PROCESO INDUSTRIAL DEL CEMENTO

MATERIAS PRIMAS

Los principales componentes de cemento son: cal (CaO),

sílice (SiO2), alúmina (Al2O3) y óxidos de hierro (Fe2O3).

Sin embargo estos componentes no se encuentran en las

proporciones deseadas, por lo cual se realiza una mezcla

de materiales ricos en cal con otros que contengan

alúmina y óxidos de hierro.

Cal AlúminaÓxido de hierro

MATERIAS PRIMAS

COMPONENTE

CALCÁREO

COMPONENTE DE LA

ARCILLA

COMPONENTES

CORRECTORES

COMPONENTES

ADICIONALES

1. Caliza (96- 99%

CaCO3)

1. Grupo del caolín

Caolinita: Al2O3. 2SiO2. 2H2O

1. Arena (SiO2) 1. óxido magnésico

MgO

2. La creta

98-99% CaCO3

Es una roca

sedimentaria con una

estructura suelta,

térrea.

2. Grupo de la

montmorillonita

Al2O3. 4SiO2. H2O+nH2O

2. Minerales de

hierro

2. Álcalis K2O y Na2O

3. Marga

Marga calcárea: 75-

90% CaCO3

Marga: 40-75% CaCO3

Marga arcillosa: 10-40%

CaCO3

3. Grupo de las arcillas

K2O-MgO-Al2O3-SiO2-H2O

3. Cenizas de la

tostación de piritas

3. Azufre (0,22%)

como sulfuro (Pirita

FeS2)

Asimismo:

cloruros (0,1%);

fluoruros (0,08%);

fósforo (0,25%)

DESMENUZAMIENTO PRELIMINAR DE LAS

MATERIAS PRIMAS

• Las materias primas provenientes de la cantera por voladura, se deben desmenuzar para su tratamiento posterior. La subdivisión se realiza mediante trituradores y molinos.

• La trituración es la subdivisión hasta una escala relativamente gruesa.

• La molienda se refiere a la subdivisión hasta tamaños más finos.

MÉTODOS Y MÁQUINAS PARA EL DESMENUZAMIENTO

• REVISIÓN SISTEMÁTICA

A) Máquinas trituradoras por aplicación de presión.

a) Triturador de mandíbulas

b) Trituradores giratorios, trituradores de cono.

c) Trituradores de cilindro.

Triturador de Mandíbula:

constituido por dos placas de acero donde una es móvil y la otra fija. Se utiliza para la trituración de partículas de gran tamaño

Triturador giratorio

Triturador de cilindros

B) Trituradores por choquea) Trituradores de martillob) Trituradores por impacto

Trituradora de martillos: El material

es alimentado a bajas velocidades y recibe el impacto de útiles que se mueven a elevadas velocidades (15-150 m/s)

B) Para desmenuzamiento en la escala de finos (Molinos) mediante impactoa) Molino de bolasb) Molinos de rodilloc) Molinos compound

Grado de desmenuzamiento

• El grado de desmenuzamiento (n) es la relación de la mayor dimensión lineal del material antes de su subdivisión (D), a la mayor dimensión lineal del material desmenuzado (d)

n=Dmáxdmáx

Ejemplo: Si la dimensión de material de alimentación es 1000 mm y la del material desmenuzado es 50 mm el grado de desmenuzamiento es:

n=1000

50= 20

Los trituradores previos que se aplican en la industria del cemento son de un grado de desmenuzamiento, n, de 5 a 15.

Creación de superficie y exigencia de energía

• Generalmente en la práctica se verifica que la exigencia específica de trabajo en el proceso de desmenuzamiento, es decir, la energía aplicada por tonelada de material subdividido, es más baja en la molienda gruesa que en la molienda fina.

• Sin embargo si se compara el trabajo aplicado con la superficie creada se comprueba todo lo contrario.

• Ejemplo 1. Molienda gruesa. En una hora con un triturador de cono se desmenuzaron 6000 kg de cuarcita desde el tamaño de grano inicial de 5 – 50 mm hasta un tamaño de grano final de 1 – 5 mm. El motor era de 18 kw y con ello la energía específica absorbida en la operación es: 18kw/6 ton = 3 kwh/ton de material.

