Capitulo III. Uso de escoria para producir cemento
3.1 Generalidades Sobre el Cemento.
Creo oportuno antes de entrar al tema de fabricar cemento dar a conocer los principios, definiciones y tipos existentes de cementos, con el propósito de hacer mas integro y comprensible este trabajo.
Antiguamente, los egipcios usaron yeso impuro calcinado, los griegos y romanos usaban caliza calcinada, posteriormente a la cal y arena le añadieron piedra molida y cal, resultado así el primer concreto. [4] [9]
Como tales morteros no eran hidráulicos o estables al agua, se emplearon agregados hidráulicos como la arcilla cocida, puzolana, etc. Cuyas propiedades físico-químicas son estimulantes por el contacto con la cal, descubriéndose que si tenían la propiedad de endurecer bajo el agua dando como resultado el primer cemento puzolanico. [4]
En el periodo de la edad media, hubo un retroceso general en la calidad y usos del cemento y solo hasta el siglo XVIII surgieron los cementos hidráulicos como: los cementos romanos que se obtienen mediante la cocción de marga caliza mas silicosa, entre los 100-1000ºC, llamándose también cal romana, debido a que tenia mas carácter de cal que de cemento.[4]
En 1824, por conducto de Jose Aspdin se introdujo el cemento Pórtland, producido mediante calentamiento de una mezcla de arcillas y roca de caliza finamente molidas, calcinándola en un horno hasta el desprendimiento del CO2, el producto así obtenido es lo que recibe el nombre de clinquer de cemento Pórtland, que endurece mucho mas rápido, y la resistencia resultante, si la compráramos con la cal hidráulica resulta mucho mayor. Esto
fue desarrollado por Isaac Johnson, calentando una mezcla de marga mas arcilla hasta la temperatura de clinquerizacion (1450ºC) mejorando las propiedades del cemento. [4]
El hecho de que se le llame” Cemento Pórtland”, es por su similitud en cuanto a color y calidad del cemento ya endurecido, con la piedra caliza Pórtland o extraída en Dorset, Inglaterra.
En el capitulo siguiente veremos como se obtiene el clinquer y el cemento, tanto en el proceso seco como húmedo, pero es conveniente exponer unas definiciones que sirvan como antecedentes. [4]
3.2 Materiales Aglomerantes Inorgánicos.
Los materiales aglomerantes comprenden la variedad de productos cementantes que pueden mezclarse con agua para formar una pasta. La pasta, que es plástica temporalmente, se puede moldear y puede o no tener agregados incluidos en ella. Más tarde, se endurece o fragua como resultados de reacciones químicas en una masa compacta. [10]
Los cementos hidráulicos más complejos adquieren sus propiedades aglomerantes de la formación de nuevos compuestos químicos durante el proceso de fabricación. El término hidráulico aplicado a los cementos, significa que es capaz de desarrollar resistencia mecánica y endurecerse en presencia de agua. [4]
De acuerdo con la definición que aparece en la Norma Oficial Mexicana (NOM), el cemento portland es el que proviene de la pulverización del clínquer obtenido por fusión incipiente de materiales arcillosos y calizos, que contengan óxidos de calcio, silicio, aluminio y fierro en cantidades convenientemente dosificadas y sin más adición posterior que yeso sin calcinar, así como otros materiales que no excedan del 1% del peso total y
que no sean nocivos para el comportamiento posterior del cemento, como pudieran ser el álcali. [4]
La fabricación del cemento Portland se realiza a partir del clínquer correspondiente, producto constituido principalmente por silicatos de calcio.
El clínquer de cemento Portland se obtiene por calentamiento hasta una temperatura inferior a la temperatura de fusión incipiente, de una mezcla homogénea de materias primas finamente molida, formada principalmente por óxidos de calcio (CaO) y silicio (SiO2), y por óxidos de aluminio (Al2O3) y fierro (Fe2O3) en menor medida. En la fabricación del cemento se distinguen dos etapas: producción del clínquer y molienda del cemento. [10]
3.3 Definición de Clinquer.
El clinquer se produce mediante la calcinación de una mezcla homogénea de caliza y material arcillosos a una temperatura de 1450 ⁰C. La caliza, el carbonato de calcio y las arcillas, sílice, alumina y oxido de fierro.
