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SECADOR DE PUZOLANA
15
CAPÍTULO 1.
DIAGNÓSTICO SITUACIONAL DE LA MATERIA PRIMA
(PUZOLANA)
1.1 INTRODUCCIÓN
El cemento es un conglomerante para la elaboración de hormigones en sus diferentes
variedades, es utilizado en un amplio campo de la construcción de obras civiles de grandes
dimensiones y sometidas a las más intensas solicitaciones; tales como viviendas, edificios,
puentes, torres, autopistas y presas.
El cemento portland típico es una mezcla de silicato tricálcico (3CaO. SiO2), aluminato
tricálcico (3 CaO. Al2O3) y silicato dicálcico (2CaO.SiO2) en diversas proporciones, junto
con pequeñas cantidades de compuestos de hierro, magnesio, manganeso, fósforo, titanio,
etc. Para lograr condiciones de trabajabilidad y fraguado se adiciona yeso al clinker en la
etapa de molienda final.
Las características de resistencia a la compresión a edades tempranas son proporcionadas
por el silicato tricálcido, llamado también alita, y a edades sobre los 21 días por el silicato
bicálcico, llamado también belita (puzolana)1.
Las puzolanas han sido definidas como los materiales que carentes de propiedades
cementicias y actividad hidráulica por si solas, contienen constituyentes que se combinan
con la cal a temperaturas ordinarias y en presencia de agua; dando lugar a compuestos
permanentemente insolubles y estables que se comportan como conglomerantes
hidráulicos.
Las puzolanas se pueden clasificar en dos grandes grupos: Puzolanas naturales como
materias de origen volcánico, materias sedimentarias de origen animal o vegetal; y,
puzolanas artificiales como materias tratadas y subproductos de fabricación industrial2
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La producción de cementos con adiciones activas, tanto puzolanas como otros materiales,
surge como una solución técnica a problemas específicos planteados por los avances
tecnológicos en el área de la construcción.
1.2 CARACTERÍSTICAS DE LAS PUZOLANAS
1.2.1 PROPIEDADES FÍSICAS DE LAS PUZOLANAS
Las características de las puzolanas provienen de su granulometría o estado de
subdivisión, tienen formas muy diversas y sus dimensiones varían de acuerdo a su
naturaleza y estructura; pero habitualmente son materiales muy finos y de menor densidad
que el clinker portland∗. Las puzolanas son generalmente molidas muy finas y son tanto
más eficaces cuanto más rápidamente pueden fijar una fuerte proporción de cal.
La humedad de la puzolana puede variar desde un 3% hasta un 15% en términos promedio
dependiendo del lugar, profundidad y de las condiciones climáticas en el momento de ser
extraída. Además son de fácil molienda y se mejora esta propiedad cuando está
completamente seca.
La densidad aparente está comprendida entre 0.8 a 1.4 g/cm3 y su densidad real puede
variar entre 2.30 a 2.80 g/cm3 lo que significa que tiene una densidad menor que la del
cemento Pórtland.
1.2.2 PROPIEDADES QUÍMICAS DE LAS PUZOLANAS
Cuando a las puzolanas se las muele finamente, son más eficaces ya que más
rápidamente pueden fijar la cal del cemento portland por la sílice y alúmina que contienen
(efecto puzolánico). Esto puede se acelerado por incremento de la temperatura.
∗ Producto de la cocción a altas temperaturas de una mezcla intima de materiales arcillosos y calcáreos finamente molidos antes de su cocción y en proporciones determinadas.
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Las puzolanas permiten reducir la expansión de los morteros y hormigones, como también
las resistencias con un tratamiento térmico a base de vapor saturado. La siguiente tabla
muestra la composición química2 de las puzolanas naturales.
Compuestos Puzolanas Naturales
SiO2 48-71
Al2O3 + TiO2 16-22
Fe2O3 y FeO5 3-10
CaO 2-10
MgO Hasta 5
SO3 -
Alcalis 4-8
Tabla 1.1 Propiedades químicas de la puzolana
1.3 REQUISITOS DE LAS PUZOLANAS3
Las puzolanas tienen que cumplir con los siguientes requisitos físicos y químicos
establecidos por la norma INEN:
1.3.1 REQUISITOS FÍSICOS
REQUISITO UNIDAD MIN MAX
Superficie Específica∗ m2/Kg 300 ----
Índice de Actividad
Puzolánica
Con Cemento
Pórtland (28 días) % 75 ----
Con cal (7 días) MPa 4 ----
Consistencia de Volumen (Exp. Autoclave)∗∗ % ---- 0.5
Tabla 1.2 Requisitos físicos de las puzolanas
∗ Suma de las superficies de las partículas de un gramo de muestra, se mide en cm2/g (blaines). ∗∗ Ver referencia Anexo 10A.
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1.3.2 REQUISITOS QUÍMICOS
Tabla 1.3 Requisitos químicos de las puzolanas
1.4 CARACTERÍSTICAS DE LOS CEMENTOS CON ADICIÓN DE
PUZOLANA3
1.4.1 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS
La fineza de los cementos con adición de puzolana es mayor que en un cemento
portland puro molido en las mismas condiciones, ya que a la fineza contribuye la de la
puzolana que es mayor. Cuanto mayor sea la finura del cemento con adición de puzolana,
se desarrollarán de mejor manera las reacciones de hidrólisis, dando lugar a un mayor
desarrollo de hidrosilicatos, hidroaluminatos y geles por unidad de volumen, aumentando
los gradientes de resistencia a la compresión y flexo tracción, sobre todo a corto plazo.
