22- CIMENTO (a)

Histórico:-

Não se pode afirmar quanto à sua origem, sabe-se porém da existência de uso pelos egípcios na construção das pirâmides, do uso pelos gregos e romanos da cinza vulcânica misturada com o cal formando uma espécie de cimento.

Das cinzas vulcânicas adicionadas ao cal , existentes nas ilhas gregas de Santarem e da região de “Puzzoli” próximo a Nápoles ( Itália ), originou-se a classificação  “cimento pozolana”.

Atualmente designa-se “pozolana” a qualquer material que em contato com água e cal reage com os componentes do cimento ”portland”  formando compostos com propriedades hidráulicas.

Em 1824 registra-se a patente de um cimento artificial pelo inglês Joseph Aspdin, obtido pela calcinação de calcário argiloso, cimento este chamado de Portland, em razão de sua semelhança com pedra de construção oriunda da ilha de Portland, nas proximidades da Inglaterra.

Cimento é toda e qualquer substância que possui propriedades de ligação com outros materiais.

Geralmente o termo é restrito ao cimentos hidráulicos ( com água ), sendo o mais importante, o cimento portland.

Atualmente, o termo “cimento portland” é usado para o cimento obtido via “clinquer”, diferenciando-o dos cimentos naturais, da pozolana e de outros cimentos.

Clinquer é o produto artificial obtido pela calcinação a elevada temperatura (1400-1500°C) de uma mistura de calcário, e argila devidamente dosados e moídos.

 Matérias Primas

O Cimento portland é produzido a partir de mistura, calcinação e moagem de materiais calcários e argilosos em certas proporções.

Para a produção de cimento podem ser utilizados minerais de origem natural, e também produtos industriais, mas para qualquer que seja o material utilizado  ele deve obedecer a condição de conter os quatro componentes essenciais para a produção de cimento.

São as principais matérias-primas:-   cal, sílica, alumínio e ferro, participando o cal com 63-67% , a sílica com 20-24%,  a alumina e o óxido de ferro com 7-11%.

Nas condições e concentrações necessárias não existe na natureza um material composto, portanto necessita-se fazer uma mistura de vários materiais para atender o desejado.

A sílica será obtida a partir de areias ou quartzitos, o ferro além de presente nos minérios de ferro  é encontrado nas argilas e filitos, o alumínio usado será o das argilas tradicionais, e, como a operação de produção ocorre em condições de temperaturas, o cal será obtido via carbonato de cálcio ( calcário ).

Além dessas matérias-primas citadas, outras também são utilizadas na produção do cimento ou sejam, o gêsso e a cinza pozolânica.

Calcário:-

Constituídos fundamentalmente por carbonato de cálcio, conduz como impurezas magnésio, sílica , alumínio e ferro.

Algumas características são essenciais ao calcário para sua utilização na indústria cimenteira:

n    Sabendo-se que os álcalis em excesso reagem com os componentes do concreto produzindo a expansão do mesmo e conseqüente diminuição de resistência, é condição que  o calcário possua baixo teor de sódio e óxido de potássio.

n    O cimento é produzido em reações com envolvimento térmico, em razão disto, o calcário deve ter baixo teor de “SO₃” ( abaixo de 0,5% ) pois o enxofre na zona quente de forno evapora-se com possibilidade de condensar-se nas zonas mais frias possibilitando obstruções prejudiciais à passagem dos gases.

n    O calcário deve possuir baixo teor de magnésio ( menor que 4% ), pois o óxido de magnésio no processo de clinquerização poderá se transformar em periclásio, material que em contato com a água tem seu volume aumentado, causando rachaduras em concreto.

n    O calcário deverá também ter tamanho adequado para o devido processamento de moagem.

n    Baixa dureza ( escala de Mohs ) proporcionando uma moagem mais econômica.

Argila:-

Usada como fonte de sílica, é um silicato complexo contendo além de alumínio, o ferro, e o magnésio,.

Como vantagem do uso da argila, cita-se a sua facilidade de obtenção, sua abundância e a propriedade de como fonte de sílica ser altamente reativa em razão de sua dimensão molecular. 

