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CAL VIVA.
Es óxido de calcio. Se obtiene por
calcinación a 1000º C de la piedra caliza.
La producción de cal en hornos es una vieja
tecnología con más de 2.000 años de antigüedad. Se
cree que fue desarrollada por los romanos alrededor del 300 A.C. El proceso de
cocción de la piedra caliza a temperaturas superiores a los 900 ºC
para producir cal viva, que luego es apagada con agua para producir cal
hidratada, es desde entonces una práctica tradicional en la
mayoría de los pases.
La cal también es obtenida como un
subproducto en forma de lodo de cal (que contiene carbonato de calcio y
diversas impurezas) de la fabricación de áscar, y de las
industrias de papel y acetileno. El subproducto, lodo de cal, es moldeado en
ladrillos o briquetas antes del cocido en hornos.
Las reacciones químicas en la cocción
de la cal son:
CaCO3 (Carbonato de Calcio o Piedra Caliza) + Calor
= CaO (Oxido de Calcio o Cal Viva) + CO2 (Dióxido de Carbono)
CaMg(CO3)2 (Piedra Caliza
Dolomítica) + Calor = CaO + MgO (Oxido de Magnesio) + CO2
El proceso químico de cocción de la
cal muestra que el principal constituyente en la materia prima (piedra caliza)
es el carbonato de calcio. La piedra caliza puede tener un contenido de CaCO3
mayor del 98% (como en algunas calizas y en diversos tipos de conchas y
corales) o tan bajo como 54% (en la dolomita mineral pura).
Cada tipo de piedra caliza produce una calidad
diferente de cal, dependiendo del tipo y cantidad de impurezas. Las formas
más puras de cal son para usos industriales y químicos, mientras
que las impurezas son deseables en cales empleadas para edificaciones y
carreteras. Las piedras calizas que conti
enen de 5 a 25% de arcilla pueden producir una
cal hidráulica, que, como el cemento, se endurece ante la presencia de
agua.
La presencia de impurezas en las piedras calizas
influye en su comportamiento durante la cocción, de modo que el
diseño del horno y la elección de combustible dependen en gran
parte de la materia prima y del tipo del producto final requerido. Por ello es
esencial la asesora de expertos en la etapa inicial, para obtener resultados
satisfactorios tanto para el productor de cal como para el consumidor.
La preparación de la materia prima es
extremadamente importante ya que deberá emplearse un solo tamaño de
piedra para facilitar un flujo del gas uniforme y un horneado parejo. Es
importante realizar pruebas de horneado en pequeña escala para estudiar
el comportamiento de la materia prima y la calidad de cal que esta produce, y
también para asegurarse que los terrones no se rompan antes que salgan
del horno.
COMBUSTIBLES
La madera y el carbón de piedra son los
combustibles tradicionales más comunes. La cocción con madera
produce una cal de gran calidad, ya que se hornea con llamas largas y uniformes
que generan vapor (por el contenido de humedad de la madera), lo cual ayuda a
disminuir la temperatura necesaria para la disociación
(separación del CO2 de los carbonatos), reduciendo así
el peligro de cocción excesiva.
La madera debe ser secada y cortada en piezas
relativamente pequeñas. El abastecimiento de madera deberá estar
cercana al horno para evitar altos costos de transporte. Para la
producción de cada tonelada de cal hidratada se necesita aproximadamente
2 m3 de madera. Esto es un problema, en vista de la rápida
depredación de las fuentes de madera, pero una posible solución
es fomentar plantaciones de madera combustible y el uso de biomasas
alternativas.
El carbón de leña da una eficiencia
mayor, pero la cal producida no es tan buena como la horneada con madera.
El carbón de piedra con un alto contenido de
carbón produce una buena cal y puede ser un combustible económico
incluso en hornos pequeños. El coque es preferible debido a su bajo
contenido volátil (hidrocarburos que se puedan evaporar), pero es
difícil de prender y, por lo tanto, a menudo es mezclado con
carbón de piedra.
Los combustibles líquidos y gaseosos,
aunque más caros, son más fáciles de manipular que los
combustibles sólidos, y se queman sin producir cenizas que contaminen la
cal.
