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ⓘ Clinker




Clinker
                                     

ⓘ Clinker

Il clinker è il componente base per la produzione del cemento, così chiamato dal nome del forno in cui avviene il processo di cottura.

Le materie prime per la produzione di clinker sono minerali contenenti: ossido di silicio SiO 2, ossido di alluminio Al 2 O 3, ossido di ferro Fe 2 O 3, generalmente presenti nellargilla, ossido di calcio CaO e ossido di magnesio MgO, presenti nelle rocce carbonatiche.

La roccia prevalentemente utilizzata per la produzione del clinker è la marna poiché è composta da una frazione argillosa e da una frazione carbonatica.

Lestrazione del minerale avviene in miniere poste nelle vicinanze dei luoghi di produzione in quanto il costo delleventuale trasporto è molto elevato in relazione al valore del carico. È possibile anche aggiungere sabbia per poter regolare il modulo silicico, mentre per il modulo dei fondenti possono essere utilizzati materie recuperabili che contengono ossido di ferro Fe 2 O 3 o ossido di alluminio Al 2 O 3.

Il clinker di Cemento Portland è un materiale a comportamento idraulico che deve essere composto da almeno due terzi in massa di silicati di calcio: tricalcico 3CaO SiO 2 e bicalcico 2CaO SiO 2. La parte rimanente contiene ossido dalluminio Al 2 O 3 principalmente sotto forma di alluminato tricalcico 3CaO.Al 2 O 3, ossido di ferro Fe 2 O 3 principalmente sotto forma di ferrito alluminato tetracalcico o brownmillerite 4CaO.Al 2 O 3.Fe 2 O 3 e altri ossidi. I quattro costituenti principali del clinker in letteratura sono indicati rispettivamente con i nomi di: alite, belite, celite, e fase ferrica. Il rapporto in massa CaO/SiO 2 non deve essere minore di 2.0. Il tenore di ossido di magnesio MgO non deve superare il 5.0% in massa.

Nella produzione del cemento, successivamente alla cottura e alla preparazione del clinker, si aggiungeranno in seguito altre sostanze di minor valore rispetto al clinker stesso quali ad esempio i residui di fonderia e di acciaieria, la cosiddetta loppa di altoforno che porteranno il cemento ai valori di resistenza desiderati, conseguendo consistenti risparmi nei costi di produzione.

                                     

1. I "moduli" del clinker

I moduli sono valori caratteristici di ogni clinker che permettono di conoscere in che relazione stanno i diversi componenti. Per il clinker Portland si ha:

  • Modulo idraulico
M i = % C a O % A l 2 O 3 + % F e 2 O 3 + % S i O 2 = 2, 2 {\displaystyle M_{i}={\frac {\%CaO}{\%Al_{2}O_{3}+\%Fe_{2}O_{3}+\%SiO_{2}}}=2\mathrm {,} 2}
  • Modulo silicico
M s = % S i O 2 % A l 2 O 3 + % F e 2 O 3 = 2, 4 − 2, 7 {\displaystyle M_{s}={\frac {\%SiO_{2}}{\%Al_{2}O_{3}+\%Fe_{2}O_{3}}}=2\mathrm {,} 4-2\mathrm {,} 7}
  • Modulo calcareo
M c = % C a O % S i O 2 = 2, 4 {\displaystyle M_{c}={\frac {\%CaO}{\%SiO_{2}}}=2\mathrm {,} 4}
  • Modulo dei fondenti
M f = % A l 2 O 3 % F e 2 O 3 = 2 − 4 {\displaystyle M_{f}={\frac {\%Al_{2}O_{3}}{\%Fe_{2}O_{3}}}=2-4}
                                     

2. Processo per la produzione del clinker

Il minerale denominato marna, viene frantumato con luso di frantoi, finemente macinato attraverso il processo di "macinazione del crudo" per mezzo di mulini e inviato allarea di cottura dove avvengono le trasformazioni fisico-chimiche che consentiranno la trasformazione della farina in clinker.

