Fabricacion Del Cemento 37m37

CAPÍTULO III - PROCESO DE FABRICACION DEL CEMENTO En esta sección se detallará el proceso productivo de cemento Portland por vía seca, método de fabricación utilizado por las principales empresas cementeras en la actualidad. En el ítem 1.8 se mencionarán procesos alternativos y sus principales diferencias con la producción por vía seca. FLUJOGRAMA PROCESO PRODUCTIVO DE CEMENTO

Gráfico 3.1. Flujograma proceso productivo del cemento http://www.cempro.com/index.php/quienes-somos/procesos-de-produccion/proceso-deproduccion-de-cal

1. EXTACCION DE MATERIAS PRIMAS Los materiales utilizados para la producción de cemento son la caliza, la arcilla con la que se forma el clínker y posterior mente el yeso para obtener el cemento Portland. A continuación se describe brevemente cada uno de los materiales:  Piedra caliza: Es una roca sedimentaria compuesta mayoritariamente por carbonato de calcio (CaCO3). La formación de esta posee dos orígenes: origen hídrico y origen biológico, que son sedimentos resultantes de organismos muertos (esqueleto).  Arcilla: Es una roca sedimentaria constituida por agregados de silicatos de aluminio hidratados, procedentes de la descomposición de rocas que contienen feldespato, como el granito.  Yeso: Es un mineral compuesto de sulfato de calcio hidratado. Los depósitos se originaron como consecuencia de la evaporación de disoluciones acuosas sobresaturadas en lagos o mares de poca profundidad.

Para las tres materias primas, se utiliza generalmente como sistema de explotación el de cielo abierto o canteras. Antes de realizar cualquier actividad, se realiza la exploración, que consta de un sondeo de los campos donde probablemente pueda existir el mineral deseado. Una vez confirmada la existencia se realizan estudios geológicos mineros, en los que se obtiene la información geológica y geoquímica de las áreas a explotar. Los depósitos se pueden encontrar de 1 a 7 metros por debajo del nivel del suelo. Terminada la exploración se procede a la explotación, la cual es similar para los 3 materiales. Se comienza realizando perforaciones con profundidades entre los 9 y 10 metros en diferentes frentes con brocas de 3’’ a 3 ½’’, allí se coloca alrededor de 28 kg de carga explosiva por perforación y se van conectando todas a través de cordones detonantes. Se produce la voladura dando como resultado la fragmentación de los materiales.

Gráfico 3.2. Extracción de la materia prima.

2. TRANSPORTE DE MATERIAS PRIMAS Para reducir los costos de transporte, la estación de trituración se encuentra cercana al silo de almacenamiento de materia prima. Terminada la explotación, el material es transportado por palas mecánicas a grandes camiones o hacia tolvas cercanas que alimentan cintas transportadoras. En cualquiera de los dos casos el destino es el silo de almacenamiento en primer lugar y luego, se transporta la materia prima de la misma manera a la estación de trituración.

Gráfico 3.3. Pala mecánica alimentando tolva y posteriormente cinta transportadora Fuente: http://www.youtube.com/watch?v=6zZsQJCGSdA

