FABRICACIÓN Y EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO...
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FABRICACIÓN Y EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE QUINCE LADRILLOS REFRACTARIOS ELABORADOS CON CENIZA VOLANTE PRODUCTO DE LA COMBUSTIÓN DEL CARBÓN EN LAS CALDERAS DE LA CENTRAL TERMOZIPA A DIFERENTES TEMPERATURAS, DE ACUERDO A LA NORMA ASTM C 113 (STANDARD TEST METHOD FOR REHEAT CHANGE OF REFRACTORY BRICK). LEONARDO ROJAS PULIDO UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA PROYECTO CURRICULAR INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C. 2015
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FABRICACIÓN Y EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE QUINCE LADRILLOS
REFRACTARIOS ELABORADOS CON CENIZA VOLANTE PRODUCTO DE LA
COMBUSTIÓN DEL CARBÓN EN LAS CALDERAS DE LA CENTRAL
TERMOZIPA A DIFERENTES TEMPERATURAS, DE ACUERDO A LA NORMA
ASTM C 113 (STANDARD TEST METHOD FOR REHEAT CHANGE OF
REFRACTORY BRICK).
LEONARDO ROJAS PULIDO
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
PROYECTO CURRICULAR INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C.
2015
FABRICACIÓN Y EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE QUINCE LADRILLOS
REFRACTARIOS ELABORADOS CON CENIZA VOLANTE PRODUCTO DE LA
COMBUSTIÓN DEL CARBÓN EN LAS CALDERAS DE LA CENTRAL
TERMOZIPA A DIFERENTES TEMPERATURAS, DE ACUERDO A LA NORMA
ASTM C 113 (STANDARD TEST METHOD FOR REHEAT CHANGE OF
REFRACTORY BRICK).
LEONARDO ROJAS PULIDO
Trabajo de grado para optar al título de Ingeniero Mecánico
Director
Ing. Luis Hernando Correa.
Profesor Tiempo Completo.
Tecnología e Ingeniería Mecánica.
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
PROYECTO CURRICULAR INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C.
2015
3
CONTENIDO
Pág.
1 INTRODUCCIÓN .......................................................................................... 15
2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .......................................................... 18
2.1 ESTADO DEL ARTE ................................................................................ 23
2.1.1 Algunas experiencias a nivel mundial en la utilización de cenizas..... 28
2.1.2 Estudio ICEL – UNIVALLE. ................................................................ 31
2.1.3 Usos de la ceniza de Termozipa que se da en la actualidad por parte
de la compañía ADTYCIA LTDA ........................................................ 35
2.2 JUSTIFICACIÓN ...................................................................................... 37
3 OBJETIVOS ................................................................................................. 40
3.1 OBJETIVO GENERAL ............................................................................. 40
3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .................................................................... 40
4 MARCO TEÓRICO ....................................................................................... 42
4.1 GENERACIÓN, CAPTACIÓN Y DISPOSICIÓN DE LA CENIZA EN
LA CENTRAL TERMOZIPA ..................................................................... 42
4.2 CENIZA. ................................................................................................... 43
4.3 REFRACTARIOS ..................................................................................... 44
4.3.1 Clasificación de los refractarios según sus características químicas: 45
4.3.2 Clasificación de los refractarios según su proceso de fabricación: .... 45
4.3.2.1 Ladrillos: ......................................................................................... 46
4.3.2.2 Especialidades: .............................................................................. 47
4.4 CAL. ......................................................................................................... 48
4.4.1 Usos de la cal en la construcción ....................................................... 48
4.4.2 Mezclas de cal. .................................................................................. 49
4.4.3 Propiedades de los morteros de cal ................................................... 49
4.4.4 Tipos de Mezclas ............................................................................... 49
4.4.5 Resistencia a la compresión. ............................................................. 50
4.4.6 Permeabilidad .................................................................................... 51
4
4.4.7 Durabilidad ......................................................................................... 51
4.4.8 Protección a la salud y el medio ambiente ......................................... 51
4.4.9 Ladrillos de cal y arena: ..................................................................... 52
5 METODOLOGÍA ........................................................................................... 53
6 FABRICACIÓN DE QUINCE LADRILLOS ................................................... 55
6.1 DISEÑO Y FABRICACIÓN DEL MOLDE ................................................. 55
6.1.1 Parámetros de diseño norma ASTM C 113 ....................................... 55
6.2 RECOLECCIÓN DE LA CENIZA ............................................................. 56
6.3 GRANULOMETRÍA DE LOS COMPONENTES ....................................... 57
6.4 DETERMINACIÓN DEL PORCENTAJE DE CADA UNO DE LOS
COMPONENTES DE LA MEZCLA PARA LA PRDUCCIÓN DE LOS
LADRILLOS ............................................................................................. 58
6.4.1 Recolección de información estudios anteriores con cenizas volantes
de Termozipa ..................................................................................... 59
6.4.2 Prueba de acercamiento con cinco ladrillos, con porcentaje de
participación de la ceniza volante superior al 50% para la obtención de
datos de referencia que ayuden a la identificación del balance ideal de
la mezcla ............................................................................................ 60
6.4.3 Caracterización dimensional de los ladrillos de prueba. .................... 62
6.4.4 Prueba de calentamiento de los cinco ladrillos fabricados ................. 63
6.4.5 Evaluación de los cambios morfológicos de acuerdo a la norma ASTM
C 113 (standard test method for reheat change of refractory brick). .. 64
6.4.5.1 Ladrillo sometido a temperatura de 550 ° c ................................... 64
6.4.5.2 Ladrillo sometido a temperatura de 700 ° c ................................... 66
6.4.5.3 Ladrillo sometido a temperatura de 850 ° C ................................... 67
6.4.5.4 Ladrillo sometido a temperatura de 1000 ° c ................................. 69
6.4.5.5 Ladrillo sometido a temperatura de 1040 ° C ................................. 70
5
6.5 ASIGANACIÓN DE PORCENTAJES DE PARTICIPACIÓN A LOS
COMPONNTES EN LA MEZCLA PARA LOS LADRILLOS
REFRACTARIOS FABRICADOS CON CENIZAS VOLANTES. .............. 71
6.6 MOLDEO DE LOS LADRILLOS ............................................................... 72
6.7 METROLOGÍA DE LOS LADRILLOS....................................................... 74
7 LA POROSIDAD APARENTE, ABSORCIÓN DE AGUA, GRAVEDAD
ESPECÍFICA APARENTE Y LA DENSIDAD APARENTE DE LOS
LADRILLOS REFRACTARIOS ..................................................................... 78
7.1 PROBETAS DE PRUEBA ........................................................................ 78
7.2 PROCEDIMIENTO ................................................................................... 79
7.2.1 Toma del peso en seco, D: ................................................................ 79
7.2.2 Saturación de las probetas ................................................................ 80
7.2.3 Peso suspendido, S: .......................................................................... 82
7.2.4 Peso Saturado, W .............................................................................. 83
7.3 VOLUMEN EXTERIOR ............................................................................ 84
7.3.1 Volumen exterior probeta 1 ................................................................ 85
7.3.2 Volumen exterior probeta 2 ................................................................ 85
7.3.3 Volumen exterior probeta 3 ................................................................ 85
7.3.4 Volumen exterior probeta 4 ................................................................ 85
7.4 VOLUMEN DE POROS ABIERTOS......................................................... 85
7.4.1 Volumen de poros abiertos probeta 1 ................................................ 86
7.4.2 Volumen de poros abiertos probeta 2 ................................................ 86
7.4.3 Volumen de poros abiertos probeta 3 ................................................ 86
7.4.4 Volumen de poros abiertos probeta 4 ................................................ 86
7.4.5 Volumen de poros abiertos de los ladrillos fabricados con cenizas
volantes de la central Termozipa ....................................................... 86
7.4.6 Desviación estándar de la muestra .................................................... 87
7.4.7 Consolidación de resultados .............................................................. 87
7.5 VOLUMEN DE SECCIONES IMPERMEABLES ...................................... 88
7.5.1 Volumen de secciones impermeables probeta 1 ............................... 88
6
7.5.2 Volumen de secciones impermeables probeta 2 ............................... 88
7.5.3 Volumen de secciones impermeables probeta 3 ............................... 88
7.5.4 Volumen de secciones impermeables probeta 4 ............................... 89
7.5.5 Volumen de secciones impermeables de los ladrillos fabricados con
cenizas volantes de la central Termozipa .......................................... 89
7.5.6 Desviación estándar de la muestra .................................................... 89
7.5.7 Consolidación de resultados .............................................................. 90
7.6 POROSIDAD APARENTE, P ................................................................... 90
7.6.1 Porosidad aparente (P), probeta 1 ..................................................... 91
7.6.2 Porosidad aparente (P), probeta 2 ..................................................... 91
7.6.3 Porosidad aparente (P), probeta 3 ..................................................... 91
7.6.4 Porosidad aparente (P), probeta 4 ..................................................... 91
7.6.5 Porosidad aparente (P) de los ladrillos fabricados con cenizas volantes
de la central Termozipa ..................................................................... 91
7.6.6 Desviación estándar de la muestra .................................................... 92
7.6.7 Consolidación de resultados .............................................................. 92
7.7 ABSORCIÓN DE AGUA, A ...................................................................... 93
7.7.1 Absorción de agua (A), pobreta 1 ...................................................... 93
7.7.2 Absorción de agua (A), pobreta 2 ...................................................... 93
7.7.3 Absorción de agua (A), pobreta 3 ...................................................... 93
7.7.4 Absorción de agua (A), pobreta 4 ...................................................... 94
7.7.5 Porcentaje de absorción de agua (A) de los ladrillos fabricados con
cenizas volantes de la central Termozipa .......................................... 94
7.7.6 Desviación estándar de la muestra .................................................... 94
7.7.7 Consolidación de resultados .............................................................. 95
7.8 DENSIDAD APARENTE, B ...................................................................... 95
7.8.1 Densidad aparente (B), probeta 1 ...................................................... 96
7.8.2 Densidad aparente (B), probeta 2 ...................................................... 96
7.8.3 Densidad aparente (B), probeta 3 ...................................................... 96
7.8.4 Densidad aparente (B), probeta 4 ...................................................... 96
7
7.8.5 Densidad aparente (B) de los ladrillos fabricados con cenizas volantes
de la central Termozipa ..................................................................... 96
7.8.6 Desviación estándar de la muestra .................................................... 97
7.8.7 Consolidación de resultados .............................................................. 97
8 ENSAYOS MECÁNICOS DE LABORATORIO ............................................. 99
8.1 RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN FRÍO .............................................. 99
8.1.1 Las muestras de prueba .................................................................... 99
8.1.2 Procedimiento .................................................................................. 100
8.1.3 Cálculo ............................................................................................. 102
8.1.3.1 Resistencia probeta 1 .................................................................. 103
8.1.3.2 Resistencia probeta 2 .................................................................. 103
8.1.3.3 Resistencia probeta 3 .................................................................. 103
8.1.3.4 Resistencia probeta 4 .................................................................. 104
8.1.3.5 Resistencia probeta 5 .................................................................. 104
8.1.4 Cálculo de la media muestral del ensayo ........................................ 104
8.1.5 Desviación estándar de la muestra .................................................. 105
8.1.6 Consolidación de resultados ............................................................ 105
8.2 MÓDULO DE ROTURA EN FRÍO .......................................................... 106
8.2.1 Las muestras de prueba .................................................................. 106
8.2.2 Cálculo ............................................................................................. 107
8.2.2.1 Módulo de rotura probeta 1 .......................................................... 108
8.2.2.2 Módulo de rotura probeta 2 .......................................................... 108
8.2.2.3 Módulo de rotura probeta 3 .......................................................... 108
8.2.2.4 Módulo de rotura probeta 4 .......................................................... 108
8.2.2.5 Módulo de rotura probeta 5 .......................................................... 108
8.2.2.6 Módulo de rotura ladrillo estándar erecos U 32 ........................... 109
8.2.3 Cálculo de la media muestral del ensayo ........................................ 109
8
8.2.4 Desviación estándar de la muestra .................................................. 110
8.2.5 Consolidación de resultados ............................................................ 110
9 FRAGUADO ............................................................................................... 112
10 SECADO DE LADRILLOS REFRACTARIOS ............................................. 113
11 EVALUACIÓN DE LOS CAMBIOS MORFOLÓGICOS DE ACUERDO A LA
NORMA ASTM C 113 (STANDARD TEST METHOD FOR REHEAT
CHANGE OF REFRACTORY BRICK). ...................................................... 116
11.1 LADRILLOS SOMETIDO A TEMPERATURA DE 550 ° C ..................... 117
11.1.1 Ladrillo con marca 1. ........................................................................ 117
11.1.2 Ladrillo con marca 2 ......................................................................... 118
11.1.3 Ladrillo con marca 3 ......................................................................... 120
11.1.4 Cambio lineal permanente especímenes sometidos a 550 °C ......... 122
11.2 LADRILLOS SOMETIDO A TEMPERATURA DE 700 ° C ..................... 124
11.2.1 Ladrillo con marca 4 ......................................................................... 124
11.2.2 Ladrillo con marca 5 ......................................................................... 125
11.2.3 Ladrillo con marca 6 ......................................................................... 126
11.2.4 Cambio lineal permanente especímenes sometidos a 700 °C. ........ 128
11.3 LADRILLOS SOMETIDOS A TEMPERATURA DE 850 ° C ................... 129
11.3.1 Ladrillo con marca 7 ......................................................................... 129
11.3.2 Ladrillo con marca 8 ......................................................................... 131
11.3.3 Ladrillo con marca 9 ......................................................................... 132
11.3.4 Cambio lineal permanente especímenes sometidos a 850 °C ......... 134
11.4 LADRILLOS SOMETIDO A TEMPERATURA DE 1000 ° C ................... 135
11.4.1 Ladrillo con marca 10. ...................................................................... 135
11.4.2 Ladrillo con marca 11. ...................................................................... 137
11.4.3 Ladrillo con marca 12 ....................................................................... 138
11.4.4 Cambio lineal permanente especímenes sometidos a 1000 °C ....... 140
11.5 LADRILLOS SOMETIDO A TEMPERATURA DE 1100 ° C ................... 141
11.5.1 Ladrillo con marca 13 ....................................................................... 141
11.5.2 Ladrillo con marca 14 ....................................................................... 143
9
11.5.3 Ladrillo con marca 15 ....................................................................... 144
11.5.4 Cambio lineal permanente especímenes sometidos a 1100 °C ....... 146
12 COMPORTAMIENTO DE LA DEFORMACIÓN LINEAL PERMANENTE DE
LOS LADRILLOS RESPECTO A LA TEMEPERATURA DE PRUEBA ...... 148
13 APLICACIONES INDUSTRIALES Y DOMESTICAS QUE PUEDEN TENER
LOS LADRILLOS REFRACTARIOS FABRICADOS CON CENIZA
VOLANTE DE LA CENTRAL TERMOZIPA. ............................................... 150
13.1 CENICEROS DE CALDERAS ................................................................ 150
13.2 PAREDES DE BANCOS PRINCIPALES ............................................... 151
13.3 WIND BOX DE CALDERAS ................................................................... 152
13.4 HORNOS ............................................................................................... 153
13.5 LADRILLOS PARA CHIMENEAS .......................................................... 154
14 CONCLUSIONES ....................................................................................... 155
15 RECOMENDACIONES .............................................................................. 159
16 BIBLIOGRAFÍA........................................................................................... 160
17 ANEXOS .................................................................................................... 165
17.1 FICHA TÉCNICA LADRILLO ERECOS U-32 ......................................... 165
17.2 CERTIFICADO DE CALIBRACIÓN TAMIZ 9.3 mm ............................... 166
17.3 CERTIFICADO DE CALIBRACIÓN TAMIZ 6,21 mm ............................. 167
10
ÍNDICE DE TABLAS
Pág.
Tabla 1: Producción de ceniza en la central Termozipa ........................................ 19
Tabla 2: Producción de ceniza volante en cada una de las calderas de la central
Termozipa ............................................................................................... 19
Tabla 3: Producción y utilización de cenizas volantes por países, según Manz
(1997). CV, Cenizas Volantes; F+E, cenizas de fondo y escoria; REC,
total reciclado; N.D., no determinado. Unidades en miles de toneladas. 24
Tabla 4: Requerimientos del carbón para las calderas de Termozipa ................... 42
Tabla 5: Levantamiento metrológico de los especímenes de prueba .................... 63
Tabla 6: Dimensiones finales del ladrillo de prueba 1 ............................................ 65
Tabla 7: Dimensiones finales de ladrillo de prueba 2 ............................................. 67
Tabla 8: Dimensiones finales del ladrillo de prueba 3 ............................................ 68
Tabla 9: Levantamiento metrológico de los especímenes de prueba .................... 77
Tabla 10: Peso en seco, D para prueba de porosidad aparente, absorción de agua,
gravedad específica aparente y densidad aparente ............................. 80
Tabla 11: Peso suspendido (S) .............................................................................. 82
Tabla 12: Peso saturado (W) ................................................................................. 84
Tabla 13: Datos consolidados ensayo de volumen de poros abiertos ................... 88
Tabla 14: Datos consolidados ensayo de volumen de secciones impermeables .. 90
Tabla 15: Datos consolidados ensayo de porosidad aparente .............................. 93
Tabla 16: Datos consolidados ensayo de absorción de agua ................................ 95
Tabla 17: Datos consolidados ensayo de densidad aparente ................................ 98
Tabla 18: cargas máximas indicadas por la máquina en la prueba de compresión
............................................................................................................................. 103
Tabla 19: Datos consolidados ensayo de resistencia a la compresión en frío ..... 106
Tabla 20: cargas máximas indicadas por la máquina en la prueba de flexión ..... 108
Tabla 21: Datos consolidados ensayo de módulo de rotura en frío ..................... 110
Tabla 22: Dimensiones finales del ladrillo de prueba 1 ........................................ 118
Tabla 23: Dimensiones generales espécimen de prueba 2 ................................. 120
Tabla 24: Dimensiones generales espécimen de prueba 3 ................................. 121
Tabla 25: Consolidado cambio lineal permanente especímenes sometidos a
temperatura de 550 °C ...................................................................... 123
Tabla 26: Dimensiones generales espécimen de prueba 4 ................................. 125
Tabla 27: Dimensiones generales espécimen de prueba 5 ................................. 126
Tabla 28: Dimensiones generales espécimen de prueba 6 ................................. 128
11
Tabla 29: Consolidado cambio lineal permanente especímenes sometidos a
temperatura de 700 °C ...................................................................... 129
Tabla 30: Dimensiones generales espécimen de prueba 7 ................................. 131
Tabla 31: Dimensiones generales espécimen de prueba 8 ................................. 132
Tabla 32: Dimensiones generales espécimen de prueba 9 ................................. 134
Tabla 33: Consolidado cambio lineal permanente especímenes sometidos a
temperatura de 850 °C ...................................................................... 135
Tabla 34: Dimensiones generales espécimen de prueba 10 ............................... 137
Tabla 35: Dimensiones generales espécimen de prueba 11 ............................... 138
Tabla 36: Dimensiones generales espécimen de prueba 12 ............................... 140
Tabla 37: Consolidado cambio lineal permanente especímenes sometidos a
temperatura de 1000 °C .................................................................... 141
Tabla 38: Dimensiones generales espécimen de prueba 13 ............................... 143
Tabla 39: Dimensiones generales espécimen de prueba 14 ............................... 144
Tabla 40: Dimensiones generales espécimen de prueba 15 ............................... 146
Tabla 41: Consolidado cambio lineal permanente especímenes sometidos a
temperatura de 1100 °C .................................................................... 147
Tabla 42: Comparación propiedades mecánicas de los ladrillos producidos con
cenizas volantes y el ladrillo ERECOS U 32 ....................................... 156
12
ÍNDICE DE GRAFICOS
Pág.
Grafico 1: Usos de las cenizas volantes producto de la combustión del carbón en
las diferentes industrias europeas ........................................................ 27
Grafico 2: Grafica de secado de los ladrillos ........................................................ 115
Grafico 3: Cambio de la deformación lineal permanente de los ladrillos refractarios
fabricados con ceniza respecto al cambio de temperatura ................. 148
13
ÍNDICE DE IMAGENES
Pág.
Imagen 1: Dimensiones generales de los ladrillos, según ASTM C 113 ................ 56
Imagen 2: Recolección de ceniza volante en tolva del precipitador electrostático . 57
Imagen 3: Especímenes de prueba inicial listos para el fraguado ......................... 61
Imagen 4: Levantamiento metrológico de los especímenes de prueba ................. 62
Imagen 5: Introducción de los ladrillos de prueba inicial al horno para el inicio de la
prueba ................................................................................................... 63
Imagen 6: Ladrillos de prueba inicial después del calentamiento a las diferentes
temperaturasFuente: Autor ................................................................. 64
Imagen 7: Vista general del ladrillo de prueba inicial 1 sometido a 550 °C ............ 65
Imagen 8: Vista general del ladrillo de prueba 2 sometido a 700 °C...................... 66
Imagen 9: Vista general del ladrillo de prueba 3 sometido a 850 °C...................... 68
Imagen 10: Vista general del ladrillo de prueba 4 sometido a 1000 °C, medición de
longitud ............................................................................................... 69
Imagen 11: Vista general del ladrillo de prueba 5 sometido a 1040 °C, medición de
longitud ............................................................................................... 70
Imagen 12: Tamizadora y tamices usados ............................................................ 72
Imagen 13: Resultado del tamizado de la ceniza y cal .......................................... 72
Imagen 14: Especímenes de prueba listos para el fraguado ................................. 74
Imagen 15: Calibrador usado para el levantamiento metrológico .......................... 75
Imagen 16: Levantamiento metrológico de los especímenes de prueba ............... 76
Imagen 17: Probetas para prueba de porosidad aparente, absorción de agua,
gravedad específica aparente y densidad aparente ......................... 79
Imagen 18: disposición de las probetas de prueba dentro del recipiente para la
saturación ......................................................................................... 81
Imagen 19: Probetas en proceso de saturación .................................................... 81
Imagen 20: Toma de peso suspendido .................................................................. 83
Imagen 21: Toma de peso saturado W .................................................................. 84
Imagen 22: Probetas para prueba de compresión ............................................... 100
Imagen 23: Vista de la realización de la prueba de compresión de ladrillos ........ 101
Imagen 24: Carga final soportada por uno de los ladrillos durante la prueba de
compresión ..................................................................................... 101
Imagen 25: Vista de una de las probetas después de ser probadas a compresión
............................................................................................................................. 102
Imagen 26: Montaje de ladrillo en la máquina para prueba ................................. 106
Imagen 27: Vista de probeta después de ser fallada ........................................... 107
14
Imagen 28: Prueba de flexión ladrillo erecos U 32 ............................................... 109
Imagen 29: Ladrillos de prueba después del calentamiento a las diferentes
temperaturas .................................................................................. 116
Imagen 30: Vista general del ladrillo de prueba 1 sometido a 550 °C ................. 118
Imagen 31: Vista general del ladrillo de prueba 2 sometido a 550 °C ................. 119
Imagen 32: Vista general del ladrillo de prueba 3 sometido a 550 °C ................. 121
Imagen 33: Proceso metrológico del ladrillo 4 ..................................................... 122
Imagen 34: Vista general del ladrillo de prueba 4 sometido a 700 °C ................. 124
Imagen 35: Vista general del ladrillo de prueba 5 sometido a 700 °C ................. 126
Imagen 36: Vista general del ladrillo de prueba 6 sometido a 700 °C ................. 127
Imagen 37: Vista general del ladrillo de prueba 7 sometido a 850 °C ................. 130
Imagen 38: Vista general del ladrillo de prueba 8 sometido a 850 °C ................. 132
Imagen 39: Vista general del ladrillo de prueba 9 sometido a 850 °C ................. 133
Imagen 40: Vista general del ladrillo de prueba 10 sometido a 1000 °C.............. 136
Imagen 41: Vista general del ladrillo de prueba 11 sometido a 1000 °C.............. 138
Imagen 42: Vista general del ladrillo de prueba 12 sometido a 1000 °C.............. 139
Imagen 43: Vista general del ladrillo de prueba 13 sometido a 1100 °C.............. 142
Imagen 44: Vista general del ladrillo de prueba 14 sometido a 1100 °C.............. 144
Imagen 45: Vista general del ladrillo de prueba 15 sometido a 1100 °C.............. 145
15
1 INTRODUCCIÓN
Los refractarios son materiales, que en condiciones de servicio resisten elevadas
temperaturas, erosión, abrasión, impacto, ataque químico, acción de gases
corrosivos y humedad. Los materiales refractarios y en especial los ladrillos tienen
una gran variedad de usos dentro de la industria, como ejemplo podemos
mencionar el recubrimiento de hornos, hogares de calderas, conductos
chimeneas, tolvas de ceniza de fondo, cucharas para acero fundido, etc.
La composición química de la gran mayoría de los materiales refractarios consta
de materias cerámicas fabricadas con óxidos de elevado punto de fusión como
(SiO 2, Al2O3, Mg, y Cr2O3). No obstante, en la actualidad se está empleando el
carbón como un refractario importante.
