una función de carácter general que relacione el volumen del horno (y en general sus dimensiones) con su producción. Se afecta en gran medida por los sistemas de intercam-

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biadores, que han de sintonizar perfectamente con el secado y las propiedades reológicas de la pasta dentro del horno. Fluctuaciones en la alimentación modifican la humedad residual y con ello el transporte a lo largo del horno : una baja alimentación tiende a formar pol­vo y si es excesiva se forman fácilmente adherencias en las zonas de cadenas o de secado.

En la figura 2 se muestran con detalle dos esquemas de los modernos hornos de vía húmeda.

T FiG. 2.

El primero se llama de crudo granulado porque el material abandona el sistema de cadenas en forma de nodulos conteniendo de 6 a 8 % de humedad; tiene gran consumo de combustible, la producción y emisión de polvo son moderadas y elimina fácilmente los va­pores alcalinos por la temperatura relativamente ele­vada de los gases de escape.

El segundo sistema se llama de crudo en polvo por­que el material abandona el sistema de cadenas en polvo (puede llegar a tener hasta 10 m de cadenas por tonelada de clinker producida al día). Los nodulos que salen de la zona de cadenas se trituran en parte en la sección de precalentamiento, creando una gran circu­lación de polvo, un gran atrapamiento de productos alcalinos y una sustanciosa emisión de polvo que exi­girá un buen sistema de depuración y los adecuados dispositivos de retorno bien con el combustible o bien por debajo del sistema de cadenas.

2.2. VIA SEMISECA.

De acuerdo con la definición de semiseca o si quere­mos semihúmeda, caracterizada por emplear un pro­ducto de cocción con una humedad que oscila de 12 a 20 % y un consumo térmico específico de 800 a 900 kcal/kg de clinker, trabajan los siguientes hornos : hornos verticales, hornos largos y hornos con preca-lentadores de parrilla (Lepol).

Normalmente el material para el horno se prepara como crudo seco y se adiciona de agua formando no­dulo con 12-14 % de agua; en algunos casos, la pasta preparada como para la vía húmeda se desagua mecá­nicamente (filtros-prensa preferentemente) y se llevan al horno moldeada adecuadamente o nodulizada fl4-20 % de agua).

Los hornos verticales van perdiendo importancia, por­que su rendimiento (mejor diríamos su capacidad de pro­ducción) es relativamente bajo —máximo 300 t/día— y porque son limitadas sus posibilidades de automati­zación. Son sencillos, trabajan de forma económica si se dispone de combustibles adecuados (siempre sóli­dos) —gastan sólo unas 900 kcal/kg de clinker— y

sólo son aptos en fábricas que han de abastecer áreas de necesidades limitadas propias de países en vías de desarrollo.

Los hornos largos rara vez se emplean en la vía se­miseca. En España conozco sólo uno que, por sus es­peciales condiciones, puede alimentarse industrialmen-te con granulos o con polvo.

El horno Lepol, horno relativamente corto equipado con precalentador de parrilla móvil, fue el primer hor­no rotatorio con un rendimiento térmico elevado (si­milar a los de vía seca), aunque la baja temperatura de los gases de escape no permite emplearlos para el se­cado de materias primas.

Como el producto nodulizado se incorpora al horno de forma regular, el proceso se desarrolla en condi­ciones favorables con una marcha uniforme a lo largo del tubo y poco polvo si los nodulos son suficiente­mente consistentes.

Comparado con un horno de vía seca pura, este hor­no está, por un lado, expuesto a interrupciones por las muchas piezas móviles de la parrilla y, por otro, por estar muy supeditado el proceso a la marcha de la gra­nulación.

La producción máxima de estos hornos está alrede­dor de las 3.300 t/día. En su conjunto, ha descendido la proporción de nuevas instalaciones de este tipo, exis­tiendo sólo veintitantos hornos grandes de este tipo de los 500 que citamos anteriormente.

2.3. VIA SECA.

Desde hace ya unos diez años existe una tendencia definida hacia la vía seca. Por eso, no es coincidencia el hecho de que los mayores rendimientos o produc­ciones se hayan logrado hasta ahora con instalaciones de este tipo (5.400 t/día), y que este procedimiento se aplique hoy día aun en casos que hasta hace poco tiem­po eran del dominio exclusivo del procedimiento hú­medo (fig. 3).

Dentro de la vía seca cabe distinguir hornos largos y hornos cortos.

Los hornos largos son simples, propensos a pocas averías y fáciles de regular, con consumos de combus­tible variables según la eficacia del intercambiador in-

o3600t/j

5400t/d 8500t/j

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5- 15 j

4" 10

3 H mn^ 1050 t/d

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1955 1960 1965 1970 1975

Año del pedido

FiG. 3.—Evolución del diámetro de los hornos, sección transversal y capacidad.

Hornos alimentados con pasta. -.—.—.—. Hornos alimentados con nodulos o moldeados.

— — Hornos alimentados con crudo pulverizado. Hornos alimentados con crudo pulverizado y con calcinación previa.

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terno y la reducción de álcalis deseada. Debe estudiarse la recuperación de las grandes cantidades de polvo producidas.

Los hornos cortos van siempre provistos de intercam­biadores externos que consisten en ciclones ordenados en uno, dos o cuatro escalones. Dependiendo del ta­maño del horno pueden establecerse torres de ciclones sencillas, dobles y hasta cuádruples.

Esta idea, en cierto modo revolucionaria, del ciclón como elemento separador e intercambiador, nació a principios de los años 30, pero las instalaciones pro­puestas eran tan complicadas que, hasta que no se co­noció que la transmisión de calor entre gas y polvo se realizaba en un tiempo relativamente corto (menos de un minuto en los cuatro ciclones), no se estableció una solución técnica abordable.

Para ganar tiempo sólo les hablaré del intercambia­dor de ciclones en cuatro etapas por ser el más difun­dido y el de mayor eficacia térmica; los demás repre­sentan soluciones de compromiso entre aquél y el hor­no largo.

Estos hornos se comenzaron instalando en Europa en 1952 y hoy día representan del 75 al 80 % de los grandes hornos en servicio a través de todo el mundo.

Su consumo de combustible se encuentra alrededor de 750 Kcal/Kg de clinker, lo que supone el 70 % del consumo del de los largos vía seca y alrededor del 50 % de los de vía húmeda. El volumen de gases, ci­fra importante a la hora de la depuración, se mueve en valores del mismo orden.

El intercambiador de calor más antiguo y conocido es el Humboldt (fig. 4 a). Su marcha comporta 4 ciclo­nes de flujo en paralelo gas-sólido ; cada ciclón incluye una tubería elevadora donde entra el crudo y se trans­porta hacia arriba en flujo paralelo con los gases ca­lientes del ciclón precedente. Cada ciclón descarga el polvo por gravedad en el tubo elevador del próximo ciclón inferior para producir un intercambio de calor en paralelo repetido con los gases del horno sucesiva­mente más caliente. Este proceso, eleva la temperatura del crudo desde unos 70'' a caso SOO"" C en unos 30 se­gundos, logrando una calcinación aparente del orden del 45 % cuando la alimentación entra en el horno ro­tatorio.

La idea de mejorar el intercambio térmico y rebajar la temperatura de los gases se extendió a otras firmas comerciales que desarrollaron modelos similares de los que citaremos brevemente algunos de ellos.

Así, por ejemplo, Polysius dispone del intercambia­dor llamado Dopol (fig. 4 b) en el que el tercer escalón, llamado de turbulencia, el gas y el crudo se mueven en contracorriente.

