ESPECIALIDAD
OPERACIONES MINERAS
PROYECTO MEJORAMIENTO DE LA EXTRUSORA Y OPTIMIZACION DE CORTE EN LA FABRICACION DE LA DRILLOS CON EL USO DE DE RELAVES MINEROS
PROJECT MANAGER
Carpio Huaranca, Edison
EQUIPO EQUIPO DE TRAB TRABAJ AJO O
Tito Humpiri, Marco Antonio Mamani Zapana, Marco Guzman Arispe, Renzo Patiño Soto, Julio Cesar Olivera Machaca, Dennis
DOCENTE ACESOR
Roberto Delgado
DOCENTE
Davis Supo Huarache AREQUIPA – PERU Octubre – 2018
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INDICE
1. INTRODUCCION…………………………………………………………………………………………………… .... 4 2. RESUMEN EJECUTIVO ……………………………………………………………………………………………… 6 3. BREVES ANTECEDENTES DE LA EMPRESA ………………………………………………………………… 8 3.1.1. INGENERIA CONCEPTUAL BASICA ………………………………………………………………… .. 9 3.1.2. ADECUACION DEL RELAVE …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… .. 9 3.2.1 POCESO DE FABRICACION DE LADRILLO ……………………………………………….. 10 a) balance de materia de la adecuación del relave ………………………………… 10 b) balance de la materia del proceso de la fabricación de ladrillos ……….. 11 4. JUSTIFICACION………………………………………………………………………………………………………… 12 5. ANALISIS Y DIAGNOSTICO DIAGNOSTICO DE LA SITUACION ACTUAL ………………………………………………. 13 5.1 ESPESOR LAMELLA ………………………………………………………………………………………….. 14 5.1.1. DIMESIONAMIENTO DEL ESPESOR DE PLACAS ………………………………………….. 14 a) Pruebas de laboratorio……………………………………………………………………… . 14 b) Procedimiento operativo…………………………………………………………………… . 14 5.2. EXTRUSORA PARA LADRILLOS…………………………………………………………………………… 14 a) Dimensiones del barril extrusor ………………………………………………………… …………………………………………………………. 15 b) Diseño del cabezal de la extrusora …………………………………………………….. 15 c) Selección de material ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… . 15 5.3. Diseño de horno túnel ……………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ………………………………. 15 5.3.1 Diseño de la bóveda del horno ………………………………………………………………… .. 16 5.4. CHIMENEA……………………………………………………………………………………………………… .. 18 5.5. MODELO DE VAGONETA …………………………………………………………………………………… 18 5.6. SISTEMA DE RIELES ………………………………………………………………………………………… ... 19 5.7. OBJETIVO GENERAL ………………………………………………………………………………………… .. 20 5.8. OBJETIVO ESPECIFICO …………………………… …………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………….. 20 6. DISEÑO DE PORTAFOLIO P ORTAFOLIO DE ALTERNATIVAS …………………………………………………………….20 6.1. ALTERNATIVA 1 ………………………………………………………………………………………………… 20 6.2. ALTERNATIVA 2 ……………………………………………………………………………………………… ... 21 7. EVALUACION DE ALTERNATIVAS ALTERNATIVAS ……………………………………………………………………………… 21 7.1 Evaluación económica……………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ………………………………..21 7.2. Evaluación técnica …………………………………………………………………………………………… .. 22 7.3. Determinación de la mejor alternativa ……………………………………………………………… 22 8. DESARROLLO DE LA ALTERNATIVA PROPUESTA ………………………………………………………. 24 8.1. DESCRI PCION DEL PROCESO DE PRODUCCION…… PRODUCCION………………………………… …………………………………………… ……………….. 24 a) Diagrama de análisis de proceso………………………………………………………… 24 b) Diagrama de operación de proceso……………………………………………………. 27 8.1.1. TRATAMIENTO PLANTA CEPROMET …………………………………………………………. 29 a) tanques de agitación………………………………………………………………………… .. 29 b) densidad de la pulpa ………………………………………………………………………… ..29 c) flujo mineral ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… .. 30 d) flujo de agua ……………………………………………………………………………………… . 30 8.1.2. ESPESADOR LAMELLA ………………………………………………………………………………. 30 a) DIMENSIONAMIENTO DEL ESPESADOR DE PLACAS ……………………………. 30
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8.1.3. TANQUE ACONDICIONADOR ACONDICIONADOR ……………………………………………………………………… 31 a) flujo total ……………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………. 32 b) dimensiones……………………………………………………………………………………… . 32 8.1.4. TANQUE NEUTRALIZADOR NEUTRALIZADOR ………………………………………………………………………… . 32 a) datos…………………………………………………………………………………………………… 32 b) peso total ……………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………. 32 c) volumen total ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… 32 d) densidad de pulpa………………………………………………………………………………. 32 32 e) volumen de tanque neutralizador ……………………………………………………… ……………………………………………………… . 33 8.1.5. FILTRO DE BANDAS AL VACIO ……………………………………………………………………. 33 a) Cálculo de la densidad ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… 33 b) velocidad de faja ………………………………………………………………………………… 33 c) Calculo de are de filtrado……………………………………………………………………. 33 d) Columna de vació……………………………………………………………………………… . 33 8.1.6. CALCULOS DE INGENIERIA PARA LOS EQUIPOS DEL PROCESO DE FABRICACION DE LADRILLOS …………………………………………………………………………………… . 34 8.1.6.1. MEZCLADOR HELICOIDAL HORIZONTAL……………………………………… 34 8.1.6.2 EXTRUSORA PARA LADRILLOS ……………………………………………………… 35 a) dimensiones del barril extrusor ……………………………………………………… ………………………………………………………35 b) Diseño de cabezal extrusor ……………………………………………………………. ……………………………………………………………. 35 c) selección de material ……………………………………………………………………… ……………………………………………………………………… 35 d) diseño detallado de la extrusora……………………………………………………. 36
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1.
