Recopilado por sergio navarro hudiel




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3. Procesos de fabricación del clínker

Clinker Se define clínker como el producto obtenido por fusión incipiente de materiales arcillosos y calizos que contengan óxido de calcio, silicio, aluminio y fierro en cantidades convenientemente calculadas. El clinker es un producto intermedio en el proceso de elaboración de cemento. Una fuente de cal como las calizas, una fuente de sílice y alúmina como las arcillas y una fuente de óxido de hierro se mezclan apropiadamente, se muele finamente y se calcinan en un horno aproximadamente a 1,500 grados centígrados, obteniéndose el denominado clinker de cemento Pórtland.

La harina cruda es introducida mediante sistema de transporte neumático y debidamente dosificada a un intercambiador de calor por suspensión de gases de varias etapas, en la base del cual se instala un moderno sistema de precalcinación de la mezcla antes de la entrada al horno rotatorio donde se desarrollan las restantes reacciones físicas y químicas que dan lugar a la formación del clinker.

El intercambio de calor se produce mediante transferencias térmicas por contacto íntimo entre la materia y los gases calientes que se obtienen del horno, a temperaturas de 950 a 1,100 °C.
El horno es el elemento fundamental para la fabricación del cemento. Está constituido por un tubo cilíndrico de acero con longitudes de 40 a 60 m y con diámetros de 3 a 6 m, que es revestido interiormente con materiales refractarios, en el horno para la producción del cemento se producen temperaturas de 1,500 a 1,600°C, dado que las reacciones de clinkerización se encuentra alrededor de 1,450°C. El clinker que egresa al horno de una temperatura de 1,200 °C pasa luego a un proceso de enfriamiento rápido por enfriadores de parrilla. Seguidamente por transportadores metálicos es llevado a una cancha de almacenamiento.

En

función de

cómo se

procesa el

material

antes de su

entrada

en el horno de

clínker, se

distinguen

cuatro

tipos de

proceso

de fabricación:

vía seca,

vía semi-seca,

vía semi-

húmeda y vía

húmeda.

La tecnología

que se aplica depende fundamentalmente del origen de las materias primas. El tipo de caliza y de arcilla y el contenido en agua (desde el 3% para calizas duras hasta el 20 % para algunas margas), son los factores decisivos.

En la actualidad, en torno al 78 % de la producción de cemento de Europa se realiza en hornos de vía semi-seca o semi-húmeda; y un 6 % de la producción europea se realiza mediante vía húmeda.

  1. a. Vía Seca

  2. b. Vía semi-seca,

  3. c. Vía semi-húmeda

  4. d. Vía húmeda



a. Proceso de vía seca

El proceso de vía seca es el más económico, en términos de consumo energético, y es el más común (en Europa, más del 75%; en España, casi el 100%). La materia prima es introducida en el horno en forma seca y pulverulenta. El sistema del horno comprende una torre de ciclones para intercambio de calor en la que se precalienta el material en contacto con los gases provenientes del horno. El proceso de descarbonatación de la caliza (calcinación) puede estar casi completado antes de la entrada del material en el horno si se instala una cámara de combustión a la que se añade parte del combustible (precalcinador).

b. Proceso de vía húmeda

Este proceso es utilizado normalmente para materias primas de alto contenido en humedad. El material de alimentación se prepara mediante molienda conjunta del mismo con agua, resultando una pasta con contenido de agua de un 30-40 % que es alimentada en el extremo más elevado del horno de clínker.

Si la arcilla es bastante húmeda y tiene la propiedad de desleírse en el agua, debe ser sometida a la acción de mezcladores para formar la lechada; esto se efectua en un molino de lavado, el cual es un pozo

circular con brazos revolvedores radiales con rastrillos, los cuales rompen los aglomerados de materias sólidas.



c. y d. Procesos de vía semi-seca y semi-húmeda

El material de alimentación se consigue añadiendo o eliminando agua respectivamente, al material obtenido en la molienda de crudo. Se obtienen "pellets" o gránulos con un 15-20 % de humedad que son depositados en parrillas móviles a través de las cuales se hacen circular gases calientes provenientes del horno. Cuando el material alcanza la entrada del horno, el agua se ha evaporado y la cocción ha comenzado. En todos los casos, el material procesado en el horno rotatorio alcanza una temperatura entorno a los 1450º. Es enfriado bruscamente al abandonar el horno en enfriadores planetarios o de parrillas obteniéndose de esta forma el clínker. 4. Molienda de Cemento