Análogamente, la casa Wedag (fig. 4 c) presenta la peculiaridad de establecer unas estrangulaciones en la tubería de paso entre el ciclón IV y la entrada del hor­no con lo que se evitan las pegaduras que se producen en los ciclones, desplazándose aquéllos hacia la entrada del horno de sección más amplia.

La instalación de Miag (fig. 4 cZ) se caracteriza por tener un gran vaso como escalón inferior que trabaja en contracorriente de acuerdo con el principio de la nube de polvo fluidizado.

Los intercambiadores de calor en contracorriente puros, distintos al ya clásico sistema de ciclones, es­tán representados por Krupp, Peraver Maschinenfabrik (Checoeslovaquia) y VEB Dessau (Alemania Oriental).

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_ f-^if-H — Crudo

FiG. 4.—Tipos constructivos de inter cambiador es de calor por suspensión del crudo en la ven­ta de los gases, a) Humboldt. b) Polysius. c) Wedag. d) Miag.

Estos sistemas poseen un grado de eficacia térmica algo peor que los intercambiadores ciclónicos (la temperatu­ra de los gases de escape se eleva a 380°-40O° C) y, por tanto, la temperatura del crudo a la entrada del horno es más baja.

En contrapartida, se caracterizan por una construc­ción más sencilla fautoportante), ocupan poco espacio.

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requieren menos gasto de instalación y tienen unas pér­didas de presión mucho menores que los sistemas an­tes citados.

Estos tipos de construcción son muy idóneos para dotar instalaciones de hornos rotativos preexistentes y durante su funcionamiento, de un intercambiador térmico.

El intercambiador Krupp (fig. 4 è), que es el más co­nocido, consiste en un tubo vertical con cuatro estran-gulamientos y un ciclón doble en la etapa superior que actúa de separador de polvo. En los estrechamientos se hace el intercambio de calor y en los ensanchamien­tos la segregación. Los estrechamientos son más peque­ños a medida que se sube, para aumentar la velocidad de los gases y aumentar su capacidad de sustentación, a pesar del descenso de temperatura. Este sistema, ló­gicamente, no es propenso a obstrucciones.

Los logros conseguidos con el sistema SP normal (Suspensión Preheater) a pesar de los problemas que hubo de superar, sitúan las cosas para aceptar el siste­ma SF (Secondary Furnace System) que tiene la virtud de concentrar los álcalis en los gases de escape del horno, facilitando su eliminación del proceso.

El concepto básico de todos los hornos tipo SF es la incorporación de una cámara de combustión inde­pendiente en la base del intercambiador convencional, justamente delante del horno rotatorio.

Este brusco cambio en la posición del fuego es lógi­co, ya que la demanda más fuerte de calor en el pro­ceso son las exigencias fuertemente exotérmicas para descomponer el COgCa.

Por eso, la idea básica del sistema SF es "proporcio­nar el calor donde sea necesario : en el proceso de des-carbonatación". El resultado final es aumentar la cal­cinación aparente del 45 al 90 % en relación con el sistema SP.

Las ventajas previstas con este sistema, y confirma­das ya en parte, son:

— aumento de la capacidad específica del horno ro­tatorio (ya se ha logrado un 220 % con relación al sistema convencional).

— reducción del consumo de refractario por tonela­da de clinker (ya se ha conseguido, según las re­ferencias, alrededor del 50 %).

— reducción del consumo de combustible (se ha conseguido reducir un 5 por 100 con relación al sistema SP).

— mejoras en el control de proceso y álcalis.

— más bajo costo de primera instalación por tone­lada producida.

La idea base y el desarrollo del sistema SF nació en Japón. La IHI (Ishikawajima Heavy Industries) des­arrolló el sistema SFP en 1966 sobre un horno Hum­boldt de cuya casa era concesionaria desde 1963 (fi­gura 5).

Otros sistemas desarrollados en Japón son el RSP, de la Onoda Cement y Kawasaki ; el MFC, de Mitsu­bishi Cement, el NCB (también de Onoda y Kawasaki), y el TS (de Tokyjama Soda), System de Onoda y Ka­wasaki, que parece combinar las ideas del RSP y MFC.

En síntesis, los procesos japoneses se caracterizan por una cámara de cocción a la que se introduce una parte (MFC) o la totalidad de la harina calentada en el

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n..:a ESQUEMA HORNO SF ( DATOS \ I H I )

FiG. 5.

precalentador. A través de uno o más quemadores se alimenta en esta cámara hasta un 60 % de la cantidad total de combustible. El aire de combustión necesario, o se añade en forma de aire fresco, o en forma de aire caliente procedente del enfriador (300*' a 750° Q y que es transportado a través de una tubería paralela al hor­no. Los gases de combustión procedentes del horno se añaden, o antes o después de la combustión. La tota­lidad de los gases llegan, conjuntamente con la harina descarbonatada hasta un 90-95 %, al sistema conven­cional de precalentador.

La conclusión más interesante de todos estos siste­mas es que puede aumentarse sustancialmente la pro­ducción (y hablo de duplicarse) sin aumentar el tama­ño de los hornos que ya habían llegado a valores muy altos (diámetros próximos a los 7 m) en los hornos convencionales con los consiguientes problemas, sobre todo relacionados con el refractario.

De este modo, la carga especíñca, referida al volu­men interior de los hornos, se encuentra en los siguien­tes valores para los distintos sistemas de cocción :

Horno vía húmeda 23 Kg/m^h 36 % Horno vertical 126 " 1 9 9 " Horno Lepol 63 " 99 " Horno SP 63,5 " 100 " Horno tipo SF 141 " 222 " Horno NCB (Cale, mejorada.

Doble cocción) 164 " 266 ''

También es interesante destacar, entre las ventajas, un mejor control de los álcalis, problema serio que ve­nía arrastrándose en los sistemas con intercambiador convencional. Esto es posible porque en el horno rota­torio se necesita menos de la mitad del aire de com­bustión, moviéndose los álcalis en un volumen reducido de gases de escape y haciendo, por lo tanto, que su concentración sea más del doble, reduciendo, en con­secuencia el costo de los sistemas by-pass convencio­nales.

Es posible que en estas fechas haya unas 50 insta­laciones de este tipo que produzcan alrededor de 10 % de la producción mundial. Gran parte de ellas se en­cuentran funcionando en Japón y Lejano Oriente.

La casa Polysius, alemana, trata de simplificar el pro-

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ceso y su idea básica parte de quemar aquel combus­tible que sea necesario para producir una gran calci­nación de la materia prima en un tubería de unión entre el horno y el precalentador (puede ser sólido, líquido o gaseoso) y de introducir el aire de combus­tión necesario, conjuntamente con los gases de combus­tión, a través del horno rotatorio. Esto, en principio, es más sencillo, suprime tuberías adicionales de transpor­te de aire y, lo que es más importante, permite el em­pleo de todos los sistemas de enfriadores. En la figura 6 puede verse una torre Dopol equipada con un equipo Polysius de precalcinación.

FiG. 6.—DOPOL (R) con dispositivo de precalcinación.

También la firma F. L. Smidth ha desarrollado su propio sistema SF en dos versiones : para materias pri­mas normales y para la fabricación de cementos pobres en álcalis incluso con materias primas ricas en este ^,omponente.

En Estados Unidos se está empezando a trabajar con licencias japonesas y, por otro lado, se están ma­nejando conceptos totalmente nuevos que, por encon­trarse en estado embrionario, no vamos a comentar.

