CAPMA,novedad en laboratoriospara control de calidaden procesos cementeros

CARLOS CAREZA RODRIGUEZIngeniero Industrial

Jefe de área de crudo de Cementos Goliatde SOCIEDAD FINANCIERA Y MINERA, S. A.GRUPO ITALCEMENTI-CIMENTS FRANCAIS.

ANA CALVENTE MENDOZA,Lda. en Ciencias Químicas

Jefe de control de calidad de Cementos Goliatde SOCIEDAD FINANCIERA Y MINERA, S. A.GRUPO ITALCEMENTI-CIMENTS FRANCAIS.

1. INTRODUCCION

La Sociedad Financiera y Minera,S.A., en su fábrica de cementos“GOLIAT”, de Málaga, siguiendo su tradicional línea de modernización eincorporación de últimas tecnologías a su equipamiento decidió la automa-tización del Control de Calidad en el proceso de fabricación, hecho que, hadesarrollado con la estrecha colaboración de TSA, división técnica deCiments Francais, en los dos últimos años y hoy presenta en este artículo.

Se decidió entre tres proyectos de distinta concepción por el CAPMA,que significa “CONCEPTO AUTOMATICO POLIVALENTE DE MODULOS DEANALISIS”.

Es un diseño que, para el control del crudo se apoya en la robotizaciónlineal del manejo de la muestra y la fluorescencia de RX, así como en unsistema experto para la dosificación y optimización de la molienda.

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Para el control del cemento y cal libre sigue el mismo concepto derobotización y combina éstos con análisis de vía húmeda y granulómetrospara la finura, apoyada también en un sistema experto para la optimiza-ción.

Conviene resaltar que es un proyecto realizado como una “joint ventu-re” entre FyM y C.F. que ha permitido una estrecha colaboración entre losequipos técnicos de ambas sociedades y lo realizado se puede decir que esel fruto de las sinergias, cuyo resultado ha satisfecho una necesidad y cum-plido el OBJETIVO.

2. CONCEPTO CAPMA DE LABORATORIOS AUTOMATICOS

El CAPMA es un sistema modular que se adapta al control de procesoen industrias cementeras, pudiendo ser instalado en etapas sucesivas, yaque sus diferentes elementos son totalmente independientes.

El sistema Integral CAPMA se compone de:

- CAPMA de Crudo (módulo de análisis para Crudo)

- Análisis del Crudo mediante perlas por espectrometría.

- CAPMA de Clínker (módulo de análisis para Clínker)

- Análisis del Cal libre por conductimetría (Etilen-Glycol)

- CAPMA de Cemento (módulo de análisis para Cemento)

- Pérdida al fuego por Gravimetría.

- Granulometría Láser.

- Contenido en SO, por Potenciometría.

2.1 El proyecto

La configuración elegida por la fábrica de FYM, SA en Málaga (Cemen-tos GOLIAT), consta de un CAPMA de crudo que controla la calidad de tresmolinos de 70 t/h. Un CAPMA de clínker con capacidad para control de doshornos de 1.500 t/día, y un CAPMA de Cemento para dos Molinos de 50 y100 tlh.

Las muestras son recogidas y transportadas automáticamente hastalos CAPMA, mediante un transporte neumático PFAFF para el crudo ycemento, y un transporte monorrail para el clínker. (Fig. 1.1 y 1.2 1

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/

Figura 1.1.

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Figura 1.2.

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El laboratorio automático para cemento y crudo se decidió centralizaren el nuevo edificio donde se encuentra ubicado también la sala de control,en un salón anexo a ésta, con objeto de centralizar en este punto el cora-zón de la fábrica, Control de Calidad y Proceso. El laboratorio automáticode clínker se implantó en la antigua sala de control de hornos, muy cercanaa la salida de éstos. (Fig. 2)

Los resultados obtenidos por los CAPMA son gestionados por un siste-ma experto (TOP EXPERT) de control automático que decide las consignasde dosificación para garantizar la calidad en el proceso productivo y, en elcaso de los cementos, también los parámetros de conducción de los moli-nos.

El sistema experto está conectado al control distribuido de procesoPOLCID, que recibe las consignas decididas por éste, siendo POLCID el quetiene el encargo de tomar las acciones. (Sistema Experto Decide / POLCIDEjecuta). (Fig. 5)

3. TOMA DE MUESTRAS Y TRANSPORTE AUTOMATICO

3.1. Cemento y crudo

Los tomamuestras existentes tipo rosca en vena de material fueronautomatizados, extrayéndose una parte de la muestra, previamente homo-geneizada, en el caso del crudo 200 g y 500 g en el cemento. Esta muestrase encartucha en una estación de transporte y se envía hacia la estacióncentral situada junto a los CAPMA’s.

