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Guía didáctica de los temas 2 y 3 de la asignatura Química Industrial. UNEFM
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Realizado por: Ing. Jhoanna Ramones. Marzo 2010.
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INTRODUCCIÓN
Entre las industrias más importantes para el desarrollo de cualquier país se
encuentran las relacionadas con la construcción y, entre ellas se encuentran las
de la cal y el cemento, la primera de ellas tiene usos mucho más variados, sin
embargo, la del cemento es de vital importancia, de allí que en nuestro país, de allí
que recientemente haya sido nacionalizada. Con esta guía se espera mostrar las
definiciones básicas, el proceso de producción, reacciones químicas involucradas,
principales usos e impacto ambiental de los procesos productivos de cal y
cemento.
Para comenzar, es bueno recordar que la cal es uno de los primeros
conglomerantes descubiertos por el hombre, se han encontrado vestigios de su
empleo en yacimientos con más de 10.000 años de antigüedad, y que, seguirá
siendo uno de los principales conglomerantes utilizados en la construcción.
Ha tenido un desarrollo importante tanto en su proceso de fabricación, pasando de
un sistema artesanal a un sistema industrial moderno con la automatización
correspondiente, como en su calidad y control de la misma junto con la aplicación
de los Sistemas de Aseguramiento de la calidad correspondientes.
En este sentido, puede decirse que la cal es uno de los productos más versátiles
por su empleo en distintos sectores, así no solo se usa en la construcción, sino
también en la siderurgia, que es su mayor utilizador, metalurgia no férrea,
industrias químicas, fabricación de azúcar, papel, fertilizantes, alimentos, vidrio,
protección ambiental, tanto atmosférica como depuración de aguas, entre otros.
Por otro lado, los cementos son conglomerantes hidráulicos, productos que
mezclados con agua forman pastas que fraguan y endurecen, dando lugar a
productos hidratados mecánicamente resistentes y estables, tanto en el aire, como
bajo agua. Es el componente primordial del concreto, que a su vez es el segundo
material más consumido en el planeta. La industria del cemento es una de las
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industrias de uso más intensivo de capital: el costo de una planta cementera
nueva equivale a casi 3 tres años de ingresos. Las plantas de cemento modernas
tienen capacidad de producción de más de 1 millón de toneladas por año. Una vez
construidas, las instalaciones pueden durar 50 años.
A continuación se presenta el resultado de una investigación referente a los
procesos para la obtención de cal y el cemento, citando una diversidad de tópicos,
con la finalidad de destacar la importancia en distintas áreas de estos dos
materiales, así como también en el desarrollo de las industrias que lo procesan.
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QUIMICA INDUSTRIAL
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DEFINICIÓN
Bajo la denominación cal se incluyen todos los productos de calizas sometidas al
proceso de cocción. Estos productos aportan el calcio (Ca) en forma de óxido de
calcio (CaO), conocido con el nombre de cal viva, y el hidróxido de calcio Ca(OH2),
conocido con el nombre de cal apagada. La calcinación de caliza (CaCO3),
proceso que se realiza en hornos, libera el anhídrido carbónico (CO3), dando
origen al carbonato de calcio (CaCO3) por CaO+CO2.
Es un producto resultante de la descomposición de las rocas calizas por la acción
del calor. Estas rocas calentadas a mas de 900º C producen o se obtienen el óxido
de calcio, conocido con el nombre de cal viva, producto sólido de color blanco y
peso especifico de 3.4 kg./dm. Esta cal viva puesta en contacto con el agua se
hidrata (apagado de la cal) con desprendimiento de calor, obteniéndose una pasta
blanda que amasada con agua y arena se confecciona el mortero de cal, esta
pasta limada se emplea en el pintado de paredes y techos de edificios y cubiertas.
Este material utilizado para hacer mortero de cal se obtiene de las rocas calizas,
calcinadas a una temperatura entre 900 y 1.200 º C, durante días, en un horno
rotatorio o en un horno tradicional, romano o árabe lo que afirma el uso de cal
desde tiempos atrás, es decir; la cal se ha usado, desde la más remota
antigüedad, de conglomerante en la construcción; también para pintar (encalar)
muros y fachadas de los edificios construidos con adobes o tapial, habitual en las
antiguas viviendas mediterráneas.
¿Pero que es un conglomerante?
Se llaman materiales aglomerantes aquellos materiales que, en estado pastoso y
con consistencia variable, tienen la propiedad de poderse moldear, de adherirse
fácilmente a otros materiales, de unirlos entre sí, protegerlos, endurecerse y
alcanzar resistencias mecánicas considerables.
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VARIEDADES COMERCIALES
Cal Viva
Material obtenido de la calcinación de la caliza que al desprender
anhídrido carbónico, se transforma en óxido de calcio. La cal viva
debe ser capaz de combinarse con el agua, para transformarse
de óxido a hidróxido y una vez apagada (hidratada), se aplique en
la construcción, principalmente en la elaboración del mortero de albañilería.
Cal hidratada
Se conoce con el nombre comercial de cal hidratada a la
especie química de hidróxido de calcio, la cual es una base
fuerte formada por el metal calcio unido a dos grupos
hidróxidos. El óxido de calcio al combinarse con el agua se
transforma en hidróxido de calcio.
Cal hidráulica
Cal compuesta principalmente de hidróxido de calcio, sílica
(SiO2) y alúmina Al2O3) o mezclas sintéticas de composición
similar. Tiene la propiedad de fraguar y endurecer incluso
debajo del agua.
