Leccion13.CEMENTOS.Prehomogeneizacion
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CEMENTOS. LECCION 13 .- LECHOS DE MEZCLA. ALMACENAMIENTO Y PREHOMOGENEIZACION. 1.- Introducción. La realización de la función ‘dosificación” permite obtener la composición química deseada para una cantidad de material dada. Sin embargo, en el conjunto global de esa cantidad de material la composición puede fluctuar de forma importante. Esa cantidad de material es, a menudo, considerable y la consecuencia derivada de ello es incompatible con las exigencias de regularidad, exigidas por la marcha del horno y la calidad del clínker. La regularización de las propiedades del material es, por tanto, necesaria. Ciertas operaciones indispensables por otras razones pueden realizar una cierta homogeneización tiro en cantera, trituración y molienda en circuito cerrado, almacenamiento en tolva. Sin embargo, nuevas operaciones de homogeneización son necesarias en la preparación del crudo, que pueden situarse en las siguientes localizaciones: - A nivel de almacenamiento del material triturado: PREHOMOGENEIZACION. - A nivel del material molido: HOMOGENEIZACION. El almacenamiento intermedio de las materias primas, una vez trituradas, sirve hoy día y cada vez más para su mezcla previa y su prehomogeneización. Sin embargo, en muy pocos casos sirve para lograr la homogeneización definitiva de las mismas. Cuando las fábricas de cemento tenían una capacidad de producción pequeña, el problema de la oscilación de la composición química de las materias primas, principalmente de la caliza (componente mayoritario), se solucionaba, en alguna medida, mediante la extracción selectiva de la cantera o canteras. Al aumentar la capacidad de producción la extracción selectiva de las canteras se mostró antieconómica y las fábricas de cemento se vieron obligadas a poner en marcha métodos de prehomogeneización de la caliza y eventualmente del componente arcilloso. Los componentes correctores, son casi siempre homogéneos y no requieren prehomogeneización. Por su parte los materiales de adición (escorias de horno alto, cenizas volantes, etc.) si suele ser ventajoso someterlas a prehomogeneización. Razones que justifican el almacenamiento intermedio de las materias primas son: 1.- Amplio desacoplamiento e independencia entre los trabajos de la cantera y los suministros de los proveedores y la marcha de la fábrica de cemento. Se favorecen las actividades de la cantera y de la planta, ya que no están interconectadas entre si. 2.- Puede evitarse el turno de noche en los trabajos de la cantera, mediante la instalación de maquinaria de mayor capacidad (arranque, carga y transporte y trituración primaria). 3.- Disminución del ruido y de las emisiones de polvo en el entorno de la cantera al trabajar esta menor tiempo. 4.- Se garantiza la alimentación continua de los hornos, cuya capacidad de producción es cada vez mayor. Suministro más regular de las materias primas. 5.- Mejor manipulación de los materiales pegajosos, que en el caso en que estos se almacenen en silos. 6.- Programar más adecuadamente la operación de las canteras. Así mismo, razones que justifican la prehomogeneización de las materias primas son: 1.- Mejor utilización de los yacimientos de materias primas no homogéneas. 2.- Posibilidad de premezclar los distintos componentes del crudo. 3.- Mayor uniformidad del crudo y, por tanto, una mayor regularidad en la calidad del clinker. Además esta comprobado que una alimentación estable en cantidad y calidad, es un factor determinante para ahorrar energía en el proceso de su cocción en el horno rotatorio. 4.- Se puede extraer selectivamente el material de la cantera. 2.- Teorías del lecho de mezcla. 2.1.- Forma de actuación de los lechos de mezcla. El principio fundamental de la prehomogeneización es el de constituir un montón o pila con el material, de un tamaño inferior a 30 – 50 mm, destinado a ser recogido de una manera diferente a la de su constitución. La homogeneización de los materiales en los lechos de mezcla se puede explicar de la forma siguiente: El sistema de apilamiento amontona en la dirección longitudinal de la pila las materias primas que llegan a ella, mediante un movimiento continuo de un extremo a otro de la misma, formando capas más o menos gruesas. De este modo el flujo de material se divide en cantidades de toneladas, cada una de las cuales corresponde a una capa. Las variaciones de composición química a largo plazo, las cuales dependen de cada sistema particular de trabajo o de cada cadencia de mezcla en la explotación de la cantera, se suprimen de este modo, ya que se superponen unas a otras de una forma secuencial irregular. La extracción del material de la pila se efectúa transversalmente a la dirección del apilamiento, en forma de rebanadas o lonjas de cantidad ΔQ, mediante la instalación de máquinas rascadoras que actúan lateralmente y de forma sucesiva desde la cima hasta la base de la pila, sobre un cierto espesor de material (Figura 2.1.1). Figura 2.1.1.- Máquina rascadora que actúa lateralmente. En el caso de extractores de acción frontal, la sección total de la pila es abarcada de una vez por el dispositivo de corte de la máquina, de tal manera que la cantidad de material así separada no se puede considerar realmente como una rebanada de la pila. Sin embargo, a los efectos presentes y posteriores hay que señalar que aquí se trata de rebanadas o lonjas muy delgadas de material extraído. Sobre esta base cabe hacer, respecto de la extracción del material de las pilas, las siguientes deducciones: Las rebanadas de material extraídas en dirección normal a la de formación de las capas están sujetas a nuevas oscilaciones de composición, dada la superposición de oscilaciones que se dan al entrar el material en la pila para formar dichas capas. Estas nuevas oscilaciones de composición pueden ser de dos clases: (a).- Oscilaciones dentro de cada rebanada de material (desviaciones a corto plazo). (b).