La instalación se compone de una línea única de transporte que se ali-menta de cuatro estaciones de envío (Estación común para Molinos de cru-dos 2 y 3, Molino de crudo 1, Molino de cemento 5, Molino de cemento 6).El acceso de las diferentes estaciones a la línea común de transporte serealiza a través de unos desviadores accionados eléctricamente (Fig. 1).

La recepción de muestras y su transferencia al CAPMA correspondien-te se establece a través de una estación central de recepción y distribuciónautomática de muestras que recibe el cartucho dosificando una cantidad alCAPMA para su posterior análisis y otra cantidad al depósito de muestrasmedias de cada molino (50 g/muestra para el crudo y 450 g/muestra para elcemento).

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Figura 2.

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3.2. Clínker

Se realiza cada media hora una recogida de muestra instantánea degranulometría O-25 mm con unos tomamuestras BOMBARDIERI tipo“cuchara” situados a la salida de enfriadores satélites. Esta muestra se Ile-va al CAPMA de clínker por un transporte que consiste en un carrito condu-cido por un raíl, que es accionado por un cable de acero de tracción conmotor eléctrico.

4. LABORATORIO (ver esquema Fig. 5)

4.1. Funciones

4.1.1 CAPMA de crudo

La función del CAPMA de crudo consiste en la preparación de perlas ysu posterior análisis por fluorescencia de rayos X.

4.1.2. CAPMA de cemento

Su función consiste en el análisis de los parámetros claves para la con-trolar la calidad del cemento: composición y granulometría.

Para ello se basa en los métodos de análisis siguientes, totalmenteautomatizados:

l Gravimetría en la determinación de la pérdida al fuego para el controlde la adición de filler.

l Potenciometría 12/1- para la determinación del contenido en SO,.

l Granulometría Láser mediante granulómetro Cilas 920.

4.1.3. CAPMA de clínker

La función del CAPMA de clínker consiste en el análisis de la cal libredel clínker por el método conductimétrico con Etilen-Glycol.

4.2. Estructura

El CAPMA está basado en el concepto de modularidad. Los diferentesmódulos están construídos a partir de una estructura estándar (chasis, ges-tión de fluidos, autómata industrial, etc). Cada módulo es autónomo y escontrolado por un sistema central.

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Al realizar distintas funciones CAPMA posee módulos diferentes, perohay dos de ellos que son iguales para los tres equipos. Se trata del MóduloRobot y el Módulo de Gestión.

Módulo Robot

Es el encargado de realizar todos los intercambios de muestras y acce-sorios entre los distintos módulos.

Es un manipulador de 4 ejes (Apertura-cierre, inversión, avance-retro-ceso, subida-bajada de la pinza); puede posicionarse en un quinto eje lon-gitudinal con una precisión de una décima de milímetro.

La apertura de las puertas del CAPMA, garantiza su bloqueo automático.

Módulo de gestión

Constituido por un ordenador en enlace multivía RS232, con cada unode módulos coordina el trabajo del robot y de los módulos respetando losimperativos de’ la aplicación; cada módulo a su vez está controlado por unPLC.

Se comunica a su vez con el PC del espectómetro, y con el SISTEMAEXPERTO de calidad entregándole los resultados para el control de lamolienda.

Es un sistema interactivo en el que el usuario puede visualizar en elmonitor los trabajos en curso; asimismo dispone de un menú de ayudaque en el caso de fallo indica como intervenir.

4.2.1. CAPMA de crudo

Además de los dos que se acaban de describir, el CAPMA de crudoposee otros cinco módulos. (Ver Fig.5)

4.2.1.1 Dos Módulos de preparación

Con capacidad para la gestión de análisis de tres molinos de formaautomática y para muestras manuales de materias primas, etc..

Cada módulo de preparación consta de dos tolvas para dosificación demuestras, una para la dosificación del fundente (Tetraborato de Litio),almacén de crisoles y balanza de precisión.

Este módulo recibe las muestras automáticamente sobre la tolvacorrespondiente para cada molino, preparando la mezcla crudo/fundenteen las proporciones adecuadas.

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Figura 3. CAPMA de crudo.

4.2.1.2. Dos Perladoras semiautomáticas PERLX’3 Philips

Estas perladoras semiautomáticas, integradas dentro del CAPMA, que-dan totalmente automatizadas, fundiendo el material anteriormente pesa-do en los crisoles por el módulo de preparación.