Los tipos principales son los GLP y gas natural y el
diésel y aceites combustibles pesados, a menudo mezclados con aceites
usados de motores. El combustible es vaporizado, mezclado con aire y prendido
en cámaras ubicadas alrededor del horno, produciendo llamas grandes
antes de hacer contacto con la piedra caliza.
Los GLP, principalmente propano y butano, son otros
combustibles líquidos empleados. Igualmente se emplea el gas natural,
como el metano, y el gas producido, hecho de madera, material vegetal o
carbón de piedra.
Si se emplean aceites o gases, los hornos
necesariamente deben ser más sofisticados que los empleados con
combustibles sólidos.
Los posibles combustibles alternativos son la turba,
los esquistos y la biomasa, derivados de materiales vegetales incluyendo
residuos forestales y agrícolas. Pueden emplearse de diferentes maneras.
Es poco probable que la energía solar o
eólica pueda emplearse en un futuro cercano.
Cada día tiene más interés la
utilización de combustibles derivados de los residuos, como el biogás,
algunas biomasas, restos de plásticos o llantas entre otros muchos.
DISEÑO Y
FUNCIONAMIENTO DEL HORNO
Un horno de cal es una construcción en la
cual la piedra caliza es calentada a una temperatura tal que libere el CO2,
convirtiéndola en cal viva. El calor es proporcionado por combustibles
adecuados que pueden ser colocados en capas entre la piedra caliza o mezclados
con ésta. Los combustibles gaseosos o líquidos son inyectados por
los lados del horno o quemados en cámaras adyacentes, desde las cuales
los gases calientes ingresan al horno.
Es necesario un control cuidadoso para mantener la
temperatura correcta el tiempo suficiente como para quemar completamente la
piedra. La piedra caliza no bien calcinada no se hidrata, mientras que el
material sobre horneado es muy duro y denso para apagarse, o se hidrata muy
lentamente.
Los hornos pueden ser: intermitentes o continuos.
HORNOS
INTERMITENTES
Son hornos de campaña. Los trozos de piedra
caliza, que se echan por la parte superior del horno, se acumulan de mayor a
menor, dejando una cavidad para el combustible.
La cocción tradicional de la cal en
hornos intermitentes
desperdician mucho combustible (generalmente leña) y a menudo producen
cales no uniformes, de baja calidad.
Se enciende el horno elevando la temperatura
gradualmente, hasta que las piedras se presenten porosas, por los gases de
combustión que circulan entre ellas y provocan su descomposición.
Se deja enfriar y se extrae la cal formada corriendo la reja metálica de
la parte inferior.
Los hornos intermitentes o por lotes generalmente
son empleados en lugares remotos, en donde no se necesita un abastecimiento
continuo. Son cargados con piedra caliza y encendidos hasta que toda la piedra
ha sido cocida. Luego de enfriar, se extrae la cal viva, se vuelve a cargar con
piedra caliza y nuevamente se enciende el horno.
La eficiencia del combustible naturalmente es muy
baja, ya que las paredes del horno tienen que ser recalentadas cada vez que se
enciende un nuevo lote. Por otro lado, necesita muy poca atención
durante el quemado. El combustible se quema debajo de la piedra caliza (en
hornos de llama o de tiro de aire superior) o dentro del lote completo (en
hornos de alimentación combinada).
Inconvenientes de estos hornos:
Pérdida de calor y tiempo, dada la necesidad
de esperar que se enfríe para volverlo a cargar.
Emplean mucha mano de obra en la carga y descarga.
Pérdida de anhídrido carbónico
que se desprende.
HORNOS CONTINUOS
En los hornos continuos, equipos apropiados
mueven mecánicamente la materia prima y la cal obtenida. Los hornos
continuos funcionan sin interrupción: a medida que se extrae la cal viva
se agregan nuevas porciones de piedra caliza. Los hornos continuos pueden ser
de dos tipos: verticales y rotatorios.