INTRODUCCION
La minería es una de las fuentes principales de desarrollo y riqueza en el Perú, pero también se da diversos conflictos, vinculados sobre todo con el impacto que genera con el medio ambiente y las comunidades que viven cerca de la zona de extracción. Como se sabe, los residuos actuales de la minería aparecieron como consecuencia del proceso de concentración de los minerales sulfurados por flotación, tal como: la galena, la blenda, la pirita argentífera; entre otros, los cuales, son residuos que se encuentran en cantidades considerables y actualmente están fuera de control ambiental óptimo. Los residuos de la minería involucran dos tipos denominados: pasivos y activos mineros, que a continuación se detalla: Los Pasivos Ambientales Mineros, involucran tanto los socavones o labores mineras, así como los botaderos (escombreras) y los relaves (presas de colas) de minas que dejaron de operar o en abandono, siendo los relaves mineros abandonados, en forma específica, los que generan las siguientes alteraciones en el medio físico (medio ambiente): • • • • •
Contaminación de aguas superficiales y subterráneas. Contaminación de suelos de la zona de influencia de estos depósitos. Impacto visual negativo. Riesgo continúo de daños al ecosistema frente a los desastres naturales. Presencia de metales pesados en el medio físico.
Mientras que los Ac ti vo s Min ero s , en forma específica, lo constituyen los relaves del proceso de flotación de minerales polimetálicos, considerando que sólo una de las minas en el Perú, produce 25,000 toneladas diarias, lo que hace al mes 75 mil toneladas y al año 9 millones de toneladas que pasan a formar parte de relave minero de minas en operación. Es en ese sentido, que este residuo sólido minero que proviene únicamente de una sola mina, y si se consideran, que actualmente existen más de 150 minas en operación; asimismo, actualmente, esta cifra se eleva a 900 millones de toneladas de residuos mineros en forma anual y creciente. Por toda la situación problemática de contaminación generada por la presencia de pasivos ambientales mineros, como los activos y pasivos, es que se hace necesario dar un valor agregado al relave y crear una nueva cadena productiva, en el sector de la industria de la construcción civil; y es por ello, que se planteó en este estudio, el empleo del relave como materia prima para elaborar Ag regado de Const ru cc ió n y fabricar ladrillos, baldosas, pistas, aceras, sardineles, muros, fachadas. Es por ello, que el agregado de construcción en mención se elaborará con estándares de calidad bajo un enfoque de la 4
metodología de la investigación que establezca las técnicas de fijación y microencapsulación de los metales pesados en los relaves mineros, que tiene como propósito estabilizar a los metales peligrosos y contaminantes que se encuentran en los relaves, anulando el proceso natural de disponibilidad y movilidad de los metales pesados que se caracterizan por causar contaminación cuando están en estado inestable y por lo tanto migran hacia al medio físico (suelo y agua). Cabe resaltar, que este estudio tuvo como finalidad, el establecimiento de las técnicas estándar de la fabricación de ladrillos y baldosas, a partir de agregados de construcción que ofreciera una serie de ventajas en la industria de la construcción civil, de tal manera que se establezca una metodología del procedimiento experimental para la elaboración de los agregados de construcción tomando en cuenta las normas vigentes para la obtención del producto final que cumplirá con todas las normas y estándares de calidad.
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2.
RESUMEN EJECUTIVO
El reusó de los relaves mineros es una operación trascendental en el rubro minero ya que nos permite la fabricación de ladrillos. La finalidad de la optimización de los elementos de trabajo para el sistema de ejes de extrusores, es que cuenten con un sistema de cuchillas desmontables y que a su vez posean la aplicación de un tratamiento térmico establecido y determinado por las condiciones de trabajo y los niveles de deterioro a los que se expone durante su interacción con la materia prima, el propósito es el de mejorar los niveles de producción, eficiencia del equipo y minimizar los costos de operación. Nuestro proyecto “Mejoramiento de la extrusora y optimización de corte en la fabricación de Ladrillos con el uso de relaves mineros” parte con el objetivo
de mejorar la optimización del tiempo de producción y cortado de ladrillos que son elaborados mediante los relaves mineros. El procedimiento es sencillo, dado que se requiere crear un mezclador helicoidal, ampliación de chute, ya que es ideal para mezclar las arcillas en conjunto con el relave y otros (arcillas, diatomitas, etc.), pues este puede trabajar con un porcentaje de solidos de 90%. Siendo su construcción y funcionamiento bien prácticos que lo llevan a tener ventaja sobre otros tipos de mezcladores. Estos se aplican en la industria de la construcción de ladrillos. Se ahorrará en tiempo de producción de ladrillos y aumentar la cantidad de estos. Para una fabricación de ladrillos con una dimensión por ladrillo de: 210 * 140 * 90 mm. El proyecto es viable solo se requerirá hacer un adecuado estudio en las características de la extrusora y tener el conocimiento claro y conciso del procedimiento para la fabricación de ladrillos.
6
Figura 1. Sistema de producción de ladrillos. Fuente: Empresa porvenir sac
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3.
BREVES ANTECEDENTES DE LA EMPRESA
El proyecto se desarrolla en la empresa Porvenir SAC, ubicada en la Asociación parque industrial porvenir Arequipa – APIPA ubicado en Cono Norte de la ciudad de Arequipa, distrito de Cerro Colorado.