Cuando aparecieron los primeros materiales refractarios, caso particular de los
ladrillos estos podían ser instalados por el costado posterior de las paredes de los
hornos; ya que estos ladrillos no eran capaces de soportar temperaturas mayores
a 1000 °C. Con el pasar del tiempo, la evolución en las tecnologías y desarrollo de
nuevos materiales; es posible conseguir ladrillos refractarios y aislantes, capaces
de resistir temperaturas que superan los 1000 °C manteniendo una capacidad
calorífica y una conductividad térmica baja, en algunos casos particulares se
pueden emplear ladrillos en contacto directo con los gases calientes que alcanzan
temperaturas superiores a 1.700 °C.
Con el uso de ladrillos refractarios se logra una reducción considerable en las
pérdidas de calor a través de las paredes de los equipos, otra ventaja significativa
es la cantidad de calor que se puede almacenar después de las paradas de las
máquinas, lo que permite a estas llegar más rápidamente a su temperatura de
régimen una vez sea puesta nuevamente en servicio, situación que permite un
ahorro en el consumo de combustibles o energía según sea el caso.
16
Las cenizas producidas durante el proceso de combustión del carbón en las
calderas de la central termoeléctrica Termozipa, poseen dentro de su composición
química un gran porcentaje de sílice, el cual es uno de los minerales de mayor
porcentaje en la composición química de los materiales refractarios, teniendo
como premisa lo anterior; cabe hacerse la pregunta: ¿se podría usar la ceniza del
carbón producida en la central Termozipa como materia prima para la fabricación y
producción de ladrillos refractarios? ¿Cuál será el comportamiento de los ladrillos
fabricados usando como materia prima cenizas volantes del carbón; cuando sean
sometidos a temperaturas que superen los 500 °C.? Situación que motiva la
realización de una investigación más profunda que demuestre como se
desempeña la ceniza como materia prima en la fabricación de refractarios.
Para desarrollar los objetivos del proyecto, se presupuestó la fabricación de
veinticinco ladrillos fabricados con ceniza volante tomada de las tolvas de los
precipitadores electrostáticos de la central Termozipa, anexando cal y melaza
como aglomerante. Del total de ladrillos, cinco serán sometidos a pruebas de
compresión y cinco a pruebas de flexión para poder determinar la resistencia
mecánica de los ladrillos y así poder asegurar el uso comercial del producto final.
Los quince ladrillos restantes, serán sometidos en grupos de a tres a una
temperatura diferente que ira aumentado en 150 °C cada vez partiendo de 550 °C
hasta que el último grupo sea sometido a 1150 °C, Se planeó realizar las muestras
en grupos de tres ladrillos para tener un resultado más significativo ya que al ser
realizado con un solo espécimen no se tiene una repetitividad del ensayo.
Para realizar la evaluación de la ceniza como material refractario, se procederá a
fabricar quince ladrillos refractarios bajo la norma ASTM C 113 (Standard Test
Method for Reheat Change of Refractory Brick); usando como material principal
cenizas volantes extraídas de las tolvas de los precipitadores electrostáticos de las
calderas de la central Termozipa.
17
La evaluación constara de una inspección visual; la cual se centrara en la
búsqueda de grietas superficiales y cambios de forma de los ladrillos. El criterio de
aceptación del ladrillo para fines refractarios; se basara en la no presencia de
grietas superficiales, las temperaturas de operación de los ladrillos se dará de
acuerdo al ladrillo sometido a la temperatura más alta que no se haya fisurado.
18
2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La central termoeléctrica Martín del Corral – Termozipa, propiedad de EMGESA
S.A E.S:P. es una central de generación de energía eléctrica la cual se encuentra
ubicada a cuarenta kilómetros al norte de Santafé de Bogotá en inmediaciones al
río Bogotá, en el municipio de Tocancipá. La central entró en operación en el año
de 1963 con la puesta en servicio de la unidad uno, la cual en mayo de 1992 fue
retirada de operación comercial.
Actualmente la central Termozipa cuenta con cuatro unidades de generación que
operan en ciclo Rankin, las cuales usan como combustible carbón mineral traído
de las minas de los departamentos de Cundinamarca y Boyacá. La unidad 2 tiene
una capacidad de generación bruta de 37,5 MW y las Unidades 3, 4 y 5 tienen una
capacidad de generación bruta 66 MW cada una; para una generación bruta total
de 235,5 MW.
En las calderas de la central se producen dos tipos de cenizas, volantes y de
fondo. Las cenizas volantes son aquellas que por su finura y peso son arrastradas
por el flujo de gases de combustión, la extracción de esta tipo de ceniza se realiza
en un precipitador electrostático el cual acumula el material en tolvas para ser
extraído más adelante por medio de la creación de vació. Por otro lado, las
cenizas de fondo son aquellas que por su tamaño y peso no son arrastradas por el
flujo de gases y caen para depositarse en el fondo de la caldera o cenicero.
Un precipitador electrostático es un equipo que se encuentra ubicado sobre el
ducto de descarga de gases de combustión a la atmosfera, este es el encargado
de captar las cenizas mezcladas con el gas por medio de un proceso
electrostático, en el cual se carga negativa mente la ceniza con unos electrodos
para que esta se adhiera a una serie de placas colectoras cargadas positivamente,
posteriormente un sistema de martillos realiza un golpeteo a la placas colectoras
para que caiga el material, se deposite en la tolvas y se pueda realizar su
extracción.
19
Operando las cuatro unidades a plena carga se tiene la siguiente producción de
ceniza, los datos contenidos en la tabla 1 incluyen la producción de cenizas de
fondo las cuales no serán incluidas dentro del proyecto.
Tabla 1: Producción de ceniza en la central Termozipa
PRODUCCIÓN DE CENIZAS VOLATIL Y DE FONDO
Caldera Unidad N° Producción Ceniza T/día
2 115,2
3 204
4 204
5 204
TOTAL 707,2
Fuente: Emgesa S.A E.S.P
Para el objetivo de este proyecto se plantea hacer uso de las cenizas volantes que
se extraen del flujo de gases por captación electrostática en los precipitadores con
que cuenta cada caldera. En la tabla 2 se hace una relación de la producción de
cenizas volantes en cada una de las unidades.
Tabla 2: Producción de ceniza volante en cada una de las calderas de la central Termozipa
PRODUCCIÓN DE CENIZA VOLANTE
Caldera Unidad N° Producción Ceniza T/día
2 92,16
3 163,2
4 163,2
5 163,2
TOTAL 581,76 Fuente: Emgesa S.A E.S.P
La Central cuenta con un patio a cielo abierto para la disposición de las cenizas en
un área aproximada de 20 hectáreas, para almacenar 1.5 millones de metros
cúbicos de ceniza. La mitad la conforma los taludes de protección de la margen
izquierda del río Bogotá, con sus correspondientes terrazas.
Los sistemas de extracción de cenizas actualmente instalados en las Unidades,
son sistemas de extracción de tipo hidráulico, tanto para las cenizas de fondo
como las cenizas volátiles, el sistema de remoción de hollín y cenizas volantes de
20
tipo vacío, cuyos componentes principales son las válvulas de salida de las tolvas,
las tuberías de transporte de cenizas, un tanque elevado separador de aire, un
hidrovactor y un sistema de control automático de tipo secuencial. El sistema de
vacío remueve el hollín y las cenizas volátiles de las tolvas del banco principal de
la caldera, de los precalentadores de aire, del precipitador electrostático y de la
tolva de la chimenea.
El hidrovactor se abastece con agua de río que es suministrada por dos bombas
de agua de cenizas a través de una válvula mariposa localizada a la entrada del
anterior equipo. A la entrada del hidrovactor se requieren 4800 litros por minuto
(1270 GPM) de agua a una presión de 12,1 Kg/cm2, (175 psi).
Una tubería de transporte hidráulico de ceniza que conduce las cenizas y escoria,
desde el eyector de la tolva de cenizas de fondo y desde el tanque separador de
aire elevado, hasta el patio de cenizas. Allí las cenizas se decantarán y serán
extraídas por medios mecánicos para ser almacenadas en las terrazas del patio
de ceniza a cielo abierto adecuado para este fin, el agua realiza un recorrido por
canales para su depuración y retornar nuevamente al río, teniendo un control de
flujo y nivel por medio de exclusas.
Este sistema de extracción de ceniza por vía húmeda necesita para su operación
un volumen de 19200 Litros/min cuando se tienen operando los cuatro sistemas
en simultáneo. El agua usada en la extracción de la ceniza volante y de fondo se
entrega al río con partículas de ceniza en suspensión y un “PH acido del 5.6”1 .
Las cenizas al encontrarse depositadas en un patio a cielo abierto permite que
durante los meses de verano cuando la ceniza se encuentra totalmente seca y
debido a su gran finura sea fácilmente arrastrada por las corrientes de aire que
1 CIDER-EEB-ISA- U DE LOS ANDES, GALEANO CARLOS, Estudio ambiental de Termozipa,
Santafé de Bogotá 1992, p 3, anexos tomo 1, anexo 2C hidrología ewald roessler.
21
azotan a la región en estos periodos, esta situación genera el recubrimiento de
zonas de pastoreos de ganado lechero de fincas vecinas que al ser consumidas
por los bovinos impactan la calidad de la leche producida por los animales.
El patio, acopio de ceniza de la central Termozipa, se encuentra situado en el
costado izquierdo de la ribera del río Bogotá del cual se extrae el agua para
suministro de los municipios de Zipaquirá, Chía, Cajicá y el norte de Bogotá.
Como se mencionó anteriormente, esta se almacena a cielo abierto lo cual deja el
residuo expuesto a la lluvia lo que produce una lixiviación de los metales que
forman parte de la composición química del material que posteriormente se unirán
al cuse del río contaminando el agua que se toma más adelante para el proceso
de tratamiento potabilización.
El almacenamiento y disposición de 707 toneladas de ceniza que produce la
central en un día de generación de las cuatro unidades implica un gran reto para la
central e impacto ambiental del ecosistema adyacente ya que se requiere de la
utilización de nuevos terrenos para su almacenamiento lo que induce en forma
directa un aumento en el área superficial del material que quedará expuesto a los
vientos y lluvias
Para la producción de ladrillos refractarios de venta comercial las materias primas
son arcillas o arenas con una alta concentración de sílice, este tipo de gravas que
son extraídas de canteras a cielo abierto por medio de procesos mecánicos como
son el uso de excavadoras. En la explotación de estos tipos especiales de arcillas
es muy común que se tenga que desechar una gran capa de material vegetal que
en la mayoría de los casos es apto para la agricultura.
Como bien se sabe, las canteras de extracción de minerales a cielo abierto
generan grandes impactos ambientales, entre los más comunes podemos
encontrar la tala de árboles, erosión del terreno y desaparición del hábitat de
especies propias de la zona. Las fuentes hídricas también se ven afectadas ya
22
que se puede apreciar una disminución en el caudal de los afluentes y la
contaminación del agua con minerales o lodos desechados de la explotación.
Por otro lado podemos encontrar que los productos refractarios que ofrecen las
compañías fabricantes son de elevado costo, dentro de los parámetros que
inciden directamente sobre el precio de este tipo de materiales podemos
mencionar el alto costo de la extracción de las materias primas, los procesos de
fabricación ya que se requiere de maquinaria especial para cumplir con los
estándares que demanda la industria.
Las cenizas volantes dentro de su composición química cuentan con un cristal
llamado sílice, con una concentración aproximada del 50% en el compuesto; las
personas que se encuentran expuestas a la inhalación de este material pueden
desarrollar una enfermedad denominada silicosis, patología que se caracteriza por
la fibrosis masiva y progresiva de los tejidos pulmonares causando una
cicatrización grave que destruye las estructuras pulmonares
Las cenizas producidas durante el proceso de combustión del carbón en las
calderas de la central termoeléctrica Termozipa poseen dentro de su composición
química un gran porcentaje de sílice el cual es uno de los minerales principales en
la composición química de los materiales refractarios teniendo lo anterior como
punto de partida cabe hacerse la pregunta: ¿se podría usar la ceniza del carbón
producida en la central Termozipa como materia prima para la fabricación y
producción de ladrillos refractarios? ¿Cuál será el comportamiento de los ladrillos
fabricados usando como materia prima cenizas volantes del carbón cuando sean
sometidos a temperaturas que superen los 500 °C.?
El uso de las cenizas volantes producidas por las calderas de la central Termozipa
en la producción de ladrillos refractarios puede favorecer la disminución en el
consumo de agua del río Bogotá durante los periodos de evacuación del material,
la extracción directa de la ceniza en las tolvas de los precipitadores electrostáticos
23
podría disminuir la cantidad de ceniza que se almacena en el patio a cielo abierto
haciendo menor la cantidad de terreno que se deba disponer para su acopio, si se
tiene un menor volumen de ceniza en contacto con las lluvias se puede disminuir
considerablemente la cantidad de metales lixiviados que se mezclan con el agua
del río Bogotá y, por último, de obtenerse buenos resultados al final del proyecto la
producción de ladrillos refractarios con cenizas volantes como materia prima se
pude convertir en una iniciativa para generar una opción de negocio.
2.1 ESTADO DEL ARTE
La generación de energía eléctrica en centrales termoeléctricas a nivel mundial,
tiene un gran porcentaje de participación; es así que podemos encontrar que el
mayor productor de cenizas volantes producto de la combustión del carbón es
China, el segundo lugar es ocupado por Rusia y en tercero se encuentra Estados
Unidos. “La producción de cenizas volantes de la combustión del carbón en
E.E.U.U. y Europa se estima en 88 y 55 millones de toneladas por año
respectivamente. De esta producción, una porción muy baja es reciclada, 22% en
E.E.U.U en un promedio sólo el 50% en la Unión Europea, presentándose grandes
diferencias de un país a otro”2.
Los dirigentes mundiales y en general las naciones en los últimos veinte años se
han venido preocupando por la conversación del medio ambiente, dentro los
temas discutidos en las convenciones de Rio de Janeiro en 1992 y Kioto en 1997,
se mostró que las emisiones de gases de combustión de combustibles fósiles que
se realizan sin control a la atmosfera no se pueden permitir por más tiempo ni ser
aceptadas por la sociedad. Durante las convenciones mencionadas anteriormente
se hizo referencia a las cenizas volantes producto de la combustión del carbón
donde se afirmó lo siguiente: “La sustitución de una tonelada de cemento portland
2 ANONIMO, Síntesis de zeolitas a partir de cenizas volantes de centrales termoeléctricas de
carbón, Internet [En línea]. [Consultado 09 Abr. 2014] Disponible en <http://www.tdx.cat/bitstream/handle/10803/6982/03CAPITULO1.pdf?sequence=3>, p 3.
24
por una tonelada de ceniza volante elimina una tonelada de CO2 emitido durante
la producción de cemento”3.
Tabla 3: Producción y utilización de cenizas volantes por países, según Manz (1997). CV, Cenizas Volantes; F+E, cenizas de fondo y escoria; REC, total reciclado; N.D., no determinado. Unidades
en miles de toneladas.
PAIS AÑO CVa F + E TOTAL REC % REC
HOLANDA 1992 780 82 862 88 102.4
ARGENTINAb 1992 35 10 45 45 100
ALEMANIA 1992 14300 5740 20040 19840 99
FRANCIA 1993 1436 287 1723 1636 95
COREA DEL
SUR 1992 1868 3701 5569 5217 93.7
ISRAEL 1992 462 61 523 479 91.6
PORTUGAL 1992 335 39 374 335 89.6
GRACIA 1992 7000 630c 7630 6800 89.1
POLONIA 1992 14010 N.D 14010 11995 85.6
DINAMARCA 1992 1043 133 1176 920 78.2
ESPAÑA 1992 7444 1431 8875 5582 62.9
HONG
KONG 1992 841 71 912 553 60,6
TAIWAN 1994 1206 299 1505 882 58.6
COLOMBIA 1992 924 126 1050 590 56.2
JAPON 1992 3659 472 4131 2153 52.1
ITALIA 1992 910 102 1012 507 50.1
FINLANDIA 1993 490 90 580 230 39.7
CHINA 1992 80641 10498 91139 34100 37.4
IRLANDA 1992 200 22 222 80 36
REINO
UNIDO 1989 13300 2200 15500 5467 35.3
USA 1992 43631 16368 59999 18183 30.3 a + 1990 toneladas importadas de Alemania , 53% de la producción exportada a Francia/Bélgica
b Existe tan solo una planta termoeléctrica de carbón en Argentina.
c Estimado a partir de datos anteriores. Grecia es el cuarto país del mundo en utilización de cenizas
volantes en la industria cementera.
Fuente: Síntesis de zeolitas a partir de cenizas volantes de centrales termoeléctricas de carbón.
3 Ibíd., p, 20.
25
Son muchas y diversas las aplicaciones de las cenizas volantes en el mundo.
Fundamentalmente, se emplean para producir cemento, en el ámbito de la
construcción, como relleno en obras de infraestructura y en otros usos 4 . La
(ECOBA) Asociación Europea para el Subempleo de los Sub-productos de la
Combustión del Carbón se dedica a realizar el seguimiento de los usos y
disposición de los residuos de las centrales térmicas propiamente de las cenizas
volantes y de fondo emitiendo anualmente un reporte estadístico muy completo en
donde se hace una relación detallada del empleo de este material en los países de
la comunidad europea.
La ECOBA, ha venido trabajando en la elaboración e implementación de la
reglamentación de uso y disposición de la ceniza en busca de la estandarización,
este trabajo que realiza la organización tiene como objetivo ayudar a la
preservación del medio ambiente y la naturaleza de los recursos minerales
primarios, para que en el futuro se puedan proporcionar materias primas valiosas
fortaleciendo la inclusión de la hulla en los materiales de construcción ayudando
como agregado en la mejora de la durabilidad del hormigón.
Los gobiernos están cada vez más comprometidos con la utilización de
materias primas secundarias. En Europa se está mejorando la legislación y
normas para aumentar dicho uso. En varios casos, los minerales de carbón
traen calidad extra y un mayor rendimiento en comparación con las
materias primas principales que sean sustituidos. La aplicación de los
minerales del carbón añade una etiqueta verde para la construcción debido
al ahorro de energía y la preservación de los recursos naturales5.
4 ANONIMO, Ficha técnica, Cenizas volantes de carbón y cenizas de hogar o escoria, Internet [En
línea]. (2011). [Consultado 09 Abr. 2014] Disponible en <
http://www.cedexmateriales.vsf.es/view/archivos/residuos/305.pdf >, p 15.
5ECOBA, página principal ECOBA, Internet [En línea]. (2011). [Consultado 21 Abr. 2014]
Disponible en <http://www.ecoba.com/ecobaccputil.html >
26
Durante el año 2009, en los países que conforman la unión europea, se estima
que se produjeron aproximadamente 52 millones de toneladas de los PCC. Las
cenizas volantes que se extraen del flujo de gases de combustión por
precipitación electrostática o por medio de filtros de polvos poseen el mayor
porcentaje de participación dentro de la producción total de residuos de la
combustión del carbón.
Dentro de los informes emitidos pos la ECOBA anualmente cabe resaltar que en
los países europeos “la utilización de cenizas volantes en el sector de la
construcción es actualmente alrededor del 48% y para cenizas de fondo en torno a
45 %, mientras que la tasa de utilización de escorias de caldera es de 100 %”6.
En la gran mayoría de los casos, los residuos producto de la combustión del
carbón son empleados como material sustituto de los recursos naturales que se
extraen de canteras a cielo abierto, situación que genera grandes beneficios
medioambientales ya que se reduce la cantidad de material que se debe extraer
del subsuelo y se ayuda a dar una mejor disposición de las cenizas al no tener
que ser almacenadas en grandes patios que favorecen la fuga del material con los
vientos o lixiviaciones de los metales presentes en los compuestos a los afluentes
hídricos. El aprovechamiento de los PCC también ayuda a reducir la cantidad de
emisiones de CO2 a la atmosfera ya que se reduce la demanda energética de los
procesos industriales que se requieren para la fabricación de los materiales
sustituidos.
Los PCC tienen una amplia gama de usos, dentro de los más comunes se pueden
mencionar las aplicaciones en la industria de la construcción en la cual se
adicionan al hormigón para disminuir la concentración de cemento en la mezcla,
también se emplea como aglutinante en la construcción de vías y como
6
ECOBA, página principal ECOBA, Internet [En línea]. (2011). [Consultado 21 Abr. 2014]
Disponible en <http://www.ecoba.com/ecobaccputil.html >
27
estabilizadores de suelos, cabe resaltar que las cenizas volantes también pueden
ser utilizadas como material de carga mineral y fertilizantes.
Un gráfico de la utilización de cenizas volantes en la industria de la construcción y
en la minería subterránea en el 2009 en Europa se da a continuación7.
Grafico 1: Usos de las cenizas volantes producto de la combustión del carbón en las diferentes industrias europeas
Fuente: ECOBA
Las aplicaciones de las cenizas volantes producidas en los procesos de
generación térmica son variadas. Los estudios que se han realizado para
determinar sus propiedades y utilización son varios. Los estudios realizados a lo
largo del mundo presentan un común denominador el cual es la reactividad nula
(inerte) que posee, lo que significa: un producto duradero en el tiempo. “Las
cenizas son un material puzolánico, que mezcladas con cal y agua adquieren
7
ECOBA, página principal ECOBA, Internet [En línea]. (2011). [Consultado 21 Abr. 2014]
Disponible en <http://www.ecoba.com/ecobaccputil.html >
28
propiedades cementantes. Por su densidad, son materiales ideales para el diseño
de rellenos livianos para aliviar cargas. Además, neutralizan las arcillas ya que es
un material no plástico (NP)”8.
2.1.1 Algunas experiencias a nivel mundial en la utilización de cenizas
“El empleo de productos de la combustión del carbón en Europa se ve influenciado
por nuevas normas y legislación medioambiental. Así, en diciembre del 2010 la
directiva de marco residuos 2008/98/CE implementó en los estados miembros,
cada estado tuvo que definir que producto de la combustión del carbón es un
subproducto y cuando un material perderá la condición de residuo”9. De acuerdo
con lo anterior, a partir de esa fecha los productores de cenizas de la combustión
del carbón que quieran comercializar los residuos en el mercado, deben cumplir
con los parámetros de la norma y adicionalmente haber registrado sus productos
de acuerdo con el reglamento REACH.
Para hacer una mirada en los países productores de cenizas volantes, podemos
mencionar a Gran Bretaña en donde las plantas generan cada año alrededor de
15 millones de toneladas de desperdicio pulverizado, en este país en particular
uno de los problemas que más aqueja a este tipo de industria es la eliminación de
este residuo, el problema es atacado usando parte de él en una gran cantidad de
aplicaciones de construcción, incluyendo concreto, material de relleno y en la
estabilización de bases y sub bases en la construcción de carreteras.
8 ADTYCIA LTDA, Anexo N° 6.3, ficha técnica – material de ceniza, Informe final de pavimentos y
espacio público asociado de la avenida el TAM (AK 129) desde la avenida centenario hasta la avenida Luis Carlos Galán - Código de Obra N° 113, Etapa de Estudios y Diseños Versión 1, Bogotá, Agosto de 2008, p 23.
9 FICHA TÉCNICA, Cenizas volantes de carbón y cenizas de hogar o escoria, [En línea]. (2011).
[Consultado 09 Abr. 2014] Disponible en <
http://www.cedexmateriales.vsf.es/view/archivos/residuos/305.pdf >, p 15
29
También en esta nación casi un millón de toneladas ceniza se utiliza en concreto
cada año, reemplazando parte (típicamente 25 a 30%) del contenido del cemento
en concreto, de esta manera reduciendo costos.
Por otro lado, Alemania es un país en el que se alcanza a usar hasta el 99% del
total de las cenizas volantes de sus plantas térmicas, allí se usa como material de
relleno y como material cementante en adición al cemento Portland común.
Las plantas carboeléctricas de Australia producen más de 12 millones de
toneladas de cenizas volantes cada año. Aproximadamente el 10% de ese
material se incorpora en el cemento y el concreto, el resto termina en tiros
inclinados.
En España una de los métodos de aprovechamiento de este tipo de residuos
es su incorporación a los materiales de construcción y concretamente al
cemento, dando lugar a un nuevo tipo de cemento denominado “cemento
compuesto”, según Taylor (1990) o “cemento de adición” según Mehta
(1986).Las ventajas de este tipo de cemento incluyen, además del aumento
de las ,prestaciones tecnológicas del material acabado, razones de carácter
económico, por el abaratamiento del coste de producción (al reducir
importantes cantidades del clínker puro de cemento por la adición del sub-
producto industrial) y, razones de tipo ecológico por los graves problemas
que el almacenamiento de dichos productos origina en el entorno medio-
ambiental10
Holanda es el país de Europa que mejor disposición da a las cenizas ya que se
recicla el 100% de la producción de este material. “Además, un estudio de
mercado realizado en 1997 por PROGRES (1997) ha mostrado que en Holanda el
10 GARCIA, Lorenzo, Influencia de dos tipos de cenizas volantes españolas en la microestructura y
durabilidad de la pasta de cemento portland hidratado, Madrid, España, instituto Eduardo Torreja.
CSIC, universidad complutense de Madrid facultad de ciencias químicas, Tesis de grado, 1993,
258 p, Internet [En línea]. [Consultado 14 Abr. 2014]. Disponible en
<http://biblioteca.ucm.es/tesis/19911996/X/0/X0024801.pdf>, p 12.