De acuerdo con el porcentaje de óxido de calcio las cales vivas se clasifican
en dos variedades:
Cales Grasas
Son las más blancas, fabricadas con piedras calizas de gran pureza, que en
presencia de agua reaccionan con fuerte desprendimiento de calor. Cales Magras:
son más amarillentas, mas impuras porque poseen sustancias como arcilla, óxido
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de magnesio, etc., que en presencia de agua reaccionan con poco
desprendimiento de calor.
Cal Apagada
Se dice que se obtiene “cal apagada” cuando los albañiles
vierten agua sobre la cal viva en las construcciones. El
apagado es exotérmico: se desprende gran cantidad de calor
que evapora parte del agua utilizada. Simultáneamente la cal
viva se desterrona y expande. Es pastosa y como es cáustica, no debe tocarse
con los dedos.
El apagado de la cal viva se practica en un hoyo excavado en el terreno o dentro
de una batea de madera. Mientras el albañil añade agua, remueve
constantemente la mezcla. Después cubre con agua el producto obtenido y lo
estaciona un mínimo de 48 horas. Con cal apagada, arena y en ocasiones polvo
de ladrillo se hace la mezcla, argamasa o mortero aéreo, para asentar ladrillos,
fijar baldosas y azulejos y revocar paredes.
DESCRIPCIÓN DE LA MATERIA PRIMA
La caliza es una roca sedimentaria porosa de origen químico,
formada mineralógicamente por carbonatos, principalmente
carbonato de pico. Cuando tiene alta proporción de carbonatos
de magnesio se le conoce como dolomita. petrográficamente
tiene tres tipos de componentes: granos, matriz y cemento.
Es una roca muy importante como reservorio de petróleo, dada su gran porosidad.
Tiene una gran resistencia a la meteorización, eso ha permitido que muchas
esculturas y edificios de la antigüedad tallados en dichas rocas hayan llegado
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hasta nosotros. Sin embargo, la acción del agua de lluvia y los ríos provoca la
disolución de la caliza, creando un tipo de meteorización característica
denominada kárstica.
La roca caliza es un componente importante del cemento gris usado en las
construcciones modernas y también puede ser usada como componente principal,
junto con áridos, para fabricar el antiguo mortero de cal, pasta grasa para creación
de estucos o lechadas para "enjalbegar" (pintar) superficies, así como otros
muchos usos por ejemplo en industria farmacéutica o peletera. Se encuentra
dentro de la clasificación de recursos naturales (RN) entre los recursos no
renovables (minerales) y dentro de esta clasificación, en los no metálicos, como el
salitre, el yeso y el azufre.
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Extracción
Se desmonta el área a trabajar y se lleva a cabo el descapote, posteriormente se
barrena aplicando el plan de minado diseñado, se realiza la carga de explosivos y
se procede a la voladura primaria, moneo, tumbe y rezagado, carga y acarreo a
planta de trituración.
Trituración
En esta etapa es sometida a un proceso de trituración que arrojará como producto
trozos de menor tamaño que serán calcinados en hornos verticales. La trituración
secundaria se realiza cuando se requieren fragmentos de menor tamaño y se
tienen hornos rotatorios para calcinar.
Calcinación
La cal es producida por calcinación de la caliza y/o dolomía triturada por
exposición directa al fuego en los hornos. En esta etapa las rocas sometidas a
calcinación pierden bióxido de carbono y se produce el óxido de calcio (cal viva).
Es importante que el tamaño de la roca sometida a calcinación sea homogéneo
para que la calcinación se realice en forma efectiva y en su totalidad en todos los
fragmentos.
Enfriamiento
Posteriormente se somete a un proceso de enfriamiento para que la cal pueda ser
manejada y los gases calientes regresan al horno como aire secundario.
Inspección.
El proceso siguiente es la inspección cuidadosa de muestras para evitar núcleos o
piezas de roca sin calcinar.
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Cribado
Se somete a cribado separando a la cal viva en trozo y en guijarros de la porción
que pasará por un proceso de trituración y pulverización.
Hidratación
Consiste en agregar agua a la cal viva para obtener la cal hidratada. A la cal viva
dolomítica y alta en calcio se le agrega agua y es sometida a un separador de
residuos para obtener cal hidratada normal dolomítica y alta en calcio. Únicamente
la cal viva dolomítica pasa por un hidratador a presión y posteriormente a
molienda para obtener cal dolomítica hidratada a presión.
Envase y embarque
La cal es llevada a una tolva de envase e introducida en sacos y transportada a
través de bandas hasta el medio de transporte que la llevará al cliente.
REACCIONES INVOLUCRADAS
Obtención de la cal.
La cal viva se obtiene por calcinación de la piedra caliza en hornos especiales,
donde se le somete a temperaturas cercanas a los 1000 grados centígrados,
provocando la siguiente reacción:
Piedra caliza + calor = Gas Carbónico + cal viva
CaCO3 + calor = CO2 + CaO
Carbonato de calcio + calor = Anhídrido Carbónico + Oxido de calcio
La cal viva es muy cáustica y tiene una gran afinidad con el agua, a cuyo contacto
se transforma en hidróxido, con gran desarrollo de calor durante el proceso.
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De la cal viva, mezclada con agua, se obtiene la cal apagada (o cal hidratada, que
es hidróxido de carbono Ca(OH)2 ):
Cal viva + agua = Cal apagada + calor
CaO + H2O = Ca(OH)2 + calor
Oxido de calcio + agua = Hidróxido de carbono + calor
Durante este proceso se produce la desintegración rápida de las piedras, que se
diluyen en el agua. Posteriormente, dejando secar esta pasta puede obtenerse cal
en polvo.
La cal apagada, ligeramente soluble en agua, se mezcla con arena y agua para
hacer el mortero. Una vez usada en el mortero la cal recupera el CO2 tomándolo
de la atmósfera y se transforma otra vez en carbonato cálcico (lo que se conoce
como fraguado), recuperando su dureza original y devolviendo el agua que
asimiló en el proceso de apagado.