Los hornos continuos verticales son muy semejantes al horno intermitente, con
la diferencia de que mientras la carga se realiza por la parte superior, la
descarga se efectúa por la inferior de forma continua. Los hornos
verticales utilizan piedras calizas de mediano tamaño. El combustible es
indistinto: leña, fuel oil o gas natural. Este tipo de hornos aprovecha
el anhídrido carbónico que se desprende y evita pérdidas
de calor.
El combustible y la piedra caliza se disponen en
capas alternadas y presenta el inconveniente de facilitar una cal de calidad
inferior, mezclada con cenizas, escorias, etc. Pueden utilizarse quemadores
especiales para evitar que el combustible entre en contacto con la cal. Son
simples y el rendimiento de combustible es mayor que el horno rotativo.
Los hornos de eje vertical son diseñados
principalmente para producción continua: la piedra, alimentada por la
parte superior, cae gradualmente en la zona de cocción, luego en la zona
de enfriamiento, y finalmente es estrada por abajo, dejando sitio para la
siguiente carga, y así sucesivamente. La capa superior es precalentada
por los gases de evacuación y el aire que ingresa por dedujo es
precalentado por la cal viva en enfriamiento, obteniendo así, el
máximo uso del calor disponible.
Las principales características del
diseño y consideraciones del funcionamiento respecto a los hornos de
alimentación combinada y eje vertical son:
Cimientos y base del horno: construido sobre un
terreno firme y con las dimensiones adecuadas para soportar al fuste y al
contenido del horno; es necesaria la asesoría de un ingeniero.
Forma y dimensiones del fuste: el área de la
sección transversal está relacionada a la producción
deseada (1 m2 produce aproximadamente 2.5 toneladas por día);
una planta circular proporciona una mejor distribución del calor; la
relación entre altura y dímetro debe ser al menos de 6:1 para un
flujo de gas optimo; la altura debe estar relacionada al tipo de piedra caliza,
ya que las piedras suaves tienden a molerse bajo la presión,
restringiendo el flujo del gas (los hornos para caliza blanda no deben exceder
de 5 m de alto); los fustes que se adelgazan hacia la parte superior minimizan
las piezas colgantes (piedras que se adhieren a los lados y forman arcos).
Paredes estructurales: deben soportar la
presión lateral de la piedra caliza (proporcionando un mayor grosor de la
pared en la base, o contrafuertes, o mediante bandas de tracción de
acero a intervalos de 80 cm., deben resistir el agrietamiento que podrán
ocasionar la expansión del calor (empleando pequeños ladrillos en
lugar de bloques grandes, y mortero de arena y cal en juntas angostas); espesor
de la pared de 50 cm. como mínimo para un buen comportamiento
térmico; material resistente a los agentes atmosféricos.
Revestimiento refractario aislante en la zona de
cocción y debajo, resistente al calor y a la acción química,
usualmente de 5 a 10 cm. de espesor, para retener el calor en el horno,
especialmente alrededor de la zona de calcinación.
Los hornos continuos rotativos consisten en un cilindro con aislamiento
interior movido por un moto reductor. Por la
acción de un quemador se eleva la temperatura de las piedras que se
carga, generalmente de forma automática por un extremo y se extraen por
el otro convertidas en cal viva.
Usados generalmente para calcinar una caliza con un
tamaño pequeño de partícula (6-60) mm y equipados
generalmente con calentadores previos y refrigerantes.
Están mejor equipados para la
obtención de una cal de calidad debido a su instrumentación y
produce una cantidad máxima de cal por hombre-hora.
El proceso de calcinación de la caliza ocurre
igual en hornos del tipo rotativo o vertical, pero la caliza que se introduce a
estos hornos no puede ser cualquier caliza: no puede ser muy porosa o muy
húmeda debido a que esto aumenta la demanda de combustible
Normalmente se coloca una chimenea para facilitar el
tiro y proporcionar suficiente oxígeno para la combustión, para
enfriar la cal 
viva, y para alejar los gases de
evacuación de los operarios que cargan el horno.