• Ejemplo 2. Desmenuzamiento fino. (Molienda). Se molieron Clinker y yeso en un molino de tubo, con un consumo de energía de 30 kwhpor cada 1000 kg de cemento con una finura de 3000 cm2/g.

El consumo específico de energía por ton de cemento es:

30 kwh/1 ton = 30 kwh/ton de material.

Capacidad de producción de una trituradora

• Taggart estableció una fórmula para determinar la capacidad de producción de los trituradores de mandíbulas, según:

Q = 0.093 . b . D

Donde: Q = capacidad en ton/h

b = ancho de la mandíbula, cm,

D = tamaño del material de alimentación, en cm

Esta fórmula es apropiada para trituradores de tamaño mediano.

• Lewenson elaboró una fórmula para estimar la capacidad de producción de los trituradores de mandíbula:

Q = 150. n. b. s. d. µ. γ

• Donde: Q = capacidad del triturador en ton/h

• n = vueltas por minuto

• b= ancho de la mandíbula oscilante, en m

• s= amplitud de oscilación de la mandíbula oscilante en m

• d = tamaño medio del material triturado, en m

• µ = grado de llenado del material triturado dependiente de sus propiedades físicas aproximadamente entre 025 y 0.50

• γ = peso específico del material que se ha de triturar en ton/m3

• Ejemplo: Calcular el caudal de un triturador de mandíbulas, para lo cual se tienen los siguientes datos:

• Velocidad angular, número de vueltas por minuto: 170

• Ancho de la mandíbula oscilante: 1.20 m

• Amplitud de oscilación: 0.045 m

• Tamaño medio de material triturado: 0.17 m

• Densidad volumétrica del material: 2,70 ton/m3

Solución:

a) Según la fórmula de Taggart: Q = 0.093 . b . D

Q = 0.093 . 120 . 17 = 190 ton/h

a) Según la fórmula de Lewenson: Q = 150. n . b . s. d. µ. γ

Q = 150 . 170. 1.2 . 0.045 . 0.17 . 0.3 . 2.7 = 190 ton/h

• La energía se calcula según las siguientes fórmulas

• Según la fórmula de Viard

N = 0.0155. b. D

Donde:

N = potencia del motor para el triturador de mandíbula, en CV

b = ancho de la mandíbula triturante, en cm

D = dimensión máxima del material de alimentación, en cm

Energía para el accionamiento de trituradoras

• Según la fórmula de Lewenson:

N = n. b. (D2 − d2)

0.34Donde:

N = potencia del motor para el triturador de mandíbula, en CV

n = vueltas/minuto, en el eje de transmisión.

b = ancho de la mandíbula móvil, en m

D = Tamaño medio del material de alimentación, en m

d = tamaño medio del material triturado, en m

• Ejemplo:

• Calcular la potencia de un motor para triturador de mandíbulas si se tienen los siguientes datos:

Ancho de mandíbulas: 1.20 m

Vueltas del eje de la transmisión, 170/min

Tamaño del material de alimentación 0.5 m, máx. 0.65

Tamaño del material triturado, 0.17 m

Solución:

Según Lewenson: N=170. 1.2 .(0.52 −0.172)

0.34=132 CV

Según Viard: N = 0.0155. 120. 65 = 121 CV

Como factor de seguridad, se selecciona un motor con 10 a 15% más de sobrediseño para salvar las irregularidades posibles en la magnitud de la alimentación.

Equivalencias1 CV = 735,5 W.1 HP = 745,7 W

1 HP = 1,0138 CV

• Las materias primas para cemento por lo general tienen mucha humedad por lo que en el tratamiento por vía seca, se deben desecar antes de su molienda. Por ejemplo

• la piedra caliza presenta humedad cerca de 8%,

• la marga hasta 15%,

• la arcilla y limo un 20%,

• Escorias de alto horno, hasta el 10%

• También el carbón se debe secar.

El consumo de energía es mínimo, siempre que las operaciones de secado y molienda se realicen por separado.

DESECACIÓN DE LAS MATERIAS PRIMAS

• La finalidad del secado es eliminar la humedad de los materiales, es decir el agua contenida en ellos y que puede presentarse como:

1.-Libre, presente en la superficie de los granos.

2.-Capilar, es decir, rellenando los huecos de su estructura.

3.-Adsorbida sobre la superficie del material.

