INTRODUCCION AL PROCESO E HISTORIA DEL CEMENTO:
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Antecedentes:
Hace 5.000 años aparecen al norte de Chile las primeras obras de piedra unidas por un conglomerante hidráulico procedente de la calcinación de algas, estas obras formaban las paredes de las chozas utilizadas por los indios. Los egipcios emplearon morteros de yeso y de cal en sus construcciones monumentales. En Troya y Micenas, dice la historia que, se emplearon piedras unidas por arcilla para construir muros, pero, realmente el hormigón confeccionado con un mínimo de técnica aparece en unas bóvedas construidas cien años antes de J.C. Los romanos dieron un paso importante al descubrir un cemento que fabricaban mezclando cenizas volcánicas con cal viva. En Puteoli conocido hoy como Puzzuoli se encontraba un depósito de estas cenizas, de aquí que a este cemento se le llamase "cemento de puzolana". Con hormigón construye Agripa en el año 27 antes de J.C. el Panteón en Roma, que sería destruido por un incendio y reconstruido posteriormente por Adriano en el año 120 de nuestra era y que, desde entonces, desafió el paso de tiempo sin sufrir daños hasta el año 609 se transformó en la iglesia de Santa María de los Mártires. Su cúpula de 44 metros de luz está construida en hormigón y no tiene mas huecos que un lucernario situado en la parte superior. -
Historia del cemento portland
Hasta el siglo XVIII puede decirse que los únicos conglomerantes empleados en la construcción fueron los yesos y las cales hidráulicas, sin embargo, es durante este siglo cuando se despierta un interés notable por el conocimiento de los cementos. John Smeaton, ingeniero
de
Yorkshire
(Inglaterra),
al
reconstruir en 1758 el faro de Eddystone en la costa de Cornish, se encuentra con que los morteros formados por la adición de una puzolana a una caliza con alta proporción de arcilla eran los que mejores resultados daban frente a la acción de las aguas marinas y que la presencia de arcilla en las cales, no sólo las perjudicaba sino que por el contrario, las mejoraba, haciendo que estas cales fraguasen bajo el agua y que una u na vez endurecidas fuesen insolubles en ella. Puede decirse con acierto que el primer padre del cemento fue Vicat a él se debe el sistema de fabricación que se sigue empleando en la actualiad y que propuso en 1817. Vicat fue un gran investigador y divulgador de sus trabajos; en 1818 publicó su "Recherches experimentales" y en 1928 "Mortiers et ciments calcaires". En estos trabajos marca la pauta a seguir en la fabricación del cemento por medio de mezclas
calizas
y
arcillas
dosificadas
en
las
proporciones convenientes
y
molidas
conjuntamente. El sistema de fabricación que empleó Vicat fue el de vía húmeda y con él marcó el inicio del actual proceso de fabricación. Este gran científico en 1853 empieza a estudiar la acción destructiva del agua de mar sobre el mortero y hormigón. En 1824, Joseph Aspdin, un constructor de Leeds en Inglaterra, daba el nombre de cemento portland y patentaba un material pulverulento que amasado con agua y con arena se endurecía formando un conglomerado de aspecto parecido a las calizas de la isla de Portland. Probablemente, el material patentado por Aspdin era una caliza hidráulica debido, entre otras cosas, a las bajas temperaturas empleadas en la cocción. En 1838 Brunel emplea por primera vez un cemento procedente de la fábrica de Aspdin en el que se había logrado una parcial sinterización por elección de una temperatura adecuada de cocción.
Este
cemento
se
aplicó
en
la
construcción de un túnel bajo el río Támesis en Londres. Puede decirse que el prototipo del cemento moderno fue producido a escala industrial por Isaac Johnson quien en 1845 logra conseguir temperaturas suficientemente altas para clinkerizar a la mezcla de arcilla y caliza empleada como materia prima. El intenso desarrollo de la construcción de ferrocarriles, puentes, puertos, diques, etc., en la segunda mitad del siglo XIX, da una importancia enorme al cemento y las fábricas de éste, especialmente las de cemento natural, empiezan a extenderse por doquier. Es a partir de 1900 cuando los cementos portland se imponen en las obras de ingeniería y cuando empieza un descenso veloz del consumo de cementos naturales. Actualmente, el cemento portland ha llegado a una gran perfección y es el material industrializado de construcción de mayor consumo Se puede decir que el cemento es el alma del hormigón, yendo destinada, prácticamente, toda su producción a en lazar piedras sueltas para crear el material pétreo que conocemos como hormigón. Las investigaciones llevadas a cabo por los padres del cemento Michaelis y Le Chatelier, en 1870 y 1880, fueron fundamentales y muy meritorias para el desarrollo de este material. En ellas se apoya toda la investigación actual que emplea técnicas de análisis muy sofisticadas y rápidas.
