Cemento Portland72.02 INDUSTRIAS I

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Abril 2010Fac. de Ingeniería

Ing. Ariel Polzinetti

Definición:

Producto artificial resultante de calcinarhasta un principio de fusión mezclasrigurosamente homogéneas de caliza yarcilla, obteniéndose un cuerpo llamado

Cemento Portland

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arcilla, obteniéndose un cuerpo llamadoclínker, constituido por silicatos yaluminatos anhidros, el cual hay quepulverizar junto con yeso, para retardar sufraguado.

El Cemento es un conglomerante

hidráulico que, amasado en agua forma

una pasta que fragua y endurece,

Cemento Portland

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una pasta que fragua y endurece,

y, una vez endurecido, conserva su

resistencia y estabilidad incluso

bajo el agua.

• Louis Jean Vicat en 1818 realiza las primeraspruebas cociendo arcillas y calizas.

• Joseph Aspdin, en 1824 patenta el CementoPortland.

• En 1830-1870 aparecen las primeras fábricas

Cemento Portland

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• En 1830-1870 aparecen las primeras fábricasde cemento en Inglaterra, Francia y Alemania.

• Fines de 1880 aparecen los primeros HornosRotativos.

• En 1970 aparecen equipos complementariosdel Horno Rotativo.

• Moldeable, resistente y duradero.

• Su principal propiedad es la de formar masaspétreas resistentes y duraderas cuando se lo

Cemento Portland

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pétreas resistentes y duraderas cuando se lomezcla con áridos y agua.

• El endurecimiento de la mezcla ocurre ciertotiempo después del amasado, permitiendopor lo tanto, moldear el producto resultante.

• Consumo = obra publica + obra privada.

• Industria de capital intensivo.

• La planta está físicamente ubicada en el yacimiento.

Cemento Portland

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• La potencia del yacimiento decide la factibilidad de la inversión.

• Alto consumo de recursos energéticos (Eléctrica / combustibles).

• Producto donde el flete tiene una alta incidencia en su precio.

Principales Productores - Argentina

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Principales Productores

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Lafarage: mayor productor de cemento en el mundo. (43 países)Holcim: 70 países - 90.000 empleadosCemex: líder México, España, Venezuela, Republica Dominicana, Costa Rica y Panamá ypresencia en el sudoeste de los Estados Unidos, Colombia, Filipinas, Egipto e IndonesiaTaiheiyo: 327 filiales y 153 afiliados organizados en siete empresas interioresItalcementi Group: capacidad de producción de 70 millones de toneladas anuales

CAPACIDAD INSTALADA

Cemento Portland – Capacidad Instalada

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Cemento Portland – Producción Anual

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Cemento Portland – Consumo Argentina

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MaterialCaCO3

Contenido

Caliza de alto porcentaje 96 - 100%

Caliza margosa 90 - 96%

Marga calcárea 75 - 90%

Ejemplo composición

Cemento Portland – Materias Primas

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Marga 40 - 75%

Marga arcillosa 10 - 40%

Arcilla margosa 4 - 10%

Arcilla 0 - 4%

Comp. (%) Caliza 1 Caliza 2 Caliza 3 Caliza 4 Marga 1 Marga 2 Marga 3

SiO2 3,76 6,21 4,91 4,74 27,98 33,20 21,32

Al2O3 1,10 0,71 1,28 2,00 10,87 8,22 4,14

Fe2O3 0,66 1,24 0,66 0,36 3,08 4,90 1,64

CaO 52,46 49,72 51,55 51,30 30,12 27,30 39,32

MgO 1,23 1,48 0,63 0,30 1,95 1,02 0,75

Composición Química de Calizas y Margas

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K2O 0,18 Indicios Indicios 0,16 0,20 0,12 0,06

Na2O 0,22 Indicios Indicios 0,28 0,33 0,18 0,08

SO3 0,01 1,10 0,21 - 0,70 0,37 -

Pérdida al rojo 40,38 39,54 40,76 40,86 24,68 24,59 32,62

TOTAL 100 100 100 100 99,9 99,9 99,9

Comp. (%) Arcilla 1 Arcilla 2 Arcilla 3 Arcilla 4

Pérdida al rojo 7,19 8,67 10,40 6,40

SiO2 67,29 62,56 52,30 60,10

Al2O3 8,97 15,77 24,70 18,00

Fe2O3 4,28 4,47 6,10 8,20

Composición Química de Arcillas

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CaO 7,27 4,80 4,40 0,80

MgO 1,97 1,38 0,10 0,20

SO3 0,32 - 1,10 3,80

K2O 1,20

Na2O 1,51

TOTAL 100 100 99,9 100

2,35 0,80 2,50

Comp. (%) BauxitaCenizas

Pirita

Mineral

de Hierro

Polvo Trag.