El proceso de fabricación de cemento termina con la molienda conjunta de clínker, yeso y otros materiales denominados "adiciones". Los materiales utilizables, que están normalizados como adiciones, son entre otros:

  1.  Escorias de horno alto

  2.  Humo de sílice

  3.  Puzolanas naturales

  4.  Cenizas volantes

  5.  Caliza


En función de la composición, la resistencia y otras características adicionales, el cemento es clasificado en distintos tipos y clases. La molienda de cemento se realiza en equipos mecánicos en las que la mezcla de materiales es sometida a impactos de cuerpos metálicos o a fuerzas de compresión elevadas.




Para ello se utilizan los siguientes equipos:

  1.  Prensa de rodillos

  2.  Molinos verticales de rodillos

  3.  Molinos de bolas

  4.  Molinos horizontales de rodillos


Una vez obtenido el cemento se almacena en silos para ser ensacado o cargado a granel.
Propiedades químicas: Composición química: Las materias primas utilizadas en la fabricación del cemento Pórtland consisten principalmente de cal , sílice, alúmina y oxido de hierro. Estos compuestos interactúan en el horno rotatorio de producción, para formar una serie de productos mas complejos hasta formar una serie de productos mas complejos, hasta alcanzar un estado de equilibrio químico, con la excepción de un pequeño residuo de cal no combinada, que no ha tenido suficiente tiempo para reaccionar. Para efectos prácticos se entiende, como química del cemento, la química de los silicatos y aluminatos cálcicos anhidros e hidratados. En la química del cemento las formulas se expresan a menudo con la suma de óxidos; así, el silicato tricalcico (Ca3 SiO5 ) puede escribirse en la forma 3CaOSiO2. esta forma no implica, por supuesto , que los óxidos constituyentes tengan una existencia independiente dentro de la estructura del compuesto. En general, se emplean abreviaturas para las formulas químicas de los óxidos mas frecuentes, como C para CaO y S para SiO2. el silicato tricalcico Ca3SiO5 (3CaOSiO2) se transforma así en C3S. Este sistema se usa con frecuencia , justamente con la notación química ordinaria dentro de una simple ecuación química. Por ejemplo: 3CaO + SiO2 = C3S


Nombre del oxido


Formula


Abreviatura

Oxido de calcio

CaO

C

Dióxido de silicio

SiO2

S

Oxido de aluminio

Al2O3

A

Oxido férrico

Fe2O3

F

Agua

H2O

H

Oxido de magnesio

MgO

M

Trióxido de azufre

SO3

s

Oxido de potasio

K2O

K

Oxido de sodio

Na2O

N

Oxido de litio

Li2O

L

Oxido de fósforo

P2O5

P

Oxido de hierro

FeO

f

Oxido de titanio

TiO2

T



Como se ha dicho, el clinker Pórtland es un mineral artificial formado por silicatos, aluminatos y ferroaluminatos de calcio, por lo cual se suelen considerar cuatro componentes principales del cemento que se pueden observar en la siguiente tabla:

Compuestos del Cemento Pórtland


Nombre del compuesto


Formula


Abreviatura

Silicato tricalcico

3CaOSiO2

C3S

Silicato dicalcico

2CaOSiO2

C2S

Aluminio tricalcico

3CaOAl2O3

C3A

Ferroaluminato tetracalcico

4CaOFe2O3Al2O3

C4AF


Estos compuestos se forman en el interior del horno cuando la temperatura alcanza el punto en que la mezcla cruda se transforma en un liquido pastoso, que al enfriarse da origen a sustancias cristalinas de los primeros compuestos citados, rodeados por un material intersticial que contiene C4AF y otros compuestos. Estos compuestos, llamados potenciales, no se presentan aislados sino que mas bien puede hablarse de ―fases‖ que los contienen en una gran proporción junto con algunas impurezas, por lo cual no son verdaderos compuestos en sentido químico, pero las proporciones calculadas de ellas revelan valiosa información en cuanto a las propiedades del cemento. De esta forma se habla de la fase Alita a base de C3S; de la fase Belita, a base de C2S, de la fase aluminato, rica en C3A, y de la fase ferrito, solución sólida que consiste en ferritos y aluminatos de calcio. La Alita (a base de C3S) es la fase principal en la mayoría de los clinkers Pórtland y de ella dependen en buena parte las características de desarrollo de resistencia mecánica; el C3S endurece mas rápidamente por tanto tiene mayor influencia en el tiempo del fraguado y en la resistencia inicial. La Belita es usualmente la segunda fase en importancia en el clinker y su componente principal, el C2S, se hidrata mas lentamente y su contribución al desarrollo de la resistencia empieza a sentirse después de una semana.
Hidratación del cemento

