Universidad de San Carlos de GuatemalaFacultad de IngenieríaEscuela de Ingeniería MecánicaProcesos de Manufactura 2Ing. Víctor Manuel Ruiz HernándezPrimer semestre 2014

Trabajo de InvestigaciónIndustria de la Cal

René Alejandro Ortiz Santamaría 2011-13826Diego Israel Navarro Godínez 2011-13936Derick Fabricio Zeceña Navas 2011-14670Gilberto Rafael Álvarez Reyes 2011-14698

Sección: Q

Guatemala 18 de Febrero de 2014

Introducción:

La piedra caliza es un mineral que consiste principalmente en carbonato de calcio pero también contiene carbonato de magnesio como componente secundario. La composición típica es 97% de carbonatos de calcio y magnesio, de 30-56% de CaO, 0.2-21% de MgO y hasta un 3% de óxidos de arcillas. Es muy abundante en todo el mundo y es una materia prima esencial para muchas industrias. La industria química la utiliza para obtener de ella gran parte de los compuestos de calcio que necesita y para obtener la base relativamente fuerte que es el Ca (OH)2 en solución. Por su parte, la industria de la construcción obtiene del carbonato de calcio la cal conglomerante, aérea o hidráulica, y de las mezclas de caliza-arcilla los cementos Portland.El término cal tiene una amplia connotación. Puede referirse a cal viva o aérea, cal hidratada o apagada, o bien cal hidráulica.La cal viva o aérea se produce por descomposición térmica de la caliza. Consiste principalmente en óxido de calcio (CaO).

ObjetivosGeneral:Conocer aspectos generales de obtención y producción de la cal.Específicos:

La Cal

La cal es el producto que se obtiene calcinando la piedra caliza por debajo de la temperatura de descomposición del óxido de calcio. En ese estado se denomina cal viva (óxido de calcio) y si se apaga sometiéndola al tratamiento de agua, se le llama cal apagada (hidróxido de calcio).

Tipos de Cal

Cal Viva: Se obtiene de la calcinación de la caliza que al desprender anhídrido carbónico, se transforma en óxido de calcio. La cal viva debe ser capaz de combinarse con el agua, para transformarse de óxido a hidróxido y una vez apagada (hidratada), se aplique en la construcción.

Cal hidratada: Se conoce con el nombre comercial de cal hidratada a la especie química de hidróxido de calcio, la cual es una base fuerte formada por el metal calcio unido a dos grupos hidróxidos.

Cal hidráulica: Cal compuesta principalmente de hidróxido de calcio, sílica (SiO2) y alúmina (Al2O3) o mezclas sintéticas de composición similar. Tiene la propiedad de fraguar y endurecer incluso debajo del agua.

Extracción de caliza:La mayoría de la caliza se produce por minería a cielo abierto. Sólo una pequeña porción (5%) es extraída por minería subterránea. La primera operación en minería a cielo abierto es remover las sobrecargas (el suelo, la arcilla y la roca que está sobre el depósito). La siguiente etapa es generalmente perforar la roca madre. Los taladros rotatorios y percutores son ampliamente utilizados para esta tarea. El diámetro de las perforaciones varía entre 5 y 25 cm, dependiendo del diseño de la explosión. Luego, los hoyos se llenan con cantidades controladas de explosivos. El más común es una mezcla de nitrato de amonio y fuel-oil (ANFO). En una explosión típica se fragmentan entre 5.000 y 50.000 toneladas de roca con una cantidad aproximada de 140g de explosivo por tonelada de caliza. Es muy importante el control de la explosión: si la fragmentación es muy pequeña produce rocas grandes que luego deben romperse utilizando una segunda explosión o por golpe; si la fragmentación es demasiada, produce una excesiva cantidad de partículas finas y aumenta el riesgo de arrojar piedras fuera de la cantera.