Esta es la reacción que se produce:
Hidróxido de calcio (Cal apagada) + Anhídrido carbónico = Carbonato Calcico +
agua
Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O
APLICACIONES
Agricultura: Varias mezclas de cal, piedra caliza y
dolomita son usadas en la agricultura y el tratamiento de
bosques. En ambos casos se regula la acidez de los
suelos y se añaden nutrientes como magnesio y calcio.
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Estos nutrientes son esenciales para el sano crecimiento de las plantas y para
incrementar el rendimiento de los campos. En Francia, el Grupo Lhoist posee una
compañía para producir y distribuir una amplia variedad de fertilizantes.
Construcción
Los constructores han hecho uso de las propiedades
cementantes de la cal durante milenios en estructuras como
las Pirámides de Egipto o la Gran Muralla China. En
nuestros días las mezclas a base de cal son usadas para los
diversos trabajos de albañilería en la contrición.
La cal se usa en la elaboración de modernos materiales de construcción como el
concreto aereado y ladrillos de silicato de calcio. Estos materiales son apreciados
porque poseen excelentes propiedades aislantes térmicas y acústicas, además de
facilitar el trabajo.
Ingeniería Civil
El tratamiento de suelos es el principal uso de la cal en la
ingeniería civil. Este tratamiento ha gozado recientemente
de mucho desarrollo y juega un papel importante en las
técnicas modernas de construcción. La cal se usa para
secar los suelos húmedos y mejora los suelos arcillosos.
En presencia de agua, la cal viva se hidrata formándose hidróxido de calcio. El
calor liberado en esta reacción se usa para secar rápidamente los suelos
húmedos. También la cal viva, la cal hidratada y la lechada de cal neutralizan las
arcillas del suelo, mejorando gradualmente sus características mecánicas.
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Industria Química
La cal tiene numerosas aplicaciones en la industria química
gracias a sus propiedades naturales y precio competitivo. Se
usa en la producción de químicos tales como óxido de
propileno, carbonato de sodio y glicerina, así como reactivo
en la producción de compuestos a base de calcio y en procesos donde se
requieren de cambios de pH.
La mayoría de las aguas de proceso en la industria química requieren de
tratamientos con cal para corregir su pH y contenido de minerales. Las aguas
residuales ácidas también pueden ser tratadas con cal antes de reciclarlas o
desecharlas.
Tratamiento De Gases
Muchos procesos industriales generan desechos gaseosos
que frecuentemente contiene contaminantes como dióxido
de azufre (SO2), ácido clorhídrico (HCl), así como metales
pesados.
Los productos a base de cal son muy eficientes en la captura de estos
contaminantes, dependiendo del proceso productivo y la naturaleza de los gases
generados.
Vidrio La industria del vidrio utiliza cal dolomítica de alta pureza,
composición química y tamaño de partículas constante. La
cal dolomítica se usa como fuente de magnesio que actúa
como estabilizador, mejorándose la resistencia del vidrio al
ataque químico y del medio ambiente.
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Acero
La cal viva y la dolomítica son comúnmente usadas en
hornos de convertidores de oxígeno (BOF) y hornos
eléctricos (EAF), donde ayudan a la formación de escoria
para eliminar impurezas como silicón y fosfuros. La cal
también se utiliza para mejorar la productividad en el
proceso de aglomeración del mineral. Recientemente, se han introducido nuevos
productos en varios pasos del proceso de elaboración del acero. Estos productos
han mejorado la calidad de los procesos de desulfurización y el manejo de
efluentes, entre otros.
Papel
La cal es utilizada en la reconstitución de la solución de
sosa cáustica que es usada durante el proceso de
elaboración de la pulpa. Se emplea también como reactivo
en el proceso de suavizamiento del agua de proceso.
Recientemente se ha desarrollado otra aplicación para la cal
de alta calidad en el proceso de fabricación de carbonato de calcio precipitado,
este es un aditivo usado en la fabricación de papel para realzar su blancura y
textura.
Tratamientos De Aguas
La cal es esencial para ajustar el pH y suavizar el agua
potable y las aguas de proceso, así como para el
tratamiento de aguas de desecho urbanas e industriales. La
cal viva es ampliamente usada para estabilizar lodos
residuales y para el tratamiento de desechos orgánicos
urbanos antes de su uso agrícola o incineración. En el tratamiento de aguas
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residuales la cal es usada para ajustar el pH de aguas de desecho ácidas y para la
floculación y precipitación de metales pesados.
Industria Alimenticia
Durante el almacenamiento de frutas y vegetales frescos, se
colocan en las cámaras de refrigeración bolsas de cal
hidratada para absorber el dióxido de carbono que exudan
las frutas y vegetales. De esta forma se mantienen las
cámaras con un ambiente rico en oxígeno y bajo en dióxido
de carbono que permite conservar frescos los alimentos por períodos más largos.
En la producción de azúcar de caña el crudo de los jugos de azúcar se reactiva
por medio de cal formando un sucrato de calcio insoluble, el cual es filtrado para
retirar materiales fosfáticos y ácidos orgánicos. Posteriormente el sucrato de calcio
reacciona con dióxido de carbono produciéndose sacarosa y carbonato de calcio,
Finalmente la solución de sacarosa es cristalizada y empacada.
También es importante destacar que una de las fuentes de carbohidratos más
importantes en la dieta del venezolano es la arepa y una de sus presentaciones
más autóctonas es la arepa pelada. Su nombre proviene del hecho de que para
obtener la masa con la que se elaboran, el maíz “se pela” cuando es cocido en
una solución acuosa de cal hidratada, ya que la cal hace suave el pericarpio del
grano (la concha) permitiendo la entrada de agua al interior, facilitando su
posterior molienda y la preparación de la masa.
