Revista Latinoamericana el Ambiente y las Ciencias

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7(15): 34-46 2016

Análisis de las variables para la optimización del proceso para la fabricación de ladrillo refractario.

Analysis of the physical-chemical variables of the feed water of steam boiler.

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María Dolores Guevara Espinosa, 1Norma Cruz Miranda, 1Catalina Rivera Morales, 1Ma. Lourdes Saldaña Blanco, 1Ma. Emelia Zamora López, 1Fátima Tlapa Juárez.

1

Facultad de Ingeniería Química, BUAP, 18 Sur y Av. San Claudio, Col. Jardines de San Manuel, C.P. 72250 Puebla, Pue. México Tel. 01 (222) 2295500 ext. 7257 Fax: 7251 e-mail: [email protected]

RESUMEN. El propósito de este trabajo es el análisis de las variables para la optimización del proceso de la fabricación de ladrillo refractario, la información contenida resulta de suma importancia para profundizar en el tema y aplicar los resultados obtenidos en el proceso de elaboración de ladrillo refractario. Esta investigación abarca varias áreas de estudio tal es el caso de ingeniería de suelos, ingeniería química entre otras, el análisis del proceso se llevó a cabo en la zona de producción (San Pedro Cholula Puebla, México) y a nivel laboratorio , obteniendo resultados satisfactorios, mediante la realización de diversas pruebas físicas; El trabajo se divide en la siguiente forma, en primer lugar se presenta una breve recopilación bibliográfica acerca de conceptos generales de suelos, arcillas, y hornos. Posteriormente se describen las principales características fisicoquímicas de las arcillas y evaluación de las propiedades catalíticas de los materiales. En esta revisión bibliográfica se analizan la definición, sus clasificaciones, sus ventajas e inconvenientes. Además, se profundiza en la investigación realizada hasta la fecha para conocer y corregir los principales inconvenientes presentes en el proceso de fabricación. Posteriormente se presenta la metodología de ensayo empleada en la fase de análisis experimental de las arcillas refractarias, tanto en campo como a nivel laboratorio. Se incluyen las descripciones de los equipos desarrollados para esta investigación; así como las metodologías de ensayo y la caracterización de los materiales empleados y por último se presentan los resultados obtenidos que es el análisis de las variables que pueden influir para la optimización del proceso de la fabricación del ladrillo refractario.

Recibido: Marzo, 2016. Aprobado: Mayo, 2016 34

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ABSTRACT. The purpose of this work is the analysis of the variables to optimize the manufacturing process firebrick, the information is of utmost importance to deepen the topic and apply the results obtained in the process of making refractory brick. This research covers several areas of study such is the case of soil engineering, chemical engineering among others, process analysis was carried out in the production area (San Pedro Cholula Puebla, Mexico) and laboratory level, with satisfactory results, by conducting various physical tests; The work is divided as follows, first a brief bibliography on general concepts of soils, clays, and furnaces is presented. Subsequently describes the main physicochemical characteristics of the clays and evaluation of the catalytic properties of the materials. In this review the definition, their classifications, their advantages and disadvantages are analyzed. In addition, it delves into the research conducted to date to identify and correct the main drawbacks present in the manufacturing process. Later the testing methodology used is presented in the experimental phase analysis of refractory clays in the field and at laboratory level. Descriptions of equipment developed for this research include; and test methodologies and the characterization of the materials used and finally the results is the analysis of the variables that can influence the optimization process for manufacturing refractory brick are presented.

Palabras clave: Análisis de suelos, Arcillas. Ladrillo refractario

Key words: Clay, Refractory bricks, Soil analysis.

INTRODUCCIÓN.

El municipio de San Pedro Cholula se localiza en la parte del centro-este, del estado de Puebla. Colinda al Norte con los municipios de Juan C. Bonilla, Coronango y Cuautlancingo, al Sur con los municipios de San Gregorio Atzompa y San Andrés Cholula, al Este con la ciudad de Puebla, al Oeste con los municipios de San Jerónimo Tecuanipan y Calpan. Los recursos predominantes son minerales: El barro o arcilla, minas de arena, grava, grava roja, basalto. Características y uso del suelo: presenta gran diversidad edafológica; se identifican en su territorio cinco grupos de suelos:

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Feozem: Ocupan casi en su totalidad el territorio del municipio. Litosol: Se identifican en dos áreas reducidas, en el cerro Tecajete y al centro. Regozol: Se localizan en áreas del noroeste y noreste; presenta fase gravosa (fragmentos de roca o tepetate menor de 7.5 centímetros de diámetro en el suelo). Vertisol: Se localizan en un área reducida al sureste Cambisol: Se localizan en un área reducida al sureste; presentan fase gravosa.