Procesamiento de la roca: Luego de la explosión, el método más efectivo para reducir el tamaño es una trituración primaria. Las trituradoras primarias son de dos tipos básicos: de compresión y de impacto. Las trituradoras de compresión típicas son: las de mandíbulas, las de cono y las giratorias, y operan por la lenta aplicación de presión que causa que la roca se rompa. Por otro lado las trituradoras de impacto utilizan rompedores o martillos. La selección del tipo de trituradora depende de la dureza y de las características de fracturación de la caliza, de la capacidad de planta, y del tamaño deseado o degradación. En general, las de tipo compresión son las preferidas para rocas de gran tamaño, gran dureza, y muy abrasivas, las de impacto para tamaños menores y las giratorias para plantas de alta capacidad. Dependiendo del tipo, las trituradoras primarias producen una reducción de tamaño entre 3,8 y 25cm, y las capacidades van desde 90 a 450tn/h. Generalmente no se requieren trituradoras secundarias con las de tipo impacto, pero si con los tamaños más grandes de las trituradoras de mandíbulas y giratorias. Se utilizan molinos de martillos especiales, un triturador giratorio y de conos modificado, como triturador secundario. El tamaño requerido para la alimentación de hornos de cal verticales es entre 15 y 20cm por lo que luego de la trituración primaria, debe hacerse pasar por un tamiz vibratorio donde se realiza la clasificación. Para hornos rotatorios, en cambio, el tamaño es menor, entre 0.64 y 6.4cm por lo que se requiere una trituración secundaria y posterior clasificación.

Hornos de Cal:Hornos rotativos: Son hornos continuos que consisten en un gran cilindro de acero, formado por secciones soldadas y cuyo interior está recubierto con 15-24 cm de ladrillo refractario. Se instalan con una inclinación de 3-5º sobre rodillos que le permiten girar a velocidades entre 1-2 rpm. La roca caliza se alimenta por el extremo de mayor nivel desde el precalentador o desde silos y es descargada como cal viva hacia el enfriador por el extremo más bajo. Se introduce aire frío en el enfriador y desde ahí a la zona de calcinación del horno cercana al extremo de descarga como aire de combustión secundario, permitiendo recuperación de calor. El aire y los gases calientes son aspirados en contracorriente del flujo de alimentación del horno hacia el extremo de carga donde proveen de calor recuperativo para el horno. Los hornos pueden operar con carbón pulverizado, gas o fuel-oil. Solamente el 10% del horno se encuentra lleno a medida que la alimentación cae lentamente a través del mismo. Los tamaños de alimentación varían desde 0,625-6,25 cm, pero la mayoría de las plantas de hornos rotativos usan una granulometría más restrictiva de 0,625-1.88 cm, 1,88-3.75 cm, etc. Los hornos rotativos tienen la mayor producción horaria y la mejor y más uniforme calidad. Sin embargo, existen algunas desventajas, tales como el elevado capital de inversión, el elevado consumo de energía promedio, la falta de flexibilidad en plantas único horno, y el sistema más complicado y costoso de recolección de polvos.El consumo energético varía ampliamente desde 6,4 hasta 9,3 GJ/tn. El valor inferior se obtiene en hornos con precalentadores avanzados, accesorios internos, y sistema de filtros de bolsa. El valor superior corresponde a antiguos hornos de baja capacidad sin precalentador y con pocos accesorios internos. De esos valores, el 90% corresponde al combustible y el 10% a electricidad, principalmente de la recolección de polvos. El promedio de polvos producidos es del 10% de la alimentación o aproximadamente 20 kg/tn de cal, considerando una relación másica caliza a cal de 2. El sistema primario de recolección de polvos consiste en múltiples ciclones que atrapan el 85% del total de polvos. De los sistemas secundarios en uso, los filtros de bolsas son los predominantes, seguido de lavadores con agua, precipitadores electrostáticos, y lechos filtrantes de grava. Su principal ventaja es que producen cal de alta calidad con niveles bajos de CaCO3