Minería
La cal viva y la cal hidratada son ampliamente usadas en la
extracción de muchos minerales no ferrosos. En el proceso de
flotación del cobre, la cal actúa como agente estabilizador y
mantiene la alcalinidad en niveles adecuados. En la extracción
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del mercurio, la cal se usa para eliminar el azufre. Durante la extracción de zinc,
níquel y plomo entre otros minerales, también se emplea cal. En la extracción de
oro y plata, la cal es usada para disminuir las pérdidas de los agentes flotadores y
para el control del pH. También, en la refinación electrolítica de cobre, los cátodos
son sumergidos en una solución acuosa de cal para protegerlos durante el
proceso de fusión del mineral.
LOCALIZACIÓN GEOGRÁFICA NACIONAL
Yacimientos de calizas en Venezuela.
En Venezuela existen yacimientos de calizas primordialmente en las zonas de
alto relieve o de cordilleras, las cuales por su constitución geológica poseen
numerosas formaciones de calizas y, por consiguiente, las mayores
posibilidades de reservas.
Las calizas en las cordilleras ocurren en formaciones sedimentarias del
Mesozoico.
Cordillera del Norte o de la Costa
En la Cordillera Norte o de la Costa las calizas se encuentran en las siguientes
formaciones del Mesozoico Inferior y Medio:
Formación Antímano. Constituida por calizas cristalinas en capas gruesas, que
alternan con capas delgadas de esquistos micáceos. Localidad: Zona Norte de
Antímano, Distrito Federal, al Sur de San Pedro, estado Miranda.
Formación Las Brisas. Consiste principalmente de capas de esquistos cuarzo
feldespático micáceos–sercíticos y gneises, con lentes de mármoles. Localidad:
Caracas, Distrito Federal.
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Formación Las Mercedes. Esquistos principalmente calcáreos, con filones de
calizas intercaladas. Localidad: Distrito Federal.
Formación Nirgua. Esquistos cuarzo–micáceos con capas de calizas masivas
intercaladas. Localidad: La unidad aflora extensamente en los estados Lara,
Cojedes y Carabobo.
Formación Capadare. Capas de calizas arrecifales blandas, que forman
abruptos filones. Localidad: Chichiriviche, Sanare, Riecito y Capadare, estado
Falcón.
Cordillera de los Andes
En la Cordillera de los Andes y en el piedemonte de los Llanos, las calizas
cretácicas yacen en las siguientes formaciones del Mesozoico Superior–Cretáceo:
Formación Capacho. Constituida de lutitas con capas de caliza dura.
Localidad: Capacho, Palmira y Lobatera, estado Táchira.
Formación La Luna. Consiste en calizas laminares delgadas, arcillas calcáreas
y concreciones de calizas. Localidad: Lobatera, estado Táchira y estado Zulia.
Formación Cogollo. En la región del Zulia las calizas ocurren en el Grupo
Cogollo en capas macizas infrayacentes a la Formación La Luna. Localidad:
Isla de Toas y El Rosario, estado Zulia.
Cordillera de la Costa
En la Cordillera del Norte o de la Costa y en el piedemonte, las calizas cretácicas
ocurren en las siguientes formaciones del Mesozoico Superior–Cretáceo:
Formación Barranquín. El miembro Venado de esta formación se caracteriza
por calizas estratificadas potentes. Localidad: Cubre extensas áreas en las
Serranías del Interior de Anzoátegui, Monagas y Sucre.
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Formación El Cantil. Consiste en calizas, que constituyen el mayor volumen de
la formación. Ésta tiene un espesor que oscila entre 300 y 800 metros.
Localidad: sección nororiental de la Serranía del Interior.
Formación Chimana. Consiste en calizas, lutitas y areniscas. Localidad:
sección nororiental de la Serranía del Interior.
Secciones Central y Occidental
En las secciones Central y Occidental, las calizas ocurren en las siguientes
formaciones del Mesozoico Superior–Cretáceo:
Formación Carorita. La parte superior de la formación está compuesta de
calizas lenticulares que pasan lateralmente a areniscas calcáreas y silíceas.
Las calizas tienen hasta dos metros de espesor. Localidad: Norte de
Barquisimeto a Carorita, estado Lara.
Formación Mamey. Consiste esencialmente de esquistos sericíticos con
calizas arenáceas intercaladas. Localidad: Sanare, estado Lara.
Formación Aguas Blancas. La unidad de una sección basal de 20 metros de
espesor de calizas, a continuación siguen filitas intercaladas con calizas y
cuarcitas. Localidad: flanco meridional de la Serranía del Interior desde Aguas
Blancas hasta San Rafael de Onoto, estado Portuguesa.
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Yacimientos de Caliza en Venezuela
En Venezuela, las plantas de mayor importancia que coccionan calizas para
formar cal se encuentran en la region nororiental y de los Andes. Una parte de la
producción de cal es utilizada por la industria de la construcción y la otra parte por
la agricultura como enmienda para los suelos.
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QUIMICA INDUSTRIAL
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DEFINICIÓN
El cemento es un material aglutinante con finura similar al
talco que tiene a la caliza como materia prima base,
formado por diversos cristales y vidrios que al mezclarse
con el agua producen una jalea de hidrosilicatos de calcio,
excelente pegadura capaz de unir fragmentos pétreos para
formar un conglomerado moldeable, durable, resistente e impermeable a voluntad,
adaptable a diversos usos.