30
mercado potencial en los sectores mencionados de nuevos productos derivados
de las cenizas volantes, sin incluir las aplicaciones convencionales, es de 175000
Tm año, lo que implica el aprovechamiento de más del 20% de los residuos
producidos”11, el caso de Holanda es el mejor ejemplo de que las cenizas son un
material con propiedades que pueden ser aprovechadas dentro de las diferentes
industrias de los países productores de ceniza.
En el año 2002, en los Estados Unidos, se produjeron 95 millones de toneladas de
derivados del carbón combustible; 60 millones de toneladas de cenizas volantes,
10.2 millones de toneladas de cenizas de fondo y 1 millón de toneladas de escoria
de la caldera y 18.7 de toneladas de materiales FGD; la utilización prioritaria en
este país es la estabilización de suelos, dos de los más grandes proyectos
realizados son, el aeropuerto de Newark y el terminal marítimo de Portland.
En el año de 1996 se realizaron trabajos investigativos para determinar el
comportamiento de las cenizas volantes como inmovilizador y estabilizador de
lodos de plantas de tratamientos de aguas residuales, polvos de fundición de
acero, lodos de hidróxidos de la industria galvánica; este proyecto fue desarrollado
por progres y PM: MHYSTI, de este estudio también se rescata que se obtuvieron
resultados satisfactorios usando las cenizas volantes como estabilizador de
residuos industriales.
Como referencia también se tienen los estudios que se ha realizado con las
cenizas volantes para la extracción de mátales, especialmente se ha trabajado con
la extracción de aluminio pero estas propuestas no han tenido una gran acogida
en comparación con las tradicionales fuentes de bauxita, por la dificultad de los
11
ANONIMO, Síntesis de zeolitas a partir de cenizas volantes de centrales termoeléctricas de
carbón, Internet [En línea]. [Consultado 09 Abr. 2014] Disponible en
<http://www.tdx.cat/bitstream/handle/10803/6982/03CAPITULO1.pdf?sequence=3>, p 6
31
procesos de recuperación y los altos costos que estos implican. De las cenizas
volantes también pueden extraerse hierro y sílice.
“En países de gran tradición minera, las mezclas de cenizas volantes son
utilizadas para la estabilización de antiguas explotaciones mineras (Jarvis y
Brooks 1996). Otras aplicaciones puntuales son la construcción de arrecifes
artificiales para la industria pesquera (Collins et al., 1991) adsorbentes para la
desulfurización de gas de combustión (Garea et al., 1997) y materiales de
construcción a prueba de fuego (Vilches et al., 2001)”12
Los residuos generados por esta actividad constituirían un material de primera
mano, aprovechable por el sector de la construcción. Todos estos estudios
demuestran que las cenizas volantes que anteriormente eran "basura", son una
materia prima con enormes ventajas en la industria de la construcción y una
excelente solución para evitar que este residuo continúe contaminando el medio
ambiente.
2.1.2 Estudio ICEL – UNIVALLE.
En el año de 1993 ICEL y la Universidad del Valle mediante el contrato 5854
realizaron un estudio con el cual se pretendía identificar las posibles utilizaciones
y/o disposición delas cenizas producidas en la combustión del carbón en las
calderas de las centrales térmicas de Paipa, Zipaquirá, Guajira y Tasajero.
De este estudio se determinó que las cenizas se podrían aplicar en la producción
de cementos, concretos, morteros, prefabricados y materiales silico-calcáreos. Él
estudió tuvo en cuenta las cenizas volantes de todas la que provienen de puntos
diferentes de las cenizas de fondo.
12
ANONIMO, Síntesis de zeolitas a partir de cenizas volantes de centrales termoeléctricas de
carbón, Internet [En línea]. [Consultado 09 Abr. 2014] Disponible en
<http://www.tdx.cat/bitstream/handle/10803/6982/03CAPITULO1.pdf?sequence=3>, p 3.
32
Dentro de los muestreos realizados en el estudio para la evaluación, cabe resaltar
los tomados en las tolvas de las calderas 3 y 4 de la central Termozipa, de las
cuales después del análisis químico se encontró que estos residuos no cumplen
con los requisitos mínimos para las aplicaciones anteriormente descritas de
acuerdo con los siguientes factores de evaluación.
Ceniza tolvas caldera unidad N° 3.
No cumple con la cantidad de óxidos ácidos.
No cumple con el mínimo contenido de inquemados.
No cumple con la finura
No cumple con la uniformidad.
No cumple con el factor múltiple
Cumple con los parámetros requeridos para sulfatos, álcalis totales y
humedad.
Ceniza tolvas caldera unidad N°4.
No cumple con los óxidos ácidos para los puntos de recolección
correspondiente al banco principal, precalentador y multiciclon.
No cumple con el contenido de inquemados.
No cumple con la finura
No cumple con la uniformidad
No cumple con el factor múltiple
Cumple con el contenido de sulfatos, álcalis total equivalente y humedad.
Cumple con la sumatoria de óxidos ácidos en el precipitador electrostático.
Con base en los resultados obtenidos por la UNIVALLE y ICEL en marzo de 1993
en el estudio “utilización y/o disposición de residuos de la combustión del carbón
en las centrales térmicas de: Paipa, Zipaquirá, Guajira y tasajero” se pudo
determinar una serie de potenciales usos de carácter tecnológico siempre y
33
cuando se mejore la calidad de los inquemados en la ceniza o se baje a l 6% de
concentración de conseguirse lo anterior el listado potencial sería:
1 Empleo en la producción de cementos, debiéndose evaluar tres métodos:
Molienda conjunta de Clinker, yeso y ceniza.
Moliendas independientes de yeso-Clinker y ceniza para luego
realizar una mezcla.
Mezcla discreta de cemento y ceniza.
2 Empleo en la elaboración de concretos evaluándose tres métodos.
Reemplazo de cemento.
Adición de ceniza como agregado fino, sin reducir la cantidad de
cemento.
Reemplazo parcial de cemento, agua y agregado fino.
Se deben analizar en todos los casos la impermeabilidad, el rendimiento,
el control de temperatura, las resistencias mecánicas, la plasticidad, la
durabilidad y la economía.
3 Empleo en la elaboración de morteros evaluándose su papel frente a: la
plasticidad, la retención de agua, el rendimiento, las resistencias mecánicas
y la economía.
4 Empleo en la producción de elementos prefabricados:
Bloques
Adoquines
Tubería
Se evaluarían las propiedades mencionadas para la producción de
concreto.
34
5 Empleo en la producción de materiales silico-calcáreos, evaluándose: Las
resistencias mecánicas, la durabilidad y la economía.
6 Empleo en la producción de materiales cerámicos. Evaluándose sus
resistencias mecánicas, la durabilidad y la economía.
7 Empleo en la elaboración de mezclas de estabilización puzolánica para uso
en vías.
8 Aplicaciones especiales que se desarrollan con la identificación de las
anteriores aplicaciones.
Agregados ligeros para concretos especiales.
Estabilización y solidificación de desechos, industriales, municipales
y vegetales.
Usos en agricultura como substrato base de varios cultivos.
Producción de arrecifes artificiales.
Reemplazo parcial de los agregados para la preparación de
pavimentos asfalticos.
Estabilización de socavones en las minas de carbón13.
En el país, los intentos de utilización de las cenizas de las termoeléctricas, datan
de más de 20 años, sobresaliendo los realizados por la Universidad del Valle, la
U.P.T.C., la Universidad de Antioquia y la Universidad Nacional. Adicionalmente
Monómeros Colombo - venezolanos, Cementos del Caribe, Cementos del Valle,
Cementos Boyacá, Cementos Samper y otras han realizado algunos estudios.
13 CONTRATO ICEL-UNIVALLE 5854, Informe de avance técnico del estudio: “utilización y/o
disposición de residuos de la combustión del carbón en las centrales térmicas de: Paipa, Zipaquirá, Guajira y Tasajero”. Informe de avance, Santiago de Cali marzo 31 de 1993, p 55.
35
2.1.3 Usos de la ceniza de Termozipa que se da en la actualidad por parte de la
compañía ADTYCIA LTDA
En Colombia, especialmente en el Distrito Capital, en los últimos diez (10) años,
ADT&CIA Ltda., ha reciclado más de un millón de metros cúbicos de cenizas de
carbón producidas por TERMOZIPA, en importantes proyectos de construcción y
rehabilitación de vías y cimentación para bases de grandes proyectos industriales
y de urbanismo dentro de los cuales podemos mencionar:
Edificaciones varias, Rellenos para cimentación, vías internas y zonas de parqueo
Almacén Makro, Av. Boyacá - Calle 80 - Mio2002 - 30.000 m3
Almacenes Carrefour, Calle 170 y Calle 13 por Avenida Ciudad de Cali -
año 2000 - 20.000 m3
Almacenes Éxito, Calle 170 (15.000 m3) - Calle 80 (18.000 1113)- Zona
Franca Fontibón - año 2001 - 35.000 m3
Bodegas Colchones Spring Calle 80 vía Siberia - año 2004 - 2005 - 15.000
m3
Proyecto Celta Parque Industrial Siberia - año 2006 - 20.000 m3
Proyecto Homecenter Imperial Constructora Colpatria S.A. - año 2006 -
7.000 m3 compactos
Planta Industrial Quala S.A. Tocancipá - año 2007 - 8.000 m3
Urbanismo, construcción de rellenos estructurales para las placas de
acercamiento en las siguientes vías.
36
Puente elevado vehicular Calle 100 Autopista Norte
Puente vehicular Carrera 50 Calle 26
Puente vehicular Calle 153 Autopista norte
Puente elevado vehicular Calle 134 Autopista Norte
Puente Avenida Ciudad de Cali Calle 13
Puente Avenida Ciudad de Cali Calle 26
Puente Autopista Norte por Calle 170
Puente Tercer Nivel Calle 92 por NQS
Puente Humedal Juan Amarillo por Avda. Ciudad de Cali
Puente Alpina Sopó.
Puente Calle 183 Centro Comercial Santafé
Todas las obras mencionadas anteriormente fueron ejecutadas para el IDU -
excepto el Puente Alpina en Sopó y el Puente del Centro Comercial Santafé - por
las principales compañías constructoras de Distrito Capital. En estos rellenos de
aproximación de los puentes elevados descritos, se consumieron 150.000 m3 de
cenizas de carbón de TERMOZIPA, aproximadamente.
Rellenos para mejoramiento de la sub base
Autopista Medellín Calle 80 puente el Cortijo - El Vino. Concesión Sabana
de Occidente. Año 1995 - 500.000 m3
Carretera perimetral Chía - Mosquera - Concesionaria del Desarrollo Vial de
la Sabana DEVISAB. Año 1997300.000m3
Construcción acceso a Lisboa - Suba por la Calle 80. Terraplén de 1 Km de
longitud. Año 2003 Contratista principal IDU Pavimentos Colombia, ceniza
aplicada 50.000 m3
37
Cimentación, construcción bodega TOPTEX en Tocancipá, Cundinamarca.
Año 2004. Área de la bodega 40.000 m2. Volumen de ceniza instalada
40.000 m3
Planta Industrial Quala S.A. Tocancipá - año 2007 - Volumen de Ceniza
Instalada 8.000 m314
2.2 JUSTIFICACIÓN
Como se mencionó en el problema, las cenizas volantes producidas en las
calderas de la central Termozipa se almacenan en un patio a cielo abierto en
donde fácilmente son arrastradas por las corrientes de aire que circulan por esta
zona transportándolas a través de la sabana. De obtenerse resultados positivos
durante la evaluación del desempeño de los ladrillos se tendrían bases confiables
las cuales pueden impulsar el consumo de la ceniza como material primario en la
elaboración de ladrillos refractarios, proceso que generaría una notable
disminución en la cantidad de ceniza que se dispondría en el patio. Esta situación
disminuye el área superficial sobre la cual los vientos circularían para generar
arrastre disminuyendo la concentración de material particulado que afecta en
forma directa el sistema respiratorio del personal que labora en la planta y las
comunidades que se encuentran asentadas en los alrededores de la central.
Con la reducción del volumen de ceniza acumulada en el patio a cielo abierto se
favorece la disminución de lixiviación de metales que forman parte de la
composición química del material al cauce del río Bogotá durante las temporadas
invernales.
14 ADTYCIA LTDA, Anexo N° 6.3, ficha técnica – material de ceniza, Informe final de pavimentos y
espacio público asociado de la avenida el TAM (AK 129) desde la avenida centenario hasta la avenida Luis Carlos Galán - Código de Obra N° 113, Etapa de Estudios y Diseños Versión 1, Bogotá, Agosto de 2008, p 23.
38
De obtenerse un resultado positivo en la evaluación del desempeño de los ladrillos
refractarios fabricados con cenizas volantes del proceso de combustión del carbón
en las calderas de la central Termozipa, se puede generar un iteres de las
compañías nacionales productoras de materiales refractarios a investigar sobre el
uso de la ceniza como insumo en otros productos diferentes a los ladrillos, este
puede ser el caso de los morteros o masas plásticas para apisonado.
El uso de la ceniza también generaría un impacto ambiental considerable sobre
todas las fuentes hídricas circundantes a la central, este es el caso del río Bogotá
el cual surte de agua municipios de Chía, Zipaquirá, Cajicá y el norte de la cuidad
de Bogotá. Como la extracción de la ceniza se haría directamente en la descarga
de las tolvas de los precipitadores electrostáticos se disminuye el volumen de
material a transportar por vía húmeda hasta el patio, lo cual genera una menor
concentración de ceniza en el agua de extracción facilitando el proceso de
decantación que ocurre en los canales del patio, lo cual garantiza una mejor
calidad de agua que se entrega al río después del proceso.
Por otro lado la extracción de ceniza para la fabricación de los ladrillos, tomada
directamente de las tolvas de los precipitadores electrostáticos; implica que se
deba evacuar una menor cantidad de material, situación que genera un cambio en
la operación del sistema de extracción de ceniza ya que se pueden variar los
tiempos de operación del sistema haciéndolos más largos, ya no de ocho horas
como están programados actualmente; este cambio en la programación implica
una reducción en el volumen de agua por día que se usa para el sistema esta
agua circularía normalmente por el río sin contaminarse en el proceso industrial,
adicionalmente el consumo energético se reduce considerablemente por el menor
tiempo que debe estar en operación las bombas de lavado de cenizas rotadas por
un motor de 300 HP, a esta reducción se suma la reducción en el consumo de aire
para las válvulas de descarga de la tolvas e instrumentos.
39
La obtención de resultados positivos durante la investigación, pueden ser los
cimientos para una opción de negocio; ya que la utilización de refractarios en el
ámbito industrial es muy amplio; entre los usos encontramos recubrimiento interior
de las tolvas de escoria de las calderas acuotubulares, paredes laterales de los
bancos de convección de calderas acuotubulares, hornos para fabricación de
vidrio, recubrimiento de cucharas para acero fundido en acerías, refinerías de
petróleo, industria química, industria cementera entre otros; En el ámbito
doméstico los ladrillos refractarios son usados en la construcción de chimeneas y
hornos de biomasa entre otros.
El costo de una tonelada de ceniza en la central Termozipa es de 30.000 pesos y
el costo de un solo ladrillo refractario en el mercado es de 7.000 pesos lo cual
convierte a la ceniza en un insumo económico; si se ve dentro de un proceso
industria el costo de las materias primas impactan directamente en el precio de
venta del producto final, lo cual haría del negocio una buena opción. La creación
de la empresa demandaría personal administrativo, técnico y operativo generando
nuevos puestos de empleo en la zona, lo cual podría mejorar las condiciones de
vida de las familias de los trabajadores ya que podrían contar con la posibilidad de
tener un empleo estable y los beneficios que esto acarrea.
La producción de ceniza en la central está garantizada ya que durante una jornada
de operación de 24 horas de las cuatro unidades a su máxima carga se genera
una cantidad de 581 toneladas cifra que es mucho mayor a la que se emplearía en
la fabricación de ladrillos.
40
3 OBJETIVOS
3.1 OBJETIVO GENERAL
Fabricar y evaluar el desempeño de quince ladrillos refractarios elaborados con
ceniza volante extraída de las tolvas de los precipitadores electrostáticos de las
calderas de la central Termozipa, cal y melaza a temperaturas de 550, 700, 850,
1000 y 1150 °C, para identificar las propiedades mecánicas y térmicas que pueden
ofrecer estos minerales en la producción de materiales refractarios prefabricados
3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Recopilar y analizar la información existente sobre los usos de las cenizas
volantes producto de la combustión del carbón en la central Termozipa.
Fabricar veintiséis ladrillos para pruebas, usando como materiales ceniza
extraída de las tolvas de los precipitadores electrostáticos de las calderas
de la central Termozipa, cal y melaza de caña de azúcar para su
compactación.
Probar quince ladrillos en grupos de tres especímenes a temperaturas de
550, 700, 850, 1000 y 1150 °C sosteniendo esta temperatura en cada caso
durante un periodo de 5 horas de acuerdo a lo establecido en la norma
ASTM C 113
Evaluar los cambios morfológicos y daños que se presenten en las
estructuras de cada uno de los ladrillos de prueba, una vez culminado el
proceso de ganancia de temperatura y sostenido de cada uno de ellos; de
acuerdo a la norma ASTM C 113 (Standard Test Method for Reheat
Change of Refractory Brick).
41
Determinar las propiedades mecánicas y físicas de los especímenes de
prueba de acuerdo a las normas ASTM C 20 y ASTM C 133 para identificar
las aplicaciones industriales y domesticas que pueden tener los ladrillos
refractarios fabricados con ceniza volante de la central Termozipa.
42
4 MARCO TEÓRICO
4.1 GENERACIÓN, CAPTACIÓN Y DISPOSICIÓN DE LA CENIZA EN LA
CENTRAL TERMOZIPA
Una central termoeléctrica de carbón, es aquella en la cual se genera energía
eléctrica a partir de la combustión de carbón para producir vapor de agua el cual
se suministra a una turbina para generar electricidad, del proceso de combustión
del carbón en las calderas se generan gases de combustión energía y cenizas las
cuales son la base de investigación de este proyecto.
El carbón que se recibe en la central para el proceso debe ser carbón térmico,
sub-bituminoso y/o bituminoso y sus características se enmarcan dentro de los
siguientes parámetros (N.D: No definido):
Tabla 4: Requerimientos del carbón para las calderas de Termozipa
Descripción Mínimo Máximo
Poder calorífico (Kcal/g)
Humedad total (% en peso)
Materia volátil (% en peso)
Cenizas (% en peso)
Índice de molienda (HGI)
FSI
Azufre (% en peso)
Relación de combustibilidad
5.500
N.D.
27
N.D.
35
N.D.
N.D.
1,2
7.600
≥7 %
37
<15 %
N.D
3.5
1,05
2,2
Fuente: Emgesa S.A
El carbón se almacena en un patio a cielo abierto, desde el cual se suministra el
combustible por medio de una banda transportadora a las tolvas de alimentación
de cada una de las cuatro unidades que se encuentran en servicio. Una vez se
encuentra el carbón almacenado en las tolvas; se suministra por medio de unos
43
ductos a los pulverizadores o molinos los cuales son los encargados de dar el
tamaño de grano requerido en los quemadores de la caldera.
Las cenizas volantes son extraídas del hogar de caldera por medio del arrastre
que provoca el flujo de gases que es extraído por los ventiladores de tiro inducido,
estas inician a depositarse en las tolvas del banco principal y precalentado de aire,
la cantidad de ceniza captada en estas tolvas es muy poco ya que la mayoría es
captado en el precipitador electrostático.
El precipitador electrostático es el encargado de capturar las cenizas volantes
presentes en los gases de escape de la caldera por medio de electrodos que
cargan negativamente las partículas de ceniza para que después sean captadas
en las placas colectoras que están cargadas positivamente, la ceniza se hace caer
a la tovas por medio del golpeteo de martillos sobre las placas para que se
almacenen en las tolvas.
La ceniza almacenada en las tolvas es retirada por medio de vacío; el cual es
generado por un hidrovactor que adicionalmente humecta la ceniza para ser
enviada a un lago de sedimentación del cual se extrae por medio de dragas
después de un proceso de decantación y se almacena en un patio a cielo abierto.
4.2 CENIZA.
Las cenizas del carbón son el residuo inorgánico resultado de la incineración del
material y están compuestas de fases inorgánicas originales y nuevas fases
generadas tanto de materia inorgánica como orgánica del carbón. La materia
inorgánica del carbón comprende sólidos no cristalinos y cristalinos y fluidos
inorgánicos. La materia mineral como parte de la materia inorgánica del carbón
consiste principalmente en especies minerales que pertenecen a los sulfuros,
sulfosales, óxidos e hidróxidos, silicatos, sulfatos, carbonatos, fosfatos, cloruros,
elementos nativos, y otros minerales estrictamente definidos y caracterizados en la
44
ciencia de la mineralogía. “Esta materia mineral comprende todos los elementos
que no forman parte de la materia orgánica del carbón (carbono, hidrógeno,
nitrógeno, oxígeno y azufre) y es la principal fuente de los elementos que
componen las cenizas cuando el carbón se quema en el aire u oxígeno”15.
Las cenizas están compuestas principalmente por óxidos mayores que se
clasifican en óxidos básicos (Fe2O3, CaO, MgO, Na2O y K2O), óxidos ácidos
(SiO2, Al2O3 y TiO2) y otros óxidos (SO3 y P2O5). Excepto para los elementos de
oxígeno y de azufre, que normalmente constituyen las cenizas los residuos de la
combustión de carbón pueden agruparse de la siguiente manera: los elementos
principales (es decir, elementos en concentraciones superiores al 0,5% en el total
del carbón, y éstas se incluyen el aluminio, calcio, hierro y silicio), elementos
menores (es decir, aquellos en el rango de concentración de alrededor de 0,02 a
0,5% en el carbón, y los más típicos son el potasio, magnesio, sodio y el titanio y
algunas veces fósforo, bario, estroncio, boro y otros, dependiendo de la zona
geológica), y oligoelementos (es decir, todos los demás elementos inorgánicos
que se detectan en el carbón en menos del 0,02% (200 ppm) hasta partes por
billón e inferiores). “La mayoría de los elementos no metálicos, a pesar de que son
más volátiles que los metales, dejan un residuo detectable en cenizas de
carbón”16.
4.3 REFRACTARIOS
Los refractarios son materiales, que se usan generalmente cuando las condiciones
de operación se caracterizan por la presencia de temperaturas elevadas, erosión,
15
PEÑA URUEÑA, Mary L, Caracterización de cenizas de algunos carbones colombianos in situ
por retrodispersión gamma- gamma, Tesis de grado, Bogotá, Universidad Nacional de Colombia,
Facultad de Ciencias, Departamento de Química, 2011, 125 p. Internet [En línea]. [Consultado 08
Abr. 2014]. Disponible en <http://www.bdigital.unal.edu.co/5298/1/maryluzpenauruena.2011.pdf >,
p 6.
16 Ibíd., p. 28.
45
abrasión, impacto, ataque químico, acción de gases corrosivos y otras. Este tipo
de materiales se usan generalmente en el recubrimiento de hornos, calderas
chimeneas, calcinadores, etc.; La mayor parte de los refractarios son materias
cerámicas fabricadas con óxidos de elevado punto de fusión (SiO 2, Al2O3, Mg, y
Cr2O3). Por lo que el carbón se presenta en la actualidad como una opción
importante de refractario.
4.3.1 Clasificación de los refractarios según sus características químicas:
1 ACIDOS: son aquellos que no son atacados por compuestos ácidos, son
fabricados por materias primas silico–aluminosas.
2 BÁSICOS: son aquellos que reaccionan con escorias ácidas. Su contenido
se basa en magnesita, dolomita, y magnesita -cromo.
3 NEUTROS: son relativamente inertes, tanto las escorias silíceas como
calizas. En este grupo se incluyen los refractarios de carbón, alúmina (Al
2O3), Cromita (FeO.Cr2O3) y Forasterita (2MgO.SiO 2)
Existiría un cuarto grupo que es el de los refractarios especiales que son
materiales nuevos, o muy caros, por su proceso de fabricación como los de ZiO2 y
BeO y se destinan únicamente para fines de investigación y otros usos aislados,
tales como energía atómica, o tecnología de turbinas de gas17.
4.3.2 Clasificación de los refractarios según su proceso de fabricación:
Se clasifican en dos tipos: Ladrillos y especialidades
17 INDUSTRIAS 1, Materiales refractarios. Internet [En línea]. [Consultado 13 Abr. 2014].
Disponible en <http://materias.fi.uba.ar/7202/MaterialAlumnos/19_Apunte%20Refractarios.pdf >, p 4.
46
4.3.2.1 Ladrillos:
Según la forma de ligar las materias primas existen 6 tipos:
1 Cocido convencional: en el caso de los refractarios sílico-luminosos durante
la cocción se produce incipiente fusión de los compuestos formados por lo
óxidos constituyentes e impurezas, formando de este manera una matriz
soporte que es que leda la rigidez al ladrillo.
2 Cocido liga directa: en el caso de los refractarios de magnesia, se
comprobó que como un contenido muy bajo de impurezas a alta
temperatura (aprox.1800°C), se unían los cristales de Periclasa (MgO)
directamente, sin la matriz soporte o siendo ella muy reducida (según el
contenido de impurezas).
3 Cocido e impregnado: la impregnación ejerce sobre el ladrillo una función
protectora contra el ataque de las escorias. Cuanto más poroso sea el
ladrillo, posee una mayor superficie expuesta a la corrosión de la misma.