Y azufre y alta reactividad, cuando se queman combustibles más económicos. Sus capacidades típicas rondan las 1000-1500 tn/día con un tiempo de residencia de 5 horas aproximadamente

Hornos verticales: Existen varios tipos y diseños con amplia variabilidad de eficiencia. Todos estos hornos tienen 3 zonas imaginarias que se muestran en la figura adjunta.En la zona de precalentamiento, los gases de escape calientan la roca, preparando la calcinación en la zona adyacente. La zona de calcinación es la cámara de calcinación donde ocurre el 95%del proceso. La porción inferior de esta zona se conoce como zona determinación. Es allí donde se completa la calcinación y donde se sitúan los quemadores. El aire frío ingresa a la zona de enfriamiento desde la base del horno ya sea por tiro natural, inducido o forzado y fluye en contra corriente mientras que la cal desciende a través del horno. El aire enfría la cal para ser descargada encintas transportadoras que se encuentran abajo, y recupera mucho calor de la cal caliente y luego actúa como aire secundario en la zona de calcinación. Las capacidades típicas están entre 600-800 tn/día y sus consumos entre 4.2-4.6 GJ/tn de cal. Se estima que el 5% del consumo es energía eléctrica. El tiempo de residencia del horno clásico de tiro vertical es de aproximadamente 36 horas.

Los hornos verticales más eficientes son los hornos regenerativos de flujo paralelo y los hornos con doble inclinación.Los hornos de flujo paralelo consisten en dos o tres tiros verticales independientes dentro de una gran carcasa revestida interiormente con refractarios. La operación consiste en dos etapas iguales de alrededor 10-15 min cada una. En la primera etapa, el combustible es inyectado a través de las lanzas en el tiro vertical 1 y se quema con el aire de combustión. El calor liberado es parcialmente absorbido por la reacción de calcinación de caliza en el tiro vertical 1. Se introduce aire en la base de cada tiro para enfriar la cal. El aire del tiro 1 se mezcla con los gases de combustión, incluyendo el dióxido de carbono. La mezcla pasa a través del ducto cruzado hacia el tiro vertical 2, a una temperatura de alrededor de 1050 ºC. En el tiro 2, los gases del tiro 1 se mezclan con el aire refrigerante del tiro 2 y suben. Al

hacer esto, calientan la roca en la zona de precalentamiento de ese tiro. Durante la segunda etapa de operación, se aplica lo contrario. Se agregan las mismas cantidades de combustible y de aire de combustión al tiro vertical 2. Los gases de combustión junto con el aire refrigerante suben a través del tiro 1 calentando la roca en la zona de precalentamiento de dicho tiro. El tiempo de residencia típico es de 18 horas.Los hornos con doble inclinación son esencialmente rectangulares en la sección transversal pero incorporan dos secciones inclinadas en la zona de calcinación. Opuesto a cada sección inclinada, se encuentran arcos que crean espacios en los cuales el combustible y el aire de combustión precalentado se queman mediante tres cámaras de combustión. El aire refrigerante ingresa por la base del horno y se precalienta. Parte de este, se extrae del horno y se re-inyecta en las cámaras de combustión. El camino tortuoso que deben realizar los gases y la carga asegura una eficiente distribución del calor. Estos hornos aceptan roca con un tamaño máximo de 4 a 10 cm. Pueden producir, cal de bajo carbonato con un uso neto de calor de alrededor de 4,3 GJ/ton de cal. La mayoría de estos hornos operan con combustibles gaseosos o líquidos, incluyendo propano.

Procesamiento de la cal viva:La mayor demanda de cal viva corresponde a tamaños entre 4-0.6 cm. Para obtener el máximo rendimiento de esos tamaños, particularmente a partir de hornos verticales, es necesario triturar la cal. Las trituradoras más utilizadas son las de mandíbulas y las de cilindros porque minimizan la formación de finos. Los tamaños sobrantes (generalmente – 0.6 cm) se utilizan frecuentemente como alimentación para la producción de cal hidratada o bien de cal molida. La producción de cal molida finamente dividida ha crecido mucho en los últimos años.Se requieren varios grados que van desde el 30 a más del 99% pasando 75 μm. Para lograr esto se utilizan molinos con clasificadores de velocidad variable que retornan las partículas gruesas y controlan la finura del producto terminado.

