fabricacion cemento y mantenimiento de refractario en hornos rotatorios

$: Fabricacion Cemento y Mantenimiento de Refractario en Hornos Rotatorios$
MANTENIMIENTO

DE REFRACTARIO

EN HORNOS

ROTATORIOS

MASTER EN MANTENIMIENTO INDUSTRIAL Y TÉCNICAS

DE DIAGNÓSTICO.

E.U. Politécnica. Universidad de Sevilla

2007-2008

JUAN VILLEGAS DÍAZ

MANTENIMIENTO DE REFRACTARIO EN HORNOS ROTATORIOS Juan Villegas Díaz

ÍNDICE. 1. INTRODUCCION. ________________________________________________________ 3 2. PROCESO DE FABRICACIÓN DEL CEMENTO.______________________________3 2.1. Obtención y preparación de materias primas._________________________ 3 2.2. Molienda y cocción de materias primas.______________________________4 2.3. Procesos de fabricación del clínker.__________________________________4 2.3.1. Proceso de vía seca.______________________________________5 2.3.2. Proceso de vía húmeda. __________________________________5 2.3.3. Procesos de vía semi-seca y semi-húmeda. __________________5 2.4. Molienda de cemento. _____________________________________________6 2.5. Esquema proceso fabricación cemento.______________________________7 3. LADRILLO REFRACTARIO. _______________________________________________8 3.1. Prestaciones. ____________________________________________________8 3.2. Tipos. ___________________________________________________________9 3.2.1 Ladrillos básicos (base MgO). _______________________________9 3.2.2. Ladrillos ácidos o neutros: Al2O3/SiO2. ______________________9 3.3. Formatos para ladrillos. ____________________________________________9 3.4. Sistemas de colocación de ladrillo refractario.________________________10 3.5. Colocación de ladrillos. ___________________________________________11 3.6. Vida operativa del refractario. _____________________________________15 3.7. Manchas. _______________________________________________________16 3.8. Casos prácticos por mantenimiento correctivo. – Solicitaciones. ________17 A. Solicitación mecánica – desgaste mecánico. _________________19 A.1.- Desplazamientos. __________________________________19 A.2.- Aflojamiento del revestimiento. _______________________20 A.3.- Expansión térmica. _________________________________21 A.4.- Deformación de la virola. ___________________________22 A.5.- Ovalidad de la virola. _______________________________23 A.6.- Formación de surcos. _______________________________24 A.7.- Esfuerzos por los anillos de retención. _______________ _25 B. Solicitación química – desgaste químico. ____________________26 B.1.- Infiltración de sales alcalinas.________________________26 B.2.- Álcali “Spalling”.____________________________________27 B.3.- Efectos redox. _____________________________________28 B.4.- Hidratación. _______________________________________29 C. Solicitación térmica – desgaste térmico._____________________30 C.1.- Carga térmica excesiva._____________________________30 C.2.- Migración de silicatos. ______________________________31 C.3.- Infiltración de fase líquida. ___________________________32 C.4.- Choque térmico.__________________________________ _33 3.9. Directrices generales en reparaciones de refractario.__________________34 4. CONCLUSIONES. _______________________________________________________37

Mantenimiento industrial y técnicas de diagnóstico – 2007-2008. 2-37


1. INTRODUCCION 1.1. Objeto. El objeto del presente proyecto es desarrollar algunos aspectos de una de las principales operaciones de mantenimiento que se realizan en la industria del cemento, dada su importancia por los costes y envergadura que implica, y que consiste en el mantenimiento del material refractario en el interior de hornos rotatorios. 1.2. Alcance. El ámbito de aplicación de éste trabajo es, con carácter genérico, el de todas aquellas operaciones de mantenimiento de refractario en hornos cementeros. El enfoque del mismo es eminentemente práctico, aunque inicialmente se plantean algunas cuestiones teóricas, para poder explicar el contexto de la operación de mantenimiento. Dentro de la estructura del presente documento, en primer lugar se comentan los principales aspectos del proceso de fabricación de cemento. En segundo lugar se comentan diferentes puntos en relación con el material refractario. Y por último lugar, se especifican casos prácticos enfocados como causa-efecto, en las distintas incidencias que pueden afectar a la vida operativa del material en el equipo. 2. PROCESO DE FABRICACIÓN DEL CEMENTO. 2.1. Obtención y preparación de materias primas. El proceso de fabricación del cemento comienza con la obtención de las materias primas necesarias para conseguir la composición deseada de óxidos metálicos para la producción de clínker. El clínker se compone de los siguientes óxidos (datos en %)

Porcentaje %Óxido de calcio "cal" ( CaO) 60-69 Óxido de Silicio "sí lice" 18-24 Óxido de Aluminio "alúmina" ( Al2O3) 4-8 Óxido de Hierro ( Fe2O3) 1-8

La obtención de la proporción adecuada de los distintos óxidos se realiza mediante la dosificación de los minerales de partida:

• Caliza y marga para el aporte de CaO. • Arcilla y pizarras para el aporte del resto óxidos.