Dentro de las actividades industriales más importantes del municipio están la fabricación de tabiques, ladrillos, tejas de arcilla y cerámica. Las personas dedicadas a este oficio viven realizando su actividad y practicando una forma de vida que se hereda de generación en generación. La producción de ladrillo refractario es básicamente a base de arcillas, las cuales están compuestas por un grupo de aluminosilicatos formados por la meteorización de rocas feldespáticas (descomposición del feldespato). Es por eso que la composición química de la corteza terrestre y de la mayoría de las arcillas es muy similar, incluyendo la arcilla de la región de Cholula. Aun así existen excepciones y varían en su contenido químico, mismo que determina las propiedades y consecuentemente produce efectos en la mezcla. Entre los principales defectos que presenta el ladrillo refractario se encuentran los siguientes: grietas, fracturas, porosidad, variación de color, se presentan principalmente en el proceso de secado y cocción, debido a la de falta de parámetros para la fabricación del mismo, es por ello que en este presente documento definimos algunos de los parámetros más importantes para contribuir a la mejora del proceso así como el producto. Para el desarrollo de esta investigación visitamos la zona ladrillera de san Pedro Cholula donde observamos que la mayoría de la población tiene un horno artesanal en su casa para la cocción del ladrillo, este horno es hecho a base del mismo ladrillo refractario, sus dimensiones y forma varía dependiendo del requerimiento de cada productor (lote). La materia prima como ya lo mencionamos anteriormente es básicamente arcilla de la misma localidad clasificada como: tierra amarilla o tepetate, arena y barro. Las propiedades de la materia prima (arcillas) dependen de la zona de extracción de los tres tipos de arcillas la que más variaciones presenta es la arena por el tamaño de grano y la presencia de mayor cantidad de silicatos que finalmente esto se refleja en los defectos que presenta el ladrillo refractario en las proceso de manufactura, por eso es importante estudiar y analizar las materias primas antes de introducirlas al proceso también determinar las cantidades de cada una de las materias primas en base a los lotes de producción.. Uno de los oficios más antiguos es el manejo de arcillas para la fabricación de diversas piezas cerámicas ya sea para uso práctico o meramente decorativo. Esquematizando la producción actual de ladrillo refractario es la siguiente:

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Extracción

Mezclado

Horneado

Enfriado

Moldeado

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Secado

Almacenamiento

Figura 1. Esquema de Producción; Fuente propia 2016

El mezclado se realiza con tres tipos diferentes de arcillas tierra amarilla (tepetate), arena y barro más agua, hasta alcanzar una mezcla homogénea y viscosa las cuales establece el ladrillero de acuerdo a su experiencia. La mezcla de arcillas es extendida en forma de anillo en una superficie lisa, en el centro se vierte agua, se deja reposar por un lapso de tiempo determinado por el oficial ladrillero hasta que las partículas de las arcillas absorban en su totalidad el agua vertida y se procede a mezclar con una pala hasta obtener una mezcla homogénea. La fase de moldeo se hace con unas rejillas de madera comúnmente conocidas como “gaveras” con las cuales moldean de 6 a 10 ladrillos. Las gaveras se colocan en una superficie lisa a la cual se le coloca una capa delgada de arena para evitar que la mezcla se adhiera, la mezcla se vacía en los huecos y se distribuye de manera uniforme, se le agrega una mínima cantidad de agua para darle presentación a la pieza posteriormente se retira la gavera dejando los ladrillos formados. Los ladrillos se dejan secar de 24 a 48 horas al medio ambiente, el tiempo también depende de las condiciones climáticas. Finalmente se trasladan al horno para su cocción en el cual permanece en promedio 24 horas hasta alcanzar las reacciones necesarias para pasar de una mezcla arcillosa a un ladrillo rojo, duro y semiporoso. En esta última fase hay esfuerzos resultantes de gradientes de temperatura, es decir; cuando un sólido se calienta ó enfría la distribución interna de la temperatura depende de su tamaño y forma, la conductividad térmica del material y la velocidad de cambio de Temperatura. Los esfuerzos térmicos se pueden establecer como resultado de gradientes de temperatura a través del cuerpo, los cuales son frecuentes causados por calentamiento rápido o enfriamiento rápido, la Temperatura cambia más rápidamente afuera que adentro del material. En este caso el material no es conductible por lo que aumenta la posibilidad de fractura frágil por estos esfuerzos dando lugar a la formación de grietas o a la propagación 37

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de la misma a través del material. La capacidad que presenta un material de soportar este tipo de falla se llama resistencia al choque térmico. Para un cuerpo que es enfriado rápidamente, la resistencia al choque térmico depende no solo de la magnitud del cambio de la temperatura sino también de las propiedades mecánicas y térmicas del material

METODOLOGÍA.