Producción de cal hidratada: Debido a que la cal debe llenar determinados requerimientos físicos y químicos, se requieren calizas de alta pureza y de un proceso de producción controlado que aseguren un producto de excelente calidad. Seguidamente se detalla el proceso de elaboración de la cal hidratada.

1. Obtención de la piedra caliza:Comprende todos los procesos que se realizan en la cantera a partir de los cuales se obtiene la piedra caliza, materia prima de este proceso. Dichos procesos consisten en:

Estudios geológicos mineros, en los que se obtiene la información geológica y geoquímica de las áreas a explotar.

Extracción de la piedra caliza, que consiste en extraer la materia prima de las canteras.

Durante esta etapa se pone especial atención en controlar la composición química, granulometría y humedad de la materia prima, que es la piedra caliza.

2. Preparación de la piedra:Consiste en las trituraciones y tamizajes primarios y secundarios de la piedra caliza. Mediante dicho proceso, se logra dar a las piedras el diámetro requerido para el horno de calcinación3. Calcinación:La calcinación consiste en la aplicación de calor para la descomposición (reacción térmica) de la caliza. En este proceso se pierde cerca de la mitad de peso, por la descarbonatación o pérdida del dióxido de carbono de la caliza original. La calcinación es un proceso que requiere mucha energía para que la descarbonatación pueda ocurrir y es en este paso cuando la piedra caliza (CaCO3) se “convierte” en cal viva (CaO). En la producción de cal hidratada se utiliza tecnología de punta, con lo que se asegura el buen uso de la energía.

4. Hidratación:En esta etapa la cal viva (óxido de calcio) es trasladada a una hidratadora, en donde se le agrega agua al producto. Al hidratarse las piedras de cal viva se convierten en cal hidratada (polvo fino de color blanco). El mismo es un proceso exotérmico, el cual consiste en que cuando a la cal viva se le agrega agua, la reacción libera calor.

5. Separación:Consiste en separar de la cal hidratada los óxidos no hidratados (óxidos no hidratados como los de magnesio) y algunos carbonatos conocidos como “granaza” que no lograron ser hidratados en la etapa de hidratación.

6. Envasado / Empaque / Despacho:Finalmente, se procede al envasado del producto, el mismo se realiza por medio de una máquina especial de envasado y paletizado. La cal hidratada es empacada en bolsas de papel.

Todos los procesos anteriormente descritos, son completamente industriales. En los mismos se llevan a cabo estrictos controles de calidad que permiten alcanzar las normas requeridas para la fabricación de cal hidratada. Para ello, se determina el cumplimiento de los requerimientos químicos (dióxido de silicio, óxido de aluminio, óxido férrico, óxido de calcio, óxido de magnesio, óxidos no hidratados y dióxido de carbono) y de los

requerimientos físicos de fineza y retención de agua. Permitiendo ello ofrecer un producto de excelente calidad.