DESCRIPCION DE LA MATERIA PRIMA
La materia prima para la elaboración del cemento (caliza, arcilla, arena, mineral de
hierro y yeso) se extrae de canteras o minas y, dependiendo de la dureza y
ubicación del material, se aplican ciertos sistemas de explotación y equipos.
Caliza
La caliza es una roca sedimentaria porosa de origen químico,
formada mineralógicamente por carbonatos, principalmente
carbonato de pico. Cuando tiene alta proporción de
carbonatos de magnesio se le conoce como dolomita.
Petrográficamente tiene tres tipos de componentes: granos, matriz y cemento.
Es una roca muy importante como reservorio de petróleo, dada su gran porosidad.
Tiene una gran resistencia a la meteorización, eso ha permitido que muchas
esculturas y edificios de la antigüedad tallados en dichas rocas hayan llegado
hasta nosotros. Sin embargo, la acción del agua de lluvia y los ríos provoca la
disolución de la caliza, creando un tipo de meteorización característica
denominada kárstica.
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Arcilla
Roca sedimentaria, plástica y tenaz cuando se humedece. Se
endurece permanentemente cuando se cuece o calcina. De
gran importancia en la industria, la arcilla se compone de un
grupo de minerales aluminosilicatos formados por la
meteorización de rocas feldespáticas, como el granito.
El grano es de tamaño microscópico y con forma de escamas. Esto hace que la
superficie de agregación sea mucho mayor que su espesor, lo que permite un gran
almacenamiento de agua por adherencia, dando plasticidad a la arcilla y
provocando la hinchazón de algunas variedades.
La arcilla común es una mezcla de caolín, o arcilla china (arcilla hidratada) y de
polvo fino de algunos minerales feldespáticos anhidros (sin agua) no
descompuestos. Las arcillas varían en plasticidad, todas son más o menos
maleables y capaces de ser moldeadas cuando se humedecen con agua.
Las variedades más comunes de arcilla y de roca de arcilla son: la arcilla china o
caolín; la arcilla de pipa, similar al caolín pero con un contenido mayor de sílice; la
arcilla de alfarería, no tan pura como la arcilla de pipa; la arcilla de escultura, o
arcilla plástica, una arcilla fina de alfarería mezclada, a veces, con arena fina;
arcilla para ladrillos, una mezcla de arcilla y arena con algo de materia ferruginosa
(con hierro); la arcilla refractaria, con pequeño o nulo contenido de caliza, tierra
alcalina o hierro (que actúan como flujos), por tanto, es infusible y muy refractaria;
el esquisto y la marga.
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Arena
Masa desagregada e incoherente de materias minerales en
estado granular fino, que consta normalmente de cuarzo
(sílice) con una pequeña proporción de mica, feldespato,
magnetita y otros minerales resistentes. Es el producto de
la desintegración química y mecánica de las rocas bajo meteorización y abrasión.
Cuando las partículas acaban de formarse suelen ser angulosas y puntiagudas,
haciéndose más pequeñas y redondeadas por la fricción provocada por el viento y
el agua.
Mineral de hierro
El hierro es un metal muy abundante en la corteza terrestre, se encuentra en la
hematites, la magnetita y la limonita, y entra en la composición de sustancias
importantes en los seres vivos, como las hemoglobinas. De color negro lustroso o
gris azulado, dúctil, maleable y muy tenaz, se oxida al contacto con el aire y tiene
propiedades ferromagnéticas. Es el metal más empleado en la industria; aleado
con el carbono forma aceros y fundiciones
Cuando el oxígeno (O2) reacciona con el hierro (Fe), que contiene sustancias tales
como FeS2 (pirita), se produce el mineral de hierro. Las rocas óxidos, tales como
la limonita, hematita, magnetita (una roca magnética), y la siderita, se encuentran
entre los minerales de hierro. Estas rocas son minadas hoy en día y se les extrae
el hierro (Fe) que contienen.
Durante un período de miles de millones de años, grandes cantidades de mineral
de hierro fueron depositadas en el fondo del mar. Esta actividad ocurrió hace 3.5 a
2.5 mil millones de años. El mineral de hierro minado hoy en día en los Estados
Unidos, Australia y Sur África, es parte de los grandes depósitos de esa época.
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Yeso
Mineral común consistente en sulfato de calcio hidratado
(CaSO4·2H2O). Es un tipo ampliamente distribuido de roca
sedimentaria, formado por la precipitación de sulfato de
calcio en el agua del mar y está asociado con frecuencia a
otras formas de depósitos salinos, como la halita y la
anhidrita, así como a piedra caliza y a esquisto.
El yeso se origina en zonas volcánicas por la acción de ácido sulfúrico sobre
minerales con contenido en calcio; también se encuentra en muchas arcillas como
un producto de la reacción de la caliza con ácido sulfúrico. Se halla en todo el
mundo; algunos de los mejores yacimientos están en Francia, en Suiza, en
Estados Unidos y en México. El alabastro, la selenita y el aragonito fibroso son
variedades de este mineral.
DESCRIPCION DEL PROCESO DE MANUFACTURA (Cadena Productiva)
Realizado por: Ing. Jhoanna Ramones. Marzo 2010.
PROCESO DE OBTENCIÓN DEL CEMENTO
Extracción
Se desmonta el área a trabajar y se lleva a
cabo el descapote, posteriormente se barrena
aplicando el plan de minado diseñado, se
realiza la carga de explosivos y se procede a
la voladura, tumbe y rezagado, carga y acarreo a planta de trituración.
Las materias primas para fabricar el clinker, base para la fabricación del cemento,
son esencialmente la caliza (75%) y las arcillas (20%), además se emplean
minerales de fierro y sílice en cantidades pequeñas para obtener la composición
deseada.