Permite que entre aire fresco retirar la cal viva
enfriada El control del tiro de aire es fácil. Alrededor del horno y a
diferentes niveles se colocan orificios para atizar e inspeccionar, usualmente
del tamaño de un ladrillo (el cual es empleado para cerrar), para
aflojar regularmente los terrones de caliza amontonados y para controlar la
temperatura dentro del horno.
También se utilizan otros tipos de hornos rotativos para
tratar residuos calizos como huesos, conchas de mariscos o residuos de corte de
piedra caliza o mármol.
HIDRATACIÓN
El tipo de cal empleado para construcciones y otros
numerosos procesos es la cal hidratada o apagada. Esta es obtenida
añadiendo vapor o agua a la cal viva. La cal viva pura reacciona
vigorosamente desprendiendo calor considerable, mientras que la impura se
hidrata lentamente, o solo después que los terrones son triturados.
CaO (Oxido de Calcio o cal viva) + H2O (Agua)
= Ca(OH)2 (Hidróxido de Calcio o cal apagada) + Calor
Comúnmente se producen tres formas de cal
hidratada:
Hidrato seco, un polvo fino seco formado
añadiendo agua suficiente para apagar la cal, que es secada por el calor
generado;
Lechada de cal, hecha de cal viva apagada con agua
en exceso y agitándola bien, formando una suspensión lechosa;
Pasta de cal, una masa viscosa formada por el
asentamiento de los sólidos de la lechada de cal.
La forma más común es el hidrato seco,
que es muy adecuado para almacenar en silos o bolsas herméticas, y
fáciles de transportar. La pasta de cal, que es un excelente material de
construcción, puede ser guardada indefinidamente bajo condiciones
húmedas. La lechada de cal generalmente es producida conjuntamente con
otras industrias de procesamientos.
En pequeñas fábricas de cal, el apagado
usualmente se realiza a mano, sobre plataformas para producir un hidrato seco o
tanques pocos profundos para hacer pasta de cal. Aunque la hidratación
de la cal viva es un proceso simple, debe realizarse con especial cuidado, por
ejemplo, ver que toda la cal viva está completamente apagada. Las piezas
que se hidratan muy lentamente y que no se detectan, pueden causar serios
problemas posteriormente.
Si el agua es añadida muy lentamente, la
temperatura de la cal puede incrementarse demasiado rápido, formando un
compuesto arenoso blanco inactivo (cal de agua quemada). Si el agua es
añadida muy rápidamente, puede formarse una capa de
hidróxido, evitando una mayor hidratación (cal ahogada).
La localización y distribución de un
taller de producción de cal son factores vitales que influyen en la
ecónoma y la calidad de la producción de cal.
APLICACIONES
Respecto a los usos de la cal obtenida dependen los distintos
grados de pureza que requiera la caliza, por ejemplo
para la cal usada en la industria se requiere un grado de pureza mucho mayor de
la caliza, si lo comparamos con la pureza requerida para usos agrícolas
así para cada uso se dan características de la caliza para
satisfacer necesidades y aquí se presenta un resumen:
Para usos industriales
Gran parte de la caliza no sirve por problemas de
pureza, por esta razón gran parte de la cal se obtiene a partir de
conchas de mar las cuales son basadas en CaCO3 puro o de vetas de
caliza o mármol de gran calidad.
Para usos en
construcción
La cal se usa principalmente en enlucidos y estuco
principalmente como cal hidráulica la cual contiene un porcentaje de
arcilla y que debido a esto fragua bajo el agua y tiene propiedades
plásticas. Generalmente se usa como sustituto del cemento. La cal no
hidráulica (hidróxido de calcio puro) también es empleada
como un aglomerante en enlucidos. Se endurece al reaccionar con el
dióxido de carbono en el aire para retornar a piedra caliza (carbonato
de calcio). Este proceso puede tomar hasta 3 años dependiendo de las
condiciones climáticas.
La cal hidratada se usa para la fabricación
de ladrillos de cal los cuales consisten en la cal hidráulica más
arena los cuales juntos forman silicatos mono cálcicos los cuales tienen
propiedades aislantes, por esto mismo se agrega a algunas carreteras de arena
cal hidráulica para formar silicatos sobre esta y así formar un
“cemento natural” donde obviamente no se requiere cal de gran
pureza.