Las materias primas son transportadas a la fábrica de cemento donde se descargan para su almacenamiento. La prehomogeneización realizada mediante diseños adecuados del apilamiento y la extracción de los materiales en los almacenamientos reduce la variabilidad de los mismos.



Los estudios de composición de los materiales en las distintas zonas de cantera y los análisis que se realizan en fábrica permiten dosificar la mezcla de materias primas para obtener la composición deseada. 2.2. Molienda y cocción de materias primas. La finalidad de la molienda es reducir el tamaño de las partículas de materias para que las reacciones químicas de cocción en el horno puedan realizarse de forma adecuada. La molienda de materias primas (molienda de crudo) se realiza en equipos mecánicos rotatorios, en los que la mezcla dosificada de materias primas es sometida a impactos de cuerpos metálicos o a fuerzas de compresión elevadas.

El material obtenido debe ser homogeneizado para garantizar la calidad del clínker y la correcta operación del horno. 2.3. Procesos de fabricación del clínker. En función de cómo se procesa el material antes de su entrada en el horno de clínker, se distinguen cuatro tipos de proceso de fabricación: vía seca, vía semi-seca, vía semi-húmeda y vía húmeda. La tecnología que se aplica depende fundamentalmente del origen de las materias primas. El tipo de caliza y de arcilla y el contenido en agua (desde el 3% para calizas duras hasta el 20 % para algunas margas), son los factores decisivos. En la actualidad, en torno al 78 % de la producción de cemento de Europa se realiza en hornos de vía semi-seca o semi-húmeda; y un 6 % de la producción europea se realiza mediante vía húmeda.

1. Vía Seca 2. Vía semi-seca, 3. Vía semi-húmeda 4. Vía húmeda



2.3.1. Proceso de vía seca. La materia prima es introducida en el horno en forma seca y pulverulenta. El sistema del horno comprende una torre de ciclones para intercambio de calor en la que se precalienta el material en contacto con los gases provenientes del horno. El proceso de descarbonatación de la caliza (calcinación) puede estar casi completado antes de la entrada del material en el horno si se instala una cámara de combustión a la que se añade parte del combustible (precalcinador).

2.3.2. Proceso de vía húmeda. Este proceso es utilizado normalmente para materias primas de alto contenido en humedad. El material de alimentación se prepara mediante molienda conjunta del mismo con agua, resultando una pasta con contenido de agua de un 30-40 % que es alimentada en el extremo más elevado del horno de clínker. 2.3.3. Procesos de vía semi-seca y semi-húmeda. El material de alimentación se consigue añadiendo o eliminando agua respectivamente, al material obtenido en la molienda de crudo. Se obtienen "pellets" o gránulos con un 15-20 % de humedad que son depositados en parrillas móviles a través de las cuales se hacen circular gases calientes provenientes del horno. Cuando el material alcanza la entrada del horno, el agua se ha evaporado y la cocción ha comenzado. En todos los casos, el material procesado en el horno rotatorio alcanza una temperatura entorno a los 1450 ºC, mediante un quemador ó mechero cuya llama es alimentada por combustibles varios (carbón mineral, coke de petróleo, fuel, gas, combustibles alternos, etc.). El material es enfriado bruscamente al abandonar el horno en enfriadores planetarios o de parrillas obteniéndose de esta forma el clínker.



2.4. Molienda de cemento. El proceso de fabricación de cemento termina con la molienda conjunta de clínker, yeso y otros materiales denominados "adiciones". Los materiales utilizables, que están normalizados como adiciones, son entre otros:

• Escorias de horno alto • 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 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 rodillos

Una vez obtenido el cemento se almacena en silos para ser ensacado o cargado a granel.