2.1 Sobre las cintas transportadoras A lo largo de su historia, como todos los equipos industriales, las cintas transportadoras han ido presentando mejoras operativas. Una de ellas es el aumento en su capacidad de transporte de materiales, yendo siempre hacia mayores volúmenes. Ante esto, la industria y sus proveedores han respondido modificando los estándares y generando nuevos modelos con capacidades superiores. Se utilizan cintas transportadoras en las grandes industrias extractivas e incluso las utilizan empresas medianas, esto es así por las múltiples ventajas que presentan. En la comparación pala-camión, son más amigables con el medio ambiente y hacen una menor emisión de material particulado. La ventaja de la correa principalmente radica en que el costo, la construcción y mantención de las pistas disminuye ante el menor ancho, longitud e intensidad de circulación. El proceso puede ser más racionalizado y automatizado (menos mano de obra en cantidad y especialización). Asimismo, la vida operativa de las correas transportadoras es mayor que la de los camiones. Además, permiten aprovechar la energía cinética, sobre todo cuando se va hacia abajo o en pendientes positivas, en los tambores, de manera de generar su propia energía. Por otro lado, entre las desventajas de las cintas está el hecho de que implican una mayor inversión inicial y tienen poca versatilidad en cuanto a modificar la producción. Igualmente, cintas transportadoras y el sistema pala-camión no son competencia directa, porque la pala sirve para la carga, en cambio la cinta transporta, y en industrias extractivas se realizan ambas actividades: cargar y transportar. En la actualidad muchas compañías mineras están exigiendo en sus proyectos de inversión como requisito de diseño el estudio del impacto ambiental y eficiencia energética de todos sus proyectos. Al respecto de las cintas transportadoras, para hacerlas más amigables con el medio ambiente se han desarrollado sistemas de transporte de minerales que se enfocan en la reducción de ruido, la emisión de polvo y en la disminución del consumo energético. Se utilizan por ejemplo, cintas totalmente cerradas; mejoras en los sellos, ejes y en la forma en que se unen manto y tapas; polines en Nylon o HDPE para permitir una reducción del ruido, o las innovadoras cintas transportadoras con curvas verticales y horizontales, que básicamente permiten eliminar la emisión de polvo y ruido que provienen de las torres de transferencia.

Gráfico 3.4. Cinta transportadora cerrada para reducir emisión de polvos. Fuente: Innova Ingeniería. http://www.innova-ing.com/productos/ver/cintas-transportadorasy-componentes.

3. PROCESO DE TRITURACIÓN A efectos de la elaboración del cemento las materias primas obtenidas en la cantera se han de desmenuzar. La subdivisión se realiza mediante trituradoras y molinos. La trituración corresponde a la subdivisión hasta tamaños de escala relativamente gruesa. Los trituradores previos que se aplican en la industria del cemento son de un grado de reducción de 5 a 15, siendo el grado de reducción la relación de la mayor dimensión lineal del material antes de su subdivisión a la mayor dimensión lineal del material desmenuzado. Generalmente, la dimensión de las materias primas tal y como se obtienen de la explotación minera en bloques de hasta 2 metros se reducen hasta 25-30 mm. De ahí que el desmenuzamiento de las materias primas puede ocurrir hasta en dos o tres tramos, según la planta. Utilizando explotación por voladura, la estructura geológica de la cantera influye en el tamaño de las piedras y, por tanto, tiene una considerable influencia en la selección y tamaño de la trituradora. La elección de las dimensiones de las bocas de alimentación de los trituradores depende tanto del tamaño en que se ofrecen las rocas como del contenido de la cuchara de la excavadora. Además, se deben ajustar al caudal deseado de procesamiento en la planta. El material, tras esta preparación preliminar, es el de alimentación para los molinos.

Gráfico 3.5. Estación de trituración.

Las trituradoras pueden ser de impacto o de compresión. En la industria cementera, por las características de los materiales que se utilizan (duros y abrasivos), se prefieren trituradoras de compresión. Particularmente, detallaremos a continuación las trituradoras más utilizadas: de mandíbulas y cónicas. 3.1. Trituradora de mandíbulas Las trituradoras utilizadas en trituración primaria son comúnmente de mandíbulas. Esto se debe a su construcción relativamente sencilla, bajo costo de mantenimiento y porque se fabrican en unidades de gran tamaño. El desmenuzamiento del material de alimentación se desarrolla entre dos mandíbulas, de las cuales una es fija y la otra es móvil. La mandíbula móvil realiza un movimiento de vaivén u oscilante (atrás-adelante) que ejerce, principalmente, un esfuerzo de compresión sobre el material. También hay movimiento de abajo-arriba, de donde resultan los esfuerzos combinados de compresión-fricción.

Gráfico 3.6 Partes de una trituradora de mandíbulas. Fuente: Formats Construction Machinery.