Trituración
Todo el material de la cantera se tritura y clasifica
para alimentar a los molinos. En esta etapa se
realiza la trituración primaria y secundaria, de donde
se transporta el material a los respectivos patios de
almacenamiento.
Prehomogeneización
Se lleva a cabo mediante un sistema especial de
almacenamiento y recuperación de los materiales
triturados, de tal forma que el material resultante se
uniforma en distribución de tamaño y composición
química.
Realizado por: Ing. Jhoanna Ramones. Marzo 2010.
Molienda
El principal objetivo de la molienda consiste en preparar el
tamaño y la mezcla de materias primas para alimentar el
horno y que éstas puedan procesarse en forma efectiva y
económica. En los molinos se hace un muestreo, se verifica
la composición química mediante análisis por rayos X y con
tamices se comprueba la finura del polvo.
Homogeneización
El producto de la molienda se lleva a un silo
homogeneizador, donde se mezcla el material para
mejorar su uniformidad y después es depositado en
silos de almacenamiento. Posteriormente es
transportado a la unidad de calcinación.
Calcinación
El horneado a altas temperaturas (superiores a
1,350ºC) causa que las materias primas
preparadas y constituidas anteriormente
reaccionen y se combinen para producir el
clinker, el cual pasará por un enfriador antes de
ser almacenado.
Almacenamiento de clinker
Después de su enfriamiento, el clinker se transporta con
grúas o bandas a los almacenes donde es separado,
Realizado por: Ing. Jhoanna Ramones. Marzo 2010.
probado, mezclado con yeso y otros ingredientes y transportado para alimentar a
los molinos de clinker.
Molienda Final
Los molinos se alimentan con clinker, yeso y
cantidades pequeñas de otros ingredientes que
deben ser cuidadosamente medidos.
Generalmente los sistemas de molienda final
son circuitos cerrados en los que los
separadores de aire clasifican por tamaños a los productos, enviando los más
finos a los almacenes y las fracciones más gruesas son regresadas a la molienda.
En esta etapa se realiza la transformación de clinker en cemento.
Envase y embarque
El producto se muestrea y su calidad es verificada antes de ser cargado para su
embarque. De los silos almacenadores de cemento parten ductos para sacarlo y
transportarlo a la ensacadora o terminal de carga para entrega a granel.
REACCIONES INVOLUCRADAS
Reacciones de formación del Clinker
1000–1100°C
3CaO+Al2O3→ 3CaOAl2O3
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2CaO+SiO2→ 2CaOSiO2
CaO+Fe2O3→ CaOFe2O3
1100–1200°C
CaOFe2O3+3CaOAl2O3→ 4CaOAl2O3Fe2O3
1250 - 1480°C
2CaOSiO2+CaO → 3CaOSiO2
La composición final será de:
51% 3CaOSiO2
26% 2CaOSiO2
11% 3CaOAl2O3
12% 4CaOAl2O3Fe2O3
Reacciones de hidratación
2(3CaOSiO2) + (x+3)H2O → 3CaO2SiO2xH2O + 3Ca(0H)2
2(2CaOSiO2)+ (x+1)H2O → 3CaO2SiO2xH2O + Ca(0H)2
2(3CaOAl2O3)+ (x+8)H2O → 4CaOAl2O3xH2O + 2CaOAl2O38H2O
3CaOAl2O3 + 12H2O + Ca(0H)2 → 4CaOAl2O313H2O
4CaOAl2O3Fe2O3 + 7H2O → 3CaOAl2O36H2O + CaOFe2O3H2O
Estas reacciones son todas exotérmicas. La más exotérmica es la hidratación de
3CaOAl2O3, seguida de la de 3CaOSiO2, y luego 4CaOAl2O3Fe2O3 y finalmente
2CaOSiO2.
CARACTERISTICAS DEL PRODUCTO OBTENIDO Existe una gran variedad de cementos y cada uno posee características propias,
los cuales se presentan a continuación:
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1. Cemento Pórtland:
Cumple con las especificaciones físicas de la norma ASTM C150 para el cemento
tipo 1. Cemento hidráulico producido al pulverizar clinker y una o más formas de
sulfato de calcio como adición de molienda.
2. Cemento hidráulico modificado con puzolana
Cemento hidráulico que consiste en una mezcla homogénea de clinker, yeso y
puzolana (y otros componentes minoritarios), producida por molienda conjunta o
separada.
3. Cemento hidráulico modificado con escoria
Cemento hidráulico que consiste en una mezcla homogénea de clinker, yeso y
escoria granulada de alto horno (y otros componentes minoritarios), producida por
molienda conjunta o separada.
4. Cemento hidráulico de uso general
Cemento hidráulico que consiste en una mezcla homogénea de clinker, yeso y
otros componentes minerales producido por molienda conjunta o separada.
5. Modificaciones
Estos cementos pueden incluir las siguientes modificaciones, opcionales, las
cuales deberán ser indicadas en su empaque respectivo:
5.1 A: cemento hidráulico con resistencia al congelamiento (mediante dispersión
de burbujas de aire en el concreto producido).
5.2 AR: cemento hidráulico de alta resistencia inicial.
5.3 AS: cemento hidráulico de alta resistencia a los sulfatos.
5.4 BL: cemento blanco. Aquel cemento que cumpla con un índice de blancura
superior a 85 en el parámetro *L, de acuerdo a la norma UNE 80305:2001.
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5.5 BH: cemento hidráulico de bajo calor de hidratación (en caso de requerirse
una mayor cantidad de puzolana debe estar adecuadamente indicada, así como
debe existir una especificación aprobada por el cliente).
5.6 BR: cemento hidráulico de baja reactividad a los agregados reactivos a los
álcalis (deben cumplir con los parámetros para baja reactividad a los agregados
reactivos a los álcalis).