- Oscilaciones entre valores medios de composición, correspondientes a las distintas rebanadas, cuando éstas se comparan entre sí (desviaciones a largo plazo). En función de la forma de extracción del material de la pila, las oscilaciones dentro de cada rebanada se pueden compensar más o menos, según el tipo de maquinaria empleado en la extracción. Las oscilaciones entre los valores medios de la composición de las rebanadas están predeterminadas por las cantidades y en número de capas N. En el caso de una correcta formación del lecho de mezcla se deben elegir las cantidades de material por cada capa, y el número de capas, de tal modo que las oscilaciones residuales entre las composiciones medias de las rebanadas queden reducidas a un mínimo. Se puede mejorar mucho el resultado de la mezcla —y teóricamente éste puede llegar a ser infinitamente bueno—aumentando el número N de capas al hacer el apilamiento del material, y utilizando dispositivos de extracción que permitan una homogeneización eficaz del mismo (Figura 2.1.2). De estas consideraciones se puede deducir que al ritmo de los trabajos en la cantera se le debe prestar la máxima atención. Si bien es cierto que la desviación standard de las oscilaciones de composición del material a su entrada en la pila no se puede alterar modificando el ciclo de trabajo, en cambio es posible reducir las oscilaciones de composición entre rebanadas extraídas, tanto más cuanto que la cantidad de material por cada capa depositada es mayor que la capacidad de carga de una o más máquinas cargadoras. El procedimiento operatorio en la cantera, esto es, la carga y el transporte de material de diferentes pilas cuantitativamente distintas, se puede correlacionar con su almacenamiento en lechos de mezcla, de tal manera que cantidades de material de características de calidad (composición) similares se apilen unas sobre otras en las mismas zonas del lecho de mezcla. Esto conduciría a un notable empeoramiento del efecto de mezcla, lo cual se puede evitar modificando el sistema operativo de carga y transporte del material en la cantera, de forma que tenga lugar conforme a una secuencia irregular, y de acuerdo con ella llegue el material al lecho de mezcla. Figura 2.1.2.- Oscilaciones de la composición del crudo homogeneizado a la salida del lecho de mezcla Como aclaraciones complementarias, las figuras 2.1.3 y 2.1.4 muestran dos modelos teóricos de lechos de mezcla. En ellas se representan las rebanadas de material y las distribuciones de frecuencias (curvas de distribución gaussiana) de las oscilaciones a la entrada y a la salida del material del lecho de mezcla. La figura 2.1.3 muestra la extracción de material de un lecho ideal. Las líneas continua y de trazos representan, respectivamente, las oscilaciones del material a la entrada y a la salida del lecho de mezcla. El apilamiento ideal del material en el lecho significa que la composición química de cada sección del mismo es igual a la composición media total: xi x Las oscilaciones remanentes del material a la salida del lecho sólo se dan dentro de cada rebanada del mismo, pero las oscilaciones entre las distintas rebanadas son nulas. Figura 2.1.3.-Distribución de frecuencias dentro de las rebanadas extraídas de un lecho de mezcla ideal. Figura 2.1.4.- Distribución real de frecuencias dentro de las rebanadas extraídas de un lecho (real) de mezcla En un lecho de mezcla real se dan, por el contrario, oscilaciones adicionales entre las rebanadas de material extraído, como indica la figura 2.1.4. Si bien las oscilaciones dentro de cada rebanada permanecen invariables, sus valores medios ya no son iguales al valor medio total de la composición química: xi x 2.2.- Dictamen sobre un lecho de mezcla. Para poder dictaminar acerca de la eficacia homogeneizadora de un lecho de mezcla hay que considerar los siguientes parámetros: Como valores estimados de la varianza estadística de las oscilaciones se toman: S2 = Varianza total de las oscilaciones de entrada S2 = Varianza total de las oscilaciones de salida SQ2 = Varianza de las oscilaciones de salida dentro de las rebanadas extraídas Sx2 = Varianza de las medias de las rebanadas. Otros parámetros que hay que tener en cuenta son: N = Número de capas del lecho = Cantidad de material por cada capa Q = Cantidad de material por cada rebanada extraída Las oscilaciones dentro de las rebanadas (SQ) son a corto plazo. Se pueden compensar más o menos bien al extraer el material del lecho de mezcla, según el tipo de maquinaria empleada para la extracción. Este hecho se puede apreciar claramente en la retirada de material mediante máquinas extractoras de acción lateral, que “cortan” sucesivas rebanadas de material. Las cantidades de éste correspondientes a cada rebanada presentan aún oscilaciones n o t a b l e s de composición, las cuales se transmiten a las etapas siguientes del proceso de fabricación. Con las máquinas extractoras de acción frontal las rebanadas de material son más delgadas y abarcan la totalidad de la sección del lecho de mezcla, con lo cual las oscilaciones residuales de composición son sustancialmente menores. La molienda del crudo no compensa, en general de forma apreciable, las oscilaciones de composición del mismo, por lo que éstas deben ser eliminadas mediante un sistema adicional de homogeneización del crudo. Si la extracción del material del lecho se lleva a cabo mediante máquinas extractoras de acción lateral, las cuales dan lugar a mayores oscilaciones de las composiciones del material extraído, entonces se precisan buenas instalaciones homogeneizadoras de crudo. En cambio, si la extracción se efectúa con máquinas de acción frontal, las cuales proporcionan un material extraído con oscilaciones de composición menores, en tal caso puede ser suficiente una instalación de homogeneización de crudo más sencilla. Si se toma cada rebanada de material como una unidad, las oscilaciones de composición dentro de cada una (SQ) pueden ser consideradas como despreciables, quedando sólo las oscilaciones entre las distintas rebanadas Sx , las cuales son de larga duración. Dado que los