Figura 2. Ubicación de la empresa. Fuente: Google
Actualmente los equipos y maquinaria para la fabricación de ladrillos son factible de poder adquirir en el mercado actual, se pueden conseguir espesadores, acondicionadores, tanques agitadores, estructuras de ladrillos mezcladores helicoidales y hornos para ladrillos El agitador y el acondicionador, son tanques generalmente metálicos de fondo plano y con la parte de arriba abierta, que cuenta con un sistema de agitación en base a impulsores, y son utilizados en la industria. Se usan para mantener los sólidos en suspensión, es decir se agitan, homogenizan, mezclan o acondicionan una pulpa, de tal modo que quede lista para entrar en contacto con los reactivos, en este caso lo usaremos como un tanque neutralizador, estos equipos se usan en: la industria minera en lixiviación de minerales, neutralización de contaminantes, etc. El espesador recomendado para este tipo de procesos es la Lamella, es un sedimentador que utiliza varias placas paralelas inclinadas para conseguir la máxima superficie de decantación en cualquier espacio se suelo disponible. Se toma en cuenta que los dos criterios básicos para los equipos de decantación son la claridad en el líquido y la máxima densidad de los sólidos evacuados. Se va a utilizar para separar las soluciones con cianuro y los sólidos. El filtro de banda al vacío, es un sistema de filtración que usa fajas transportadoras especiales que permiten la filtración de los líquidos usando una 8
bomba de vacío; se usan en: la industria minera en concentrados, yeso, caliza, Hidróxido de aluminio, cemento, carbón, etc. La industria química en fosfatos, fertilizantes, sulfatos, catalizadores pigmentos, siliconas, etc. Se usa también en residuos industriales y tecnología medioambiental. El mezclador helicoidal es ideal para mezclar las arcillas en conjunto con el relave y otros (arcillas, diatomitas, etc.) pues este puede trabajar con un porcentaje de solidos de 90%. Siendo su construcción y su funcionamiento bien prácticos que lo llevan a tener ventaja sobre otros tipos de mezcladores. Estos se aplican en la industria de la construcción de ladrillos, la industria química, siendo más en la industria alimentaria para el mesclado de productos, etc. La extrusora es bien usada para la fabricación de ladrillos pues esta permite darle las condiciones físicas a la masa para obtener buenos ladrillos y es bien conocida por su tecnología en el mercado nacional. Existen desde extrusoras simples que trabajan manualmente hasta extrusoras que trabajan en vacío con una mayor capacidad de trabajo y netamente continuas ellas contienen los moldes y cortadora para los ladrillos; esta generalmente se da en fabricación de ladrillos mecanizados. El horno túnel es el equipo donde se dan diversas reacciones químicas y cambios de fase hasta lograr la sinterización de la pasta transformándose en un ladrillo estructural que será usado en la industria de la construcción. Estos hornos son de operación continua, además se pueden implementar sistema de recuperación de energía (calor) que se puede usar en el mismo horno o en un horno de secado siendo el proceso mucho más dinámico. 3.1.
INGENIERIA CONCEPTUAL B ASICA
En esta etapa del proyecto mostramos la ingeniería conceptual básica preliminar, para mostrar los parámetros necesarios para el diseño del prototipo. Se muestra el flujo general de las operaciones y procesos de adecuación de oro y culmina en la obtención de ladrillos para la industria de la construcción. 3.1.1.
ADECUACION DEL RELAVE.
El relave se le hace una operación de eliminación de líquido (espesamiento. Donde se recupera la solución cianurada y se recircula a la planta de cianuración. Seguidamente los relaves pasan por un acondicionar agregándose agua para tener una dilución adecuada en la etapa de detoxificación o neutralización de contaminantes, después en la etapa de filtrado donde se incrementa aún más el porcentaje sólidos y donde la solución de la detoxificación regresa al acondicionador y parte a la relavera de la planta de
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cianuración. El relave ya neutralizado y filtrado pasa a la siguiente etapa del proceso. 3.1.2.
PROCESO DE FABRICACION DE LADRILL O
El mezclado es la etapa donde se combinas adecuadamente los diferentes materiales que darán una pasta, al relave se agrega, greda y arena; pudiéndose agregar otros materiales de la zona (puzolana). La etapa siguiente es el prensado y moldeado, operación que hace en una extrusora, donde se obtiene un conformado con la geometría que desee obtener, cambiando las matrices de salida de la extrusora. La pasta que sale de la extrusora es cortada en tamaños adecuados, según la necesidad que desee obtener. La etapa de secado, etapa que tiene la finalidad de eliminar el agua de la pasta. Esta operación se hará a las condiciones naturales (secado al sol). La etapa de cocción, proceso donde se dan las transformaciones para lograr un sintetizado (ladrillo) con las propiedades mecánicas y físicas para ser utilizado en la industria de la construcción. El balance de materia de proceso total consta de dos etapas plenamente definidas y son: a.
Balance de materia de l a adecuació n del relave.
En el balance de materia de la adecuación de relave podemos observar que la cantidad de relave que procede la planta es de 1TM/H, la solución cianurada de la planta es de 1.9m 3/h, siendo su porcentaje en solidos de 34.4%. Para utilizar la solución cianurada y aumentarle el porcentaje de solidos se usa un espesador lamella, este le sube el porcentaje de solidos al 50%, en esta etapa sigue estando en 1TM/h, y la solución se encuentra en 1m 3/h, la solución barren que retorna a la planta de lixiviación va a 0.312m3/h. En la siguiente etapa de acondicionamiento se ingresa agua a 0.9 m3/h, esto se hace por que la concentración de cianuro disminuye y se hace más fácil de tratar en la detoxificación, en una etapa el 10
volumen sigue siendo de 1TM/h y la solución se incrementa a 1.9 m3/h, reduciéndose el porcentaje de solidos a 32,25%. La siguiente etapa es la del filtrado, sonde se filtra la solución neutralizada, se precipita y se devuelve al acondicionador, el exceso va a la relavera. En esta etapa el volumen es de 1TM/h, la solución se reduce a 0.335 m 3/h, el porcentaje de solidos se incrementa a 75%. b.