En primer lugar se contará con un método consistente para determinar el tamaño del grano. La medición más aceptada es la del número N del tamaño del grano, según la American Society for Testing and Materials (Nom. ASTM 652), que se define como: n=2N−1 En la que n es la cantidad de granos por pulgada cuadrada a un aumento de 〖100〗^x, es decir, la cantidad de granos por pulgada cuadrada, medida en una fotografía tomada con 〖100〗^x aumentos; El tamaño del grano N es, un índice de la finura de la estructura al aumentar N, la estructura se hace más fina.

Las arcillas son una asociación de minerales arcillosos (silicatos complejos hidratados de aluminio), de pequeño tamaño de partícula originada por la alteración hidrotermal de rocas ígneas (granitos, riolitas, dioritas, basaltos). Que, bajo condiciones propias de presión, temperatura, acidez, etc., desilicifican a minerales arcillosos sílice libre y alcalies que se lixivian según la conocida reacción: K 2 O. Al2 O3 . 6SiO2 Feldespato

H2 O → ∆. P

Al2 O3 . 2SiO2 . 2H2 O + 4SiO2 + 2KOH caolinita

sílice

potasa

La naturaleza de la roca y el proceso de alteración fijan las características de los minerales que se forman, definiendo su estructura y composición química. Así, rocas en condiciones ácidas producen minerales como caolinita mientras que medios básicos forman montmorrillonita o talco, se forman a temperaturas menores de 450°C y presiones elevadas. En su estado natural están compuestas de varios minerales arcillosos y de otros minerales como cuarzo, feldespatos, plagioclasas, piroxenas, rutilo, limonita y materia orgánica. Sus propiedades resultan de su origen, mineralogía y tratamientos posteriores a

38

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su formación que agregaron nuevos minerales, transformaron los ya existentes simplemente los alteraron mecánicamente.

o

Capacidad de absorción Algunas arcillas encuentran su principal campo de aplicación en el sector de los absorbentes ya que pueden absorber agua u otras moléculas en el espacio interlaminar (esmectitas) o en los canales estructurales (sepiolita y paligorskita). La capacidad de absorción está directamente relacionada con las características texturales (superficie específica y porosidad) y se puede hablar de dos tipos de procesos que difícilmente se dan de forma aislada: absorción (cuando se trata fundamentalmente de procesos físicos como la retención por capilaridad) y adsorción (cuando existe una interacción de tipo químico entre el adsorbente, en este caso la arcilla, y el líquido o gas adsorbido, denominado adsorbato). (Welty, 2000).

Plasticidad Las arcillas son eminentemente plásticas. El término se atribuye a la deformación de la capa de agua adsorbida alrededor de los minerales, desplazándose como sustancia viscosa a lo largo de la superficie interlaminar controlada por la atracción iónica. Esta propiedad se debe a que el agua forma una envuelta sobre las partículas laminares produciendo un efecto lubricante que facilita el deslizamiento de unas partículas sobre otras cuando se ejerce un esfuerzo sobre ellas. La elevada plasticidad de las arcillas es consecuencia, nuevamente, de su morfología laminar, tamaño de partícula extremadamente pequeño (elevada área superficial) y alta capacidad de hinchamiento. La plasticidad del suelo, depende del contenido de arcilla. Skempton (1953) expresó esta relación matemáticamente con la actividad A de la arcilla A=

IP % de arcilla

⇛ % de arcilla = % en peso Ws de particulas con f < 2𝜇

Stiction: es la cohesión c entre las pequeñas partículas de arcilla, responsable de su consistencia. Por sus formologia, la alta relación entre área y volumen de granos, y su proximidad, se generan fuerzas interpartículas que los ligan. Estas fuerzas eléctricas que explican la cohesión tipo stiction son varias: las fuerzas de Van der Waal, sumada a la acción de algunos cationes y a cargas asociadas al efecto borde-cara entre granos. Si un bloque de arcilla seca se pulveriza, desaparece la stiction: se requiere humedecer el polvo

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para que esta fuerza cohesiva al igual que la plasticidad reaparezcan (Smith M. L. Van Ness, 2003)

RESULTADOS Y DISCUSIÓN.