5.7 MH: cemento hidráulico de moderado calor dehidratación.
5.8 MS: cemento hidráulico de resistencia moderada a los sulfatos.
6. Cemento de albañilería; Cemento para mortero
Cemento hidráulico, usado principalmente en albañilería o en preparación de
mortero el cual consiste en una mezcla de cemento hidráulico o tipo Portland y un
material que le otorga plasticidad (como caliza, cal hidráulica o hidratada) junto a
otros materiales introducidos para aumentar una o más propiedades, tales como el
tiempo de fraguado, trabajo, retención de agua y durabilidad. Este cemento debe
cumplir con la norma ASTM C-91 (cemento de albañilería) y ASTM C-1329
(cemento para mortero) en su última versión.
APLICACIONES El cemento exhibe su mayor utilidad al ser transformado en concreto y mortero. El
primero surge básicamente de la combinación de cemento, gravilla, arena y agua;
mientras que el segundo resulta de mezclar cemento, arena y agua. Los concretos
sirven como elementos estructurales en la construcción, mientras que los morteros
sirven como materiales de pega en mampostería (paredes). El productor de
concreto está íntimamente vinculado con la industria del cemento, dado que éste
constituye su principal materia prima.
Por su parte, la industria de los prefabricados está dirigida a suplir gran variedad
de piezas de concreto de diferentes tamaños, peso y acabados, destinados a usos
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finales. En Venezuela, el tipo de piezas más fabricadas son los bloques de
concreto, adoquines, postes, tubos y algunos elementos de amoldamiento urbano.
LOCALIZACIÓN GEOGRÁFICA
Nacional
La distribución de las plantas de cemento en Venezuela es amplia, debido a la
necesidad de que éstas estén ubicadas cerca tanto de las fuentes de materias
primas como de los mercados de consumo, para evitar el encarecimiento causado
por el transporte. Es por eso que las plantas de cemento se encuentran en las
regiones fisiográficas de alto relieve del país –zonas de las cordilleras,
principalmente en la sección central de la Cordillera de la Costa–, las cuales,
además de ofrecer por su geología las materias primas –calizas y arcillas–
requeridas por la industria, han sido las zonas más densamente pobladas a través
de la historia del país.
La única excepción es la planta de Cemento Ordaz, que produce cemento
metalúrgico, el cual se obtiene mediante la mezcla de clínker de cemento artificial,
escorias de alto horno y un poco de sulfato de calcio.
A continuación se presenta una lista con las plantas de cemento existentes en el
país, señalando año de fundación, compañía y ubicación.
Cementos La Vega, Caracas, Distrito Federal (1907)
Cemento Carabobo, Valencia, Carabobo (1940)
C.A. Venezolana de Cementos, Barquisimeto, Lara (1945)
C.A. Venezolana de Cementos, Maracaibo, Zulia (1947)
C.A. Cementos Táchira, Palmira, Táchira (1948)
C.A. Venezolana de Cementos, Pertigalete, Anzoátegui (1949)
C.A. de Cementos, Coro, Chichiriviche, Falcón (1955)
Fábrica Nacional de Cementos, Ocumare del Tuy, Miranda (1970)
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Consolidada de Cementos, San Sebastián, Aragua (1970)
Cemento Guayana S.A., Puerto Ordaz, Bolívar (1970)
Cementos Caribe, luego Holcim, Puerto Cumarebo, Falcón (1972)
Cemento Catatumbo C.A., Villa del Rosario, Zulia (1979)
Cemento Andino (1980).
Es importante señalar que todas estas compañías han sido recientemente
nacionalizadas, por lo que muchas son conocidas actualmente con otros nombres,
aunque tengan las mismas ubicaciones.
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IMPACTO AMBIENTAL DE LA CAL Y EL CEMENTO
Aire
Gases de escape/gases de combustión
Durante la extracción y trituración de las materias primas del cemento y la cal
(principalmente piedra caliza, yeso y anhidrita), realizadas normalmente en
canteras, no se producen gases de escape.
Las materias primas del cemento se suelen secar al mismo tiempo de su
preparación y molienda, por lo que la humedad presente se desprende en forma
de vapor de agua inocuo. Durante la cocción de las materias primas, u obtención
del cemento, tiene lugar, por desprendimiento del dióxido de carbono (CO2)
contenido en la piedra caliza, la transformación de carbonato cálcico en óxido
cálcico. Así pues, las emisiones gaseosas de la cocción están formadas por el
CO2 de la descarbonatación, los gases de escape de los combustibles y también
vapor de agua en pequeña cantidad. En el gas desprendido pueden aparecer
también compuestos de azufre (generalmente en forma de SO2) y óxidos de
nitrógeno (NOx).
Las emisiones de vapor de agua y de CO2 son inherentes al proceso, mientras
que la aparición de compuestos de azufre puede reducirse drásticamente con el
uso de materias primas y combustibles adecuados y el control del proceso de
combustión. Hasta ciertos límites los componentes sulfurados son fijados por la
clinca del cemento durante la cocción.
Únicamente bajo condiciones operativas extraordinarias, por ejemplo, con exceso
de azufre en la materia prima y en el combustible, o con cocción reductora, puede
producirse aisladamente durante corto tiempo la emisión de cantidades de SO2
dignas de mención.
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La temperatura de llama en la fabricación de cemento puede alcanzar hasta
1800 C, con lo que se forman más óxidos de nitrógeno, por oxidación del
nitrógeno atmosférico, que en la cocción de cal.
En la industria del cemento se utilizan a menudo, como materiales combustibles
complementarios, aceites, disolventes, residuos de pintura, neumáticos viejos u
otros residuos combustibles. Estos productos de desecho suelen contener
contaminantes, pero normalmente éstos son fijados por la clinca y no pasan al gas
de escape. De utilizarse tales combustibles, hay que comprobar la marcha del
proceso mediante controles de seguridad especiales, a fin de evitar una emisión
de contaminantes adicionales.