Balance de la materia del proceso de la fabricación de ladrillos.
El proceso de fabricación de ladrillos se puede dividir en las siguientes áreas. • • • • • •
Área de almacenamiento. Área de perforación y reducción de tamaño. Área de formación del confortado. Área de secado. Área de cocción. Área de productos terminados.
El balance de materia de la fabricación de ladrillos comprende desde que recibimos el relave detoxificado, hasta el producto del ladrillo. El relave detoxificado ingresa con u porcentaje de solidos de 75%, con un flujo de 0.100 TM/h manteniendo una humedad de 25%, el relave tratado se mezcla con arcilla (greda) y otros (arenapuzolana) en un flujo de 0.050 TM/h. Estos materiales se adecuan en un mezclador de tipo helicoidal, pasando luego a la etapa de moldeado, en esta etapa el porcentaje de solidos es del 80% solidos, el flujo se incrementa a 0.150 TM/h y con el contenido de humedad de 20%. La siguiente etapa es el prensado, operación que se da en la estructura y saliendo luego por una matriz de geometría adecuada (moldeado) finalmente se procede a dar corte de la pasta, en esta etapa tenemos un flujo de 0.150 TM/h con 20% de humedad. En el secado la humedad de la pasta se reduce de 20% a 5 %, con lo que el material está preparado para su ingreso al horno túnel. Finalmente tenemos la etapa de cocción donde el agua se elimina al 100%, y se obtiene el ladrillo que es el producto final.
11
4.
JUSTIFICACION
Actualmente la construcción de viviendas tiene un crecimiento constante, y esto se debe en parte al crecimiento demográfico que se ha presentado en los últimos años. Por consiguiente, las empresas dedicadas a la producción de materia prima para construcciones están manejando un nivel de demanda elevada. Para este fin es necesario realizar investigaciones que conduzcan a mejorar la competencia de la empresa a través de un estudio profundo para la mejora de su calidad, costes y sostenibilidad. Se sabe que los relaves están compuestos por metales pesados de mercurio, plomo y zinc, etc. que son productos de los centros mineros los cuales causan daño a las poblaciones que se encuentran cerca de la mina por consiguiente afecta en salud, ganadería y agricultura La fabricación de ladrillos con relaves mineros busca el fin de mitigar la contaminación hacia los suelos. Por tratarse de una optimización particular su desarrollo depende del conocimiento detallado de los materiales, materia prima y de las necesidades a suplir, por ende, se debe conocer la caracterización de la materia prima, los elementos de trabajo y las posibles soluciones correctivas para lograr el punto óptimo de la producción con los máximos niveles de rendimiento y bajo los mínimos niveles de deterioro. Se debe conocer los diferentes tipos de extrusión para la elaboración de ladrillos, escogiendo específicamente el que se relaciona con nuestro estudio y bajo los parámetros de los procesos con el que trabaja la empresa. El proceso de extrusión consiste en una matriz, cuya salida tiene la forma de la barra que se desea realizar, por parte de la boca de carga, se pone la materia prima, que, por medio de una prensa hidráulica, se forzara hacer pasar el material a través de la matriz. Donde saldrá la barra a obtener en forma continua. La carga puede ser con el material en frio o caliente, dependiendo de las características mecánicas y punto de fusión del mismo. La extrusora de ladrillos como cualquier maquina debe cumplir ciertas especificaciones de diseño para que funcione correctamente. El tamaño de la maquina debe permitir un moldeo conveniente de los ladrillos, ya que al ser de tipo artesanal requerirá de la manipulación del hombre y ejercer la presión necesaria para la extrusión. Con este proyecto obtendremos el mejoramiento de la maquina extrusora para la obtención de ladrillos mediante los relaves mineros.
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5.
ANALISIS Y DIAGNOSTICO DE LA SITUACION ACTUAL
solidos a un 50% de solidos
de solidos
PH de trabajo 9
un 75% aproximadamente
que se desee elaborar
Utilizando una extrusora
de fisuras y agua del producto
Se da el proceso de corrosión al ladrillo secado
solidos a un 50% de solidos
Diagrama 1: Procedimiento de la elaboración de ladrillos con relaves mineros.
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5.1.
ESPESOR LAMELLA 5.1.1. a.
DIMENSIONAMIENTO DEL ESPESOR DE PLACAS PRUEBAS DE LABORATORIO
Para obtener los parámetros necesarios para el diseño del espesador/clarificador, se realizaron ensayos de sedimentación en el laboratorio metalúrgico, utilizándose probetas graduadas a 1000 ml. La altura de la interface se registró a intervalos de tiempo seleccionados. Las pruebas anteriores se realizaron a diferentes concentraciones de solidos siendo mínima de 35,7gr de solidos por litro y la máxima de 714.2 gr de solidos por litro. b.
PROCEDIMIENTO OPERATIVO
Las pruebas de sedimentación se realizaron en probetas estandarizadas de 1000ml. Procedimiento de la siguiente secuencia: -
5.2.
Se vierte suspensión dentro de la probeta y se enrasa a 1000ml. Y se agita vigorosamente hasta conseguir su homogeneidad. Se registra la altura de la interface a intervalos de tiempo predeterminados. Se traza las curvas de sedimentación, lo que nos permite calcular la velocidad de sedimentación a diferentes concentraciones. Luego se procede a construir una curva de flujo discontinuos.
EXTRUSORA PARA LADRILLOS
La extrusora debe ser resistente a la mezcla de relave, arcilla y otros. La estructura como cualquier maquina debe cumplir ciertas especificaciones de diseño para que funcione correctamente. % agua = 15 al 20 % agua Nivel de presión = 1.5 al 2.0 Kg/cm2 El área de salida de la masa, tiene relación directa con la granulometría del molde, cuantos menos agujeros tiene le molde y mayor diámetro más elevado es la presión. La longitud de la extrusora debe ser tal que permita el moldeo de 3 ladrillos promedio en una solución.