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Introduccion al proceso de produccion del cemento Portland:
En la construcción el cemento más utilizado es el “cemento portland” estos cementos pertenecen a la familia de los conglomerados hidráulicos formados por materiales pulverulentos artificiales de naturaleza inorgánica que reaccionan con el agua dando
lugar a un producto solido resistente y estable, tanto en el aire como en el agua. De todos los conglomerados hidráulicos el cemento portland y sus derivados son los más empleados en la construcción debido a estar formados, básicamente, por mezclas de caliza, arcilla y yeso que son minerales muy abundantes en la naturaleza, su precio es relativamente bajo en comparación con otros cementos y tiene unas propiedades muy adecuadas para las metas que deben alcanzar. Dentro de los conglomerados hidráulicos entran también los cementos de horno alto, los puzolanicos y los mixtos, teniendo todos estos un campo muy grande de empleo en hormigones para determinados
medios,
así
como
los
cementos
aluminosos
modernamente
denominados “cementos de aluminato de calcio” que se aplican en casos especiales.
Los cementos se emplean, fundamentalmente, para producir morteros y hormigones cuando se mezclan con agua y áridos, naturales o artificiales, obteniéndose con ellos elementos constructivos prefabricados o construidos “in situ”.
La fabricación del cemento Portland se da en tres fases: preparación de la mezcla de las materias primas, producción del clinker y preparación del cemento. Las materias primas para la producción del portland son minerales que contienen: -
óxido de calcio (44%),
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óxido de silicio (14,5%),
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óxido de aluminio (3,5%),
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óxido de hierro (3%)
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óxido de manganeso (1,6%).
La extracción de estos minerales se hace en canteras, que preferiblemente deben estar próximas a la fábrica, con frecuencia los minerales ya tienen la composición deseada, sin embargo en algunos casos es necesario agregar arcilla, o calcáreo, o bien minerales de hierro, bauxita, u otros minerales residuales de fundiciones. La mezcla es calentada en un horno especial, con forma de un gran cilindro (llamado kiln) dispuesto casi horizontalmente, con ligera inclinación, que rota lentamente. La temperatura aumenta a lo largo del cilindro hasta llegar a unos 1400 °C, que hace que los minerales se combinen pero sin que se fundan o vitrifiquen.
En la zona de menor temperatura, el carbonato de calcio (calcáreo) se disocia en óxido de calcio y dióxido de carbono (CO2). En la zona de alta temperatura el óxido de calcio reacciona con los silicatos y forma silicatos de calcio (Ca 2Si y Ca3Si). Se forma también una pequeña cantidad de aluminato tricálcico (Ca 3Al) y ferroaluminato tetracálcico (Ca4AlFe). El material resultante es denominado clinker. El clinker puede ser
conservado durante años antes de proceder a la producción del cemento, con la condición de que no entre en contacto con el agua. El cemento obtenido tiene una composición del tipo: -
64% óxido de calcio
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21% óxido de silicio
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5,5% óxido de aluminio
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4,5% óxido de hierro
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2,4% óxido de magnesio
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1,6% sulfatos
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1% otros materiales, entre los cuales principalmente agua.
Cuando el cemento Portland es mezclado con agua, se obtiene un producto de características plásticas con propiedades adherentes que solidifica en algunas horas después y endurece progresivamente durante un período de varias semanas hasta adquirir su resistencia característica. El endurecimiento inicial es producido por la reacción del agua, yeso y aluminato tricálcico, formando una estructura cristalina de calcio-aluminio-hidrato, estringita y monosulfato. El sucesivo endurecimiento y el desarrollo de fuerzas internas de tensión derivan de la reacción más lenta del agua con el silicato tricálcico formando una estructura amorfa llamada calcio-silicato-hidrato. En ambos casos, las estructuras que se forman envuelven y fijan los granos de los materiales presentes en la mezcla. Una última reacción produce el gel de silicio (SiO 2). Las tres reacciones generan calor. Con el agregado de materiales particulares al cemento (calcáreo o cal) se obtiene el cemento plástico, que fragua más rápidamente y es más fácilmente trabajable. Este material es usado en particular para el revestimiento externo de edificios. B) APLICACION DE LAS MISMAS EN EL PROCESO DE PRODUCCION DEL CEMENTO:
Las materias primas extraídas en la cantera por voladura en trituran en machacadera, generalmente, de mandíbulas. La trituración se hace en varias etapas hsata conseguir el tamaño el tamaño final de 20 a 25 mm, aunque, aveces, y para mejorar el trabajo de los molinos se llegue en una nueva etapa de machaqueo hasta los 3 o 5 mm.