2.5. Esquema proceso fabricación cemento.



3. LADRILLO REFRACTARIO. El horno es el principal sistema dentro del proceso unitario de calcinación, ya que en su interior, al elevar la temperatura considerablemente, la materia prima triturada en forma de harina cruda, es transformada a clínker. El ladrillo refractario recubre la parte interior del horno para proteger la coraza metálica (virola). Está expuesto a calores extremos en la zona de alta temperatura del horno. Además de esto, se encuentra sometido a una abrasión muy alta debido a que en esa zona, ya se han formado silicatos cálcicos en los nódulos de clínker, a una temperatura aproximada de 1450 ºC. Para proteger el ladrillo, a esa temperatura ya se ha formado previamente una “costra de clínker”, que además de mantener un grosor promedio, unos 20 cm., protege al ladrillo de impactos de la zona caliente de la llama y de la abrasión de clínker. La forma de la llama es un factor importante para alargar la vida operativa del ladrillo, y conseguir una operación constante en el horno, manteniendo un espesor constante en la costra de clínker. Con ésta costra normal se protege el ladrillo, sufriendo menos daño que si la costra es irregular, ancha ó larga, ya que de ésta manera se expone al ladrillo a corrosión y temperatura, afectando a su resistencia. Para poder detectar los efectos que de los espesores de las costras sobre el refractario y las virolas del horno, se utiliza un equipo detector de radiación infrarroja, conocido como Scanner, colocado en un punto fijo, el cual girando sobre su eje recorre el horno longitudinalmente de extremo a extremo. Ésta señal se transforma, en sala de control, obteniéndose una gráfica del perfil de temperatura de la virola del horno, en relación con el grosor de la costra. Por tanto, los ladrillos refractarios son materiales sólidos de elevado punto de fusión y con prestaciones mecánicas y químicas, y baja transmisión de calor, que protegen y aíslan al componente estructural, el acero, de las altas temperaturas que demanda el proceso.

3.1. Prestaciones. - Resistencia mecánica (N/mm2) - Resistencia química (a los procesos de la operación) - Resistencia a la abrasión - Poder refractario (temperatura y conductividad) - Estabilidad de volumen La estabilidad a cambios térmicos que se traducen en especificaciones de: - Composición química - Resistencia mecánica (N/mm2) - Refractariedad Ta (temperatura de ablandamiento, en °C) - Densidad y porosidad (% volumen) - Conductividad térmica (W/mK ó kCal/m h °C) - Dilatación térmica (% vs temperatura °C) - Resistencia a cambios de temperatura, elasticidad (ciclos)



3.2. Tipos. Atendiendo los distintos requerimientos en la operación de clinkerización, se hacen dos distinciones: - Materiales básicos: se busca resistencia térmica y química - Materiales neutros o ácidos: se busca resistencia a la abrasión y/o mecánica. El carácter de los ladrillos según su composición es de tres tipos. 3.2.1 Ladrillos básicos (base MgO) Abundante en la naturaleza (MgCO3). Refractariedad y estabilidad química (ataques) es mayor que la del CaO (CaCO3). Inicialmente utilizados ladrillos básicos con dolomías (MgO.CaO) naturales o sintéticas (producto de la cocción de los carbonatos), se le comenzó a añadir elastificantes refractarios, para poder resistir los problemas de ovalidades y deformaciones en los hornos, dado que este tipo de ladrillos presenta poca elasticidad*. Nota: Por ciclos de temperatura o por problemas mecánicos, al ser ladrillo rígido se parte.

3.2.2. Ladrillos ácidos o neutros: Al2O3 SiO2 La base de éstos ladrillos son la alúmina (aluminosilícicos) y el silicio (sílicoaluminosos), según predomine el componente neutro (Al) o el ácido (Si). Poseen relativa baja refractariedad pero proporcionan altas prestaciones mecánicas, se emplea donde no se requiera alta prestación térmica. 3.3. Formatos para ladrillos. Los formatos difieren en cómo dividen la circunferencia para definir el tamaño (a) de las piezas, quedando la “cuña” (b) dependiendo del espesor (h) deseado y del diámetro (D) del horno. Pueden ser de dos tipos: - ISO: Piezas de mayor tamaño, por tanto menor número de ladrillos. Mayor facilidad de montaje. Se utiliza sobre todo para los ladrillos ácidos o neutros por ser de más baja dilatabilidad - VDZ Ladrillos normalmente básicos, que al ser más dilatantes, es mejor ladrillos más pequeños en (a) para poder intercalar entre ellos juntas de mortero o disponer de unas juntas naturales.



La forma de las piezas, así como la dotación de las juntas favorecerán su sujeción y servirá de base para la formación de la costra.

a ba b

3.4. Sistemas de colocación de ladrillo refractario. Se distinguen tres tipos básicamente:

Tensores Pegamento Cercha o cimbra

Por tramos, se fija el ladrillo a la chapa y se gira

ésta

Es la más segura y utilizada

Fig. 3.4.1. Colocación de refractario mediante cercha.



3.5. Colocación de ladrillos. 1.- Si es una zona demolida, se debe soldar una sujeción al ladrillo no demolido para

evitar que se muevan con los giros.

2.- Se procede a limpiar bien la chapa del horno de cascarillas y polvo.

3.- Si la chapa se encuentra abombada hay que rellenar con hormigón refractario.

4.- Se traza la línea base para el arranque de las hiladas:

5.- La colocación alternativa recomendada para colocar los ladrillos es con tipo intercalado (vistos desde arriba):

Fig. 3.5.1. Montaje y colocación de refractario.