Todos los componentes antes mencionados no se funden a temperatura de clinquerizacion pero, en estado de semifusión se sinterizan (formando pequeñas bolitas 1-3 cm de diámetro), presentando un color verde oscuro.[10] [14]
3.3.1 Fabricación del Clínquer.
Las materias primas para la fabricación del clínquer antes mencionadas, se obtienen de materiales calcáreos (caliza), arcillas y correctores de dosificación, las que deben ser agregadas al proceso en proporciones adecuadas de acuerdo al contenido que tengan cada uno de los óxidos requeridos. Dependiendo de su naturaleza y de las condiciones en las que llegan a la planta pueden sufrir uno o varios tratamientos primarios: cribado o harneado, reducción de tamaño, prehomogeneización y secado.
Esto se hace con el fin de optimizar el rendimiento de los molinos de la etapa posterior. [14]
La molienda de las materias primas tiene por objeto reducirlas de tamaño a un estado pulvurento, para que puedan reaccionar químicamente durante la clinquerización, al mismo tiempo de obtener el mezclado de los distintos materiales. Los molinos comúnmente utilizados son de bolas, barras, obteniéndose un polvo fino de tamaño inferior a 100 micrones. En ocasiones se inyecta aire caliente al molino para secar las materias primas. [10]
Posteriormente, se realiza la homogenización de los materiales con el fin de asegurar la calidad del clínquer, así como para corregir las dosificaciones y mantener una adecuada operación en el horno. Esto se puede realizar en silos, donde el crudo se agita mediante la inyección de aire comprimido, lo que a su vez permite almacenar material para mantener en operación el horno, pese a la detención de los molinos, evitando así el deterioro de este por eventuales detenciones. [10]
La clinquerización constituye la etapa más importante del proceso. Los materiales homogenizados se calientan hasta llegar a la temperatura de fusión incipiente, para que se produzcan las reacciones químicas que dan lugar a la formación de los principales compuestos mineralógicos del clínquer: [10]
• Silicato tricálcico (C3S)
• Silicato bicálcico (C2S)
• Aluminato tricálcico (C3A)
• Ferroaluminato tetracálcico (C4AF)
Las reacciones se ilustran en la ecuación (1), en donde se muestran los cuatro componentes principales del cemento, en forma de productos de reacción. [5] [13]
(CaO + CO2) + (SiO2 + Al3O3 + Fe2O3 + H2O) + Calor………...ec. (1) (Cal + dióxido de carbono) + (Sílice + alúmina + óxido férrico + agua) + calor (Caliza) Æ (3CaO_SiO2 + 2CaO_SiO2 + 3CaO_Al2O3 + 4CaO_Al2O3_Fe2O3) (Silicatotricálcico +silicato di cálcico+aluminato tricálcico +ferroaluminato tetracálcico)(Cemento)
Cada uno de estos compuestos, que constituyen más del 90% del peso de cemento, los cuales son silicato tricálcico (C3S), silicato dicálcico (C2S), aluminatotricálcico (C3A) y ferroaluminato tetracálcico (C4AF), puede identificarse en la estructura del clínquer, aportando cada uno propiedades características que determinan la mezcla final. [5] [13]
La temperatura fluctúa entre 1400ºC y 1500ºC, utilizando para ello hornos rotatorios, con inclinaciones de 3% a 5%. Su diámetro y longitud dependen de la capacidad de producción para la cual fueron diseñados, pudiendo tener largos de 60 a 200 metros y diámetros de 2 a 6 metros.
El material crudo se alimenta por la parte superior en contracorriente con los gases del horno y, gracias al movimiento e inclinación del mismo, se va desplazando hacia la sección de mayor temperatura hasta llegar a la zona de la llama, donde se produce la clinquerización. [5] [13]
A medida que el crudo avanza por el horno sufre diversas transformaciones:
1- Eliminacion del agua libre.
2- Deshidratación o pérdida del agua combinada.
3- Disociación del carbonato de calcio en cal (CaO) y anhídrido carbónico (CO2).