De esta manera se introduce carbono, el cual frente a la acción del FeO de
la escoria produce CO, depositándose el Fe que no ataca al refractario.
4 Químicamente ligado: No tiene cocción previa. Lo que se hace es la
calcinación de las materias primas. En el pastón formado se agrega un
elemento químico que produce a través de reacciones químicas la ligazón
entre los granos, lográndose la resistencia necesaria para ser transportado,
instalado y soportar en peso propio de la instalación. Al evitarse la cocción
se obtiene una importante reducción en el costo.
5 Ligado con alquitrán: La ligazón de las materias primas se logra con la
adición de un alquitrán bituminoso y posterior prensado.
47
6 Templado: Al ladrillo ligado con alquitrán se lo somete a un calentamiento a
baja temperatura (400 a 500 º C) a fin de lograr la deposición del carbono y
obtener la resistencia necesaria.
Los ladrillos correspondientes a los tipos 4), 5) y 6), son cocidos en servicio u
operación.
4.3.2.2 Especialidades:
Aglutina a todos los materiales refractarios que no tienen forma definida. Existen
distintos tipos:
1 Tierra refractaria: Mezcla de dos o más materias primas al estado natural
sin haber sufrido proceso de calcinación. Solo han sido sometidas a
trituración, molienda y clasificación de tamaños (dosificación).
Al ser aplicada no desarrolla ningún tipo de resistencia mecánica. Se la
utiliza para sellar imperfecciones de ladrillos.
2 Argamasa: La única diferencia que tiene con la tierra refractaria, es que
parte de las materias primas que la constituyen son previamente
calcinadas.
3 Mortero: Producto construido por la mezcla de argamasa con un elemento
ligante, que puede ser un cemento aluminio –cálcico, que en presencia de
agua le confiere a la mezcla una resistencia mecánica a temperatura
ambiente. Se lo utiliza como elemento ligante entre piezas conformadas de
material refractario.
48
4 Hormigón: Por medio de una granulometría más grande y un aglomerante
de propiedades hidráulicas adecuado, se pueden colar piezas monolíticas o
pre moldeados de forma tal que reemplacen a un número importante de
ladrillos.
5 Plástico: Es una mezcla de materias primas calcinadas, crudas (arcillas
muy plásticas) y agua. Pueden ser de endurecimiento al aire o al fuego. En
servicio adquiere una menor resistencia mecánica que el hormigón, pero es
más poroso lo que lo hace un mejor aislante.
6 Masa para proyectar: Es una masa refractaria húmeda que se aplica
mediante una máquina de proyección y queda adherida por impacto.
7 Masa para apisonar: Material refractario que se aplica en seco, mediante
repetidos golpes de una herramienta mecánica. De esta manera se logra
una elevada densidad lo que implica una mayor resistencia a la abrasión18.
4.4 CAL.
4.4.1 Usos de la cal en la construcción
Estabilización de Suelos
Elaboración de Mezclas
Elaboración de piezas de concreto
Restauración de Monumentos Históricos
Elaboración de pinturas e impermeabilizantes
Elaboración de adobes
18 INDUSTRIAS 1. Op. cit., p. 6.
49
4.4.2 Mezclas de cal.
Es la combinación de un conglomerante (cal), con arena que se utiliza para unir
elementos de construcción (Ladrillos, Bloques, Tabicón, Losetas, Tejas, etc.) entre
sí o con una base; así como también para recubrimientos exteriores e interiores de
muros y techos.19
4.4.3 Propiedades de los morteros de cal
1. En fresco
Retención de agua/aire
Trabajabilidad
Tiempo de fraguado lento
2. Endurecido
Adherencia
Resistencia al corte
Resistencia a la compresión
Mayor permeabilidad
Eflorescencia
Durabilidad20
4.4.4 Tipos de Mezclas
Tipo M: Es una mezcla de alta resistencia, usado en mampostería con o sin
reforzar sujeta a grandes cargas de compresión, acción severa a congelación,
altas cargas laterales de tierra, vientos fuertes o temblores. Debe usarse en
19 GRUPO CALIDRA, El uso de la cal en la construcción, Internet [En línea]. [Consultado 18 Abr.
2014], Disponible en <http://anfacal.org/media/Biblioteca_Digital/Construccion/Mezclas_Repellados_y_Stuccos/La_cal_en_la_construccion_2.pdf.pdf>, p 10.
20 GRUPO CALIDRA, El uso de la cal en las mezclas de albañilería, Internet [En línea].
[Consultado 19 Abr. 2014] Disponible en <http://anfacal.org/media/Biblioteca_Digital/Construccion/Mezclas_Repellados_y_Stuccos/EL_USO_DE_LA_CAL_EN_LAS_MEZCLAS.pdf>, p 1.
50
estructuras en contacto con el suelo como cimentaciones, muros de
contención, aceras, tuberías de agua servidas y pozos.
Tipo S: Alcanza alta resistencia a la adherencia. Se utiliza en estructuras
sujetas a cargas compresivas normales que requieran alta resistencia a la
adherencia, y cuando sea el único agente de adherencia con la pared; como
en revestimientos de terracota o baldosas de barro.
Tipo N: Mortero de propósito general utilizado en estructuras de mampostería
sobre el nivel del suelo. Bueno para recubrimientos internos y divisiones.
Mortero de mediana resistencia que presenta la mejor combinación entre
trabajabilidad y economía. Cuando las proporciones de cemento, cal y arena
tienen la relación 1:1:6 se pueden obtener valores hasta 195 kg/cm2 vs las
mezclas cemento y arena que alcanzan cerca de 126 kg/cm2 en ensayos de
laboratorio.
Tipo O: Mortero de baja resistencia y alto contenido de cal, utilizado en
paredes y divisiones sin carga, y en revestimientos exteriores que no está
expuesto a congelación cuando se humedece. Utilizado comúnmente en
residencias de uno y dos pisos, preferido por albañiles por tener excelente
trabajabilidad y bajo costo21
4.4.5 Resistencia a la compresión.
Es la fuerza que resiste una mezcla al ser sometida a carga en el eje vertical. Las
mezclas cemento-arena tienen alta resistencia inicial pero tienden a encogerse
después de endurecer provocando fisuras entre las juntas y el tabique lo que
21
GRUPO CALIDRA, El uso de la cal en la construcción, Internet [En línea]. [Consultado 18 Abr.
2014] Disponible en
<http://anfacal.org/media/Biblioteca_Digital/Construccion/Mezclas_Repellados_y_Stuccos/La_cal_e
n_la_construccion_2.pdf.pdf>, p 19.
51
ocasiona una pobre adherencia. Los morteros de recubrimiento hechos de
cemento muestran fisuras por contracción. Los morteros hechos con cal-arena
inicialmente tienen un fraguado más lento y una resistencia inicial menor lo que los
hace menos frágiles y a corto plazo más resistentes.
4.4.6 Permeabilidad
Es la resistencia de un material al paso del agua. Depende del grado de porosidad
del material. Si la relación de vacíos de un mortero es muy alta la posibilidad de
filtraciones será muy alta, si existen grietas o fisuras provocadas por la poca
adherencia o el fraguado rápido, se eleva la posibilidad de las filtraciones. La
manera de evitar esto es usando morteros con alto contenido de cal, ya que tiene
partículas muy pequeñas y rellena todas las grietas o fisuras.
La cal se carbonata y por lo tanto taponea los huecos por donde penetra el agua,
provee alta adhesión, lo que impide separaciones entre las unidades de las
mezclas; además tiene la propiedad de absorber la humedad
4.4.7 Durabilidad
Es la habilidad de una estructura para mantenerse estable en su apariencia
original, a través de los años. Basados solamente en la historia y por experiencias
empíricas podemos argumentar que los morteros de cal han durado lo que ningún
otro. Todas las construcciones antiguas (pirámides, catedrales, etc.) fueron
construidos con mortero de cal.
4.4.8 Protección a la salud y el medio ambiente
Un tema que a todos nos ocupa y preocupa, ya que el ambiente se va afectando
diariamente; por las emisiones de: las aguas negras, lluvia acida, los residuos de
metales pesados tóxicos, etc. La cal es uno de los remedios más eficientes en la
lucha contra la lenta muerte del ambiente así mismo, elaborando los morteros con
cal, se contribuye al mejoramiento del medio ambiente y se pueden evitar
52
enfermedades como la silicosis, producida por el alto contenido de sílice en los
cementos22
4.4.9 Ladrillos de cal y arena:
Estos son ladrillos silicocalcáreos, con 90 a 92 partes de arena por 8 a 10 partes
de cal. Para hacerlos, la cal se debe apagar mezclada con arena, en mezcladores
calentados por camisa de vapor; esto facilita la compresión de las piezas. El
moldeo de los ladrillos se hace en forma mecánica con equipos adecuados para
tal fin.
Los ladrillos que se obtienen poseen un color gris claro. Hay dos tipos de ladrillos:
Los refractarios, que son cocidos y fraguados a alta temperatura.
Los impermeables, que se les adiciona asfalto, alquitrán y otras sustancias
similares; requieren un amasado enérgico con maquinaria adecuada y
prensado; finalmente son endurecidos al vapor, adquieren un color oscuro,
y son compactos y muy resistentes23.
22
GRUPO CALIDRA, El uso de la cal en las mezclas de albañilería, Internet [En línea]. [Consultado
19 Abr. 2014] Disponible en
<http://anfacal.org/media/Biblioteca_Digital/Construccion/Mezclas_Repellados_y_Stuccos/EL_USO
_DE_LA_CAL_EN_LAS_MEZCLAS.pdf>, p 4.
23 MARTINEZ ALAS, Francisco, la cal y su uso en la construcción, Internet [En línea]. [Consultado
18 Abr. 2014] Disponible en < http://franciscomartinezalas.blogspot.com/2010/10/la-cal-y-su-uso-en-la-construccion-3.html>
53
5 METODOLOGÍA
Ya que el proyecto se basa en la fabricación y evaluación del comportamiento de
quince ladrillos refractarios fabricados a base de cenizas volantes extraídas de las
tolvas de los precipitadores electrostáticos de las calderas de la central Termozipa
a diferentes temperaturas, para determinar los cambios físicos que sufren los
elementos de prueba durante el ensayo. Es adecuado seguir una metodología de
revisión y análisis puesto que cada fase de este se acopla al planteamiento del
proyecto.
Por tanto la metodología será desarrollada teniendo en cuenta las fases a que se
describen a continuación, los pasos aquí descritos serán la base para la
evaluación de los ladrillos refractarios.
Fase de Análisis: Consiste en la recolección de información para el
planeamiento y desarrollo del proyecto teniendo en cuenta los trabajos
realizados tanto a nivel internacional como nacional desarrollados con las
cenizas volantes producto de la combustión del carbón en las centrales
termoeléctricas.
Fase de Fabricación: En esta fase se desarrollan todas las actividades
relacionadas con la producción de los ladrillos de prueba. Las actividades
se iniciaran con la recolección de las cenizas en las válvulas de descarga
de uno de los precipitadores electrostáticos de las caldera de la central
Termozipa, paso seguido se procederá a con la preparación de la mezcla
de los materiales que formaran parte del producto en este caso ceniza, cal
y melaza posteriormente se verterá la mezcla en los moldes de
dimensiones 228 mm x 64 mm x 114 mm, para ser prensados y lograr la
compactación del material.
54
Una na vez fraguados los ladrillos durante siete días se procederá a la
extracción del total de agua que estos aún posean mediante el sostenido de
los especímenes una temperatura de 120°C durante un periodo de 1 hora.
Fase de Prueba: En esta fase se someterán los grupos de ladrillos a las
temperaturas preestablecidas, las cuales serán de 550, 700, 850, 1000 y
1100 en una mufla eléctrica de la universidad distrital Francisco José de
Caldas, cada ladrillo se expondrá a esta temperatura durante un periodo de
5 horas de acero a lo especificado por la norma ASTM C113; durante este
periodo de tiempo se espera que el material experimente cambios en su
morfología.
Fase de Evaluación: En esta fase se evaluaran uno a uno los quince
ladrillos, la evaluación constara de una inspección visual la cual se centrara
en la búsqueda de grietas superficiales y cambios de forma de los ladrillos.
El criterio de aceptación del ladrillo para fines refractarios se basara en la
no presencia de grietas superficiales, las temperaturas de operación de los
ladrillos se dará de acuerdo al ladrillo sometido a la temperatura más alta
que no se haya fisurado.
Fase de Comparación: En esta fase se realizara una comparación de los
resultados obtenidos en la fase de evaluación de los ladrillos de prueba,
con las propiedades de algunos refractarios que se comercialicen en el
mercado nacional; para determinar una lista de las aplicaciones que
podrían tener los ladrillos fabricados en base a cenizas volantes de las
calderas de la central Termozipa en el ámbito industrial y doméstico.
55
6 FABRICACIÓN DE QUINCE LADRILLOS
6.1 DISEÑO Y FABRICACIÓN DEL MOLDE
Para la fabricación y prueba de los ladrillos refractarios fabricados con cenizas
volantes de las tolvas de los precipitadores electrostáticos de las calderas de la
central Termozipa se tendrá como estándar los parámetros exigidos por la norma
ASTM C 113 (STANDARD TEST METHOD FOR REHEAT CHANGE OF
REFRACTORY BRICK) para especímenes de prueba de ladrillos refractarios.
6.1.1 Parámetros de diseño norma ASTM C 113
La falta de uniformidad en las longitudes de las caras de los especímenes de
prueba hace difícil construir un elemento libre de concentradores de esfuerzo que
puedan afectar la integridad estructural del elemento durante el desarrollo de la
prueba. Para evitar este inconvenientes la ASTM (American Society for Testing
Materials) ha estandarizado las dimensiones los ladrillos a ser usados en el
ensayo para la determinación del cambio lineal permanente de ladrillos refractarios
como consecuencia del calentamiento en condiciones previamente establecidas.
Para la ejecución de la prueba la ASTM estipula hacer uso de especímenes
rectangulares de 9” por 41/2” por 21/2” o por 3” o las dimensiones
correspondientes en el sistema internacional (228 por 114 por 64 o 76 mm)24 de
tamaño. Si se desea hacer uso de formas más pequeñas, estas deben acercarse
a las anteriores dimensiones tan estrechamente como sea posible, también es
posible hacer uso de ladrillos comerciales de dimensiones superiores a las
especificadas o piezas de ensayo cortadas de formas más grandes.
La norma es flexible en cuanto a las dimensiones del ladrillo de prueba, para este
caso en particular la mufla con que cuenta la universidad y en la cual se desarrolló
la prueba no dispone de un volumen útil que pueda contener el ladrillo de las
24 ASTM, C 113, Standard Test Method for Reheat Change of Refractory Brick, 2014, p1.
56
dimensiones sugeridas por la norma; para tal fin las dimensiones finales de los
especímenes de prueba fueron ajustadas a 180 mm por 114 mm por 64 mm;
ciñéndose a de esta forma a las recomendaciones dadas por la norma en el
numeral 5.1.
Imagen 1: Dimensiones generales de los ladrillos, según ASTM C 113
Fuente: Autor
6.2 RECOLECCIÓN DE LA CENIZA
Para la recolección de las cenizas volantes se escogió la tolva número 2 del
primer campo del precipitador electrostático de la unidad 4; ya que durante una
revisión del control que realiza el equipo de laboratorio de la central se encontró
que esta unidad es la que contiene el menor porcentaje de inquemados de carbón
en la ceniza con un porcentaje del 15%.
Una vez escogida la tolva se procedió a realizar la recolección del material el cual
se extrae por la parte inferior de la tolva después de la válvula de cuchilla que da
57
paso a la tubería de transporte del material; la operación se realizó con la apertura
de una válvula de bola de 2” por la cual se extraen la muestras de cenizas para los
ensayos de laboratorio que realiza el personal de la central.
Imagen 2: Recolección de ceniza volante en tolva del precipitador electrostático
Fuente: Autor
6.3 GRANULOMETRÍA DE LOS COMPONENTES
La Escuela de Ingeniería de Minas, Energía y Materiales de Oviedo en su artículo
“Fabricación de materiales refractarios conformados” afirma que una gran cantidad
de las características físicas de los materiales refractarios se definen en gran
medida por la estructura granular del material. Situación especialmente relevante
en aquellos productos que son producidos sin o con bajo contenido de
aglomerante, como es el caso de los ladrillos de magnesia, ladrillos de chamota
dura y similares.
En general para la producción de materiales refractarios se necesita un mínimo de
dos componentes con granulometrías diferentes: una base la cual tiene como
característica una granulometría con valores altos y otra u otras destinadas con
58
valores de diámetro medio de partícula más bajos las cuales tienen la misión de
rellenar los huecos dejados entre las partículas del material base.
En las mezclas granulométricas binarias, que son las más frecuentes, la relación
de diámetros medios de partículas debe ser elevada (superior a 20). En
circunstancias normales se mezclan hoy en día cuatro fracciones de granulado:
grueso, medio, fino e impalpable, con los que se consiguen las propiedades
deseadas para el ladrillo.25
La Escuela de Ingeniería de Minas, Energía y Materiales de Oviedo asegura que
el tamaño base (Gruesos) de los materiales a mesclar influye en gran medida
sobre la resistencia térmica y mecánica de las piezas refractarias a producir y esta
debe ser materia de estudio en cada caso, pero como recomendación general, al
crecer el tamaño base es mayor la resistencia piroscópica, pero también lo es la
porosidad y menor la resistencia mecánica por lo tanto en la práctica se encuentra
que el tamaño de grano base suele estar comprendido entre valores de 1 y 5 mm.,
según los casos.
6.4 DETERMINACIÓN DEL PORCENTAJE DE CADA UNO DE LOS
COMPONENTES DE LA MEZCLA PARA LA PRDUCCIÓN DE LOS
LADRILLOS
Para llegar a determinar el porcentaje que tendría cada uno de los materiales, en
este caso la ceniza, cal y melaza en la mezcla se adelantó un proceso de
aproximación mediante el uso de datos recopilados de estudios anteriores
realizados con cenizas volantes de la central Termozipa, experiencias a nivel
mundial y la experimentación del autor.
25 UNIVERSIDAD DE OVIEDO, Introducción, lección 3 fabricación de materiales refractarios
conformados, [En línea]. [Consultado 11 Abr. 2014] Disponible en <
http://www6.uniovi.es/usr/fblanco/Refractarios.Leccion3.FabricacionProductosREFRACTARIOS.pdf
>
59
Este proceso se adelantó con el fin de tener una base documental del proceso de
escogencia de los porcentajes que se asignaran finalmente y poder tener una
mayor probabilidad de éxito durante las pruebas que se iban a realizar una vez
producidos los ladrillos refractarios.
6.4.1 Recolección de información estudios anteriores con cenizas volantes de
Termozipa
En el año de 1993 la ICEL y UNIVALLE realizaron trabajos de obtención de
ladrillos cerámicos con el aprovechamiento de las cenizas volantes y de fondo de
las calderas de varias centrales termoeléctricas del país que hacen uso de carbón
como combustible de trabajo. Los estudios arrojaron como resultado una serie de
datos que dan un punto de partida para los porcentajes de mezcla de materiales;
uno de los aportes importantes para este proyecto es uno de los argumentos
expuestos en el informe ejecutivo del estudio “Utilización y/o disposición de
residuos sólidos de la combustión del carbón en las centrales térmicas de Paipa,
Zipaquirá, Guajira y tasajero” de septiembre 30 de 1993.
El mantener los inquemados por debajo del 3.5% garantiza órdenes
resistentes de 8.0 MPa (80 Kg/cm2), valor especificado por la norma
ICONTEC 451 para ladrillos del tipo III para contenidos de arcilla del 30%.
Un incremento al doble (60%) en la cantidad de arcilla mejora
sensiblemente el comportamiento resistente para un contenido dado de
carbón inquemado en la ceniza de fondo26.
La afirmación realizada por estos dos entes después de realizada una serie de
ensayos de laboratorio ya daban indicios de las proporciones que deberían usarse
en la producción ladrillos, de esto podemos extraer que la cantidad de
inquemados en las cenizas volantes generan problemas de resistencia mecánica
de los materiales, caso que se puede mejorar si se aumenta el porcentaje de
arcilla en la mezcla.
De este mismo documento de ICEL y UNIVALLE se puede traer a contexto otro
párrafo que describe el comportamiento y cambios en la resistencia de los ladrillos
con valores numéricos que exponen el inconveniente de los altos porcentajes de
inquemados en los ladrillos.
26
ICEL - UNIVALLE, Informe ejecutivo del estudio “utilización de y/o disposición de residuos
sólidos de la combustión del carbón en las centrales térmicas de Paipa, Zipaquirá, Guajira y
Tasajero, Santiago De Cali septiembre 30 de 199, p 33,
60
Se aprecia una reducción sensible en el comportamiento mecánico de los
ladrillos con el incremento de carbón no quemado en la ceniza. El orden de
disminución de resistente es de 1.0 MPa (10 Kg/cm2) por cada 1% en la
perdida por ignición en el rango entre 0% y 10% de material inquemado27.
Se evidencia que porcentajes altos del nivel de inquemados en la composición
química producen grandes impactos en el desempeño de la ceniza como materia
prima en la producción de elementos estructurales debido a que ocasiona la
perdida de resistencia mecánica de los elementos.
Para tener certeza de los argumentos expuestos por ICEL Y UNIVALLE durante
su fase de estudio de las cenizas volantes, se generó la idea de realizar una
prueba inicial con una muestra de cinco ladrillos que serían probados a cada una
de las diferentes temperaturas propuestas en el proyecto para identificar las
posibles afectaciones que acarrea el uso de porcentajes altos de cenizas volantes
en la mezcla propuesta para la producción de ladrillos refractarios.
6.4.2 Prueba de acercamiento con cinco ladrillos, con porcentaje de participación
de la ceniza volante superior al 50% para la obtención de datos de
referencia que ayuden a la identificación del balance ideal de la mezcla
Con esta prueba inicial se buscaba identificar el comportamiento de los ladrillos
con porcentajes de ceniza superiores al 50% y constatar si se presentaban los
problemas encontrados por ICEL – UNIVALLE en 1993.
Como parte de la búsqueda del balance ideal de la proporción de componentes se
planteó ejecutar la prueba inicial con la participación de cada uno de los elementos
dentro de la mezcla así: Cenizas volantes producto de la combustión del carbón
en la caldera de la unidad cuatro 85%, cal 10%, melaza 5% y adición de un litro de
agua por cada 10 Kg de mezcla. Ya que lo que se busca con el proyecto es hacer
uso de la mayor cantidad de ceniza volante que sea posible para la producción de
ladrillos refractarios.
Las pruebas realizadas con los porcentajes establecidos anteriormente
contemplaron la fabricación de cinco especímenes de prueba los cuales serían
probados a temperaturas de 550, 700, 850, 1000 y 1100 grados Celsius para
posteriormente inspeccionarlos visualmente e identificar los problemas que
27
ICEL - UNIVALLE, Informe ejecutivo del estudio “utilización de y/o disposición de residuos
sólidos de la combustión del carbón en las centrales térmicas de Paipa, Zipaquirá, Guajira y
Tasajero, Santiago De Cali septiembre 30 de 199, p 34
61
pudieran presentarse y extraer la mayor cantidad de información posible que fuera
aprovechable en la determinación de los porcentajes finales de mezcla.
La recolección de ceniza se realiza de la tolva número dos del precipitador
electrostático de la unidad 4 ya que esta unidad es la que presenta menor
porcentaje de inquemados y así se sigue las recomendaciones de estudios
anteriores de tener como base una ceniza volante con bajos contenidos de
inquemados.
La de producción de los cinco especímenes de prueba se inició con el cribado de
la materia prima, para este caso la ceniza y la cal, este proceso se adelantó con
tamices de aperturas de 9,5 mm y 6,3 mm.
Continuando con la producción de los ladrillos de prueba se procede a pesar cada
uno de los materiales para realizar la distribución de los porcentajes determinados
con anterioridad.
Posteriormente a la dosificación de los materiales se vierten en un recipiente para
dar inicio a la mezcla, la combinación de los materiales se realiza de forma manual
hasta obtener una masa maleable que adopte la forma del molde. Una vez
culminada la fase de mezcla de los componentes se inició el proceso de moldeo
de los ladrillos.
Imagen 3: Especímenes de prueba inicial listos para el fraguado
Fuente: Autor
Tal cual como se había estipulado en la metodología los cinco ladrillos se dejaron
fraguar durante siete días para que estos perdieran el exceso de agua y adquieran
la resistencia suficiente para ser almacenados y transportados hasta el sitio donde
se realizara el proceso de sometimiento de los ladrillos a las temperaturas ya
preestablecidas
62
6.4.3 Caracterización dimensional de los ladrillos de prueba.
El dimensionamiento y metrología de cada uno de los ladrillos de prueba se realizó
conforme a los requerimientos exigidos por la norma ASTM C C134 “Métodos de
prueba para el tamaño, mediciones dimensionales, y la densidad aparente de
ladrillo refractario y aislante. Las mediciones fueron realizadas con un calibrador
pie de rey starret con calibración vigente, el cual cuenta con una precisión de 0.02
mm; el proceso de metrología de las piezas se desarrolló mientras se tenía una
temperatura ambiente de 15 °C.