valores medios de la composición de estas rebanadas son distintos de la media total del lecho, estas oscilaciones no se pueden eliminar mediante una homogeneización del crudo, sino sólo mediante la adecuada dosificación de los componentes del mismo antes de su entrada en el molino. La eficacia de un lecho de mezcla se expresa a través del concepto de efecto homogeneizador (e). Este es la relación entre las desviaciones standard de los valores de la composición del crudo a la entrada y a la salida del lecho de mezcla, respectivamente, es decir: e S S Sin embargo, este criterio por sí solo no es suficientemente informativo. A él deben añadirse también los valores absolutos de las oscilaciones de la composición del material a la salida del lecho de mezcla. En los proyectos de nuevas instalaciones, estos valores determinan los requisitos exigibles a los dispositivos de dosificación que preceden a los molinos, o a los equipos de homogeneización del crudo. Con un sistema adecuado de lecho de mezcla se pueden conseguir buenos efectos de homogeneización, entendiéndose por tales una oscilación final de la composición química lo menor posible, aun con grandes oscilaciones del material a su entrada en el lecho. La eficacia de la mezcla y homogeneización de un lecho depende del método de apilamiento y de las características de la maquinaria de extracción. Mediante la elección del sistema de apilamiento del material en el lecho de mezcla, de la correspondiente fijación del número de capas de material apiladas y de la maquinaria para la extracción, es posible predeterminar la eficacia mezcladora y homogeneizadora de todo el material apilado en un lecho de mezcla. Las oscilaciones finales dependerán de las variaciones del material que se extrae del lecho. Dicho de otro modo: una vez fijadas las características constructivas y de marcha de un lecho de mezcla, según proyecto, su eficacia en cuanto a mezcla y homogeneización del material es constante. A grandes oscilaciones del material a su entrada en el lecho corresponderán también grandes oscilaciones del mismo a la salida. 2.3.- Estimación previa del efecto homogeneizador de un lecho de mezcla. El método descrito a continuación es de aplicación general y presupone que los valores de composición del material de las rebanadas individuales son estadísticamente independientes, y responden a una distribución normal N ( , ) . Cada rebanada se compone de una cantidad de material de cada una de las N capas (Figura 2.3.1), con una composición: x j ,i donde: j = Número de rebanada i = Número de capa Aparece entonces para la rebanada la variable estadistica: x j ,1 , x j ,2 ,............, x j ,i ,............, x j ,N y el valor medio de la composición de cada rebanada (estadístico media muestral) será: xj x j ,1 x j ,2 ............ x j ,i ............ x j ,N N cuya distribución se demuestra que es: N , N siempre y cuando la muestra de tamaño N se una muestra aleatoria simple, es decir los valores. x j ,1, x j ,2 ,............, x j ,i ,............, x j ,N sean independientes. Figura 2.3.1.- Composición de las rebanadas Entonces para la estimación de las oscilaciones de composición del material a la salida del lecho se utiliza la relación siguiente: Sx S N Teóricamente se pueden conseguir grandes efectos de mezcla si se elige un número N de capas suficientemente grande, es decir, cuando las capas depositadas en el lecho son muy delgadas. Sin embargo, la hipótesis de la independencia estadística de las capas no se cumple si el espesor de las mismas decrece en demasía, ya que las características de las capas adyacentes de material apiladas en el lecho, en cuanto a composición, tienden a ser correlativas. Este fenómeno es particularmente aparente en los puntos de retorno de la operación de apilamiento del material. Al final de cada pasada en un sentido y al comienzo de la pasada siguiente en sentido contrario del mecanismo apilador, éste deposita materiales de las mismas características, los cuales se superponen unos a otros. Con esto, la previsión de que el material se debe depositar en cantidades discretas Δτ sólo se cumple cada dos capas, es decir, solamente cada segunda capa contribuye a la homogeneización lograda por el lecho de mezcla. La figura 2.3.2 muestra la relación entre la desviación standard y el número de capas N (dado en la figura como z), para lechos de mezcla de uno y de varios componentes. Figura 2.3.2.- Efecto de mezcla en función del número de capas de material apiladas De la figura 2.3.2 se deduce que sólo se puede lograr una disminución valiosa de la desviación standard de la composición del material a la salida del lecho, si éste consta al menos de 50 capas. Por enci ma de 500 capas apenas se consigue un aumento apreciable de la mejora de la eficacia en la homogeneización. Tampoco compensa, a estos efectos, el esfuerzo técnico necesario para lograr dicha mejora, la cual no guarda ninguna relación con el coste correspondiente. En conjunto, se pueden extraer de todo ello las conclusiones siguientes: 1.- Las estimaciones previstas de acuerdo con el método señalado solamente concuerdan de modo aproximado con la realidad en el caso de grandes espesores de las capas de material apiladas. Al aumentar el número de capas, los resultados hallados para el efecto de mezcla y homogeneización tienden a desviarse de la realidad en sentido creciente. Esto ha sido confirmado por cálculos hechos a base de datos experimentales determinados con exactitud; 2.- Al utilizar la fórmula: Sx S N se recomienda dividir por dos el número de capas: 3.- No tiene sentido utilizar números de capas inferiores a 50 o superiores a 500. Intentos de previsión más exacta de la eficacia de la homogeneización de los lechos de mezcla fracasan en la mayoría de los casos porque: (a).- Las oscilaciones del material que entra en el lecho procedente de la cantera no se conocen, y en la mayor parte de los casos se sobreestiman; (b).- Los espesores de las capas apiladas no son constantes debido a variaciones de marcha y manejo de los equipos de apilamiento. (c).