Producción de Cemento Portland

72.02 Industrias I Ing. Rebozov Nicolás

1. Definición

• Conglomerante formado a partir de una mezcla de caliza y arcilla calcinadas y posteriormente molidas con agregado de yeso, que tiene la propiedad de fraguar y endurecer al contacto con el agua. Mezclado con agregados pétreos (grava y arena) y agua, crea una mezcla uniforme, maleable y plástica que fragua y se endurece, adquiriendo consistencia pétrea, denominada hormigón.

• Hace posible la unión de los componentes

¿Cemento = hormigón?

¿Fraguado = Endurecimiento?

A

B

Respuestas

• Concreto/Hormigón (cemento + agregados pétreos + agua)

Resistencia vs tiempo

A

B

Principales productores

Distribución geográfica de las plantas

Por qué se localizan así?

Producción anual Argentina

En el mes de mayo de 2016, las fábricas de Cemento Portland despacharon

889.421 toneladas, incluyendo exportaciones, lo que representa un incremento con respecto al mes de abril último del 16,4%. Esta cifra, al ser cotejada con los valores del mes de mayo de 2015, registra una baja del 11.2 %.

Consumo, exportaciones e importaciones

ISAC - Indicador de coyuntura de la actividad de la construcción

• El Indicador Sintético de la Actividad de la Construcción (ISAC) muestra la evolución del sector construcción a partir del comportamiento de la demanda de un conjunto de insumos representativos. Se cuenta con ocho insumos básicos: cemento, hierro redondo para hormigón, revestimientos cerámicos, pinturas para construcción y uso doméstico, vidrio plano, ladrillos huecos, asfalto y tubos de acero sin costura.

Elección de tipo de cemento

• La Norma IRAM 50.000 establece los requerimientos de composición, las características físicas, químicas y mecánicas, y las condiciones de control y recepción que deben cumplir los mismos.

• Las clases de cementos se dividen, además, por su categoría resistente en CP30, CP40 o CP50, siendo ésta la resistencia mecánica mínima exigida a la compresión a 28 días, expresada en MPa (1 MPa = 10,2 kg/cm2), que debe garantizar el fabricante. La misma se determina mediante la confección de probetas de mortero de cemento según la Norma IRAM 1622.

Elección de tipo de cemento

Tipos de cemento

Tipos de cemento

Ficha técnica

Materias primas

Piedra caliza

• Roca sedimentaria (mineral)

• Extraída por voladura

• Componente principal CaCO3

Formula química

Materias primas

Arcilla

• Roca sedimentaria (mineral)

• Extraída mecánicamente

• SiO2·Al2O3·Fe2O3

Formula química

Tipos de proceso

Vía húmeda:

• Para materias primas de alto contenido de humedad. Requiere posterior filtrado y secado de la pasta.

• Antes, para fabricar cemento de alta calidad, se prefería la vía húmeda, puesto que por homogeneización de la pasta se conseguía la mezcla intima de los componentes del crudo

• Manejo y homogeneización de materias primas más fácil

• La materia de molienda se mezcla previamente con agua, de modo que al horno entra una pasta con 30-40% de agua

Vía seca:

• Más económico energéticamente

• Homogeneización en silos con aireación

6300 kJ/kg clinker de la vía húmeda a 3135 kJ/kg clinker de un horno actual de la vía seca.

Proceso

Trituración

Cantera

Almacenamiento / pre-homogeneización

Molienda y homogeneización

Precalentamiento

Horno rotativo

Enfriamiento

Almacén de clinker

Yeso Molienda

Expedición

Proceso - Extracción

• Perforación de barrenos

• Llenado con agente de voladura

• Carga con excavadora a volquete

Explosivos utilizados

• Dinamitas (Explogel)

• Emulsiones (Emulsen)

• Pentolitas (iniciadores)

• A granel (ANFOS)

Extracción y transporte

Excavadora + volquete

Proceso - Trituración

Trituradora de martillos

• Para dureza media

• Alta tasa de reducción

• Desgaste de martillos (recambio a 10% peso a 0,5 g/t),

rejilla y revestimiento.

• Simple o doble rotor

Trituradora de martillos - imágenes

Comparación entre trituradoras

• Siempre que la abrasividad lo permita (SiO2 libre), que es en la mayoría de las ocasiones, diseñan instalaciones lo más sencillas posible, es decir, instalaciones con trituradoras de impactos, dado que su coeficiente de reducción es notablemente superior al de aquellas cuyo concepto de trituración es el de la compresión (Trituradoras de mandíbulas y giratorias).

• Cuando se trate de materiales muy duros, que pueden causar grandes desgastes por abrasión, han de escogerse maquinas de movimiento lento, tales como las trituradoras de mandíbulas o giratorias, mientras que si la dureza es media es apropiado el empleo de trituradoras de impacto o de martillos, en las cuales la fragmentación se realiza principalmente por choque.

