Análisis de cemento

El análisis del cemento desempeña un papel crucial en garantizar la calidad y el rendimiento del cemento durante su proceso de producción, y para descarbonizar su fabricación. 

Fluorescencia de rayos X (XRF) 

La XRF se utiliza para el análisis elemental de cemento, materias primas, materiales cementicios suplementarios (SCM, del inglés “Supplementary Cementitious Materials”) y combustibles alternativos. Identifica la composición química midiendo las emisiones características de rayos X de la muestra. 

Dependiendo de la precisión de la medición y el tiempo requerido para obtener un resultado, se pueden considerar diferentes preparaciones de muestra:

Preparación de la muestra

• Trituración/polvo: El material se tritura para reducir el tamaño de las partículas y se analiza, ya que a menudo se prefieren los pellets prensados en polvo frente los polvos sueltos para garantizar la homogeneidad de la muestra, minimizar los efectos del tamaño de partícula y facilitar el análisis elemental preciso.
• Fusión: Para obtener la mejor precisión, las muestras se disuelven en un vidrio fundido para formar un flujo, lo que da como resultado un disco de vidrio homogéneo. Esto elimina los efectos del tamaño de partícula y de la matriz.

Aplicación

• Caracterización de materias primas: Evaluar la composición de la materia prima (por ejemplo, piedra caliza, arcilla, yeso) para obtener el clínker adecuado
• Adición de SCM: agregue el contenido correcto de SCM al clínker para obtener el cemento correcto, basado en la composición química de los SCM.
• Control de calidad: Control de la composición elemental durante la producción

Difracción de rayos X (XRD)

La XRD identifica y cuantifica fases cristalinas en clínker y cemento, así como combustibles alternativos y SCM (del inglés “Supplementary Cementitious Materials”, materiales cementicios suplementarios) (arcilla calcinada). 

La preparación de la muestra es clave para obtener el resultado correcto, aunque la mayoría de las veces es la fuente más importante de errores. Hay dos formas de usarlo:

Preparación de la muestra

• Molienda: El material se muele hasta que se convierte en un polvo fino.
• Prensado una vez molido: Los pellets prensados se utilizan para el control de producción; este es el método de preparación de muestra más confiable y recomendado para la mayoría de los tipos de muestra.

Aplicación

• Cuantificación de fases: Determina la cantidad de cada fase (por ejemplo, clínker, yeso) en el cemento.
• Descarbonización: La XRD permite a la industria del cemento avanzar hacia procesos más ecológicos y eficientes mediante la cuantificación de fases (clínker), la exploración de alternativas (combustibles alternativos y materias primas) y el impulso de la innovación (nuevos SMC).
• Garantía de calidad: Asegura una composición uniforme de las fases.

Difracción láser  

Conozca la gama de tamaños de partículas presentes en las muestras de cemento para permitir un mejor control de las propiedades del cemento y los costos de operación. El tamaño de las partículas también desempeña un factor clave en la reactividad y, por lo tanto, se utiliza con más frecuencia para otros materiales (arcillas, finos de concreto, etc.).

La difracción láser se basa en la iluminación de partículas con un haz láser colimado. La luz dispersa se mide en varios ángulos. La información del tamaño de partícula se obtiene a partir del patrón de difracción.

Preparación de la muestra

• Molienda: En las fábricas de cemento, la mayoría de las veces se realizan análisis en seco. Esto significa que el material se tritura finamente antes de la medición. En el caso de las mediciones en tiempo real, es fundamental asegurarse de que el análisis se lleve a cabo utilizando una muestra homogénea y representativa, que puede requerir un mayor volumen y una toma de muestras bien adaptada.

Aplicaciones

• Alcanzar el objetivo de resistencia a la compresión: A medida que el tamaño de partícula disminuye, el área de la superficie aumenta. Las partículas más finas mejoran la resistencia del cemento. La resistencia a los 28 días puede verse afectada por demasiadas partículas finas (<2 um), lo que causa agrietamiento. Demasiadas partículas gruesas afectan negativamente la fuerza. Por este motivo, es fundamental optimizar la distribución del tamaño de partículas (PSD, del inglés “Particle Size Distribution”) entre 2 y 32 micras.
• Propiedades de curado: La difracción láser ayuda a predecir y controlar el comportamiento del curado.
• Aumento del número de Blaine: Más allá del número Blaine, la PSD revela detalles más finos y sensibilidad a las fracciones gruesas.