6.- No debe haber desfase en la relación ladrillos normales / ladrillos de avance rápido, ya que si se colocan demasiados ladrillos rápidos juntos se producen escalones tanto ahí como en la zona de normales que se pretendió compensar, de ahí la importancia de no desfasarse.



7.- Se asientan bien las piezas (con martillo de goma) tanto respecto al horno como entre sí, de manera que sus caras siempre queden paralelas para que no cabeceen jamás. Debido a esto, si hay remaches o abolladuras, deben compensarse con mortero refractario.


8.- La hilada de cierre no podrá tener menor longitud en las piezas que L/2, por lo que para ganar consistencias se alternarán así:




9.- Los cierres de los anillos deben realizarse tensando primero con un gato y luego cerrar con los ladrillos de cierre y algún ladrillo cortado a tal efecto, para luego rematar con chapas de afiladas en un borde (nunca más de dos en una misma junta). Se aconseja que no se genere una línea de cierres, es decir, que no coincidan los cierres de los anillos. Pieza metálica

200 mm

30 mm

30 mm

10 mm

3 mm

200 mm

30 mm

30 mm

10 mm

3 mm

200 mm

30 mm

30 mm

10 mm

3 mm



3.6. Vida del refractario – campaña. El desgaste normal medido en grs./ton clínker en el tubo del horno es función del diámetro del horno. Pudiéndose acortar mucho por mala elección del refractario según solicitación de las zonas, o por condiciones de operación, y alargarla por las mismas razones.


Factores que influyen en la vida operativa de los ladrillos refractarios.

- Factores que dependen ó están influenciados por el usuario.

- Montaje del refractario.

- Condiciones de operación:

- Química.

- Térmica.

- Mecánica.

- Factores que dependen fabricante ó proveedor del ladrillo.

- Calidad de la materia prima.

- Calidad del producto.

- Especificaciones técnicas del producto.



3.7. Manchas. Cuando se presenta una mancha en la coraza del horno surgen varias cuestiones:

Lugar de aparición: Porque si es en una zona donde no hay incrustación habitual del clínker será difícil taparla (hay que parar.) Si es en zona de apoyos es particularmente peligrosa y se debe parar.

Tamaño: Ya que si es muy grande, aunque sea en zona de costra estable, será muy difícil taparla, y habrá necesidad de parar.

Intensidad: Ya que indicará a qué temperatura se encuentra la virola:

A partir de 600 ºC la virola adquiere un color rojo vivo y se deforma.

Los factores principales que benefician o perjudican al refractario (y con ello la posibilidad de manchas) son:

- Alimentación de combustible estable y calidad del mismo también estable.

- Tiempo de vida del ladrillo montado, montaje, exceso de juntas de dilatación, mal cierre de los anillos montados.

- Alimentación de harina cruda estable, composición estable y diseño correcto.

- Alineación, ovalidades del horno ó deformaciones de la chapa.

- Tamaño, forma y orientación de la llama.

*Nota: Una zona que tenga temperatura más baja a las contiguas, advierte de falla próxima por caída del refractario y costra que lo protege (esta zona muestra menor temperatura por tener costra más gruesa, es decir, tiene un ladrillo más delgado)




3.8. Casos prácticos por mantenimiento correctivo. – Solicitaciones. Para atender las distintas exigencias que la operación del horno hará al refractario, éste deberá reunir determinadas propiedades que se resumen y cuantifican como especificaciones técnicas, con base en las que el técnico elegirá el refractario óptimo, para las características de la zona a instalar.

Sólido Líquido Gas Cenizas Sulfatos AtmósferaAbrasión cara

fuegofase líquida de clínker (corrosión)

Volátiles infiltración (corrosión)

Infiltración Corrosión

Condens. REDOX Carga térmica Ciclos

Mecánica

Presión Flexión Tracción CorteMecánica

Ovalidad - deformaciones - desalineación

Crudo / Clínker LlamaTemperatura

Química Química Térmica

SOLICITACIONES



Las solicitaciones pueden ser por tanto de tres tipos: A. Solicitación mecánica – desgaste mecánico Estos desgastes se pueden resumir en desgastes mecánicos por:

A.1.- Desplazamientos. A.2.- Aflojamiento del revestimiento. A.3.- Expansión térmica. A.4.- Deformación de la virola A.5.- Ovalidad de la virola. A.6.- Formación de surcos. A.7.- Esfuerzos por los anillos de retención.

B. Solicitación química – desgaste químico. Estos desgastes se pueden resumir en desgastes térmicos por:

B.1.- Infiltración de sales alcalinas. B.2.- Álcali “Spalling”. B.3.- Efectos redox. B.4.- Hidratación.

