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Luciano Gobbo Especialista de Aplicação em DRX para Cimento - AMEC
Difração de raios X na fabricação de cimento Portland
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Necessidade de análise quantitativa de fases
1. Propriedades mecânicas e características de performances de
clínquer e cimentos são primariamente determinados por:
...e não pela concentração dos elementos
• Estrutura,
• Composição, e
• Distribução das fases cristalinas…
•Alita
•Belita
•C3A
•C4AF
•Periclásio
•Cal livre
•Sulfatos
•...
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Difração de raios X
Uma das principais técnicas de caracterização microestructural de materiais
cristalinos, encontrando aplicações em diversos campos -> geociências, engenharia
e ciência dos materiais, metalurgia, química, entre outros.
Técnica analítica versátil, não destrutiva, permite identificação e determinação
quantitativa de compostos cristalinos em amostras sólidas ou em pó
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Técnica de difração de raios X
20 30 40 50 60 70 802Theta (°)
0
10000
40000
90000
160000
Inte
nsity (
counts
)
Posição angular
Intensidades relativas
100 % de intensidade
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Difração de Raios X
Cada composto cristalino apresenta um
padrão difratométrico característico Análise qualitativa
Intensidades de picos refletem as
proporções de compostos na amostra Análise quantitativa
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Material amorfo – “sem estrutura = sem picos”
Halo amorfo = fase vítrea da escória básica
• Pozolanas
• Escórias
• Cinza volante
• Sílica ativa
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Compostos na fabricação do cimento
1 – compostos da farinha: calcita, quartzo, micas e feldspatos
2 – produtos iniciais: cal livre, periclásio, belita pouco cristalina (-
C2S), ferrita, C12A7 e espurrita
3 – Voláteis: arcanita (K2SO4), silvita (KCl), afititalita (raro), NaCl, anidrita (para elevado
SO3/álcalis), tenardita, langbeinita cálcica, carbonatos alcalinos, entre outros.
4 – Fases do clínquer e adições
5 – Produtos secundários formados no estocamento ou
tratamento: hidróxido de cálcio, hemi-hidratos.
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C3A – microscopia óptica
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Coleta o difratograma da
amostra desconhecida
Determinação de picos,
intensidades, posições
Comparação com um banco de dados de compostos puros
ICDD - International Center for Difration data - USA –
Mais de 250.000 compostos
SiO2
NaCl
Difração de Raios-X– análise qualitativa
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10
A- CaO 1,0%
B- CaO 1,5 %
C- CaO 2,0 %
I=10kcps
I=20kcps
I=30kcps
1
10 A
1.5
20 B
2
30 C
%CaO
I Curva de Calibração
D - CaO ? %
I=25kcps
1.75 %
Difração de Raios-X– análise quantitativa
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2000
4000
6000
Counts
Position [°2Theta]
36.50 37 37.50 38
-C2S
CaO
10.0% CaO
0.25% CaO
-2 0 2 4 6 8 10 12
20
30
40
50
60
70
80
90
NiO
CaO
CaO 37.2 o Peak Height Data
w/ NiO (CaO Equiv.)