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a.
Dimensiones de barril extrusor:
volumen es de 0.0025M3 =2.5 litros se considera el volumen de tres ladrillos de un mínimo de 3 de extrusión 140 x 90 x 210mm = 2.646 litros x 3 = 7.93 ladrillos b.
Diseño del cabezal de la extrusora
Forma parte primordial de la cabeza de la maquina extrusora ya que ella depende el acabado del ladrillo. Es desmontable para varias dimensiones del ladrillo y se basa en un ladrillo preliminar de dimensiones210x140x90mm c.
Selección de material
El material para usar en la construcción debe ser resistente a la mezcla del relave arcilla, agua, por ellos se necesita buenos materiales: • •
Plancha de hierro negro de 6 mm de espesor. Para el barril se necesita un ángulo de laminado de 1 ” x 3/16” para la formación de la bandeja receptora de
•
•
5.3.
ladrillos Bisagras industriales tornadas de 5/8 para el sello del barril estructural a fin de evitar la salida del material El eje de transmisión de 1 ½” y pernos de acero de 3/8” x 2” unión de partes.
DISEÑO DE HORNO TUNEL
Para el diseño del horno túnel de la planta minera El Porvenir, que utilizara como materia prima relaves del proceso de lixiviación de minerales de oro, combinando de forma racional con greda, y otros agregados que nos permiten obtener un conformado (ladrillo) de buenas condiciones. El prototipo elabora 1000 unidades diarias de ladrillos King Kong, se ha tomado en cuenta el ladrillo de dimensiones más grande en lo referente al tiempo de cocción, habiendo determinado 5 horas como el tiempo que el ladrillo estaría completamente sinterizado a una temperatura de 1000°C. Las dimensiones del horno túnel es de 8 mts lineales con un área transversal de 11 x 0.5 mts (0.5m2) de área útil de trabajo.
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Figura 3: Diseño Del Horno Túnel Fuente: Empresa Porvenir S.A.C.
5.3.1.
DISEÑO DE LA BOVEDA DEL HORNO
El horno túnel es un proceso de sinterización de conformado (ladrillos y similares) que opera en contracorriente, el conformado en un sentido y los gases en otro sentido, generando el intercambio de calor (energía) por contacto directo logrando una eficacia térmica. El horno túnel es del tipo bodega curva, dividido en tres zonas, calentamiento, cocción y enfriamiento. Con una chimenea de tiro natural. El diseño de hornos túnel puede recuperarse los gases calientes. El diseño propuesto es de ingreso de aire por la zona de enfriamiento, para lo cual podemos usar un ventilador de tipo centrifugo. La salida de gases por la chimenea se ha considerado de tiro forzado. Para la construcción se considera tres tipos de materiales: ladrillo refractario de tipo acido, material aislante (diatomita), ladrillo de obra. Para el sistema de movimiento de ha considerado con u sistema de rieles, sobre los cuales se trasladarán vagones de 1m de ancho x 1m de largo. El horno funcionará con GLP (Gas Licuado de Petróleo) y en un futuro operará con GN (gas natural) para lo cual se implementará un sistema de 4 quemadores funcionando 2 de cada lado en la zona de cocción, siendo la potencia de cada quemador de 67 096,06 KJ/hr; esto permitirá controlar las temperaturas para diferentes aplicaciones o productos a elaborar, dándole versatilidad al horno. 16
La chimenea funcionara con tiro forzado con una chimenea de 4.87 mts de longitud medida desde la parte superior de la bóveda. La geometría de la chimenea es circular con un área de 0.11m 2 y un diámetro de 0.38cm, la cual se construirá de cilindros de obra. El horno tendrá una longitud de8 metros lineales, los cuales esta divididos en tres tramos; a. b. c.
Zona de calentamiento: 3m Zona de cocción: 2m Zona de enfriamiento: 3m
Para el dimensionamiento de las paredes del horno se ha hecho una división en tres zonas la longitud del mismo, asimismo se considera la temperatura del interior del horno como 1000°C y la temperatura externa del 20°C.
Figura 4: Diseño Del Horno Túnel Fuente: Empresa Porvenir S.AC.
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5.4.
CHIMENA
La chimenea será colocada en la entrada al horno y tendrá una geométrica cilíndrica. Las salidas de los gases de combustión serán por la parte superior del horno (bóveda) con una temperatura de salida de 225°C. Altura desde el exterior del horno: 2.5m Diámetro interior: 0.38m Diámetro exterior: 0.66m Material a construir será de ladrillos de obra Se instalará un sistema de extracción de gases, usando un ventilador del tipo centrifugo de las siguientes características. Caudal 848m3/hr
máximo: Velocidad: 4
m/s Presión estática: RPM: BHP: Diámetro
152.4mmca 3713 1 entrado 393 mm Diámetro salida 320 5.5.
MODELO DE VAGONETA
La vagoneta es el equipo que se usa para transportar los ladrillos hacia el interior del horno, asimismo también para la carga y descarga de los ladrillos, opcionalmente se podría usar para el transporte de un horno de secado. Las ruedas a usar so 4” de diámetro los cuales se usan en un sistema de rieles de 25 Lb/Yd en tramos de 6m: montado sobre durmientes metálicos de 2” de ancho y 0.70m de largo. Los durmientes están
instalados, con una separación de 0.80 m en la zona de cocción y a 1.00 de separación en la zona de calentamiento y enfriamiento. Las vagonetas contaran con un sistema de movimiento con un motor de 10HP de potencia, además se instalará un cable de cable de acero de 1/2" diámetro para arrastre de las vagonetas.
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Figura 5: Modelo De Vagoneta Par El Ingreso Hacia Le Horno Fuente: Empresa Porvenir S.AC. 5.6.
