W. Reátegui 1

UNIVERSIDAD SAN IGNACIO DE LOYOLA

INGENIERÍA INDUSTRIAL Y COMERCIAL

CURSO

TECNOLOGÍA INDUSTRIAL.

CAPITULO VII

PROCESO DE PRODUCCIÓN DE CEMENTO

Prof. W. Reátegui

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Ses Sem (hrs) Tipo Contenido Actividades de Aprendizaje Recursos

Módulo 7: Proceso de producción de cemento

Competencias Específicas: 1)Conoce los diferentes tipos de cementos y sus aplicaciones.2)Conoce las normas técnicas del cemento portland.

7 7 4 AP

Cemento. Generalidades.Propiedades. Procesos de producción: Cemento Pórtland. Aplicaciones y usos.

Conoce el proceso de obtención de cementos y sus aplicaciones.Conoce la función de la chancadora primaria, molino de bolas y de martillo y del horno rotatorio.

- Equipo multimedia.- Pizarra acrílica y plumón. - Material Bibliográfico. - Artículos de revistas indexadas.- Informe técnicos

7 7 6 AALectura del libro texto de reseña y referencias complementarias

Investiga, refuerza y perfecciona conocimientos logrados en clase.

- Material bibliográfico- Notas de clase- Aula virtual

W.Reátegui 3

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PLAN DE CLASE:•Fabricación del cemento•Composición química del cemento•Clasificación•ensayos de laboratorio, normas NTP y ASTM. •Influencia de la puzolana y escoria en la fabricación del cemento y la influencia en las propiedades del concreto. •Interpretación de los agregados a usar en la elaboración de concreto; arena, grava, piedra partida; así como para la elaboración de morteros, normas NTP y ASTM. •Morteros para albañilería. •Clasificación de concretos•resistencia, durabilidad, influencia del clima en los concretos, normas NTP y ASTM

I. INTRODUCCIÓN•Cualquier sustancia que aglutine materiales puede considerarse como cemento.  En construcción el término "cemento" se refiere a aquellos agentes que se mezclan con agua para obtener una pasta aglutinante.•El cemento es un aglomerante utilizado en obras de ingeniería civil, proveniente de la pulverización del clinker obtenido por fusión incipiente de materiales arcillosos y calizos, que contengan óxidos de calcio, silicio, aluminio y fierro en cantidades dosificadas, adicionándole posteriormente yeso sin calcinar.•El proceso de fabricación del cemento se inicia con la explotación de los yacimientos de materia prima, en tajo abierto.•El material resultante de la voladura es transportado en camiones para su trituración, los mismos que son cargados mediante palas o cargadores frontales de gran capacidad. •CEMENTO: es un polvo fino gris, que se usa para hacer hormigón que es el ingrediente del mortero. También se utiliza para hacer carreteras, represas etc.

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II.ETAPAS DE LA PRODUCCIÓN DEL CEMENTO

Etapa I: Canteras: materia prima •Piedra caliza •Sílice•Óxido de Fe•Óxido de Al•Diferentes tipos de cemento se producen variando las proporciones de estas sustancias.

Etapa II: Chancadora primaria: reducción de tamaño

Etapa III :Transporte por fajas.

Etapa IV: Chancadora secundaria

•Roca con alto contenido de CaCO3

•Roca con bajo contenido de CaCO3

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Uno de los principales procesos es la conminución o reducción de tamaño, esto con el fin de facilitar el proceso de extracción del material estéril. En este proceso, se distinguen normalmente dos etapas, la de chancado y la de molienda, según el rango de tamaño de alimentación. En la etapa primaria, el chancador primario reduce el tamaño máximo de los fragmentos a 8 pulgadas de diámetro.

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The primary crusher

Etapa V: Adición de minerales: Sílice, Fe, Al

Etapa VI: Polvo seco (materia prima para el clinker): se precalienta de 80ºC a 800ºC y se elimina el CO2, generando CaO.

Etapa VII: Horno rotatorio: gira a 2RM, Temp: 1700ºC, se desarrollan reacciones químicas en fase sólida (1500ºC).

Etapa VIII: Enfriamiento de clinker

Etapa IX: Molienda: se lleva a cabo en molinos de bolas adicionando CaSO4.

