UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO
CENTRO DE ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA
HORTÊNCIA NATHÂNIA SILVA CÂMARA
PROCESSO PRODUTIVO DO CIMENTO PORTLAND NA EMPRESA MIZU CIMENTOS ESPECIAIS, LOCALIZADA EM BARAÚNA – RN
HORTÊNCIA NATHÂNIA SILVA CÂMARA
PROCESSO PRODUTIVO DO CIMENTO PORTLAND NA EMPRESA MIZU CIMENTOS ESPECIAIS, LOCALIZADA EM BARAÚNA – RN
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado na Universidade Federal Rural do Semi-Árido – UFERSA, referente ao estudo do processo produtivo do cimento Portland na empresa Mizu Cimentos Especiais, como requisito parcial para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Química.
Orientador: Rafael Barbosa Rios
Supervisora de Estágio: Camila Gabriela da Silva Lima – Coordenadora de Qualidade POLIMIX CONCRETOS LTDA – MIZU CIMENTOS ESPECIAIS – MZBA.
© Todos os direitos estão reservados a Universidade Federal Rural do Semi-Árido. O conteúdo desta obra é de inteira
responsabilidade do (a) autor (a), sendo o mesmo, passível de sanções administrativas ou penais, caso sejam infringidas as leis que regulamentam a Propriedade Intelectual, respectivamente, Patentes: Lei n° 9.279/1996 e Direitos Autorais: Lei n°
9.610/1998. O conteúdo desta obra tomar-se-á de domínio público após a data de defesa e homologação da sua respectiva ata. A mesma poderá servir de base literária para novas pesquisas, desde que a obra e seu (a) respectivo (a) autor (a) sejam devidamente citados e mencionados os seus créditos bibliográficos.
O serviço de Geração Automática de Ficha Catalográfica para Trabalhos de Conclusão de Curso (TCC´s) foi desenvolvido pelo Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação da Universidade de São Paulo (USP) e gentilmente cedido para o Sistema de Bibliotecas da Universidade Federal Rural do Semi-Árido (SISBI-UFERSA), sendo customizado pela Superintendência de Tecnologia da Informação e Comunicação (SUTIC) sob orientação dos bibliotecários da instituição para ser adaptado às necessidades dos alunos dos Cursos de Graduação e Programas de Pós-Graduação da Universidade.
C172p Câmara, Hortência Nathânia Silva.
Processo produtivo do cimento portland na empresa Mizu Cimentos Especiais, localizada em Baraúna RN / Hortência Nathânia Silva Câmara. -2020.
42 f. : il.
Orientador: Rafael Rios.
Monografia (graduação) - Universidade Federal Rural do Semi-árido, Curso de Engenharia Química, 2020.
RESUMO
O Cimento Portland é considerado um material de elevada importância no setor de construção, sendo amplamente empregado pela humanidade desde muito tempo. Por definição consiste em um aglomerante hidráulico constituído, principalmente, de óxidos de cálcio, silício, ferro e alumínio, finamente moídos, que ao entrar em contato com a água, em proporções adequadas, endurece, tanto exposto ao ar, quanto submerso em água. Para obtenção desse produto é necessário, primeiramente, preparar os componentes da mistura crua, mais comumente chamada de farinha. Esta etapa de preparação ocorre em um moinho de rolos com a finalidade de reduzir a granulometria da matéria prima até aproximadamente 50 μm. A temperatura do forno, assim como o diâmetro médio das partículas que compõem a farinha têm um papel fundamental no que concerne à cinética das reações de clinquerização, pois quanto maior for a área superficial, mais eficiente será a transformação da farinha em clínquer. Uma vez formado, o clínquer deverá ser resfriado e moído com outros materiais aditivos dando origem ao cimento Portland. Nesse sentido, este trabalho de conclusão de curso tem como objetivo descrever as etapas que compreendem o processo produtivo do cimento Portland produzido pela fábrica Mizu Cimentos Especiais, unidade Baraúna – RN. Atualmente a empresa possui duas linhas de produção que operam alternativamente e são destinadas a fabricação de dois tipos de cimento, o CP II-E, e o CP V-ARI. A fim de alcançar os objetivos propostos, todas as etapas que compreendem o processo produtivo serão estudadas e acompanhadas de perto. Além disso, a partir deste estudo espera-se contribuir com o progresso contínuo da empresa propondo melhorias ao processo produtivo.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Processo de hidratação do cimento _______________________________ 17 Figura 2. Processo produtivo do cimento __________________________________ 20 Figura 3. Mina Velame II – Mizu Cimentos Especiais, Baraúna-RN _____________ 21 Figura 4. Britador de martelos – Mizu Cimentos Especiais, Baraúna-RN _________ 22 Figura 5. Descarga da matéria-prima na moega do britador – Mizu Cimentos Especiais, Baraúna-RN _________________________________________________________ 22 Figura 6. Depósito da pré-homo – Mizu Cimentos Especiais, Baraúna-RN ________ 24 Figura 7. Moinho vertical de rolos – Mizu Cimentos Especiais, Baraúna-RN ______ 25 Figura 8. Torre de ciclones, pré-calcinador, forno e resfriador __________________ 26 Figura 9. Desenvolvimento dos compostos do clínquer nas cinco zonas principais de um forno ____________________________________________________________ 28 Figura 10. Moinho de cimento __________________________________________ 32 Figura 11. Moagem de cimento: a) Operação em cachoeira e b) Operação em
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ____________________________________________________ 9 2. OBJETIVOS ______________________________________________________ 11 2.1. Objetivo Geral ___________________________________________________ 11 2.2. Objetivos Específicos ______________________________________________ 11 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ________________ Erro! Indicador não definido.12 3.1. Matérias-primas para fabricação de clínquer e cimento _________________ 12 3.1.1. Calcário ________________________________________________________ 12 3.1.2 Argilas pozolânicas _______________________________________________ 12 3.1.3. Materiais corretivos ______________________________________________ 12
3.1.3.1. Sulfato de cálcio _______________________________________________ 13 3.1.3.2. Escória de alto forno _____________________________________________ 13
3.1.3.3. Escória de aciaria ______________________________________________ 13 3.1.3.4. Mateiriais carbonáticos __________________________________________ 14
3.1.4. Clínquer _______________________________________________________ 14 3.2. Classificações do Cimento Portland __________________________________ 14 4. PROCESSO PRODUTIVO DO CIMENTO PORTLAND NA MIZU –
BARAÚNA _________________________________________________________ 19 4.1. Mineração: etapas que compreendem a extração da matéria-prima e britagem ___________________________________________________________________ 20 4.1.1. Pré-homogeneização ______________________________________________ 23 4.2. Moagem de Cru __________________________________________________ 24 4.3. Torre de Ciclones _________________________________________________ 25 4.4. Forno ___________________________________________________________ 27 4.4.1. Principais características dos cristais de C3S, C2S, C3A e C4AF ____________ 29
4.4.1.2. Belita ________________________________________________________ 30 4.4.1.3. Silicato Tricálcico ______________________________________________ 30 4.4.1.4. Ferro Aluminato Tetracálcico _____________________________________ 30
9
1. INTRODUÇÃO
De acordo com a Associação Brasileira de Cimento Portland (2009) a palavra cimento tem sua origem do latim caementu, termo empregado na velha Roma para denominar uma espécie de pedra natural de rochedos e não esquadrejada. O cimento possui cerca de onze variações disponíveis no mercado, selecionadas de acordo com a necessidade de cada produção (GOMES; SANTOS; NOGUEIRA, 2017). Em virtude de suas propriedades de moldabilidade, hidraulicidade e elevada resistência mecânica quando submetidos a esforços de compressão, o cimento revolucionou o setor de construção e se tornou um dos produtos mais consumidos da atualidade (LIMA, 2011; GOMES; SANTOS; NOGUEIRA, 2017).