4- Clinquerización o combinación de los diferentes óxidos para formar silicatos, aluminatos y ferroaluminatos de cal.
Al salir del horno, el clínquer debe enfriarse rápidamente para evitar la descomposición del silicato, debiendo salir del sistema de enfriamiento con una temperatura inferior a 150ºC. [13]
3.3.2.- Molienda del Clínquer.
La etapa posterior la constituye la molienda del clínquer, yeso y otros componentes para formar el cemento Portland, que consiste en reducir dichos materiales a un polvo fino de tamaño inferior a 150 micrones en molinos de bolas. Luego, el producto es almacenado en silos de hormigón, los que cuentan con equipos auxiliares adecuados para mantener el cemento en agitación y así evitar la segregación por decantación de los granos gruesos o la aglomeración, pudiendo mantener de esta forma el cemento almacenado por varios meses. [13]
Finalmente, el cemento es envasado en bolsas de papel para su comercialización, o es transportado a granel a los puntos de distribución.
Los componentes que se adicionan al clínquer durante la molienda pueden ser puzolanas (naturales o artificiales) o escoria de alto horno, los que se añaden para reducir costos de fabricación de material, aprovechando las propiedades puzolánicas de estos materiales. [13]
3.4 Cemento Portland.
El cemento Pórtland es un material finamente pulverizado con cierta adición de yeso (CaSO4, 2H2O del 3 - 5%) que al agregarle agua, ya sea solo o mezclado con arena, grava, asbesto, suelo, etc., tiene la propiedad de endurecer(fraguar), debido a la reacción interna que se lleva a cabo. [6]
3.4.1 Tipos Estandarizados de Cemento.
En cada país se producen diferentes tipos de cemento Pórtland, se recomienda usar tipos especiales de cemento para usos especiales. [6]
Es claro que el fabricante de cemento prefiere trabajar con una mezcla de crudo y un tipo de calcinación únicamente, y producir cementos especiales por medio de molienda mas fina o alternando las propiedades del cemento con la aplicación de aditivos a la mezcla del concreto, porque esto es mas fácil y rápido para el. Pero, por otra parte, el consumidor prefiere cementos especiales para usos especiales; complicando con esto el trabajo al usar diferentes tipos de cemento, es por lo tanto, que el número de tipos de cemento esta regido por la situación existente en el mercado competitivo. A continuación mencionare los tipos de cemento en México. [6]
Tipos de Cemento en México.
Según las normas de A.S.T.M. (en ingles American Society for Testing and Materials.), existen cinco tipos estandarizados que son: [5]
Tipo I o cemento común,- para usarse en construcciones generales de concreto.
Tipo II o SRC/LHC.- para uso cuando se expone a la acción moderada a los sulfatos, o bien cunado se necesita un moderado calor de hidratación (SRC/Cemento resistente al ataque de los sulfatos LHC/bajo calor de hidratación).
Tipo III o RCH.- se usa cuando se necesita una resistencia y rápido endurecimiento.
Tipo IV o LHC.- se recomienda cuando se necesita un bajo calor de hidratación.
Tipo V o SRC.- es recomendado para aquellos trabajos que requieren una alta resistencia al ataque de los sulfatos.
3.4.2 Hidratación del Cemento.
Cuando se agrega agua al cemento Portland, los compuestos básicos presentes en la ecuación (1) se transforman en nuevos compuestos por reacciones químicas (2). [10]
Silicato tricálcico + agua -> gel de tobermorita + hidróxido de calcio……ec. (2) Silicato dicálcico + agua -> gel de tobermorita + hidróxido de calcio Ferroaluminato tetracálcico + agua + hidróxido de calcio -> hidrato de calcio Aluminato tricálcico+agua+hidróxido de calcio -> hidrato de aluminato tricálcico Aluminato tricálcico + agua + yeso -> sulfoaluminatos de calcio.