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• El cemento es un producto artificial, que se obtiene de la transformación de una materia prima, que está compuesta de una mezcla de:

calizas arcillas y otros minerales o simplemente de calizas.• Esta materia prima finamente molida y homogenizada,

es llevada a altas temperaturas, a través de un horno ( rotativo o vertical), de donde se obtiene un producto intermedio denominado clinker.

• El clinker al molerse finamente con alrededor de 5 % en peso de yeso dihidrato, se obtiene el cemento.

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• El clinker de cemento es obtenido por tratamiento térmico hasta reblandecimiento fusión parcial y sinterización de mezclas adecuadas de calizas y arcillas y, eventualmente, de arenas y minerales de hierro.

• El clinker es la conversión a elevadas temperaturas de mezclas de minerales naturales en una nueva escala de minerales con propiedades hidráulicas obtenidas generalmente entre 1250 y 1450° C de temperatura.

Horno rotatorio

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Parte interna del horno rotatorio14

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El molino es una carcaza cilíndrica que gira sobre su propio eje Esta envoltura está llena aproximadamente hasta la mitad de objetos duros (medios de molienda), resistentes a la abrasión y de preferencia mas pesados que el mineral a romper.

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CARACTERÍSTICA DEL MOLINO

•El molino de bolas funciona entre 35% a 45% de nivel de llenado. Su medio de molienda está constituido por bolas de acero forjado, y generalmente opera en circuito cerrado con un clasificador. •Su principal característica es que permite pulverizar material mas fino que otro tipos de molino. Esto es debido a que las bolas presentan mas superficie de contacto con el mineral lo que permite alcanzar con mayo facilidad partículas mas finas. •Para molienda primaria se emplean bolas de 50mm a 100mm y para molienda secundaria bolas de 20mm a 50mm. •A veces el molino de bolas posee una rejilla en el extremo de salida. Esta permite mantener un nivel mas bajo de pulpa. Los orificios se bloquean periódicamente, y por otra parte la carga circulante es mucho mas elevada que un molino que opera por rebalse. Es por tanto mas usado este ultimo tipo de molino.

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III. HORMIGÓN-CONGLOMERANTES•El hormigón puede considerarse un material compuesto agregado teniendo en cuenta que está constituido por una serie de partículas que refuerzan una matriz ( cemento).•El hormigón común está formado por grava y arena dispersa en una matriz de aluminosilicato de calcio (cemento).•Se trata de un material de construcción que se utiliza en grandes cantidades .•En el caso de hormigón el agregado es una combinación de arena

agregado fino y grava (agregado grueso).•Se denomina conglomerante al material capaz de unir fragmentos de uno o varios materiales para dar cohesión al conjunto mediante transformaciones químicas en su masa que originan nuevos compuestos. •Los conglomerantes son utilizados como medio de ligazón, formando pastas llamadas morteros o argamasas.

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• Los conglomerantes más utilizados son : El yeso: es un producto preparado a partir de una roca natural (sulfato

de calcio dihidrato: CaSO4· 2H2O), mediante deshidratación, al que puede añadirse determinadas adiciones de otras sustancias químicas para modificar sus características de fraguado, resistencia, adherencia, retención de agua y densidad. El yeso, como producto industrial, es sulfato de calcio hemihidrato (CaSO4·½H2O).

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• En estado natural el aljez ( yeso crudo) , contiene 79,07% de sulfato de calcio anhidro y 20,93% de agua y es considerado una roca sedimentaria, incolora o blanca en estado puro, sin embargo, generalmente presenta impurezas que le confieren variadas coloraciones, entre las que encontramos la arcilla, óxido de hierro, sílice, caliza, etc.

• En la naturaleza se encuentra la anhidrita sulfato cálcico (CaSO4 ), que absorbe rápidamente el agua, ocasionando un incremento en su volumen hasta de 30% o 50%, siendo el peso específico 2,9 y su dureza es de 2 en la escala de Mohs.

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La cal: El óxido de calcio, conocido como cal o cal viva, es un compuesto químico de fórmula molecular CaO.

• La cal viva se encuentra presente en la naturaleza, se puede sintetizar a partir del agua marina, que contiene concentraciones regulares de carbonatos de calcio y magnesio.