Imagen 4: Levantamiento metrológico de los especímenes de prueba
Fuente: Autor
A continuación se presentan las tablas correspondientes al proceso de metrología
de cada uno de los ladrillos; la marcación numérica se distribuye de la siguiente
manera, el ladrillo número uno es el espécimen que fue probado a una
temperatura de 550 °C y así sucesivamente con los demás
63
Tabla 5: Levantamiento metrológico de los especímenes de prueba
DIMENSIONES GENERALES ESPECIMENES DE PRUEBA
Ladrillo Longitud 1
(mm)
Longitud 2
(mm)
Ancho 1
(mm)
Ancho 2
(mm)
Espesor
1 (mm)
Espesor 2
(mm)
1 228,06 228,00 114,04 113,98 64,04 65,02
2 227,04 228,00 114,02 114,00 65,98 66,00
3 228,04 228,06 114,04 114,02 65,98 66,02
4 228,00 228,06 114,02 114,00 66,02 65,98
5 227,04 228,08 114,02 113,98 66,04 66,02
Fuente: Autor
6.4.4 Prueba de calentamiento de los cinco ladrillos fabricados
La prueba realizada a estos cinco especímenes se adelantó con un laboratorio
externo al de la universidad distrital, para tal fin se hizo uso de los laboratorios de
la compañía tratar.
El desarrollo del ensayo contempló realizar una eliminación total del agua que
estos pudieran contener almacenada después del fraguado, para lograr este
cometido durante la ganancia de temperatura de los especímenes se estableció
un sostenido durante un periodo de una hora a una temperatura de 120°C ya que
el agua residual puede alterar parámetros durante el proceso de calentamiento u
ocasionar fracturas a los ladrillos durante los cambios acelerados de temperatura
a los que serán sometidos.
Imagen 5: Introducción de los ladrillos de prueba inicial al horno para el inicio de la prueba
Fuente: Tratar S.A
64
6.4.5 Evaluación de los cambios morfológicos de acuerdo a la norma ASTM C
113 (standard test method for reheat change of refractory brick).
El desempeño de los ladrillos refractarios con un 85% de ceniza volante en su
composición fue aceptable ya que de los cinco especimenes sometidos a la
prueba tres conservaron su geometria incicial una vez termino la prueba tal como
lo podemos apreciar en la siguiente imagen.
Imagen 6: Ladrillos de prueba inicial después del calentamiento a las diferentes temperaturas
Fuente: Autor
6.4.5.1 Ladrillo sometido a temperatura de 550 ° c
Inspección visual:
El ladrillo no presenta grietas o fisuras en ninguna de sus caras
Se conserva la geometría inicial de cada una de sus aristas
No se encontraron perdidas de secciones de material
Se evidencio un cambio en el tono del ladrillo de un color negro a un color
gris tenue
El ladrillo conservo su geometría inicial y no presento cambios en su morfología
que deban ser destacados o que impliquen un motivo de rechazo para la posible
utilización en proceso industriales o domésticos, tal aseveración se puede
evidenciar en la siguiente imagen.
65
Imagen 7: Vista general del ladrillo de prueba inicial 1 sometido a 550 °C
Fuente: Autor
Levantamiento metrologico:
Las dimensiones tomadas y calculo de la defoemación lineal permanente se
muestra en la siguiente tabla.
Tabla 6: Dimensiones finales del ladrillo de prueba 1
CAMBIO LINEAL PERMANENTE LADRILLO PROBADO A 550 ° C
Dimensión Dimensión Inicial (mm) Dimensión Final (mm) Cambio lineal
permanente (%)
Largo1 228,05 229 0,00415
Largo 2 228 228 0,00000
Ancho 1 114,04 114,07 0,00026
Ancho 2 113,98 114 0,00018
Espesor 1 64,04 66,06 0,00060
Espesor 2 65,02 65,98 0,014
Fuente: Autor
Como se puede apreciar en la tabla anterior el máximo cambio lineal permanente
se efectuó en la longitud 1 la cual presenta un valor del 0.00415%.
66
6.4.5.2 Ladrillo sometido a temperatura de 700 ° c
Inspección visual:
El ladrillo no presenta grietas o fisuras en ninguna de sus caras
El ladrillo presenta la perdida de línea en tres de sus aristas
No se encontraron perdidas de secciones de material
Se evidencio un cambio en el tono del ladrillo de un color negro a un color
gris tenue
El ladrillo conserva la geometría inicial, se presentó una perdida en la línea de tres
de sus aristas problema que pudo ser causado durante el proceso de transporte
de los especímenes entre sitios.
Imagen 8: Vista general del ladrillo de prueba 2 sometido a 700 °C
Fuente: Autor
Levantamiento metrologico:
Las dimensiones tomadas y cálculo de la deformación lineal permanente se
muestra en la siguiente tabla.
67
Tabla 7: Dimensiones finales de ladrillo de prueba 2
CAMBIO LINEAL PERMANENTE LADRILLO PROBADO A 700 ° C
Dimensión Dimensión Inicial (mm) Dimensión Final (mm) Cambio lineal
permanente (%)
Largo1 227,05 229 0,00852
Largo 2 228 228,05 0,00022
Ancho 1 114,01 115 0,00861
Ancho 2 114,02 114,08 0,00053
Espesor 1 65,98 66,06 0,0012
Espesor 2 66,02 66,06 0,00060
Fuente: Autor
De acuerdo con los resultados obtenidos después del levantamiento metrológico
se aprecia que máximo cambio lineal permanente se efectuó en el ancho 1 el cual
fue de 0.00861% con respecto a su dimensión inicial.
6.4.5.3 Ladrillo sometido a temperatura de 850 ° C
Inspección visual:
El ladrillo no presenta grietas o fisuras en ninguna de sus caras
Se presenta el desprendimiento de una sección de material en dos de sus
esquinas.
Las aristas perdieron pequeños trozos de material lo que ocasiono la
perdida de linealidad de las mismas
Se evidencio un cambio en el tono del ladrillo de un color negro a un color
gris tenue
A pesar del desprendimiento de dos secciones de material en dos de sus esquinas
y la perdida de linealidad en sus aristas se puede apreciar que el ladrillo no
presenta grandes cambios de forma; el problema de desprendimiento de la
secciones pudo verse influenciado por fisuras o bolsas de aire que se crearon
durante el moldeo de la pieza y una vez sometido a los cambio de temperatura
generaron el fraccionamiento de parte del material. En términos generales el
espécimen no presenta fisuras que pongan en riesgo su estabilidad estructural y
que sean motivo para el rechazo del ladrillo.
68
Imagen 9: Vista general del ladrillo de prueba 3 sometido a 850 °C
Fuente: Autor
Levantamiento metrologico:
Las dimensiones tomadas y cálculo de la defoemación lineal permanente se
muestra en la siguiente tabla.
Tabla 8: Dimensiones finales del ladrillo de prueba 3
CAMBIO LINEAL PERMANENTE LADRILLO PROBADO A 850 ° C
Dimensión Dimensión Inicial (mm) Dimensión Final (mm) Cambio lineal
permanente (%)
Largo1 228,05 230,05 0,00869
Largo 2 228,05 231,05 0,01298
Ancho 1 114,04 115,12 0,00938
Ancho 2 114,02 115,13 0,00964
Espesor 1 65,98 66,08 0,0015
Espesor 2 66,02 66,10 0,0012
Fuente: Autor
Con los resultados obtenidos después del proceso de metrología del espécimen
se puede concluir que el elemento no sufrió grandes cambios en sus dimensiones
lo cual es fácilmente justificable al destacar que el cambio más representativo
sufrido por el ladrillo fue en la longitud 2 y la cual tuvo un valor de 0.0129% con
respecto a su longitud inicial.
69
6.4.5.4 Ladrillo sometido a temperatura de 1000 ° c
Inspección visual:
El ladrillo presenta grietas profundas en todas sus caras las cuales en
algunos casos atraviesan la totalidad de la pieza.
Se presenta una perdida en la linealidad de las aristas causadas por el
desprendimiento de trozos de material
A pesar de la gran cantidad de grietas presente en todo el ladrillo e
fraccionamiento de algunas secciones de material se puede apreciar la forma del
espécimen; como prueba se realzó una medida de la longitud y se encontró que
es muy similar a la dimensión inicial esto se puede apreciar en la siguiente
imagen.
Debido a la gran cantidad de grietas y la severidad de los daños causados al
elemento por estas se concluye que el ladrillo es rechazado ya que no cumple con
el parámetro de evaluación fijado en el inicio que contempla que los ladrillos no
deben tener grietas ya que este problema si afecta la estabilidad estructural del
elemento.
Imagen 10: Vista general del ladrillo de prueba 4 sometido a 1000 °C, medición de longitud
Fuente: Autor
70
6.4.5.5 Ladrillo sometido a temperatura de 1040 ° C
Inspección visual:
El ladrillo presenta grietas profundas en todas sus caras
Se perdió la continuidad de sus aristas
Se presentan fragmentaciones de gran tamaño es tal el daño que el
elemento se seccionó en cuatro partes.
En la siguientes imágenes se puede apreciar de manera detallada la
fragmentación que sufrió el ladrillo de prueba número cinco durante el
sometimiento a la temperatura de 1040 °C, La elevada temperatura causo una
grieta transversal del elemento, aproximadamente en su zona central el cual
produjo un división del ladrillo en dos secciones, adicionalmente a esto, también
se aprecia una rotura diagonal en una de sus esquinas lo cual produce el
desprendimiento de una sección de material de aproximadamente el 20%.
Imagen 11: Vista general del ladrillo de prueba 5 sometido a 1040 °C, medición de longitud
Fuente: Autor
De acuerdo a lo anterior se concluye que la mezcla de ceniza, cal y melaza en las
proporciones establecidas para el acercamiento inicial no cumple con los
requerimientos necesarios para ser usados como materia prima en la fabricación
de ladrillos refractarios que deban ser sometidos a temperaturas del orden de los
1100 °C que es la temperatura que se desea alcanzar.
71
6.5 ASIGANACIÓN DE PORCENTAJES DE PARTICIPACIÓN A LOS
COMPONNTES EN LA MEZCLA PARA LOS LADRILLOS REFRACTARIOS
FABRICADOS CON CENIZAS VOLANTES.
La asignación de los porcentajes de participación de cada uno de los
componentes en la mezcla para la producción ladrillos refractarios que soporten
los 1100 °C fue determinada teniendo en cuenta los resultados obtenidos durante
la prueba inicial con cinco ladrillos con una concentración de 85% de cenizas
volantes 10% de cal y 5% de melaza y el estudio de ICEL - UNIVALLE.
Las pruebas realizadas a estos ladrillos arrojaron resultados prometedores como
parte del proceso de acercamiento a la mezcla optima ya que con los valores
anteriormente mencionados se logró que los especímenes soportaran una
temperatura de 850 °C conservando la mayor cantidad de propiedades.
Del estudio de CIEL – UNIVALLE se acepta que la gran cantidad de inquemados
de carbón en las cenizas afectan las propiedades de los elementos fabricados
como se pudo apreciar en la prueba realizada a los cinco ladrillos con 85% de
cenizas volantes; que si se incrementa el porcentaje de arcilla al 60% en la mezcla
se logra una ganancia de propiedades mecánicas y se estabiliza el elemento. De
este mismo estudio se rescata que por cada 1% de inquemados en las cenizas
volantes se pierde 1 MPa de resistencia en los ladrillos.
Po lo tanto y teniendo como base los estudios realizados por ICEL – UNIVALLE y
las pruebas iniciales a los cinco especímenes, el autor define la composición de la
mezcla así: Cenizas volantes producto de la combustión del carbón en la caldera
de la unidad cuatro 50% ya que este valor es cercano al expuesto en el estudio de
1193, cal 45% como agente estabilizante de la mezcla y que permite reducir el
porcentaje de inquemados en la mezcla y ganar propiedades mecánicas como se
menciona en el numeral 6.4.1 y melaza 5% como aglomerante de los dos
anteriores.
72
6.6 MOLDEO DE LOS LADRILLOS
El proceso de fabricación de los ladrillos se inicia con el tamizado de la materia
prima para este caso la ceniza y la cal, este proceso se llevó a cabo utilizando una
tamizadora de marca Pinzuar; a la cual se le instalaron dos tamices de aberturas
correspondientes a 9,5 mm y 6,3 mm todo con el fin de garantizar una
granulometría uniforme de los dos materiales y seguir las recomendaciones dadas
por La Escuela de Ingeniería de Minas, Energía y Materiales de Oviedo
Imagen 12: Tamizadora y tamices usados
Fuente: Autor
Imagen 13: Resultado del tamizado de la ceniza y cal
Fuente: Autor
73
Continuando con la producción de los ladrillos de prueba se procede a pesar cada
uno de los materiales para realizar la distribución de los porcentajes determinados
con anterioridad.
Posteriormente a la dosificación de los materiales se vierten en un recipiente para
dar inicio a la mezcla, La combinación de los materiales se realiza de forma
manual adicionando un litro de agua por cada diez kilogramos de mezcla de
ceniza, cal y melaza.
Cuando se logra la consistencia adecuada de la mezcla esta se vierte en el molde
para dar forma a los especímenes de prueba, durante el vaciado de mezcla en el
molde se hace necesario ir ejerciendo presión sobre la masa para que esta vaya
ocupando todo el volumen del molde y evitar así las aparición de bolsas de aire o
falta de material en las esquinas o aristas de los ladrillos, problemas que se
evidenciaran más tarde en el proceso de desmoldeo y de presentarse harán
necesario repetir el proceso hasta que se logre un ladrillo con las aristas bien
definidas.
Este procedimiento debe repetirse para cada uno de los ladrillos, esto con el fin
de garantizar que todos los especimenes posean iguales caracteristicas y el unico
factor diferente que influya en el desempeño de los ladrillos sea la temperatura a
la cual van ha ser sometidos; en la imagen nueve se pueden apreciar los
especimenes una ves listos para iniciar el proceso de fraguado.
74
Imagen 14: Especímenes de prueba listos para el fraguado
Fuente: Autor
Tal cual como se había estipulado en la metodología, los ladrillos se dejaron
fraguar durante siete días para que estos pierdan el exceso de agua y adquieran
la resistencia suficiente para ser almacenados y transportados hasta el sitio donde
se realizara el proceso de sometimiento de los ladrillos a las temperaturas ya
preestablecidas.
6.7 METROLOGÍA DE LOS LADRILLOS
El dimensionamiento y metrología de cada uno de los ladrillos de prueba se realizó
conforme a los requerimientos exigidos por la norma ASTM C 134 “Métodos de
prueba para el tamaño, mediciones dimensionales, y la densidad aparente de
ladrillo refractario y aislante firebrick”.
Para realizar la medición de los ladrillos, se inicia con la identificación de cada una
de las piezas asignándoles un número del uno al quince el cual es estampado en
una de las caras y adicionalmente se dibujó una flecha en dirección de uno de sus
75
extremos la cual sirve como referencia para diferenciar las medidas del espesor
del ladrillo.
Imagen 15: Calibrador usado para el levantamiento metrológico
Fuente: Autor
Las mediciones fueron realizadas con un calibrador pie de rey starret con
calibración vigente, el cual cuenta con una precisión de 0.02 mm; el proceso de
metrología de las piezas se desarrolló mientras se tenía una temperatura ambiente
de 18 °C.
76
Imagen 16: Levantamiento metrológico de los especímenes de prueba
Fuente: Autor
A continuación se presentan las tablas correspondientes al proceso de metrología
de cada uno de los ladrillos, el número uno en las dimensiones de ancho y largo
hacen referencia a las medidas tomadas por la cara que se encuentra estampado
el número de identificación del ladrillo, para el caso de las dimensiones del
espesor el número uno hace referencia a la medida tomada en el sentido que
apunta la flecha estampada junto al número de identificación del ladrillo.
77
Tabla 9: Levantamiento metrológico de los especímenes de prueba
DIMENSIONES GENERALES ESPECIMENES DE PRUEBA
Ladrillo Longitud 1
(mm)
Longitud 2
(mm)
Ancho 1
(mm)
Ancho 2
(mm)
Espesor
1 (mm)
Espesor 2
(mm)
1 179,72 180,32 116.02 113,08 66,98 65,04
2 180,22 180,08 116,02 118,46 62,14 62,52
3 179,9 181,72 115,52 113,72 65,66 64,68
4 179,16 180,06 115,96 115,02 64,52 66,04
5 179,62 179,72 115,92 115,62 64,72 66,68
6 178,52 178,32 118,58 116,92 63,02 64,62
7 180 181,42 115,98 117,28 63,1 64,42
8 178,72 179,62 110,82 114,42 64,58 65,44
9 179,32 178,62 118,9 116,3 61,02 62,04
10 180,82 180,06 115,44 113,1 66,26 63,32
11 179,62 179,6 118,94 115,02 67,42 63,84
12 180,06 179,72 119,04 116,72 64,82 61,64
13 180,34 181,42 115,74 114,08 67,36 65,5
14 179,42 179,18 116,24 117,72 62,92 63,74
15 180,12 179,82 111,32 115,28 65,52 65,32
Fuente: Autor
78
7 LA POROSIDAD APARENTE, ABSORCIÓN DE AGUA, GRAVEDAD
ESPECÍFICA APARENTE Y LA DENSIDAD APARENTE DE LOS LADRILLOS
REFRACTARIOS
La porosidad aparente, la absorción de agua, la gravedad específica aparente y la
densidad aparente son propiedades primarias de los ladrillos y diversas formas de
refractarios. Estas propiedades son ampliamente utilizadas en la evaluación, la
comparación de la calidad del producto, en el marco de los criterios para la
selección y uso de productos refractarios en una variedad de aplicaciones
industriales.
Para determinar las propiedades anteriormente mencionadas la ASTM ha
establecido los procedimientos a seguir así como las dimensiones de las probetas
a usar durante el desarrollo de la prueba en la norma ASTM C20 la cual fue la
guía para el desarrollo de las mismas en este proyecto.
Los métodos de ensayo descritos en la norma ASTM C20 son métodos
estándares primarios adecuados para su uso en el control de calidad,
investigación y desarrollo, el establecimiento de criterios para la evaluación y el
cumplimiento de las especificaciones.
7.1 PROBETAS DE PRUEBA
Cuando la prueba se realiza con especímenes de ladrillo de 9-in. (228 mm) de
largo, utilice probetas de cuartos de ladrillo las cuales se extraen al reducir a la
mitad el ladrillo a lo largo de un plano paralelo al 9-in por 2-1/2-in o 3-in. (228 por
64 o 76 mm) y la cara a lo largo de un plano paralelo a la 4-1/2- in por 2-1/2 o 3-in.
(114 por 64 o 76-mm)28 cara. Al concluir los dos cortes de sección cada una de las
probetas resultantes de este proceso deben tener una parte de las caras
moldeadas del ladrillo original.
28
Ibíd., p,55
79
Una vez culminado el proceso de corte del ladrillo para la producción de las
probetas se elimina todas las partículas que se adhieren libremente de cada
ejemplar.
Imagen 17: Probetas para prueba de porosidad aparente, absorción de agua, gravedad específica aparente y densidad aparente
Fuente: Autor
7.2 PROCEDIMIENTO
7.2.1 Toma del peso en seco, D:
Para determinar el peso en seco de las muestras de ensayo es necesario llevar
las probetas hasta un peso constante por medio de calentamiento, el cual debe
estar entre el rango de 220 a 230 ° F (105 - 110 ° C), una vez realizado este
proceso de secado se procede a determinar el peso seco, D, en gramos con un
equipo de que posea una sensibilidad de 0,1 g29.
29
ASTM, C20, Standard Test Methods for Apparent Porosity, Water Absorption, Apparent Specific
Gravity, and Bulk Density of Burned Refractory Brick and Shapes by Boiling Water, 2010, p2.
80
El secado de las muestras a un peso constante y la determinación de su peso en
seco se pueden realizar ya sea antes o después de la operación de saturación
descrito en la sección 6 de la norma. Por lo general el peso en seco se determina
antes de la saturación. Sin embargo, si los especímenes son fiables o se evidencia
que las partículas no se desatan durante la operación de saturación, el proceso de
secar y pesar los especímenes se puede llevar acabo después de la toma del
peso suspendido, S, y el peso saturado, W.
Tabla 10: Peso en seco, D para prueba de porosidad aparente, absorción de agua, gravedad específica aparente y densidad aparente
PESO SECO D
Probeta Peso en g
1 682,3
2 706,7
3 644,2
4 663,9
Fuente: Autor
7.2.2 Saturación de las probetas
El proceso de saturación se lleva acabo colocando las probetas en agua y dejar
hervir durante 2 horas. Durante el período de ebullición, los especímenes se
deben mantener totalmente cubiertos con agua, y no permitir ningún contacto de
los mismos con la parte inferior del recipiente que se encuentra expuesta al fuego.
81
Imagen 18: disposición de las probetas de prueba dentro del recipiente para la saturación
Fuente: Autor
Después del período de ebullición, se dejan enfriar las muestras de prueba a
temperatura ambiente mientras todavía se encuentran completamente cubiertas
de agua. Estas deben mantenerse sumergidas en agua durante un tiempo mínimo
de 12 horas antes de realizar la pesada.
Imagen 19: Probetas en proceso de saturación
Fuente: Autor
82
7.2.3 Peso suspendido, S:
El peso suspendido S se define como el peso de cada una de las probetas tomado
mientras estas se encuentran sumergida en agua; asegurándose que el
espécimen no haga contacto con ninguna de las superficies que contiene el agua.
Para la medida de este peso se requiere de un equipo que cuente con una
sensibilidad de 0,1g.
Este pesaje por lo general se lleva a cabo mediante la suspensión del espécimen
por medio de un cordel al gancho de una balanza. La balanza deberá ser
previamente calibrada. A continuación en la tabla 21 se presentas los resultados
obtenidos del pesaje de las probetas.
Tabla 11: Peso suspendido (S)
PESO SUSPENDIDO S
Probeta Peso en g
1 525,8
2 548,4
3 503,6
4 515,1
Fuente: Autor
83
Imagen 20: Toma de peso suspendido
Fuente: Autor
7.2.4 Peso Saturado, W
Una vez determinado el peso suspendido de las probetas, Se extraen los
especímenes de prueba del agua y se procede a secar cada uno con un lino
suave ligeramente humedecido o un paño de algodón para quitar todas las gotas
de agua de la superficie y determinar el peso saturado, W;
La operación de secado se realiza rodando el espécimen ligeramente sobre el
paño mojado, que ha sido previamente saturado con agua, a continuación, se
presiona sólo lo suficiente para eliminar el agua que gotea de la probeta, la
presión que se ejerce sobre los especímenes no debe ser excesiva ya que se
puede retirar agua delos poros lo cual induce un error en la prueba.
84
Tabla 12: Peso saturado (W)
PESO SATURADO W
Probeta Peso en g
1 931,8
2 975,1
3 887,5
4 913,6
Fuente: Autor
Imagen 21: Toma de peso saturado W
Fuente: Autor
7.3 VOLUMEN EXTERIOR
Para el cálculo del volumen exterior de las probetas, (V), este se halla restando el
valor del peso suspendido al valor del peso saturado, de la siguiente manera:
V, cm3 = W - S30
30
Ibíd., p, 79
85
NOTA: Esto supone que 1 cm3 de agua pesa 1 g. Esto es cierto dentro de
aproximadamente 3 partes en 1000 para el agua a temperatura ambiente.
7.3.1 Volumen exterior probeta 1
V = 931,8 cm3 – 525,8 cm3
V = 406 cm3
7.3.2 Volumen exterior probeta 2
V = 975,1 cm3 – 548,4 cm3
V = 426,7 cm3
7.3.3 Volumen exterior probeta 3
V = 887,5 cm3 – 503,6 cm3
V = 383,9 cm3
7.3.4 Volumen exterior probeta 4
V = 913,6 cm3 – 515,1 cm3
V = 398,5 cm3
7.4 VOLUMEN DE POROS ABIERTOS
Para el cálculo del volumen de los poros abiertos del ladrillo se debe aplicar la
nota del numeral 7.3 y se aplica la ecuación de la siguiente manera:
Volumen de poros abiertos, cm3 = W – D31
31
Ibíd., p, 79
86
7.4.1 Volumen de poros abiertos probeta 1
V = 931,8 cm3 – 682,3 cm3
V = 249,5 cm3
7.4.2 Volumen de poros abiertos probeta 2
V = 975,1 cm3 – 706,7 cm3
V = 268,4 cm3
7.4.3 Volumen de poros abiertos probeta 3
V = 887,5 cm3 – 644,2 cm3
V = 243,3 cm3
7.4.4 Volumen de poros abiertos probeta 4
V = 913,6 cm3 – 663,9 cm3
V = 250 cm3
7.4.5 Volumen de poros abiertos de los ladrillos fabricados con cenizas volantes
de la central Termozipa
Para el volumen de los poros abiertos de los ladrillos usamos la ecuación de la
media (�̅�).