3. ENFRIADORES

El sistema de enfriamiento más ampliamente usado hoy día es el enfriador de parrilla que funciona según el principio de corriente cruzadas. En hornos de gran producción, la unidad de enfriamiento se transforma en un enfriador combinado con dos grupos de parri­lla (fig. 7) ; cada grupo puede tener diversas inclinacio­nes y estar accionado a distinta velocidad con lo que se pueden crear lechos de distinta profundidad en las zonas caliente y fría y con ello controlar el calor recu-

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PARA EL SECADO

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I h F IG. 7.—Enfriador de parrilla en etapas con fragmentación

intermedia.

perado. También resulta eficaz instalar una trituradora de clinker entre las dos parrillas del citado enfriador combinado.

A pesar de la gran difusión de estas máquinas en la industria del cemento, este sistema de enfriamiento no es satisfactorio por dos razones : por ser difícil el des-empolvamiento del aire residual en las grandes unida­des (no son raros valores de 8 g/m'^), y por ser cada día mayor el exceso de aire con relación al necesario para la combustión, al ser menor el consumo específico de combustible.

En vista de estas dificultades, una posibilidad con­siste en emplear sistemas de enfriamiento que no ex­pulsen aire residual. Un ejemplo de ello es el enfriador planetario o de satélites, aparato que en realidad ha sido "redescubierto", ya que su primer constructor fue Krupp en los años 20. Hoy es típico el enfriador Unax de F. L. Smidth (fig. 8).

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^ Corte longitudinal de un tubo del nuevo enfriador Unax.

Corte transversal de un tubo del nuevo enfriador Unax.

FiG. 8.

288 BOL. SOC. E S P . CERÁM. VIDR., VOL. 1 5 - N.° 5

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Trabaja en contracorriente, todo el aire de refrige­ración del clinker se incorpora al horno, no requie­re soplantes y quedan eliminados los accionamientos eléctricos suplementarios. Naturalmente sobrecarga el arrastre del propio horno, exigiendo un nuevo grupo de rodillos en el apoyo de aquél, a continuación del en­friador.

El rendimiento térmico de los modernos enfriadores de satélites ya no es muy distinto al de los de parrilla porque las pérdidas de calor por sus paredes son del mismo orden que las producidas por el aire expulsado por la chimenea auxiliar en los enfriadores de parri­lla (unas 100 Kcal/Kg clinker) para los modernos hor­nos de vía seca.

Mas recientemente se ha desarrollado un nuevo mé­todo de enfriamiento que opera según el principio del enfriador del horno vertical. Se dice y de hecho se han logrado con este sistema rendimientos superiores al 80 % (los anteriores se mueven del 65 al 75 %) y el mayor enfriador de este tipo se encuentra instalado en un horno de 3.000 t/día.

Queda por ver hasta qué punto el viejo enfriador tu­bular, empleado en las primitivas pequeñas instalacio­nes puede volverse a aplicar en grupos de mayores dimensiones y capacidad.

4. CONSUMO DE MATERIAL REFRACTARIO EN LA INDUSTRIA DEL CEMENTO

El tiempo de duración del revestimiento en las di­ferentes zonas del horno puede variar considerable­mente, desde varios meses hasta 10-12 años. En gene­ral, al aumentar el diámetro del horno baja la duración del revestimiento de los hornos rotativos (habitualmen-te se hace referencia a la resistencia del revestimiento de la zona sinterizada) (fig. 9). Al hablar de la depen­dencia del tiempo de duración del revestimiento res­pecto del diámetro del horno se ha establecido de una

1 forma muy simplificada la ecuación S = k , reco-

D2 giéndose en k todos los factores que pueden variar en la marcha del horno. La gran influencia del diámetro del tubo sobre la duración del revestimiento se atri­buye, entre otros factores, a los siguientes:

— a la carga térmica de la zona caliente de los hor­nos (Kcal/m^/h) que va aumentando al crecer el diámetro.

V I A SECA

VIA HÚMEDA

•o URSS •JAPON

: A URSS AJARON

X RECORD URSS

5 6 7 DIÁMETRO DEL HORNO (m)

RELACIÓN ENTRE LA DURACIÓN DEL REVESTIMIENTO EN LA ZONA DE SINTERI2ACI0N Y EL DIÁMETRO DEL HORNO ROTATORIO.

FlG. 9

— a la cada vez menos cuña de los formatos de la­drillos habituales (seguridad de estabilidad de la mampostería.

— a la creciente velocidad periférica del horno ro­tativo, y

— a la superior deformabilidad de la chapa del horno.

En la tabla I se presentan valores de orientación del consumo específico de material refractario en Kg/Tm de clinker para los diferentes tipos y tamaños de hor­nos. Es notable el considerable crecimiento de dicho consumo con el tamaño del horno cuando se emplean precalentadores de ciclón (horno más frecuente hoy día). Como los hornos rotatorios tienen una carga y ladrillos de revestimiento muy diferentes y de densidad y altura variables, últimamente se ha tomado como me-

TABLA I

CONSUMO ESPECIFICO DE REFRACTARIO (Kg/Tm DE CLINKER) EN FUNCIÓN DEL TIPO DE HORNO Y DEL DIÁMETRO DEL MISMO

DIÁMETRO EN METROS

SISTEMA DE HORNO 2,8-3,2 3,6-4,0 4,0-5,0 5,5 5,5-6,0

Horno vertical. 0,1 - 0,3

Horno con precalentador de parrilla. 0,7-1,2 0,3 - 0,5

Horno vía húmeda. 0,8 - 1,2 0,5

Horno con precalentador de ciclones. 0,25 - 0,35 0,35 - 0,5 0,7 0.8 - 1,0

SEPTIEMBRE-OCTUBRE 1976 289

dida del consumo específico de material refractario la relación existente entre la superficie de la envoltura del horno de reciente mampostería y la cantidad de clinker producida (cm^/Tm o m-/1.000 Tm).

En la figura 10, en la zona de la izquierda, se dife­rencian claramente los tres sistemas de cocción en el consumo específico de refractario; a pesar de la dis­persión se delimitan bien claramente la vía seca de la vía húmeda.

3,5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 m 0 a; Valores de operación para hornos con:

3,5 4 4.5 6 5.5 6 m ^ b: Datos de los suministradores

alimentación de pasta alimentación de crudo pulverizado alimentación de nodulos o moldeados

X

O

FiG. 10.—Consumo específico de refractarios (en mVl.QOO t y en Kg/t).

Parece ser que tiene mucha importancia en estas di­ferencias el comportamiento físico del material que se trata en el horno: con alimentación en polvo, por ejemplo, a veces surgen problemas en la nodulación produciéndose irregularidades en el transporte (mucho polvo), motivadas por un mal funcionamiento de cade­nas, una granulometría muy heterogénea, etc. Con ello se altera la alimentación de la zona de clinkerización, varía la distribución de temperaturas en el horno y se perturba la formación de costra en el revestimiento.

También es decisoria, en las diferencias de consumo refractario en vía seca o vía húmeda, la mayor rela­ción en ésta del flujo térmico al flujo de material y la mayor diferencia de temperatura entre gases y material en las zonas de precalentamiento y calcinación.

Dentro de la vía seca los procedimientos de precal-cinación, que en comparación con los hornos con inter­cambiador convencionales necesitan un diámetro de horno menor con igual producción, ofrecen la posibi­lidad de aumentar el tiempo de duración de los hornos y por tanto la reducción del consumo específico de ma­terial refractario (tabla II).

La duración de una campaña del horno depende, además de las propiedades de los materiales refracta­rios, de factores constructivos y de técnica de servicio, que influyen considerablemente en el desgaste del re­vestimiento de material refractario. Según las experien­cias efectuadas en la Unión Soviética el finad de una campaña de horno en el 33 % de los caos está deter­minada por el desgaste del revestimiento de material refractario, el 45 por 100 de las paradas por defectos de procedimiento y por las perturbaciones técnicas de la máquina.