SISTEMA DE RIELES
El sistema de rieles nos permite transportar las vagonetas con la carga de ladrillos. Este sistema cuenta con 3 módulos importantes: MODULO 1: Zona de cocción MODULO 2: Zonas de calentamiento, enfriamiento MODULO 3: Exterior (carga y descarga).
Figura 6: Diseño De Rieles Para Cada Proceso Fuente: Empresa Porvenir S.AC.
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5.7.
OBJETIVO GENERAL •
5.8.
OBJETIVO ESPECIFICO •
•
•
6.
Mejorar la optimización del tiempo de producción y cortado de ladrillos que son elaborados mediante los relaves mineros.
Analizar el proceso actual de fabricación de ladrillos incluyendo los tiempos que toma cada paso del proceso. Diseñar un sistema de extrusión de ladrillos que mejore el proceso de moldeo. Determinar a través de métodos experimentales estadísticos los valores de los factores que garanticen los rangos de operación que generan la mejor calidad y producción de ladrillos.
DISEÑO DE PORTAFOLIO DE ALTERNATIVAS 6.1.
ALTERNATIVA 1: Implementación de aditivo s para el secado rápido de ladrillos para así optimizar la producción en un menor tiempo.
Es un tanino modificado usado en la fabricación de ladrillos, tejas u otros objetos que se logran por extrusión, moldeo o estampado. Es también efectivo en la industria de alfarería, de macetas o artículos de arcilla roja. BRICKLOW reduce la viscosidad de las arcillas durante el proceso de extrusión. Beneficios y aplicaciones: - Mejora la plasticidad de la arcilla. - Reduce la cantidad de agua requerida. - Reduce el tiempo de secado del ladril lo en el horno - Incrementa el módulo de rotura en verde. - Reduce los requerimientos de potencia del extrusor y el molino. - Reduce los descartes. - Forma soluciones al 50% fácil de bombear.
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Figura 7: Aditivo o dispersante bricklow Fuente: GOOGLE
6.2. ALTERNATIVA 2: Mejorar la optimización del tiempo de producci ón y cortado de ladrillos que son elaborados mediante los relaves mineros.
El reusó de los relaves mineros es una operación trascendental en el rubro minero ya que nos permite la fabricación de ladrillos. La finalidad de la optimización de los elementos de trabajo para el sistema de ejes de extrusores, es que cuenten con un sistema de cuchillas desmontables y que a su vez posean la aplicación de un tratamiento térmico establecido y determinado por las condiciones de trabajo y los niveles de deterioro a los que se expone durante su interacción con la materia prima, el propósito es el de mejorar los niveles de producción, eficiencia del equipo y minimizar los costos de operación. 7.
EVALUACION DE ALTERNATIVAS 7.1 Evaluación económica
CRITERIOS A EVALUAR
PUNTAJE
FACTOR DE IMPORTANCIA alternativa 1
alternativa 2
puntaje
1
materiales
3
3
4
5
2
fabricacion
3
3
5
5
3
operación
2
2
2
5
4
mantenimiento
2
4
1
5
total = E(Fi*Pi)
30
33
50
coeficiente economico = puntaje
60%
66%
100%
Cuadro 1: Evaluación económica.
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7.2. EVALUACION TECNICA factor de importancia (Fi)
CRITERIOS A EVALUAR
PUNTAJE(Pi) alternativa 1
alternativa 2
puntaje ideal
1
Seguridad
3
2
4
5
2
Rendimiento
3
3
4
5
3
Costo de energía
3
3
2
5
4
Capacidad de carga
3
2
5
5
5
Facilidad de manejo
5
3
3
5
6
Manteniendo
4
1
4
5
7
Accesorios
2
2
3
5
8
Ergonomía
3
2
3
5
9
Ruido
3
2
2
5
Total = E(Fi*Pi)
65
97
150
Coeficiente económico = puntaje
43%
65%
100%
Cuadro 2: Evaluación técnica. 7.3. DETERMINACION DE LA MEJOR AL TERNATIVA
AL= SUMATORIA PUNTAJE IDEAL TOTAL
ALTERNATIVA ALTERNATIVA ALTERNATIVA 1 2 3
Coeficiente económico
100
60
66
10
Coeficiente técnico
100
65
97
20
Sumatoria =(CE+CT)
200
125
163
30
Coeficiente Total
100
65%
85%
15
Cuadro 3: Determinación de la mejor alternativa. Con estas alternativas señaladas determinamos lo siguiente: Se tomará la alternativa 2 ya que tiene un alto porcentaje en coeficiente total y esto será apto para poder trabajar y poner en práctica ya que de acuerdo a sus criterios a evaluar se más factibles sin ningún problema. “
”
22
80
70
60
50
40
30
20
10
0 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Grafica de datos obtenidos de alternativas
Alternativa 2 Alternativa 1 Las ventajas analizadas son las siguientes de acuerdo a la alternativa seleccionada y óptima para poder trabajar.
•
•
•
•
El motor será eléctrico acuerdo a la potencia del motor proporcionará una óptima velocidad y trabajo a la vez siendo así que solo necesitará mantenimiento eléctrico (cambio de carbones). El chute de descarga del material será más amplio que en la cual ocupara más material procesado que es el relave. Se modificará la extrusora haciendo que produzca más ladrillos en un menor tiempo ya prolongado y esto hará que la producción crezca. Este mejoramiento de este proyecto traerá beneficios económicos y sociales por lo que la empresa PORVENIR S.A.C. se verá gratamente beneficiada, reduciendo conflictos sociales ya aumentando los ingresos mensuales.
23
8.