Triturador de mandíbulas El material titurado, al igual que el suelo, ha de secarse debido a que su humedad dificulta la molienda; hay que tener presente que las calizas pueden tener hasta una humedad del 8 por 100, las margas hasta un 15 por 100 y las arcillas hasta un 20 por 100. EL secado puede hacerse separadamente y antes de la molienda en secadores de tambor o, simultáneamente con esta, en los molinos. Los secaderos de tambor son cilindros giratorios de ligera inclinación, de unos 50 m de longitud y unos 5 m de diámetro en los que las materias primas se mueven bien en contracorriente o en el mismo sentido con gases calientes que suelen proceder en su mayor parte de los enfriadores del clinker o de un horno auxiliar. Los carbones empleados como combustible se secan de igual forma que las materias primas. Cuando el secado se realiza simultáneamente con la molienda el calor generado en esta ultima colabora al secado. Si el material se ha secado previamente pasa directamente a un molino en el cual se transformara en un material de gran finura cuyas partículas serán extraídas por una corriente de aire. Si, por el contrario, no se ha empleado secador previo, el material pasara a un molino secador en el que la corriente de aire que lo atraviesa será caliente. Los molinos están formados por un tambor de acero, horizontal y giratorio, revestido interiormente de placas muy resistentes al desgaste y con formas adecuadas para voltear eficazmente a las materias primas junto con una carga muy importante de bolas de fundición blancas aleadas con niquel y cromo. Al girar el molino, por debajo de su velocidad critica (aquella en la que la fuerza centrifuga anula la gravedad sobre las bolas), las bolas caen junto con la materias primas desde una altura grande chocando con los trozos de material situado entre ellas y entre el revestimiento y, por
tanto, desmenuzando a las materias primas hasta convertirlas en un material pulverulento
Sección de un molino de bolas
Molino de crudo Es importante con vistas a la eficacia de la molienda que los molinos tengan un grado de llenado (relación entre el volumen de bolas y el de la cámara) adecuado oscilando este entre el 25 y 45 por 100. Los molinos pueden ser una sola cámara o de varias, generalmente tres, siendo estos ultimos los más frecuentes. En ellos, la primera cámara de menor longitud se llena con bolas de diá metro comprendido entre 60 y 100 mm y tiene un grado de llenado, aproximado, del 30 por 100, realizando la molienda, fundamentalmente, por impacto; la segunda cámara, de algo mayor longitud, emplea bolas de diámetro comprendido entre 35 y 60 mm, teniendo un grado de llenado, aproximado, del 27 por 100 y en ella la molienda se realiza por impacto y rozamiento; la tercera cámara, que es la de mayor longitud, emplea bolas de 30 mm o “cylpebs”,
que son cilindros de acero de 10 a 26 mm de diámetro y longitud doble del diámetro, el grado de llenado de esta cámara suele ser del 25 por 100 y en ella la molienda se realiza, fundamentalmente, por rozamiento.
Molino de bolas de cámaras múltiples El material a moler entre en al primera cámara por uno de los extremos del molino y cuando ha alcanzado un grado de finura dado pasa aña segunda a través de un diafragma o rejilla de separación, en esta nueva cámara sigue moliéndose y al tener un grado de finura determinado para atravesando un nuevo diafragma a la tercera en la que termina de molerse, saliendo el material molido al exterior por el otro extremo del molino y arrastrado por una corriente de aire, cuya velocidad regulable, permite que el tamaño de las partículas extraídas de mayor o menor. Los molinos suelen funcionar en circuito cerrado, es decir, el material extraído por el aire pasa a unos ciclones que seleccionan las partículas que poseen una finura por debajo de un valor determinado y las que no cumplen este requisito las envían de nuevo al molino.