C. Solicitación térmica – desgaste térmico. Estos desgastes se pueden resumir en desgastes térmicos por:

C.1.- Carga térmica excesiva. C.2.- Migración de silicatos. C.3.- Infiltración de fase líquida. C.4.- Choque térmico.



A. Solicitación mecánica – desgaste mecánico

A.1. Desgaste mecánico por: Desplazamientos. Fenómeno: Desplazamientos por movimiento del revestimiento. Se presentan fisuras por cizallamiento, aristas y esquinas rotas. Detección: Desplazamientos en forma de espiral, inclinaciones transversales en algunos anillos.

Causa: Mal montaje del refractario. Elevada ovalidad en la virola. Dilataciones y contracciones por interrupciones del funcionamiento. Formación irregular de la costra.

Acción correctiva: Montaje adecuado. Arranque del horno adecuado según curva de calentamiento. Uniformidad en el funcionamiento del horno.



A.2. Desgaste mecánico por: Aflojamiento en el revestimiento. Fenómeno: Desgaste de la cara fría por rozamiento con la chapa.

Detección: Indicios de fricción en el lado de la virola.

Causa: Movimientos relativos de los ladrillos en referencia a la virola. Mal montaje del refractario. Elevada ovalidad en la virola.

Acción correctiva: Montaje adecuado. En zonas deformadas, instalación con mortero.



A.3. Desgaste mecánico por: Expansión térmica. Fenómeno: Presión axial generada por dilatación sobrepasa la resistencia del ladrillo, desconchándolo en forma de bóveda.

Detección: Desconchamientos convexos en la dirección longitudinal del ladrillo.

Causa: Insuficiente holgura en las juntas de expansión. No colocación de cartones. Calentamiento demasiado rápido del horno. Interrupción de puesta en marcha después de haberse quemado los cartones.

Acción correctiva: Colocación de cartones de dilatación según plano de montaje. Utilizar ladrillo con cartón pegado. Calentamiento de acuerdo con las condiciones de la curva de calentamiento adecuada.



A.4. Desgaste mecánico por: Deformación de la virola del horno. Fenómeno: Deformaciones de la virola tales como acodamiento axial, contracciones y ovalidad.

Detección: Rápido desgaste por agrietamiento y desprendimiento hasta ocasionar el desmoronamiento del ladrillo.

Causa: Estrechamiento de la holgura del anillo de rodadura por un calentamiento demasiado rápido. Recalentamiento. Acodamiento axial. Contracciones por influencias meteorológicas (lluvias, etc.). Deformación de los anillos de rodadura por acción de fuerzas exteriores.

Acción correctiva: Mantenimiento de una holgura de servicio admisible en las llantas durante la puesta en marcha. Forrado de la zapata de los anillos de rodadura para corregir la ovalidad de la virola. Utilizar ladrillos con alta flexibilidad. Renovación de la sección de la virola ó del sector de la llanta.



A.5. Desgaste mecánico por: Ovalidad. Fenómeno: Ovalidad de la virola en el área del aro (apretar y descargar en cada rotación). Cizallamiento en las cabezas de los ladrillos. Detección: Desconchamiento profundo de ladrillos particulares. Ladrillos desconchados entre ladrillos sin desgaste. Causa: Zapatos usados de los aros ensanchan el espacio entre aro y virola y tienen como consecuencia una ovalidad excesiva.

Acción correctiva: Control anual de la ovalidad de la virola. Insertar zapatos nuevos. Revestimiento flexible con mortero.

Límite de ovalidad como función del diámetro del horno.



A.6. Desgaste mecánico por: Formación de surcos. Fenómeno: Al golpear fuertemente las placas de ajuste, se producen tensiones que pueden romper ó dañar el ladrillo. Cuando se colocan láminas adicionales de corrección, aparecen muescas y fisuras oblicuas. Detección: Presencia de surcos paralelos al eje del horno sobre varios metros de longitud. Presencia de ladrillos con defectos en la estructura. El problema se presenta principalmente en las juntas de cierre. Causa: Deficiencias en el cierre. Dos chapas metálicas en la junta. Uso de demasiadas chapas por anillos. Chapas de cierre introducidas por medio de un fuerte golpe (por ejemplo: martillos neumáticos).

Acción correctiva: Utilización correcta de las combinaciones de ladrillo para el cierre. Introducir las chapas de ajuste, de espesor máximo 2 mm., uniforme en toda la junta. Una chapa por junta y máximo 4 chapas por anillo, bien distribuidas. Acuñar de tal forma que no se afloje el ladrillo montado, pero cuidando de no dañar los ladrillos.