DESARROLLO DE LA ALTERNATIVA PROPUESTA (PROYECTO) 8.1. DESCRIPCION DEL PROCESO DE PRODUCCION: a. DIAGRAMA DE ANALISIS DE PROCESO: DAP
24
25
SIMBOLO
RESUMEN
CANTIDAD
OPERACION
6
INSPECCION
4
TRANSPORTE
5
ESPERA
2
ALMACENAMIENTO
2
26
b. DIAGRAMA DE OPERACIONES DE PROCESO: DOP
27
SIMBOLO
RESUMEN
CANTIDAD
OPERACION
8
INSPECCION
2
ALMACENAMIENTO
2
28
8.1.1. TRATAMIENTO PLANTA CEPROMET MINERA PROVENIR • • • •
•
La capacidad de la panta CEPROMET Minera porvenir S.A.C. es de 6 TM/ DIA de mineral que se realizan en forma discontinua. La etapa de chancado se realiza en dos horas, 3 TM/HORA. La etapa de molienda se realiza en 6 horas, 1 TM/ HORA. La etapa de lixiviación las 24 h/día. En esta etapa se recupera AU por medio de carbón activado, por el método CIL (carbón en lixiviación). Obteniendo luego Au por desorción de carbono. Se tiene un relave del proceso de cianuración en el orden de 1TM/ hora en el tiempo que se realiza la molienda lixiviación que es de 6 horas. a. TANQUES DE AGITACION Diámetro = 1.5m Altura =1.8 m Diámetro m enor =1.0 m N° de tanques =4.0 Volumen 1
=
Volumen 2
=
. .. (
Volumen t anque Volumen total
) = 0255
=v1 + V2 = 3.435 m = 4 tanques x 3.435 = 13.74 m3
Toneladas de min eral/día Peso específico Volumen min eral Volumen agua % SOLIDOS Peso del mineral Peso del agua Peso total
= 3.18 3
=6000Kg =2.6 =2.3 m3 =13.74m3 - 2.3m3 = 11.44m3
6000 Kg 11440 Kg 17440Kg
% 34.40 65.60
b. DENSIDAD E LA PULPA =
ℎ2
=
11.440 6000 13.74 3 = .
29
c. FLUJO DE LA PULPA 13.74 360
= 38.17 /
FLUJO MINERAL 1000 Kg/h =16.66 Kg/minuto FLUJO DE AGUA 1906.67 L/h = 31.78 LITROS / MINUTO. 8.1.2. ESPESADOR LAMELLA a. DIMENSIONAMIENTO DEL ESPESADOR DE PLACAS Pruebas de laboratorio Para obtener los parámetros necesarios para el diseño del espesador/ clarificador, se realizaron ensayos de sedimentación en el laboratorio metalúrgico, utilizándose probetas graduadas de 1000 ml. La altura de la interface se registró a intervalos de tiempo seleccionados. Las pruebas anteriores se realizaron a diferentes concentraciones de sólidos, siendo la mínima de 32.7 gr de solidos por litro y la máxima de 714.2 gr de solidos por litro. Procedimiento operativo Las pruebas de sedimentación se realizaron en probetas estandarizadas de 1000 ml. Procediendo de la siguiente secuencia: •
• •
•
Se vierte la suspensión dentro del probeta y se enrasa a 1000 ml. Y se agita vigorosamente hasta conseguir su homogenización. Se registra la altura de la interface a intervalos de tiempo predeterminados. Se traza las curvas de sedimentación, lo que nos permite calcular la velocidad de sedimentación a diferentes concentraciones. Luego se procede a construir una curva de flujo discontinuo para lo cual utilizamos la siguiente ecuación.
30
GT = Xi Vi En la que GT= caudal de solido (kg/m2 *d) Xi= concentración del solido en suspensión (Kg/m3) Vi= Velocidad de sedimentación en la zona para una concentración Xi(m/min). La curva de flujo discontinuo. Con los datos obtenidos a partir de la curva de flujo de solidos podemos Calcular: El área de superficie mínima de clarificación El área de superficie mínima requerida para el espesamiento de lodos hasta alcanzarla concentración deseada. El dimensionamiento general del espesador de placas en base a constantes de trabajo conocidas.
Calculo de la velocidad de sedimentación y f lujo d e solidos Curva de sedimentación Flujo de solidos GT(Kg/m2* dia)
Concentración de solidos Xi (gr / lt)
Velocidad de sedimentación Vi (m / min)
6288.91 9433.37 10290.95 7184.33 5895.86 5152.68 4771.82 3476.84 1572.66
35.7 71.4 107.1 142.8 178.5 214.5 400.0 500.0 714.2
0.1223 0.09175 0.16673 0.03495 0.02294 0.01668 0.00828 0.00483 0.00153
Cuadro N°1: Calculo de la velocidad de sedimentación y flujo de solidos
8.1.3. TANQUE ACONDICIONADOR TM % solidos Peso mineral Peso H2O Volumen del mineral Volumen de agua Volumen total Densidad de pulpa
= 1000 kg = 50% =100 = 1000 kg = Lt = = = . = 384.6 = 1000 lt = 384.6 + 1000 = 1384.6 litros =
+
=
+ .
=
31
.
= 1.444
Flujo Acondicionando a 34% sólidos Agregando agua a 31.78 − 16.66 Agrego 15.12 Dando 31.78
16.66
=
.