Los silicatos de calcio dicálcico y tricálcico, que constituyen alrededor del 75% del peso de cemento Portland, reaccionan con el agua para producir dos nuevos compuestos: gel de tobermorita (C-S-H) el cual no es cristalino e hidróxido de calcio que es cristalino. En la pasta de cemento completamente hidratada, el hidróxido de calcio constituye el 25% en peso y el gel de tobermorita, alrededor del 50%. La tercera y cuarta reacciones en la ecuación (2) muestran como se combinan los otros dos compuestos principales del cemento Portland con el agua para formar productos de reacción. En la última reacción aparece el yeso, compuesto agregado al clínquer durante la molienda para controlar el fraguado.[10]
Cada producto de las reacciónes de hidratación posee propiedades características en cuanto al comportamiento mecánico de la pasta endurecida. El más importante de ellos es el compuesto llamado gel de tobermorita, el cual es el principal compuesto aglomerante de la pasta de
cemento. Este gel tiene composición y estructura semejantes a la de un mineral natural, llamado tobermorita, debido a que fue descubierto en la zona de Tobermory en Escocia. Este gel es una sustancia coloidal, extremedamente fina, con estructura coherente. La enorme superficie específica del gel (alrededor de 3.000.000 de cm2 por gramo) produce fuerzas atractivas entre las partículas, porque los átomos en cada superficie tratan de completar sus enlaces no saturados por medio de absorción. [10]
Comportamiento de las Fases.
Cada uno de los cuatro compuestos principales del cemento Portland contribuye en el comportamiento del mismo, cuando pasa del estado plástico al endurecido durante el proceso de hidratación. El conocimiento del comportamiento de cada uno de los compuestos principales durante la hidratación permite ajustar las cantidades de cada uno durante la fabricación, para producir las propiedades deseadas en el cemento. [10]
• Silicato tricálcico (C3S): es el que produce el desarrollo de resistencia del Cemento Portland hidratado en las primeras semanas. Pasa del fraguado inicial al final en unas cuantas horas. La reacción del C3S con agua, al igual que la de los otros compuestos es exotérmica, desprende una gran cantidad de calor llamado calor de hidratación. La rapidez del endurecimiento de la pasta de cemento está en relación directa con el calor de hidratación, cuanto más rápido sea el fraguado, tanto mayor será la exotérmica. El C3S hidratado puede alcanzar una gran resistencia en siete días. [10]
• Silicato dicálcico (C2S): se encuentra en tres formas diferentes designadas alfa, beta y gama. Dado que la fase alfa es inestable a la temperatura ambiente y la fase gama no muestra endurecimiento al hidratarla, sólo la fase beta es importante en el cemento Portland. El C2S beta requiere algunos días para fraguar. Es el causante principal de la resistencia posterior a de la pasta de cemento Portland. Debido a que la reacción de hidratación avanza con lentitud, hay un bajo calor de hidratación. El compuesto C2S beta en el cemento Portland desarrolla menores resistencias que el C3S, sin embargo, aumenta gradualmente, alcanzando a unos tres meses una resistencia similar a la del C3S. [10]
• Aluminato tricálcico (C3A): presenta fraguado instantáneo al hidratarse. Es el causante primario del fraguado inicial del cemento Portland y desprende grandes cantidades de calor durante la hidratación. El yeso agregado al cemento Portland durante la molienda en el proceso de fabricación, se combina con el C3A para controlar el tiempo de fraguado. El compuesto C3A muestra poco aumento en la resistencia después de un día. Aunque el C3A hidratado, por sí solo, produce una resistencia muy baja, su presencia en el cemento Portland hidratado produce otros efectos importantes.
Un aumento en la cantidad de C3A en el cemento Pórtland ocasiona un fraguado más rápido y, también disminuye la resistencia del producto final al ataque por sulfatos.
• Ferroaluminato tetracálcico (C4AF): es semejante al C3A, porque se hidrata con rapidez y sólo desarrolla baja resistencia. No obtante, al contrario del C3A, no interfiere en el proceso de fraguado.
La rapidez de hidratación es afectada, además de la composición, por la finura de la molienda, la cantidad de agua agregada y las temperaturas de los componentes al momento de mezclarlos. Para lograr una hidratación más rápida, los cementos se llevan a altos niveles de tamaño (> 5000 cm2/g) hasta dejarlos muy finos. El aumento de la temperatura de curado y la presencia de una cantidad suficiente de agua contribuyen a la rapidez de la reacción. [10]
3.5 Cementos con Adiciones Hidráulicas.
Los cementos con adiciones puzolánicas se clasifican en la norma chilena de acuerdo a la cantidad de adición en peso respecto al cemento Pórtland: [3]
• Cemento Pórtland puzolánico (hasta 30% de puzolana).