Gêsso:- ( CaSO₄)

Utiliza-se o gêsso natural originário dos estados do nordeste do Brasil, ou ainda o gêsso sintético proveniente de processo de produção do ácido fosfórico ( H₃PO₄ ).

·      O gêsso é um agente adicionado com proporção de 4 a 5%, e tem a finalidade de regular o tempo de pega dos cimentos, ou seja, evitar um endurecimento muito rápido, o que iria impedir  a trabalhabilidade do concreto.

·      Outras aplicações do gêsso no cimento, estão relacionadas à sua influência na aptidão à moagem, sensibilidade ao armazenamento, estabilidade de volume e resistência.

Pozolanas:-

Classifica-se como pozolana, qualquer material composto por elementos sílicos aluminosos que na presença de cal e água, adquire propriedades cimentícias à temperaturas ambientes.

Como fonte de pozolanas, aproveitam-se as cinzas oriundas do carvão das usinas termoelétricas

A queima de argilas ricas em sílicas e alumínio quando ocorrem em temperaturas superiores a 700°C produzem um material pozolânico com possibilidade de uso, apenas com o inconveniente de seu alto custo de processamento.

Aditivos:-    

A composição anteriormente a queima, pode necessitar de alguns ajustes de formulação.

Utiliza-se para tal ajustes,  matérias-primas denominadas de corretivos, ou sejam :

minério de ferro para complementar o ferro; quartzito e areia para completar a sílica

Extração do calcário :-

Para obtenção do calcário a ser utilizado na indústria do cimento, um extenso sistema de processamento é essencial.

Após a pesquisa geológica e mapeamento da área, a sondagem e análise química  (teores de cálcio e magnésio ) qualifica e quantifica o tamanho do jazimento e suas características,  possibilitando  definir o plano de lavra.   

O desenvolvimento da mina, passa por estudos da potência, mergulho, comportamento, teores, relação de estéril da substância mineral, e fundamentalmente da existência de reservas capazes de assegurar os investimentos necessários.

Na exploração da jazida estudo são feitos com relação aos “ planos de fogo “ ou seja observações com relação ao tipo e quantidade de explosivos a  serem usados, diâmetro de furos , quantidade, distância entre eles e principalmente a inclinação das bancadas.

Pré-homogeneização de matérias-primas.  (calcário)

A flutuação das composições nas jazidas de matérias-primas, podem alterar condições de operação do forno e consequentemente a qualidade do produto, uma pré-homogeneização

contorna este inconveniente .

A pré-homogeneização do calcário se realiza em grandes pátios ao ar livre, que servem também como deposito do material, considerando-se que num funcionamento da indústria em período contínuo, existem os inconvenientes das intempéries, sejam na extração ou no transporte da matéria-prima.

Os sistemas de acomodação do material, terminam por gerar a pré-homogeneização, considerando-se o mais simples,  como o do empilhamento das cargas recebidas das jazidas, (após evidentemente passagem pelo britador primário), uma sobre outra em disposição horizontal (esparramada), e a retomada para consumo em cortes com disposição vertical (sentido transversal da pilha) .

Um sistema praticamente obrigatório quando existe grande variação na qualidade do material extraído na jazida é o que utiliza máquinas depositoras e retomadoras conjugadas.

Utilizando pátios em seqüência, ou pátios paralelos e máquinas depositoras e coletoras ligadas entre si por sistema de correias transportadoras, pode-se realizar sucessivos empilhamentos e coletas, no mesmo pátio ou diferentes, e conseqüente uniformidade do produto

Um desvio de correia no sistema conduz o calcário homogeneizado ao silo de dosagem.

A pré-homogeneização de outros materiais, como, o minério de ferro, o quartzito e a argila, geralmente não acontece, pois o material é praticamente uniforme, o mesmo é utilizado em menores quantidades e, irá sofrer uma homogeneização de mistura durante o processo.

Indústrias que utilizam o carvão como combustível, realizam uma  pré-homogeneização do carvão, em processo semelhante ao do calcário, porém evidentemente em menores dimensões, devido a menor quantidade de consumo.