Alto HornoArena

Pérdida al rojo 15 - 20 - 5 - 12 5 - 15 0,20

SiO2 16 - 22 6,6 - 25 20 - 25 11 - 22 99,20

Al2O3 44 - 58 2 - 6 3 - 9 5 - 14 -

Fe2O3 10 - 16 62 - 87 45 - 60 54 - 69 0,50

Composición Química de Componentes Correctores

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Fe2O3 10 - 16 62 - 87 45 - 60 54 - 69 0,50

CaO 2 - 4 0,7 - 0,9 0,5 - 2,5 1 - 9 -

MgO 0,2 - 1,0 0,2 - 2 1,5 - 7 0,5 - 2,5 -

SO3 - 0,8 - 8 0,3 - 0,6 0,2 - 2,5 -

Na2O - - - - -

K2O - - - - -

1,6 Tn 1 Tn1,6 Tn

CO

2

Composición

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PIEDRA CALIZAPIEDRA CALIZA HARINAHARINACORRECTORCORRECTOR

ARCILLAARCILLA

70 - 85% 30 -15%

CLINKERCLINKER

+2

Materialarcilloso

+ Materialcalcáreo

ClinkerT = 1450ºC

Reacciones – Cemento Portland

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Clinker Cemento PortlandMolienda

+ Yeso(4 – 5 %)

SiO2 16 - 26 % CaO 58 - 67 %

Al2O3 4 - 8 % MgO 1 - 5 %

Fe2O3 2 - 5 % K2O + Na2O 0 - 1 %

Mn O 0 - 3 % SO 0,1 - 2,5 %

Componentes Químicos del Clinker

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Mn2O3 0 - 3 % SO3 0,1 - 2,5 %

TiO2 0 - 0,5 % P2O5 0 - 1,5 %

Pérdida al rojo 0,5 - 3 %

Designación Fórmula Porcentaje Abreviatura

Silicato tricálcico (alita) 3CaO * SiO2 40 -50% C3S

Silicato dicálcico (belita) 2CaO * SiO2 20 - 30% C2S

Compuestos principales del Cemento Portland

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(Siendo: CaO = C; SiO2 = S; Al2O3 = A; Fe2O3 = F)

Aluminato tricálcico (felita) 3CaO * Al2O3 10 - 15% C3A

Ferrito aluminato tretracálcico (celita) 4CaO * Al2O3 * Fe2O3 5 - 10% C4AF

SILICATO TRICALCICO (C3S): desarrolla una resistenciainicial elevada, su calor de hidratación es elevado. Sufraguado es lento y su endurecimiento es bastante rápido.

Compuestos principales del Cemento Portland

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SILICATO DICALCICO (C2S): es el componente que otorgaal cemento su resistencia a largo plazo, al ser lento sufraguado y muy lento su endurecimiento. Su calor dehidratación es el más bajo de los cuatro.

ALUMINATO TRICALCICO (C3A): suministra al cemento uncalor de hidratación muy alto, elevadísima velocidad de

fraguado (por lo que hay que inhibirlo con yeso en elcemento) y gran retracción. (compuesto que gobierna lasresistencias a corto plazo).

Compuestos principales del Cemento Portland

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FERRITO ALUMINATO TETRACALCICO (C4AF): Noparticipa prácticamente en las resistencias mecánicas, supresencia se debe a la alta necesidad de utilizar fundentesque contienen hierro en la fabricación de clinker. Responsablede la resistencia a los ataques químicos.

Estudios sistemáticos para la composición de lasmaterias primas en la obtención de cementos.

• Módulo Hidráulico

• Módulo de Silicatos

Módulos Cemento Portland

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De la comparación de resultados con distintascomposiciones se obtuvieron las conclusiones quedeterminan la optimización de las mezclas másadecuadas para los distintos cementos.

• Módulo Silícico

• Módulo Alúmina

Módulo = CaO _ = 1,7 – 2,3Hidráulico SiO2 + Al2O3 + Fe2O3

Cuando el valor es inferior a 1,7 se obtienen

Módulos Cemento Portland

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Cuando el valor es inferior a 1,7 se obtienenresistencias muy bajas y con valores superiores a 2,2,una vez puesto en obra, al cabo de pocos días osemanas se producen fenómenos de agrietamiento porexpansión, debidas a un contenido elevado de CaO,produciendo un exceso de CaO libre.