• Cemento puzolánico (entre 15% y 50% de puzolana).
• Cemento Pórtland siderúrgico (hasta 30% de escoria de alto horno).
• Cemento siderúrgico (entre 30% y 75% de escoria de alto horno).
Los cementos puzolánicos son el producto de la molienda conjunta de clínquer, puzolana y yeso. Se llama puzolana al material sílico-aluminoso que, aunque no posee propiedades aglomerantes por sí solo, las desarrolla cuando está finamente dividido y en presencia de agua, por reacción química con hidróxido a temperatura ambiente. Las puzolanas aprovechan para endurecer el hidróxido de calcio (Ca(OH)2) generado por el clínquer durante el curso de su hidratación. La cantidad de puzolana en un cemento está limitada a un 50% del producto terminado, ya que para cantidades mayores no existiría suficiente hidróxido de calcio para reaccionar con el exceso de adición. [3] [4]
Los cementos siderúrgicos son producto de la molienda del clínquer de cemento Portland, escoria básica de alto horno y yeso. La escoria básica de alto horno “es el producto que se obtiene en el proceso metalúrgico como una masa no metálica que resulta en el tratamiento del mineral de hierro en un alto horno”. Este material tiene como constituyentes principales silicatos y sílico- aluminatos de calcio. [5]
La tendencia mundial, actualmente, es la de fabricar cementos con adiciones cuando éstas están disponibles, por razones de orden económico, ecológico y técnico. Los cementos con adiciones han mostrado tener muchas cualidades ventajosas respecto a los cementos Portland, como por ejemplo:
menor calor de hidratación, mayor resistencia química, y en consecuencia, mayor durabilidad, y altas resistencias mecánicas a largo plazo. [5]
La principal diferencia entre las escorias de alto horno y las no ferrosas, entre las que se encuentra la escoria de cobre, es el contenido de CaO, el cual es mucho mayor en las escorias siderúrgicas, lo que explica la diferenciación en las propiedades cementarías de ambos materiales, ya que, tal como se mencionó anteriormente, la escoria de alto horno posee propiedades aglomerantes por sí sola, mientras que la escoria de cobre, no posee tales propiedades o son poco significativas. [7]
3.6 Procesos de Fabricación más Comunes.
Existen dos procesos comunes para fabricar cemento, como son: Proceso Húmedo y Seco, los cuales tienen su aplicación según las condiciones de lugar en el que se instala la planta. [5]
La existencia o no de agua es un factor importante en decir el tipo de proceso, así como condiciones climatológicas, técnicas, geológicas y económicas. Los procesos húmedo y seco, son los más comunes. [5]
3.6.1 Proceso Húmedo.
El proceso húmedo, difiere del proceso seco, en que para adecuar la materia prima, se agrega agua durante la molienda, luego el material es agregado al horno en la forma de un lodo (Figura 3). [5]
Figura 3. Enfriador de parrilla.
La materia prima (calizas) que se extrae de la canteras por medio de barrenación y voladuras es en el momento de barrenación, muestreada y analizada, obteniéndose así uno o varios compósitos con los cuales se define el sistema selectivo de exploración minado. [5]
Una vez detectados los diferentes bloques se procede a cargar de explosivo los barrenos, para efectuar la voladura y pasar así el parámetro de carga y acarreo. [5]
Una de las condiciones de esta sección es la de no cargar ni acarrear rocas mayores que las dimensiones del quebrador, las rocas mayores son
perforadas de nuevo y reducidas de tamaño con explosivos, a esto se le llama barrenación y voladura, secundaria. [5]
A continuación se enlista paso a paso el procedimiento de fabricación de cemento por vía Húmeda.
1.- Barrrenacion y voladuras.
2.- Carga.