En cuanto a la consistencia normal que es la que permite conocer exactamente el volumen
de agua necesario para obtener una pasta de consistencia plástica y que el cemento brinde
un tiempo de fraguado normal; en el caso del cemento con adición de puzolana la relación
agua/cemento es mayor que la del cemento portland sin adición de puzolana.
La densidad real del cemento portland con adición de puzolana es un poco inferior al del
cemento portland sin adición de puzolana; y es tanto menor mientras más puzolana se le
adicione ya que la densidad de ésta es menor que la del cemento portland puro.
El fraguado del cemento se da en dos etapas: El fraguado inicial que se da al término del
amasado formándose una pasta que se mantiene plástica durante unos minutos,
consolidándose luego rápidamente al mismo tiempo que aumenta su temperatura; y, el
fraguado final que se da cuando la pasta se convierte en un bloque rígido; este fraguado
REQUISITO UNIDAD MIN MAX
Oxido de Mg Soluble Total % --- 5
Trióxido de Azufre % --- 3
Pérdida por Calcinación % --- 10
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seguirá durantes meses y hasta años: En el caso de los cementos con adición de puzolana,
alcanza su tiempo de fraguado más lento, debido a que primero ocurren las reacciones del
clinker, para luego empezar a reaccionar los elementos de la puzolana con el hidróxido de
calcio liberado.
En cuanto a la expansión, en los cementos con adición de puzolana es menor por eliminar
la cal libre que es una de las causantes de este fenómeno.
La resistencia a la compresión nos da una idea clara de la calidad de un cemento; la
sustitución por puzolana del cemento portland reduce siempre la resistencia de la primera
época, aunque aumenta la resistencia final.
1.4.2 CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS
Cuando un cemento con adición de puzolana reacciona con el agua, ocurren dos
reacciones completamente diferentes: hidratación de los componentes del clinker y
combinación de los óxidos reactivos de la puzolana con la cal liberada por el cemento.
Una característica importante que le confiere la adición de puzolana al cemento portland es
la mayor resistencia al ataque químico y particularmente al agua de mar, siendo este el
motivo principal del empleo de las puzolanas en el cemento porque los hormigones
fabricados con cemento con adición de puzolana, tienen una gran resistencia al ataque de
las aguas marinas o de las terrestres muy puras, o ricas en sulfatos y otras con
constituyentes agresivos. Su acción beneficiosa reside en la combinación de los
constituyentes de la puzolana con el hidróxido de calcio formando compuestos insolubles.
1.5 ANÁLISIS DE LA PUZOLANA EN EL PROCESO DE
OBTENCIÓN DEL CEMENTO
Luego de describir aspectos generales sobre las puzolanas, el estudio a continuación
se enfocará a la materia prima (puzolana) utilizada en Empresa Industrias Guapán.
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1.5.1 ORIGEN Y CARACTERÍSTICAS
El tipo de puzolana utilizada en la elaboración de cemento en Empresa Industrias
Guapán corresponde al grupo de puzolanas naturales de origen volcánico, provine de los
yacimientos ubicados en la parroquia Challuabamba perteneciente al cantón Cuenca y tiene
las siguientes características:
Granulometría.- Para determinar la granulometría de la puzolana se utiliza un juego de
seis tamices teniendo los siguientes resultados: (procedimiento ver anexo 1A)
# ABERT TAMIZ (MM)
PESO MUESTRA
(KG)
PESO TAMIZ (KG)
PESO NETO (KG)
%
RETENIDO
%
ACUMULADO
50 4.04 2.13 1.91 9.51 9.51
31.5 3.56 2.21 1.35 6.72 16.23
20 4.54 2.31 2.23 11.11 27.34
16 3.43 2.28 1.15 5.72 33.06
10 4.69 2.43 2.26 11.26 44.32
6.3 4.66 2.92 1.74 8.66 52.98
Tabla 1.4 Granulometría de la puzolana utilizada en el proceso de obtención del cemento
Densidad Aparente.- La densidad aparente determina la cantidad de puzolana necesaria
para ocupar un espacio, el valor calculado de densidad aparente servirá como referencia
para determinar el total de puzolana que ocupará el secador. (Ver procedimiento anexo
2A)
Para establecer la densidad aparente se utilizó el mayor porcentaje de retenido obtenido
en el análisis de granulometría siendo en este caso el correspondiente al tamiz 10
ASTM con un 11.26% de retenido.
Con la muestra del tamiz 10 ASTM se procede a colocar la muestra en un recipiente de
un litro hasta rasar. Teniendo así:
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DATOS
Peso Total Peso de la Muestra Volumen
2065 gr 1010 gr 1 lt
Tabla 1.5 Datos obtenidos en el ensayo de la densidad aparente
gr 1055Neto PesoNeto Peso
Recipiente del Peso-Total PesoNeto Peso
=−=
=10102065
Por consiguiente se tiene una densidad aparente de 1055gr/lt = 1055kg/m3.
Densidad Real.- La densidad real es una comparación de la masa que ocupa un
volumen determinado, este valor servirá para calcular los valores de otras propiedades
que de ella dependan.
Para determinar la densidad real se utiliza el método de Le Chatelier que consiste en
establecer la relación entre la masa de sustancia (cemento, puzolana, etc) y el volumen
de líquido no reactivo que esta masa desplaza en el frasco de Le Chatelier.
Primer Ensayo:
El método de Le Chatelier establece que se deben determinar ciertas condiciones de
análisis para efectuar las medidas de la densidad (ver procedimiento anexo 3A).