• Mediante reacciones químicas y procesos fisicoquímicos, el carbonato es llevado a hidróxido de calcio, una última calcinación producirá óxido de calcio.

El cemento. Se denomina cemento a un conglomerante formado a partir de una mezcla de caliza y arcilla calcinadas y posteriormente molidas, que tiene la propiedad de endurecer al contacto con el agua.

• La matriz que envuelve las partículas de agregado es el cemento, el cual, como su propio nombre indica, enlaza las partículas de agregado para formar un sólido rígido.

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IV.COMPOSICIÓN DEL CEMENTO

•Los minerales principales que debe contener la materia prima son el : Óxido de Calcio ( CaO )Bióxido de Silicio( SiO2)

Óxido de Aluminio ( Al203 ), y

Óxido de hierro ( Fe2O3 )

• Los cuales tienen que estar relacionados entre si en proporciones pre – establecidas, con el objeto de dar determinadas características al clinker que de ellos se obtiene. •Estos elementos pueden provenir de diferentes minerales, como por ejemplo: la Caliza aporta el CaO, la arcilla aporta SiO2 y el Al203, la pirita o hematíta aporta el Fe2O3, etc; teniendo que proceder a mezclarlos previamente, o de una caliza que contenga todos los elementos en las debidas proporciones

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• La composición química del clinker se presenta por medio del sistema cuaternario: CaO – SiO- Al2O3- Fe2O3

• Los componentes típicos en que interviene los óxidos antes indicados, en la composición centesimal de un cemento Pórtland, son y la abreviatura correspondiente es:

CaO : 61 -67% ( C ) SiO : 20 – 27% ( S ) Al2O3 : 4-7% ( A)

Fe2O3 : 0,50 – 4,0% ( F )

MgO: 0,10 – 5,0% ( M ) SO3: 1,0-3,0% (S1)

K2O y Na2O: 0,25- 1,50% ( álcalis)

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V. TIPOS DE CEMENTO•El cemento portland es el que se utiliza en mayores cantidades , se produce moliendo y mezclando íntimamente minerales con contenidos de arcilla y caliza en las proporciones correctas y luego calentando la mezcla a una temperatura de alrededor de 1400ºC en un horno giratorio.•Este proceso de calcinación, produce cambios físicos y químicos en las materias primas, el producto resultante es lo que se conoce como clinker, que luego es triturado hasta formar un polvo muy fino, al cual se le añade una pequeña cantidad de yeso (CaSO4 2H2O) para retrasar el proceso de fraguado.•El producto del cemento portland, incluidos el tiempo de fraguado y la resistencia final , dependen básicamente de la composición.

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• En el cemento portland se encuentra diferentes constituyentes, los principales son el silicato tricálcico ( 3CaO-SiO2) y el silicato dicálcico (2CaO-SiO2).

• El fraguado y endurecimiento de este material se produce debido a reacciones relativamente complicadas que ocurren entre los varios constituyentes del cemento y el agua añadida.

• La reacción de hidratación del silicato dicálcico es:

2CaO-SiO2 + xH2O → 2CaO-SiO2-xH2O

x es una variable dependiente de la cantidad de agua.

• El cemento portland es un cemento hidráulico debido a que su dureza se desarrolla por reacciones químicas con el agua.

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Propiedades generales del cemento

•Buena resistencia al ataque químico.

•Resistencia a temperaturas elevadas. Refractario.

•Resistencia inicial elevada que disminuye con el tiempo. Conversión interna.

•Con el tiempo aumenta la porosidad.

•Uso apropiado para bajas temperaturas por ser muy exotérmico.

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1) Cemento Pórtland•Un cemento hidráulico producido mediante la pulverización del clinker, compuesto esencialmente de silicatos de calcio hidráulicos y que contiene generalmente una o más de las formas de sulfato de calcio, como una adición durante la molienda.•Cemento portland tipo 1, es el cemento portland destinado a obras de concreto en general, cuando en las mismas no se especifique la utilización de otro tipo: Edificios Estructuras industriales Conjuntos habitacionales.