ESTADO ACTUAL DE LA TECNOLOGÍA DEL CEMENTO...

TABLA II

CALCULO DEL AUMENTO DE LA DURACIÓN DEL REVESTIMIENTO DEL HORNO ROTATIVO EN EL PROCEDIMIENTO CON PRECALCINADOR

Horno normal con pre-calentador de ciclones.

Procedimiento con pre-calcinador.

Produc­ción

T/día

2.000

Diámetro Aumento necesario de dura-del horno ción al rotativo canzado

4,6

3,7 >1,56

Horno normal con pre-calentador de ciclones.

Procedimiento con pre-calcinador.

4.000 5,8

4,6 >2,68

Nota.—^Para el cálculo se tomó como base la curva de des­censo de la durabilidad al aumentar el diámetro del tubo en los hornos rotativos de vía húmeda del Japón.

5. LOS ESFUERZOS DEL REVESTIMIENTO REFRACTARIO EN LOS HORNOS DE CEMENTO

En la figura 11 se representan los diferentes tipos de esfuerzo del revestimiento refractario en un horno rotativo, esquematizándose la inñuencia mutua por líneas continuas o de puntos. El tipo y medida de los esfuerzos son muy diferentes y vienen condicionados por el desarrollo técnico del procedimiento; sería ne­cesaria una clasificación por zonas para comprender los procesos de desgaste del revestimiento y por tanto para la elección de la instalación adecuada. En la tabla III se presenta la clasificación y caracterización del pro­ceso correspondiente y los factores de desgaste en cada una de las zonas de los hornos. El dimensionamiento de los hornos y, por tanto, la longitud de cada una de sus zonas resulta de la relación de balances de mate­rial y calor.

PRODUCTO EN COCCIÓN

LIQüfDOS

/vzsy© Q r45o*»c imitibl-ción

VAPORES |(álcalis,surfQto¿|

LLAMA

T E M P E R A T U R A

RESISTENCIA MECÁNICA (compresión, t r a c c i ó n , cizal lom .)

D E F O R M A C I Ó N A L T E R N A T I V A DURANTE ROTACIÓN

C H A P A DEL H O R N O

ESFUERZOS DEL R E V E S T I M I E N T O Y R E L A C I O ­

NES ENTRE ELLOS

FlG. 11.

290 BOL. SOC. ESP. CERÁM. VIDR., YOL. 15 - N.° 5

TABLA III

CLASIFICACIÓN DEL HORNO EN SECCIONES, CARATERIZACION DE LOS PROCESOS Y DIMENSÍONAMLENTO DE ZONAS

I o n H G to »

os

Sectores del horno

Precalentador.

Horno rotatorio.

CO Enfriador.

Pe calentador de parrilla o de ci­clones.

Zona de precalen-tamiento o de secado.

Zona de calcina­ción.

Zona de t r ans i ­ción.

Zona de sinteri-zación.

Zona de enfr ia­miento.

Anillo de salida.

Cabezal del hor­no.

Enfriador de pa­rrilla, planeta­r i o , vertical o tubular.

Procesos en el tratamiento

Secado, precalentamiento y, en parte, desacidificación.

(Sedimentos perturbadores.)

Deshidratación o combustión de sustancias orgánicas.

Desacidificación (expu l s ión de CO,).

(En parte, anillos de crudo perturbadores.)

Formación exotérmica de alu-minatos y ferritos calcicos.

Evaporación de álcalis.

Sinterización (15-25 % fase líquida).

Procesos evaporación. (En parte, anillos de sinteri­

zación perturbadores.)

Solidificación del clinker.

Transporte y en f r i amien to clinker.

Intervalos aproxi­mados de tempera

tura en ^C

Hasta 800.

Hasta 800.

800-1.200.

1.200-1.400.

1.300-1.650 (llama hasta 1.800).

Hasta 1.400.

Tipo de esfuerzo principal de revestimiento

Desgaste debido a partícu­las de polvo.

Ataque de sulfatos y clo­ruros alcalinos.

Desgaste.

Desgas te (especialmente en la zona de cadenas).

Desgaste. Ataque de las cenizas del

combustible.

Elevada carga térmica y mecánica.

D e s g a s t e , escorificación, cambios de temperatu­ra, ataque de álcalis.

(Protección mediante for­mación de costra.)

Desgaste.

Es fuerzo producido por golpes y desgaste.

Cambios de temperatura. Desgaste debido a partícu­

las de polvo.

Desgaste. Hasta 1.300 (aire, Cambios de temperatura.

200-700). I Ataque álcalis.

Longitud zona del tubo rotatorio expresada en diámetros (D)

Hornos rotatorios vía húmeda.

14-25 D (1/4 de la longitud).

7-12 D (1/4 de la longitud).

4,5-6 D (15 % de la longitud).

1-2 D.

Hornos rotatorios vía seca cortos.

0,5 D.

6 D.

2 D.

4-6 D.

4 D.

0,5 D.

Cifras orientati-vas de durabili­

dad (años)

0,4-1

2-12

0,6-3

0,3-3

1-2

0,4-1

Hasta 6

ESTADO ACTUAL DE LA TECNOLOGÍA DEL CEMENTO...

5.1. ESFUERZO TÉRMICO

La distribución de temperaturas en un horno rota­torio se presenta en la figura 12. Las máximas tempe­raturas de las llamas oscilan de 1.700° C a 1.800° C (2.000° C). El calor, transmitido especialmente por radiación, provoca en la superficie del revestimiento temperaturas de hasta 1.500° C (1.900° C). Las tempe­raturas que de hecho aparecen en la superficie del re­vestimiento refractario, que oscila rítmicamente con la rotación del horno, vienen determinadas por la con­ductibilidad térmica del refractario, por el aislamiento o enfriamiento de la envoltura del horno, y sobre todo, por la costra que, según su espesor, puede reducir considerablemente la temperatura en la superficie de trabajo de la mampostería refractaria de la zona de sinterización. Las temperaturas de la chapa del horno oscilan, según el tipo de éste, de 250 a 400° C.

La variación periódica de la temperatura interior de la pared es de unos 200° C por rotación. Pueden pro­ducirse mayores oscilaciones al caer el revestimiento por inestabilidad del mismo. Las oscilaciones de tem­peratura que existen en el interior del ladrillo durante el servicio normal sólo se hacen perceptibles en una capa relativamente delgada (16 a 20 mm). Durante las paradas pueden producirse daños en la mampostería por enfriamiento rápido de la misma.

eoooi

250OC0 dOOOOO 150000 100 cao

CADENAS SENCILLASIOOBLES' zona t t c a d o fi'7*5» long i tud ^•

V I A HÚMEDA-

5.2.

DISTRIBUCIÓN TEMPERATURAS HORNOS ROTATORIOS CEMENTO

FiG. 12.

ESFUERZO MECÁNICO Y TERMOMECANICO

entre sí, y las tensiones locales que se producen pue­den provocar la formación de grietas, aplastamientos y aberturas de juntas hasta el desmoronamiento de una zona de la mampostería. En estas circunstancias es di­fícil la formación de una costra protectora estable. So­bre todo, en la zona de sinterización, la chapa de la carcasa por las temperaturas relativamente elevadas que tiene que soportar, pierde paulatinamente su rigi­dez cada vez con más rapidez tendiendo a ovalarse y aumentando, por tanto, el esfuerzo mecánico de la mampostería refractaria, fenómeno que se agrava con la edad de los hornos. La deformación de la envoltura del horno se mide con aparatos que valoran la ovalidad.