Embora a causa do comportamento hidráulico ainda fosse desconhecida, estudos datam que os primeiros materiais com propriedades hidráulicas foram descobertos no final do século XVIII (GOMES; PINTO; PINTO, 2013). Mais tarde, no ano de 1818, o francês Vicat ao misturar componentes argilosos e calcários obteve um produto de alta resistência, e, portanto, passou a ser considerado o inventor do cimento artificial. Seis anos depois, em 1824, foi criada a primeira patente do cimento Portland, que recebeu esse nome devido apresentar, depois de seco, características como cor, durabilidade e solidez semelhantes às rochas da ilha britânica de Portland (ABCP, 2009).
No Brasil, após várias tentativas sem sucesso desde o ano de 1888, apenas em 1924 a primeira fábrica de cimento foi implantada, marco da indústria brasileira de cimento, que até então dependia exclusivamente de importações (ABCP, 2009).
Conforme o banco de dados da Câmara Brasileira da Indústria da Construção (CBIC), em 2013 o Brasil apresentava um consumo anual de 70.974.211 toneladas de cimento despachado no país por misturadores e fábricas integradas não associadas e importação, sendo a região Nordeste a segunda maior consumidora, atrás apenas da região Sudeste.
10
Diante desse cenário, é imprescindível que a empresa Cimentos Mizu, que possui atualmente sete unidades dispostas em sete estados diferentes do Brasil, continue atuando de forma competitiva no mercado para atender parte da demanda do país, especialmente no que concerne a região Norte e Nordeste, onde a mesma possui grande aceitação.
A unidade da cimenteira Cimentos Mizu localizada no município de Baraúnas – RN é a maior do grupo, e será o foco desse estudo, pois dispõe de um cenário estreitamente favorável para compreender e aplicar os conhecimentos adquiridos em sala de aula. Com base nisso, este trabalho tem como finalidade detalhar todas as etapas que compreendem o processo a fim de que estas sejam melhor compreendidas.
11
2. OBJETIVOS
2.1. Objetivo Geral
Estudar, acompanhar e descrever todas as etapas do processo de fabricação do Cimento Portland na unidade industrial da empresa Cimento Mizu, localizada no município de Baraúna, RN.
2.2. Objetivos Específicos
● Acompanhar e descrever as principais etapas do processo produtivo;
● Conhecer as principais atividades que contemplam a rotina de um engenheiro de processos;
● Compreender como são realizadas as análises físico-químicas e mecânicas que certificam a qualidade das matérias-primas e do produto acabado de acordo com as normas técnicas;
12
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Nesse tópico serão descritas as principais matérias primas utilizadas na fabricação de Cimento Portland, bem como as classificações empregadas pelas normas brasileiras.
3.1. Matérias-primas para fabricação de clínquer e cimento
3.1.1. Calcário
A principal matéria-prima utilizada na fabricação do cimento Portland é o carbonato de cálcio (CaCO3). Em geral é extraído de minas de calcário e corresponde a, pelo menos, 75% da composição do clínquer. Na natureza o calcário é encontrado em conjunto com outros óxidos, tais como sílica, alumínio, ferro e magnésio e pode se apresentar de diferentes formas, variando sua composição, cor, estrutura e cristalinidade. As rochas carbonáticas mais comuns são as silicosas, magnesianas e arenosas.
3.1.2. Argilas pozolânicas
De acordo com Votorantim (2000, p.5) “são sedimentos compostos, produzidos pela decomposição dos silicatos alumínicos das rochas eruptivas e metamórficas”. Dependendo da sua composição química, as argilas podem ser encontradas na natureza de diferentes formas, variando características como coloração e plasticidade. Os materiais pozolânicos quando finamente moídos, em presença de água, apresentam propriedades de ligante hidráulico (ABCP, 2002).
3.1.3. Materiais corretivos
13
quantidade seja utilizada. Dentre esses materiais, os mais comuns são o sulfato de cálcio, a escória de alto forno e de aciaria e argilas pozolânicas.
3.1.3.1. Sulfato de Cálcio (Gesso)
O sulfato de cálcio, mais conhecido como gesso, pode ser encontrado na natureza sob três formas, a gipsita (CaSO4.H2O), bassanita (CaSO4.1
2 H2O) e anidrita (CaSO4), em jazidas sedimentares chamadas de evaporitos (Lima, 2011). A forma mais utilizada na indústria cimenteira é a gipsita e sua função principal consiste em controlar o tempo de pega da pasta de cimento, ou seja, retardar o início do endurecimento, a fim de mantê-lo trabalhável por mais tempo (ABCP, 2002; LIMA, 2011).