- En los lechos de mezcla se forman dos conos de material en los extremos, en los que las condiciones son distintas de las del resto del lecho, los cuales perjudican en gran medida la eficacia de la homogeneización, dependiendo del tamaño del material apilado. A pesar de todas sus insuficiencias, este método de predicción del efecto homogeneizador ha logrado introducirse, siendo utilizado por la mayoría de los suministradores de lechos de mezcla. Según Hasler, las experiencias llevadas cabo hasta la fecha han demostrado que con el conocimiento tecnológico actual de los lechos de mezcla se pueden conseguir los siguientes efectos de homogeneización e: (i).- e = 3-6 si se considera la totalidad de las oscilaciones (variaciones del material a la salida del lecho, de corta y larga duración), y (ii).- e = 6-15 si se dejan de considerar las oscilaciones de corta duración (es decir, si se dejan a un lado las oscilaciones dentro de cada rebanada de material retirado del lecho de mezcla). 3.- Métodos de prehomogeneización. Maquinaria. En la actualidad las fábricas de cemento nuevas, así como las viejas que se modernizan, se equipan con instalaciones para lechos de mezcla. Estos pueden ser de diversos tipos y pueden ir o no provistos de estaciones de toma de muestras. Los métodos de prehomogeneización se pueden dividir en 2 grupos, como se muestra en la tabla 3.1. Tabla 3.1.- Métodos de prehomogeneización. La prehomogeneización conjunta de las materias primas consiste en el amontonamiento sucesivo, en una misma pila, de las distintas materias primas que van a entrar en el crudo y en sus respectivas proporciones de mezcla. La dosificación de los componentes se realiza antes de llevarlos al lecho de mezcla y el control de entrada de los materiales se lleva a cabo mediante una estación de toma de muestras. La desigual granulometría de los distintos componentes puede dar lugar a fenómenos de segregación, que conducen a desviaciones de la composición química del crudo respecto a su valor correcto. La prehomogeneización individual de los componentes (Lechos de mezcla de un solo componente) es el método más empleado en la industria del cemento. El control del apilamiento se realiza mediante una estación o punto de toma de muestras. Los componentes previamente prehomogeneizados a continuación se aportan al proceso de molienda en las proporciones adecuadas para conseguir la composición química deseada del crudo, mediante recipientes alimentadores o basculas dosificadoras. El análisis químico del material que sale de los molinos proporciona la información necesaria para hacer las posibles correcciones. También en este caso se necesita una maquinaria completa y costosa, tanto para el apilamiento como para la retirada, a fin de conseguir una buena mezcla. Para la formación de los lechos de mezcla el tamaño máximo del material a apilar no ha de ser superior a 25 - 30 mm. La eficacia del apilamiento viene determinada por el tipo de material y la forma de apilarlo y extraerlo. La formación de lechos de mezcla puede ser: 1.- LONGITUDINAL (A lo largo de un eje longitudinal). 2.- CIRCULAR. Por su parte la recogida, que ha de ser diferente al modo de constitución del montón, puede ser: 1.- TRANSVERSAL 2.- LATERAL. Los apilamientos circulares tienen unos costes de inversión de un 30 - 40 % más elevados que los longitudinales, para la misma capacidad. Solo se recurre a ellos cuando no se dispone de espacio suficiente para la formación de un apilamiento longitudinal. Los métodos de apilamiento longitudinales más utilizados son los siguientes: 1.- Formación de pilas piramidales (Método Chevrón o de “los cabrios”). 2.- Método de las hileras superpuestas (Método Windrow). 3.- Formación de capas horizontales. 4.- Formación de estratos inclinados (Método de los estratos). 5.- Método de las pilas cónicas. El método Chevrón o de “los cabrios” (Figura 3.1) es la forma más usual de apilamiento longitudinal. El material se va depositando a lo largo del vértice longitudinal de una pila piramidal, formando capas individuales que se depositan unas sobre otras en forma de pares o “cabrios” de techumbres. Todas las capas contienen la misma cantidad de material (el espesor de la capa va disminuyendo) , la cual depende del caudal del dispositivo de descarga, así como de la velocidad con que recorre la pila. (kg) = L(m)ql(kg/m)= de donde: por otra parte: qm L v (3.1) (kg) = L(m)A(m )e(m) (kg/m3) comparando (3.1) y 3.2) se deduce: e= L(m)qm (kg / s) v(m / s ) qm vA (3.2) (3.3) de donde se deduce que el espesor de la capa aumenta con el caudal másico y disminuye con la velocidad lineal de la máquina de apilar. Además el valor de A va aumentando en las sucesivas capas, lo que hace que disminuya el espesor para qm y v constantes. El problema que tiene este tipo de apilamiento es que el material al ser descargado sobre el vértice de la pila, resbala y rueda a lo largo de sus costados pudiendo dar lugar a fenómenos de segregación por tamaños, que pueden ser más o menos importantes según sean las características del material y según sea de amplia su distribución granulométrica. Así los trozos de mayor tamaño tienden a acumularse en la parte inferior de la pila (Segregación granulométrica importante en la deposición del material). La eficacia homogeneizadora del lecho dependerá de si el dispositivo de retirada es capaz de recoger bien la parte baja de la pila. Este método de apilamiento es sencillo, ya que como solo se utiliza un punto de descarga (Vértice de la pila) la maquinaria necesaria es relativamente sencilla. Los dispositivos pueden ser: 1.-Cinta transportadora elevada con dispositivo para descarga (Figura 3.2.a). 2.-Apiladora con alargadera de descarga fija (Figura 3.2.b). 3.-Apiladora con alargadera de descarga móvil, que limita la altura de caída (Figura 3.2.c), lo que origina una menor generación de polvo durante el apilamiento. En contrapartida la máquina de apilar es más costosa. Este método de apilamiento combinado con la extracción mediante máquina de acción frontal, lo que es obligatorio, puede considerarse como el más adecuado, ya que los gastos en concepto de maquinaria son mínimos. Figura 3.1.