Depósitos- ( silos )

·      o calcário britado para  granulometria de peneira de 25,4 mm é conduzido a moinho produzindo material de malha 88 microns, e a seguir conduzido ( correia e elevador )  ao silo de composição do crú.

·      os demais compostos ( minério de ferro, quartzito e a argila ) após ajustes granulométricos, são conduzidos  (correia e elevador) aos respectivos silos.

Dosadores ( dosagem do crú )

A partir dos silos as matérias-primas passam por sistema dosador (balanças) gerando a mistura denominada ”crú” .

Uma determinada quantidade de cada  matéria-prima é dosada por uma balança ( ou conjunto ) que se encontra após os silos, e dessa balança as matérias-primas são transportadas por uma correia até o moinho de crú.

A dosagem da mistura consiste no controle químico dos elementos presente nela para a obtenção de um cimento na qualidade desejada.

Os constituintes químicos principais da farinha são o óxido de cálcio, óxido de silício, óxido de alumínio e óxido de ferro; O controle desses quatro óxidos fundamentais é feito pela combinação deles com utilização de parâmetros químicos.

Estudos de composição do crú

As matérias primas fundamentais, o calcário, a argila ( pode conter impurezas de ferro) , e o minério de ferro, dão origem aos óxidos :

Calcário                                   CaCO₃    à    CaO       ( C )   ^{notação da indústria de cimento}

Argila      Al₂O₃ . 2SiO₂ . 2H₂O + Fe₂O₃    à   Al₂O₃      ( A )

                                                                 à   SiO₂      ( S )

à    Fe₂O₃    ( F )

A mistura desses óxidos dão origem aos constituintes do cimento portland

C3S  -  3CaO.SiO₂     silicato tricálcico -   resistência  a curto prazo.         

C2S    -   2CaO. SiO₂    silicato bicálcico   - desenvolve resistência em prazo mais longo

C3A    -  3CaO. Al₂O₃   aluminato tricálcico  - endurecimento do cimento

C4 AF - 4CaO. Al₂O₃. Fe₂O₃   ferro aluminato tetracálcico. - funde-se e faz as ligações entre os demais constituintes que possuem estrutura cristalina.

Compostos cristalinos :- C3S   ”alita”  , C2S  “bilita” , C3A e C4 AF “celita”.

A  “alita” e a  “bilita” representam juntas, 4/5 do total da massa.

Durante a queima em forno, formam-se na massa diversos compostos, de cujas porcentagens e características dependem as propriedades do cimento.

As condições químico-físicas de formação e estabilidade dos compostos, podem ser observadas, ao estudar-se os vários diagramas binários e ternários da constituição do cimento, (C3S, C2S, C3A, C4 AF ) e o diagrama quaternário. (CaO-SiO₂-Al₂O₃-Fe₂O₃).

Fator de saturação em cal    (FSC)

Fator que correlaciona estequiometricamente os óxidos de cálcio, de silício, de ferro e de alumínio; As variações deste fator estão ligada à proporção de  “CaO” livre, o silicato tricálcico e o silicato bicálcico.

Com valores ideais entre 0,90 e 0,99 para fornos que utilizam o óleo como combustível; para fornos que usam o carvão, o valor ideal gira em torno de 1,20 , pois adiciona-se um excesso de “CaO” que irá reagir com a sílica, o alumínio e o ferro do carvão.

 Este fator é calculado por

 FSC =  CaO  /  (2,8 SiO₂  +  1,1 Al₂O₃  +  0,6 Fe₂O₃  )

Módulo de sílica   (MS)  (módulo argiloso)

Relaciona o óxido de silício com o óxido de alumínio e o óxido de ferro, é expresso em porcentagem ponderal;  Está diretamente ligado com a fase líquida do processo, ou sejam, os fundentes.

Um “MS” aumentado, indica a diminuição da fase líquida do processo, um conseqüente aumento de temperatura de clinquerização e também aumento no gasto de energia.

Ao contrário, um “MS” diminuído beneficia a queima e facilita a formação de colagem.

Valores normais estão entre 2,3 e 2,7 e valores muito elevados podem causar danos ao revestimento do forno.