3.1.3.2. Escória de alto forno
A escória de alto forno é um resíduo proveniente da indústria siderúrgica e possuí altos teores de minério de ferro. De acordo com Almeida (2014) a escória proveniente do minério de ferro é constituída principalmente por: Sílica (SiO2), Titânio (TiO2), Óxido de Manganês (MnO2), Dissulfeto de Cálcio (CaS), Óxido de ferro (FeO), Óxido de zinco (ZnO) e Óxido de Chumbo (PbO2). Devido possuir a propriedade de ligante hidráulico com elevada resistência, a escória de alto forno é adicionada na etapa de moagem de cimento para potencializar algumas propriedades, como durabilidade e resistência final (ABCP, 2002).
3.1.3.3. Escória de aciaria
14 3.1.3.4. Materiais carbonáticos
Os materiais carbonáticos são adicionados ao cimento na forma de filler, que traduzido do inglês significa preenchimento. O calcário finamente moído preenche os espaços vazios existentes entre as estruturas moleculares e melhora a trabalhabilidade e o acabamento do cimento. Como o custo do calcário é consideravelmente menor em relação ao clínquer, sua adição se torna economicamente viável (SOUZA, 2009).
3.1.4. Clínquer
O clínquer é um material sintético obtido pela calcinação da farinha em um forno rotativo com temperaturas que variam em torno de 1450 ºC. A farinha é obtida pela mistura de calcário, argila e materiais corretivos adicionados em proporções adequadas (CENTURIONE, 1999). É no forno onde ocorrem fusões parciais e durante a etapa de resfriamento produzem os nódulos de clínquer.
Este é formado principalmente por cristais de C3S (3CaO.SiO2), C2S (2CaO.SiO2), C3A (3CaO.AlO3) e C4AF (4CaO.Al2O3.Fe2O3), sendo o C3S o principal responsável pelo desenvolvimento da resistência do clínquer (VOTORANTIM, 2000). Em virtude disso, as fábricas de cimento buscam produzir um clínquer que apresente um teor de cristais de C3S igual ou superior a 65%, embora esse percentual possa variar de 50% a 70%.
3.2. Classificações do Cimento Portland
Conforme descrito em outra seção deste trabalho, o Cimento Portland corresponde à um aglomerante hidráulico obtido pela moagem do clínquer em conjunto com outros materiais aditivos. Dependendo do tipo de cimento que se deseja produzir, adiciona-se materiais com características e composições conhecidas.
15
O método empregado para determinar a resistência à compressão é normalizado pela Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT de acordo com a NBR 7215. Para os cimentos de alta resistência inicial o ensaio de compressão é realizado para cada idade de cura de 1, 3 e 7 dias, enquanto que para os demais tipos de cimento o ensaio é realizado em 3, 7 e 28 dias de cura (ABCP, 2002).
De acordo com os materiais aditivos do cimento têm-se características físico-químicas diferentes que possibilitam uma vasta gama de aplicações. Nesse sentido, as normas brasileiras definem os tipos de cimento de acordo com o Quadro 1.
Quadro 1. Tipos de cimento de acordo com as normas brasileiras
Tipo Sigla Classes (MPa) Clínquer + sulfato de cálcio Escória de alto forno (sigla E) Material pozolânico (sigla Z) Material carbonático (sigla F) Cimento Portland Comum CP-I 25 32 40 100 - 0 - CP-I-S 25 32 40 99 - 95 - 1 - 5 - Cimento Portland Composto CP-II-E 25 32 40 94 - 56 6 - 34 - 0 - 10 CP-II-Z 25 32 40 94 - 76 - 6 - 14 0 - 10 CP-II-F 25 32 40 94 - 90 - - 6 - 10 Cimento Portland de Alto Forno CP-III 25 32 40 65 - 25 35 - 70 - 0 - 5 Cimento Portland Pozolânico CP-IV 25 32 85 - 55 - 15 - 40 0 - 5 Cimento Portland de alta res. inicial CP-V-ARI - 100 - 95 - - 0 - 5 Cimento Portland resistente a sulfatos
São considerados cimentos resistentes a sulfatos: Cimentos CP-I e CP-II cujo teor de C3A no clinquer é 8,0%. Cimento CP-III com teor de escória > 60,0%.
Cimento CP-IV com teor de pozolana 25,0%
Cimentos que comprovadamente indicam resistência a Sulfatos serão designados pela sigla original de seu tipo, acrescida de "RS". Ex. CP-I-S-32-RS, CP-III-32-RS
16
O CP I, também chamado de Cimento Portland Comum, foi o primeiro cimento a ser lançado no Brasil. Este é composto apenas por clínquer e sulfato de cálcio (gesso), cuja finalidade consiste em retardar o tempo de pega. Já CP I-S além de possuir clínquer e gesso, este também apresenta em sua composição materiais pozolânicos com teores que variam de 1% a 5% (ABCP, 2002).
O CP II ou cimento portland composto é o mais encontrado no mercado, corresponde à 75% da produção brasileira (ABCP, 2002) e pode ser encontrado de três tipos. De acordo com a NBR 11578, o CP II-E possui um teor de escória de alto forno de 6% a 34% (ALMEIDA, 2014) e pode apresentar material cabonático em sua composição com teores variando de 0% a 10% (ABCP, 2002). A única diferença existente entre o CP II-E e o CP II-Z é a adição de materiais pozolânicos neste último, com teores variando na faixa de 6% a 14%. Já o CP II-F possui em sua composição apenas clínquer, gesso e filler de calcário (6% a 10%).
O CP III é caracterizado por elevados teores de escória de alto forno em sua composição, faixa que varia de 35% a 70%. Cimentos que possuem escória de alto forno em sua composição apresentam vantagens em relação ao cimento portland comum, isto porque o calor de hidratação produzido é menor, assim como a retração. Além disso, o cimento se torna mais resistente ao ataque por sulfatos e à esforços de compressão em idades mais avançadas (ALMEIDA, 2014)
O CP IV possui em sua composição, além de clínquer e gesso, um percentual mássico de material cabonático de 0% a 5% e elevados teores de pozolana (15% a 40%). Segundo Souza (2009), a adição de pozolana pode aumentar o tempo de pega do cimento, quando seus teores estiverem na faixa de 35% a 45%, reduzir a resistência à esforços de compressão, principalmente nas idades iniciais, quando comparadas à resistência de cimentos que não possuem materiais pozolânicos em sua constituição e aumentar a granulometria do cimento.