Módulo de = SiO2 _ = 1,9 – 3,2Silicatos Al2O3 + Fe2O3

Módulos Cemento Portland

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Los cementos mas favorables se encuentran entre 2,2 y 2,6.Los valores que presentan mayores resistencias son cuantomás elevados entre 1,5 y 3,5, siendo expansivos por encimade 3,5 y con menores resistencias por debajo de 2,0.

Módulo = SiO2 _ = 2,5 – 3,5Silícico Al2O3

Módulos Cemento Portland

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Módulo de = Al2O3 _ = 1,5 – 2,5Alúmina Fe2O3

Proceso de fabricación del Cemento Portland

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Proceso de fabricación del Cemento Portland

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Proceso de fabricación del Cemento Portland

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• Continuo

• Calentamiento externo

Cemento Portland – Horno Rotativo

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• Llama libre

• Aplicaciones: cemento, cal, aluminio, etc.

Cemento Portland – Horno Rotativo

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Diagrama

Horno Rotativo

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Diagrama

Horno Rotativo

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Horno Rotativo - Sellos

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Horno Rotativo - Apoyos

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Horno Rotativo - Apoyos

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Horno Rotativo – Apoyos y Corona

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Horno Rotativo – Apoyos y Corona

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Horno Rotativo

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RADIACION CONVECCION CONDUCCION

TRANSFERENCIA DE CALOR EN EL HORNO ROTATIVOTRANSFERENCIA DE CALOR EN EL HORNO ROTATIVO

Horno Rotativo – Perfil temperatura

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Horno Rotativo – Perfil temperatura

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Precalentador - H° R° - Enfriador

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Precalentador

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Enfriador

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D

G

MV

nL

t

Dimensionamiento H° R°

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• G = velocidad de alimentación

• V = vel. desplazamiento del material dentro del horno

• M = masa de mat. que se encuentra en el horno

• S = pendiente del horno

• N = velocidad de rotación del horno

• t = tiempo de permanecía

• R = retención, relación. entre vol. de mat. y el vol. del horno

t (min) = 0,19 * L (m) _D (m) * N (rpm) * S (m/m)

Dimensionamiento H° R°

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V (m/hr) = 60 * L (m) _t (min)

G (Kg/hr) = (kg/m3) * R * V (m/hr) * Sh (m2)

Q1

Q4

Q4

Q2

Q3

Balance Térmico H° R°

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• Q1 = calor entregado al horno quemando combustible

• Q2 = calor utilizado en el calentamiento y la reacción química

• Q3 = calor que se llevan los gases por la chimenea

• Q4 = calor perdido por radiación y fugas en el horno

Q1 = Q2 + Q3 + Q4

Q1 = comb . q . Hinf.

Q2 = Qcaco3 + Qreac + Qcao + Qco2

Balance Térmico H° R°

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• Qcaco3 = calor necesario para llevar el material hasta la temperatura de reacción.

• Qreac. = calor de reacción.

• Qcao = calor que absorbe la cal desde que se forma hasta que sale del horno.

• Qco2 = calor que entrega (-) el dióxido de carbono desde el momento de la reacciónhasta que sale por la chimenea.

Qcaco3 = Gcaco3 . Ccaco3 . (tr - tent.)

Qreac. = Gcaco3 . Cr

Qcao = Gcao . Ccao . (ts - tr)

Balance Térmico H° R°

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• G = masas horarias (Kg. / h).

• C = calores específicos (Kcal / ºC . Kg.).

• Creac = calor de reacción (Kcal / Kg.).

• tch = temperatura de salida del dióxido de carbono por la chimenea.

Qco2 = Gco2 . Cco2 . (tch - tr)

Q4 = . Sup. Horno . (tint - text)

Q3 = comb . q . Hsup .

k

Qch/100

Balance Térmico H° R°

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• Qch = porcentaje del poder calorífico superior que se llevanlos gases que salen por la chimenea.

• K = coeficiente de radiación del horno.

Q4 = Q1 - (Q2 + Q3)

= Q2 . 100

Q1 = Q2 + Q3 + Q4

Q1

Q4

Q2

Q3

Balance Térmico H° R°

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2

Q1

• Q1 = calor entregado al horno quemando combustible

• Q2 = calor utilizado en el calentamiento y la reacción química

• Q3 = calor que se llevan los gases por la chimenea

• Q4 = calor perdido por radiación y distintas fugas en el horno

Q4