capitulo iii. uso de escoria para producir cemento 3.1...
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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) (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]