17
Tendo em vista todas essas particularidades, o Quadro 2 apresentado a seguir explicita algumas exigências físicas e mecânicas para cada tipo de cimento. A área específica, também chamada de superfície específica ou blaine, é dada pela relação entre a área superficial das partículas e sua massa. Na prática, a maior parte dos cimentos nacionais possuem superfícies específicas que variam entre 3000 cm²/g e 4500 cm²/g, embora possa ser encontrado valores fora dessa faixa (ABCP, 2002).
Outra importante propriedade que o cimento possui é a sua capacidade de reagir com a água liberando calor de hidratação através de um processo exotérmico (ver Figura 1). É nessa etapa onde se inicia a “pega” (MELLER, 2017). Para Neville (1997) o termo “pega” diz respeito à mudança do estado fluido para um estado rígido.
Figura 1. Processo de hidratação do cimento
18
Quadro 2. Exigências físicas e mecânicas de acordo com os tipos de Cimento Portland
Fonte: ABCP, 2002.
* Ensaio facultativo Tipo de
Cimento
Portland Classe
Finura Tempos de pega Expansibilidade Resistência à compressão
19
A ABCP também estabelece exigências químicas para cada tipo de Cimento Portland (ver Quadro 3). O Resíduo Insolúvel (RI) corresponde a porção do cimento que não é solúvel ao ataque de HCl. O ensaio é realizado de acordo com a NBR NM 22 e a partir do seu valor é possível estimar o teor de cinzas presentes no cimento. Já a perda ao fogo é determinada pelo procedimento NBR NM 18 e a massa da amostra volatilizada corresponde quase que em sua totalidade ao CO2 presente no calcário.
Quadro 3. Exigências químicas para cada tipo de cimento
Fonte: ABCP, 2002.
4. PROCESSO PRODUTIVO DO CIMENTO PORTLAND NA MIZU – BARAÚNA
Nesta sessão serão descritas as etapas que compreendem o processo produtivo do Cimento Portland na empresa Cimentos Mizu. Estas etapas abrangem desde a extração e britagem da matéria-prima até a expedição do produto final (ver Figura 2).
20
Figura 2. Processo produtivo do Cimento Portland
Fonte: BRANCÃO, 2015.
4.1. Mineração: etapas que compreendem a extração matéria-prima e britagem
A primeira etapa da fabricação de Cimento Portland consiste na extração das matérias-primas. Como sabemos, o calcário é a matéria prima principal e possui em sua composição além do carbonato de cálcio, óxidos de silício, alumínio e ferro e em concentrações menores óxidos sulfúrico, de magnésio e de sódio.
Para extrair o calcário da mina Velame II é preciso, primeiramente, definir com base em qual plano de fogo a bancada de material será detonada. O plano de fogo consiste em um projeto executivo que possui todos os parâmetros necessários para o desmonte da rocha. São eles: a profundidade e inclinação do furo; diâmetro de perfuração; afastamento e espaçamento entre os furos e a malha de perfuração que consiste na área resultante entre o afastamento e o espaçamento entre os furos de uma detonação.
Uma vez estabelecido todos esses parâmetros, a bancada é perfurada por brocas com o auxílio de uma perfuratriz até atingir a profundidade desejada. Em seguida, os furos são preenchidos e conectados por material explosivo que deverá ser acionado para promover o desmonte das bancadas.
21
basculantes com capacidade média de carregamento de 16 e 30 toneladas. A Figura 3 ilustra parte do território pertencente a mina Velame II.
Figura 3. Mina Velame II – Mizu Cimentos Especiais, Baraúna-RN
Fonte: Autoria própria, 2019.
22
Figura 4. Britador de martelos – Mizu Cimentos Especiais, Baraúna-RN
Fonte: Autoria própria, 2019.
Visto que os caminhões basculantes já descarregaram na moega a matéria-prima extraída da mina (ver Figura 5), o material é deslocado por gravidade até a correia transportadora do britador onde o material passará por um processo de moagem e terá sua granulometria reduzida nas dimensões especificadas.
Figura 5. Descarga da matéria-prima na moega do britador – Mizu Cimentos Especiais, Baraúna-RN
23
O tipo de britador utilizado nessa etapa do processo consiste em um britador formado por uma sequência de martelos que rotacionam em sentidos opostos para promover melhor esmagamento do material. Atualmente a quantidade média de calcário britado pela fábrica, varia entre 5000 e 6000 toneladas por dia.
Depois de britado este material é transportado por correias até um analisador que incide radiações gama sobre o material gerando um espectro que permite determinar a composição química da matéria-prima que está sendo transportada até a câmara de pré-homogeneização. O analisador é chamado de Geoscan e se localiza na saída o britador. Vale lembrar que as leituras são efetuadas a cada dois minutos desde que se tenha um fluxo mássico igual ou superior a 400 t/h para minimizar possíveis desvios de leituras.
4.1.1. Pré-homogeneização
Com a finalidade de minimizar os desvios de qualidade gerados pela própria heterogeneidade do calcário, bem como promover a mistura entre as matérias-primas, emprega-se mecanismos de homogeneização em todo o processo.
O primeiro sistema de homogeneização, chamado de pré-homo, consiste no empilhamento do material em camadas de acordo com o que propõe o método Chevron Contínuo. De acordo com essa metodologia a matéria-prima é depositada pela stacker, que consiste em um braço mecânico de empilhamento, e promove a segregação do material de modo que as partículas de granulometria menor fiquem depositadas no centro da pilha e as partículas maiores ocupem a superfície e a base da pilha (GUARANYS et
al., 2013).
24
Figura 6. Depósito da pré-homo – Mizu Cimentos Especiais, Baraúna-RN
Fonte: Autoria própria, 2019.
4.2. Moagem de cru
O cru, também chamado de farinha, é a matéria-prima que alimenta o forno. Esta deve apresentar granulometria adequada e composição química previamente estabelecida para evitar grandes desvios na qualidade. A farinha é composta pelo calcário advindo da pré-homo somada aos outros insumos necessários para garantir as concentrações mássicas desejadas de sílica, cálcio, alumínio e ferro.