El agua combinada o de cristalización que aparece en los materiales arcillosos, por ejemplo, en la caolinita, Al2O3. 2SiO2. 2H2O, no se puede considerar como humedad.

Junto al secado simultáneo con la trituración/molienda o con la molienda, en la industria del cemento también se utilizan:

- Secaderos de tambor.

- Secaderos rápidos.

- Secaderos flash

En la industria de cemento la desecación se practica en:

• A) Secaderos de tambor

Secador tipo tambor giratorio

Tipo tambor giratorio. Está constituido por un cilindro tubularmás o menos inclinado que puede girar a distintasvelocidades. El producto a secar entra por la parte más altadel tambor, y debido a la lenta rotación del secadero, avanzapor el mismo y se mezcla íntimamente, gracias a unosdispositivos interiores adecuados, siendo secado por los gasesque se introducen en el tambor.

En la elección del tambor secador se debe considerar:

• Las propiedades físicas del material a secar

• Tamaño de grano

• Tendencia a cambios de estructura durante el secado.

• Comportamiento en la corriente de gases

• Tiempo de secado exigido.

Los materiales plásticos tales como la arcilla y el limo, suelen secarse con corrientes de flujo paralelo, para impedir que por acción inmediata de los gases calientes sobre el material húmedo, la coagulación del material a la entrada de secadero,

Elección del tambor secadero

En los secaderos a contracorriente las masas plásticas en proceso de desecación disminuyen la capacidad de desecación.

En la desecación del carbón en secaderos de flujos paralelos delmaterial y gases, se disminuye el peligro de la iniciación decombustiones. En los secaderos a contracorriente, el contacto de losgases calientes con el carbón ya seco favorece la combustión decarbón.

Sin embargo se produce más polvo en el caso de los secaderos de flujosparalelos que en los de contracorriente.

Es frecuente que los secaderos de tambos se conecten a continuaciónde los hornos modernos con intercambiador, por lo cual se depuran losgases finales del secadero en los filtros de polvos de los hornos.

• La temperatura de los gases calientes a la entrada del secadero, para el caso de calefacción sebe ser como máximo 650°C.

• En secaderos de corriente paralela para procesos de secado se puede llevar la temperatura de entrada hasta unos 750 – 975°C

• En la desecación no debe producirse ninguna reacción química, Por ejemplo a temperaturas de orden de los 800°C, la caliza se disocia según: CaCO3 → CaO + CO2 lo que se debe evitar.

• La caolinita pierde parcialmente su agua combinada a los 400 – 500 °C de acuerdo con: Al2O3. 2SiO2. 2H2O → Al2O3. 2SiO2. 0.5H2O

Esta circunstancia se debe considerar en la dosificación de las materias primas.

La regulación de la temperatura de los gases calientes se realiza mediante adición y mezclado con aire frío.

Temperatura e intercambio térmico

• El intercambio térmico por convección, es decir, la transmisión de calor alas partículas de material que están en contacto directo con los gasescalientes, es el factor mas importante en los tambores secadorescalentados directamente.

• La conducción y la radiación desempeñan un papel secundario en la transmisión de calor y se pueden despreciar. Los factores que influyen en el intercambio térmico en un tambor secadero son:

a. Número de vueltas del tambor.

b. Temperatura de los gases de entrada.

c. Velocidad de los gases

d. Tipo, cuantía y superficie de los dispositivos instalados en su interior.

Cuanto mayor es el número de vueltas, mejor será la cesión del calor del gas al material.

• Para el secado de materias primas para cemento se puede utilizar combustibles como: carbón, fuel-oil y gases combustibles. Los secaderos de tambor también funcionan con gases residuales del horno o con aire residual caliente de los enfriadores de parrilla.

• El consumo de combustibles en las fábricas de cemento se distribuye de la siguiente manera:

Combustibles

PROCESO POR VÍA SECA PROCESO POR VÍA HUMEDA

Operación del horno: aprox 83% Operación de horno: aprox. 96%

Secado de materias primas: 14% Secado del carbón: 4%

Secado del carbón: 3%

• La homogenización consiste en mezclar los distintos materiales, a tal punto que en cualquier porción de la mezcla que se tome deben estar presentes los componentes en las proporciones previstas.