3.2. Trituradora cónica-giratoria Esta trituradora es adecuada para triturar minerales o rocas semiduros y duros. Una máquina trituradora de cono es similar en funcionamiento a una trituradora de mandíbulas, con menos pendiente en la cámara de trituración, y más en la zona paralela entre las áreas de aplastamiento. Una máquina trituradora de cono hidráulica rompe la roca, apretándola entre un eje excéntrico giratorio recubierto por un manto resistente al desgaste y la tolva cóncava, cubierta con una capa de manganeso. Cuando la roca entra en la parte superior de la máquina trituradora de cono, se aprieta entre el manto y el forro cóncavo tazón. Pedazos grandes de mineral se rompen una vez y luego caen a una posición más baja (porque ahora son más pequeños) de se rompen de nuevo. Este proceso continúa hasta que las piezas son lo suficientemente pequeños para caer por la estrecha abertura en la parte inferior de la trituradora.

Gráfico 3.7. Partes de una trituradora cónica. Fuente: Ing. Juan Miranda. http://apuntes-ingmecanica.blogspot.com.ar/2014/02/trituradoras-giratorias-ii.html

4. PREHOMOGENEIZACIÓN

Cuando el material sale de la molienda, en especial la caliza, los principales componentes de las materias primas pueden presentar oscilaciones. En un pasado se intentó reducir estas dispersiones mediante extracciones electivas de los materiales en la cantera, pero al crecer la capacidad de producción esta práctica se volvió antieconómica. Es por esto que se volvió obligatorio homogeneizar la caliza y eventualmente otras materias primas. Se lo llama “prehomogeneización” porque se produce a nivel de almacenamiento del material triturado. Existen 2 métodos de prehomogeneización: 

Prehomogeneización conjunta de las materias primas componente: Exige composición química equilibrada, la dosificación se realiza antes de llevar los componentes al lecho de mezcla. No se obtienen buenos resultados debido a la desigual granulometría de los componentes, que generan desviación del crudo respecto a su valor correcto.



Pre homogeneización particular de los componentes individualizados: Los componentes pre homogeneizados se aportan al proceso de acuerdo con la composición proyectada del crudo y se llevan al molino mediante recipientes alimentadores o básculas dosificadoras.

El principio fundamental de pre homogeneización es constituir una pila de material, de un tamaño inferior a 25 mm, por lo que se utilizan los lechos de mezcla. En los lechos de mezcla, las materias primas que llegan son amontonadas en dirección longitudinal de un lado a otro mediante un movimiento continuo formando capas de cierta cantidad de toneladas cada una. Las variaciones de composición química a largo plazo se suprimen de este modo, ya que se superponen unas a otras de una forma secuencial irregular. También pueden realizarse apilamientos en forma circular cuando no se dispone de espacio pero estas resultan alrededor de 35% más costosas.

Gráfico 3.8. Lecho de prehomogeneización. Fuente: Cementos Lafarge. http://www.lafarge.com/wps/portal/4_3_5_2-

Procede_de_fabrication

La base de formación de lechos de mezcla equivale al consumo de materias primas durante 7 a 10 días. La altura de apilamiento está definida por el talud natural de la materia que determina la anchura de la sección transversal del apilamiento. La relación de longitud al ancho debe ser por lo menos de 5:1. Como resultado de la prehomogeneización puede rebajarse la dispersión, por ejemplo, en el contenido de CaCO3 de una caliza desde un 10% a un 1,5%.

Gráfico 3.9. Extracción de la materia prima.

5. MOLIENDA DE LAS MATERIAS PRIMAS ¨CRUDO¨ El proceso de molienda consiste en la reducción de los materiales ya triturados a polvo, y su objetivo es el aumento es el aumento de la superficie específica del material y así facilitar la reacción química de los materiales en el horno. Se realiza para poder mezclar íntimamente diferentes materias primas y llegar a un producto con una composición uniforme, y para poder combinar químicamente las materias primas con un mínimo de energía térmica.

