Fabricación del cemento

Introducción

El cemento se inventó hace aproximadamente 2000 años por los romanos, de forma totalmente fortuita, como ha ocurrido con otros inventos. Al hacer fuego en un agujero recubierto de piedras, consiguieron deshidratar y descarbonatar parcialmente las piedras calcáreas o el yeso, convirtiéndolas en polvo que se depositó entre las piedras. Al llover, dicho polvo unió las piedras entre sí.

Los egipcios utilizaron un cemento fabricado con yeso impuro calcinado, que sirvió para unir los bloques de piedra en la construcción de las pirámides. El secreto de la durabilidad del cemento se perdió y en la Edad Media tan solo fue posible fabricar cemento de mediana calidad.

En 1756, Smeaton descubrió que los mejores cementos se obtenían al mezclar caliza con un 20- 25% de materia arcillosa. En 1845, Johnson fijó las proporciones de materias primas a utilizar, así como la temperatura de cocción, con lo que se asistió al inicio de la industria de cemento Portland. Dicho nombre le fue dado por su similitud con la piedra de Portland.

Actualmente, hay tres procesos de fabricación de cemento que utilizan hornos rotativos desarrollados en Inglaterra en 1855: vía seca, vía seca con pre-calentamiento / pre-calcinación y vía húmeda.

OBJETIVOS.

El desarrollo de este trabajo me permite conocer y estudiarlos los distintos métodos o procesos de la fabricación del cemento, ya que este es uno de los principales materiales de construcción que será utilizado en las distintitas obras que construiremos en el futuro el el desarrollo de muestro ejercicio profesional.
También con el desarrollo de este trabajo tengo como objetivo conocer las diferentes los ingredientes o materias que forman parte de los componentes para la elaboración del cemento.

DESARROLLO DEL TEMA.

Proceso de fabricación del cemento

La materia prima para la elaboración del cemento (caliza, arcilla, arena, mineral de hierro y yeso) se extrae de canteras o minas y dependiendo de la dureza y ubicación del material, el sistema de explotación y equipos utilizados varía.

Una vez extraída la materia prima es reducida a tamaños que puedan ser procesados por los molinos de crudo. La etapa de homogeneización puede ser por vía húmeda o por vía seca, dependiendo de si se usan corrientes de aire o agua para mezclar los materiales.

En el proceso húmedo la mezcla de materia prima es bombeada a balsas de homogeneización y de allí hasta los hornos en donde se produce el Clinker a temperaturas superiores a los 1500 °C.

En el proceso seco, la materia prima es homogeneizada en patios de materia prima con el uso de maquinarias especiales. En este proceso el control químico es más eficiente y el consumo de energía es menor, ya que al no tener que eliminar el agua añadida con el objeto de mezclar los materiales, los hornos son más cortos y el Clinker requiere menos tiempo sometido a las altas temperaturas.

El Clinker obtenido, independientemente del proceso utilizado en la etapa de homogeneización, es luego molido con pequeñas cantidades de yeso para finalmente obtener cemento.

PASOS DE LA FABRICACIÓN
Según "El Rincón del Vago" (1): el proceso de fabricación del cemento es el siguiente:
Explotación de materia prima.

De las canteras de piedra se extrae la caliza, y las arcillas a través de barrenación detonación con explosivos.

Transporte de materia prima.

Una vez que las grandes masas de piedra han sido fragmentadas, se transportan a la planta en camiones o bandas.

Trituración.

El material de la cantera es fragmentado en las trituradoras, cuya tolva recibe la materia prima, que por efecto de impacto o presión son reducidos a un tamaño máximo de una o media pulgada.

Pre-homogeneización.

Es la mezcla proporcional de los diferentes tipos de arcilla, caliza o cualquier otro material que lo requiera.

Almacenamiento de materia prima.

Cada uno de los materias primas es transportado por separado a silos en donde son dosificados para la producción de diferentes tipos de cemento.

Molienda de materia prima.

Se realiza por medio de un molino vertical de acero, que muele el material mediante la presión que ejerce tres rodillos cónicos al rodar sobre una mesa giratoria de molienda. Se utilizan también para esta fase molinos horizontales, en cuyo interior el material es pulverizado por medio de bolas de acero.

Homogeneización de harina cruda.

Se realiza en los silos equipados para lograr una mezcla homogénea del material.

Calcinación.

Es la parte medular del proceso, donde se emplean grandes hornos rotatorios en cuyo interior a 1,400 °C la harina cruda se transforma en Clinker, que son pequeños módulos gris obscuro de 3 a 4 cm.