3.-Acarreo
4.-Quebrador primario
5.-Banda transportadora y criba primaria 6.-Quebrador secundario
7.-Elevador de cubos 8.-Criba secundaria
9.-Silos de homogenización previa 10.-Molinos de crudo
11.-Tanques de mezcla 12.-Calcinacion
13.-Enfriamiento
14.-Tolvas de materia prima 15.-Molinos de cemento 16.-Silos de cemento 17.-Trafico y embarque.
El materiales colocado en la tolva del quebrador primario, (quijada) que lo reduce a un tamaño no mayor de 5 pulgadas, pasando a una banda transportadora (25 m) que lo lleva a una criba con doble cama con mallas de 1 ¼ pulgadas a ¾ pulgadas, para separar asi los finos de los gruesos, los primeros se vana una tolva receptora y se unen con el material triturado por el quebrador secundario (tamaños mayores a 1 pulgada), en el cual se reduce a ¾ pulgadas, todo este material sale por un chute y cae a los cubos de un elevador de canjilones para vertirlo en una criba con dos camas de 1 y
¾ pulgadas. [5]
Los fragmentos mayores de 1 pulgada son regresados al quebrador secundario para su retrituracion en circuito cerrado, menor o igual a ¾ pulgadas se almacenan en los silos y patios de homogenización previa. [5]
Los distintos materiales se llevan a las tolvas receptoras de los molinos de crudo, por una banda transportadora de las tolvas, y por medio de un alimentador de disco o banda, el material (caliza mas de 2 a 3 % de hematita Fe2O3) entra al molino de bolas junto con un 35% de agua. [5]
Al salir del molino se obtiene una mezcla finamente solida (80% malla 200) que se lleva por medio de tubería (impulsada por bomba) a los tanques homogeneizadores, para ser corregida a las normas especificadas por determinado tipo de cemento. El control se basa en el porciento de CaCO3
como guía puede variar entre 75-78 %. Poco después se determina la sílice, alúmina, oxido férrico, oxido de magnesio, que son los principales componentes del cemento. [5]
Al estar la mezcla corregida, se envía a un tanque receptor pequeño de donde es levantada por un alimentador de cangilones o cubos que giran a una velocidad sincronizada al horno. Ahí el material pasa por varias zonas de temperatura, así en el lado de alimentación existe en el horno la zona de cadenas (18 m.) con, aproximadamente, 300 °C, a esta temperatura el material se seca y debido a la ligera inclinación del horno (2 o 3%) y a su efecto rotatorio continua avanzando y recibiendo cada vez mas calor, hasta llegar a la temperatura clinquerizacion (1400°C). [5]
Cuando el producto (clinquer) sale del horno pasa a través de un enfriador de parrilla, donde se le insulfa aire ambiente mediante unos ventiladores, por la parte inferior, logrando con esto, reducir la temperatura del clinquer a unos 200-300 °C; posteriormente pasa por una quebradora de martillos para desbaratar los fragmentos grandes de clinquer, producto de la sinterizacion dentro del horno. [5]
Cuando el material cae dentro de la fosa receptora, es transportado por un elevador de cabos al patio del clinquer para que se enfrié a temperatura ambiente. [5]
Al clinquer ya frio lo levanta una grua de almeja que viaja a todo lo largo del patio y lo deposita en las tolvas para molinos de cemento. Estas tolvas consisten en: dos de clinquer, una de yeso y otra de puzolana, a la banda transportadora que alimenta los molinos de bolas, ahí el material se muele muy finamente (95%malla 200) teniendo asi el cemento que se transporta neumáticamente por tuberías a los silos de deposito para su envase en sacos de 50 kg o su venta a granel, mediante una tolva que lo impulsa a presión dentro de las pipas o góndolas receptoras. [5]
Esto es, a grandes rasgos en lo que consiste el proceso húmedo de fabricación de cemento.
A continuación en la figura 4 se muestra un diagrama típico de producción de cemento.
Figura 4. Diagrama de flujo típico en producción de cemento.
3.6.2 Proceso Seco.
En el proceso seco donde las materias primas son reducidas a un tamaño apropiado, luego son molidas, mezcladas y alimentadas al horno (figura 4), para formar el clinquer, después se agrega yeso y la mezcla final es molida para formar el cemento portland. [5] [6]
Figura 5. Horno vía seca.