DATOS
Temperatura Volumen Inicial Masa Volumen Final
19.9 ºC 0.20 cm3 50 gr 19.8 cm3
Tabla 1.6 Datos obtenidos en el primer ensayo de la densidad real
Siendo
• ºT = Temperatura del líquido (agua) en el cual se sumerge el recipiente de Le
Chatelier.
• V1 = Volumen del líquido en la primera lectura.
• m = Masa de la muestra de cemento utilizada.
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• V2 = Volumen del líquido más la muestra en la lectura final.
( )
( )3
1
331
121
cmgr2.55ρ0.2cm19.8cm
50grρ
(1.1) VV
mρ
=
−=
−=
Segundo Ensayo:
DATOS
Temperatura Volumen Inicial Masa Volumen Final
19.9 ºC 0.22 cm3 50 gr 19.61 cm3
Tabla 1.7 Datos obtenidos en el segundo ensayo de la densidad real
( )
( )3
2
332
122
cmgr2.58ρ0.22cm19.61cm
50grρ
VVmρ
=
−=
−=
Luego de realizar dos pruebas se establece un promedio de los resultados obtenidos.
33m
m
21m
mkg2cmgr2.565ρ2
2.582.55ρ
2ρρρ
570≈=
+=
+=
Porcentaje de Retenido.- Este ensayo se basa en medir la cantidad de muestra que
queda retenida en el tamiz (procedimiento ver anexo 4A): y tiene gran utilidad para
conocer la fineza del material ya molido, en este caso con el secado se logrará un mejor
porcentaje de retenido, puesto que a menor porcentaje de retenido mayor fineza del
material tratado.
Peso Muestra: 1gr
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Presión: 10Psi
Resultado final:
Porcentaje de Retenido = 13%
Humedad.- Es un indicador de la cantidad de puzolana que se puede adicionar al
cemento; para determinar la humedad es necesario conocer la forma en la que esta está
presente en el material, a continuación se realiza un breve análisis de los tipos de
humedad presentes en los materiales:
1) Humedad Higroscópica.- Se denomina humedad higroscópica a la cantidad de agua
absorbida en una muestra4 expresada en porcentaje en peso cuando se seca a 106ºC.
2) Humedad Bruta.- La humedad bruta es la cantidad de agua evaporada cuando la
materia está expuesta al aire a temperatura ambiente4.
Por lo tanto se puede definir a los sólidos con comportamiento higroscópico y a los
sólidos húmedos:
1) Sólido Higroscópico.- Se dice que un sólido es higroscópico cuando la presión de
vapor del agua que acompaña al sólido es menor que la tensión de vapor del agua a
la misma temperatura4.
2) Sólido Húmedo.- Se da cuando la presión de vapor del agua que acompaña al
sólido es igual a la tensión de vapor del agua a esa temperatura4.
Para determinar la humedad se tomaron muestras de puzolana almacenada en los halls
y la que recién llega a la planta (procedimiento ver anexo 5A).
Humedad de puzolana recién llegada:
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DATOS
Peso Total
(crisol + muestra) Peso Crisol
Peso luego de Secar
(crisol + muestra)
110.46 gr 50 gr 105.49 gr
Tabla 1.8 Datos obtenidos para determinar la humedad de la puzolana recién llegada a la planta
( )
%94.9297.4
%97.449.10546.110
=×=
=−=
=
Humedaddospor multiplica se resultado el 100% el Para
HumedadHumedad
Final Peso-Inicial PesoHumedad
Humedad de puzolana en reposo:
DATOS
Peso Total
(crisol + muestra) Peso Crisol
Peso luego de Secar
(crisol + muestra)
109.93 gr 50 gr 104.62 gr
Tabla 1.9 Datos obtenidos para determinar la humedad de la puzolana en reposo
( )
%62.10231.5Humedad:así dos,por multiplica se resultado el 100% el Para
%31.5Humedad62.10493.109Humedad
Crisol Peso-Total PesoHumedad
=×=
=−=
=
Según reportes del departamento de calidad el porcentaje máximo de humedad que
presenta la puzolana durante el año es del 17%, valor crítico que se tomará para el
diseño del sistema de secado.
Luego de la realización de este análisis y en base a los estudios realizados en
laboratorio se puede concluir que la puzolana que se encuentra en los halls de
almacenamiento se comporta como un sólido húmedo con una humedad bruta
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25
aproximadamente del 17%; durante el proceso de secado se comportará como un sólido
higroscópico hasta alcanzar un estado de equilibrio con una humedad del 2%, estos
porcentajes de humedad servirán de referencia para los cálculos de dimensionamiento
del secador mediante un cálculo matemático de entalpías donde intervienen
directamente la humedad inicial y final de la puzolana.
Calor Específico.- El calor específico es la propiedad que definirá la cantidad de calor
necesario para originar el proceso de secado; al iniciar el estudio no se tenía datos de
esta propiedad, por lo que fue necesario realizar ensayos con procedimiento empírico
para obtener el valor exacto. El procedimiento a seguir se detalla en el anexo 6A.
Con los datos conseguidos por medición se realizó varías pruebas dando como
resultado final la media aritmética de los valores obtenidos en los diferentes ensayos así
se tuvo que el calor específico de la puzolana es de 1,0881 kJ/kgºC (0.26 kcal/kgºC).
1.5.2 COMPONENTES QUÍMICOS5:
COMPONENTE (%)
SiO2 58.81
Al2O3 17.47
Fe2O3 5.92
Ca 4.72
Mg 2.21
Tabla 1.10 Composición química de la puzolana utilizada en Empresa Industrias Guapán
Es necesario señalar que los análisis para obtener las propiedades físicas y químicas
de la puzolana se los realizó con un secado previo del material; además se puede concluir
que el sistema de secado no alterará las propiedades de la puzolana excepto la humedad
puesto que la temperatura máxima que se alcanzará es de 300ºC, temperatura a la cual el
material puzolánico no presenta degradación ni cambio de propiedades.