A.7. Desgaste mecánico por: Esfuerzos por anillos de retención. Fenómeno: Fuerzas ejercidas por el ladrillo montado sobre el anillo de retención, generan esfuerzos cortantes sobre el refractario de contacto. Detección: Ladrillos cizallados en la arista superior de los anillos de retención. Profundos cortes en la superficie de contacto con los anillos. Causa: Los esfuerzos cortantes acompañados de posibles desplazamientos generan fisuras y roturas del ladrillo. Mal montaje del refractario.

Acción correctiva: Utilizar anillos solo en la zona de salida y en forma plana, evitando puentes de calor. Montaje adecuado. Utilizar ladrillos con alta resistencia a la abrasión.



B. Solicitación química – desgaste químico.

B.1. Desgaste químico por: Infiltración de sales alcalinas. Fenómeno: Compuestos gaseosos sulfato-alcalinos se depositan en los poros del ladrillo, se condensan y se solidifican, migrando hacia la cara fría del ladrillo. Cambio de la mineralogía. Detección: Al cortar el ladrillo se observa una fuerte compactación del ladrillo. El ladrillo muestra vetas blancas. Desmoronamiento del ladrillo. Corrosión de la lámina del horno. Causa: Presencia natural de sulfatos alcalinos, especialmente en los combustibles sólidos y alternos. Acción correctiva: Es difícil evitar las infiltraciones con sulfatos alcalinos, si estos se encuentran presentes en el crudo o en el combustible, pero se puede prolongar la vida útil utilizando ladrillos más resistentes al ataque de ellos, para evitar la corrosión de la virola.



B.2. Desgaste químico por: Álcali “Spalling”. Fenómeno: En presencia de álcalis, el cromo es atacado, formando K2/Na2CrO4 que evaporan y condensan de una parte en la zona más fría del horno, de otra parte en la cara fría del ladrillo, densificándolo. El ladrillo no soporta más los esfuerzos mecánicos. Detección: Desprendimientos repetidos de capas en el lado del hogar en el caso de ladrillos aluminosos en la zona de precalentamiento y con estructuras fibrales/sueltas en el lado del hogar. Causa: Junto a una infiltración pura, como la que se presenta especialmente en los gases del horno que contiene KCl, se forman, en coincidencia con el sistema de tres substancias K2O-Al2O3-SiO2 en ladrillos de alta alúmina y de chamota, según sea el contenido en Al2O3, pseudofeldespatos y feldespatos en la fase de fusión. Acción correctiva: Reducción de la carga alcalina. Balance entre álcalis y azufre. Utilización de ladrillos con un contenido de Al2O3<35% hasta temperaturas de 1150ºC y con temperaturas superiores, ladrillos con carburo de sílice ó ladrillos básicos.

La reacción entre K2O y ladrillos de alúmina puede suponer un aumento de volumen desde un 2 hasta un 30 %, con lo que ello conlleva para la vida operativa del refractario.



B.3. Desgaste químico por: Efectos redox. Fenómeno: Cambio de hierro trivalente al de dos ó cero (Fe), causando un aflojamiento de la estructura. Conduce a una mayor propensión a las infiltraciones y a la abrasión. Detección: Decoloración de los ladrillos oscuros de magnesia-cromo ó magnesia-hercynita. Depósitos de carbón en las juntas.

Causa: Mala combustión. Mala dirección de la llama. Utilización de combustibles ricos en cenizas.Utilización de combustibles sustitutos. Acción correctiva: Utilización de ladrillos pobres en hierro, en caso de utilización de combustibles sustitutos. Un mínimo de O2 del 1.5% garantiza combustión completa.



B.4. Desgaste químico por: Hidratación. Fenómeno: Si ladrillos son básicos, especialmente en climas subtropicales y tropicales, se ven expuestos durante mucho tiempo a la humedad, se forman grietas de hidratación en los ladrillos sin usar. Detección: Los ladrillos nuevos muestran grietas y en casos extremos hay una pulverización del mismo.

Causa: Se entiende por hidratación la reacción entre el MgO y el agua para formar brucita (Mg(OH)2), que va unida a un aumento de volumen, provocando la destrucción del ladrillo. Acción correctiva: Embalaje adecuado. Almacenaje bajo techo. Utilización de los ladrillos según “First in – First out”.



C. Solicitación térmica – desgaste térmico.

C.1. Desgaste térmico por: Excesiva carga térmica. Fenómeno: En ladrillos ricos en fundentes se presentan recristalización con dilatación en dirección del gradiente de temperatura. El desplazamiento natural de las fases matrices del ladrillo causa modificaciones de la estructura y disminuye la resistencia. Detección: Modificación de la estructura debida a la recristalización, apreciable al corte transversal del ladrillo. Desgaste cóncavo. Causa: Sobrecalentamiento por encima de la temperatura máxima de aplicación del ladrillo. Falta de costra, el ladrillo sufre fatiga térmica cíclica. Acción correctiva: Funcionamiento estable y continuo del horno. Utilización de ladrillos apropiados para la zona afectada.