Pre-Homogeneización

• Generalmente sólo se realiza con la caliza triturada (eventualmente arcilla)

• Para regularizar composición química

• Se realiza en parques de almacenamiento con lecho de mezcla en nave o al aire libre

Mayor uniformidad del crudo y, por tanto, una mayor regularidad en la calidad del clinker

Molienda

• Tres rodillos moledores a presión por medio de cilindros hidráulicos, sobre un mecanismo giratorio con forma de disco

• Corriente lateral de gas caliente entra a través de un anillo que la rodea; el material molido es levantado hacia la zona superior de la caja y el producto de medida aceptable pasa a través de un clasificador hacia una puerta de descarga

• Consumo de energía alrededor del 50% de la energía consumida por un molino de Bolas que realice un trabajo equivalente.

Molienda

Molienda

Agregados a la molienda

• Materiales que están normalizados como adiciones, son entre otros: - Escorias de alto horno - Humo de sílice - Puzolanas naturales - Cenizas volantes - Caliza

• La composición final del cemento dependerá de la resistencia y

características adicionales que se quieran conferir al hormigón.

Homogeneización

• La homogeneización del crudo se hace en silos en los que se insufla aire, que fluidifica el polvo creando condiciones de turbulencia regulada que produce un mezclado homogéneo de las partículas

• Homogeneización neumática de la harina cruda seca

• Además los silos realizan un almacenamiento intermedio entre la molienda del crudo y el horno, con el objeto de desacoplar ambas instalaciones.

Secado y pre-calentamiento

• Evaporación de humedad y comienzo de decarbonatación/Calcinación hasta 95%

• Mayor rendimiento térmico del proceso y economización de combustible en horno

• Se obtienen ingresos al horno a 800ºC

• Sistemas de retención y recuperación de polvos

• Proceso realizado en instalaciones trabajando en estado fluidificado -¿por qué? Y ¿por qué no se hace todo el proceso fluidificado?

Secado y pre-calentamiento reforzado

• Segunda fuente de calor en el lecho fluidificado. • Reduce carga térmica en el horno protegiendo

revestimientos • Menor tendencia a formar incrustaciones en la entrada

del horno • Se pueden observar los perfiles de temperatura de un

horno sin precalentador de materiales, uno con precalentador por suspensión (S.P.) del material y otro, más moderno, precalentador por suspensión reforzada (R.S.P.)

• el crudo entra prácticamente calcinado en el horno (95 – 98 %) y, por tanto, su longitud es más pequeña, pues no necesita la zona de calcinación.

• La reacción de calcinación: CaCO3 ⇔ CaO + CO2, en el precalcinador, se realiza en pocos segundos

Gráficos comparación

Calcinación

• Descomposición térmica de carbonato de calcio

• Eliminan agua y CO2 y otros volátiles

• Aprox. a 900ºC.

Clinkerización

• La cal reacciona con los óxidos que componen la arcilla (SiO2, Al2O3 y Fe2O3)

• Aprox. a 1400ºC

Influencia de componentes

• La Alita (a base de C3S) (silicato tricálcico) es la base principal en la mayoría de los cementos Portland y de ella dependen en gran medida las propiedades mecánicas. El C3S tiene influencia fundamentalmente en el tiempo de fraguado y la resistencia inicial

• La Belita (a base de C2S) (silicato bicálcico) es la segunda fase en importancia. Su hidratación es mucho mas lenta por lo que sus influencias en la resistencia se empiezan a notar después de la primera semana

Horno rotativo

• Cilindro de acero, recubierto en su interior por ladrillos refractarios

• Ligeramente inclinado respecto a la horizontal (menos de 10 grados)

• Gira lentamente, a velocidades inferiores a 5 r.p.m.

• Es continuo

• Calentamiento externo producto de combustión en quemadores

• Uso principal Cemento portland. Secundarios: cal, aluminio, hierro esponja

• Longitudes de 40 a 60 m y con diámetros de 3 a 6 m

Esquema

Hornos rotativos - imágenes

Esquema horno rotativo

Enfriamiento

• Recibe Clinker a 1200-1300ºC

• Enfriamiento brusco del clinker

• Aire a presión llevando el material

hasta 40ºC.

Ventiladores por debajo de la rejilla

Enfriamiento

Molienda con 4% yeso + adiciones

• Se agrega yeso ‎CaSO4·2H2O

• Regulador de fraguado

• Bolas grandes y pequeñas

Imágenes de molienda

Almacenado y despacho

• El cemento es enviado a los silos de almacenamiento

• Se extrae por sistemas neumáticos o mecánicos y es envasado en sacos de papel o comerzializado a granel.

• En ambos casos se puede despachar en camiones, barcos o ferrocarril.