La considerable influencia de la forma ovalada del tubo del horno sobre la consistencia del revestimiento en la zona de sinterización confirma la hipótesis de que el esfuerzo mecánico-dinámico en esta parte del horno es una de las principales causas del desgaste. Por ejem­plo el consumo específico en la zona de sinterización de un horno rotatorio de 3,5 metros de diámetro ha des­cendido 2/3 tras la reducción de la ovalidad (es decir, ha descendido de 10-15 mm hasta por debajo de 5 mm). Según cálculos resulta que, con la misma rigidez de la envoltura del horno la inestabilidad del revestimiento refractario aumenta con el cuadrado del diámetro como ya hemos dicho; esta relación para la durabilidad de la zona de sinterización se ha confirmado experimental-mente. La forma oval en las nuevas instalaciones debe limitarse a un máximo de 0,2 % (referida al diámetro del horno) ; hasta ahora se ha tolerado 0,3 % en hornos más pequeños.

Durante los periodos de calentamiento o enfriamien­to y por cambio periódico de temperaturas se crean tensiones térmicas en la mampostería, que pueden pro­vocar grietas y aplastamientos. Estas tensiones, así como la posición y forma de las grietas se influyen por distintos factores : carga de compresión, formato de los ladrillos, posibilidades de dilatación (dimensionamiento de las juntas de dilatación), conductibilidad térmica, comportamiento a la deformación y velocidad en el cambio de temperaturas. El enfriamiento es siempre más peligroso que el calentamiento.

El ataque químico puede producir la formación de nuevos minerales con aumento de volumen, aflojando y destruyendo las juntas de los ladrillos. Las alteracio­nes químicas y las imbibiciones condicionan, la mayor parte de las veces, el empeoramiento de la resistencia de los materiales refractarios a los cambios de tempe­ratura.

El material en proceso de cocción, que se desliza y rueda a lo largo del horno rotatorio, y las guirnaldas de cadenas en la zona de secado de los hornos de vía húmeda, provocan un desgaste mecánico de la mam­postería. Las partículas de polvo volátil transportadas en los gases de combustión con velocidades de 7 a 15 m/s pueden provocar también erosión. El desgaste por erosión más acusado se presenta, sobre todo, en los precalentadores de ciclones.

La envoltura metálica del tubo rotativo no es com­pletamente rígida. Durante cada giro, según la cons­trucción del tubo y de los anillos de rodadura (y es­pecialmente en las zonas de estos anillos de rodadura), se producen deformaciones más o menos notorias que provocan esfuerzos variables en el revestimiento tanto de compresión, como de tracción y de cizallamiento. El desplazamiento permanente relativo de los ladrillos

5.3. ATAQUE QUÍMICO

Los componentes del material en proceso de cocción o de la costra se difunden o emigran en forma de líqui­dos fundidos al material refractario, provocando alte­raciones en sus propiedades químicas, mineralógicas y cerámico-tecnológicas.

Por otro lado, los gases de combustión, además del polvo del material en fase de cocción, contienen com­puestos alcalinos, de azufre, de cloro y de flúor, que se producen por reacción de los componentes vapori­zabas de los productos en fase de cocción y de las ce­nizas del combustible. Como estos compuestos, por en­friamiento en zonas frías, se precipitan nuevamente en las partículas de polvo, en su mayor parte (totalmente en el caso de los compuestos de flúor), y no son extraí-

292 BOL. SOG. ESP. CERÁM. VIDR., VOL. 15 - N.° 5

F. SORIA SANTAMARÍA

dos con los gases de escape, se forman bucles o circui­tos dentro del horno. Por esto se producen acumula­ciones y condensaciones de sulfatos y cloruros alcalinos que, fundidos, penetran profundamente en el revesti­miento de refractario, llegando a provocar su destruc­ción.

del cemento. Referido al costo total de una fábrica de cemento los costos de los materiales refractarios cons­tituyen aproximadamente el 1 %.

En la República Federal Alemana, por ser un país muy representativo en este aspecto, el consumo de los diferentes tipos de refractario se distribuye como sigue :

5.4. FORMACIÓN DE COSTRAS O ADHERENCIAS Y DE ANILLOS

La duración del revestimiento del horno giratorio, especialmente en la zona de sinterización, viene deter­minada en gran parte por la formación y permanencia de una costra que la protege contra las elevadas tem­peraturas y sus cambios en el tiempo, así como contra las influencias químicas.

La base de esta costra está constituida por una del­gada capa de reacción (aproximadamente de 5 mm de espesor) que contiene fases líquidas, producto de la acción mutua entre el clinker y el material refractario por encima de unos L280° C (adherencia por fusión).

El crecimiento posterior, o sea la formación de la costra propiamente dicha, tiene lugar ya sin la colabo­ración del material refractario.

En los hornos con intercambiador en suspensión ga­seosa y en los hornos Lepol la costra protege aproxi­madamente un 25-35 % de su longitud ; en los hornos rotatorios de vía húmeda aproximadamente el 10 %.

El grosor normal en la zona de sinterización es de unos 20 centímetros. Si la costra supera los 50 cm de espesor, se pueden producir considerables perturbacio­nes en la marcha.

En más del 80' por 100 de los hornos rotatorios se producen de vez en cuando anillos perturbadores, por excesivo crecimiento local de la costra : anillos de pol­vo en la zona de calcinación (anillos no sinterizados, producidos por adherencia física); anillos medios en la zona de transición; anillos de sinterización al co­mienzo de la "zona" y anillos de clinker al final de dicha "zona". Ocasionalmente surge la presencia de bo­las esféricas de material en proceso de cocción de hasta 1 m de diámetro. También en los precalentadores se producen depósitos o costras perturbadores (la mayor parte de las veces con la colaboración de compuestos alcalinos).

Existe toda una serie de publicaciones sobre la es­tructura de la costra, las causas de su formación que todavía no están explicadas totalmente y su evolución mediante m e d i d a s técnicas de procedimiento (por ejemplo enfriamiento o aislamiento de la envoltura del horno).

Los anillos tienen importancia en relación con el re­vestimiento por cuanto es necesaria su eliminación. En la eliminación periódica de los anillos el material re­fractario está expuesto a desgarrarse o a intensos cho­ques térmicos.

6. MATERIALES REFRACTARIOS EMPLEADOS EN LA CONSTRUCCIÓN DE HORNOS DE CEMENTO

La industria del cemento consume aproximadamente el 4-6 % de la producción total de materiales refrac­tarios. Los costes de la instalación del refractario en los hornos y los costes de mano de obra suponen apro­ximadamente el 2 % de los costes de la fabricación

Ladrillos básicos .... Aproximadamente el 70 % (de e l los , aproximada­mente, el 55 % de ladri­llos de dolomita).

Ladrillos extra-alumino-sos Aproximadamente el 8 %.

Ladrillos de chamota ... Aproximadamente el 10 %.

Ladrillos especiales (la­drillos de SiC) Aproximadamente el 1 %.

Ladrillos porosos (a i s ­lantes) Aproximadamente el 7 %.

Productos sin forma Aproximadamente el 4 %.

De los productos básicos se utilizan predominante­mente ladrillos cocidos, con o sin estructura especial de grano para mejorar la resistencia a los cambios de temperatura. En los de cromomagnesita el contenido de Cr203 suele ser inferior al 20 %. El constante au­mento de capacidad de producción de los hornos de cemento inclina la tendencia al uso de ladrillos de cro­momagnesita cocidos a alta temperatura en vez de los aglomerados con silicatos. Aquéllos presentan una ele­vada resistencia al fuego por crearse un enlace directo entre los cristales de periclasa y de cromoespinela.