La producción de un cemento de mejores características dependerá del porcentaje de
puzolana adicionada al cemento y de la calidad del clinker que produce la fábrica5.
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Como se afirmó anteriormente, la puzolana por si sola no mejora sus propiedades al
secarse (excepto la humedad) sino simplemente permite su incremento en la composición
del cemento por el bajo contenido de humedad; logrando así mejorar las propiedades del
cemento más no de si misma.
La calidad de clinker producido en la Empresa Industrias Guapán S.A. permite una adición
de puzolana de hasta un 25% en la composición del cemento, los análisis de las
propiedades del cemento que se analizarán en las siguientes secciones demostrará como
varían estas con diferentes porcentajes de puzolana adicionado.
1.6 DIAGNÓSTICO DEL PROCESO ACTUAL1
1.6.1 CEMENTO
Es una mezcla de calizas que proporcionan un contenido de carbonato tricálcico
(CO3Ca) de aproximadamente 76% de caliza. Esta mezcla se homogeniza y se somete a
temperaturas de 1500ºC para obtener un nuevo material de propiedades físicas, químicas y
mecánicas llamado clinker. Este clinker se muele con el 4% de yeso y de un 12 a un 15%
de puzolana hasta alcanzar una superficie específica∗ que oscila entre 3900 y 4200
blaines∗∗.
Los tipos de cemento que actualmente produce Compañía Industrias Guapán S.A. son los
siguientes:
1.6.1.1 Cemento portland puzolánico modificado
TIPO 1PM.- Cemento Pórtland puzolánico-modificado para uso en construcción de
hormigón en general.
El cemento 1PM es una mezcla intima y uniforme del cemento portland o cemento
portland de escoria de altos hornos y puzolana fina producida sea por molienda de
clinker de cemento portland y puzolana, por mezcla de cemento portland o cemento ∗ Superficie (expresada, por ejemplo, en cm2) de un gramo de este polvo igual a la suma de las superficies individuales de todos los gramos. ∗∗ Unidad en la que viene expresada la superficie específica cm2/gr.
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portland de escorias de altos hornos y puzolana finamente dividida; o, una combinación
de molienda y mezcla en la cual la constituyente puzolana es menor que el 15% en
masa de cemento 1PM.
1.6.1.2 Cemento portland puzolánico.
TIPO 1P. Cemento portland puzolánico para uso en construcción de hormigón en
general.
TIPO P. Cemento portland puzolánico para uso en construcciones de hormigón donde
no se requiera elevadas resistencias a edades tempranas.
La diferencia entre el cemento 1PM, 1P y P se da en que estos dos últimos son cementos
hidráulicos en los que la constituyente puzolana está entre el 15% y 40% en masa de
cemento 1P y P.
Los productos que actualmente se fabrica en Empresa Industrias Guapán, se encuentran
regulados bajo la Norma INEN 490, con adición de hasta un 15% de puzolana en el tipo
1PM y del 15 al 40% para el tipo 1P.
Con el secado de la puzolana se conseguirá producir un cemento PÓRTLAND
PUZOLÁNICO DE TIPO P Y 1P con un porcentaje de hasta un 25% de puzolana en la
composición del cemento.
1.6.2 PROCESO DE FABRICACION
La tecnología que Industrias Guapán utiliza para la elaboración del cemento es del
tipo vía seca con una capacidad de 1.100 toneladas métricas por día. El proceso tiene lugar
a través de siete áreas de producción: 1. Trituración, 2. Prehomogenización, 3. Molienda de
crudo, 4. Homogenización, 5. Clinkerización, 6. Molienda de clinker o acabado, 7.
Despacho o expendio.
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28
DIAGRAMA DE PROCESO
Diagrama 1.1 Diagrama de proceso del cemento
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29
1.6.2.1 Trituración. (Área B)
Figura 1.1 Esquema del Area B (Trituración)
Fotografía 1.1 Área de Trituración.
Esta área del proceso realiza la disminución del tamaño de la materia prima
procedente desde las canteras desde un tamaño aproximado de 1,20m hasta un 95 %
pasante en la malla de 25mm. La capacidad del triturador es de 500 TMPH con una
humedad de entrada de 8%, lo suficiente para abastecer al proceso de producción con un
funcionamiento de 8 horas diarias durante 5 días a la semana. El accionamiento de esta
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30
máquina es mediante un motor eléctrico de 1500HP y un consumo específico de 3,5
Kwh/ton.
1.6.2.2 Prehomogenización (Área C)
Figura 1.2 Esquema del Área C (Prehomogenización)
Figura 1.2a Fotografía del Área de Prehomogenización
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31
Figura 1.2b Fotografías Interior del Área de Prehomogenización
Es el área destinada a dos objetivos fundamentales: almacenar el material triturado y
realizar una mezcla con una disminución de 8:1 en la desviación estándar de las variables
de calidad que controlan el proceso tales como porcentaje de carbonato tricálcico (CO3Ca)
y granulometría, indispensable para garantizar la homogeneidad del producto en
elaboración.
La maquinaria que realiza la prehomogenización está dentro de una bodega circular, que
consta de un apilador con capacidad de 600 TMPH, almacenando el material en dos pilas y
un recuperador con capacidad de alimentación de 200 TMPH.
La capacidad nominal de almacenamiento es de 40.000 toneladas, pero por efectos de un
mayor control en la calidad y disponibilidad de recuperación se lo utiliza en un 50%, y de
acuerdo a la necesidad del siguiente proceso de producción que es la molienda de crudo∗.