- Estructura a dos aguas de un lecho de mezcla (Método Chevrón o de “los cabrios”). Figura 3.2.- Máquinas de apilar utilizadas en el método Chevron. En el método de las hileras superpuestas (Método Windrow) el material se deposita en hileras longitudinales y paralelas, unas al lado de las otras y superponiéndose (Figura 3.3.a). Con este método se pretenden minimizar los fenómenos de segregación que traen consigo la concentración de los tamaños gruesos en la base del apilamiento. Al extender cada una de las hileras es posible que se produzca una cierta segregación, pero esta queda limitada cada hilera y se produce a distintos niveles. Figura 3.3.- Métodos de prehomogeneización: (a).- Hileras superpuestas (Método de WINDROW) (b).- CORDON, La segregación se puede reducir al mínimo si se eligen adecuadamente la altura de las hileras y/o el espaciado lateral entre las mismas. Cuanto mayor sea el número de hileras, menores serán los fenómenos de segregación y más favorable será la distribución granulométrica de las partículas del material apilado (Menor es la diferencia granulométrica que presenta la pila en sus distintas alturas). Este método apenas se emplea en la práctica en su forma más pura, y lo que se suele utilizar es una combinación de este método y del de “los cabrios” (Figura 3.4), dando lugar al método denominado de prehomogeneización en CORDON, con el que se consigue casi un apilamiento en capas horizontales. Figura 3.4.- Método de prehomogeneización en CORDON, En el método de las hileras superpuestas y en la prehomogeneización en CORDON son necesarios varios puntos distintos de descarga del material, por lo que la formación de la pila requiere una maquinaria de descarga más sofisticada con dispositivos mecánicos más complicados y, por tanto, más cara. Hay que valorar si la eficacia alcanzada justifica la complicación suplementaria del sistema de apilamiento. Los dispositivos pueden ser: 1 .-Apiladora con alargadera de descarga fija y cinta telescópica (Figura 3.5.a). Se presenta el inconveniente de que el material, al principio, cae desde una gran altura. 2.-Apiladora con alargadera de descarga móvil, elevable e inclinable, y cinta telescópica. Se limita la altura de caída (Figura 3.5.b). 3.-Apiladora con alargadera de descarga móvil, elevable, inclinable y giratoria. Puede formar pilas paralelas a un lado y al otro de la apiladora (Figura 3.5.c). La máquina apiladora esta instalada entre las dos pilas. También se puede utilizar una cinta transportadora central (principal) con las adecuadas cintas transversales. Las cintas transportadoras, con respecto a las máquinas apiladoras, presentan las siguientes ventajas: 1.-Menor inversión. 2.-Ocupan un espacio más pequeño (En el caso de lechos de mezcla cubiertos los hangares necesitan anchuras y luces más pequeñas). y los siguientes inconvenientes: 1.-Gran altura de caída del material al principio, con lo que hay una gran formación de polvo, sobre todo en materiales muy secos. En estos métodos la recogida del material tiene que ser mediante maquinaria de acción frontal. Figura 3.5.- Máquinas de apilar dotadas de alargaderas En el método de las capas horizontales el material se dispone en capas horizontales que se van superponiendo y cuyo espesor va aumentando según se va formando la pila (Figura 3.6), ya que: e qm vA y en este caso para qm y v constantes, el valor de A (anchura sobre la que se va depositando el material) va disminuyendo. Con este método se pueden apilar, en capas de distinto espesor, materiales con distinto ángulo de reposo y con una distribución granulométrica amplia, sin que se produzcan fenómenos de segregación apreciables. Este tipo de apilamiento puede realizarse mediante el avance progresivo de un puente - grúa unido a un movimiento continuo de sacudida de una cinta transportadora o mediante una cinta transportadora cuyo punto de descarga hace un recorrido en forma de meandros. Figura 3.5.- Método de prehomogeneización de las CAPAS HORIZONTALES: En el método de los estratos inclinados el material se deposita formando capas superpuestas pero inclinadas (Figura 3.6). El ángulo aproximado que forman con el suelo es de 32-38 º. Como puede verse en la figura este método tiene el mismo inconveniente que el de los cabrios y en la parte inferior de la pila se acumulan los tamaños gruesos del material. Figura 3.6.- Método de prehomogeneización de los ESTRATOS INCLINADOS. En el método de las pilas cónicas, el material se deposita en una serie de montones cónicos, unos al lado de los otros (Figura 3.7.a). Tan pronto como se alcanza la altura deseada del cono se desplaza el dispositivo de descarga a otra posición para formar un nuevo montón. Se diferencia, pues, de los métodos de apilamiento descritos anteriormente en que el sistema de descarga del material no se mueve de forma continua de un extremo a otro de la pila. Cabe distinguir la descarga continua y la alternativa. (Figura 3.7.b). Figura 3.7.- Métodos de las PILAS CONICAS: (a).- Apilamiento continuo. (b).- Apilamiento alternativo La eficacia de la mezcla conseguida con este método es menor, que la de los métodos anteriormente descritos, con el inconveniente adicional de que en la base de los montones cónicos, y por tanto de la pila, se acumulan los tamaños gruesos del material. En este método actúa como dispositivo de descarga una cinta transportadora móvil a lo largo del apilamiento y por encima del mismo o una cinta móvil lateralmente y provista de un vertedero fijo. La retirada del material solo se puede efectuar mediante un dispositivo de recogida lateral, por cualquiera de los dos lados. En los apilamientos circulares el lecho de mezcla es en forma de anillo y la sección del apilamiento puede ser triangular o trapezoidal. En esta forma de apilar se evitan los problemas creados por los conos extremos que se forman en los apilamientos longitudinales. Los métodos que más se utilizan son: 1.