4.2.1.3. Módulo Almacén-Perla

La función de este módulo es la de almacén intermedio de perlas,montaje de las perlas dentro del portamuestras normalizado que utiliza elespectrómetro, y alimentación de éste.

Consta de 6 posiciones de almacén de perlas codificadas, portaperlas,bancada para montaje en portamuestras, cinta transportadora, y brazo ali-mentador de espectrómetro.

El espectrómetro integrado en esta instalación es un Philips 1660X’Cem de última generación.

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Figura 4. Espectrómetro

4.2.2 CAPMA cemento

El Capma de cemento de seis módulos incluyendo los dos móduloscomunes a cada CAPMA (Robot y Gestión). (Ver Fig. 5)

Se ha dejado previsto un espacio vacío dentro del CAPMA para unfuturo módulo de control de cenizas volantes en los cementos.

4.2.2.1. Módulo de preparación.

Tiene capacidad para gestionar la llegada simultánea de varias mues-tras, dejándolas preparadas para su tratamiento posterior en los módulosde análisis.

Consta de dos tolvas para muestras, una para oxidante, un almacén decrisoles y una balanza de precisión.

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Figura 5

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Se encarga de recibir las muestras sobre las dos tolvas (una para cada .molino), preparando las mezclas cemento/oxidante en el caso del análisisdel SO, y pesando crisoles y muestras para la pérdida al fuego y granulo-metría.

4.2.2.2. Módulo Láser.

Está formado por un granulómetro Cilas 920 con capacidad para medirdesde 1 hasta 400 micras y alimentado con agua destilada, en la cual sedispersa la muestra de cemento. Los porcentajes de cada tamaño son cal-culados e imprimidos, enviando al Sistema Experto el rechazo al tamañoelegido por el usuario.

4.2.2.3. Módulo Pérdida al fuego.

Consta de un horno de inducción Hertmann-Moritz a 1.000” C y undesecador.

Su función consiste en la calcinación y secado del crisol en vacío paraposteriormente realizar la misma operación con la muestra en su interior,liberando así el CO, y el agua contenidos en el cemento.

Los cálculos para la determinación del análisis son efectuados por elMódulo de Gestión.

4.2.2.4. Módulo de S’Os

El análisis del SO, se basa en una valoración redox del SO, liberadodel cemento sometido a 1.200 “C, en presencia de hierro metálico y arras-trado por una corriente de oxígeno.

Para ello utiliza los siguientes equipos:

Mezclador muestra-oxidante, Horno de Inducción, Titrador automático,Cubeta de análisis con agitador e Indicador de potencial.

4.2.3. CAPMA de clínker

El CAPMA de clínker consta de dos módulos además de los dos comu-nes ( Gestión y Robot ) (ver Fig. 5).

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4.2.3.1. Módulo Molino.

Este modulo se encarga de recibir la muestra de clínker procedente deltransporte automático monorraíl, y su preparación. Para ello utiliza una tri-turadora de mandíbulas, un molino de anillos, una tolva dosificadora y unabalanza de posición.

Este módulo, además de preparar la muestra para el análisis conduti-métrico, almacena las muestras para formar las medias diarias.

4.2.3.2. Módulo CAL.

En este módulo se efectúa el análisis conductimétrico de clínker, enuna disolución de nuestra (molida a una figura constante) en Etilen-glycol,auna temperatura fija de 80 “C

Este módulo consta de: dos bombas dosificadoras de volumen cons-tante, una para el Etilen-glycol y otra para el patrón (KCI). Una cuba para ladisolución que posee una sonda conductimétrica, una sonda de temperatu-ra y un agitador.

El resultado del análisis es enviado al Sistema Experto y éste a su vezal control distribuido (POLCID) con lo cual el panelista conoce en todomomento la calidad del clínker que se está fabricando.

5. PRESTACIONES

Todas las funciones del CAPMA son accesibles por menús interactivospilotados por lápiz óptico o por teclado.

Desde los módulos de gestión se puede variar la frecuencia del mues-treo a voluntad del usuario, adoptando el intervalo de control más adecua-do a cada instalación.

El módulo de gestión permite asimismo programar diferentes recetaspara preparación de perlas, elegir la regresión adecuada para material (enel caso del análisis por Fluorescencia de Rayos XI, así como modificartodos y cada uno de los parámetros que intervienen en el resto de los aná-lisis (temperaturas, tiempos de permanencia en hornos, precisión en laspesadas, etc.)