El transporte del material prehomogenizado se lo realiza a través de una cadena con paletas
al cual cae mediante el accionamiento de un rascador y deposita el material en una tolva y
esta a su vez a una banda por dos vibradores instalados a la salida del recuperador. El
consumo específico es de 0,53 Kwh/TMPH tratada.
∗ Material calcáreo que a pasado por el proceso de trituración y molienda, y se ha seleccionado para continuar con el proceso.
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32
1.6.2.3 Molienda de crudo (Área D)
Figura 1.3 Esquema del Área D (Molienda)
Figura 1.3 Molino de Crudo
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33
El objetivo de esta área es el de dosificar y preparar la materia prima de acuerdo a los
requerimientos físico-químicos para la elaboración del clinker de cemento.
La molienda se realiza hasta una finura tal que el retenido en el tamiz de 200 ASTM (75
micras) sea menor al 15%, con una humedad del producto menor al 0,5%.
El equipo principal de esta área es el molino de bolas; de tipo horizontal, consta de un tubo
de acero de 3,96m de diámetro y una longitud de 7,93m dividido en dos cámaras de
molienda, que con el blindaje adecuado y la carga necesaria tiene una capacidad de
producción de 90TMPH; es accionado por un motor de 2500HP, con un consumo
específico de 34,7Kwh/TMPH, está diseñado para trabajar 6 días por semana y 24 horas al
día.
Una función adicional de la molienda de crudo es evaporar el contenido de agua en la
materia prima, y se lo realiza en la cámara de secado utilizando para el efecto los gases
provenientes de la torre de precalentador del horno rotativo.
El molino tiene un diseño de descarga central, dispone de dos entradas simultáneas a las
dos cámaras de molienda; tanto para los gases calientes para el secado, cuanto para el
material de alimentación.
A la primera cámara se alimenta material desde los dosificadores y a la segunda material
procedente de la recirculación de gruesos provocados por el separador de aire.
El aire de barrido del molino es manejado por un ventilador de tiro accionado por un motor
eléctrico de 800HP y los gases son filtrados mediante colectores ciclónicos en serie.
1.6.2.4 Homogenización (Área E)
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34
Figura 1.4 Esquema del Área E (Homogeneización)
El producto de la molienda de crudo es transportado hasta dos silos de
homogeneización, que tienen una capacidad de 2340 m3 en total. Tienen la función de
realizar la mezcla de la harina cruda para mejorar la homogeneidad del material. Este
trabajo se lo realiza mediante la inyección de aire comprimido a impulsos para generar un
movimiento interno del polvo.
El aire comprimido es generado por un compresor de aletas rotativas con una capacidad de
3000 m3/h a 2 Kg/cm2 de presión y es distribuido adecuadamente por un sistema de lanza
de aire rotativo.
SECADOR DE PUZOLANA
35
Una vez completada la homogenización y la comprobación de las variables de calidad, el
material listo para alimentar al horno es trasladado a los silos de almacenamiento que están
por debajo de los primeros, con una capacidad total de 4540 m3.
La dosificación al horno es controlada desde el panel central en función de determinadas
variables del proceso; lo cual se realiza mediante una banda dosificadora que recibe el
material desde una caja de despresurización y descarga en un sistema de transporte
neumático que impulsa el material hasta el precalentador del horno.
1.6.2.5 Clinkerización y Enfriamiento (Área F)
Figura 1.5 Esquema del Área F (Clinkerización y Enfriamiento)
SECADOR DE PUZOLANA
36
Fotografía 1.5 Horno del Clinkerización
Es el área fundamental del proceso de fabricación de cemento; el equipo principal es
el horno rotativo, con una capacidad de producción de 1.100TMPD de clinker de cemento,
a una temperatura de descarga de 65ºC sobre la temperatura ambiente. El horno es un tubo
de acero de 4.11m de diámetro y 57,91m de longitud, revestido interiormente con material
refractario, que se apoya en tres bases con aros y rodillos que permiten el movimiento y
accionado por un motor de 250HP de velocidad variable.
El proceso de clinkerización se describe de la siguiente manera: el material crudo
procedente de los silos de almacenamiento descritos anteriormente, es inyectado al ducto
de salida de los gases de la segunda etapa del precalentador. El precalentador está
constituido por 4 etapas de ciclones instalados en serie, la etapa 4 es la que está ubicada a
la boca de alimentación del horno; la etapa 1 consta de dos ciclones en paralelos a cuya
salida de gases se encuentra el ventilador de tiro del precalentador que es accionado por un
motor eléctrico de velocidad variable con una potencia de 1250HP. El tipo de motor con
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37
velocidad variable permite disponer de un caudal de aire adecuado para satisfacer los
diferentes requerimientos de la alimentación, garantizando una atmósfera estable en el
proceso de clinkerización del material en el tubo del horno.
El precalentador actúa como un intercambiador de calor entre los gases resultantes de la
combustión del horno y el material pulverizado de alimentación. La otra función que
desempeña el precalentador es el de colector estático ya que impide que el material sea
arrastrado conjuntamente con los gases.
En el funcionamiento a plena capacidad, esto es con una alimentación estable alrededor de
75TMPH, el material crudo incrementa su temperatura en aproximadamente 800ºC; y la
temperatura de los gases desciende hasta llegar a los 250ºC. El material al incrementar su
temperatura mientras desciende por el precalentador, comienza su proceso de
transformación química, la temperatura máxima alcanzada en el horno rotativo depende de
las características del material y del tipo de clinker de cemento que se está produciendo.