C.2 Desgaste térmico por: Migración de silicatos. Fenómeno: Por funcionamiento libre de costra, se reblandece y contrae la liga de silicatos, originando una migración de los silicatos a la cara fría. Detección: Densificación de la cara fría.

Causa: Un funcionamiento prolongado, sin costra, con un ladrillo estándar con una relación CaO/SiO2 inferior a 1,8. Acción correctiva: En caso de módulos de sílice altos, se recomiendan ladrillos pobres en impurezas.



C.3 Desgaste térmico por: Infiltración de fase líquida. Fenómeno: El ladrillo es infiltrado en la cara caliente por fase líquida de clínker, rellenándose los poros, compactándose el ladrillo. Corrosión del cromo o de la espinela. Detección: Observación de poros de corrosión. Desgaste cóncavo.

Causa: Sobrecalentamiento en presencia de una fase líquida alta. Acción correctiva: Utilizar refractarios con óxidos adecuados. Evitar condiciones de quema elevada con fase líquida. Buscar uniformidad en la marcha del horno. La homogeneidad en los crudos es determinante.



B.4. Desgaste térmico por: Choque térmico. Fenómeno: Los cambios bruscos de temperatura originan tensiones térmicas que conducen a la rotura, al sobrepasar la resistencia de la estructura. Detección: Desconchamiento en forma de plaquetas.

Causa: Aumentos rápidos de la temperatura. Enfriamientos súbitos. Pérdidas de costra. Acción correctiva: Curva de calentamiento racional durante la puesta en marcha. Enfriamientos lentos. Funcionamiento estable y continuo de la marcha del horno. Costras estables. Utilizar ladrillos resistentes a los cambios bruscos.

Rango de temperaturas en la sección del horno.



3.9. Directrices generales en reparaciones de refractario. a) Para realizarlas se debe disponer de información previa:

1. Consumos por desgaste en cm/millón de toneladas de clínker, para: • Tubo del horno: metro a metro lineal para el ladrillo • Tubo de satélite: según zonas (boca, carrete, codo, mampara, ladrillo) • Enfriador de parrillas: bóveda, techo, pecho de paloma, banquetas,

paredes.

Y en duraciones habituales en toneladas de clínker para: - Bocas - Cono entrada - Cono salida - Cuchara

Y en últimos espesores y temperaturas de chapa para: • Cámara de humos • Ciclones

2. Plano de refractarios de todas las partes del horno, con sus duraciones máximas, últimas y actuales, en toneladas de clínker, y los materiales (calidades) colocados.

3. Información sobre los espesores (catas) tanto originales para los que se pusieron nuevos en la última reparación, como los espesores que se dejaron en las zonas de horno que no se repararon y también los que se derribaron (para conocer su desgaste habitual.)

4. Disposición de costras y anillos habituales, para acoplarlos a los barridos programados con el scanner.

5. Barrido de scanner día a día durante la campaña, utilizando el último de ellos para situar las temperaturas máximas que se fueron observando en cada punto del horno, y así hacerse una idea de los posibles daños del refractario por zonas (considerando cuánto tiempo lleva colocado en cada zona). Tiene una importancia especial la comparación de los datos de scanner del inicio de la campaña con el actual.

6. Cualquier información de sucesos durante la campaña, como problemas de diseño (módulos de crudo, cambios de combustible), de operación (conducción a baja producción, aires, etcétera) o mecánicos (ovalidad por migraciones excesivas, calentamientos de aros y roles, etcétera.)

7. Información tomada de inspección en algún paro ocasional (por ejemplo la inspección de bocas y satélites por un paro pequeño, o visualización de anillos, quemadores, arco, techo, parrillas, ductos, compuertas, etcétera.)



8. Información de la cantidad de refractario, por calidades, de que se dispone en la actualidad, así como un catálogo de las posibles opciones.

b) Con esta información se estima la situación del horno (espesores esperados) y en qué puntos habrá que intervenir y reponer el refractario. Si el horno aún no ha mostrado fallas de refractario, se podrá estimar cuándo y dónde se presentará, lo que resulta muy importante para adelantarse en las necesidades de materiales, mano de obra y maquinaria para afrontar la futura reparación. Así pues los pasos son:

1. Estimar zonas a reparar y cantidades.

2. Comparar esas necesidades con el inventario actual y generar los pedidos correspondientes.

3. Definir cuándo se parará y avisar con anticipación a los contratistas para el derribo y montaje.

c) Con todo lo anterior establecer un plan de reparación. Dicho plan contemplará la secuencia de actividades y con qué recursos se acometerán, así como sus duraciones. Muy especialmente deberá establecer cuándo se realizarán las inspecciones en el enfriador, tubo y torre, pues de ellas depende la modificación principal del plan trazado. También hay que especificar cómo se realizará el enfriamiento (adjunto al plan), y qué seguridades habrá que perseguir (adjunto al plan). El calentamiento para después de la reparación podrá ser trazado más adelante.