Producción de la cal apagada:Se denomina cal apagada a la suspensión lechosa de hidróxido de calcio en agua. Existen varias maneras de apagar a la cal viva, yendo desde el proceso discontinuo hasta los sofisticados apagadores (slackers) continuos. En el proceso discontinuo, el agua y la cal viva se agregan en cantidades necesarias para mantener la lechada a 90ºC. Cuando se utiliza cal viva reactiva debe tenerse cuidado para evitar sobrecalentamiento local que lleva a producir hidrato arenoso. Utilizando agua fría, esta técnica produce una suspensión viscosa con 35-40% de sólidos. El apagador tradicional tipo batea es cilíndrico e incorpora un agitador cruciforme del cual cuelgan cadenas pesas para agitar las partículas de cal que se depositan en la base del mismo. El agua y la cal se agregan progresivamente, manteniendo la temperatura entre 85-95ºC. El tanque también posee grifos de carga y drenaje para remover la grava.Los diseños más modernos consisten en cilindros horizontales agitados con remos. La cal viva (de más de 20 mm de tamaño) es alimentada al cilindro a una tasa controlada y el aguase agrega para mantener la temperatura en torno a 90ºC. La unidad es capaz de apagar 20toneladas en una hora y media. Puede contener también un lavador de gases para el control de material particulado y un sistema de remoción de grava. Existen varios diseños de apagadores continuos, los cuales producen lechada de cal o masilla de cal (dispersión espesa, 55-70% de sólidos). El apagado a 90ºC produce partículas finamente divididas de hidróxido de calcio requerido por la mayoría de los usuarios. Si la temperatura de apagado cae, por ejemplo a 70ºC, el resultado es un aumento en el tamaño de las partículas que reducen tanto la viscosidad como la velocidad de reacción. El envejecimiento de la cal apagada por 30 min generalmente asegura la hidratación completa. El envejecimiento por un día mejora las propiedades físicas tales como viscosidad y manipuleo. La mayoría de los apagadores son del tipo “detención” y consisten básicamente en un tanque agitado con un impulsor. Producen una lechada fluida de cal, y utilizan entre 3.5 y 4 partes en peso de agua por parte de cal viva de alto calcio. La cal viva es alimentada al apagador a una velocidad controlada y se adiciona agua para mantener la temperatura requerida (80-85ºC). El tanque le da un tiempo de residencia promedio al agua de 10 minutos. Las partículas de cal que se apagan lentamente son retenidas hasta que reaccionan o se eliminan como grava.

Usos o aplicaciones de la cal:

La cal es parte de nuestra vida cotidiana. Ella se encuentra directa o indirectamente en casi todo lo que nos rodea. Por sus múltiples usos es un importante actor en la generación de riqueza y por tanto, del confort, salud y bienestar de las personas.Tiene aplicaciones en la producción de alimentos, agua potable, ecología, construcción vial, construcción de viviendas y edificios, agroindustria, minería metálica no ferrosa, producción de acero y muchas más.La cal, sea ésta viva o hidratada, es reconocida en el mundo como el "químico versátil" debido a sus infinitas aplicaciones. Aunque tradicionalmente su uso ha estado asociado a la edificación y la agricultura, hoy, más del 90% de la cal producida en el mundo se utiliza como químico básico natural en la industria y ecología como:Aglomerante:

Ladrillos de silico-calcáreos Concretos celulares Mezclas de albañilería Productos de silicato de calcio Estucos Mezclas asfálticas Estabilización de suelos para carreteras.

Materia Prima

Abrasivos Almacenaje de alimentos Carbonato de calcio precipitado Concretos Insecticidas Blanqueadores sintéticos Colágenos Caucho Vidrio Cianamida de calcio Encalados agrícolas

Hidrolizador

Pulpa para telas Grasas lubricantes Químicos orgánicos Amoniaco

Absorbente Remoción de dióxido de azufre Proceso de sulfito de pulpa Conservación de frutas

Solvente Gelatinas Curtido de pieles Tintas a base de caseína Cartón

Neutralizador Tratamiento de agua potable Tratamiento de aguas residuales Ácido cítrico Aguas de minas Residuos de explosivos Residuos de uranio Fosfatos de calcio Residuos de colorantes Residuos de cromo Residuos de decantación de metales Residuos radioactivos Acidez de suelos agrícolas Producción de camarones y peces en estanques

Floculante Fabricación de azúcar Flotación de minerales Tratamiento de agua potable Tratamiento de aguas residuales Pigmentos de tintas

Fundente Producción de acero Manufactura de productos de acero Fundición de metales no ferrosos Producción de alúmina.