A dosagem desses materiais é feita através de balanças dosadoras e em seguida são transportadas por esteiras até o moinho de cru. A farinha precisa ser moída até atingir a finura necessária para assegurar uma boa queima, e consequentemente, produzir um clínquer de boa qualidade, pois quanto mais fina a farinha for, melhor será o seu cozimento (OLIVEIRA, 2012).
25
Figura 7. Moinho vertical de rolos – Mizu Cimentos Especiais, Baraúna-RN
Fonte: Autoria própria, 2019.
Após passar pelo processo de moagem a farinha é enviada até um silo CFI (silo de cone invertido) onde será armazenada. Esse silo possui oito pontos de extração que são acionados em pares, para assegurar que a farinha seja sempre extraída de pontos diferentes e evite a formação de zonas mortas garantindo a homogeneização do material.
4.3. Torre de ciclones
A torre de ciclones, ou torre de pré-calcinação, é formada por seis ciclones, divididos em cinco estágios, um pré-calcinador e uma caixa de fumaça. A finalidade da torre de ciclones consiste em remover a umidade, pré-aquecer e descarbonatar parcialmente a farinha advinda das extrações do silo CFI.
26
coque e dos resíduos sólidos coprocessáveis. Esse processo permite que a farinha, que antes estava em temperatura ambiente, atinja temperaturas em torno de 800 ºC. Além disso, esse sistema de pré-aquecimento promove cerca de 15% da calcinação do material. Assim, o aumento de temperatura somado à parcial calcinação (desprendimento de CO2) do material elevam a eficiência de troca de calor entre o gás quente e a farinha quando comparado a outros processos de produção, como o de via úmida (ALSOP; CHEN; TSENG, 2007).
Figura 8. Torre de ciclones, pré-calcinador, forno e resfriador
Fonte: SHIN-IKE (2013) adaptado de CHINYAMA (2011).
Silva (1994) complementa que além da melhoria causada pelo pré-aquecimento, o fato pelo qual o processo de via úmida apresenta menor eficiência em relação aos processos de via seca, consiste na necessidade de evaporar, dentro do forno, a umidade presente na farinha alimentada.
27
É no pré-calcinador, se estendendo até o forno, onde ocorrem as primeiras reações de clinquerização (ver Equações 1 e 2). Por se tratar de reações altamente endotérmicas o pré-calcinador possui um gasto energético que corresponde de 40% a 60% do combustível utilizado no forno.
MgCO3(sólido)+ ∆ → MgOsólido + CO2 (gás) (1)
CaCO3 (sólido) + ∆ → CaO(sólido) + CO2 (gás) (2)
Durante as fases iniciais da calcinação as partículas aumentam seu volume e sua porosidade, possibilitando a liberação do gás carbônico produzido. Ao término da reação isso implica em um volume máximo de poros e uma superfície específica bastante elevada (FARENZENA, 2003).
4.4. Forno
Em uma indústria cimenteira o forno é considerado o coração da fábrica, pois é nele que as principais reações químicas acontecem. Este equipamento tem o mesmo princípio de funcionamento de um reator tubular, pois à medida que o material percorre o comprimento do forno as transformações químicas ocorrem.
O forno é formado por um tubo rotativo, possui uma inclinação que pode variar de 2,5% a 5,0% e opera com velocidades de rotação na faixa de 1,5 a 3,5 rpm, o que possibilita o transporte de material através do forno. Dependendo do tipo de processo, via úmida, semiúmida, ou seca, o forno poderá atingir comprimentos de até 85 m (VARELA; VIEIRA, 2005).
A Figura 9 que se segue ilustra as etapas da clinquerização de acordo com cada intervalo de temperatura. Sabemos que é na torre de ciclones onde ocorre as duas primeiras etapas do processo. A primeira consiste na remoção de água livre com temperaturas por volta de 100 ºC, enquanto que a segunda etapa acontece quando a temperatura atinge uma magnitude da ordem 800 ºC. É nela onde ocorre a desidroxilação de argilominerais (ver Equação 3) e a transformação do quartzo-α em quartzo-β.
28
Figura 9. Desenvolvimento dos compostos do clínquer nas cinco zonas principais de um forno
Fonte: WOLTER, 1985.
Na faixa de 700 ºC a 900 ºC ocorre a decomposição dos carbonatos e, simultaneamente, verifica-se as primeiras reações de estado sólido entre o CaO produzido com o ferro e o alumínio, proporcionando a formação dos aluminatos (C12A7) e ferro-aluminatos cálcicos (C2AF). Ainda nesta etapa a sílica reativa, proveniente da desidratação dos argilominerais reage com o CaO, formando os primeiros cristais de belita (Ca2SiO4 ou C2S) (ver Equação 4) (PICANÇO, 2011).
29
Além disso, próximo aos 900 ºC ocorre a conversão do quartzo-β em cristobalita. Na faixa subsequente, de 900 ºC a 1200 ºC, a sílica remanescente se combina com o CaO livre intensificando o processo de cristalização do C2S. Paralelo a isso ocorre a conversão do C12A7 e C2AF em C3A (aluminatos tricálcicos, 3CaO.Al2O3) e C4AF (ferroaluminatos tetracálcicos, 4CaOAl2O3.Fe2O3), respectivamente (PICANÇO, 2011).
De 1250 ºC a 1350 ºC acontece a fusão da fase intersticial, ou seja, dos cristais de C3A e C4AF. Nessa zona também são formados os primeiros cristais de alita (Ca3SiO5 ou C3S) a partir dos cristais pré-existentes de C2S e CaO livre. E por fim, na zona de temperatura de 1350 ºC a 1450 ºC ocorre o desenvolvimento dos cristais de alita (ZAMPIERI, 1993).
Diante dessas informações é possível inferir que as quatro principais fases de clinquerização se caracterizam por composições bastante variadas e por isso, a cristalização e exata composição de cada uma dessas fases dependem não apenas da composição química e mineralógica das matérias-primas, mas também do tratamento térmico (temperatura de queima, taxa de aquecimento, condições de resfriamento) que elas foram submetidas; da finura da farinha e das próprias reações de difusão entre as fases (ZAMPIERI, 1993).
4.4.1. Principais características dos cristais de C3S, C2S, C3A e C4AF
Sabendo que os silicatos e os aluminatos compõem os constituintes principais do clínquer essa subseção trará características e particularidades desses cristais que conferem propriedades inerentes ao clínquer.