Como la reparación de horno no sólo es de refractario, sino normalmente también es mecánica (sobre todo en reparaciones generales), por parte de Producción se debe definir en el plan cuándo podrá disponer el área de Mantenimiento de los motores y conductos, pues pueden afectar a la ventilación en los trabajos de demolición, principalmente. De forma inversa, el plan contemplará las necesidades mecánicas para el derribo y montaje (por ejemplo, sacar el quemador para que entren los mini-retros en el tubo del horno.)

El plan debe incluir el detalle total de actividades, recursos y coordinación con otras áreas para una reparación completa, con el fin de poder eliminar aquellos conceptos que en un caso particular no apliquen, de manera que no requiera tener que considerar actividades adicionales (y sus secuencias) a las demás listadas.

d) De las inspecciones (visuales, calas, mediciones, etcétera) realizadas, se define la situación real del horno, en cuanto a zonas a reparar, necesidades de materiales (refractarios) y de recursos (mano de obra y maquinaria.)

Cuando se habla de necesidades de material refractario se habla no sólo del propio material refractario (ladrillos por calidades y posiciones, concretos y morteros), sino de todo lo que los rodea: anclajes, cartones, chapas para acuñar, aislantes y todos los elementos para acometer la reparación: andamios, discos de corte, pistolas y martillos neumáticos, punteros, revolvedoras, vibradores de contacto y de aguja, carretillas, cubetas, batidoras, moldes para bocas, cabinas, cuellos, cerchas, montacargas, cortadora, etcétera.



e) Seguimiento de la reparación y sus costos.

f) Registrar sobre planos de revestimiento los nuevos montajes y, en general, preparar la documentación necesaria para futuras reparaciones, en especial el recuento del inventario.

g) Se concluye definiendo el proceso de encendido del horno con base en la cantidad y tipo de refractario nuevo colocado.

Fig. 3.9.1. Encendida horno.



4. CONCLUSIONES. A modo de conclusión comentar que el elevado consumo energético requerido en el proceso requiere períodos importantes de enfriamiento para poder acceder al equipo, así como de calentamiento una vez finalizadas las reparaciones. Para garantizar una vida operativa óptima de los ladrillos refractarios, el funcionamiento del horno ha de ser lo más homogéneo posible, así como el resto de las condiciones operativas del proceso productivo, por lo que no permiten éste tipo de intervenciones con carácter puntual, sobre todo por las limitaciones térmicas y ambientales comentadas para poder llevar a cabo la intervención.

Esto unido a las condiciones del mercado y las características de los procesos productivos, implica por tanto, que la operación de mantenimiento trate de optimizar al máximo la rentabilidad y efectividad de ésta operación, en un intervalo de tiempo muy determinado, agrupando el máximo número de intervenciones posibles por parte del departamento de mantenimiento, tanto las planificadas como pendientes del paro mayor programado como aquellas que han provocado la avería, y que no permite que continúe el funcionamiento normal del equipo.

Como norma general y si no hay incidentes relevantes, la parada planificada con carácter anual, trata de optimizar además del mantenimiento del refractario, el del resto de equipos dentro de la planificación (rodillos, motores, ventiladores, filtros, enfriadoras, lubricación, etc.), en función de los recursos humanos y materiales disponibles.

En cuanto a los costes humanos y materiales, se concentran en el tiempo de la intervención estimado, un porcentaje muy elevado del coste total anual de mantenimiento de la planta. Ello implica la coordinación permanente e imprescindible tanto de los principales departamentos implicados de la fábrica, producción y mantenimiento, como de todas aquellas empresas externas especializadas en este tipo de intervenciones que se desplazan a la instalación para contribuir a optimizar el paro. Además las consecuencias de una intervención deficiente pueden provocar pérdidas económicas a la empresa, tanto por la falta de producción mientras la instalación se encuentra parada, como por el coste que implica una nueva reparación general.

Por tanto, la eficiencia operacional del principal equipo en el sector del cemento dado sus dimensiones y complejidad, expresado en relación al rendimiento productivo del mismo y la disponibilidad de horas de marcha, implican que la operación de mantenimiento de ladrillo refractario sea una de las intervenciones más relevantes en la industria cementera dada su importancia.


fabricacion cemento y mantenimiento de refractario en hornos rotatorios

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