Gráfico 3.10. Extracción de la materia prima

El desmenuzamiento de las materias en la industria del cemento representa entre el 50% y 75% del consumo de energía total, siendo aproximadamente 45-80kWh/t de clínker sobre 90-130kWh/t. El grado de eficiencia de la molienda es algo controvertido ya que la energía con la que el molino realiza trabajo de desmenuzamiento se encuentra de 2% a 20%, siendo el resto distribuido en:  

Rozamiento de las partículas del material y los cuerpos moledores entre si y el revestimiento del molino. Deformación de elástica y plástica de los elementos de molienda.

     

Deformación elástica del material a moler antes de su rotura. Deformación plástica del material a moler. Pérdidas mecánicas. Formación de aglomerados de partículas. Elevación del material en el molino Emisión de ruido

Más allá del gran porcentaje del total de energía que representa la molienda y su baja eficiencia, la energía aplicada se puede considerar baja en relación con las ventajas que con ella se obtiene en los procesos posteriores de homogeneización, cocción del crudo y de hidratación del cemento. Existen tres mecanismos de fractura de una partícula aislada, los cuales no ocurren aisladamente, sino en forma conjunta: 

Por abrasión: tiene lugar cuando la energía aplicada es insuficiente para causar la rotura generalizada. Los esfuerzos son localizados y se producen roturas de volumen pequeño dando lugar a partículas muy finas.



Por crucero: la energía aplicada es la suficiente para cargar pocas regiones de la partícula hasta el punto de rotura, por lo que resultan pocos fragmentos de tamaño cercano al original. Es una situación típica de compresión lenta.



Por estallido: la energía que se aplica es mucho mayor que la necesaria para la fractura. Gran cantidad de elementos están sometidos a carga por lo que se obtienen gran cantidad de partículas con un amplio rango de tamaños. Es una situación típica de compresión lenta.

Gráfico 3.11. Mecanismos de fractura de una partícula aislada.

http://www6.uniovi.es/usr/fblanco/Leccion14.CEMENTOS.MoliendaCrudo.INTRODUCCI ON.pdf

En la industria del cemento se emplean generalmente molino de bolas y verticales de rodillos. Los molinos de bolas se usan principalmente para la molienda del cemento ya que permiten moler fino los productos duros y abrasivos a un coste aceptable, por lo tanto se describirán los molinos verticales de rodillos. Existen dos esquemas básicos de molienda:  Circuito abierto: el material que abandona el molino ya no retorna al mismo. Se tiene a abandonar su uso por su poca flexibilidad y alto consumo energético.



Circuito cerrado: un sistema de separación establece dos flujos, uno de gruesos que retornan al molino y otro de finos que se incorporan al proceso principal.

6. DOSIFICACIÓN Una alimentación al horno con una composición química uniforme y con una finura adecuada es muy importante para conseguir unas buenas condiciones de operación del horno y para obtener un cemento (clínker) de calidad, sobre la base de las materias primas que se están utilizando. La materia prima para la fabricación de clínker de cemento Portland raras veces está constituida por un único material y, normalmente, lo está por varios: calizas (que pueden ser de varios tipos, según su riqueza en CaCO3), margas, arcillas, pizarras, etc., con la adición de algunos elementos correctores, principalmente ferruginosos. En aquellos casos en que no se consigue una composición química del crudo adecuada para la fabricación del clínker, se adiciona a la caliza, la arcilla, la marga y el esquito, aditivos correctivos para obtener la proporción correcta de cal, sílice, alúmina y hematita. Se trata de compensar las pequeñas deficiencias que puedan existir en el crudo. Esto ocurre en raras ocasiones ya que los dos componentes principales pueden disponerse dentro de un amplio rango de composiciones, bien por arranque de distintos frentes de una misma explotación o bien porque se disponga de más de una explotación. Los componentes correctores pueden ser silíceos (> 70 % de SiO2), aluminosos (> 30 % de Al2O3) y ferruginosos (> 40 % de Fe2O3):

Tabla 3.1. Aditivos correctivos Fuente: Manual Tecnológico del Cemento-Walter Duda La adición de componentes correctores solo es posible en una escala limitada, a menos que estemos fabricando un cemento especial. Generalmente, se añaden en una cantidad que oscila entre el 1 y el 2 %, incluso 5 % en algunas ocasiones.