                                     MS  = SiO₂  /   (  Al₂O₃  +  Fe₂O₃  )

Módulo de alumínio   (MA)

Relaciona a alumina com o óxido de ferro, é expresso em porcentagem ponderal e permite controlar a composição e natureza da fase líquida do processo.

Módulo de alumínio alto indica uma grande quantidade de aluminatos que se tornam viscosos na fase líquida,  necessitando uma temperatura de clinquerização maior e conseqüente maior consumo de energia.

Os valores ideais variam de 0,5 para os cimentos ferrosos a um máximo de 10 para os cimentos brancos.

Conclui-se que adicionando maior quantidade de óxido de ferro, diminui-se a viscosidade  melhorando a queima do clinquer.

                                    MA  =   Al₂O₃  /  Fe₂O₃

Moagem do crú

A moagem do crú, objetiva a obtenção da  “farinha crúa” que é a mistura das matérias primas moídas. ( calcário, argila, quartzito e minério de ferro ).

O processo acontece em moinho de circuito fechado, no qual o material passa pelo moinho, mais de uma vez.

O material chega até o moinho com uma certa umidade,  nos moinhos existe uma câmara prévia de secagem;  Gases quentes provenientes do forno, após passarem por torre de resfriamento são utilizado no moinho.

A secagem é efetuada durante a moagem, pois as partículas diminuem de tamanho e favorecem a troca de calor para retirada da umidade.

Em sistema separado o material de granulometria adequada passa por eletrofiltro sendo conduzido ao silo de homogeneização, enquanto que os grosso retornam ao moinho.

A moagem proporciona uma velocidade ideal de reação, pois a mesma é proporcional a superfície específica e inversamente proporcional ao diâmetro das partículas.

A farinha mais fina torna a queima mais fácil e consequentemente diminui a temperatura de clinquerização reduzindo gastos de energia.

Os moinhos utilizados no preparo da farinha crú, podem ser:-

- Moinhos de bolas

Apresenta câmara de secagem prévia com palhetas, por onde inicialmente passam os materiais já dosados, a serem moídos.

Possui duas câmaras de moagem propriamente ditas, sendo que na primeira, contendo bolas de aço com diâmetro maior, a moagem é feita por impactos;  Na segunda câmara, as bolas também de aço, porém em diâmetro menores, realizam a moagem por atrito.

- Moinho de rolos ( tipo galga )

 Tem menor consumo de energia e requer menor espaço por unidade de produção.

A alimentação é feita em parte central da mesa, e por ação de força centrífuga o material é dirigido para os rolos; Um fluxo de ar quente originário do forno realiza a secagem do material.

O interior do moinho, é varrido por um fluxo de ar ascendente gerado em um ventilador especial;  Este fluxo de ar conduz o material moído, forçando-o a passar por um separador.  O material fino, que atravessa o separador, é conduzido juntamente com os gases, para o sistema de ciclones e eletrofiltros.  O material com dimensões maiores, não atravessando o separador retorna ao moinho para novo processo de comuição.

Processos de produção do clinquer

Processo por via úmida.

Neste processo, emprega-se a argila natural misturada com água (40%) até formar uma espessa lama.

·      o calcário britado, proveniente do sistema de moinho, é dosado e misturado com a lama.

·      um calcário com elevado teor de sílica é submetido em algumas indústrias à flotação, para reduzir o  “SiO₂” e enriquecer o material de carbonato.

·      em tanques, após correção da composição, braços giratórios mantêm a mistura de lama grossa, em movimento, homogeneizando-a.

·      para economia de energia, algumas indústrias usam sistemas de filtros ou   espessadores Dorr, para retirada de  parte da água

·      a mistura, devidamente homogeneizada, é conduzida ao forno onde é tratada até sua fusão ( produção de clinquer ).

·      os fornos para processamento do clinquer no processo úmido costumam ter maior comprimento que os do processo a seco, possuindo até 180 metros de comprimento com diâmetro de 2 a 6 metros.