Actúan como elementos fundentes para llegar a la fase líquida el aluminio (Al), y el hierro
(Fe); disminuyendo el tiempo de reacción del silicio (Si) y calcio (Ca), a la vez que bajan
la temperatura necesaria para que se produzca la clinkerización, que para este caso es de
alrededor de los 1400ºC.
Parte importante del proceso de clinkerización es el enfriamiento, que se realiza en el
enfriador Fuller, que consta de un varillado metálico que produce la descarga del material
enfriado mediante la transferencia de temperatura por la inyección de aire frío con 4
ventiladores. A la salida del enfriador se encuentra el triturador de clinker que permite
descargar un producto con una granulometría alrededor de 25mm.
El aire necesario para la combustión es tomado del aire utilizado para el enfriamiento de
clinker. Este aire que está siempre entre los 600 y 800ºC, permite que se produzca el
proceso de cocción, utilizando como combustible Fuel oil # 6 (Bunker C).
Para la dosificación y manipulación de este combustible pesado se dispone de un caldero,
que calienta al residuo de temperatura ambiente a la temperatura de inflamación del
Bunker (110ºC) mediante la transferencia de calor utilizando aceite térmico.
SECADOR DE PUZOLANA
38
El aire del enfriador que no es utilizado para la combustión en el horno es evacuado
mediante un ventilador de compensación. El consumo específico de energía de esta área es
de 35Kwh/TMPH de clinker producido y un consumo calorífico de 840Kcal/Kg de clinker.
1.6.2.6 Molienda de acabado (Área G)
Figura 1.6 Esquema del Área G (Molienda de Acabado)
Fotografía 1.6 Molino de Acabado
La molienda de cemento o acabado es una parte fundamental del proceso de
fabricación. En esta área se dosifican y muelen los ingredientes finales del cemento, su
equipo principal es el molino de bolas con un diámetro de 3,66m y una longitud total de
11,28m, es de tipo horizontal dividido en dos cámaras: la primera de 3,66m de longitud en
SECADOR DE PUZOLANA
39
la que se realiza la molienda gruesa y la segunda de 7,62m en la que se realiza la molienda
fina.
El molino tiene un diseño con descarga periférica y por lo tanto tiene una sola entrada y
salida; es accionado por un motor eléctrico de 3000HP, con una garantía de producción de
60TMPH de cemento con una superficie específica de 3900 a 4200cm2/g (blaines).
El consumo específico es de 43Kwh/TMPH; estos valores se garantizan considerando una
alimentación de 81 % de clinker y 4% de yeso con granulometría menor a 25mm.
El sistema de molienda es de tipo cerrado con un separador de aire que clasifica el
producto de acuerdo a los requerimientos establecidos por el departamento de calidad. En
la actualidad se dosifica también puzolana en un porcentaje que varía entre 12 y 15%, con
el fin de obtener cementos regulados por la norma INEN 490.
1.6.2.7 Despacho y Empaque de cemento (Área H)
Figura 1.7 Esquema del Área H (Despacho y Empaque)
SECADOR DE PUZOLANA
40
a)
b)
Fotografías 1.7 a) y b) Área F (Despacho y Empaque)
El área está equipada con dos líneas completas de enfundado del cemento con
ensacadoras rotativas Haver Boecker con 8 bocas cada una y una capacidad de enfundar
2500 sacos/hora cada máquina. Cada una de estas ensacadoras están alimentadas con sus
respectivos aplicadores RADIMATIC, que son servomecanismos autómatas que permiten
un flujo contínuo y estable en la emisión de sacos.
Paralelamente para el despacho a granel se dispone de dos sistemas de alimentación para
carros cisterna. El respectivo control en el despacho relacionado con la variable de peso
(50 ± 0,5 Kg/saco), está controlada a la salida del vehículo de transporte por una báscula
SECADOR DE PUZOLANA
41
electrónica de 80 toneladas de capacidad y certificada por el Instituto Ecuatoriano de
Normalización.
1.7 ESPECIFICACIONES DEL PROCESO Y PRODUCTO
El cemento portland 1PM que actualmente se produce presenta las siguientes
especificaciones.
Blaine: mínimo 4000
Resistencia a la compresión:
Mínimo:
13,0 MPa a los 3 días
20,0 Mpa a los 7 días
25,0 Mpa a los 28 días
Finura: tamiz 325 ASTM ( 45 micras) : 3 - 4 % retenido
Cal libre: máximo 2 %
Expansión en autoclave: máximo 0,5 %
Fraguados:
Inicial: mínimo 45 minutos
Final: máximo 420 minutos
Falso fraguado: mínimo 50 %
Pérdidas al fuego: máximo 5 %
Oxido de magnesio: máximo 5 %
Trióxido de azufre: máximo 4 Saturación de cal: 90 – 94 %
El secado de puzolana implica mejorar estás propiedades, ya que así será posible
incrementar el porcentaje de adición de este material en la composición del cemento; a
continuación se presenta los resultados de los análisis realizados de las diferentes
propiedades del cemento con porcentajes de adición de puzolana que varía desde 0 hasta
30%.
SECADOR DE PUZOLANA
42
1.7.1 DENSIDAD DEL CEMENTO
2,9
2,95
3
3,05
3,1
3,15
3,2
Den
sida
d Pr
omed
io
0 5 10 15 20 25 30
% de Puzolana Adicionado al Cemento
DENSIDAD
Tabla 1.11 Densidad del Cemento con adición de distintos porcentajes de Puzolana
Como se puede apreciar en este análisis la relación puzolana-densidad es
inversamente proporcional ya que a mayor porcentaje de puzolana adicionado al cemento
la densidad de este es menor y por consiguiente se mejora la reacción de hidrólisis al
momento de realizar la mezcla como se analizó en la sección 1.4.1.