-Formación de pilas piramidales (Método Chevrón o de los cabrios”). 2.-Método de las hileras superpuestas(Método Windrow). 3.-Formación de capas horizontales. 4.-Método combinado “CHEVCON’. El método de las hileras (Figura 3.8) puede ser desventajoso en cuanto a la eficacia homogeneizadora del material, debido a que las hileras exteriores son de mayor diámetro que las interiores. Los anillos exteriores contienen más material que los interiores. La recogida del material tiene que ser frontal. (a).-Apilador de torre giratoria con cinta elevable e inclinable y con alargadera telescópica. (b).- Torre giratoria con conducción y apoyo exterior sobre carril, provista de cinta aportadora desplazable. Figura 3.8.- Lecho de mezcla circular utilizando el método de las hileras El método combinado CHEVCON (Figuras 3.9) . También conocido con el nombre de apilamiento sin fin, es una combinación del método de las pilas piramidales (Chevrón) y del de las pilas cónicas. Solo es apropiado para lechos de mezcla circulares. El apilamiento del material tiene lugar según el método de las pilas piramidales ( de “los cabrios”) pero la longitud L del recorrido del sistema de descarga del material varia ΔL en cada pasada del dispositivo de descarga en uno y otro sentido de la dirección de descarga. El numero de capas (n+k) que puede abarcar el sistema de recogida es aproximadamente un 30 % mayor (figura 3.10), que en el caso del método de las pilas piramidales (n), en el cual la pendiente de los flancos del lecho es la correspondiente al ángulo de reposo del material. Como consecuencia de que se pueden conseguir longitudes de capas mayores en un 30 %, se puede lograr también compensar las oscilaciones de composición a largo plazo y tener así un mayor grado de homogeneidad. La cinta transportadora puede apilar el material, incluso en las proximidades del dispositivo de extracción, con lo que se puede aprovechar en todo momento toda la capacidad del lecho de mezcla. Y como el apilamiento tiene lugar de forma continua, se puede hablar en este caso de un lecho sin fin. Figura 3.9.- Método de prehomogeneización CHEVCON o del apilamiento sin fin. Figura 3.10.- Método “CHEVCON” de apilamiento. 4.- Recogida de los materiales de la pila. Maquinaria. La recogida del material del lecho de mezcla puede ser: 1.-FRONTAL (Perpendicularmente al eje del apilamiento). 2.-LATERAL (Paralelamente al eje del apilamiento). En la mayoría de los casos la recogida es frontal por rebanadas. Las máquinas de retirada del material del apilamiento van provistas de dispositivos de recogida del material, que solo pueden cargarlo de la base del lecho. Mediante otros dispositivos que actúan sobre el talud, se rasca toda la superficie de la sección a recoger para desprender de ella el material. Se forma así en la base de la pila una mezcla de material que abarca todas las capas o sucesivas deposiciones del lecho de mezcla. El que así suceda, es decir, el que el material desprendido corresponda a toda la sección de la pila, es condición indispensable para obtener una buena mezcla y homogeneización. Los dispositivos para arrastrar y desprender el material del talud del lecho de mezcla, que se utilizan, generalmente son los siguientes: 1.-Gradas o rastrillos (Figura 4.1.a). 2.-Escarificador de acción por cable (Figura 4.1.b). 3.-Cadena escarificadora o rascador (Figura 4.1.c). Figura 3.1.- Dispositivos pare arrastrar y desprender el material del talud frontal de la pila Los rastrillos o gradas (Figura 4.2) son de forma triangular, su inclinación se puede ajustar a la del ángulo de reposo del material en el talud de la pila y van provistos de dientes recambiables. El material se desprende por un movimiento de vaivén del rastrillo, que va rascando el material sobre el talud. Figura 4.2- Dispositivos desprender el material tipo rastrillo El escarificador accionado por cables consta de dos cables que en la parte superior están guiados por unas poleas fijadas a un bastidor que esta próximo al vértice del apilamiento y que en la parte inferior están sujetos a un carretón corredera con desplazamiento de vaivén sobre un puente que soporta todo el sistema. Al desplazarse el carretón sobre el puente en uno y otro sentido, los cables ejecutan sobre el talud de la pila un movimiento parecido al de los limpiaparabrisas de un coche, con lo cual se desprende el material de toda la sección frontal. En el caso de materiales de desprendimiento difícil, los dos cables se pueden unir transversalmente mediante piezas provistas de dientes, con lo cual se aumenta de forma sustancial la eficacia del desprendimiento y se reduce el desgaste de los cables. Las cadenas escarificadoras o rascadores consisten en un brazo dotado de una cadena sin fin, que esta provista de piezas rascadoras. El brazo tiene posibilidad de movimiento de descenso, elevación y giro. Con su movimiento de vaivén van barriendo toda la superficie del talud, rascándola y obligando al material a desplazarse a la base de la pila donde la recibe una cinta transportadora. Este tipo de dispositivo es especialmente adecuado para materiales de difícil desprendimiento. Por otro lado las máquinas de recogida del material que se suelen utilizar son las siguientes . 1.-Escarificadores o rascadores. 2.-Rueda de cangilones: Montada sobre puente o al final de un brazo. 3.-Máquina extractora de tambor. Las máquinas de recogida escarificadoras o rascadoras (Figura 4.3), montadas sobre puente, llevan una cadena escarificadora horizontal montada en el soporte de un puente, cuyas hojas o palas arrastran el material hacia una cinta transportadora colectora instalada lateralmente a lo largo del lecho de mezcla. Como dispositivo para desprender el material pueden llevar una cadena escarificadora o uno de grada o rastrillo. Ventajas: 1.-La eficacia homogeneizadora es buena, ya que se extraen rebanadas delgadas de material de toda la sección de la pila o montón. 2.-El rendimiento de la máquina es constante y el manejo del material con la misma es fácil de regular. 