Processo por via seca

A farinha crú, originária dos moinhos ( bolas ou de rolos ) após passar pelo  sistema de separação, é conduzida por meio de transporte pneumático até um conjunto de silos denominados de silos de homogeneização.

Os silos de homogeneização devem permitir uma boa combinação dos elementos para conseguir-se um clinquer de qualidade.

Anteriormente ao desenvolvimento da tecnologia da aerodinâmica e da pneumática o processo de fabricação de cimento, baseava-se quase que totalmente no processo a úmido pela  melhor homogeneização dos componentes na produção de farinha crú.

Os processo usados nos silos de homogeneização podem ser classificados como processo descontínuo e processo contínuo.

Descontínuo

Utiliza-se de  quatro silos superpostos, o primeiro silo, o superior é o de espera, onde a farinha é alimentada;

No segundo silo, logo abaixo a farinha ao deslocar-se por gravidade, sofre a homogeneização por ação de ar comprimido;  Após a farinha é encaminhada aos silos depósitos (2), formando o estoque que irá alimentar o forno.

Contínuo

A farinha crú, é conduzida por transportadores de rosca e elevadores, até o topo do silo, onde é distribuída radialmente em seis pontos, caindo em contracorrente com fluxo de ar ascendente gerando turbilionamento.

A retirada da farinha, na parte inferior do silo é feita por meio de seis válvulas que se abrem no programa de homogeneização em combinação de duas a duas.

A farinha homogeneizada é conduzida a silos que irá alimentar o forno.

Fornos e acessórios

Forno

A clinquerização dá-se geralmente, a 1400-1500°C; Em temperatura abaixo desta o composto “3CaO.SiO₂“ não se forma, produzindo-se uma mistura de 2CaO.SiO₂ e de CaO, cuja presença na massa, é inconveniente.

A clinquerização para cimento “portland” é realizada em fornos rotativos que podem atingir um comprimento  de mais de 100 metros (a úmido) e um diâmetro de 2 a 6 metros.

Os fornos giram com velocidade variável em torno de seu eixo, e em razão do comprimento varia de  0,5 a 2 rpm;  São ligeiramente inclinados ( cerca de 3% ) em relação ao plano horizontal, permitindo assim, o deslocamento da massa de clinquerização que entra pela extremidade mais alta e é descarregada pela parte oposta, em contracorrente com os produtos da combustão em tempo de 1 a 3 horas de percurso.

São construídos em chapa de aço, com formato tubular e revestidos interiormente com materiais refratários de composição variável conforme a região de queima (alta alumina e alta magnésia).

Usa-se como material de combustão na indústria cimentífera, o óleo, gás ou carvão pulverizado.

Em razão da fusão e parcial solidificação do material aliados ao movimento de rotação do formo, o material ao solidificar-se adquire o formato de massa granular.

Torre de ciclones

A indústria cimenteira usa um sistema de torre de ciclones, geralmente com cinco estágios, tendo a finalidade de pré-aquecer a farinha antes de ser alimentada ao forno.

A troca de calor entre a farinha e os gases provenientes do forno, é feita por contato direto das fases.

O gás com alta temperatura, ingressa no último estágio, saindo com temperatura inferior no primeiro estágio, é uma troca térmica em sistema de contra-corrente.

Os gases que saem pelo primeiro estágio passam por uma torre de resfriamento antes de serem utilizados no moinho de crú para fazeer a secagem da matéria-prima.

Pré-calcinador  

O pré-calcinador, tem a função de preparar a farinha crú antes de ser alimentada ao forno.

A pré-calcinação realiza pelo menos 50% da descarbonatação do CaCO₃ , obtendo o óxido de cálcio, aumentando a eficiência do forno e consequente aumento de produção.

Utiliza-se como fonte térmica no pré-calcinador a queima de combustíveis, bem como o gás do resfriador de clinquer, trabalhando conjugado com a torre de ciclones.

Quando a farinha chega ao quarto estágio, uma válvula divide o fluxo da farinha, parte para o quinto estágio e outra parte para o pré-calcinador.

 Após passar pelo pré-calcinador, a farinha junta-se à parcela do quinto estágio e deste último a farinha é alimentada ao forno.