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5.1 Frecuencias

5.1.1. CAPMA de crudo

El CAPMA de crudo tiene capacidad para gestionar ocho muestras porhora.

La frecuencia de análisis utilizada para el control de los tres molinos decrudo es de una muestra por hora, para lo cual el CAPMA realiza en unahora tres análisis totalmente automáticos y uno con muestras manuales dela alimentación al horno. Además, una vez al día analiza, también con mues-tras manuales, tanto las materias primas como el clínker y el cemento.

5.1.2. CAPMA de cemento

Existe la posibilidad de elegir la frecuencia de cada análisis por separa-do, con lo cual la capacidad de gestión de muestras se adapta a las necesi-dades de control para cada tipo de cemento. El sistema adoptado en FYMMálaga(Cementos Goliat) utiliza unas frecuencias de control de : Finuracada hora, Contenido en SO, cada dos horas, y Pérdida al fuego cada cua-tro horas.

5.1.3. CAPMA de clínker

El CAPMA de clínker es capaz de analizar dos muestras por horno a lahora.

5.2. Reproductibilidad

Los ensayos de reproductibilidad se realizaron sobre una muestrahomogeneizada de cada material, preparada y analizada veinte veces con-secutivas en condiciones normales de análisis, por el CAPMA correspon-diente (Crudo, Cemento y Clínker). Los resultados obtenidos de estosensayos son los que se especifican a continuación.

5.2.1. CAPMA de crudo

Los valores de la desviación típica de reproductibilidad han sido de:

Ca0 = 0.13

sio, = 0.16

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AI,O, = 0.03

FezO, = 0.01

Mg0 = 0.02

K,O = 0.01

Na,0 = 0.03

5.2.2. CAPMA de cemento

La desviación típica del ensayo de reproductibilidad es de:

Pérdida al Fuego = 0.12(Para valores comprendidos entre 0 y 10 % de pérdida al fuego)

Granulometría Láser = 1.05(Para valores comprendidos entre 10 y 40 % de rechazo)

Contenido en SO, = 0.15(Para valores comprendidos entre 2 y 4 % de contenido en SO,)

5.2.3. CAPMA de clínker

El ensayo de reproductibilidad se realizó sobre una muestra de clínkerhomogeneizada y posteriormente tamizada entre 6 y 10 mm. La desviacióntípica del ensayo fue de 0.1 (para valores comprendidos entre 0.5 y 5 % decontenido en Cal libre).

6. IMPORTE DE LA INVERSION

El importe completo de la inversión asciende a la cantidad de 185millones de ptas.; en esta cantidad se incluyen materiales, mano de obra,dirección de obra, puesta en marcha y formación.

7. ECONOMIAS POSIBLES

Es muy difícil estimar los ahorros generados por una inversión de estetipo, debido a que tiene una influencia general en muchos parámetros prin-cipales de fabricación y calidad.

La reducción de mano de obra directa en el laboratorio de turnos, asícomo la disminución de la recogida de muestra manual, son economías

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tangibles a pesar de que se vean disminuidas por los sobrecostos de man- .tenimiento.

El aumento de la fiabilidad y optimización de los parámetros de calidady de producción, ayuda a conseguir el valor óptimo de consumos de mate-rias primas, clínker y adiciones.

La gestión automática de las instalaciones mediante la implantación delos sistemas expertos, supone una disminución directa en los costes deproducción.

8. CONCLUSIONES

Visto el funcionamiento de las instalaciones, los resultados obtenidoshasta la fecha y las posibilidades todavía no explotadas, se pueden apuntarlas siguientes conclusiones:

1. Si en un grupo cementero existe una necesidad y con la decisión desolucionarla contando con el equipo humano, se puede alcanzar el OBJETI-VO.

2. Aplicando la robotización se han eliminado los errores humanos queen las tareas del Control de Calidad se pueden dar al utilizar operacionesrepetitivas.

3. La fiabilidad de los análisis es aceptable ya que las desviacionesobtenidas son bastante bajas.

4. Las economías son superiores a la deseconomía, haciendo posibleun retorno atractivo de la inversión.

5. Las posibilidades de los sistemas expertos permiten optimizar losrendimientos de los molinos tanto de crudo como de cemento.

6. El equipo técnico que ha intervenido se ha enriquecido con la resolu-ción de los problemas presentados durante el desarrollo, montaje y puestaen marcha de las instalaciones.

7. El balance de economías en los costes es suficiente para que lainversión resulte con pay back muy atractivo.

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