�̅� =1
𝑛∑ 𝑎𝑖 =
𝑎1 + 𝑎2 + ⋯ + 𝑎𝑛
𝑛
𝑛
𝑖=1
B = (249,5 cm3 + 268,4 cm3 +243,3 cm3 + 250 cm3)
4
87
B = 252,8 cm3
El volumen de poros abiertos de los ladrillos fabricados con cenizas volantes
producto de la combustión del carbón en central Termozipa es de 252,8 cm3
7.4.6 Desviación estándar de la muestra
Para determinar la fluctuación de los datos obtenidos de la prueba de volumen de
secciones impermeables de los ladrillos refractarios con respecto a la media
usamos como indicador la desviación estándar:
𝜎 = √1
𝑁 − 1∑ (𝑥𝑖 − �̅�)2
𝑁
𝑖=1
𝜎 = √1
4−1[(249,5 − 252,8)2 + (268,4 − 252.8)2 + (243,3 − 252,8)2 + (250 −
252,8)2]
𝜎 = 8,42
Para este ensayo se encontró que la desviación estándar entre los datos
obtenidos presenta una fluctuación de 8,42 cm3 lo cual equivale a una variación
del 3,3 % con respecto a la media muestral
7.4.7 Consolidación de resultados
A continuación se presenta la tabla resumen de los resultados obtenidos una vez
realizada la prueba y cálculos del volumen de poros abiertos para la muestra de
ladrillos refractarios fabricados con cenizas volantes de la central Termozipa, en
esta se muestran los datos obtenidos en cada una de la probetas, la media
muestral y la desviación estándar del ensayo.
88
Tabla 13: Datos consolidados ensayo de volumen de poros abiertos
volumen de poros abiertos
Probeta (cm3) media Desviación estándar
1 249,5
252,8 8,42 2 268,4
3 243,3
4 250
Fuente: Autor
7.5 VOLUMEN DE SECCIONES IMPERMEABLES
Para el cálculo del volumen de las secciones impermeables del ladrillo se debe
hacer uso de la nota del numeral 7.3 y se aplica la ecuación de la siguiente
manera:
Volumen de secciones impermeables, cm3 = D - S32
7.5.1 Volumen de secciones impermeables probeta 1
V = 682,3 cm3 – 525,8 cm3
V = 156,5 cm3
7.5.2 Volumen de secciones impermeables probeta 2
V = 706,7 cm3 – 548,4 cm3
V = 158.3 cm3
7.5.3 Volumen de secciones impermeables probeta 3
V = 644,2 cm3 – 503,6 cm3
V = 140,6 cm3
32
Ibíd., p, 79
89
7.5.4 Volumen de secciones impermeables probeta 4
V = 663,9 cm3 – 515,1 cm3
V = 148,8 cm3
7.5.5 Volumen de secciones impermeables de los ladrillos fabricados con cenizas
volantes de la central Termozipa
Para determinar el volumen de secciones impermeables de los ladrillos usamos la
ecuación de la media (�̅�).
�̅� =1
𝑛∑ 𝑎𝑖 =
𝑎1 + 𝑎2 + ⋯ + 𝑎𝑛
𝑛
𝑛
𝑖=1
P = (156,5 cm3+158,3 cm3 + 140,6 cm3+148,8 cm3)
4
P = 151,05 cm3
El volumen de secciones impermeables de los ladrillos fabricados con cenizas
volantes producto de la combustión del carbón en central Termozipa es de 151,05
cm3
7.5.6 Desviación estándar de la muestra
Para determinar la fluctuación de los datos obtenidos de la prueba de volumen de
secciones impermeables de los ladrillos refractarios con respecto a la media
usamos como indicador la desviación estándar:
𝜎 = √1
𝑁 − 1∑ (𝑥𝑖 − �̅�)2
𝑁
𝑖=1
90
𝜎 = √1
4−1[(156,5 − 151,05)2 + (148,8 − 151,05)2 + (140,6 − 151,05)2 + (158,3 − 151,05)2]
𝜎 = 8,1
Para este ensayo se encontró que la desviación estándar entre los datos
obtenidos presenta una fluctuación de 8,1 cm3 lo cual equivale a una variación del
5,36 % con respecto a la media muestral
7.5.7 Consolidación de resultados
A continuación se presenta la tabla resumen de los resultados obtenidos una vez
realizada la prueba y cálculos del volumen de secciones impermeables para la
muestra de ladrillos refractarios fabricados con cenizas volantes de la central
Termozipa, en esta se muestran los datos obtenidos en cada una de la probetas,
la media muestral y la desviación estándar del ensayo.
Tabla 14: Datos consolidados ensayo de volumen de secciones impermeables
volumen de secciones impermeables
Probeta (cm3) media Desviación
estándar
1 156,5
151,05 8,1 2 158,3
3 140,6
4 148,8
Fuente: Autor
7.6 POROSIDAD APARENTE, P
La porosidad aparente se expresa como un porcentaje de la relación entre el
volumen de los poros abiertos de la muestra con respecto a su volumen exterior.
Para calcular esta propiedad se usa la siguiente ecuación como sigue:
P, % = [(W – D) / V] * 10033
33
Ibíd., p, 79
91
7.6.1 Porosidad aparente (P), probeta 1
P = [(931,8 – 682,3) / 406] * 100
P = 61,45 %
7.6.2 Porosidad aparente (P), probeta 2
P = [(975,1 – 706,7) / 426,7] * 100
P = 62,90 %
7.6.3 Porosidad aparente (P), probeta 3
P = [(887,5 – 644,2) / 383,9] * 100
P = 69,36 %
7.6.4 Porosidad aparente (P), probeta 4
P = [(913,6 – 644,2) / 663,9] * 100
P = 62,65 %
7.6.5 Porosidad aparente (P) de los ladrillos fabricados con cenizas volantes de
la central Termozipa
Para determinar la porosidad aparente (P) de los ladrillos usamos la ecuación de
la media (�̅�).
�̅� =1
𝑛∑ 𝑎𝑖 =
𝑎1 + 𝑎2 + ⋯ + 𝑎𝑛
𝑛
𝑛
𝑖=1
P = (61,45%+62,90%+69,36%+62,65%)
4
92
P = 64,09 %
La porosidad aparente de los ladrillos fabricados con cenizas volantes producto de
la combustión del carbón en central Termozipa es de 64,09 %
7.6.6 Desviación estándar de la muestra
Para determinar la fluctuación de los datos obtenidos de la prueba de porosidad
aparente de los ladrillos refractarios con respecto a la media usamos como
indicador la desviación estándar:
𝜎 = √1
𝑁 − 1∑ (𝑥𝑖 − )
2𝑁
𝑖=1
𝜎 = √1
3−1[(61,45 − 64,09)2 + (62,90 − 64,09)2 + (69,36 − 64,09)2 + (62,65 − 64,09)2]
𝜎 = 3,56
Para este ensayo se encontró que la desviación estándar entre los datos
obtenidos presenta una fluctuación de 3,56% lo cual equivale a una variación del
5,55 % con respecto a la media muestral
7.6.7 Consolidación de resultados
A continuación se presenta la tabla resumen de los resultados obtenidos una vez
realizada la prueba y cálculos de la porosidad aparente para la muestra de ladrillos
refractarios fabricados con cenizas volantes de la central Termozipa, en esta se
muestran los datos obtenidos en cada una de la probetas, la media muestral y la
desviación estándar del ensayo.
93
Tabla 15: Datos consolidados ensayo de porosidad aparente
Porosidad aparente
Probeta (%) media Desviación
estándar
1 61,45
64,09 3,56 2 62,9
3 69,36
4 62,65
Fuente: Autor
7.7 ABSORCIÓN DE AGUA, A
La absorción de agua, A, se expresa como un porcentaje dado por la relación
entre el peso del agua absorbida por la probeta durante el proceso de saturación y
el peso de la muestra seca. La absorción de agua A, se determina de la siguiente
manera:
A, % = [(W – D) / D] * 10034
7.7.1 Absorción de agua (A), pobreta 1
A = [(931,8 – 682,3) / 682,3] * 100
A = 36,56 %
7.7.2 Absorción de agua (A), pobreta 2
A = [(975,1 – 706,7) / 706,7] * 100
A = 37,97 %
7.7.3 Absorción de agua (A), pobreta 3
A = [(887,5 – 644.2) / 644,2] * 100
34
Ibíd., p, 79
94
A = 37,76 %
7.7.4 Absorción de agua (A), pobreta 4
A = [(913,6 – 663,9) / 663,9] * 100
A = 37,61 %
7.7.5 Porcentaje de absorción de agua (A) de los ladrillos fabricados con cenizas
volantes de la central Termozipa
Para determinar el porcentaje de absorción de agua (A) de los ladrillos usamos la
ecuación de la media (�̅�)
�̅� =1
𝑛∑ 𝑎𝑖 =
𝑎1 + 𝑎2 + ⋯ + 𝑎𝑛
𝑛
𝑛
𝑖=1
B = (36,56%+37,97%+37,76% 37,61%)
4
B = 37,47 %
El porcentaje de absorción de agua de los ladrillos fabricados con cenizas volantes
producto de la combustión del carbón en central Termozipa es de 37,47 %
7.7.6 Desviación estándar de la muestra
Para determinar la fluctuación de los datos obtenidos de la prueba de absorción de
agua de los ladrillos refractarios con respecto a la media usamos como indicador
la desviación estándar:
95
𝜎 = √1
𝑁 − 1∑ (𝑥𝑖 − )
2𝑁
𝑖=1
𝜎 = √1
4−1[(36,56 − 37,47)2 + (37,97 − 37,47)2 + (37,76 − 37,47)2 + (37,61 − 37,47)2]
𝜎 = 0,627
Para este ensayo se encontró que la desviación estándar entre los datos
obtenidos presenta una fluctuación de 0,627% lo cual equivale a una variación del
1,6% con respecto a la media muestral
7.7.7 Consolidación de resultados
A continuación se presenta la tabla resumen de los resultados obtenidos una vez
realizada la prueba y cálculos de la absorción de agua para la muestra de ladrillos
refractarios fabricados con cenizas volantes de la central Termozipa, en esta se
muestran los datos obtenidos en cada una de la probetas, la media muestral y la
desviación estándar del ensayo.
Tabla 16: Datos consolidados ensayo de absorción de agua
Absorción de agua
Probeta (%) media Desviación
estándar
1 36,56
37,47 0,627 2 37,97
3 37,76
4 37,61
Fuente: Autor
7.8 DENSIDAD APARENTE, B
La densidad aparente, B, es el cociente de su peso seco dividido por el volumen
exterior dado en gramos por centímetro cubico, para la densidad a granel se
incluyen en el cálculo los poros. B se halla sigue:
96
B, g/cm3 = D / V35
7.8.1 Densidad aparente (B), probeta 1
B = 682,3 g / 406 cm3
B = 1,68 g/cm3
7.8.2 Densidad aparente (B), probeta 2
B = 706,7 g / 426,7 cm3
B = 1,65 g/cm3
7.8.3 Densidad aparente (B), probeta 3
B = 644,2 g / 383,9 cm3
B = 1,68 g/cm3
7.8.4 Densidad aparente (B), probeta 4
B = 663,9 g / 398,5 cm3
B = 1,66 g/cm3
7.8.5 Densidad aparente (B) de los ladrillos fabricados con cenizas volantes de la
central Termozipa
Para determinar la densidad aparente (B) de los ladrillos usamos la ecuación de la
media (�̅�)
35
Ibíd., p, 79
97
�̅� =1
𝑛∑ 𝑎𝑖 =
𝑎1 + 𝑎2 + ⋯ + 𝑎𝑛
𝑛
𝑛
𝑖=1
B = (1,68
g
cm3+1,65
g
cm3+1,68
g
cm3+1,66
g
cm3)
4
B = 1,66 g/cm3
La densidad aparente de los ladrillos fabricados con cenizas volantes producto de
la combustión del carbón en central Termozipa es de 1,66 g/cm3
7.8.6 Desviación estándar de la muestra
Para determinar la fluctuación de los datos obtenidos de la prueba de densidad
aparente de los ladrillos refractarios con respecto a la media usamos como
indicador la desviación estándar:
𝜎 = √1
𝑁 − 1∑ (𝑥𝑖 − )
2𝑁
𝑖=1
𝜎 = √1
4−1[(1,68 − 1,66)2 + (1,65 − 1,66)2 + (1,68 − 1,66)2 + (1,66 − 1,66)2]
𝜎 = 0,017
Para este ensayo se encontró que la desviación estándar entre los datos
obtenidos presenta una fluctuación de 0,017 g/cm3 lo cual equivale a una variación
del 1,02% con respecto a la media muestral.
7.8.7 Consolidación de resultados
A continuación se presenta la tabla resumen de los resultados obtenidos una vez
realizada la prueba y cálculos de la densidad aparente para la muestra de ladrillos
refractarios fabricados con cenizas volantes de la central Termozipa, en esta se
98
muestran los datos obtenidos en cada una de la probetas, la media muestral y la
desviación estándar del ensayo.
Tabla 17: Datos consolidados ensayo de densidad aparente
Densidad aparente
Probeta Densidad media Desviación
estándar
1 1,68
1,6 0,017 2 1,65
3 1,68
4 1,66
Fuente: Autor
99
8 ENSAYOS MECÁNICOS DE LABORATORIO
La resistencia en frío de un material refractario; es una indicación de su idoneidad
para el uso en la construcción, pero se debe tener en cuenta que no es una
medida del rendimiento a temperaturas elevadas.
Este método de ensayo se usa para determinar la resistencia a la flexión en 3
puntos de flexión (módulo de ruptura en frio) o resistencia a la compresión
(resistencia a la compresión en frío), de los materiales refractarios a temperatura
ambiente, estos ensayos son aplicables, para todos los productos refractarios tal
como se indica en la norma ASTM C133.
La proporción relativa del tamaño de grano más grande a la más pequeña y las
dimensiones del espécimen puede afectar significativamente los resultados
numéricos del ensayo. Por ejemplo, los especímenes cortados más pequeños,
que contienen granos grandes pueden presentar resultados diferentes a los
ladrillos del cual se extrajeron.
8.1 RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN FRÍO
8.1.1 Las muestras de prueba
Para ladrillos que posean una densidad aparente típica de 100 lb / ft3 (1,60 g /
cm3), o porosidad total mayor que 45%, o ambos. Los especímenes de ensayo
deberán tener las siguientes dimensiones 41/2 in por 41/2 in por 21/2 in o 3 in en.
(114 por 114 por 64 o 76 mm), cada uno tomado de un ladrillo diferente. La
sección de prueba seleccionada para el ensayo de compresión deberá estar libre
de grietas superficiales y otros defectos evidentes, por otro parte las caras de las
probetas deberán ser planas aproximadamente paralelas entre sí.
100
Imagen 22: Probetas para prueba de compresión
Fuente: Autor
8.1.2 Procedimiento
Al menos cinco ejemplares de un número equivalente de formas refractarias
componen una muestra.
Para pruebas de ladrillos o formas similares se debe aplicar la carga
directamente sobre las caras de dimensiones 41/2 pulgadas por 41/2
pulgadas. (114- por 114 mm)36.
36
ASTM, C 134, Standard Test Methods for Size, Dimensional Measurements, and Bulk Density of
Refractory Brick and Insulating Firebrick, 2010,p2
101
Imagen 23: Vista de la realización de la prueba de compresión de ladrillos
Fuente: Autor
Las muestras se cargan hasta el fracaso de la muestra. El fracaso es
definido como el colapso de la muestra (la falta de apoyo a la carga), o la
reducción de la altura de la probeta a 90% de su valor original. La carga
máxima aplicada se registra.
Imagen 24: Carga final soportada por uno de los ladrillos durante la prueba de compresión
Fuente: Autor
102
Imagen 25: Vista de una de las probetas después de ser probadas a compresión
Fuente: Autor
8.1.3 Cálculo
La resistencia a la compresión en frío se calcula utilizando la ecuación:
S = W / A37
Dónde:
S = Resistencia al aplastamiento en frío, lbf / pulg2 (MPa),
W = Carga máxima total indicada por la máquina de ensayo, lbf (N), y
A = media de las superficies de la parte superior e inferior de la espécimen
perpendicular a la línea de aplicación de la carga, pulg2 (mm2).
37 Ibíd., p, 100
103
Tabla 18: cargas máximas indicadas por la máquina en la prueba de compresión
CARGA MÁXIMA INDICADA POR LA MÁQUINA
PROBETA W (N)
1 610000
2 609000
3 609000
4 572000
5 608000
Fuente: Autor
8.1.3.1 Resistencia probeta 1
A= 114 mm * 114 mm
A= 12996 mm2
S = 610000 N / 12996 mm2
S = 46,94 MPa
8.1.3.2 Resistencia probeta 2
A= 114 mm * 114 mm
A= 12996 mm2
S = 609000 N / 12996 mm2
S = 46,86 MPa
8.1.3.3 Resistencia probeta 3
A= 114 mm * 114 mm
A= 12996 mm2
S = 609000 N / 12996 mm2
S = 46,86 MPa
104
8.1.3.4 Resistencia probeta 4
A= 114 mm * 114 mm
A= 12996 mm2
S = 572000 N / 12996 mm2
S = 44,01 MPa
8.1.3.5 Resistencia probeta 5
A= 114 mm * 114 mm
A= 12996 mm2
S = 608000 N / 12996 mm2
S = 46,78 MPa
8.1.4 Cálculo de la media muestral del ensayo
Para determinar la resistencia a la compresión (S) de los ladrillos usamos la
ecuación de la media (�̅�)
�̅� =1
𝑛∑ 𝑎𝑖 =
𝑎1 + 𝑎2 + ⋯ + 𝑎𝑛
𝑛
𝑛
𝑖=1
S = (46,94 𝑀𝑃𝑎+ 46,86 𝑀𝑃𝑎+ 46,86 𝑀𝑃𝑎+ 44,01 𝑀𝑃𝑎+46,78 𝑀𝑃𝑎)
5
S = 46,29 MPa
La resistencia a la compresión de los ladrillos fabricados con cenizas volantes
producto de la combustión del carbón en central Termozipa es de 46,29 MPa
105
8.1.5 Desviación estándar de la muestra
Para determinar la fluctuación de los datos obtenidos de la resistencia a la
compresión en frío de los cinco ladrillos refractarios con respecto a la media
usamos como indicador la desviación estándar:
𝜎 = √1
𝑁 − 1∑ (𝑥𝑖 − �̅�)2
𝑁
𝑖=1
𝜎 = √1
5−1[(46,49−46,29)2 + (46,86 − 46,29)2 + (46,86 − 46,29)2 + (44,01 − 46,29)2 +
(46,78 − 46,29)2]
𝜎 = 1,23
Para este ensayo se encontró que la desviación estándar entre los datos
obtenidos presenta una fluctuación de 1,23 MPa lo cual equivale a una variación
del 2,65% con respecto a la media muestral.
8.1.6 Consolidación de resultados
A continuación se presenta la tabla resumen de los resultados obtenidos una vez
realizada la prueba y cálculos de la resistencia a la compresión en frío para la
muestra de ladrillos refractarios fabricados con cenizas volantes de la central
Termozipa, en esta se muestran los datos obtenidos en cada una de la probetas,
la media muestral y la desviación estándar del ensayo.
106
Tabla 19: Datos consolidados ensayo de resistencia a la compresión en frío
Resistencia a la compresión en frío
Probeta (MPa) media Desviación estándar
1 46,94
46,29 1,23
2 46,86
3 46,86
4 44,01
5 46,78 Fuente: Autor
8.2 MÓDULO DE ROTURA EN FRÍO
8.2.1 Las muestras de prueba
Para ladrillo con densidad aparente típica de 100 lb / ft3 (1,60 g / cm3), o
porosidad total superior al 45%, o ambos. Las muestras de ensayo deberán ser
ladrillos enteros de las siguientes dimensiones 9 por 41/2 por 21/2 o 3 pulg. (228
por 114 por 64 o 76 mm), o para muestras de tamaño más grande cortar las
muestras de las dimensiones anteriormente mencionadas38.
Imagen 26: Montaje de ladrillo en la máquina para prueba
Fuente: Autor
38
ASTM, C 134, Standard Test Methods for Size, Dimensional Measurements, and Bulk Density of
Refractory Brick and Insulating Firebrick, 2010,p3
107
Imagen 27: Vista de probeta después de ser fallada
Fuente: Autor
8.2.2 Cálculo
Calculo del módulo de ruptura utilizando la ecuación
MOR = (3 P L)/(2 b d2)39
Dónde:
MOR = módulo de rotura, lbf / pulg2 (MPa),
P = máxima aplicada a la rotura, lbf (N),
L = luz entre apoyos, mm (pulg.),
b = anchura o la anchura de la muestra, en. (mm), y
d = profundidad del espécimen, mm (pulg.).
39
ASTM, C 134, Standard Test Methods for Size, Dimensional Measurements, and Bulk Density of
Refractory Brick and Insulating Firebrick, 2010,p4
108
Tabla 20: cargas máximas indicadas por la máquina en la prueba de flexión
CARGA MÁXIMA INDICADA POR LA MÁQUINA
PROBETA W (N)
1 16000
2 12400
3 11800
4 15000
5 13600
Ladrillo estándar U32 13900 Fuente: Autor
8.2.2.1 Módulo de rotura probeta 1
MOR= ((3)(16000N)(177.8))/((2)(114)(642)
MOR= 9.14 MPa
8.2.2.2 Módulo de rotura probeta 2
MOR= ((3)(12400N)(177.8))/((2)(114)(642)
MOR= 7.08 MPa
8.2.2.3 Módulo de rotura probeta 3
MOR= ((3)(11800N)(177.8))/((2)(114)(642)
MOR= 6,73 MPa
8.2.2.4 Módulo de rotura probeta 4
MOR= ((3)(15000N)(177.8))/((2)(114)(642)
MOR= 8,56 MPa
8.2.2.5 Módulo de rotura probeta 5
MOR= ((3)(13600N)(177.8))/((2)(114)(642)
109
MOR= 7.76 MPa
8.2.2.6 Módulo de rotura ladrillo estándar erecos U 32
MOR= ((3)(13900N)(177.8))/((2)(114)(642)
MOR= 7.93 MPa
Imagen 28: Prueba de flexión ladrillo erecos U 32
Fuente: Autor
8.2.3 Cálculo de la media muestral del ensayo
Para determinar el módulo de rotura (MOR) de los ladrillos usamos la ecuación de
la media (�̅�)
�̅� =1
𝑛∑ 𝑎𝑖 =
𝑎1 + 𝑎2 + ⋯ + 𝑎𝑛
𝑛
𝑛
𝑖=1
MOR = (9,14 𝑀𝑃𝑎+ 7,08 𝑀𝑃𝑎+ 6,73 𝑀𝑃𝑎+ 8,56 𝑀𝑃𝑎+7,76 𝑀𝑃𝑎)
5
110
MOR = 7,85 MPa
El módulo de rotura de los ladrillos fabricados con cenizas volantes producto de la
combustión del carbón en central Termozipa es de 7,85 MPa
8.2.4 Desviación estándar de la muestra
Para determinar la fluctuación de los datos obtenidos del módulo de rotura en frío
de los cinco ladrillos refractarios con respecto a la media usamos como indicador
la desviación estándar:
𝜎 = √1
𝑁 − 1∑ (𝑥𝑖 − �̅�)2
𝑁
𝑖=1
𝜎 = √1
5−1[(9,14 − 7,93)2 + (7,08 − 7,93)2 + (6,73 − 7,93)2 + (8,56 − 7,93)2 + (7,76 −
7,93)2]
𝜎 = 1
Para este ensayo se encontró que la desviación estándar entre los datos
obtenidos presenta una fluctuación de 1 MPa lo cual equivale a una variación del
12,6% con respecto a la media muestral.
8.2.5 Consolidación de resultados
A continuación se presenta la tabla resumen de los resultados obtenidos una vez
realizada la prueba y cálculos del módulo de rotura en frío para la muestra de
ladrillos refractarios fabricados con cenizas volantes de la central Termozipa, en
esta se muestran los datos obtenidos en cada una de la probetas, la media
muestral y la desviación estándar del ensayo.
Tabla 21: Datos consolidados ensayo de módulo de rotura en frío
Módulo de rotura en frío
111
Probeta (MPa) media Desviación
estándar
1 9,14
7,85 1
2 7,08
3 6,73
4 8,56
5 7,76
Fuente: Autor
112
9 FRAGUADO
El curado, se define como el proceso por el cual los productos fabricados a base
de arcillas y por medio de hidratación de la misma se maduran y endurece con el
tiempo, como resultado del contacto del material con el aire.
Según la experiencia, la clave para el desarrollo tanto de la resistencia mecánica
como de las características de durabilidad de los materiales fabricados por medio
de la hidratación de arcillas; no se centra especialmente en el grado de hidratación
de las arcillas, si no el grado en que los poros entre partículas del producto final se
hayan llenado con los productos de hidratación, dicho de otra manera: la
resistencia y la durabilidad dependen fundamentalmente del grado de porosidad
de la matriz del material.
En sentido práctico, el curado de los ladrillos se basa en garantizar las condiciones
óptimas de humedad y temperatura necesarias para que el ladrillo desarrolle su
resistencia potencial (compresión y flexión), se reduzca la porosidad de la mezcla.
Para garantizar las propiedades mecánicas de los ladrillos fabricados con cenizas
volantes de la central termozipa; anteriormente descritas, se realizó un curado por
medio del rociado de agua durante un periodo de dos días en lapsos de 12 horas
entre cada aspersión de agua a los ladrillos. El fraguado de los ladrillos después
de transcurridas las primeras 48 horas después del vertido puede realizarse al aire
libre
El agua usada para el proceso de curado de los ladrillos debe estar libre de
contaminantes y materiales deletéreos. Para tal fin se hizo uso de agua potable. El
agua de curado; no debe estar a una temperatura tal que al aplicarla cree un
choque térmico a los ladrillos, ya que esta puede generar fisuras o fracturas de los
elementos, se recomienda que el agua no esté a una temperatura inferior en 11ºC
a la temperatura que se encuentran los ladrillos.