Lubricante

Perforaciones petroleras Trefilación de alambre

Caustificante Sosa cáustica Pulpa de sosa y sulfato Lavados alcalinos

Deshidratador

Alcoholes Productos de petróleo Solventes orgánicos Humedad confinada

Estabilización de suelos con calEl uso de cal para mejorar suelos con mayor plasticidad, aparte de conseguir ese fin, aumenta también su resistencia a la compresión sin confinar, produciendo una textura granular más abierta. La cantidad de cal es de un 2 a 8% en peso. Para que la cal reaccione convenientemente se necesita que el suelo tenga minerales arcillosos, o sea sílice y alúmina, y se pueda lograr la acción puzolánica, que aglomerará adecuadamente las partículas del suelo esto debe recordarlo el ingeniero de pavimentos. El suelo-cemento adquiere su resistencia rápidamente, ya que solo se necesita que el cemento se hidrate adecuadamente. En cambio el suelo-cal, necesita la reacción química de los iones calcio y los minerales arcillosos, que lentamente adquieren resistencia. En cambio el suelo-cal, necesita la reacción química de los iones calcio y los minerales arcillosos, que lentamente adquieren resistencia. Una capa sub-base para pavimento de concreto hecho de suelo cemento, permite iniciar la colocación de cimbras al rendir la como captación y empezar a colocar concreto a los dos días. Una ventaja del suelo cales que su periodo de curado puede iniciarse más tarde, en cambio, el suelo-cemento requiere curado inmediato. Por lo general, las arenas no reaccionan favorablemente con la cal y no pueden estabilizarse con ella. El éxito de la estabilización con cal, no solo para disminuir plasticidad, sino para adquirir resistencia, es el tipo de suelo o el tipo de mineral arcilloso que contenga. El criterio para diseñar en el laboratorio las mezclas, suelo-cal, depende del papel que vaya a desempeñar la cal: a) Modificador de plasticidad o humedad. b) Proporcionador de resistencia. Para

verificar si un suelo pierde plasticidad mezclándolo con cal, se determina su índice de plasticidad y su porcentaje de contracción lineal antes y después de agregar la cal. Cuando se desea adquirir resistencia, existe el problema de que no todos los suelo desarrollan rápido su resistencia con la cal, por lo que en Texas han establecido el criterio de que si una mezcla suelo cal se prueba a la compresión sin confinar inmediatamente después de compactarse, si se obtienen 7 kg/cm^2, la mezcla es adecuada. El procedimiento de construcción tiene las mismas fases que las del suelo cemento.

Conclusiones:

Material de consulta:

KROSCHWITZ, J.I. and HOWE-GRANT, M. [Eds.] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. 4th ed. New York (USA), John Wiley & Sons Inc., 1998.Volume 15.

Fuentes Electrónicas:

Proceso Productivo de la Cal. En línea. Fecha de consulta: 17 de abril de 2014. Disponible en: http://anfacal.org/pages/proceso-productivo-de-la-cal.php

Proceso Simplificado. En línea. Fecha de consulta: 17 de abril de 2014. Disponible en: http://calidra.com/proceso/produccion-de-la-cal/

La cal, tipos y procesos de obtención. En línea. Fecha de consulta: 17 de abril de 2014. Disponible en: http://www.quiminet.com/articulos/la-cal-tipos-y-proceso-de-obtencion-17648.htm

Proceso de Producción. En línea. Fecha de consulta: 17 de abril de 2014. Disponible en: http://www.actiweb.es/calgrijalva/pagina2.html

Usos o Aplicaciones de la Cal. En línea. Fecha de consulta: 21 de abril de 2014. Disponible en: http://www.finacal.com/cuerpo_aplicaciones.html

Estabilización de Suelos. En línea. Fecha de consulta: 21 de abril de 2014. Disponible en: http://www.ingenieracivil.com/2008/04/estabilizacin-de-suelos.html