4.4.1.1. Alita
30
No clínquer sintético, produzido industrialmente, o C3S não é encontrado em sua forma pura podendo apresentar até 4% de impurezas (MARIANI, 2017) como os óxidos de magnésio, alumínio, ferro e outros, que, de maneira geral, contribuem para aumentar sua resistência (LIMA, 2012).
4.4.1.2. Belita
A belita é a segunda fase cristalina mais importante e corresponde a cerca de 15% a 30% da composição do clínquer. Diferentemente da alita, reage lentamente com a água, e, portanto, contribui pouco com a resistência à compressão mecânica durante os primeiros 28 dias, mas promove um aumento substancial da resistência nas idades mais avançadas (um ano) (PICANÇO, 2011).
4.4.1.3. Aluminato Tricálcico
Aluminato tricálcico ou C3A corresponde de 5% a 10% do clínquer portland (TAYLOR, 1990). Quando comparado aos outros cristais o C3A é considerado o composto mais reativo após o cimento ser submetido à hidratação. Em virtude disso, é responsável pela pega e pela falsa pega do cimento, além de influenciar nas resistências de um a três dias (OLIVEIRA, 2015).
A falsa pega consiste no enrijecimento anormal e prematuro de cimento pouco tempo após a mistura com água. Este pode ser desfeito pela remistura do material sem adição suplementar de água recuperando-se sua plasticidade.
4.4.1.4. Ferro Aluminato Tetracálcico
31
4.5. Resfriador
A primeira etapa de resfriamento se inicia na saída do forno, abaixo do maçarico principal que é alimentado por óleo diesel durante o processo de aquecimento do forno e posteriormente por coque, combustível de elevado poder calorífico e baixo custo. Ao sair do forno o clínquer alimenta um resfriador.
A distância com a qual o maçarico está posicionado no forno e a intensidade da chama são aspectos de elevada importância no que concerne à qualidade do clínquer, pois a estabilidade de formação dos cristais de C3S depende do quão brusco é o resfriamento. Um resfriamento lento desloca a reação no sentido dos reagentes, fazendo com que os cristais de C3S já formados voltem a ser cristais de C2S e os cristais de C2S retornem a forma de CaO, reduzindo, portanto, a resistência do cimento.
Dependendo do tipo de resfriador o clínquer deverá apresentar, em média, temperaturas na faixa de 50 ºC a 70 ºC (LIMA, 2011). A corrente de ar quente proveniente do resfriamento do clínquer é reintegrada ao processo para minimizar o gasto energético do sistema.
4.6. Moagem de Cimento
Uma vez produzido o clínquer é armazenado no silo de clínquer, de onde seguirá para o moinho de cimento com os demais aditivos que irão compor o tipo de cimento desejado. Como foi visto, o gesso está presente em todos os tipos de cimento, pois ele desempenha uma função primordial no que concerne ao tempo de pega.
Além do gesso outros aditivos são inseridos no cimento para conferir-lhes propriedades específicas. A mistura de clínquer, gesso e aditivos é então transportada até o moinho de cimento. A etapa de moagem de cimento dispõe de dois moinhos horizontais de bolas cada um com 15 metros de comprimento e 5 metros de diâmetro.
32
Figura 10. Moinho de cimento
Fonte: FLSMIDTH, 2010.
Em virtude da configuração das paredes internas da câmara 1, o tipo de operação empregado nesta câmara é chamado de cachoeira, pois a moagem do material se dá mais por impacto que por atrito. O contrário acontece na câmara 2, pois o menor diâmetro dos corpos moedores favorece a operação em forma de cascata promovendo a moedura quase que em sua totalidade por fricção. A Figura 11 ilustra como se dá esses dois tipos de operação.
Figura 11. Moagem de cimento: a) Operação em cachoeira e b) Operação em cascata
(a) (b)
Fonte: HOLDERBANK, 1993.
33
Após passar pelo processo de moagem o cimento é enviado até o silo de cimento que possui capacidade de comportar até 17.000 toneladas do material. Esse silo possui cinco câmaras que armazenam, de maneira separada, o CP II-E e o CP V-ARI produzidos na unidade Mizu-Baraúna (MZBA). O escoamento do material pode ser feito a granel, quando o abastecimento se dá diretamente nos caminhões, ou ensacado. O ensaque dispõe de duas ensacadeiras que realizam o trabalho de forma totalmente automatizada.
4.8. Filtros
Os filtros estão presentes em várias etapas do processo para remover a poeira residual que está presente no ar. Devido a diferença de pressão os gases são forçados a atravessar as mangas que estão suspensas dentro das câmaras. Quando isso acontece, o pó fica retido nas câmaras do filtro e é devolvido ao sistema por meio da fluidização das partículas enquanto que o ar filtrado é devolvido a atmosfera através de chaminés.
4.9. Controle de Qualidade
Para realizar o controle de qualidade das matérias-primas e do cimento acabado, a MZBA dispõe de um laboratório próprio que dá condições para realizar as análises físico-químicas e microscópicas necessárias para atestar a qualidade de acordo com as normativas.
As análises de rotina são realizadas na matéria-prima, na farinha produzida e alimentada, no clínquer, cimento, coque e água tratada. A principal análise é a fluorescência de raios-x.
Esta consiste em uma técnica não destrutiva que possibilita identificar os elementos presentes em uma amostra assim como a sua concentração. Para isso, toma-se como base a medida dos comprimentos de onda e a intensidade das radiações emitidas pela amostra depois de excitadas por um feixe de raios-x, isso porque a energia envolvida na absorção e na posterior emissão é uma característica específica de cada elemento químico, permitindo assim sua identificação e quantificação (Maxwell, 2011).
34
granulometria da ordem de 45 μm. Em seguida o pó é prensado em um cadinho de alumínio com o auxílio de uma prensa hidráulica que exerce uma força de 20 kN sobre o material.
Figura 12. Pastilhas de pó prensado de diferentes matérias-primas – Mizu Cimentos Especiais, Baraúna-RN
Fonte: Autoria própria, 2019.
Com base nas composições mássicas dos óxidos de cálcio, alumínio, sílica e ferro presentes na amostra, é possível determinar três parâmetros muito importantes ao processo que detalharemos nas subseções seguintes: fator de saturação de cal (FSC), módulo de sílica (MS) e módulo de alumínio (MA).