Con los ladrillos de cromomagnesita entrarán en competencia en el futuro los ladrillos de magnesita con C2S como conglomerante, sin y con una reducida proporción de mineral de cromo. Para mejorar la for­mación de costra se han propuesto distintas adiciones a los ladrillos de magnesita: entre otras, cuarcita, si­licatos, materiales ferruginosos.

Recientemente asimismo se ha propuesto la imbibi­ción con ácido fosfórico o sus sales, desarrollándose por otra parte ladrillos básicos, inactivos a la forma­ción de costra.

Para reducir la conductibilidad térmica relativamen­te elevada de los ladrillos de magnesita-espinela (ladri­llos de magnesita con una pequeña proporción de cro­mo) se ha propuesto un aumento de la porosidad de hasta el 26 %. (Estos ya se utilizan en la Unión So­viética.)

El desarrollo de nuevos conglomerantes (fosfatos) abre nuevas posibilidades de utilización de los ladrillos de magnesita y cromomagnesita aglomerados química­mente.

Los ladrillos de dolomita sinterizada, más económi­cos de precio, embebidos en alquitrán por su tenden­cia a la hidratación, se emplean cuando los ladrillos de magnesita no proporcionan considerables ventajas.

Los ladrillos de forsterita se distinguen por su bue­na resistencia a los álcalis.

Como más peculiares citaré los ladrillos de alúmina-óxido de titanio, los ladrillos para temperaturas de has­ta 1.000° C procedentes de escoria de la metalurgia del níquel con elevada resistencia a la abrasión y los ladrillos de clinker de cemento portland con adición del 25 % de magnesita.

SEPTIEMBRE-OCTUBRE 1976 293

lO (O

TABLA IV

VALORES ORIENTATIVOS DE LAS PROPIEDADES DE LOS LADRILLOS REFRACTARIOS EMPLEADOS EN LA INDUSTRIA DEL CEMENTO

Designación y clasificación

ISO R 1109 / 69

'¿i *" o 5¿P

A A i

A S

S i A ^

Extraoluminosos Al203>56o/o

Mognesfta MgO > 8 0 %

Pobres hierro Ricos hierro Eepecioles

lA S

*o S"

A 3

» 3

A l Forsterita Dolomito Básicos

especiales

SIC

60% 907o

o

o p

w

n

<: o

AI,03 %• 18-30 30-45 50 60-72 80 < 1 < 2 Hasta 8 4-11 < 2 2 1-10 0.8-1.1 3.2-4.3

SiO,. 0,8-3.5 < 2.5 < 2,5 1-3,5 < 6 35-40 0.7-1 7.1-9,0

Fe,03. 1,5-2.5 0,5-2,5 1-2 0,6-2.5 3,5-10 Hasta 12 5-12 7-15 5-12 1 6,5-8.0

Cr.O^. < 1 < 1 Hasta 8.5 6-20 15-35 1,5-10 6,4-8.2

CaO. < 1 < 1 0,2 0,8-3 < 4 < 3 1-3 < 2 . 5 0,2-1,5 60 13,8-18.3

MgO. 0.2 92-96 > 80 77-92 55-80 25-55 45-60 37 53-63

Na,0 + K,0. < 3 0,5-3 0.5-1,5

Densidad a p a r e n t e (g/cm^). 1,9-2.2 1,8-2,45 2,2-2.4 2.3-2,8 2,7-3.0 2,8-3.1 2,7-3.0 2,7-30 2,9-3,05 2.8-3,2 g.6-2.8 2.75 2.8-2,9 2,4 2,7

Porosidad abierta (%). 10-26 8-30 17-20 15-25 16-22 18-22

Porosidad total {%). 10-30 19-22 20-25 16-22 18-24 16-25 16-23 17-24 16-23 16-22 20-24

Resistencia a compre-

Conductividad térmica a 1.000° C (kcal/ m °C h). 0,8-1,2 1,2-1,5 1,5-2.2 2,5-3,5 1,8-2,6 2-3 1,5-2,5 1,6-2 2.3 2,9

15-22

sión en frío (kp/cm^). > 4 0 0 > 4 0 0 200-800 200-500 150-500 > 2 5 0 400-600 > 5 0 0

Dilatación térmica has­ta 1.000° C (%). 0,65 0.6 0,6-0,7 0,5-0.6 0i65-0,7 1,2-1,5 1.1-1,3 1-1,1 1 1-1.3 1,4 0,5-0,6

H > Ö O > n H

tí

H w n 2 O r o Û

Ö w r

z H O

F. SORIA SANTAMARÍA

En el terreno de los ladrillos extra-aluminosos, que van adquiriendo cada vez más importancia, el desarro­llo se dirige hacia productos pobres en fundentes y una estructura adaptada al correspondiente esfuerzo termomecánico. Las propiedades de los ladrillos extra-aluminosos dependen mucho de la materia prima em­pleada en su fabricación. En la industria del cemento prácticamente no se emplean ladrillos con más del 80 % de Al^O.^. Junto a ladrillos de silimanita, corindón y bauxita se ofrecen también productos de alta calidad a base de mullita sintética. También se emplean ladri­llos de Al̂ O.̂ al 70 % aglomerada con fosfato.

En el campo de los ladrillos de chamota se han des­arrollado los ladrillos de alta cocción, pobres en fun­dentes, con un 45 % aproximadamente de Al.̂ O.̂ , una porosidad total de 8-12 % y un contenido en álcalis inferior al 0,5 %. En la industria del cemento intere­san especialmente los ladrillos de chamota de baja po­rosidad, resistentes a la abrasión y con tendencias a contenidos bajos de Al^O.̂ . La imbibición con fosfatos o el empleo de masas especiales mejora la resistencia de los ladrillos de chamota a los álcalis.

Para zonas especialmente sometidas a esfuerzos de abrasión pueden utilizarse ladrillos de SiC que, no obs­tante son sensibles a la oxidación y, en parte, al ataque por álcalis.

En la tabla IV se recopilan los valores orientativos de las propiedades de los ladrillos refractarios com­pactos empleados en la industria del cemento.

Para el aislamiento térmico, y para el revestimiento de las zonas de entrada del horno rotatorio se dispo­ne de diferentes productos que satisfacen aquella pro­piedad. Hay que mencionar, especialmente, los ladrillos de elevada porosidad (50 % aproximadamente) resis­tentes a álcalis, de poro fino, con 10-23 % de Al̂ O.̂ (cocidos o aglomerados químicamente) y los ladrillos de elevada porosidad de corindón esférico hueco, que pueden utilizarse hasta unos LóOO"" C.

Un desarrollo especial suponen los ladrillos de dos capas (ladrillos en zig zag) de material compacto de chamota o rico en alúmina estrechamente ligado con un material aislante térmico (masa de elevada porosi­

dad). Las fibras cerámicas y las placas con ellas fabri­cadas (con límites de aplicación hasta 1.260° C), y las placas de silicatos de calcio (hasta unos l.OQO^ C) han adquirido una importancia creciente. El desarrollo de la técnica del aislamiento térmico marcha por la ela­boración de grandes placas y bloques, para reducir los costes de instalación. La tabla V proporciona los va­lores característicos de productos conformados con propiedades aislantes.

A pesar del considerable aumento en la fabricación de productos no conformados tanto refractarios, com­pactos y resistentes al fuego, como aislantes térmicos (en la República Federal de Alemania, actualmente el 35 % de la producción total de refractarios son no conformados) y de la mejora de las técnicas de mon­taje, el empleo de estos productos (masas apisionadas, hormigones refractarios, masas de inyección, masas de pintura) en la industria del cemento es muy reducida ; su utilización se restringe a zonas de temperatura baja y, la mayor parte de las veces, a partes estáticas del horno.