Activación de neutrones térmicos rápida a pulso (PFTNA) 

Tecnología de control de procesos utilizada para el análisis elemental en tiempo real en la producción de cemento. 

La PFTNA permite realizar un seguimiento continuo de la composición elemental desde la cantera hasta el horno e incluso puede utilizarse para obtener una adición perfectamente controlada de materiales cementicios suplementarios (SCM, del inglés “Supplementary Cementitious Material”) al clínker para cementos bajos en carbono.

Métodos

• No se requiere preparación de muestras, las rocas en la banda se analizan de manera directa y completa (análisis a granel).

Aplicación

Esta técnica es muy útil para análisis de alta frecuencia que utilizan modelos de inteligencia artificial y aprendizaje automático para optimizar la producción de cemento con las propiedades adecuadas y la menor huella de carbono. Se utiliza comúnmente en estas etapas clave de la producción de cemento:

• Acumulación de material premezclado para garantizar la homogeneidad óptima de las materias primas
• Mezcla cruda para obtener la molienda de crudo adecuada con variaciones más bajas (control riguroso del factor de saturación de cal [LSF, del inglés “Lime Saturation Factor”])
• Adición de SCM: Garantizar adiciones precisas al clínker para obtener una reactividad optimizada y reducir el contenido de clínker (cemento bajo en carbono)

En resumen, estos métodos son esenciales en cada etapa de la producción de cemento:

• Caracterización de materias primas: La XRF, la PFTNA y la XRD analizan las materias primas
• Control de calidad: La XRF, la XRD y la difracción láser para controlar la producción
• Calidad del producto final: La XRD y la difracción láser garantizan una composición de fase adecuada
• Optimización del proceso: los analizadores en tiempo real son los ojos del proceso. Los análisis de PFTNA y difracción láser guían los ajustes. La XRD y la XRF automatizadas son de gran ayuda.

Todas estas técnicas optimizan la producción de cemento, a la vez que reducen el costo de fabricación. El retorno de la inversión es rápido y el costo de propiedad es bajo en comparación con los muchos beneficios. Comuníquese con nosotros para obtener más información sobre cómo nuestros instrumentos pueden ayudar a mejorar su retorno de la inversión.

Tendrá los siguientes beneficios:

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En el momento de seleccionar las materias primas, los fabricantes deben mantener los costos al mínimo, mientras se garantiza que los materiales sean compatibles con la producción de cemento. Especialmente cuando se utilizan materias primas alternativas que introducen más variaciones en el proceso, los análisis robustos ayudan a monitorear estos cambios para lograr las especificaciones requeridas. Además de los costos de los materiales, también hay que tener en cuenta su impacto en la eficiencia del proceso y los objetivos de sostenibilidad (cero emisiones netas para el 2050). Para esto, la composición química y mineralógica son cruciales.

Nuestras soluciones ayudan a minimizar los desechos y a optimizar las composiciones mineralógicas y químicas de las materias primas mediante un análisis de alta frecuencia específicamente cuando se automatiza, y aún más cuando se utiliza en línea o en la línea. Pueden hacerlo tanto en la cantera como en la dosificación de la mezcla bruta. Con la entrega rápida de resultados, estos instrumentos permiten a los productores reducir los residuos de la toma de muestras, garantizar una alimentación estable del horno para la eficiencia energética en el proceso restante (prehomogeneización y dosificación) y reducir las emisiones de CO₂.

Cuando se trata del procesamiento de mezclas crudas, maximizar la eficiencia del horno es una parte esencial de reducir el consumo de energía, las emisiones y los requisitos de mantenimiento. Optimizar los materiales que entran en el horno puede ayudar a lograr esto: los dos puntos principales de atención son el monitoreo de la química de mezcla correcta y estable, y obtener la molienda cruda adecuada. 

Métodos de análisis de rayos X en el procesamiento de mezclas crudas

La composición estable de las moliendas de crudo también es esencial para garantizar perfiles térmicos uniformes en el horno y generar un producto final de alta calidad con las propiedades adecuadas, como la resistencia a la compresión y los tiempos de fraguado. También afecta el consumo de energía, el uso de aditivos de molienda, la vida útil de los refractarios, el consumo de aditivos, la demanda de combustible y otros factores de proceso. Por ejemplo, los estados de oxidación del horno son obligatorios para evitar la descomposición de Alite C3S a Belite C2S y cal libre. Esta estabilidad se puede lograr controlando la composición química usando XRF o análisis elemental en línea como analizadores de banda en línea con activación de neutrones, o controlando la mineralogía usando XRD.