Tabla 1. Peso granulométrico # de malla

Arena (g/cm3)

Barro (g/cm3)

Tepetate (g/cm3)

20

0.439

0.754

0.525

80

1.723

1.557

1.662

100

0.394

0.355

0.362

120

0.301

0.259

0.293

Agregado fino

0.216

0.149

0.222

Como observamos en la tabla anterior nos muestra la variación existente entre los tres tipos de arcillas comúnmente utilizados en la región. El barro presenta partículas de tamaño superior a las de arena y tepetate. Contenido de humedad total, Procedimos a pesar nuestras muestras, posteriormente las introducimos a la mufla a una temperatura de 1000C donde permanecieron durante 7 hr., las retiramos y volvimos a pesar obteniendo los siguientes resultados:

Tabla 2 .Peso de las muestras secas Muestra

Peso seco ambiente "W" (g)

Peso seco en horno "D" (g)

# 1 Arena

10 g

9.753 g

# 2 Barro

10 g

9.840 g

# 3 Tepetate

10 g

9.864 g

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Tabla 3. Calculo del porcentaje de humedad Muestra #1

Muestra #2

Muestra #3

P = [ (W – D)/ D ]

P = [ (W – D)/ D ]

P = [ (W – D)/ D ]

W = 10 g

W = 10 g

W = 10 g

D = 9.753 g

D = 9.840 g

D = 9.864 g

P = [ (10 – 9.753) / 9.753 ] * 100

P = [ (10 – 9.840) / 9.840 ] * 100

P = [ (10 – 9.864) / 9.864 ] * 100

P=2.532% de humedad

P = 1.626 % de humedad

P = 1.378 % de humedad

En esta práctica se observó que las partículas las cuales estaban en un ambiente al aire libre, la humedad total es muy alta especialmente en la muestra de arena y aporta el 2.53 % de humedad total a la mezcla, en el caso de las dos muestras restantes es aproximadamente igual en ambas.

Módulo de finura Para el agregado de arena: Tamiz

Peso retenido (g)

% Retenido

% Retenido acumulado

% Filtrado

5

0

0

0

1

20

0.439

0.142

0.142

0.857

80

1.723

0.560

0.703

0.296

100"

0.394

0.128

0.831

0.168

120

0.301

0.097

0.929

0.070

Fondo

0.216

0.070

1

0

Total

3.073

1

-

0

Para el agregado de barro: Tamiz

Peso retenido (g)

% Retenido

% Retenido acumulado

% Filtrado

5

0

0

0

1

20

0.754

0.245

0.245

0.754

41

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80

1.557

0.506

0.751

0.248

100"

0.355

0.115

0.867

0.132

120

0.259

0.084

0.951

0.048

Fondo

0.149

0.048

1

0

Total

3.074

1

-

0

Para el agregado de tepetate: Tamiz

Peso retenido (g)

% Retenido

% Retenido acumulado

% Filtrado

5

0

0

0

1

20

0.525

0.171

0.171

0.828

80

1.662

0.542

0.713

0.286

100"

0.362

0.118

0.831

0.168

120

0.293

0.095

0.927

0.072

Fondo

0.222

0.072

1

0

Total

3.064

1

-

0

Después del proceso del moldeo y del secado obtuvimos unas contracciones del ladrillo, las medidas de los ladrillos en el molde fueron de doce centímetros de ancho, seis centímetros de alto, y veinticuatro centímetros de largo, luego del secado tenemos que:

Ladrillo Alto cm

Ancho cm

Largo cm

1

5.8

11.4

23.5

2

5.7

11.4

23.6

3

5.8

11.5

23.5

4

5.7

11.6

23.5

5

5.7

11.7

23.6

Teniendo los siguientes promedios: 5.74 cm de Alto; 12.52 cm de Ancho; 23.54 cm de largo. Teniendo en promedio una contracción de 0.2 cm de alto; 0.4cm de ancho; 0.46 cm de largo. Por lo tanto tenemos un cambio volumétrico. Una de las observaciones 42