La caliza, materia prima más importante en la fabricación del cemento, se explotará en la cantera situada aproximadamente, a 1 km del quebrador primario. Para tal efecto, se utilizará una perforadora rotatoria. Los barrenos se harán generalmente, entre 4 y 5 pulgadas con 10 a 11 m. de profundidad, se cargaran con explosivos de alta y baja velocidad, o sea carga de columna respectivamente, y serán detonados eléctricamente o con un cordon detonante vía húmeda.
En la etapa de barrenacion comienza el control de calidad, para controlar la calidad del cemento, pues de cada barreno tomaran por lo menos dos muestras y se enviaran al laboratorio para determinar el contenido de carbonato de calcio, para conocer de antemano la calidad de la caliza que se obtendrá de la voladura. [5] [6]
El material tumbado se cargara por medio de cargadores frontales a camiones de volteo que lo transportará a la tolva de la quebradora primaria (quebradora de cono), pasará este por un alimentador hacia una banda transportadora que lo llevará un punto de transferencia, el material podrá ser
colocado en un almacén de emergencia en el supuesto caso en el que el quebrador secundario o terciario estén en mantenimiento, y e condiciones de operación normal, el producto pasara a una estación central de cribado, para de ahí ser almacenado en los patios de caliza mediante bandas reclamadoras, o en el otro caso ser transportado a los molinos de material crudo (para controlar emisión de polvos se encontrará a un lado un colector de polvo), donde será finamente molido (80-90 % pasa la malla no. 200).[5][6]
Después se enviara a los silos de homogenización en cascada para llevar a cabo el control de la guía en porciento de carbonato de calcio, asi como oxido de fierro, oxido de aluminio, álcalis, oxido de magnesio y perdida de ignición.[5]
Ya verificados los pasos anteriores el material, se enviará a un precalentador de cuatro etapas en donde se le aplicaran temperaturas aproximadas a los 400-500 °C (esto hace que sea mas corta la longitud del horno). [5]
El material caliente es alimentado al horno rotario ligeramente inclinado para que ahí se alcance la temperatura de clinquerizacion (1500 °C), y asi obtener como producto el clinquer. [5]
Este material se deposita en los patios a espera de ser alimentado junto con puzolana y yeso (materiales que se encontraran mas cercanos a este), para conocer las características, como resistencia, superficie especifica, contenido de SO3 y los análisis mencionados en los silos de homogenización. [5]
Ya comprobada la finura del cemento, (90% por debajo de la malla 200) este se envia neumáticamente por tubería a los silos de almacen y empaque para que distribuya en el mercado, ya sea en sacos de 50 kg. o a granel. [5]
3.7 Uso de la Escoria de Cobre en el Proceso de Fabricación de Clínquer para Cemento Potland.
En acuerdo con las características químicas y mineralógicas de la escoria de cobre, este residuo sólido industrial puede ser utilizado en el proceso de fabricación de clínker Portland como sustituto parcial de los minerales de sílice y hematita en la formación de mezclas crudas cuyos beneficios serían:
disminución de los costos de producción de mezclas crudas y del consumo calorífico. El efecto de la adición de la escoria en las mezclas crudas sobre la reactividad del sistema CaO-Si02-Al203-Fe20 3 se estudió en tres niveles de temperatura (1350, 1400 Y 1450ºC). Se trabajó con cuatro mezclas crudas, M-1 y M-2 preparadas con materias primas convencionales mientras que en M-3 y M-4 se utilizó la escoria como sustituto de ignimbrita y hematita (Fe2O3).[15]
La adición de escoria en M-3 sustituye el 43,53% de la ignimbrita y el 100%
de la hematita, y en M-4 permite remplazar el 100% del mineral de hierro. Las muestras fueron clinquerizadas a 1.350, 1.400 y 1.450 ºC. Los resultados a 1.400 ºC muestran que el contenido de cal libre en clínker en M-3 disminuye 10,27% comparado con M-1, mientras que en M-4 decrece en 15,93% en relación a M-2. La presencia de las principales fases del clínker se comprobó por difracción de rayos X, concluyéndose que la adición de escoria al proceso de fabricación del clínker mejora marginalmente la ignición de las mezclas crudas, no hay formación de fases nuevas o indeseables y que ésta puede ser una alternativa económica y ambientalmente viable para coprocesamiento de escoria, dependiendo su uso del contenido de metales pesados. [15]