DENSIDAD (G/CM3)
% DE
PUZOLANA
ADICIONADO
AL CEMENTO
MUESTRA
Nº1 Nº2 Nº3 Promedio
0 3.172 3.171 3.167 3.17
5 3.135 3.138 3.138 3.137
10 3.112 3.097 3.091 3.1
15 3.079 3.08 3.084 3.081
20 3.048 3.052 3.047 3.049
25 3.016 3.012 3.011 3.013
30 2.997 3.002 3.007 3.002
SECADOR DE PUZOLANA
43
1.7.2 SUPERFICIE ESPECÍFICA (BLAINE):
0500
10001500200025003000350040004500
Supe
rfic
ie E
sp. P
rom
edio
0 5 10 15 20 25 30
% de Puzolana Adicionado al Cemento
SUPERFICIE ESPECÍFICA
Tabla 1.12 Superficie Específica del Cemento con adición de distintos porcentajes de Puzolana
∗ Ver Referencia Anexo 7A
SUPERFICIE ESPECÍFCIA∗
% DE
PUZOLANA
ADICIONADO
AL CEMENTO
MUESTRA
Nº1 Nº2 Nº3 Promedio
0 3300 3200 3190 3230
5 3600 3500 3450 3517
10 3750 3600 3720 3690
15 3900 3980 3920 3933
20 4200 4180 3950 4110
25 4230 4200 4250 4227
30 4300 4280 4200 4260
SECADOR DE PUZOLANA
44
La superficie específica es la suma de las superficies de las partículas de un gramo de
muestra, la puzolana disminuye la densidad del cemento y por consiguiente los espacios
intermoleculares son cada vez menores con lo que se logra una mejor homogeneidad en el
material y por consiguiente su calidad aumenta.
1.7.3 PORCENTAJE DE RETENIDO EN EL TAMIZ 325:
0
5
10
15
20
25
5 de
Ret
enid
o en
el T
amiz
0 5 10 15 20 25 30
% de Puzolana Adicionado al Cemento
% DE RETENIDO EN EL TAMIZ
Tabla 1.13 Porcentaje de Retenido del Cemento con adición de distintos porcentajes de Puzolana
PORCENTAJE DE RETENIDO EN EL TAMIZ
% DE
PUZOLANA
ADICIONADO
AL CEMENTO
MUESTRA
Nº1 Nº2 Nº3 Promedio
(%)
0 22.50 22.43 21.98 22.30
5 21.83 21.54 21.34 21.57
10 20.95 20.63 50.56 20.71
15 20.11 19.98 20.02 20.04
20 17.91 19.49 19.30 19.50
25 17.50 17.01 17.12 17.21
30 16.32 16.54 16.28 16.38
SECADOR DE PUZOLANA
45
La adición de puzolana al cemento proporciona mayor fineza y homogeneidad, por
consiguiente el retenido en el tamiz se reduce considerablemente, además al momento de
realizar la molienda del cemento la puzolana le proporciona mayor facilidad porque una de
sus propiedades es la facilidad de molienda en estado seco.
Los análisis antes descritos fueron realizados en un molino de laboratorio obteniendo un
valor crítico de retenido de 16.38% sin embargo a escala real este valor se reduce a un 3 o
4%.
1.7.4 CONSISTENCIA NORMAL∗:
∗ Ver Referencia Anexo 8A
CONSISTENCIA NORMAL (%)
% DE
PUZOLANA
ADICIONADO
AL CEMENTO
MUESTRA
Nº1 Nº2 Nº3 Promedio
0 23.80 23.80 23.80 23.80
5 24.20 24.20 24.20 24.20
10 24.40 24.40 24.40 24.40
15 24.90 24.90 24.90 24.90
20 25.60 25.60 25.60 25.60
25 25.90 25.90 25.90 25.90
30 26.40 26.40 26.40 26.40
SECADOR DE PUZOLANA
46
22,5
23
23,5
24
24,5
25
25,5
26
26,5
% C
onsi
sten
cia
N. P
rom
.
0 5 10 15 20 25 30
% de Puzolana Adicionado al Cemento
CONSISTENCIA NORMAL
Tabla 1.14 Consistencia Normal del Cemento con adición de distintos porcentajes de Puzolana
En la sección 1.4.1 se definió a la consistencia normal como aquella que permite
conocer exactamente el volumen de agua necesario para obtener una pasta de consistencia
plástica y que el cemento brinde un tiempo de fraguado normal; en este análisis se puede
comprobar que con mayor adición de puzolana la relación agua/cemento es mayor.
1.7.5 TIEMPO DE FRAGUADO∗:
∗ Ver Referencia Anexo 9A
TIEMPO DE FRAGUADO
CLASE DE FRAGUADO MUESTRAPorcentaje de Puzolana
0% 5% 10% 15% 20% 25% 30%
Fraguando Inicial
(minutos)
N°1 140 170 160 175 180 175 155
N°2 145 180 165 185 185 175 140
N°3 145 176 175 190 190 190 140
Promedio 143 175 167 183 185 180 145
Fraguando Final
(minutos)
N°1 265 230 270 260 275 260 245
N°2 260 235 278 240 260 250 249
N°3 270 245 280 255 260 260 260
Promedio 265 237 276 252 265 257 251
SECADOR DE PUZOLANA
47
0
50
100
150
200
250
300Ti
empo
de
Frag
uado
(min
)
0% 5% 10% 15% 20% 25% 30%
% de Puzolana Adicionado al Cemento
TIEMPO DE FRAGUADO
Fraguando InicialFraguando Final
Tabla 1.15 Tiempo de Fraguado del Cemento con adición de distintos porcentajes de Puzolana
El tiempo de fraguado es relativamente más lento esto se debe a que primero ocurren
las reacciones del clinker, para luego empezar a reaccionar los elementos de la puzolana.