y = 0.096x 2 + 4.817x + 24.233, r = 0.9997
Peak H
eig
ht
(kcps)
Wt% CaO
Difração de Raios-X– análise qualitativa
Análise Clássica com pico de CaO isolado
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O método de Rietveld
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Método de Rietveld
• basado na comparação de
um diagrama observado e
outro calculado a partir de
estruturas cristalinas
conhecidas de cada fase
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Método de Rietveld
Fase A
Fase A
Fase B
Fase B
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Método de Rietveld
1o Paso - Difratograma
2o Paso – Inserção
do difratograma
calculado
3o Paso – Início do
Refinamento
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Método de Rietveld
Fase B
Fase B
Fase A
Fase A
Área Calculada + correções = % Fase
Fase A = 64%
Fase B = 36%
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Position [°2Theta]
10 20 30 40 50 60 70
Counts
0
5000
10000
15000
C3S 51.50 % Brownmillerite 9.82 %
C3A - Na-Aluminate ortho, NIST 6.16 % Calcium sulfate hemihydrate - Bassanite 1.71 %
Calcium sulfate dihydrate - Gypsum 4.42 % Magnesium oxide - Periclase 3.02 %
C2S - beta - Belite 19.92 %
Anhydrite 3.05 % Calcium oxide - Lime 0.08 %
Calcium hydroxide - Portlandite 0.32 %
0
5000
-5000
Difração de Raios-X – Rietveld - Exemplos
Uma amostra de cimento refinado com dados quantitativos apresentados
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Difração de Raios-X – Rietveld - Exemplos
Refinamento Rietveld da amostra NIST 8488:
NIST são certificados (σ em %)
Coleta de 2 min
Fase NIST Cubix3 Bogue
Alita (C3S) 64.97 (0.56) 65.2 (0.2) 57
Belita (C2S) 18.51 (0.58) 18.2 (0.8) 22
Aluminato (C3A) 4.34 (1.35) 4.7 (0.2) 7
Ferrita (C4AF) 12.12 (1.50) 11.9 (0.7) 12
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Difração de Raios-X – Rietveld - Exemplos
Cimento com 3% de fosfogesso + % variada de
calcário
y = 0,987x
R2 = 0,9962
0
2
4
6
8
10
12
14
0 2 4 6 8 10 12 14
% de Calcário - Rietveld
% d
e C
alc
ári
o
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CUBIX3
Como aplicar a técnica?
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CubiX3 - O difratômetro industrial mais rápido do mercado
• Dentro dos padrões internacionais de segurança mais modernos
• O detector Pixcel configura o Cubix como o difratômetro mais rápido do mercado
• Suporta todos suportes de amostras mais comuns
– 40 mm e 51.5 mm de diômetro, por exemplo Polysius, Herzog, FLS
• Capacidade de automatização otimizada
3 minutos
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CubiX3 – Automação
• Combinação automática (TWIN automation) com Axios ou CubiX XRF
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Software - X’Pert Industry
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ROBORIET
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RoboRiet
• RoboRiet da PANalytical é uma implementação do método
de Rietveld para projetos de automação
• Este software é utilizado para desenvolver análises por
Rietveld de forma automática desde um centro técnico para
um ou mais laboratórios sem mostrar estruturas e estratégias
de Refinamento.
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X'Pert RoboRiet
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Aplicações
Quantificação de:
• Matéria prima para gipsita, calcário, cinza volante, escória de alto forno
• Clinker Portland, cimento Portland (CEM I), cimento aluminoso
• Cimentos com adições
(CEM II, CEM III, CEM IV e CEM V)
• Cinética de reações de hidratação
• Cimentos hidratados e materiais cementicios em geral
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Benefícios da DRX em uma planta média
• Conteúdo de quartzo $ 460 mil
• Cl (prevenção de 1 parada/ano) $ 160-480 mil
• Melhoria na qualidade do clínquer $ 65-95 mil
• Economia com combustíveis alternativos $ 1.3 milhões
• Uso extendido dos refratários max. $ 1.3 milhões
• Optimização da moagem
– Energia $ 530 mil
– Economia de adições $ 135 mil
• Potencial total de economia
$4 milhões / ano
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29
Considerações sobre DRX em Cimento
• Detecta fases que não podem ser identificadas por Bogue (especialmente quando
existe variação nos combustíveis)
• Maior correlação com as propriedades do cimento (Resistências, Pega do cimento,
Cor...)
• Pode ser completamente automatizado; menor intervenção do usuário
• Rápido e reprodutível
• Possibilidade de quantificação de diferentes tipos de C3A, C3S (M1 e M3) e C2S, além dos
sulfatos alcalinos
• Possibilidade de trabalhar em conjunto com a FRX utilizando a mesma preparação de
amostra
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30
A PANalytical no Brasil
• São Paulo –
Vendas, Assistência
técnica e Laboratório
de Aplicação
• Bases de
assistência técnica
em Belo Horizonte,
RJ, Sul de Minas e
Belém
• Suporte a vendas
em Minas Gerais, Rio
de Janeiro e Pará
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A PANalytical PANalytical em São Paulo
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Obrigado!
The Analytical X-ray Company