Sistema de molienda en circuito cerrado La trituración
y molienda absorben prácticamente el 85 por 100 de la energía
empleada en la fabricación del cemento, correspondiendo sola a la molienda el 75 por 100, de la cual solo se aprovecha en el molino del 2 al 20 por 100 y el resto se disipa en forma de calor provocado en los impactos y rozamientos, movimiento del molino, de las bolas y materias primas, etc. Muchas fábricas modernas han sustituido los molinos de bolas para crudo por molinos cónicos (de aspecto muy parecido a las de trigo) en los que el material cae sobre una pista o mesa circular giratoria y pasa bajo unas muelas cónicas también giratorias. La molienda se hace por compresión y fricción, consiguiéndose un sustancial ahorro energético y un mayor rendimiento con respecto a los molinos de bolas. La mezcla de materias primas y de correctores, en su caso, perfectamente dosificada para que el contenido en óxidos sea el preciso para el tipo de cemento que se ha de fabricar, y molida, recibe el nombre de “crudo” y con ella se alimenta el horno.
La cocción del crudo se realiza en horno rotatorios ligeramente inclinados que están formados por un tubo cilíndrico de acero revestido interiormente de material refractario cuya longitud alcanza hasta 150 m y cuyo diámetro puede sobrepasar los 4.5 m. Estos hornos tienen producciones que pueden alcanzar las 3000 toneladas/dia. Los hornos giran a una velocidad de unos 180 revoluciones por hora y tienen una pendiente comprendida entre el 2 y 5 por 100.
Horno rotatorio de cemento En el exterior situado a nivel mas bajo del horno se encuentra el quemador o mechero que se alimenta con carbón pulverizado o con fuel-oil. Por el extremo opuesto se
introduce de forma continua el crudo seco si el proceso es por vía seca, o la pasta, si lo es por vía húmeda. En este segundo caso, los hornos tienen una longitud mayor debido a que deben dispones de una zona de secado en la cual se evapora el agua de la pasta. A fin de no hacer excesiva la longitud del horno se cuele dispones de dispositivos que permiten un mayor contacto de la pasta con los gases calientes. Por efecto de la rotación y de la inclinación del horno el crudo se desplaza lentamente y en contracorriente con los gases hacia el extremo inferior donde esta situado el quemador y a la boca de descarga hacia el enfriados. En este desplazamiento el crudo va aumentando cada vez más su temperatura produciéndose en el una serie de transformaciones físicas y químicas, asi hasta los 100ºC se evapora el agua libre, a los 500ºC o mas se evapora el agua combinada en la arcilla, de 600ºC para arriba se elimina el CO 2 del MgCO 3, a 800ºC o mas se pierde el CO 2 del CaCO3, siendo endotérmicas todas las reacciones anteriores. De 900ºC a 1200ºC se preoduce la reacción entre la cal y la arcilla es un proceso exotérmico, de 1250ºC a 1290ºC se inicia la formación de fase líquida y
por encima de esta ultima temperatura se va
produciendo la formación progresiva de líquidos y de los compuestos del clinker probablemente con un balance endotérmico. La sinterizacion hace que el crudo se vaya transformando en nódulos esféricos de diámetro comprendido entre 5 y 25 mm que reciben el nombre de “clinker de cemento portland”.
El clinker se descarga de forma continua del horno hacia el enfriador que puede ser de satélites, de parrilla o rotatorio, etc, pero que, en cualquier caso, ha de ser capaz de producir un enfriamiento lo suficientemente rápido del clinker que impida que el oxido magnesio procedente del carbonato que impurifica las materias primas, cristalice en forma de periclasa.
Sección longitudinal del horno rotatorio con enfriadores planetarios
El clínker pasa del enfriador a un silo-hangar donde se almacena para terminar de enfriarse y meteoriza a fin de que parte de la cal libre que tenga se transforme en hidróxido cálcico y evitar así problemas expansivos posteriores en el cemento. En el proceso por vía seca, lo normal es que el crudo no entre directamente al horno sino que lo haga a traves de una serie de intercambiadores de calor (generalmente cuatro) situados en vertical, unos encima de otros, en una torre ubicada en el extremo de entrada del horno. En el recuperador Humboldt, por ejemplo, hay cuatro ciclones en serie en los que el crudo se encuentra en contracorriente con los gases que sales del horno, en el primero de estos ciclones, los gases que van casi fríos (de 400ºC a 200ºC) hacia los filtros y
a la chimenea, se encuentran por primera vez con el crudo
haciéndole perder el agua libre, en el segundo, el crudo se encuentra con gases a mas temeperatura (600ºC a 400ºC) eliminándose parte del agua combinada en la arcilla, en el tercero, el crudo mas caliente se encuentra con gases aun mas calientes (800ºC a 600ºC) y, en el cuarto con gases a una temperatura entre 1050ºC y 900ºC, en estos dos últimos tienen lugar de una 10 a un 15 por 100 de la reacciones de calcinación. .