Es la reacción mediante el cual el cemento se transforma en un agente de enlace, generado por los procesos químicos responsables de la formación de compuestos durante la hidratación, lo cuales originan propiedades mecánicas útiles en las aplicaciones estructurales. El estudio de las reacciones de hidratación del cemento suele hacerse sobre la pasta de cemento, la cual consiste en sólidos agua y poros. Los sólidos son en realidad un conjunto de partículas que difieren en cuanto a su composición química, morfológica y calidad cementante. Los poros difieren principalmente en tamaño y, por lo tanto, controlan el movimiento y comportamiento del agua necesaria para los procesos químicos de hidratación.

Formación de la pasta de cemento

Esta se forma como consecuencia de las reacciones químicas del cemento con el agua. Dependiendo de la composición del cemento y de las condiciones de hidratación ( temperatura, humedad, etc.), lo cual hace que la pasta sea un sistema dinámico que cambia con el tiempo. Se forma un conjunto complejo de productos de hidratación. Un gramo de cemento que tiene un diámetro medio cercano a 50 micras después de cierto tiempo de estar en contacto con el agua, empieza a dar señales de actividad química en su superficie, ya que aparecen cristales que van creciendo lentamente y se forma una sustancia gelatinosa que los envuelve (Gel); este gel que se forma inicialmente se llama gel inestable por poseer un porcentaje elevado de agua tanto que al cabo de poco tiempo la totalidad de agua disponible esta transformada en gel. Los compuestos cristalinos necesitan agua para desarrollarse y por lo tanto la retiran del gel, el cual a medida que va perdiendo agua se transforma en gel estable que en gran medida es responsable de las propiedades mecánicas de las pastas endurecidas.

Las reacciones de hidratación

Son principalmente las reacciones de hidratación del clinker sumándose a ellas las debidas a la presencia de sulfato de calcio (yeso) de las adiciones aditivas, si las hay y de los aditivos y compuestos menores pueden considerarse como principales reacciones de hidratación del clinker las correspondientes a la hidratación los silicatos y aluminatos de calcio. Durante la reacción con el agua los silicatos y aluminatos liberan hidróxido de calcio Ca(OH)2.


Etapas de la reacción


Procesos químicos


Procesos físicos


Influencia en las propiedades mecánicas


Primeros minutos


Rápida dilución inicial de sulfatos y aluminatos de álcali, hidratación inicial de C3S; formación de etringita.


Alta velocidad de evolución de calor


Cambio en la composición de la fase liquida, puede influir en el fraguado.


De 1-4 horas (periodo de inducción)


Disminución de silicato pero aumento en la concertación de iones de Ca se inicia formación de núcleos de CH y C-S-H; la concentración de Ca alcanza un nivel de súper saturación


Formación de los primeros productos de hidratación; baja velocidad de evolución de calor.


Formación de cristales por balance inadecuado de los iones de aluminato y sulfato, pueden influir en el fraguado y la trabajabilidad. La hidratación de los silicatos de calcio determina el fraguado inicial.


Aprox. De la 3ra. a 12. hora (etapa de aceleración)


Rápida reacción química de los silicatos de Ca para forman C-S-H y CH; disminución de la súper saturación de Ca.


La rápida formación de hidratos provoca una disminución en la porosidad, alta velocidad de evolución de calor.


Fraguado inicial, cambio de consistencia plástica a rígida, desarrollo de resistencia temprana, fraguado final.


Etapa de postaceleración


Formación de CH y C-S-H controlada por difusión, recristalacion de etringita a monosulfato y polimerización de posibles silicatos


Disminución en la evolución de calor, continua disminución de la porosidad formación de adherencia entre partículas, pasta y agregados.


Continuo desarrollo de la resistencia a velocidad decreciente. La porosidad y morfología del sistema hidratado determina la resistencia final, estabilidad del volumen y durabilidad.

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