No obstante la aplicación de estos productos no mol­deados está en pleno desarrollo. Se observa la tenden­cia a utilizar varios conglomerantes combinados, para compensar las pérdidas de resistencia que se producen antes de producirse el enlace cerámico.

La necesidad de racionalización y ahorro en el costo de la mano de obra ha conducido al ensayo de elemen­tos prefabricados de materiales apisionados y hormi­gones refractarios. Para las reparaciones y nuevas ins­talaciones se puede utilizar económicamente el proce­dimiento de inyección.

Aunque ya les he citado algo sobre la formación de costra en relación con la composición del clinker, tam­bién se ha escrito mucho sobre el comportamiento de los ladrillos refractarios respecto a la formación de dicha costra y al mecanismo de adherencia de la mis­ma al revestimiento del horno rotatorio.

La adherencia de la costra de clinker viene determi­nada principalmente por la fase líquida que se forma en el ladrillo, por su cantidad y viscosidad, así como por el tipo de reacción entre el clinker y el materiai

TABLA V

PROPIEDADES CARÁCTER ISTICAS DE PRODUCTOS AISLANTES MOLDEADOS

Temperatura l ími te de aplica­ción (°C).

Ladrillo Ladrillo ácido de ligero de poro fino chamota

Ladrillo ligero rico en alúmina

60-70 % Al,Oa

90 % ALO, (esferas huecas)

Filtros y placas Ladrillos

de fibras de cerámi- diatomita

cas

Placas de silicato calcico

1.200 1.200-1.400 1.500-1.600 L65O-L80O 1.250 900-1.100 800 1.000

Densidad aparente (g/cm-^). 1,25-1,3 0,5-1,35 0,5-1,2 1,3-1,6 0,5-2,2 0,45-0,9 0,2-0,3

C o n d u c t i v i d a d t é rmica a a öOO'̂ C 1.000« C (kcal/m-«C h). 0,45 0,35-0,55 0,36-0,75 0,6-0,9 0,25-0,15 0,L5-0,25 0,12

Resistencia compresión en frío (kp/cm^). 70-150 20-150 20-100 55-100 7-70 10-13

SEPTIEMBRE-OCTUBRE 1976 295

ESTADO ACTUAL DE LA TECNOLOGÍA DEL CEMENTO...

refractario y la composición del clinker y su contenido en álcalis. La adherencia, en función de la temperatu­ra, adquiere un máximo que habitualmente se encuen­tra entre el 1.050° y L250° C.

En el caso de productos silicoaluminosos la formación de costra se regula mediante la relación SiO.,/AUO.^; los ladrillos de chamota presentan menor costra debi­do a la fuerte reacción ; con contenidos de Al,0,^ su­periores al 90 % no se produce reacción entre el clinker y el material refractario, para poder crear costra. Los ladrillos con 70-80 % de AUO.̂ presentan buena ten­dencia a la formación de costras.

Los ladrillos básicos presentan menor reacción y por tanto menor tendencia a la formación de revestimiento protector. Se comportan favorablemente los ladrillos con elevada proporción de C^S y C^F. Los ladrillos de cromomagnesita de elevada cocción tienen ventajas por su elevada resistencia a la corrosión; los ladrillos de dolomita se comportan, la mayor parte de las veces, con mayor tendencia a la formación de costra que los ladrillos de cromomagnesita. Los ladrillos con elevado contenido de cromo (superior proporción de fase líqui­da) y los ladrillos de forsterita son atacados intensa­mente desde el punto de vista químico y se desconchan fácilmente.

En el caso de clinker de cemento blanco (baja pro­porción de fase líquida) se obtiene, en general, una mala formación de costra. Como favorables se conside­ran los ladrillos con 90 % de Al^O.^, la magnesita en­lazada con espinela y los ladrillos de dolomita con poca

• MUY ESTABLE

U2 POCO ESTABLE ES3 INESTABLE

ESPESOR COSTRA

^ f ^s^ SuperficiP de contacto

• • Klinker—lüdrillo

PROFUNDICAD ALTERACIOM LADRILLO

—̂

AI2O3.*/» EN LADRILLOS

¿1 70 75 80 90

FORMACIÓN RELATIVA DE COSTRA EN LADRILLOS SILICO­

ALUMINOSOS ( ENSAYO PILOTO CON CLINKER DE C P )

ESPESOR COSTRA

• MUY ESTABLE [Zà INESTABLE Ca ESTABLE CON CHAPAS

^ DE ACERO

PROFUNDIDAD ALTERACIÓN L A D R I L L O

Mg 0 Vo 18 ZL 49 66 G6 66 60 85 91 56

SÍO2 % 5 28 9 6 2 2 C 13 1 1

CQO VO 1 1 18 1 1 1 1 1 1.5 1

Cr2 03 Vo 30 1 7 11 U U 15 0 0 0

Fe2 03 Vo U 6 10 6 6 6 7 C\5 0.2 0^

FORMACIÓN R E L A T I V A DE COSTRA EN LADRILLOS BÁSICOS

(ENSAYO PILOTO CON CL INKER DE C P . )

FlG. 13.

fase líquida. Las chapas empleadas en la colocación de los ladrillos mejoran la formación de costra.

La figura 13 muestra el comportamiento ante la cos­tra y la profundidad de las alteraciones químicas en el ladrillo en el caso de productos silicoaluminosos y productos básicos, respectivamente, a 1.450'' C.

7. BREVE PANORÁMICA SOBRE EL REVESTIMIENTO DE CADA UNA DE LAS PARTES DEL HORNO DE CEMENTO

7.1. PRECALENTADOR DE CICLÓN, PRECALENTADOR DE PARRILLA, TUBERÍAS, ETC.

El revestimiento de los precalentadores de ciclón consiste principalmente en ladrillos de chamota, que están rellenos de ladrillos de moler o bloques y entra­mados aislantes. En las cubiertas o techos, tuberías y lanzaderas se emplean preferentemente ladrillos de cha-mota prensados en seco por su gran exactitud en las medidas. En el caso de intenso ataque de masas fun­didas alcalinas condensadas se deben de emplear ladri­llos de gran porosidad que forman una capa glaseada, ladrillos de chamota empapados de fosfato, ladrillos con más del 60 % de Al.̂ O.̂ y también materiales de moldeo e inyección que contienen cromo. Se va obser­vando cada vez más la reparación combinada con ladri­llos y materiales de apisonado y/o hormigones refrac­tarios, alcanzando la proporción de productos no mol­deados aproximadamente del 10 % de la reparación total. Las bocas, orificios y partes de cierre se revisten, desde hace ya largo tiempo, de forma monolítica. En la zona de la cámara de paso y de entrada al horno deberían emplearse cada vez más materiales de inyec­ción, si se forman periódicamente costras o depósitos perturbadores, con cuya eliminación se perjudica for­zosamente el revestimiento refractario. Para los estri­bos, en el caso de los planos inclinados de entrada, se utilizan ladrillos extra-aluminosos. En grandes instala­ciones se rellenan las juntas de dilatación con materia­les de fibra cerámicos.

Los precalentadores de parrilla se reparan, la mayor parte de las veces, con ladrillos de chamota o ladrillos ácidos de chamota con una capa aislante térmica. En la bóveda se utilizan ladrillos de gran porosidad y tam­bién materiales monolíticos. Se han acreditado las re­paraciones por inyección con materiales que predomi­nantemente fraguan hidráulicamente. En caso de nueva instalación pueden emplearse junto a los hormigones refractarios, materiales de apisionamiento que fraguan químicamente.