113
10 SECADO DE LADRILLOS REFRACTARIOS
Una vez fraguados los ladrillos; estos deberán ser sometidos a un proceso de
secado, el objeto del secado se basa en eliminar el agua libre, no combinada;
contenida en la pasta cruda e incorporada durante la preparación de las materias
primas, así como de otras sustancias líquidas dependientes del proceso de
fabricación.
El agua libre de la pasta puede diferenciarse, en agua de poro y agua
intergranular. La primera rellena los espacios huecos entre las partículas del
agregado, sin contribuir al volumen total aparente de la masa. La segunda recubre
las partículas granulométricas base, y añade su volumen al total40.
El proceso de eliminación por secado del agua intergranular de los ladrillos afecta
directamente el volumen de la pieza inicial. Este fenómeno explica la contracción
de las pastas húmedas, en particular las provenientes de materias primas
arcillosas ya que durante la operación de secado se produce una pérdida de
materia del ladrillo por la evaporación del agua contenida dentro del mismo; caso
que no sucede en las piezas refractarias que se producen a partir de materias
primas compactadas en seco donde la contracción es nula.
Un secado apropiado de los ladrillos, es el último paso necesario para asegurar un
correcto desempeño de las piezas durante el proceso de calentamiento y
sostenido de la temperatura asegurando que durante la prueba no haya riesgos de
grietas ni explosiones de las piezas.
Todos los refractarios, no importa cuál sea su clasificación o tipo, generan gases o
vapores, principalmente durante su fase de calentamiento, estos vapores deben
40 UNIVERSIDAD DE OVIEDO, Introducción, lección 3 fabricación de materiales refractarios
conformados, [En línea]. [Consultado 11 Abr. 2014] Disponible en <
http://www6.uniovi.es/usr/fblanco/Refractarios.Leccion3.FabricacionProductosREFRACTARIOS.pdf
>
114
eliminados del material de una forma controlada ya que si estos llegaran a sufrir
un recalentamiento en el interior del material, pueden originarse explosiones las
cuales generarían daños a la estructura del mismo.
La operación de secado, como fase previa a la fase de prueba de los ladrillo se
justifica puesto que los ladrillos absorberán la fuerte contracción térmica inicial, de
forma lenta y homogénea, evitando la aparición de fisuras, y en razón de obtener
la mínima porosidad abierta.
El proceso de secado se efectúa normalmente a temperatura ligeramente superior
a. 100 ºC, logrando sobre pasar el punto de ebullición del agua. Para garantizar el
sacado de los ladrillos refractarios fabricados con cenizas volantes producto de la
combustión del carbón de la central termozipa, se ejecutó la siguiente
metodología:
El proceso de secado se realizó durante la prueba de los ladrillos, de la siguiente
manera: Se fijó como temperatura de secado de los ladrillos 120 °C, este punto es
la referencia para que durante la ganancia de temperatura se suspenda el
ascenso de temperatura y se sostenga la misma durante un periodo de una hora;
con el fin de garantizar la extracción total del agua presente en los ladrillos y
permitir que los especímenes de prueba absorban de forma homogénea las
contracciones que se presenten; una vez finalizado el tiempo de sostenido se
reinicia el proceso de ascenso de temperatura hasta lograr la temperatura de
prueba de los especímenes.
115
Grafico 2: Grafica de secado de los ladrillos
Fuente: Autor
0
50
100
150
200
250
0 20 40 60 80 100
Tem
pe
ratu
ra °
C
Tiempo
SECADO DE LADRILLOS
T °C
116
11 EVALUACIÓN DE LOS CAMBIOS MORFOLÓGICOS DE ACUERDO A LA
NORMA ASTM C 113 (STANDARD TEST METHOD FOR REHEAT CHANGE
OF REFRACTORY BRICK).
La ceniza volante producto de la combustión del carbón en las calderas de la
central termozipa en mezcla con cal, melaza y agua usada como material en la
fabricación de ladrillos refractarios; arrojo resultados satisfactorios una vez
concluidas las pruebas de calentamiento a las temperaturas de 550, 700, 850,
1000 y 1100 °C no se presentan especímenes con fracturas o desprendimientos
de secciones de los mismos.
A continuación en la imagen 17 se ilustra el estado de los 15 ladrillos que fueron
usados como especímenes en las pruebas; como se puede apreciar todos
conservan su integridad física y forma característica.
Imagen 29: Ladrillos de prueba después del calentamiento a las diferentes temperaturas
Fuente: Autor
117
Como se describe en la metodología; la evaluación de los ladrillos una vez concluida
la fase de prueba, se basara en la búsqueda de grietas en los especímenes y los
cambios de forma que estos puedan presentar. A continuación se desarrolla una
inspección visual de cada uno de los ladrillos.
La evaluación de los ladrillos, se inicia con la inspección visual; usando una lupa como
elemento de ayuda para tener mayor precisión en las observaciones y poder apreciar
los defectos más pequeños que el ojo humano no pueda captar, este procedimiento se
hizo en de cada una de las caras de los ladrillos en la búsqueda de grietas o
resquebrajamientos, una vez se concluya con esta inspección se continuara con el
levantamiento metrológico de las piezas de acuerdo a la norma ASTM C 134.
11.1 LADRILLOS SOMETIDO A TEMPERATURA DE 550 ° C
11.1.1 Ladrillo con marca 1.
Inspección visual:
El ladrillo no presenta grietas o fisuras en ninguna de sus caras.
Se conserva la geometría inicial de cada una de sus aristas.
No se encontraron perdidas de secciones de material.
No se evidencian rastros de erosión sobre ninguna de las caras.
Se evidencio un cambio en el tono del ladrillo de un color gris a un tono
rojizo.
El ladrillo conservó su geometría inicial y no presentó cambios en su morfología
que deban ser destacados, se pueden evidenciar la continuidad de todas sus
aristas, el elemento no presenta desprendimiento de secciones que comprometan
la estabilidad estructural del mismo puede evidenciar en la siguiente imagen.
118
Imagen 30: Vista general del ladrillo de prueba 1 sometido a 550 °C
Fuente: Autor
Levantamiento metrológico:
Los datos del levantamiento metrológico del especímen de prueba al final de la
prueba de calentamiento se muestran en la siguiente tabla.
Tabla 22: Dimensiones finales del ladrillo de prueba 1
Dimensión Medida en mm
Longitud 1 179,66
Longitud 2 180,48
Ancho 1 116,12
Ancho 2 113,16
Espesor 1 67,06
Espesor 2 65,1
Fuente: Autor
11.1.2 Ladrillo con marca 2
Inspección visual:
El ladrillo no presenta grietas o fisuras en ninguna de sus caras.
Se conserva la geometría inicial de cada una de sus aristas.
119
No se encontraron perdidas de secciones de material.
No se presentan rastros de erosión sobre ninguna de las caras.
Se evidencio un cambio en el tono del ladrillo de un color gris a un tono
rojizo.
El ladrillo conservó su geometría inicial y no presentó cambios en su morfología
que deban ser destacados, se pueden evidenciar la continuidad de todas sus
aristas, el elemento no presenta desprendimiento de secciones que comprometan
la estabilidad estructural del mismo puede evidenciar en la siguiente imagen.
Imagen 31: Vista general del ladrillo de prueba 2 sometido a 550 °C
Fuente: Autor
Levantamiento metrologico:
Los datos del levantamiento metrológico del especímen de prueba al final de la
prueba de calentamiento se muestran en la siguiente tabla.
120
Tabla 23: Dimensiones generales espécimen de prueba 2
Dimensión Medida en mm
Longitud 1 180,06
Longitud 2 180,22
Ancho 1 116,10
Ancho 2 118,32
Espesor 1 62,22
Espesor 2 62,6
Fuente: Autor
11.1.3 Ladrillo con marca 3
Inspección visual:
El ladrillo no presenta grietas o fisuras en ninguna de sus caras.
Se conserva la geometría inicial de cada una de sus aristas.
No se encontraron perdidas de secciones de material.
No se evidencian rastros de erosión sobre ninguna de las caras.
Se evidencio un cambio en el tono del ladrillo de un color gris a un tono
rojizo.
El ladrillo conservó su geometría inicial y no presentó cambios en su morfología
que deban ser destacados, se pueden evidenciar la continuidad de todas sus
aristas, el elemento no presenta desprendimiento de secciones que comprometan
la estabilidad estructural del mismo puede evidenciar en la siguiente imagen
121
Imagen 32: Vista general del ladrillo de prueba 3 sometido a 550 °C
Fuente: Autor
Levantamiento metrológico:
Los datos del levantamiento metrológico del especímen de prueba al final de la
prueba de calentamiento se muestran en la siguiente tabla.
Tabla 24: Dimensiones generales espécimen de prueba 3
Dimensión Medida en mm
Longitud 1 180,12
Longitud 2 181,67
Ancho 1 115,66
Ancho 2 113,88
Espesor 1 65,62
Espesor 2 64,62
Fuente: Autor
122
Imagen 33: Proceso metrológico del ladrillo 4
Fuente: Autor
11.1.4 Cambio lineal permanente especímenes sometidos a 550 °C
Se puede afirmar, que el cambio lineal permanente que sufren los ladrillos
fabricados con ceniza volantes de la central Termozipa después de ser sometidos
a una temperatura de 550 °C es de 0.09%; este valor fue obtenido después de
realizar la consolidación de la media de los valores de cambio lineal permanente
de los especímenes de prueba 1, 2 y 3.
123
Tabla 25: Consolidado cambio lineal permanente especímenes sometidos a temperatura de 550 °C
CAMBIO LINEAL PERMANENTE LADRILLOS PROBADOS A 550° C
Dimensión
Inicial
(mm)
Dimensión
Final (mm)
Cambio
lineal
permanente
(%)
Cambio
lineal
permanente
parcial (%)
Cambio
lineal
permanente
por ladrillo
(%)
Cambio
lineal
permanente
promedio
(%)
Ladrillo 1
Longitud 1 179,72 179,66 0,03% 0,06%
0,08%
0,09%
Longitud 2 180,32 180,48 0,09%
Ancho 1 116,02 116,12 0,09% 0,08%
Ancho 2 113,08 113,16 0,07%
Alto 1 66,98 67,06 0,12% 0,11%
Alto 2 65,04 65,1 0,09%
Ladrillo 2
Longitud 1 180,22 180,06 0,09% 0,08%
0,10%
Longitud 2 180,08 180,22 0,08%
Ancho 1 116,02 116,1 0,07% 0,09%
Ancho 2 118,46 118,32 0,12%
Alto 1 62,14 62,22 0,13% 0,13%
Alto 2 62,52 62,6 0,13%
Ladrillo 3
Longitud 1 179,9 180,12 0,12% 0,07%
0,09%
Longitud 2 181,72 181,67 0,03%
Ancho 1 115,52 115,66 0,12% 0,13%
Ancho 2 113,72 113,88 0,14%
Alto 1 65,66 65,62 0,06%
0,08% Alto 2 64,68 64,62 0,09%
Fuente: Autor
124
11.2 LADRILLOS SOMETIDO A TEMPERATURA DE 700 ° C
11.2.1 Ladrillo con marca 4
Inspección visual:
El ladrillo no presenta grietas o fisuras en ninguna de sus caras.
Se presenta un desprendimiento de pequeñas secciones de material en las
aristas.
No se evidencian rastros de erosión sobre ninguna de las caras.
Se evidencio un cambio en el tono del ladrillo de un color gris a un tono
rojizo.
El ladrillo conservó su geometría inicial y no presentó cambios en su
morfología que deban ser destacados, se pueden evidenciar una deformación
de las aristas del elemento por el desprendimiento de pequeñas secciones de
material en estas zona, el elemento no presenta desprendimiento de secciones
que comprometan la estabilidad estructural del mismo puede evidenciar en la
siguiente imagen.
Imagen 34: Vista general del ladrillo de prueba 4 sometido a 700 °C
Fuente: Autor
125
Levantamiento metrológico:
Los datos del levantamiento metrológico del especímen de prueba al final de la
prueba de calentamiento se muestran en la siguiente tabla:
Tabla 26: Dimensiones generales espécimen de prueba 4
Dimensión Medida en mm
Longitud 1 179,44
Longitud 2 180,42
Ancho 1 115,62
Ancho 2 115,34
Espesor 1 64,72
Espesor 2 65,88
Fuente: Autor
11.2.2 Ladrillo con marca 5
Inspección visual:
El ladrillo no presenta grietas o fisuras en ninguna de sus caras.
Se conserva la geometría inicial de cada una de sus aristas.
No se encontraron pérdidas de secciones de material.
No se evidencian rastros de erosión sobre ninguna de las caras.
Se evidenció un cambio en el tono del ladrillo de un color gris a un tono
rojizo.
El ladrillo conservó su geometría inicial y no presentó cambios en su morfología
que deban ser destacados, se pueden evidenciar la continuidad de todas sus
aristas, el elemento no presenta desprendimiento de secciones que comprometan
la estabilidad estructural del mismo; puede evidenciarse en la imagen 26.
126
Imagen 35: Vista general del ladrillo de prueba 5 sometido a 700 °C
Fuente: Autor
Levantamiento metrológico:
Los datos del levantamiento metrológico del especímen de prueba al final de la
prueba de calentamiento se muestran en la siguiente tabla:
Tabla 27: Dimensiones generales espécimen de prueba 5
Dimensión Medida en mm
Longitud 1 180,32
Longitud 2 180,32
Ancho 1 116,16
Ancho 2 115,88
Espesor 1 64,92
Espesor 2 66,5
Fuente: Autor
11.2.3 Ladrillo con marca 6
Inspección visual:
El ladrillo no presenta grietas o fisuras en ninguna de sus caras.
127
Se presenta un desprendimiento de pequeñas secciones de material en las
aristas.
No se evidencian rastros de erosión sobre ninguna de las caras.
Se evidencio un cambio en el tono del ladrillo de un color gris a un tono
rojizo.
El ladrillo conservó su geometría inicial y no presentó cambios en su morfología
que deban ser destacados, se pueden evidenciar una deformación de las aristas
del elemento por el desprendimiento de pequeñas secciones de material en estas
zona, el elemento no presenta desprendimiento de secciones que comprometan la
estabilidad estructural del mismo puede evidenciar en la siguiente imagen
Imagen 36: Vista general del ladrillo de prueba 6 sometido a 700 °C
Fuente: Autor
Levantamiento metrologico:
Las dimensiones tomadas y cálculo de la defoemación lineal permanente se
muestra en la siguiente tabla:
128
Tabla 28: Dimensiones generales espécimen de prueba 6
Dimensión Medida en mm
Longitud 1 178,84
Longitud 2 178,72
Ancho 1 118,96
Ancho 2 116,58
Espesor 1 63,20
Espesor 2 64,38
Fuente: Autor
11.2.4 Cambio lineal permanente especímenes sometidos a 700 °C.
Se puede afirmar que el cambio lineal permanente que sufren los ladrillos
fabricados con ceniza volantes de la central Termozipa después de ser sometidos
a una temperatura de 700 °C es de 0.27%; este valor fue obtenido después de
realizar la consolidación de la media de los valores de cambio lineal permanente
de los especímenes de prueba 4, 5 y 6.
129
Tabla 29: Consolidado cambio lineal permanente especímenes sometidos a temperatura de 700 °C
CAMBIO LINEAL PERMANENTE LADRILLOS PROBADOS A 700° C
Dimensión
Inicial
(mm)
Dimensión
Final (mm)
Cambio
lineal
permanente
(%)
Cambio
lineal
permanente
parcial (%)
Cambio
lineal
permanente
por ladrillo
(%)
Cambio
lineal
permanente
promedio
(%)
Ladrillo 4
Longitud 1 179,16 179,44 0,16% 0,18%
0,25%
0,27%
Longitud 2 180,06 180,42 0,20%
Ancho 1 115,96 115,62 0,29% 0,29%
Ancho 2 115,02 115,34 0,28%
Alto 1 64,52 64,72 0,31% 0,28%
Alto 2 66,04 65,88 0,24%
Ladrillo 5
Longitud 1 179,62 180,32 0,39% 0,36%
0,29%
Longitud 2 179,72 180,32 0,33%
Ancho 1 115,92 116,16 0,21% 0,22%
Ancho 2 115,62 115,88 0,22%
Alto 1 64,72 64,92 0,31% 0,29%
Alto 2 66,68 66,50 0,27%
Ladrillo 6
Longitud 1 178,52 178,84 0,18% 0,20%
0,28%
Longitud 2 178,32 178,72 0,22%
Ancho 1 118,58 118,96 0,32% 0,31%
Ancho 2 116,92 116,58 0,29%
Alto 1 63,02 63,2 0,28% 0,33%
Alto 2 64,62 64,38 0,37%
Fuente: Autor
11.3 LADRILLOS SOMETIDOS A TEMPERATURA DE 850 ° C
11.3.1 Ladrillo con marca 7
Inspección visual:
El ladrillo no presenta grietas o fisuras en ninguna de sus caras.
Se conserva la geometría inicial de cada una de sus aristas.
130
No se encontraron perdidas de secciones de material.
No se evidencian rastros de erosión sobre ninguna de las caras.
Se evidencio un cambio en el tono del ladrillo de un color gris a un tono
rojizo.
El ladrillo conservó su geometría inicial y no presentó cambios en su morfología
que deban ser destacados, se pueden evidenciar la continuidad de todas sus
aristas, el elemento no presenta desprendimiento de secciones que comprometan
la estabilidad estructural del mismo puede evidenciar en la siguiente imagen:
Imagen 37: Vista general del ladrillo de prueba 7 sometido a 850 °C
Fuente: Autor
Levantamiento metrológico:
Los datos del levantamiento metrológico del especímen de prueba, al final de la
prueba de calentamiento se muestran en la siguiente tabla:
131
Tabla 30: Dimensiones generales espécimen de prueba 7
Dimensión Medida en mm
Longitud 1 179,46
Longitud 2 180,96
Ancho 1 116,48
Ancho 2 117,74
Espesor 1 63,4
Espesor 2 64,06
Fuente: Autor
11.3.2 Ladrillo con marca 8
Inspección visual:
El ladrillo no presenta grietas o fisuras en ninguna de sus caras.
Se conserva la geometría inicial de cada una de sus aristas.
No se encontraron perdidas de secciones de material.
No se evidencian rastros de erosión sobre ninguna de las caras.
Se evidencio un cambio en el tono del ladrillo de un color gris a un tono
rojizo.
El ladrillo conservó su geometría inicial y no presentó cambios en su morfología
que deban ser destacados, se pueden evidenciar la continuidad de todas sus
aristas, el elemento no presenta desprendimiento de secciones que comprometan
la estabilidad estructural del mismo puede evidenciar en la siguiente imagen:
132
Imagen 38: Vista general del ladrillo de prueba 8 sometido a 850 °C
Fuente: Autor
Levantamiento metrológico:
Los datos del levantamiento metrológico del especímen de prueba al final de la
prueba de calentamiento se muestran en la siguiente tabla:
Tabla 31: Dimensiones generales espécimen de prueba 8
Dimensión Medida en mm
Longitud 1 178,30
Longitud 2 180,08
Ancho 1 110,24
Ancho 2 114,04
Espesor 1 64,86
Espesor 2 65,76
Fuente: Autor
11.3.3 Ladrillo con marca 9
Inspección visual:
El ladrillo no presenta grietas o fisuras en ninguna de sus caras
Se conserva la geometría inicial de cada una de sus aristas
133
No se encontraron perdidas de secciones de material
No se evidencian rastros de erosión sobre ninguna de las caras
Se evidencio un cambio en el tono del ladrillo de un color gris a un tono
rojizo
El ladrillo conservó su geometría inicial y no presentó cambios en su morfología
que deban ser destacados, se pueden evidenciar la continuidad de todas sus
aristas, el elemento no presenta desprendimiento de secciones que comprometan
la estabilidad estructural del mismo puede evidenciar en la siguiente imagen
Imagen 39: Vista general del ladrillo de prueba 9 sometido a 850 °C
Fuente: Autor
Levantamiento metrológico:
Los datos del levantamiento metrológico del especímen de prueba al final de la
prueba de calentamiento se muestran en la siguiente tabla:
134
Tabla 32: Dimensiones generales espécimen de prueba 9
Dimensión Medida en mm
Longitud 1 179,70
Longitud 2 178,24
Ancho 1 118,54
Ancho 2 116,78
Espesor 1 61,38
Espesor 2 62,36
Fuente: Autor
11.3.4 Cambio lineal permanente especímenes sometidos a 850 °C
Se puede afirmar, que el cambio lineal permanente que sufren los ladrillos
fabricados con ceniza volantes de la central Termozipa después de ser sometidos
a una temperatura de 850 °C es de 0.38%; este valor fue obtenido después de
realizar la consolidación de la media de los valores de cambio lineal permanente
de los especímenes de prueba 7, 8 y 9.
135
Tabla 33: Consolidado cambio lineal permanente especímenes sometidos a temperatura de 850 °C
CAMBIO LINEAL PERMANENTE LADRILLOS PROBADOS A 850° C
Dimensión Inicial (mm)
Dimensión Final (mm)
Cambio lineal
permanente (%)
Cambio lineal
permanente parcial (%)
Cambio lineal
permanente por ladrillo
(%)
Cambio lineal
permanente promedio
(%)
Ladrillo 7
Longitud 1 180 179,46 0,30% 0,28%
0,40%
0,38%
Longitud 2 181,42 180,96 0,25%
Ancho 1 115,98 116,48 0,43% 0,41%
Ancho 2 117,28 117,74 0,39%
Alto 1 63,1 63,40 0,47% 0,52%
Alto 2 64,42 64,06 0,56%
Ladrillo 8
Longitud 1 178,72 178,30 0,24% 0,25%
0,38%
Longitud 2 179,62 180,08 0,26%
Ancho 1 110,82 110,24 0,52% 0,43%
Ancho 2 114,42 114,04 0,33%
Alto 1 64,58 64,86 0,43% 0,46%
Alto 2 65,44 65,76 0,49%
Ladrillo 9
Longitud 1 179,32 179,70 0,21% 0,21%
0,37%
Longitud 2 178,62 178,24 0,21%
Ancho 1 118,9 118,54 0,30% 0,36%
Ancho 2 116,3 116,78 0,41%
Alto 1 61,02 61,38 0,59% 0,55%
Alto 2 62,04 62,36 0,51%
Fuente: Autor
11.4 LADRILLOS SOMETIDO A TEMPERATURA DE 1000 ° C
11.4.1 Ladrillo con marca 10.
Inspección visual:
El ladrillo no presenta grietas o fisuras en ninguna de sus caras.
Se conserva la geometría inicial de cada una de sus aristas.
136
No se encontraron perdidas de secciones de material.
No se evidencian rastros de erosión sobre ninguna de las caras.
Se evidencio un cambio en el tono del ladrillo de un color gris a un tono
rojizo.
El ladrillo conservó su geometría inicial y no presentó cambios en su morfología
que deban ser destacados, se pueden evidenciar la continuidad de todas sus
aristas, el elemento no presenta desprendimiento de secciones que comprometan
la estabilidad estructural del mismo puede evidenciar en la siguiente imagen:
Imagen 40: Vista general del ladrillo de prueba 10 sometido a 1000 °C
Fuente: Autor
Levantamiento metrológico:
Los datos del levantamiento metrológico del especímen de prueba al final de la
prueba de calentamiento se muestran en la siguiente tabla:
137
Tabla 34: Dimensiones generales espécimen de prueba 10
Dimensión Medida en mm
Longitud 1 1781,46
Longitud 2 180,74
Ancho 1 116,06
Ancho 2 113,82
Espesor 1 66,86
Espesor 2 63,94
Fuente: Autor
11.4.2 Ladrillo con marca 11.
Inspección visual:
El ladrillo no presenta grietas o fisuras en ninguna de sus caras.
Se conserva la geometría inicial de cada una de sus aristas.
No se encontraron perdidas de secciones de material.
No se evidencian rastros de erosión sobre ninguna de las caras.
Se evidencio un cambio en el tono del ladrillo de un color gris a un tono
rojizo.
El ladrillo conservó su geometría inicial y no presentó cambios en su morfología
que deban ser destacados, se pueden evidenciar la continuidad de todas sus
aristas, el elemento no presenta desprendimiento de secciones que comprometan
la estabilidad estructural del mismo puede evidenciar en la siguiente imagen:
138
Imagen 41: Vista general del ladrillo de prueba 11 sometido a 1000 °C
Fuente: Autor
Levantamiento metrológico:
Los datos del levantamiento metrológico del especímen de prueba al final de la
prueba de calentamiento se muestran en la siguiente tabla:
Tabla 35: Dimensiones generales espécimen de prueba 11
Dimensión Medida en mm
Longitud 1 180,16
Longitud 2 180,12
Ancho 1 119,66
Ancho 2 115,82
Espesor 1 66,88
Espesor 2 64,38
Fuente: Autor
11.4.3 Ladrillo con marca 12
Inspección visual:
El ladrillo no presenta grietas o fisuras en ninguna de sus caras.
Se conserva la geometría inicial de cada una de sus aristas.
139
No se encontraron perdidas de secciones de material.
No se evidencian rastros de erosión sobre ninguna de las caras.
Se evidencio un cambio en el tono del ladrillo de un color gris a un tono
rojizo.