1.7.6 EXPANSIÓN EN AUTOCLAVE∗
∗ Ver Referencia Anexo 10A
EXPANSIÓN EN AUTOCLAVE (%)
% DE PUZOLANA
ADICIONADO AL
CEMENTO
MUESTRA
Nº1 Nº2 Nº3 Promedio
0 0.068 0.067 0.07 0.068
5 0.062 0.063 0.06 0.061
10 0.049 0.05 0.052 0.05
15 0.04 0.036 0.038 0.038
20 0.031 0.028 0.032 0.03
25 0.023 0.024 0.025 0.024
30 0.015 0.014 0.016 0.015
SECADOR DE PUZOLANA
48
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
% E
xpan
sión
en
Auto
clav
e
0 5 10 15 20 25 30
% de Puzolana Adicionado al Cemento
EXPANSION EN AUTOCLAVE
Tabla 1.16 Expansión en Autoclave con distintos porcentajes de Puzolana
El gradiente de expansión con el tiempo es considerable; con el 0% de adición el
cemento se expande un 0.068% mientras que con el 30% que es el valor máximo
adicionado en la muestra analizada el porcentaje de expansión es apenas del 0.015%, esto
tiene una explicación lógica por cuanto la puzolana elimina la cal libre que se desprende de
las reacciones y que es la causante de este fenómeno.
1.7.7 TABLA DE FLUJO (CONTENIDO DE AIRE EN MORTEROS∗∗)
∗∗ Ver Referencia Anexo 11A ∗ Mezcla de arena normalizada, agua y cemento en cantidades normados.
CONTENIDO DE AIRE EN MORTEROS∗ (%)
% DE PUZOLANA
ADICIONADO AL
CEMENTO
MUESTRA
Nº1 Nº2 Nº3 Promedio
0 7.70 8.00 7.50 7.73
5 7.30 7.45 7.25 7.33
10 6.95 7.90 6.80 7.22
15 6.65 6.74 6.68 6.69
20 6.20 6.30 6.25 6.25
25 5.58 5.74 5.62 5.65
30 5.23 5.42 5.34 5.33
SECADOR DE PUZOLANA
49
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Con
teni
do d
e A
ire
en
mor
tero
s (%
)
0 5 10 15 20 25 30
% de Puzolana Adicionado al Cemento
CONTENIDO DE AIRE EN MORTEROS
Tabla 1.17 Contenido de Aire en morteros con distintos porcentajes de Puzolana
El contenido de aire en morteros se basa en la observación del cambio en el volumen
de una muestra de mortero, al igual que las otras propiedades esta también se mejora, porque
el contenido de aire con el 30% de puzolana es de aproximadamente el 69% menos que la
muestra con 0% de adición.
1.7.8 RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN∗:
∗ Ver Referencia Anexo 12A
RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN (MPA)
EDAD MUESTRA PORCENTAJE DE PUZOLANA
0% 5% 10% 15% 20% 25% 30%
3 días
N°1 21.00 19.50 18.40 17.23 16.50 16.00 15.50
N°2 24.50 20.00 18.00 17.34 16.80 16.20 15.40
N°3 21.70 19.70 17.86 17.40 17.00 16.40 15.70
Promedio 21.40 19.73 18.09 17.32 16.77 16.20 15.53
7 días
N°1 31.50 28.90 26.00 25.50 24.90 24.30 23.20
N°2 31.40 29.00 26.80 25.20 24.80 24.50 23.10
N°3 31.00 29.20 26.50 25.90 25.00 24.10 23.50
Promedio 31.30 29.03 26.43 25.53 24.90 24.30 23.27
28 días
N°1 33.80 32.80 32.10 31.00 31.00 29.90 28.60
N°2 33.80 32.60 31.90 32.10 30.90 30.00 28.50
N°3 34.00 32.50 32.00 31.50 30.80 29.50 29.20
Promedio 33.87 32.63 32.00 31.53 30.90 29.80 28.77
SECADOR DE PUZOLANA
50
0
5
10
15
20
25
30
35
Resi
sten
cia
a la
Co
mpr
esió
n (M
pa)
0 5 10 15 20 25 30
% de Puzolana Adicionado al Cemento
RESISTENCIA A LA COMPRESION
3 días7 días28 días
Tabla 1.18 Resistencia a la compresión con distintos porcentajes de Puzolana
La sustitución por puzolana del cemento portland reduce siempre la resistencia de la
primera época, aunque aumenta la resistencia final1 (aumenta a partir de los 30 días).
SECADOR DE PUZOLANA
51
1.8 REFERENCIAS BILBIOGRÁFICAS
[2] FRITZ-KEIL. “Cemento, Fabricación, Propiedades, Aplicaciones”. Editores Técnicos Asociados. España .1973
[3] VICTORIANO JOSÉ. “Tesis Aprovechamiento de las Puzolanas de Nuestra Zona en la Elaboración de Cemento con Adición de Puzolana” Universidad de Cuenca. 1995.
[4] OCON-TOJO. “Problemas de Ingeniería Química”. Tomo II. Editorial Aguilar. Madrid España. 1977.
[5] Reporte de ensayos químicos de rayos x. Departamento de Calidad “Compañía Industrias Guapán S.A.”