Los requisitos de funcionamiento óptimos también son trabajar con molienda de crudo fina (evite específicamente la calcita gruesa y los granos de cuarzo): las partículas de mezcla cruda deben ser lo suficientemente finas como para asegurarse de que se puedan mezclar y moler bien sin quemarlas en exceso. Luego, la difracción láser para el análisis del tamaño de partículas puede ayudar a garantizar esto. 

Tamaño de partícula de la mezcla cruda de cemento

También se necesitan requisitos de funcionamiento óptimos para trabajar con molienda de crudo fina (evitando específicamente la calcita gruesa y los granos de cuarzo). Las partículas de la mezcla cruda deben ser lo suficientemente finas como para asegurarse de que se puedan mezclar moler bien sin quemarlas en exceso. Luego, la difracción láser para el análisis del tamaño de partículas puede ayudar a garantizar esto. 

El Mastersizer se ubicará en el laboratorio y se utilizará para el control de calidad, mientras que el Insitec o el Labsizer se usarán para el control de procesos. 

WROXI es un kit sintético de Materiales de referencia certificados (CRM, del inglés “Certified Reference Materials”) de alta calidad que cubre una amplia gama de materiales de óxido como minerales, rocas y materiales geológicos. Tiene un doble propósito: ya sea para realizar la calibración primaria de discos de vidrio de fusión o desarrollar calibraciones secundarias de polvo prensado.

El paquete de software básico WROXI-CRM basado en perlas consta de 15 Materiales de referencia certificados, plantillas de aplicación y muestras de monitoreo. Una vez completado con la extensión para cemento WROXI-CRM (9 CRM adicionales), se convierte en una solución lista para el análisis de elementos primarios y secundarios en diversas materias primas, molienda de crudo, clínker y muestras de cemento.

Cada vez más, los combustibles alternativos en forma de biomasa, combustibles mixtos o residuos fósiles con menores factores de emisiones están reemplazando a los combustibles fósiles que requieren un uso intensivo de recursos. Con la recuperación del valor calorífico de los residuos de combustible, estos combustibles aditivos ayudan a reducir las emisiones de la producción de cemento. 

Pero los combustibles alternativos deben caracterizarse por su seguridad, sus propiedades químicas, térmicas y físicas para evaluar su efecto en parámetros como la temperatura de la llama y el intercambio de calor.

Nuestros analizadores elementales XRF (Epsilon 4, Revontium y Zetium), analizadores elementales de banda en línea (CNA Pentos-Cement), difractómetro de rayos X compacto mineralógico (Aeris Cement) y máquinas de muestra de fusión automáticas (LeNeo, Eagon2 y FORJ) hacen esto más fácil.

La producción de clínker es el resultado del piroprocesamiento: recalentamiento de la molienda de crudo, clinkerización de calcinación, enfriamiento de clínker y trituración. Para lograr las propiedades correctas del cemento, como se ha visto anteriormente, se deben controlar los estados adecuados de calcinación, seguidas de un rápido enfriamiento del clínker.

Luego, la atención se centra en controlar la calcinación adecuada (cal libre), lo que evita elementos no deseados y maximiza las fases minerales positivas para las propiedades específicas del cemento. 

Análisis XRD de mineralogía de clínker

Para garantizar una calcinación adecuada y la mineralogía de clínker adecuada, la difracción de rayos X es la mejor técnica analítica: permite la cuantificación del contenido y tipo de C3S que influye en el desarrollo de la fuerza, el contenido y el tipo de C3A que afecta las propiedades frescas, y la cantidad de cal libre y periclasa que no debe ser mayor que los límites objetivo. Las soluciones analíticas de Malvern Panalytical respaldan este seguimiento utilizando el difractómetro compacto Aeris XRD. 

¿Cómo se utiliza la XRF en la producción de clínker?

En la producción de clínker, la XRF sirve para varios propósitos cruciales:

• Ajuste de las proporciones de materias primas: La XRF ayuda a optimizar la mezcla de materias primas (como piedra caliza y arcilla) para la molienda de crudo con el fin de garantizar la mezcla adecuada para la producción de clínker.
• Control de proceso: Durante la formación de clínker en el horno, la XRF supervisa las condiciones del proceso para garantizar una calidad constante mediante la evaluación frecuente del contenido elemental. Además de elementos clásicos (calcio, aluminio, hierro y silicio), se controlan los elementos no deseados (MgO, álcali, azufre, cloro) en flujos internos de reciclaje de combustibles o mezclas crudas.
• Control de calidad de clínker: La XRF cuantifica elementos principales, secundarios y algunos elementos traza en el clínker directamente correlacionados con las características de rendimiento del cemento.
• Perspectivas de composición de fase: La XRF ayuda a identificar la composición química de las fases del clínker (por ejemplo, C3S, C2S, C3A, C4AF) para guiar los ajustes del proceso y las propiedades finales del cemento.