La cottura avviene secondo tre metodologie, via umida, via semisecca, via secca. Nella via umida la farina presenta un tenore di umidità del 18 - 45% la consistenza è simile ad una melma e viene alimentata nel forno con delle pompe. Nella via semisecca la farina presenta un tenore di umidità del 10 -20% e viene alimentata nel forno sotto forma di granuli. Nella via secca la farina presenta un tenore di umidità inferiore al 1% e viene alimentata nel forno sotto forma di polvere.

La cottura avviene in speciali forni costituiti da un cilindro di 3-6 metri di diametro per 55 -180 metri di lunghezza disposto orizzontalmente con una leggera inclinazione da 2 a 6% ed ha una rotazione di modesta velocità variabile da 1 giro/minuto a 4 giri/minuto per favorire lavanzamento del materiale lungo le Virole.

Limmissione del materiale avviene nella direzione opposta al flusso di calore in modo che avanzando lungo le Virole aumenti gradualmente di temperatura fino a raggiungere circa 1450 °C. Il materiale scaricato dal forno ha già la conformazione del clinker ; questo, tramite dei raffreddatori, viene portato a temperatura di circa 70 °C.

Successivamente il clinker viene immagazzinato in grandi silo e macinato processo definito macinatura del cotto in relazione alle necessità con diversi tipi di sostanze di carica al fine di ottenere le varie tipologie di cemento.

La produzione di clinker a via umida è in disuso per lelevato consumo termico della metodologia. Una buona parte dellenergia termica è utilizzata per levaporazione dellacqua contenuta nella melma. La produzione di clinker tramite la via semisecca, a causa dellumidità contenuta nella farina alimentata, viene sempre meno utilizzata. La produzione di clinker nelle moderne cementerie avviene utilizzando il processo a via secca.

                                     

2.1. Processo per la produzione del clinker Reazioni di formazione dei clinker

Se analizziamo il processo di produzione, quindi cosa succede allinterno del forno di cottura, si ha che le prime reazioni hanno inizio in un range di temperatura tra i:

  • 1000 ÷ 1100 °C
3 C a O + A l 2 O 3 → 3 C a O A l 2 O 3 {\displaystyle 3CaO+Al_{2}O_{3}\rightarrow 3CaOAl_{2}O_{3}} 2 C a O + S i O 2 → 2 C a O S i O 2 {\displaystyle 2CaO+SiO_{2}\rightarrow 2CaOSiO_{2}} C a O + F e 2 O 3 → C a O F e 2 O 3 {\displaystyle CaO+Fe_{2}O_{3}\rightarrow CaOFe_{2}O_{3}}
  • 1100 ÷ 1200 °C
C a O F e 2 O 3 + 3 C a O A l 2 O 3 → 4 C a O A l 2 O 3 F e 2 O 3 {\displaystyle CaOFe_{2}O_{3}+3CaOAl_{2}O_{3}\rightarrow 4CaOAl_{2}O_{3}Fe_{2}O_{3}}
  • 1250 ÷ 1480 °C
2 C a O S i O 2 + C a O → 3 C a O S i O 2 {\displaystyle 2CaOSiO_{2}+CaO\rightarrow 3CaOSiO_{2}}

La composizione finale sarà costituita dalle seguenti percentuali in peso:

  • 50% 3 C a O S i O 2 {\displaystyle 3CaOSiO_{2}} silicato tricalcio, alite
  • 12% 3 C a O A l 2 O 3 {\displaystyle 3CaOAl_{2}O_{3}} alluminato tricalcico, celite
  • 8% 4 C a O A l 2 O 3 F e 2 O 3 {\displaystyle 4CaOAl_{2}O_{3}Fe_{2}O_{3}} alluminato ferrito tetracalcico, brownmillerite
  • 25% 2 C a O S i O 2 {\displaystyle 2CaOSiO_{2}} silicato bicalcico, belite


                                     

3. Filiera

Non tutte le cementerie possiedono il ciclo completo per produrre il cemento. Vi sono infatti semplici centri di macinazione che acquistano clinker o utilizzano clinker prodotto da altri stabilimenti o da altre linee e lo miscelano con sostanze di carica durante la "macinazione del cotto" per produrre le diverse tipologie di cemento.