7. CALCINACIÓN

La unidad de calcinación consta de cuatro zonas: secado, precalentamiento, precalcinación y clinkerización. Los cambios físicos y químicos son graduales. Cuando el polvo crudo entra a la cuarta zona del horno cambia su composición química en una suma de compuestos que se llama clínker. La palabra clínker procede del inglés y significa ‘escoria’. Se define al clínker como el producto obtenido por fusión incipiente de materiales arcillosos y calizos que contengan óxidos de calcio, silicio, aluminio y fierro en cantidades convenientemente calculadas. El producto de la calcinación debe tener una composición química, predeterminada. No debe haber exceso de cal porque aparecería como cal libre en el cemento y al hacer un concreto produciría expansiones y grietas. Sería un cemento sano. Es importante, por ende, evitar la cal libre mediante la correcta dosificación de las materias primas y una clinkerización a la temperatura adecuada, (145OO C). Almacenamiento de chker El clínker frío se almacena a cubierto, de donde se conduce a la molienda final en combinación con yeso, puzolana, caliza y otros aditivos, según el tipo de cemento que se pretenda obtener.

Gráfico 3.12. Extracción de la materia prima

8. MOLIENDA DE CEMENTO En la mayor parte del siglo 20, los circuitos de secado-molienda para la producción de cemento terminado desde el Clinker consisten en un molino de tubo de dos compartimientos y separadores de aire. Es común producir el cemento en un circuito abierto. Los avances en tecnología de molienda son lentos y están limitados a países desarrollados. La calidad del cemento es medido por el área superficial o el índice Blane. La unidad de este índice es m2/kg y es determinado por el test de permeabilidad de aires de Blane. El área de superficie del polvo de cemento depende de la distribución de tamaño de las partículas de cemento, las partículas más pequeñas tienen mayor área superficial. Si la distribución de tamaño de la partícula es desconocida, el índice de Blane puede ser útil para predecirla. En la molienda de cemento se utiliza hasta un 40% de la energía del proceso productivo.

13Gráfico 3.13.. Extracción de la materia prima

8.1 Molinos a bolas Como se mencionó en la etapa de molienda de crudo, para la molienda de cemento se usan por lo general molino de bolas. En primer lugar se debe a su fácil operación y alta disponibilidad. En segundo lugar, se llevan a cabo a menudo conversiones a los separadores de alta eficiencia en circuitos cerrados, que lleva consigo la compra de reemplazos de los molinos de bolas o modernización de los mismos. Los molinos de bolas están formados por un tambor de acero, horizontal y giratorio, revestido interiormente de placas muy resistentes al desgaste y con formas adecuadas para voltear eficazmente a las materias primas junto con una carga muy importante de bolas de fundición blanca aleada con níquel y cromo. Al girar el molino, por debajo de su velocidad crítica (aquella en la que la fuerza centrífuga anula la gravedad sobre las bolas), las bolas caen junto con las materias primas desde una altura grande chocando con los trozos de material situado entre ellas y entre el revestimiento y, por tanto, desmenuzando a las materias primas hasta convertirlas en un material pulverulento. Los molinos de bolas suelen tener una relación longitud / diámetro que oscila entre 3:1 y6:1. Es importante, con vistas a la eficacia del molido, que los molinos tengan un grado de llenado (relación entre el volumen de bolas y el de la cámara) adecuado, oscilando entre el 25 % y el 45 %.