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importantes que pudimos realizar fue que después del proceso de la cocción, así se sature de nuevo el ladrillo con agua, sus dimensiones no cambian considerablemente, observando que las propiedades mecánicas de la arcilla cambian con el proceso de la sinterización. Después de 14 días de haber sido moldeados los ladrillos los sometimos al proceso de cocción, ya que había liberado la mayoría de agua libre y tenían un cambio volumétrico despreciable con el paso del tiempo. Por haber tenido tanto tiempo en el proceso de secado, ya que normalmente es de dos a tres días, y por razones de tipo práctico, se cambió la curva de temperatura de cocción, reduciendo los tiempos de las temperaturas de 100 grados centígrados y 150 grados centígrados de 6 y 4 horas respectivamente a una hora cada una, y tratando de dejar las temperaturas de 400 grados y 750 grados centígrados lo más largas posibles (3.5 horas cada una), ya que en estas regiones se garantiza que no hay agua ligada y se eliminan las tensiones residuales producidas en el moldeo. La temperatura de techo no sé varia, ya que en esta parte se produce la sinterización de la sílice. La temperatura de techo fue de 1200 grados centígrados, la cual tuvo una duración de 24 horas. Después del proceso de cocción los ladrillos redujeron muy poco sus dimensiones, siendo despreciable. El ensayo a compresión que se realizó por medio de una máquina, la cual mide la fuerza que se le hace al ladrillo hasta su rotura, nos arroja los siguientes resultados: Ladrillo

Área (cm2)

Fuerza (Lb)

Esfuerzo (Kg/cm2)

1

1536.44

6500

113.84

2

1537.2

6600

106.46

Entonces el promedio de esfuerzo a compresión es de 115.84 Kg/cm2. En esta parte observamos que los ladrillos sometidos a un esfuerzo de compresión fallan en medio de las caras de los dos prismas triangulares que lo componen, lo que nos indica que el material es poco resistente a esfuerzos cortantes. También nos dimos cuenta que en este ensayo es necesario que el ladrillo no tenga deformaciones, para que de esta manera sea fácil medir su área, y el esfuerzo a compresión sea igual en todas las secciones del ladrillo. El ensayo de absorción nos arroja los siguientes resultados: Ladrillo

Peso seco (g)

Peso mojado (g)

Absorción

1

198

234.2

18.28%

2

192

228.6

19.06%

Por lo tanto el promedio de este porcentaje de absorción es de 18.67

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CONCLUSIONES.

Los resultados indican que la cantidad de arena en la arcilla es menor por lo que se trata de una arcilla plástica, la cual requiere el doble de agua para el amasado, provocando altas contracciones de humedad afectando el proceso de secado (eliminación de humedad libre). El hecho de tener un contenido adecuado de arena hace que el ladrillo cocido tenga un alto grado de porosidad, lo cual provoca altas absorciones al saturarse con agua, que fue lo obtenido. Esta falta de arena genera una sinterización baja, debido al bajo contenido de sílice, que es el fúndente de las partículas en la cocción. Esto genero bajas resistencias a compresión y flexión, quedando entonces el ladrillo de tipo III. Esta arcilla podrá dar mejores resultados si se hace el ensayo de Casa blanca, para hallar los límites de attemberg y bajar su punto de plasticidad, aumentando el contenido de arena, lo cual se da mejor manejabilidad a la arcilla sin adicionarle agua en exceso, siendo menores las contracciones. Para disminuir la absorción del ladrillo se puede hacer una vitrificación adicionándole cloruro de sodio disuelto en agua y derramándolo como fundente cuando el horno este caliente. Si el tiempo de secado hubiera sido menor que el que se tuvo, y se hubiera hecho la cocción del ladrillo con mayor humedad, se hubieran conseguido algunas grietas, debido a que la velocidad de secado de los ladrillos sería más grande, agrandando la velocidad de contracción. Entonces mientras más plástica sea la arcilla, necesitará menores velocidades de secado. En el laboratorio se observó que en el agregado fino y grueso los cuales estaban en un ambiente al aire libre, la humedad total es casi aproximadamente igual a todas las muestras tomadas. La humedad total de los agregados es relativamente baja, esto nos quiere decir que en los poros del agregado estaban parcialmente secos; aquí podemos deducir que el agregado nos aporta una mínima cantidad de agua a la mezcla. Se debe tener en cuenta que al hacer un proceso de cocción de un ladrillo, se le están cambiando las propiedades a la arcilla, teniendo que se debe manejar de forma diferente antes de la cocción y después de esta. Este cambio es debido a la sinterización. Pudimos apreciar este fenómeno por el cambio de dimensiones al saturarse con agua antes y después de la cocción. Los ladrillos que se ensayaron a compresión, se rompieron con un ángulo de cuarenta y cinco grados por medio de la unión de las dos caras de los prismas triangulares que 44

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componen el ladrillo, lo que nos indica que la arcilla tiene muy poca resistencia a la cortante. El proceso de la producción de un ladrillo se puede variar y conseguir resultados parecidos, esto lo pudimos observar al cambiar la curva de temperaturas, acortando algunos tiempos, debido al gran tiempo de secado

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