4.9.1. Fator de saturação de cal
O FSC expressa uma relação entre o teor de óxido de cálcio total com os óxidos de silício, alumínio e ferro conforme expresso na Equação 5. Além disso, o FSC indica de maneira indireta a proporção de C3S/C2S potencial no clínquer (ZAMPIERI, 1993).
FSC = [CaO]
2,8.[SiO2]+1,18.[Al2O3]+0,65.[Fe2O3] x 100 (5)
35
Queima difícil da farinha devido ao grande teor de CaO livre;
Tendência a causar expansibilidade também devido à grande quantidade de CaO livre no clínquer;
Aumento de C3S devido a maior disponibilidade de CaO; Redução no conteúdo de C2S por efeito contrário ao anterior.
4.9.2. Módulo de Sílica
O módulo de sílica relaciona a proporção entre o teor de óxido de silício presente no calcário, na farinha, no clínquer, no cimento ou em qualquer outra matéria-prima, e o somatório dos óxidos de alumínio e de ferro conforme mostra a Equação 6. Esse parâmetro também permite avaliar a proporção de silicatos cálcicos (C3S + C2S) em relação aos aluminatos e ferroaluminatos cálcicos (C3A + C4AF) (ZAMPIERI, 1993).
MS = [SiO2]
[Al2O3] + [Fe2O3] (6)
Os valores de MS podem variar na faixa de 2,0 e 3,0, mas são mais frequentemente encontrados na faixa de 2,4 a 2,7 (ZAMPIERI, 1993). Votorantim (2000) apresenta algumas consequências que podem ser esperadas quando o MS apresentar valores muito altos ou muito baixos.
Quando apresentar valores elevados observa-se:
Elevada carga térmica do forno, devido à maior presença de materiais não fundentes na farinha, sendo necessário queimar uma quantidade maior de combustível no forno para obter a quantidade de fase líquida desejada;
Redução na quantidade de fase líquida: para uma mesma quantidade de combustível queimado, o percentual de fase líquida no forno será menor, uma vez que a farinha apresenta um teor menor de fundentes;
Formação de clínquer pulverulento em virtude da menor quantidade de fase líquida;
36
Maior tendência a causar expansibilidade no cimento, pois a queima mais difícil aumenta a probabilidade de ocorrência de CaO livre;
Dificuldade de formação de colagens no forno;
Deterioração do revestimento refratário, devido à dificuldade de formação de colagens.
Para valores baixos de MS as principais consequências observadas são:
Excesso de fase líquida e menor consumo térmico, pois a proporção de materiais fundentes é maior;
Deterioração do revestimento refratário devido à possibilidade de formação de uma colagem de baixo ponto de fusão e que facilmente se desfaz;
Maior tendência a formação de bolas de clínquer de alta dureza.
4.9.3. Módulo de Alumínio
O módulo de alumínio relaciona o teor de óxido de alumínio em detrimento ao teor de óxido de ferro conforme mostra a Equação 7. Este módulo determina a quantidade de fase líquida formada em temperaturas relativamente baixas e também está associado a viscosidade dessa fase líquida, propriedade muito importante no que concerne a granulação do clínquer (LIMA, 2012). O valor usual do MS fica entre 1,0 e 2,0 mas pode variar de valores menores que 1,0 até 4,0 dependendo do tipo de clínquer que se deseja obter (TAYLOR, 1997).
MS = [Al2O3]
[Fe2O3] (7)
De acordo com Votorantim (2000) um alto valor de MA resulta em:
Queima difícil e maior consumo de combustível devido a uma fase líquida mais viscosa;
Aumento na proporção de C3A e redução de C4AF em virtude da maior disponibilidade de Al2O3;
37
Alto calor de hidratação devido a presença de C3A;
Tendência a pega rápida do cimento e altas resistências nas primeiras idades já que o teor de C3S é maior.
De maneira contrária, valores muito baixos de MA implicam em: Fase líquida mais fluida;
Baixo calor de hidratação.
4.9.4. Ensaios Físico-Químicos
Diante da grande variabilidade de ensaios físico-químicos realizados pelo laboratório da MZBA, esta subseção irá apresentar de maneira simplificada as principais análises que são feitas a fim de atestar a qualidade do cimento conforme exigido pelas normas (ver Quadro 4).
Quadro 4. Ensaios físico-químicos
ENSAIOS FÍSICOS ENSAIOS QUÍMICOS
Determinação da massa específica Resíduo insolúvel Determinação da finura: Ensaio de
peneiramento ou Ensaio por permeabilidade ao ar (Blaine)
Fluorescência de Raios-X
Consistência normal Anidrido sulfúrico Determinação do tempo de pega do
cimento Perda ao fogo
Ensaio de expansibilidade da pasta
de cimento Sílica livre
Determinação da resistência à
compressão Carbonatação
- CaO livre
38
5. SUGESTÕES DE MELHORIAS
Tendo em vista que a mina Velame II possui elevada heterogeneidade na composição química do calcário percebeu-se a necessidade de melhorar a distribuição de caminhões basculantes na mina, e consequentemente, a logística com a qual o material é depositado na moega do britador, afim de que se possa obter menores desvios na qualidade da matéria-prima. Para isso, é necessário conhecer previamente as composições químicas do material a ser extraído e realizar balanços de massa para estimar o fluxo mássico necessário, em ton/h, de cada parte da mina para atender o FSC, MS e MA.
39
6. CONSIDERAÇÕES FINAIS
O estágio obrigatório supervisionado realizado na empresa Mizu Cimentos Especiais – Baraúna-RN teve como principal objetivo acompanhar o processo produtivo do Cimento Portland a fim de proporcionar ao aluno a oportunidade de relacionar os conhecimentos teóricos aprendidos em sala com a vivência de uma unidade industrial.
Além de aplicar parte dos conhecimentos obtidos ao longo da formação acadêmica o estágio também permitiu acompanhar o funcionamento de vários equipamentos intrinsicamente ligados as disciplinas de operações unitárias e reatores, como filtros, bombas, resfriadores, sopradores, ciclones e o forno, por exemplo.