3.-La máquina requiere sólo un pequeño espacio de la planta del hangar. 4.-La dirección de extracción del material se puede invertir fácilmente. Inconvenientes: 1 .-El rendimiento o ritmo de extracción del material tiene un límite superior. 2.-En el lado de la pila en que se mueve la cinta colectora se necesita un rebaje o escalón , al cual no puede caer material durante el vertido de éste en el lecho, lo cual prácticamente supone una pérdida de espacio útil para el apilamiento. Figura 4.3.- Escarificador montado sobre puente, con dispositivo arrancador de rastrillo acoplado Máquinas extractoras de ruedas de cangilones montadas sobre un puente (Figura 4.4). Consiste en una o más ruedas de cangilones, con un sistema de desprendimiento del material. La máquina tiene la posibilidad de movimiento tanto transversal (rectilíneo o giratorio) a lo largo del puente, como longitudinal. Así mismo la rueda gira alrededor de su punto de apoyo y los cangilones van tomando el material desprendido por elemento rascador y que va hacia la parte inferior de la pila y descargándolo en una cinta transportadora situada en el puente. Se puede variar la velocidad transversal de la rueda, así como su velocidad de giro. Ventajas: 1 .-Buen efecto de homogeneización; las oscilaciones que se producen a causa de que en el movimiento de vaivén de la rueda de palas no se toma en todo momento material correspondiente a toda la sección de la pila, son de corta duración y pueden ser compensadas sin dificultad en las etapas siguientes de proceso de preparación del crudo. 2.- El rendimiento es prácticamente ilimitado. Para obtener rendimientos mayores se pueden montar dos o más ruedas de palas en el mismo puente. 3.-El transporte lateral del material extraído, hasta la cinta colectora instalada a lo largo de la pila, se lleva a cabo mediante otra cinta montada sobre el puente. Este sistema permite ahorrar energía, si se compara con la solución a base de extractores de rastrillo montados sobre puente, y además permite cerrar el apilamiento lateralmente y en sentido longitudinal mediante la construcción de un murete, con lo cual no hay peligro de sobrecargar la pila, y el espacio ocupado se reduce a un mínimo. Inconvenientes: 1.- EI rendimiento en cuanto a material movido en cada ida y vuelta de la rueda de cangilones no es constante. Esto puede compensarse utilizando tres velocidades distintas para el movimiento de traslación en vaivén de la rueda de cangilones. Sin embargo, ello lleva consigo una mayor necesidad de dispositivos de mando, regulación y control. 2.- La anchura o luz del espacio necesario es mayor que en el caso de los sistemas extractores de tipo puente. 3.- Al invertir la dirección de extracción es preciso dar la vuelta a los cangilones de la rueda. Figura 4.4.- Extractor de rueda de palas montado sobre puente Máquinas extractoras de ruedas de cangilones provistas de alargaderas con peine o rastrillo (Figura 4.5) Estas máquinas actúan rascando la superficie frontal de la pila mediante el movimiento giratorio y de vaivén del peine o rastrillo de la alargadera, en cuyo extrema va situada la rueda de cangilones. De este modo la superficie de la pila sobre la que actúa el rastrillo es ligeramente curva. Por lo demás, la acción de estas máquinas es semejante a la de las extractoras de ruedas de cangilones montadas sobre puentes. Figura 4.5.- Máquina extractora de rueda de cangilones montada al final de un brazo. Ventajas: 1.- Las mismas ya citadas para el caso de las máquinas extractoras de ruedas de cangilones montadas sobre puentes. 2.- Los carriles de la máquina quedan dentro del ancho de la pila (y cubiertos por ella), con lo cual se consigue un ahorro adicional de espacio. Inconvenientes: 1.- Los mismos ya citados para el caso de las máquinas extractoras de ruedas de cangilones montadas sobre puentes. 2.- El giro de la máquina dentro de un hangar necesita mucho espacio. Las máquinas extractoras de tambor (Figura 4.6) toman el material desprendido del talud por el elemento rascador por medio de unas palas sujetas a un cilindro o tambor giratorio y, a continuación, lo vierten en una cinta transportadora que se mueve en el interior del tambor. Estas máquinas se caracterizan por su buena eficacia de recogida y mezcladora, ya que actúan en todo momento sobre todo el ancho de la pila. Sin embargo, su construcción es muy costosa y solo son económicas cuando se tengan que tratar grandes cantidades de material, por encima de 2000 t/h. Figura 4.6.- Máquina extractora de tambor. 5.- Disposición de los lechos de mezcla. Al tratar de elegir un sistema de lecho de mezcla y su disposición se han de considerar los siguientes aspectos: 1.- El espacio de que se dispone para instalar el lecho. 2.- La posibilidad de ampliación futura, tanto del lecho como de la disposición adoptada para el mismo. 3.- La capacidad portante del terreno. Según la disposición del material en su conjunto los lechos de mezcla pueden ser (Figura 5.1): -LONGITUDINALES : EN PARALELO o EN LINEA -CIRCULARES. También hay apilamientos realizados en depósitos construidos al nivel o bajo el nivel del suelo, que reciben el nombre de FOSOS DE HOMEGENEIZACION (Figuras 5.2). Así mismo los lechos pueden ser al aire libre o bajo cubierto mediante hangares. (c) Apilamiento circular Figura 5.1.- Disposición de los lechos de mezcla : (a).- Longitudinales en paralelo (b).- Longitudinales en línea (c).