Intercambiador de ciclones Humboldt Otros hornos emplean como elemento recuperador una parrilla móvil, como ocurre con el horno Lepol en el que los gases que salen de un horno corto, a un temperatura de unos 1000ºC, atraviesan una capa de 15 a 20 cm de espesor de nódulos o gránulos que se hacen amasando el crudo con una pequeña cantidad de agua en un plato o tambor nodulador. Estos gránulos calientes alimenta el horno mientras que los gases salen de la parrilla a una temperatura próxima a los 100ºC, con muy poco polvo y con una humedad muy conveniente para la mayor eficacia de los filtros electrostáticos.
Horno Lepol con circulación de gases dobles Con los recuperadores se consiguen tres objetivos principales uno es reducir la longitud del horno al llevar fuera de él parte del proceso de cocción, otra es
aprovechar al máximo el calor que llevan los gases y lograr que cuando salgan por la chimenea lo hagan a la menor temperatura posible y la ultima es mejorar el rendimiento ya que en los recuperadores el crudo tiene un contacto más intimo con los gases. Modernamente ha aparecido un nuevo tipo de intercambiador de gran eficacia conocido como “intercambiador SF” y en el cual en el ciclón situado antes de la
entrada al horno se produce una calcinación instantánea del crudo en suspensión por medio
de un mechero. Si se tiene en cuenta que en los intercambiadores
convencionales solamente se realiza una parte muy pequeña de la calcinación y que el resto hay que hacerla en el horno se comprende que los hornos tengan una longitud doble de la requerida para la sinterización. Con el sistema SF, al llevar la calcinación fuera del horno, se reduce mucho la longitud del mismo a la vez se mejora el rendimiento energético dado que las primeras reacciones de eliminación de agua y calcinación, que son endotérmicas, se realizan en un ciclón con una aportación del 60 por 100 del total de calorías, mientras que el resto de las reacciones que son prácticamente exotérmicas se hacen en el horno con solo un 40 por 100 de calorías que en buena parte están destinadas a compensar las pérdidas por transmisión de calor . El clínker y el yeso, que actúan como regulador de fraguado, se muelen conjuntamente a una grado de finura elevado en el molino de cemente. La proporción de yeso a emplear depende del contenido de aluminato tricalcico que tenga el clínker y suele estar comprendida entre el 3 y el 5 por 100 en peso.
Diagrama de flujo del intercambiador de calor SF
Aparte de estos dos componentes fundamentales pueden adicionarse al molino puzolanas naturales, cenizas volantes, humo de sílice, escorias siderúrgica, caliza, etc, cuando se pretendan conseguir cemento de características especiales frente a determinados medios, así como mejorar el balance energético del proceso de fabricación. Pueden añadirse también aditivos que son productos que, en pequeñas dosis, inferiores al 1 por 100 en peso, se pueden utilizar eventualmente para facilitar el proceso de fabricación del cemento o, para incorporar al cemento o sus derivados alguna característica específica, como ocurre con los inclusores de aire. Los aditivos no deben perjudicar las propiedades y comportamientos de los morteros y hormigones, ni deben provocar, acelerar o facilitar, la corrosión de armaduras en el hormigón armado.
Fábrica moderna de cemento con intercambiador SF. Se aprecia la poca longitud del horno y la mayor altura de los intercambiadores. Los molinos de cemento son molinos de bolas similares en su forma a los de crudo si bien en estos se llevan un control estricto de la temperatura a fin de no alcanzar los 70ºC debido a que a esta temperatura el yeso dihidratado se transforma en hemihidratado y, si esto tiene lugar, al amasar el cemento con agua para su uso, se producirá una hidratación y fraguado muy rápido de esta tipo de yeso dando lugar a un agarrotamiento prematuro de la masa o “falso fraguado”.
Actualmente se consigue una buena molienda haciendo un premolido de clínker, adiciones y yeso en un molino de rodillos cilíndricos y un molido final de corta duración en un molino de bolas. Si la adición es de escoria de horno alto y estas poseen humedad pasan directamente al molino de bolas con premolido. El ahorro energético conseguido de esta forma es notable. El cemento una vez molido se transporta a silos donde se enfría y expende.