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OFeO4CaOAl ·12%

O3CaOAl ·11%

2CaOSiO ·26%

3CaOSiO ·51%

:de será finaln composició La

3CaOSiO CaO2CaOSiO

C 1.480 a 1.250 de

OFeO4CaOAl O3CaOAlOCaOFe

C 1.200 a 1.100 de

OCaOFe OFeCaO

2CaOSiO SiO2CaO

O3CaOAl OAl3CaO

C 1.100 a 1.000 de

:son ra, temperatude fasespor clinker, delformación de Reacciones

3232

32

2

22

32323232

3232

22

32 32

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)hidratado oferocálcic Aluminato (2104

)hidratado ico tetracálcAluminato (12

)hidratado álcicoaluminicoc oMonosulfat(10

42

)(362

:Químicas Ecuaciones

..4:

.3:

.2:

.3:

:abreviada raNomenclatu

Portland Cemento deln Hidratació de Reacciones sPrincipale

126

1233

12323

3232

3233

32324

323

22

23

AFHCCHHAFC

ACSHCCSHAC

ACSHCCSHHAC

HSCCHHSC

atobermoritHSCCHHSC

OFeOAlCaOAFC

OAlCaOAC

SiOCaOSC

SiOCaOSC

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• Cemento portland tipo 2, de moderada resistencia a los sulfatos es el cemento portland destinado a obras de concreto en general y obras expuestas a la acción moderada de sulfatos o donde se requiera moderado calor de hidratación, cuando así sea especificado.

• Usos: Puentes, tuberías de concreto

• Cemento portland tipo 5, resistente a los sulfatos es el cemento Portland del cual se requiere alta resistencia a la acción de los sulfatos.

• Usos: canales, alcantarillas, obras portuarias.

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OO3HCaOFe O6HO3CaOAl

O7H OFeO4CaOAl

O13HO4CaOAl

Ca(0H) O12H O3CaOAl

O8HO2CaOAl OxHO4CaOAl

O8)H(x )O2(3CaOAl

Ca(0H) OxHSiO3CaO

O1)H(x )2(2CaOSiO

3Ca(0H) OxHSiO3CaO

O3)H(x )2(3CaOSiO

:son fraguado de proceso elforman quen hidratació de Reacciones

22232

23232

232

2232

232232

232

2222

22

2222

22

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Composición del cemento Portland

Tipo ASTM Características C3S C2S C3A C4AF Otros

I Estándar 45 27 11 8 9

IIReducido calor de hidratación y alta resistencia a los sulfatos 44 31 5 13 7

IIIAdquiere pronto alta resistencia (unido a un alto calor de hidratación) 53 19 11 9 8

IVBajo calor de hidratación (menor que el tipo II 28 49 4 12 7

VResistencia a los sulfatos (mejor que el tipo II, para estructuras marinas) 38 43 4 9 6

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• Ejemplo: se ha definido el cemento Portland como un aluminosilicato tricálcico. Calcúlese el porcentaje total en peso de 3CaO + Al2O3+SiO2 en un cemento portland Tipo I ( ignorar óxidos puros como el CaO).

• Solución: Base 100kg de cemento Portland tipo I:

• C3S: 45 kg

• C2S: 27 kg

• C3A: 11kg

• C4AF: 8kg

rrrrrcontinuarr

26,70%73,70-100:SCen SiO2 pesoen Fracción

%70,73100*)00,16209,28()00,1608,40(3

)00,1608,40(3molSiO23molCaO

3molCaO :SCen CaO pesoen Fracción

3

3

x

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VI. LA FABRICACIÓN DEL CEMENTO PORTLAND SE DA EN TRES FASES:

I: preparación de la mezcla de las materias primas,

II: producción del clinker y

III: preparación del cemento.

•Las materias primas para la producción del portland son minerales que contienen:óxido de calcio (44%)óxido de silicio (14,5%)óxido de aluminio (3,5%)óxido de hierro (3% ) óxido de manganeso (1,6% ).

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VII. CLASIFICACIÓN DE CEMENTOS •Como cementos inorgánicos se clasifican varios materiales cerámicos familiares:CementoYeso yCaliza•Estos materiales en conjunto , se producen en grandes cantidades.•Las características de estos materiales es que cuando son mezclados con agua forman una pasta que después fragua y se endurece.•Este fenómeno es muy útil porque permite producir con extrema facilidad estructuras sólidas y rígidas que tengan casi todas las formas que se deseen.•Algunos de estos materiales actúan como ligante que enlazan químicamente agregados de partículas en una única estructura cohesionada.