El ladrillo conservó su geometría inicial y no presentó cambios en su morfología
que deban ser destacados, se pueden evidenciar la continuidad de todas sus
aristas, el elemento no presenta desprendimiento de secciones que comprometan
la estabilidad estructural del mismo puede evidenciar en la siguiente imagen.
Imagen 42: Vista general del ladrillo de prueba 12 sometido a 1000 °C
Fuente: Autor
Levantamiento metrológico:
Los datos del levantamiento metrológico del especímen de prueba al final de la
prueba de calentamiento se muestran en la siguiente tabla:
140
Tabla 36: Dimensiones generales espécimen de prueba 12
Dimensión Medida en mm
Longitud 1 175,58
Longitud 2 179,16
Ancho 1 119,72
Ancho 2 117,30
Espesor 1 64,24
Espesor 2 62,26
Fuente: Autor
11.4.4 Cambio lineal permanente especímenes sometidos a 1000 °C
Se puede afirmar, que el cambio lineal permanente que sufren los ladrillos
fabricados con ceniza volantes de la central Termozipa; después de ser sometidos
a una temperatura de 1000 °C es de 0.60%, este valor fue obtenido después de
realizar la consolidación de la media de los valores de cambio lineal permanente
de los especímenes de prueba 10, 11 y 12.
141
Tabla 37: Consolidado cambio lineal permanente especímenes sometidos a temperatura de 1000 °C
CAMBIO LINEAL PERMANENTE LADRILLOS PROBADOS A 1000° C
Dimensión Inicial (mm)
Dimensión Final (mm)
Cambio lineal
permanente (%)
Cambio lineal
permanente parcial (%)
Cambio lineal
permanente por ladrillo
(%)
Cambio lineal
permanente promedio
(%)
Ladrillo 10
Longitud 1 180,82 181,46 0,35%
0,36%
0,63%
0,60%
Longitud 2 180,06 180,74 0,38%
Ancho 1 115,44 116,06 0,53% 0,58%
Ancho 2 113,1 113,82 0,63%
Alto 1 66,26 66,86 0,90% 0,93%
Alto 2 63,32 63,94 0,97%
Ladrillo 11
Longitud 1 179,62 180,16 0,30% 0,29%
0,59%
Longitud 2 179,6 180,12 0,29%
Ancho 1 118,94 119,66 0,60% 0,65%
Ancho 2 115,02 115,82 0,69%
Alto 1 67,42 66,88 0,80% 0,82%
Alto 2 63,84 64,38 0,84%
Ladrillo 12
Longitud 1 180,06 179,58 0,27% 0,29%
0,59%
Longitud 2 179,72 179,16 0,31%
Ancho 1 119,04 119,72 0,57% 0,53%
Ancho 2 116,72 117,30 0,49%
Alto 1 64,82 64,24 0,89% 0,95%
Alto 2 61,64 62,26 1,00%
Fuente: Autor
11.5 LADRILLOS SOMETIDO A TEMPERATURA DE 1100 ° C
11.5.1 Ladrillo con marca 13
Inspección visual:
El ladrillo no presenta grietas o fisuras en ninguna de sus caras.
Se conserva la geometría inicial de cada una de sus aristas.
142
No se encontraron perdidas de secciones de material.
No se evidencian rastros de erosión sobre ninguna de las caras.
Se evidencio un cambio en el tono del ladrillo de un color gris a un tono
rojizo.
El ladrillo conservó su geometría inicial y no presentó cambios en su morfología
que deban ser destacados, se pueden evidenciar la continuidad de todas sus
aristas, el elemento no presenta desprendimiento de secciones que comprometan
la estabilidad estructural del mismo puede evidenciar en la siguiente imagen:
Imagen 43: Vista general del ladrillo de prueba 13 sometido a 1100 °C
Fuente: Autor
Levantamiento metrologico:
Los datos del levantamiento metrológico del especímen de prueba al final de la
prueba de calentamiento se muestran en la siguiente tabla:
143
Tabla 38: Dimensiones generales espécimen de prueba 13
Dimensión Medida en mm
Longitud 1 179,64
Longitud 2 180,76
Ancho 1 117,38
Ancho 2 115,54
Espesor 1 66,52
Espesor 2 64,72
Fuente: Autor
11.5.2 Ladrillo con marca 14
Inspección visual:
El ladrillo no presenta grietas o fisuras en ninguna de sus caras.
Se conserva la geometría inicial de cada una de sus aristas.
No se encontraron perdidas de secciones de material.
No se evidencian rastros de erosión sobre ninguna de las caras.
Se evidencio un cambio en el tono del ladrillo de un color gris a un tono
rojizo.
El ladrillo conservó su geometría inicial y no presentó cambios en su morfología
que deban ser destacados, se pueden evidenciar la continuidad de todas sus
aristas, el elemento no presenta desprendimiento de secciones que comprometan
la estabilidad estructural del mismo puede evidenciar en la siguiente imagen:
144
Imagen 44: Vista general del ladrillo de prueba 14 sometido a 1100 °C
Fuente: Autor
Levantamiento metrológico:
Los datos del levantamiento metrológico del especimen de prueba al final de la
prueba de calentamiento se muestran en la siguiente tabla:
Tabla 39: Dimensiones generales espécimen de prueba 14
Dimensión Medida en mm
Longitud 1 178,72
Longitud 2 178,32
Ancho 1 117,64
Ancho 2 115,98
Espesor 1 63,76
Espesor 2 64,52
Fuente: Autor
11.5.3 Ladrillo con marca 15
Inspección visual:
El ladrillo no presenta grietas o fisuras en ninguna de sus caras.
Se conserva la geometría inicial de cada una de sus aristas.
145
No se encontraron perdidas de secciones de material.
No se evidencian rastros de erosión sobre ninguna de las caras.
Se evidencio un cambio en el tono del ladrillo de un color gris a un tono
rojizo.
El ladrillo conservó su geometría inicial y no presentó cambios en su morfología
que deban ser destacados, se pueden evidenciar la continuidad de todas sus
aristas, el elemento no presenta desprendimiento de secciones que comprometan
la estabilidad estructural del mismo puede evidenciar en la siguiente imagen.
Imagen 45: Vista general del ladrillo de prueba 15 sometido a 1100 °C
Fuente: Autor
Levantamiento metrológico:
Los datos del levantamiento metrológico del especímen de prueba al final de la
prueba de calentamiento se muestran en la siguiente tabla.
146
Tabla 40: Dimensiones generales espécimen de prueba 15
Dimensión Medida en mm
Longitud 1 180,72
Longitud 2 179,12
Ancho 1 113,4
Ancho 2 114,38
Espesor 1 66,36
Espesor 2 66,22
Fuente: Autor
11.5.4 Cambio lineal permanente especímenes sometidos a 1100 °C
Se puede afirmar que el cambio lineal permanente que sufren los ladrillos
fabricados con ceniza volantes de la central Termozipa después de ser sometidos
a una temperatura de 1000 °C es de 0.99%; este valor fue obtenido después de
realizar la consolidación de la media de los valores de cambio lineal permanente
de los especímenes de prueba 13, 14 y 15.
147
Tabla 41: Consolidado cambio lineal permanente especímenes sometidos a temperatura de 1100 °C
CAMBIO LINEAL PERMANENTE LADRILLOS PROBADOS A 1100° C
Dimensión Inicial (mm)
Dimensión Final (mm)
Cambio lineal
permanente (%)
Cambio lineal
permanente parcial (%)
Cambio lineal
permanente por ladrillo
(%)
Cambio lineal
permanente promedio
(%)
Ladrillo 13
Longitud 1 180,34 179,64 0,39% 0,38%
0,98%
0,99%
Longitud 2 181,42 180,76 0,36%
Ancho 1 115,74 117,38 1,40% 1,33%
Ancho 2 114,08 115,54 1,26%
Alto 1 67,36 66,52 1,25% 1,22%
Alto 2 65,5 64,72 1,19%
Ladrillo 14
Longitud 1 179,42 178,72 0,39% 0,44%
1,01%
Longitud 2 179,18 178,32 0,48%
Ancho 1 116,24 117,64 1,19% 1,33%
Ancho 2 117,72 115,98 1,48%
Alto 1 62,92 63,76 1,32% 1,26%
Alto 2 63,74 64,52 1,21%
Ladrillo 15
Longitud 1 180,12 180,72 0,33% 0,36%
0,99%
Longitud 2 179,82 179,12 0,39%
Ancho 1 111,32 113,4 1,83% 1,31%
Ancho 2 115,28 114,38 0,78%
Alto 1 65,52 66,36 1,27% 1,31%
Alto 2 65,32 66,22 1,36%
Fuente: Autor
148
12 COMPORTAMIENTO DE LA DEFORMACIÓN LINEAL PERMANENTE DE
LOS LADRILLOS RESPECTO A LA TEMEPERATURA DE PRUEBA
La deformación lineal permanente de los ladrillos refractarios fabricados con
cenizas volantes producto de la combustión del carbón en las calderas de la
central Termozipa presenta un cambio exponencial en la medida que se aumenta
la temperatura a la cual se someten; este fenómeno se puede ver reflejado en el
grafico 3.
Grafico 3: Cambio de la deformación lineal permanente de los ladrillos refractarios fabricados con ceniza respecto al cambio de temperatura
Fuente: Autor
Se puede afirmar que los ladrillos fabricados con cenizas volantes producto del
carbón presentan cambios en dimensiones hasta los 1100°C, si se requiere tener
mayor información sobre el comportamiento que puede tener los ladrillos a
temperaturas más elevadas se hace necesario continuar con el proceso de
investigación.
Los ladrillos presentan un cambio lineal en su deformación lineal permanente entre
el rango de temperaturas de 550 °C y 850°C lo cual indica que los ladrillos han
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
% D
EFO
RM
AC
IÓN
TEMPERATURA °C
DEFORMACIÓN LINEAL PERMANENTE A DIFERENTES TEMPERATURAS
DEFORMACIÓNLINEALPERMANENTE
149
sido sometidos a esfuerzos térmicos que generan deformaciones plásticas; pero
como la variación porcentual es muy pequeña entre las diferentes temperaturas se
puede concluir que los especímenes de prueba se encuentran en una zona de
operación muy confiable.
Entre el intervalo de temperaturas de 1000 °C y 1100 °C se presenta un cambio
acelerado del cambio lineal permanente de las probetas, lo cual indica que los
esfuerzos térmicos ejercidos sobre los especímenes de prueba son muy altos y se
espera que con temperaturas un poco más altas se inicien a presentar grietas,
fisuras y la posible fractura de los ladrillos.
150
13 APLICACIONES INDUSTRIALES Y DOMESTICAS QUE PUEDEN TENER
LOS LADRILLOS REFRACTARIOS FABRICADOS CON CENIZA VOLANTE
DE LA CENTRAL TERMOZIPA.
13.1 CENICEROS DE CALDERAS
Las calderas de uso industrial más exactamente las utilizadas para procesos de
generación de energía eléctrica, poseen varias particularidades que las diferencian
unas de otras entre ellas se puede resaltar el tipo de combustible que usan los
cuales pueden ser líquidos, gaseosos y sólidos para este último caso se pueden
presentar varios tipos de conformación del hogar, sistemas de pulverización e
inyección a los quemadores del combustible; el carbón es el combustible sólido
más usado en este tipo de procesos debido a su gran poder calorífico, fácil
consecución y precio.
Dependiendo del tipo de combustible escogido para la operación de la caldera se
hace una selección de cierto tipo de equipos auxiliares los cuales influyen
directamente en la operación de la máquina; este es el caso de los ceniceros o
tolvas de fondo los cueles son muy utilizados en las caldera que hacen uso de
carbón pulverizado.
El cenicero o tolva de fondo es el encargado de la recolección de los residuos de
la combustión particularmente de las cenizas más pesadas que no son arrastradas
por el flujo de gases hacia la chimenea.
Los ceniceros de este tipo de calderas cuentan con un recubrimiento en ladrillos
refractarios para evitar someter la estructura metálica de las tolvas al ambiente del
interior del hogar de caldera, por lo general estos ladrillos están siendo bañados
por una película de agua que proviene del sello de caldera, es esta zona se tiene
como estimado una temperatura de aproximadamente unos 200°C
151
De acuerdo con las pruebas realizadas a los ladrillos se pudo determinar que este
tipo de material puede ser usado con buenos resultados en temperaturas menores
o iguales a los 850 °C, Teniendo como base la descripción del ambiente de un
cenicero de caldera acuotubular y los resultados obtenidos en la investigación
podemos aseverar que estos ladrillos pueden ser una muy buena opción como
refractario en la fabricación de ceniceros o ladrillos para mantenimiento de las
paredes refractarias de los equipos que se encuentren en operación.
13.2 PAREDES DE BANCOS PRINCIPALES
Las calderas acuotubulares usadas como generadores de vapor para alimentación
de turbinas también pueden distinguirse de acuerdo a la cantidad de domos o
tambores que posean; si la conformación es de un solo tambor estas poseen un
serpentín el cual aumenta la temperaturas del agua de alimentación ante del
ingreso al domo con la recuperación de temperatura de los gases de combustión
que deja el hogar hacia la chimenea, generalmente a este serpentín se le conoce
como economizador.
Las caldera de dos domos poseen una configuración diferente la anteriormente
mencionada, estas no poseen serpentín en cambio cuentan con una interconexión
de tubos entre domos que se les da el nombre de banco principal de tubos el cual
realiza la misma función recuperar calor del flujo de gases hacia la chimenea, esta
interconexión dependiendo de la capacidad del equipo puede tener miles de tubos.
Esta zona se encuentra ubicada en los niveles superiores de la caldera aguas
abajo de los serpentines de los sobrecalentadores de vapor, en esta zona se
pueden alcanzar temperaturas de gas que oscilan entre los 650 °C y 750°C
adicionalmente de esta condición en las caldera que hacen uso de combustibles
sólidos se tiene un ambiente de alta abrasión debido a la concentración de ceniza
en el flujo de gases.
152
Las calderas de este tipo cuentan con un recubrimiento en lámina de acero en
todo su contorno para evitar el escape de gases calientes y ceniza hacia el
exterior, en las demás zonas del equipo esta lámina se encuentra protegida por la
tubería de la paredes pero en esta zona en particular esta no cuenta con ese tipo
de protección para ese fin se contempla protegerla con una pared de ladrillos o
tabletas refractarias.
Los ladrillos fabricados con ceniza, cal y melaza pueden tener cabida dentro de
esta aplicación ya que las temperaturas que se manejan en esta zona de la
caldera se encuentran por debajo de los 800 °C y como en la mayoría de los
casos donde se presenta material particulado en el flujo de gases es ceniza
producida de la combustión del carbón en el hogar de caldera se puede garantizar
que no se presentara una reacción química adversa que pueda afectar las
características de los ladrillos y comprometan la estabilidad estructural de los
mismos.
13.3 WIND BOX DE CALDERAS
Continuando con la aplicación de los materiales refractarios dentro de las calderas
también podemos mencionar el uso de ladrillos o tabletas refractarias en las cajas
de viento o wind box, esta zona de la caldera es donde se encuentran ubicados
los quemadores del equipo.
Esta recamara como se mencionó antes tiene instalado dentro los quemadores del
equipo, pero tiene otra función en específico la cual consiste en suministrar al
quemador el aire de exceso o aires primario y secundarios al combustible para la
correcta oxidación del mismo.
El aire primario es alimentado por el ventilador de tiro forzado el cual toma el aire
de la atmosfera y lo impulsa a través de un ducto para aumentarle la temperatura
en el precalentador de aire, proceso que se realiza con los gases calientes que
dejan la caldera hacia la chimenea; el aire después de la ganancia de energía en
153
el precalentador sale de este con una temperatura promedio de 250 °C para
dirigirse hacia los quemadores.
La caja de vientos como contiene los quemadores es una zona que se a la cual
debe acceder el personal de operación para la manipulación de los mismos, para
disminuir las altas temperaturas en esta área y permitir la operación del personal,
esta caja es diseñada con una pared de ladrillos o tabletas refractarias en las
caras exteriores para disminuirlas a un máximo de 45 °C.
Teniendo en cuenta que las temperaturas que se alcanzan en el interior de la caja
de vientos no supera los 300 °C y realizando una comparación con los resultados
obtenidos durante el desarrollo del proyecto se puede afirmar que los ladrillos
fabricados en base a cenizas volantes producto de la combustión del carbón
pueden reemplazar de los ladrillos y tabletas convencionales que se consiguen el
mercado.
13.4 HORNOS
En el ambiente gastronómico también es posible encontrar aplicaciones para los
ladrillos refractarios este es el caso de los convencionales hornos de barro los
cuales son fabricados con ladrillos comunes o adobes.
Es muy común encontrar en las haciendas, fincas de recreo o en las casas del
campesino común el horno de barro para la cocción de pan o para azar carne; en
este tipo de equipos se hace uso de biomasa “leña” como combustible para la
consecución de la temperatura de cocción. En los hornos de barro se alcanzan
temperaturas promedio de 300°C
En la actualidad se hace uso de ladrillos convencionales de fachadas para la
construcción de este tipo de hornos; los ladrillos convencionales no están
fabricados para soportas altas temperaturas lo que termina ocasionando el
agrietamiento de los mismos y disminución de la vida útil del horno.
154
Los ladrillos fabricados con cenizas volantes pueden suplir esta necesidad ya que
el rango de temperaturas que se maneja en esta tipo de equipos no supera los
300 °C, adicionalmente pueden prolongar la vida útil de estos, ya que al no sufrir
agrietamientos en su estructura durante los calentamiento no se compromete la
estabilidad estructural del horno.
13.5 LADRILLOS PARA CHIMENEAS
La arquitectura también forma parte de las aplicaciones de ladrillos refractarios, en
este ámbito se puede mencionar la aplicación de ladrillos para la construcción de
chimeneas.
Las chimeneas son usadas como parte de la decoración de interiores y medios de
calefacción para los hábitats donde se construyen; las chimeneas decorativas
pueden usar leña o gas como combustible, estos combustibles pueden alcanzar
temperaturas del orden de los 400 °C. Adicionalmente los ladrillos desempeñan
una labor estructural en este tipo de elementos ya que en la mayoría de los casos
estos son las piezas que conforman la estructura de las chimeneas.
De acuerdo a los resultados obtenidos después de las pruebas a los ladrillos
fabricados con cenizas volante podemos afirmar que este tipo de ladrillos son una
buena alternativa en la fabricación de chimeneas ya que las temperaturas a las
cuales van a estar sometidos no alcanzan los 500 °C; adicionalmente se pudo
comprobar que los ladrillos no sufrieron agrietamiento a los 550 °C lo cual indica
que estos no tendrán problemas estructurales durante su operación y perduraran
en el tiempo.
155
14 CONCLUSIONES
1. De acuerdo al procedimiento de la norma ASTM C 20 (Standard test methods
for apparent porosity, water Absorption, apparent specific gravity, and bulk
density of burned refractory brick and Shapes by boiling wáter), se
determinaron las siguientes propiedades de los ladrillos refractarios fabricados
con cenizas volantes producto de la combustión del carbón en las calderas de
la central Termozipa:
Volumen de poros abiertos = 252,8 cm3
Volumen de secciones impermeables = 151,05 cm3
% de porosidad aparente (P) = 64,09 %
% de absorción de agua (A) = 37,47 %
Densidad aparente (B) = 1,66 g/ cm3
2. Realizadas las pruebas de laboratorio a los ladrillos fabricados con cenizas
volantes producto de la combustión del carbón en la central Termozipa y
cálculos de acuerdo a la norma ASTM C 133 (Standard test Methods for cold
crushing strength and modulus of rupture of refractories) se concluye:
Resistencia a la compresión en frio = 46,29 MPa
Módulo de ruptura en frio = 7,85 MPa
3. Realizado el procedimiento de la norma ASTM C 113 (Standard Test Method
for Reheat Change of Refractory Brick); se determinó que las deformaciones
permanentes para los ladrillos fabricados con cenizas volantes de las calderas
de la central Termozipa a diferentes temperaturas es la siguiente:
Cambio lineal permanente a 550 °C = 0.09%
Cambio lineal permanente a 700 °C = 0,27%
156
Cambio lineal permanente a 850 °C = 0,38%
Cambio lineal permanente a 1000 °C = 0,60%
Cambio lineal permanente a 1100 °C = 0.99%
4. De acuerdo con las inspecciones visuales realizadas a los quince especímenes
de prueba después de ser sometidos a las diferentes temperaturas pre-
establecidas y realizada su homogenización durante el mezclado, se concluye
que la dosificación de 50% ceniza volante producto de la combustión del
carbón de las caldera de la central Termozipa, 45% de cal y 5% de melaza da
como resultado un material refractario que posee un rango de operación
comprobado de 1100 °C.
5. Realizando una comparación de las propiedades mecánicas de los ladrillos
refractarios fabricados con cenizas volantes producidas por la combustión del
carbón en las calderas de la central Termozipa con un ladrillo ERECOS U 32
se encontró que:
Tabla 42: Comparación propiedades mecánicas de los ladrillos producidos con cenizas volantes y el ladrillo ERECOS U 32
Ladrillo ERECOS U 32 (ficha técnica)
Ladrillo ERECOS U 32 (Pruebas mecánicas)
Ladrillo cenizas volantes
Resistencia a la compresión en frío
17 – 25 MPa 18,7 MPa 46,29 MPa
Módulo de rotura en frío
6 – 12 MPa 7,93 MPa 7,85 MPa
Fuente: Autor
Los ladrillos fabricados con cenizas volantes de Termozipa presentan una
resistencia a la compresión en frio de 46, 29 MPa mientras que el ladrillo
ERECOS U-32 solo posee como máximo 25 MPa teniendo así una
diferencia entre los dos tipos de ladrillos de 21,29 MPa, lo que equivale al
217,4 % más. De acuerdo con la comparación anterior podemos concluir
157
que los ladrillos fabricados con cenizas volantes de la central Termozipa
poseen mejores características para la construcción en vertical, lo cual
significa que son más apropiados para ser usados en la conformación de
paredes o muros de mayor altura que los que se podrían construir con
ladrillos ERECOS U-32.
El módulo de ruptura en frío de los ladrillos fabricados con cenizas volantes
de la central Termozipa se encuentra dentro del rango de valores que se
especifican en la ficha técnica de los ladrillos ERECOS U-32; por lo que se
concluye que los ladrillos fabricados con cenizas volantes de la central
termozipa posee la misma capacidad de soportar esfuerzos cortantes que
los ladrillos ERECOS U 32.
6. Se pudo comprobar que la ceniza producida por las calderas de la central
termozipa durante la combustión del carbón, es un material de muy buenas
características para ser usado como materia base en la producción de
materiales refractarios tal como lo demuestran los resultados obtenidos con los
ladrillos refractarios después de la ejecución de este proyecto.
7. Los costos de fabricación de las piezas son muy bajos ya que no se requiere
de maquinaria de avanzada tecnología; el proceso de moldeo no requiere de
prensado adicionalmente los ladrillos no requieren ser cocidos en horno,
proceso que demanda una gran cantidad de energía. Por otro lado el costo del
m3 de ceniza volante en la central Termozipa tiene un costo de $15.000
moneda corriente.
8. Los ladrillos refractarios fabricados con cenizas volantes del carbón producidas
por las calderas de la central Termozipa poseen un gran rango de operación y
pueden ser usados en diferentes ámbitos industriales como es el caso de
secciones de calderas acuotubulares y piro tubulares, chimeneas, hornos para
tratamientos térmicos, hornos domésticos y de más usos en equipos que
158
durante su operación no superen los 1100 °C que es la temperatura que está
confirmada como punto máximo para el caso específico de este proyecto.
159
15 RECOMENDACIONES
1. Para mejorar el desempeño de los ladrillos se recomienda realizar
investigaciones con cenizas volantes producto del carbón donde el contenido
de inquemados sea del 0%. Para lograr este cometido las cenizas deben ser
sometidas a un proceso de calcinación posterior a la extracción del material de
las tolvas de los precipitadores electrostáticos con el fin de consumir las
partículas de carbón que no reaccionaron dentro del hogar de la caldera.
2. Para determinar el punto real de operación de los ladrillos refractarios de
dosificación de 50% ceniza volante producto de la combustión del carbón de
las caldera de la central Termozipa, 45% de cal y 5% de melaza se hace
necesario continuar con la investigación y ampliar los rangos de temperatura a
los cueles se someten los ladrillos hasta que se presenten fracturas a causa de
los esfuerzos térmicos.
3. Visto el resultado obtenido dentro del desarrollo de este proyecto se
recomienda seguir experimentando con las cenizas volantes producto de la
combustión del carbón como material base en la producción de otros tipos de
materiales refractarios como los siguientes:
Refractarios moldeables o para aplicaciones por medio de apisonamiento
Morteros refractarios
4. Para continuar con la investigación de las cenizas volantes producto de la
combustión del carbón en las calderas de la central termozipa se pueden hacer
pruebas con los ladrillos sometiéndolos a abrasión y operación de los mismos
sumergidos en agua.
160
16 BIBLIOGRAFÍA
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Shapes by Boiling Water, 2010
165
17 ANEXOS
17.1 FICHA TÉCNICA LADRILLO ERECOS U-32
166
17.2 CERTIFICADO DE CALIBRACIÓN TAMIZ 9.3 mm
167
17.3 CERTIFICADO DE CALIBRACIÓN TAMIZ 6,21 mm