= 15.12
= 23.076
= 34.4%
a. Flujo total ingreso Agua + pulpa Flujo Tiempo recomendado 38.19x10 38.19x1.2
= 23.076+15.12 =38.19 = 10 min = 381.9 Litros = 458 Litros
b. Dimensiones D H Vol
= 0.76 metros = 1.20 metros = 0.544 m3 nos da suficiente capacidad
Velocidad de acondicionador = 30 RPM El costo aproxim ado del tanque acondicio nador es de 3000.00 nuevos sol es 8.1.4. TANQUE NEUTRALIZADOR a. Datos Flujo = 38.19
Flujo del reactivo = 3.33 32.25% de solidos
b. Peso total Volumen = 1000Kg Densidad de Mineral = 2.6 Volumen de Mineral = 384.6 Litros Peso total = 3100Kg c. Volumen total Volumen de reactivo = 3.33 Litros = 200 Litros Volumen de solución = 31.7 Litros = 1900 Litros Volumen Total = 2484.5 Litros d. Densidad de Pulpa 32
Velocidad / Min = 41.41 Pulpa + + Densidad = . ++
Densidad = . Densidad = 1.24
= 1.24
e. Volumen de tanque neutralizador •
El tanque de neutralización según pruebas que se han realizado con ácido de caro es de 35 minutos. • El flujo de pulpa es de 41.41 × 35
• •
El volumen total más de 20% = 1.739 Litros Revisando modelos de Tanque agitadores la potencia del motor ideal para este equipo es de 1.5 HP Se le ha adicionado 3 impulsores para mejorar la agitación
•
El costo aproximado de tanque neutralizador es de 7000.0 nuevos soles 8.1.5. FILTRO DE BANDAS AL VACIO Base del cálculo 1000 Kg/h Flujo 41.41 Litros/m 16.67 Kg/m2 El porcentaje de solidos que se recibe es de 32.35% a. Calculando la densidad Peso de Mineral 30 Kg Medida de Volumen 20 litros Densidad aparente 1.5 Espesor de Torta 10 mm Medida de Bandeja 30x30x1.5 = 1.350Kg b. Velocidad de faja Longitud de maquina 3.8m Longitud efectiva 3.1 m Diámetro de polea 0.4m Longitud total 885.6 cm por vuelta N° de bandejas que filtran en el tiempo 885.6 / 29.52 = 30 N° de bandejas = 9 29.52 x 1.350 = 39.85 Kg por vuelta 1000/39.85 = 25 Revoluciones de faja/hora Velocidad de faja 25 RPM c. Calculando área de filtrado Longitud efectiva 3m Ancho 0.3 m Área = 0.93 m 2 33
Potencia de Motor = 12 HP según tablas Poder de Vacío = 40 Kw d. Columna de vacío: % sólidos = 25% %agua = 75% Agua Neutralizada = 35 Litros/ min Agua Solido filtrado = 5.58 Litros/ min Tiempo de operación = 30 min 29.42 x 30 = 882.6 Litros Reserva 18% =117.4 Litros Volumen de columna de vacío =882.6+117.4 = 1000 Litros e. Dimensiones Diámetro = 76 cm Altura = 240 cm El costo aproximado del filtro de bandas al vacío es de 11.000.00 nuevos soles. 8.1.6. CALCULOS DE INGENIERIA PARA LOS EQUIPOS DEL PROCESOS DE FABRICACIÓN DE LADRILLOS 8.1.6.1 MEZCLADOR HELICOIDAL HORIZONTAL Se tiene una pulpa de 25% de agua donde se agregó arcilla y otros más. Agua para tener una masa de 20 % de humedad, la mezcladora debe tener una capacidad de 100 kg. a. Calculando el Volumen: Peso 1000 kg V1 = (1000/2.6) = 384.6 Litros Agua V2 = 200 litros T = 384.6 + 200 = 584.6 Litros La capacidad de la mezcladora es de 25% mas 584.6 x 1.25 = 730.7 Litros. Medidas Helicoidales de la Mezcladora de acuerdo a las tablas Largo Ancho Alto o o o o o o o
= 200 cm = 55 cm = 77 cm
Usa un motor reductor de 5 HP Bateo de 1/8° Paleta de = 22.5 cm de radio Diámetro eje de 2° Espiral doble en la parte superior ha contra marcha. Reductor de velocidad. Conjunto de rodamientos 34
o o o
Sello de Bateo con prensa-estopa. Salida de Regreso a Cremallera Caballete alto y base para motor
El costo aproximado del mezclador helicoidal es de 5.000.00 nuevos soles. 8.1.6.2 EXTRUSORA PARA LADRILLOS La extrusora debe ser resistente a la mezcla de relave, arcilla y otros. La extrusora como cualquier maquina debe cumplir ciertas especificaciones de diseño para que funcione correctamente. Dos factores que inciden en el producto final extruido final extruido son: % agua =15 a 20 % agua Nivel de presión = 1.5 a 2.0 kg/cm 2 El área de salida de masa, tiene relación directa con la granulometría de molde, cuanto menos agujero tiene el molde y mayor diámetro más elevado es la presión. La longitud de la extrusora debe ser tal que permita el moldeo de 3 ladrillos promedio en una sola extrusión. a. Dimensiones de Barril Extrusor : Volumen es de 0.0025 M 3 = 2.5 Litros Se considera el volumen de tres ladrillos a un mínimo de 3 de extrusión. 140 x 90 x 210 mm = 2.646 Litros x 3 = 7.93 Litros b. Diseño de cabezal del extrusor: Forma parte primordial del diseño de la maquina extrusora ya que de ella depende el acabado del ladrillo. Es desmontable para varias dimensiones del ladrillo y se basa en un ladrillo preliminar de dimensiones 210 x 140 x 90 mm c. Selección de material: El material a usar en la construcción debe ser resistente a la mezcla relave arcilla - Otros, agua por ello se necesita de buenos materiales - Plancha de hierro negro de 6 mm de espesor. - Para el barril se necesita un tubo estructural cuadrado de 1° x 1.5 mm - Para el soporte de la maquinaria se necesita un Angulo de laminado de 1° x 3/16° para la formación de la bandeja receptora de ladrillos. - Bisagras industriales torneadas de 5/8° para el sello del barril estructural a fin de evitar la salida del material. - El eje de transmisión de 1 ½ ° y pernos de acero de 3/8° x 2 ° Unión de partes 35