Gráfico 3.14. Molino a bolas. Fuente: http://www.zkg.de/imgs/23009115_7adf56f2c4.jpg

8.2 Proceso El clínker es transportado por una cinta transportadora. Se agrega yeso para mejorar las características de fraguado y distintos aditivos para mejorar propiedades del Clinker por ejemplo escorias de alto horno, puzolanas naturales, cenizas volantes, caliza, humo de sílice y metacaolín. También se le agregan aditivos para facilitar el proceso de molienda controlando la temperatura del molino y facilitar la pulverización. El circuito de molienda de cemento clínker reduce un 80% de material pasante entre 10 y 20mm a un 100% pasante de 90 micrones. La reducción de tamaño se lleva a cabo en un molino de tubo de dos compartimentos, el primero es más corto que el segundo. El Clinker grueso es molido en el primer compartimento donde grandes bolas (80, 60,50 mm) son usadas y la molienda fina es realizada en el segundo compartimento donde se usan bolas más pequeñas (debajo de 25mm). Un diafragma separa los dos compartimentos y solo permite pasar partículas por debajo de un cierto tamaño al segundo compartimento. El material molido sale del molino mediante una corriente de aire regulada por perilla de descarga, que previene la salida de los elementos moledores del molino. El producto fino es la fracción fina del clasificador de aire y lo grueso vuelve al molino. El cemento resultante es transportado por cinta transportadora o fluidizado con aire e impulsado por una bomba hacia un depósito para su almacenamiento.

Gráfico 3.15. Diafragma entre dos compartimentos de un molino – vista desde el primer compartimento. Fuente: http://www.metso.com/miningandconstruction/mct_service.nsf/webwid/wtb-

120106-22576-5b063/$file/041.pdf

9. EMPAQUE Y EXPEDICIÓN El cemento extraído de los silos se despacha tanto en bolsas de papel como a granel. Para el despacho en bolsas se utilizan máquinas rotativas automáticas que tienen una capacidad de envasado de 1800 bolsas por hora. El operador, solo se limita a colocar las bolsas en los pitones de una tolva rotativa, que gira continuamente, y que llena con el peso de 42,5 kg, descargándolas sobre una faja transportadora. Las bolsas se transportan a las plataformas de los camiones por un sistema de fajas. Los cargadores se limitan a cogerlas y acomodarlas. Además, las bolsas pueden ser colocadas sobre pallets, que son preparados durante la noche, para acelerar la entrega en las horas de la mañana y mejorar la atención a los clientes.

Los sacos se apilan en seis alturas, y estos se organizan de diferentes formas para ocupar el menor espacio posible, Esta organización se realiza automáticamente en el apilado de sacos en el pallet. En el proceso de apilado, cada saco pasa por un rodillo que hace que el amaterial se distribuya homogéneamente dentro del saco, para que el conjunto de todos los sacos la carga esté homogeneizada. Una vez están apiladas las seis filas, una prensa compacta con la fila superior realizando una presión controlada, para compactar todos los sacos y disminuir el volumen. Después de esta operación, el conjunto de pallets, es cubierto con una funda de plástico, y mediante calor hace que se retractile, y la carga no se pueda mover, ni mojar. En el despacho a granel se utilizan camiones especiales de 30 toneladas o más, que se cargan en 10 minutos. Dos balanzas de plataformas para camiones, con controles electrónicos, controlan el peso de cada camión que se despacha.

Gráfico 3.16. Esquema de expedición Fuente:

http://www6.uniovi.es/usr/fblanco/Leccion8.CEMENTOS.FabricacionIntroduccion.pdf

Gráfico 3.17. Bolsas de cemento en pallet cargados en camión Fuente: https://anferba.files.wordpress.com/2010/10/dsc00391.jpg

10. PROCESOS ALTERNATIVOS DE PRODUCCIÓN Los procesos que se usan comercialmente para la producción del clínker difieren a partir de la etapa de homogeneización. El crudo puede ser transformado por diferentes métodos:

   

Proceso por vía seca Proceso por vía húmeda Proceso por vía semi-húmeda Proceso por vía semi-seca

El proceso detallado anteriormente es el de fabricación por vía seca.