Molienda de cemento.

El Clinker es molido a través de bolas de acero de diferentes tamaños a su paso por las dos cámaras del molino, agregando el yeso para alargar el tiempo de fraguado del cemento.

Envase y embarque del cemento.

El cemento es enviado a los silos de almacenamiento; de los que se extrae por sistemas neumáticos o mecánicos, siendo transportado a donde será envasado en sacos de papel, o surtido directamente a granel. En ambos casos se puede despachar en camiones, tolvas de ferrocarril o barcos.

El departamento de estudios económicos (2): nos dice que las técnicas de proceso de producción del cemento son:
Trituración y molienda de la materia prima

Las principales materias primas son silicatos y aluminatos de calcio, que se encuentran bajo la forma de calizas y arcillas explotadas de canteras, por lo general ubicadas cerca de las plantas de elaboración del Clinker y del cemento. Otras materias primas son minerales de fierro (hematita) y sílice, los cuales se añaden en cantidades pequeñas para obtener la composición adecuada.

Homogeneización y mezcla de la materia prima

Luego de triturarse la caliza y arcilla en las canteras mismas, de las cuales se la transporta a la planta de procesamiento, se le mezcla gradualmente hasta alcanzar la composición adecuada, dependiendo del tipo de cemento que se busque elaborar, obteniéndose el polvo crudo.

Calcinación del polvo crudo: obtención del clinker

Una vez homogeneizado el polvo crudo, se procede a calcinarlo en hornos que funcionan a altas temperaturas (hasta alcanzar los 1450 grados centígrados), de modo que se "funden" sus componentes y cambia la composición química de la mezcla, transformándose en Clinker.

Transformación del Clinker en cemento

Posteriormente el Clinker se enfría y almacena a cubierto, y luego se le conduce a la molienda final, mezclándosele con yeso (retardador del fraguado), puzolana (material volcánico que contribuye a la resistencia del cemento) y caliza, entre otros aditivos, en cantidades que dependen del tipo de cemento que se quiere obtener. Como resultado final se obtiene el cemento.

Gran Enciclopedia de la Ciencia y la Técnica (3): Los componentes básicos para la fabricación del cemento son el óxido de calcio, óxido de sílice, alúmina y el óxido de hierro. La materia prima necesaria para tener las cantidades correctas de los componentes básicos es una mezcla de materiales calcáreos (piedra caliza) y arcillosos.

Para la fabricación de cemento es el siguiente:

Explotación de Canteras y Trituración

El primer paso, entonces, para la fabricación del cemento es buscar depósitos de roca para asegure tengan las características necesarias para obtener un cemento de calidad.

La cal es el componente que se encuentra en mayor cantidad en el Clinker del cemento y su origen se debe a la descomposición del carbonato de calcio por medio del calor.

Como se dijo anteriormente, se usa una variedad de elementos como materia prima, los cuales se pueden clasificar según su contenido de carbonatos de calcio de la siguiente manera:

Calizas: Portadoras en abundancia de carbonato de calcio (75 – 100%).

Margas: Su contenido de carbonato de calcio es de 40 – 75% y van acompañadas de sílice y productos arcillosos.

Arcillas: Principalmente contienen sílice combinada con alúmina y otros componentes como óxidos de hierro, sodio y potasio.

Generalmente los materiales crudos enunciados no cumplen por completo los requerimientos químicos del cemento, por este motivo se utilizan los denominados "correctores" que proporcionan los elementos minoritarios faltantes.

Calcinación

La siguiente etapa es la cocción de la materia prima.

En el método de vía seca, la harina almacenada en los silos de homogenización se lleva a una torre de precalentamiento, que tiene una temperatura entre 900 y 1,000 °C. El calor proviene de gases producidos por la combustión del combustible del horno, el cual puede ser carbón, gas o aceites combustibles. El objetivo del precalentamiento es el de ahorrar energía, ya que se aprovecha el calor emanado por los hornos.

En el método de vía húmeda no se precalienta la pasta, sino que ésta es transportada por bombas centrífugas a los hornos.

En ambos casos se lleva el material a un horno, el cual es un largo cilindro de acero revestido interiormente con ladrillos refractarios, y que gira alrededor de su eje longitudinal, con una pequeña pendiente descendente. La velocidad de rotación varía de 0 a 150 revoluciones por hora, y a través de ese movimiento el material sigue sus reacciones químicas para formar los compuestos del clínker.

En el horno se distinguen las siguientes etapas, las cuales son: secado, calcinación, clínkerización y enfriamiento.