La cal es empleada como un estabilizador en las
construcciones de tierra con suelos arcillosos, porque la cal reacciona con la
arcilla formando un aglomerante.
La cal es usada en morteros de cemento para hacerlo
más laborable. La cal es producida con menos consumo de energía
que el cemento, haciéndolo más barato y ambientalmente más
aceptable.
En morteros y trabajos de enlucido, la cal es muy
superior al cemento portland, proporcionando superficies suaves con una mayor
probabilidad a deformarse que a agrietarse y ayudan a controlar los movimientos
de humedad y la condensación.
La lechada de cal es empleada como pintura de
paredes internas y externas. La lechada de cal no solo son pinturas más baratas sino que también actúan como un
germicida suave.
Para usos
agrícolas
La cal se usa generalmente para neutralizar los
ácidos presentes en el suelo aunque se usa
más la caliza directamente para estos fines en donde se requiere poca
pureza
Para usos
metalúrgicos
La cal viva tiene un gran uso como fundente en la
manufactura del acero donde se requiere una cal de una gran pureza,
además la cal se usa en el trefilado de alambres como lubricante,
también se usa en la fabricación de lingotes en moldes de hierro
para evitar la adherencia de estos lingotes
Otro uso de la cal es para neutralizar los
ácidos con los que se limpian los productos del acero, en este sentido
se prefiere la cal para neutralizar debido a que la caliza produce CO2
al contacto con ácidos lo cual es un problema debido a que puede generar
asfixias en los que lo manipulan.
La lechada de cal se usa como aislante temporal a la
corrosión, en el recocido del acero, se usa además en casi todos
los procesos para la extracción de Mg, también para recuperar la
sílice de la bauxita, se emplea en la flotación de minerales no
férreos donde actúa como depresor y mantiene la alcalinidad
correcta, para todos estos usos metalúrgicos se requiere una cal de una
pureza superior a las anteriores y como consecuencia una caliza de una pureza
mayor de donde sintetizar esta cal.
Para usos varios
Se usa la lechada de cal para neutralizar los gases
nocivos producidos en la refinación de metales, gases como H2S,
SO2. Se usa la cal hidratada para la fabricación de NaOH por
la siguiente reacción: Ca(OH)2 + Na2CO3
→2NaOH + CaCO3. También se usa en la fabricación
de carburo de calcio cuando reacciona esta con coque. La cal se usa
también en el tratamiento de residuos de la industria del papel. Y en el
tratamiento de las aguas potables para mejorar su calidad y también para
ablandar agua, junto con sales de hierro se usa para coagular sólidos
suspendidos en el agua y también para neutralizar el “agua ácida”
que produce la corrosión de las cañerías.
Producción de acetileno
CaO + 2C(coque) → CaC2(carburo)
CaC2 + H2O → CHCH(acetileno) + Ca(OH)2
Ablandamiento de aguas
CaO + H2O → Ca+2 +2OH-
OH- + HCO3- →CO3-2 + H2O
CO3-2 + Ca2+ → CaCO3
FACTORES QUE
INFLUYEN EN LAS PROPIEDADES DE LA CAL OBTENIDA
Muchas de las propiedades de la cal dependen de la
calidad de la caliza utilizada como también del proceso de calcinado, y
de estas propiedades, dependen los usos que se le dé a la cal
aquí hay un breve resumen de estos factores que influyen en las
propiedades de la cal obtenida:
La dureza de la cal obtenida, depende de las
impurezas de la caliza utilizada como también de la temperatura de
calcinación, una impura, da una cal dura si se calcina a temperaturas
elevadas.
La porosidad - y como consecuencia la densidad
– de las cales también depende de la temperatura
de calcinación, a mayor temperatura menor porosidad y por lo tanto una
mayor densidad, como consecuencia de esto a mayor temperatura, la cal va
perdiendo actividad química, es por esta razón que conviene
sintetizar la cal a temperaturas lo más cercanas a la temperatura de
disociación de la caliza.
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