40
REFERÊNCIAS
ABCP – Associação Brasileira de Cimento Portland. Boletim Técnico: Guia básico de utilização do Cimento Portland. 7. ed. São Paulo, 2002. 28 p.
ABCP – ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE CIMENTO PORTLAND, 2009. Uma Breve História do Cimento Portland. Disponível em: <http://www.abcp.org.br/cms/basico-sobre-cimento/historia/uma-breve-historia-do-cimento-portland/> Acesso em: 10 de maio de 2019.
ALMEIDA, G. M. Utilização de escória produzida em alto-forno a carvão vegetal como agregado graúdo e miúdo para concreto. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) – UFPA. Belém, 2014. 135 p.
BATTAGIN, A. F. Cimento Portland. In: ISAIA, G. C. (Ed.). Concreto: Ciência e Tecnologia. v. 1, São Paulo, SP: IBRACON, 2011. p. 185-232
BRANCÃO, L. O. Fluxogramas de Fabricação de Cimento Portland. 2015. Disponível em: <http://blogdocimento.blogspot.com/2015/09/fluxogramas-de-fabricacao-de-cimento.html> Acesso em: 23 jul. 2019
CBIC – Câmara Brasileira da Indústria da Construção. 2013. Cimento: Consumo, Produção e Valores de Materiais de Construção. Disponível em: < http://www.cbicdados.com.br/menu/materiais-de-construcao/cimento> Acesso em: 11 de maio de 2019
CENTURIONE, S.L. A mineralização do Clínquer Portland e seus benefícios tecnológicos. Tese (Doutorado) - Curso de Mineralogia e Petrologia, USP. São Paulo, 1999. 156 p.
FARENZENA, H. Fabricação de Cimento Portland – Fundamentos básicos da calcinação e clinquerização. Manual técnico, 2003.
FLSMIDTH ball mill for cement grinding. Disponível em:
<http://www.flsmidth.com/en-US/Products/Cement+Grindding/UMS+Unidan+Ball+Mill/UMS+Unidan+Ball+Mill>. 2010. Acesso em: 17 jul. 2019
GOBBO, L. A. Os compostos do clínquer Portland: sua caracterização por difração de raios-X e quantificação por refinamento de Rietveld. Dissertação (Recursos Minerais e Hidrogeologia) – USP. São Paulo, 2003. 157 p.
GOMES, M. M.; SANTOS, M. L. Q.; NOGUEIRA, J. A. Análise da Produção de
Cimento Portland. Disponível em: <
http://revistapensar.com.br/engenharia/pasta_upload/artigos/a196.pdf> Acesso em: 15 mai. 2019.
GOMES, A.; PINTO, A. P. F.; PINTO, J. B. Cimento Portland e Adições. Instituto
41
https://fenix.tecnico.ulisboa.pt/downloadFile/3779580606659/Texto_Cimento_2013.pdf > Acesso em: 11 mai. 2019.
GUARANYS, C. A. L. B., et al. Principais métodos de estocagem de minério de ferro: uma abordagem teórica. Perspectivas online: Ciências exatas e engenharia. 2013. p. 42-55.
HOLDERBANK. Heat Balance of Kiln and Coolers and Related Topics Cement seminar: comminution engineering, process technology. 1993.
KIHARA Y. e CENTURIONE S.L. O cimento Portland. Concreto: ensino, pesquisa e realizações. Ibracon. v. 1, p. 293-322, 2005.
LIMA, A. B. O processo produtivo do cimento Portland. 2011. 38p. Monografia apresentada ao Curso de Especialização em Engenharia de Recursos Minerais – UFMG, Belo Horizonte, 2011.
MARIANI, B. B. Desenvolvimento de clínquer Portland com baixa emissão de dióxido de carbono a partir da incorporação de minério não reagido (MNR). Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) – UFBA. Salvador, 2017. 74 p.
MAXWELL. Fundamentos teóricos da técnica de análise espectrométrica por fluorescência de raios-x. 2011. Disponível em: <https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/18799/18799_6.PDF> Acesso em: 14 mai. 2019.
MEHTA, P. K.; MONTEIRO, P. J. M. Concrete: Microstructure, Properties, and Materials. 3rd ed. [S.l.]: [s.n.], 2005.
MELLER, J. G. Obtenção de clínquer de baixa energia a partir de resíduos da indústria de papel e celulose. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) – UFSC. Florianópolis, 2017. 111 p.
NEVILLE, A. M. Propriedades do Concreto. São Paulo: Editora Pini, 2. Ed. 1997, 28 p. OLIVEIRA, G. A. R. N. Critérios de projeto para moinhos de Cimento Portland. Monografia (Bacharel em Engenharia Química) – UFRJ. Rio de Janeiro, 2012. 107 p. OLIVEIRA, H. M. Cimento Portland. Materiais de construção. v.1. 5.ed, p. 35-62. 2015 PICANÇO, M. S. Arenito zeolítico com propriedades pozolânicas adicionadas ao Cimento Portland. Tese (Doutor em Ciências na Área de Geoquímica e Petrologia) – UFPA. Belém, 2011. 88 p.
SEQUEIRA, L. F. T. Análise dos impactos ambientais da utilização de resíduos classe 1 na produção do cimento em uma fábrica na região da campanha. Monografia (Bacharel em Engenharia de Produção) – UNIPAMPA. Bagé, 2014. 78 p.
42
SILVA, Rogério J. da. Analise energética de plantas de produção de cimento Portland. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) – UNICAMP. Campinas, 1994. 242 p.
SOUZA, J. M. Estudo do comportamento químico durante a formação de anéis de clínquer em fábrica de cimento. Dissertação (Mestrado em Agroquímica) – UFLA. Minas Gerais, 2009. 119 p.
TAYLOR, H. F. W. Cement Chemistry. Academic Press Ltd., London, 1990. 475 p. TAYLOR, H.F.W. Cement chemistry. 2a ed., London: Thomas Telford Publishing, 1997. 480p.
VARELA, N.; VIEIRA, F. S. Cimento: Uma matéria-prima essencial no fabrico de argamassas. Portugal, 2005.
VOTORANTIM. Controle de Qualidade. 2000.
WOLTER, A. Influence of the kiln system on the clinker properties. Zement Kalk-Gips, Wiesbaden, v. 38, n.12, p. 327-329, Dez. 1985.