En resumen, la XRF (Epsilon 4, Revontium, Zetium) mejora la calidad del clínker, la eficiencia del proceso y la producción general de cemento.

Enfoque sostenible para la producción de clínker

Por último, como se ha visto anteriormente, en un enfoque sostenible, los fabricantes no solo se centran en la alta calidad del clínker, sino que también quieren ahorrar energía y recursos, y reducir las emisiones. 

El piroprocesamiento de clínker necesita una calcinación a 1450 °C y la energía correspondiente suele obtenerse quemando carbón en el calcinador y en el quemador principal del horno. Para ahorrar energía y disminuir las emisiones de CO₂, los residuos y la biomasa se utilizan cada vez más como combustibles alternativos. También se utilizan materias primas alternativas. 

Las dosificaciones de tales combustibles alternativos o materias primas alternativas requieren algunos controles específicos para evitar efectos negativos en la reactividad del clínker. Nuestras soluciones de rayos X le permiten disfrutar de los beneficios de las soluciones alternativas para la producción de clínker sin preocuparse por el impacto en la calidad.

El cemento se produce moliendo clínker con diferentes ingredientes activos (materiales cementicios suplementarios [SCM, del inglés “Supplementary Cementitious Materials”]) y se convierte en un polvo fino para lograr las propiedades deseadas del cemento. Las adiciones más comunes son yeso y materiales mixtos como cenizas volantes, escoria de horno alto, piedra caliza, puzolanas naturales y arcillas calcinadas. Se muelen hasta alcanzar la finura requerida y se mezclan en las proporciones correctas para producir fases específicas de cemento cristalino. 

Para reducir el consumo de energía, se debe minimizar el exceso de molienda. La granularidad del cemento terminado afecta su velocidad de reacción a la hidratación, así como la cantidad de agua, retardante y dispersante necesarios, y es un factor clave para determinar la resistencia del cemento. Nuestras soluciones de tamaño de partículas pueden ayudar a lograr una granularidad óptima del cemento. Gracias a su análisis rápido y en tiempo real, incluso en el desafiante entorno del proceso, permiten a los productores reaccionar rápidamente ante cualquier anomalía y controlar objetivos precisos y ambiciosos. De esta manera, ayudan a lograr un importante ahorro de energía y una resistencia óptima del cemento a corto y largo plazo. Además, pueden instalarse de forma rápida y sencilla para generar una interrupción mínima.

El monitoreo del contenido de sulfato y del tipo de composición mineralógica (asociado a la deshidratación durante la molienda) es crucial para lograr las propiedades correctas del cemento fresco y endurecido. En cuanto al cemento mezclado, se requiere un control estricto de la composición (incluidos los materiales amorfos) para cumplir con las especificaciones de los clientes y los objetivos de emisiones de CO₂. Nuestros instrumentos de fluorescencia de rayos X y difracción de rayos X son de gran ayuda para esto.

El hormigón está formado por tres componentes básicos: agua, agregado (roca, arena o grava) y cemento. Normalmente, en forma de polvo, el cemento actúa como agente aglutinante cuando se mezcla con agua y agregados. Esta combinación, o mezcla de hormigón, se verterá y se endurecerá para convertirse en el material duradero que todos conocemos.

El reciclaje de hormigón se está convirtiendo en una forma cada vez más popular de utilizar el agregado que queda cuando se demuelen estructuras o carreteras. En el pasado, estos escombros se depositaban en vertederos, pero ahora, con las preocupaciones ambientales, el reciclaje de hormigón permite reutilizar los escombros, a la vez que se mantienen bajos los costos de construcción.

En ambos casos, la atención principal está en que el hormigón cumpla con la trabajabilidad prometida, las cualidades tras el endurecimiento (resistencia a la congelación, impermeabilidad al agua, resistencia al desgaste, fuerza) y el precio de uso (cantidad de agua).

La composición y los tamaños de los materiales son nuevamente a ser de gran importancia. Nuestros instrumentos basados en láser o rayos X proporcionan la información necesaria para una comprobación de alta calidad de tales características.