- CIrcular La capacidad de los lechos de mezcla debe de ser, aproximadamente, la correspondiente a la cantidad de material necesario para el suministro de la fábrica durante 7-10 días. Cada montón puede contener de 5000 a 12000 tm. de material. En este último caso la dimensiones del montón, aproximadamente, serán : Longitud (Incluidos los semiconos): 90 m. , Altura: 11 m. , Anchura: 25 m. En el caso de explotación discontinua de un lecho de mezcla longitudinal son precisos dos apilamientos, uno para apilar y otro para recoger, que se pueden disponer en paralelo o en línea. En los lechos longitudinales también se puede trabajar de forma simultánea como puede verse en la figuras 4.4 y 5.3. En el caso de lechos de mezcla circulares se puede llevar a cabo de forma simultánea el apilamiento y la extracción del material de una misma pila, de tal manera que mientras se apila en una parte del lecho, se extrae de la otra. Para la explotación de lechos de mezcla circulares el método más adecuado es el CHEVCON, ya que con él se dispone casi siempre de toda la capacidad del lecho, mediante un ciclo prácticamente infinito de operaciones de apilamiento y extracción del material. En el caso de los fosos de homogeneización, también se suele trabajar de forma simultánea, de modo que mientras se extrae material de un extremo del foso, se apila nuevo material en el otro extremo. Figura 5.2.- Fosos de prehomogeneización. Los lechos de mezcla longitudinales en paralelo (Figura 5.3) tienen tas siguientes ventajas: Figura 5.3.- Lecho de mezcla longitudinal en paralelo. Apilamiento y demolición simultánea de un lecho de mezcla 1.- La relación entre su longitud y su anchura es más proporcionada. 2.- Fácil acoplamiento dentro del esquema o plano de una fábrica. 3.- Posibilidad discrecional de aumentar su capacidad de almacenamiento. y las siguientes desventajas: 1.- La máquina extractora ha de poder trasladarse de una pila a otra (Es necesario un transbordador). 2.- Necesidad de disponer para la descarga bien sea de un mecanismo apilador giratorio o bien con dos brazos distintos (Iría entre las dos pilas). 3.-Gran número de cintas transportadoras y de puntos de transferencia de material. 4.- Grandes luces de cubierta de los hangares, en el caso de pilas cubiertas. 5.- Necesidad de disponer de espacio adicional para poder trasladar las máquinas. 6.- Problemas de conos de material en los extremos de las pilas. Por su parte los lechos longitudinales en línea tienen las siguientes ventajas: 1.- No tienen traslado de máquinas. 2.- No precisan de máquinas apiladoras con mecanismos giratorios. 3.- Solo necesitan dos cintas transportadoras. 4.-Pequeñas luces de cubierta de los hangares, en el caso de pilas cubiertas. 5.-Posibilidad de aumentar la capacidad de almacenamiento. y los siguientes inconvenientes: 1.- Necesidad de hangares largos en el caso de apilamientos cubiertos. 2.- Problemas de conos de material en los extremos de las pilas. 3.- Gran relación entre su longitud y su anchura, lo que hace que sean difíciles de acoplar dentro del esquema o proyecto de una fábrica. En los lechos de mezcla circulares se puede llevar a cabo de forma simultánea el apilamiento y la extracción, ya que mientras se apila en una parte del lecho, se extrae del otro. En este tipo de disposición del material es muy adecuado el método Chevcon. Los lechos de mezcla circulares presentan las siguientes ventajas: 1.- Cintas transportadoras muy cortas. 2.- Construcción sencilla de un hangar. (Una columna central puede servir como puntal portante). 3.- Ausencia de problemas de conos finales de material. 4.- Facilidad relativa de mantener constante el ritmo de extracción del material. 5.- La superficie en planta es, aproximadamente, un 40 % mas pequeña que en el caso de los apilamientos longitudinales. 6.- No hay necesidad de trasladar las máquinas para la extracción. y los siguientes inconvenientes: 1.- Los almacenamientos circulares son a veces difíciles de acoplar en el plano del proyecto de una fabrica de cemento. 2.- Los materiales pegajosos pueden entorpecer la caída en la columna central del apilamiento. 3.- Los agujeros para el picado, a fin de evitar el bloqueo de la calda del material , son de acceso relativamente difícil. 4.- La ampliación de la capacidad de almacenamiento solo es posible mediante la construcción de otra pila circular. En los fosos de homogeneización las operaciones de apilamiento y extracción del material también se suelen llevar en secuencia simultánea, de modo que mientras se extrae el material de un extremo del foso se apila el material por el otro extremo. Los fosos de homogeneización pueden ser bajo el suelo o bien depósitos construidos sobre el suelo. Los fosos de homogeneización presentan las siguientes ventajas: 1.- Muy buena utilización del espacio. 2.- Ausencia de problemas de conos finales de material. 3.- Fácil construcción de cubiertas ligeras sobre ellos. 4.- Muy buen efecto de mezcla y homogeneización. y los siguientes inconvenientes: 1.-Construcción cara. 2.-Maquinaria cara. 3.-Formación de gran cantidad de polvo como consecuencia de la calda del material desde gran altura. 6.-Problemas con los semiconos finales de material en los extremos de la pila. Los conos (Semiconos) de los extremos de las pilas presentan los siguientes inconvenientes: 1.- Es difícil mantener constante el caudal de extracción del material, ya que la sección de recogida varia continuamente de unas rebanadas a otras. 2.- En cada rebanada no se recoge material de todas las capas, luego la composición de las rebanadas es diferente de unas a otras. 3.- La segregación no ocurre solamente en las partes laterales de la pila, sino También en los semiconos, de tal manera que al empezar la recogida y al terminarla el efecto de mezcla es deficiente, pues se recoge mayoritariamente material grueso. Para minimizar dichos inconvenientes se han propuesto diversos métodos: 1.-El volumen relativo de los semiconos con respecto al volumen total se puede reducir al aumentar la relación R = L arg o L = , ya que: Ancho A Vr = VSEMICONOS = VTOTAL L 6 A así se tiene: 2.- No recogiendo el material de los semiconos o recogiéndolos parcialmente (Volumen muerto). Esto implica una cierta pérdida de capacidad de almacenamiento del lecho de mezcla. 3.- Trasvase de los semiconos a otro lecho de mezcla. Esto es costoso y sólo se justifica en casos especiales. 4.- Escalonando el material en los puntos de inversión de marcha de la máquina apiladora (Extremos), con lo cual se puede reducir la segregación del material. 5.-Utilizando un lecho de mezcla circular y, muy especialmente, si se adopta el método de apilamiento “Chevcon”.