Las tuberías de gases se revisten, recientemente, monolíticamente de hormigón compacto refractario con aislamiento de bloques u hormigón inyectable aislante térmico.

7.2. HORNOS TUBULARES ROTATIVOS

En la figura 14 se reproducen esquemáticamente al­gunos ejemplos de la instalación refractaria de un hor­no rotativo.

296 BOL. SOC. ESP. CERÁM. VIDR., YOL. 15 - N.'̂ 5

F. SORIA SANTAMARÍA

TIPO DE

HORNO

ROT. LARGO

5,2 m IÖ

CON PREC. CICL. 5,5 m 0

3 0 0 0 t / d i a

5,6 m 0

3000 t /d ia

5,7 m 0

4000 t/dia

m.t fe A

i

5,4 m 0

S-;h FL Sch MC MC MC MCd u

.̂ S-,h S MC MCd |y

MC (G'VfcM.jO)

Fß Seil

MC FL

hormigón ref roclor ío ladr i l lo de chomoto lodril lo extrooluminoco (cont AI2O3) ladri l lo cromomagnesifa(dsaglom. ) l a d r i l l o de gran porosidod ladri l lo e«peciol de mognesita

EJEMPLOS DE INSTALACIONES REFRACTARIAS EN HORNOS

DE CEMENTO

F I G . 14.

7.2.1. Zonas de entrada, secado y precalentamiento

Se utilizan ladrillos de chamota resistentes a la abra­sión o ladrillos de chamota ácidos, ladrillos de gran porosidad y ladrillos refractarios o bloques de hormi­gón refractarios resistentes a la abrasión. Están espe-dalmente sometidos al esfuerzo de la abrasión el anillo de entrada y, en el caso de hornos largos, la zona de cadenas. Los suplementos cerámicos, como ladrillos de elevación en el giro, son ladrillos moldeados de cha-mota de forma complicada, comprimidos en seco o api­sonados, con una buena resistencia a los choques tér­micos.

7.2.2. Zona de calcinación

En esta zona del horno, poco sometida a esfuerzos químicos y térmicos, se utilizan ladrillos de chamota de diferentes calidades, ladrillos de gran porosidad co­cidos o aglomerados químicamente y, en caso de gran abrasión y con una gama de temperaturas superior, ladrillos extra-aluminosos con 50 a 60 % de AUO^.

7.2.3. Zona de transición

Aquí se vienen a utilizar ladrillos extra-aluminosos sobre la base de corindón y bauxita con 50-80 % de Al.,03, ladrillos de dolomita y ladrillos de magnesita. Para esfuerzos especiales se dispone de ladrillos básicos inertes a la formación de costra y ladrillos de espinela.

7.2.4. Zona de sinterización

El revestimiento de la zona de sinterización consiste exclusivamente de ladrillos básicos cocidos como ladri­llos de magnesita, ladrillos de cromo-magnesita, mag­nesita-cromo o ladrillos de dolomita sinterizada. Se

utilizan raramente ladrillos de cromo-magnesita aglo­merados químicamente revestidos de chapa. En caso de intenso ataque alcalino (formación de masas fundi­das de cromatos alcalinos) se recomiendan los ladrillos de magnesita sin cromo.

7.2.5. Zona de enfriamiento y de salida

Se utilizan ladrillos extra-aluminosos, de chamota re­sistentes a los cambios de temperatura y resistentes a la abrasión con 65-80 % de Al^O, y ladrillos de cromo-magnesita. El anillo de salida puede constar de ladri­llos de un 60 % de SiC, hormigón refractario o mate­rial apisonado. La protección de la envoltura de chapa contra elevadas temperaturas y el ataque de álcaHs exi­ge aislamiento, por ejemplo, con material apisonado o placas de fibras cerámicas o refrigeración con tubos de refrigeración de salida. Las reparaciones en caliente se efectúan con material de inyección.

7.2.6. Caperuza del horno, lanzas de quemadores, cámaras de combustión

Las caperuzas de los hornos se reparan predominan­temente en parte con ladrillos moldeados complicados (bóveda esférica) de material de chamota dura y mate­rial extra-aluminoso (65-80 % Al^O,) y se revisten pos­teriormente con material aislante térmico. Al estado de la técnica pertenece la utilización de hormigones refractarios en las mirillas, orificios de medición y otras aberturas en la pared. Para las puertas del horno son igualmente ventajosas las masas cerámicas. El aisla­miento térmico puede efectuarse asimismo con hormi­gones de gran porosidad. Reparaciones completas de caperuzas de hornos con materiales apisonados se han conocido recientemente y efectuado con materiales de inyección.

Las toberas o lanzas de quemadores casi exclusiva­mente están revestidos de hormigones apisonados o fundidos extra-aluminosos revestidos con segmentos prefabricados en parte.

Las cámaras de combustión constan de ladrillos de chamota o extra-aluminosos. Las cámaras se apisonan con materiales plásticos y se reparan por el procedi­miento de inyección.

7.2.7. Pozo de caída de clinker y enfriador

El pozo de caída de clinker se construye con ladri­llos de chamota dura o ladrillos con un contenido de hasta el 84 % A1.^0,. En los enfriadores de parrilla subsiguientes se utilizan prácticamente sólo ladrillos de chamota.

El revestimiento en los enfriadores planetarios se hace con ladrillos de chamota, silimanita y mullita. En muchos casos el revestimiento consta de materiales apisonados de fraguado químico y hormigones refrac­tarios ricos en alúmina; concretamente, en el codo y en el cono de salida se utilizan masas refractarias de alta resistencia a la abrasión o ladrillos de alta alúmi­na especialmente diseñados con este fin.

7.2.8. Homo vertical de cemento

En la zona de precalentamiento de los hornos verti­cales se utilizan ladrillos de chamota y ladrillos extra-

SEPTIEMBRE-ÜCTUBRE 1976 297

ESTADO ACTUAL DE LA TECNOLOGÍA DEL CEMENTO.

aluminosos; en la zona de siiiterización ladrillos extra-aluminosos y ladrillos básicos (ladrillos de dolomita, ladrillos de cromo-magnesita); en la zona de enfria­miento se montan ladrillos de chamota ácidos y co­rrientes.

8. SECADO, CALENTAMIENTO, PARADAS

En el caso de la primer puesta en servicio de la mampostería se señala como tiempo de calentamiento para los hornos rotativos de uno a tres días, debiéndose secar previamente, durante diez días, aproximadamen­te, el intercambiador de calor. Una vez terminado ei secado deberá calentarse lo más homogéneamente po­sible con un ritmo de unos SO"" C/h hasta la tempera­tura de servicio.

Hay que tomar medidas especiales en el calenta­

miento (vapores de alquitrán) y en las paradas (hidra-tación) caso de emplear revestimientos con dolomita sinterizada.

RHf ERHNCIAS

1. BRNI, H . : Experiencias del funcionamiento de grandes hor­nos rotatorios y conclusiones que puedan deducirse para su construcción y control. Cement Tecluiologij, marzo-abril 1975 y mayo-junio 1975,

2. RourscAHKA, G., y MAJDIC, A.: Los refractarios en la in-dustria del cemento. Una puesta a punto. Zement-Kalk-Gips (1974), 10.

3. NoRBOM, H. R. : ¿Hornos de vía seca o de vía húmeda en las nuevas instalaciones de cemento? Rock Productos, mayo 1974.

4. SORIA, F . : Panorama actual de las técnicas del cemento y del hormigón. Agrupación de Fabricantes de Cemento de España y Editores Técnicos Asociados, S.A. 1974.

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