35Fabricación de cemento

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VIII: Mortero en albañilería•El mortero para albañilería se compone de uno o más materiales aglomerantes ( cal, cemento y yeso) , arena limpia para albañilería y la suficiente agua para producir una mezcla plástica, moldeable.•El mortero para albañilería se utiliza para ensamblar unidades en una unidad estructural.

Mortero

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IX. NORMAS ASTM PARA CEMENTOS•ASTM C150/C150M - 11 Especificación Normalizada para Cemento Portland

1. Alcance

1.1: Esta especificación trata sobre los siguientes diez tipos de cemento portland (vea Nota 2):

1.1.1 Tipo I—Para usar cuando no se requieran las propiedades especiales especificadas para cualquier otro tipo.

1.1.2 Tipo IA—Cemento incorporador de aire para los mismos usos que el Tipo I, donde se desea incorporación de aire.

1.1.3 Tipo II— Para uso general, más específicamente cuando se desea resistencia moderada a los sulfatos.

1.1.4 Tipo IIA—Cemento incorporador de aire para los mismos usos que el Tipo II, donde se desea incorporación de aire.

1.1.5 Tipo II(MH)—Para uso general, más específicamente cuando se desea un calor de hidratación moderado y resistencia moderada a los sulfatos.

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1.1.6 Tipo II (MH)A—Cemento incorporador de aire para los mismos usos que el Tipo II(MH), donde se desea incorporación de aire.

1.1.7 Tipo III—Para usar cuando se desea alta resistencia temprana.

1.1.8 Tipo IIIA—Cemento incorporador de aire para los mismos usos que el Tipo II(MH), donde se desea incorporación de aire.

1.1.9 Tipo IV—Para usar cuando se desea un bajo calor de hidratación

1.1.10 Tipo V—Para usar cuando se desea alta resistencia a los sulfatos.•NOTA 1— Algunos cementos son designados con una clasificación de tipo combinada, tal como Tipo I/II, indicando que el cemento reúne los requisitos de los tipos indicados y que se ofrece como apropiado para el uso cuando se desea cualquiera de los tipos.•NOTA 2— Los cementos conforme a los requisitos para todos los tipos no están disponibles en existencia en algunas áreas. Antes de especificar el uso de un cemento diferente al Tipo I, verifique si el tipo de cemento propuesto está disponible o puede estarlo.

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• 1.2: Los valores dados ya sea en unidades SI o unidades pulgada-libra son considerados separadamente como los estándares. Los valores dados en cada sistema pueden no ser exactamente equivalentes; por ello, cada sistema debe ser utilizado independientemente del otro.

• La combinación de valores de los dos sistemas puede resultar en una no conformidad con la norma.

• Los valores dados en unidades SI [o unidades pulgada-libra] deben ser obtenidos por medición en unidades SI [o unidades pulgada-libra], o mediante una conversión apropiada, usando las Reglas para Conversión y Redondeo dadas en IEEE/ASTM SI 10, de las mediciones hechas en otras unidades [o unidades SI].

• Los valores son indicados solo en unidades SI cuando las unidades pulgada-libra no son utilizadas en la práctica.

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• 1.3: El texto de esta norma cita notas y notas al pie de página las cuales brindan material explicativo. Esas notas y notas al pie de página (excluyendo las dadas en tablas y figuras) no deben ser consideradas como requisitos de la norma.

• 2. Documentos Citados• C1038 Test Method for Expansion of Hydraulic Cement Mortar Bars Stored in

Water2. Documentos Citados

• C109/C109M Test Method for Compressive Strength of Hydraulic Cement Mortars (Using 2-in. or [50-mm] Cube Specimens)2. Documentos Citados

• C114 Test Methods for Chemical Analysis of Hydraulic Cement2. Documentos Citados

• C115 Test Method for Fineness of Portland Cement by the Turbidimeter2. Documentos Citados

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• C151 Test Method for Autoclave Expansion of Hydraulic Cement2. Documentos Citados

• C183 Practice for Sampling and the Amount of Testing of Hydraulic Cement2. Documentos Citados

• C185 Test Method for Air Content of Hydraulic Cement Mortar2. Documentos Citados

• C186 Test Method for Heat of Hydration of Hydraulic Cement2. Documentos Citados

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