Las reacciones de formación de clínker ocurren usualmente en un sistema multicomponente complejo a altas temperaturas (1400 a 1500⁰C) formado principalmente por el sistema CaO-5i02-AI203-Fe203' y los óxidos como Na2O, K2O, SO3, MgO, P2O5 TiO2, se presentan como impurezas. La reactividad de la mezcla cruda depende de las propiedades termodinámicas de los componentes, pero la cinética de formación de clínker es una función del número de interacciones químicas que ocurran entre los componentes de la mezcla cruda y depende de la naturaleza de los mismos, preparación de la mezcla cruda y del tratamiento térmico. El clínker Portland está formado básicamente por cuatro fases principales:
El Silicato tricalcico (C3S) es la fase mas importante, Silicato bicálcico (C2S), aluminato tricalcico (C3A) y Ferroaluminato tetracalcico (C4AF). [15]
La formación de silicato tricalcico (C3S) a partir de la reacción entre el silicato bicálcico (C2S) y el óxido de calcio (CaO) ocurre principalmente en presencia de la fase líquida, por lo que el proceso cinético está bajo la influencia de los fundentes y/o mineralizantes. Los óxidos de hierro (Fe203) y de aluminio (AI203) son los mineralizantes más efectivos que intervienen y facilitan la producción de la fase líquida, promoviendo que en el interior de la fase líquida se haga la transferencia de masa. [15]
En la actualidad es común utilizar minerales y compuestos químicos que contengan fluor y fósforo como fundentes y/o mineralizantes en los procesos de producción de clínker tipo Portland. El uso de otros óxidos tales como MnO, CuO, V2O5 PbO, CdO, ZrO2, Li2O, MoO3, NiO, WO3, ZnO, Nb2O5,
CrO3, Ta2O5 y BaO2 es un poco más limitado. [15]
Estudios sobre reactividad y cinética de formación de clínker partiendo de mezclas crudas típicas para producir clínker Portland han demostrado que es posible utilizar de manera efectiva óxidos de zinc y de cobre como fundentes
y/o mineralizantes, en donde las ventajas que se obtienen son: reducción de la temperatura de formación de la fase líquida, se mejora la reactividad del clínquer y se incrementa la resistencia a la compresión del cemento.
La caracterización química de la escoria de cobre (residuos sólidos) producidos en el proceso de fundición de sulfuros de cobre hacen que ésta pueda emplearse en la formación de mezclas crudas, donde los beneficios potenciales pueden ser: sustitución parcial de los minerales de sílice y de hierro, disminución de la temperatura de clinquerización (ahorro de energía) y una alternativa ambientalmente segura para la disposición final de este residuo. [15]
3.7.1 Caracterización Química de la Escoria de Cobre.
La principal caracterización química de la escoria de cobre producida en el proceso de fundición de sulfuros de cobre es la que se muestran en la Tabla 1. [15]
Tabla 2. Caracterización química de la escoria
Contenido (%)
Material SiO2 CaO Al Fe Zn Cu Pb S Ti Mo Escoria 23.95 0.74 1.89 40.25 1.615 0.99 0.19 0.8 0.2 0.40
El contenido de sílice y hierro en la escoria indican que es posible utilizarla como sustituto de ignimbrita y hematita en el proceso de fabricación de clínker Portland. La presencia de metales como zinc, cobre, titanio, molibdeno y plomo pueden mejorar la reactividad de las mezclas crudas debido a que estos metales pesados pueden actuar como mineralizantes y/o
fundentes, aunque el nivel de dosificación de escoria predice un efecto muy marginal de estos elementos como mineralizantes y/o fundentes. [15]
3.7.2 Caracterización Mineralógica de la Escoria.
En la caracterización de la escoria, se encuentran principalmente las especies mineralógicas fayalita (Fe2Si04) y magnetita (Fe304), típicas de una escoria de cobre. Los resultados de un análisis químico de la escoria, mostrados en la Tabla 1, confirman la existencia de estas fases en la escoria.[15]
