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Horno RotativoEntender las etapas de la formación del clinker dentro del horno es fundamental para la especificación de los refractarios adecuados a cada zona del horno. El horno rotativo es un reactor químico, en el cual el proceso de sinterización de la mezcla de calcáreo, arcilla y otros fundentes resultan en clinker, la materia prima básica del cemento Portland.

Perfil térmico y subdivisiones del hornoEl perfil térmico del horno varía lo largo de su extensión, dependiendo de la temperatura y de las reacciones químicas involucradas durante el proceso (vea en la Tabla 1).

Un horno puede ser subdividido en diversas zonas o regiones, que están expuestas no solo a desgastes térmicos y químicos, sino también a esfuerzos mecánicos. La influencia de uno o más de estos factores, en mayor o menor proporción, determina el tipo de revestimiento refractario requerido para cada zona:

• Zona de descarbonatación: de 300ºC a 1000°C (+)Esta etapa puede ocurrir dentro del horno rotativo o en modernos pre calcinadores, y se constituye de dos etapas: la primera, entre 300°C y 650°C, en que ocurre el calentamiento de la harina acompañado por una reacción de deshidratación; y la segunda, entre 650°C y 1000°C, cuando comienza el proceso de descarbonatación del calcáreo en CO2 y CaO.

El primer paso está caracterizado por los siguientes aspectos:

• Presencia de la harina cruda (no hay fases minerales formadas);

• Erosión (debido al flujo de la harina);

• Elevada temperatura;

• Evaporación y deshidratación (del agua) relacionada químicamente a la materia prima.

En esta zona es muy importante que los refractarios tengan la capacidad de proteger el accionamiento del horno (buen grado de aislamiento) y buena resistencia a los impactos de coladas anómalas. Ladrillos con contenido de SiO2 inferior a 45% son adecuados. Además, cuando sales alcalinas están presentes, se puede desarrollar una capa vítrea con el álcali en la superficie del ladrillo, previniendo su propagación o posterior infiltración.

En la segunda etapa de las reacciones, ocurre el desarrollo de nuevas fases mineralógicas:

- Formación de CaO y CO2;

- Formación de CA, C12A7 y C2S;

- Variación de temperatura;

- Ataque de álcali.

Normalmente, se recomienda utilizar ladrillos con un contenido de 70% Al2O3, que ofrece una elevada resistencia mecánica, baja porosidad, con el propósito de hacerlos resistentes al ataque químico. Mientras tanto, el riesgo de reacciones eutécticas a Al2O3-CaO- SiO2 es un factor limitante.

• Zona de transición superior: de 1000ºC a 1238°C (+)Es la zona más inestable y difícil para especificar el ladrillo adecuado. Aunque la franja de temperatura esté entre 1000°C y 1300°C, son frecuentes las incidencias de sobrecargas térmicas. Tal hecho está relacionado a la forma de la llama, al tipo de combustible y al diseño del quemador del horno. Por lo tanto, es en esta zona donde comienza a aparecer el encolado, aunque pueda ser inestable, afectando la estabilidad operativa del horno.

• Zona de sinterización: de 1338ºC a 1450°C (+)Zona en que ocurre la clinkerización y donde son alcanzadas las temperaturas más elevadas. En esta etapa, la reacción de la CaO libre con el C2S genera el C3S. La fase líquida alcanza su punto más elevado a 1450°C. Si el proceso estuviera bajo control, formará un encolado estable que protege la zona de quema. Los refractarios deben resistir las temperaturas elevadas, infiltración de los silicatos de la fase líquida y/o de los sulfatos alcalinos y facilitar el desarrollo de un encolado estable.

Normalmente podemos encontrar en esta zona del horno:

• Presencia de fase líquida de 18 a 32%, CaO libre y C2S;

• Desarrollo de C3S por la reacción de CaO y C2S, infiltración de fase líquida y formación de revestimiento;

• Ataque químico de sulfatos alcalinos;

• Elevada temperatura operativa.

• Zona de transición inferior de: 1400ºC a 1200°C (+)En esta zona, que generalmente opera entre 1400°C y 1200°C, la temperatura comienza a cristalizar las fases minerales del clinker, pero no totalmente. Aunque también pueda ocurrir la presencia de fase líquida, es una etapa de baja actividad química, considerando que la mayor parte de C3S ya debe haber sido formada. A pesar de eso, es una zona sometida a intensas variaciones de temperatura, ya que está bajo la influencia del flujo de aire secundario del enfriador.

Esta zona se caracteriza por los siguientes aspectos:

• Presencia de la fase líquida;

• Ataques químicos de sulfatos alcalinos;

• Frecuentes variaciones de temperatura;

• Exposición de los refractarios a choques térmicos;

• Atmósfera Redox;

• Influencia de fatiga mecánica proveniente de los anillos de rodamiento del horno.

Para soportar las variaciones de temperatura bajo stress mecánico, esta parte del proceso requiere la utilización de ladrillos básicos con elevada flexibilidad estructural, baja permeabilidad al gas, elevado módulo de ruptura en caliente y alta elasticidad.

• Zona de pre enfriamiento de: 1200ºC a 1000°C (+)Tiene la finalidad de promover el enfriamiento de las fases de clinker mineral recién formadas en las zonas anteriores y depende del tipo del enfriador proyectado para este horno. Está situada en una franja de temperatura que va de 1150°C hasta 1100°C. Es la zona sometida a la abrasión elevada (nódulos de clinker), acentuada erosión de descarga (por el polvo acarreado por los gases de enfriamiento) y esfuerzo mecánico (placas de nariz y anillo de retención de los refractarios).

Las principales características de esta zona del horno son:

• Elevada abrasión/erosión;

• Choques térmicos frecuentes;

• Elevado esfuerzo mecánico.

En la mayoría de los hornos modernos equipados con enfriadores de alta eficiencia, esta zona ya no se encuentra dentro del horno, pero si en el primer compartimiento de enfriamiento.

Tabla 01