El secado: Se da en el material proveniente del método de vía húmeda.
Calcinación: En esta zona de calcinación los carbonatos de calcio y de magnesio se disocian en óxido de calcio y magnesio respectivamente.
Clínkerización: En la etapa de clínkerización es donde se producen las reacciones químicas más complejas del proceso, transformándose la materia prima en un nuevo material llamado clínker, que tiene la forma de pelotillas verde-grisáceas de unos 12 mm de diámetro.
Según Wikipedia (4):

Existe una gran variedad de cementos según la materia prima base y los procesos utilizados para producirlo, que se clasifican en procesos de vía seca y procesos de vía húmeda.

El proceso de fabricación del cemento comprende cuatro etapas principales:

Extracción y molienda de la materia prim
Homogeneización de la materia prima
Producción del Clinker
Molienda de cemento

La materia prima para la elaboración del cemento (caliza, arcilla, arena, mineral de hierro y yeso) se extrae de canteras o minas y, dependiendo de la dureza y ubicación del material, se aplican ciertos sistemas de explotación y equipos. Una vez extraída la materia prima es reducida a tamaños que puedan ser procesados por los molinos de crudo.

La etapa de homogeneización puede ser por vía húmeda o por vía seca, dependiendo de si se usan corrientes de aire o agua para mezclar los materiales. En el proceso húmedo la mezcla de materia prima es bombeada a balsas de homogeneización y de allí hasta los hornos en donde se produce el clínker a temperaturas superiores a los 1500 °C. En el proceso seco, la materia prima es homogeneizada en patios de materia prima con el uso de maquinarias especiales. En este proceso el control químico es más eficiente y el consumo de energía es menor, ya que al no tener que eliminar el agua añadida con el objeto de mezclar los materiales, los hornos son más cortos y el clínker requiere menos tiempo sometido a las altas temperaturas.

El clínker obtenido, independientemente del proceso utilizado en la etapa de homogeneización, es luego molido con pequeñas cantidades de yeso para finalmente obtener cemento.

Reacción de las partículas de cemento con el agua

1. Periodo inicial: las partículas con el agua se encuentran en estado de disolución, existiendo una intensa reacción exotérmica inicial. Dura aproximadamente diez minutos.
2. Periodo durmiente: en las partículas se produce una película gelatinosa, la cual inhibe la hidratación del material durante una hora aproximadamente.

3. nicio de rigidez: al continuar la hidratación de las partículas de cemento, la película gelatinosa comienza a crecer, generando puntos de contacto entre las partículas, las cuales en conjunto inmovilizan la masa de cemento. También se le llama fraguado. Por lo tanto, el fraguado sería el aumento de la viscosidad de una mezcla de cemento con agua.
4. Ganancia de resistencia: al continuar la hidratación de las partículas de cemento, y en presencia de cristales de CaOH2, la película gelatinosa (la cual está saturada en este punto) desarrolla unos filamentos tubulares llamados «agujas fusiformes», que al aumentar en número generan una trama que aumenta la resistencia mecánica entre los granos de cemento ya hidratados.
5. Fraguado y endurecimiento: el principio de fraguado es el tiempo de una pasta de cemento de difícil moldeado y de alta viscosidad. Luego la pasta se endurece y se transforma en un sólido resistente que no puede ser deformado. El tiempo en el que alcanza este estado se llama «final de fraguado».

Almacenamiento

Si es cemento en sacos, deberá almacenarse sobre parrillas de madera o piso de tablas; no se apilará en hileras superpuestas de más de 14 sacos de altura para almacenamiento de 30 días, ni de más de 7 sacos de altura para almacenamientos hasta de 2 meses. Para evitar que el cemento envejezca indebidamente, después de llegar al área de las obras, el contratista deberá utilizarlo en la misma secuencia cronológica de su llegada. No se utilizará bolsa alguna de cemento que tenga más de dos meses de almacenamiento en el área de las obras, salvo que nuevos ensayos demuestren que está en condiciones satisfactorias.

Conclusiones

Al desarrollar este trabajo reconocí los diferentes métodos del proceso de fabricación del cemento según diferentes autores. El proceso de fabricación de cemento en muy complicado; requiere de mucha paciencia, trabajo arduo y sobretodo la maquinaria suficiente para desarrollar las diferentes etapas de su proceso de fabricación.

El cemento es uno de los componentes principales usados en las obra de construcción civil e hidráulicas, es por eso que debe ser necesario saber conocer como es el proceso de fabricación u origen; es por eso q desarrolle este trabajo para tal fin.