• Cuando se usa la vía húmeda se emplean estanques agitadores mecánicos y cuando se usa la vía seca, se emplean silos donde el crudo se agita mediante inyección de aire.

Proceso de homogenización

de harina cruda

• Este cálculo tiene por finalidad determinar las relaciones de las cantidades de materias primas que hay que aportar para dar al Clinker la composición química y mineralógica deseada.

• Método de cálculo cruzado (regla de aligación). Es el método más sencillo para calcular las proporciones de las mezclas de dos componentes.

• Ejemplo: Calcular las proporciones que hay que mezclar una caliza con 91% de CaCO3 y arcilla con un 31% de CaCO3 para obtener un crudo con un 76% de CaCO3.

• Solución:

Según la regla de mezcla en cruz:

Cálculo de la composición del crudo

Para obtener un crudo con un 76% de CaCO3 hay que

mezclar 45 partes de caliza con 15 partes de arcilla. Es

decir el crudo estará compuesto por la mezcla de los dos

componentes en la relación:

Caliza: Arcilla = 45:15 o 3:1 respectivamente

En la tabla las materias primas son las columnas 1 y 2, de los cuales a la calizacorresponde 80.20% y arcilla 19.80%. Las columnas 3,4,5 y 6 contienen laparticipación de los componentes del crudo, así como la composición del Clinker.

• Tras la homogenización, el material se encuentra listopara ser ingresado al Horno, en el caso de los hornosverticales se cuenta con un dispensador rotatorio queasegura una carga estable y uniforme distribuida sobreel área de calcinación con el objeto de asegurar laestabilidad del proceso.

Alimentación del crudo

Horno vertical corte frontal.

“En la industria del cemento, la máquina

más delicada y más cara es el horno”.

Un horno vertical es una estructuracilíndrica constituida por un cascometálico exterior y un forro refractariointerior .

Dentro del equipo se desarrollan lasreacciones y operaciones de secado, pre-calcinación, calcinación, Sinterización yenfriamiento del clínker en diferentesniveles del mismo.

• La clinkerización constituye la etapa más importante delproceso de fabricación de clínker.

• Los materiales homogeneizados se calientan hastallegar a la temperatura de fusión incipiente (entre 1400a 1500ºC, parte del material se funde mientras el restocontinúa en estado sólido), para que se produzcan lasreacciones químicas que dan lugar a la formación decompuestos mineralógicos del clínker.

Proceso de clinkerización

• Al salir del horno, el clínker se debe enfriar rápidamente paraevitar la descomposición del silicato tricálcico, en silicatobicálcico y cal libre:

3CaO·SiO2 → 2CaO·SiO2 + CaO

• El enfriamiento se hace con aire que pasa a través desistemas de parrilla móvil, o bien, a través de tubosplanetarios que giran solidarios al horno. De estos sistemas,el clínker sale con una temperatura inferior a 150 ºC.

Enfriamiento del clinker

Enfriador de Parrilla

Función principal de la parrilla es la

refrigeración del clinker y el transporte;

mientras que proporciona aire caliente para

el horno rotatorio y calcinador, es el

sistema de disparo principal del equipo derecuperación de calor.

• El clínker debe permanecer en canchas techadas durantealgún tiempo, para que termine de enfriarse.

• El almacenamiento se debe hacer en lugares libres decontaminación y sin contacto con agua, ya que se puedeproducir una hidratación parcial de los compuestos. Sinembargo, pequeñas cantidades de agua pueden serbeneficiosas para hidratar la cal libre superficial y lamagnesia, disminuyendo de esta manera su efectoexpansivo.

Almacenamiento del clinker

Diseño de un edificio con marco tipo-A de 110,000 pies

cuadrados para almacenar la pila de clinker de cemento.

• Posteriormente a la clinkerización, el clínker se enfría yalmacena a cubierto, y luego se le conduce a la moliendafinal, mezclándosele con yeso (retardador del fraguado),puzolana (material volcánico que contribuye a la resistenciadel cemento) y caliza, entre otros aditivos, en cantidades quedependen del tipo de cemento que se quiere obtener.

• Como resultado final se obtiene el cemento.

Transformación del Clinker en cemento

Esquema de transformación del clínker

INDUSTRIA DE CEMENTO EN PERU

IMPACTOS AMBIENTALES DE LA INDUSTRIA DEL CEMENTO