En la cocción de cal, efectuada en instalaciones considerablemente más
pequeñas que la fabricación del cemento, se emite también CO2 con el gas de
combustión. Sin embargo, la cantidad de gas de escape es mucho menor que en
las fábricas de cemento, dado el tamaño de la instalación y las temperaturas de
cocción mucho más bajas requeridas por el proceso.
Al apagar la cal, el carbonato cálcico se transforma en hidróxido cálcico por
adición de agua. Parte del agua añadida se evacua de nuevo en forma de vapor
de agua, ya que el proceso es exotérmico. Pero este vapor de agua es inocuo.
Polvo
Durante la obtención y elaboración de cemento, cal y yeso, el proceso produce
polvo en diferentes fases de trabajo. En el cemento este polvo es una mezcla de
piedra caliza, óxido cálcico, minerales del cemento y a veces también cemento
totalmente cocido, mientras que en el yeso es anhidrita y, sobre todo, sulfato
cálcico. A excepción del polvo de CaO puro, que aparece en la cocción de la cal,
el polvo no es peligroso, pero sí muy molesto. En los distintos grupos de
producción y dispositivos de transporte de una fábrica de cemento hay que aspirar
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y despolvar 6 - 12 m³ de aire y gas de escape por kg de material. Entre las
mayores fuentes de polvo de una fábrica están:
- Molienda y mezclado de la materia prima.
- Cocción del cemento.
- Molienda del cemento (clinca + yeso).
- Apagado de la cal.
Es imprescindible el uso adecuado de instalaciones de aspiración y grupos
separadores de polvo eficaces, como precipitadores electrostáticos, filtros textiles,
filtros de gravilla y, frecuentemente combinados con estos últimos, ciclones, pues
en otro caso no está garantizada una gestión apropiada de la fábrica y los costos
por desgaste de las máquinas ascienden drásticamente, al tiempo que el alto
porcentaje de polvo afecta a los puestos de trabajo y supone también una pérdida
de producción.
La mayor parte del polvo separado se reconduce al proceso, siempre y cuando no
se esperen acumulaciones de componentes de metales pesados en el gas de
escape. Sólo bajo condiciones desfavorables de materia prima y de combustible
puede ser necesario separar y desechar parte del polvo, a causa de una alta
concentración de componentes perjudiciales en el producto, como los cloruros
alcalinos. En algunos casos aislados este polvo puede ser aprovechado en otros
sectores industriales. Si el polvo se deposita, dado que algunos de sus
componentes son solubles, deben observarse las exigencias de la protección de
aguas subterráneas en base a la solubilidad de los distintos componentes.
Ruido
Las fábricas de cemento ocasionan un impacto sonoro mucho mayor que las de
cal. Pero también esta tiene sectores de producción cuyos niveles de ruido son
considerables.
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En la extracción de materias primas pueden producirse durante corto tiempo
molestias de ruido a causa de explosiones y las consiguientes sacudidas. Pero
con procedimientos de detonación adecuados se pueden reducir en gran medida
estas emisiones de ruido. Asimismo las máquinas utilizadas hoy para la extracción
llevan la insonorización necesaria para cumplir con los lineamientos técnicos de
ruido.
Durante la preparación surgen ruidos molestos producidos, por ejemplo, por
quebrantadoras de impacto y molinos para el desmenuzamiento de materiales
duros. Estas instalaciones de trituración y las de preparación, asociadas se
pueden encapsular para que el medio ambiente quede protegido de impactos
sonoros graves. La mayor parte de molinos de materias primas y de cemento
producen un ruido tan intenso que han de instalarse en locales insonorizados
separados, donde no haya puestos de trabajo permanentes.
Las instalaciones de cocción necesitan numerosos ventiladores de gran tamaño
que originan ruidos muy penetrantes, por lo que también aquí hay que tomar
medidas contra el ruido, por ejemplo, en forma de encapsulaciones.
Para evitar molestias, las plantas de la industria de cal y de yeso y, sobre todo, del
cemento deben estar construidas como mínimo a una distancia de 500 m de las
zonas urbanizadas. La inmisión en urbanizaciones próximas no debe sobrepasar
50 hasta 60 dB(A) de día y 35 45 dB(A) de noche.
Agua
En el sector minero de la industria de cemento y la cal, el agua residual puede
contener 0,5 mg/L de materias sedimentables. Para no superar este valor, es
preciso pasar el agua surgida en la mina a través de tanques de reposo, y el agua
utilizada para lavar la piedra caliza siempre a través de tanques de sedimentación.
El agua superficial que surge en el entorno de las minas debe ser descargada
aparte.
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Las fábricas de cemento y de cal son a veces grandes consumidores de agua,
pero el proceso tecnológico no produce contaminación del agua. En las fábricas
de cemento se necesitan unos 0,6 m³ de agua por tonelada de cemento para la
refrigeración de las máquinas. La mayor parte de esta agua se encuentra en
circulación, por lo que sólo hay que reponer las pérdidas. En las instalaciones que
trabajan con el método seco también se consume agua para la refrigeración de los
gases de escape de los hornos, pudiéndose calcular un consumo neto aproximado
de 0,4 - 0,6 m³ de agua por tonelada de cemento. En las instalaciones que
trabajan con el método húmedo se necesita aproximadamente otro m³ por
tonelada de cemento para la molienda del lodo. Esta agua se desprende de nuevo
por evaporación.
En la industria de la cal se necesita agua para el apagado de la cal cocida (aprox.
0,33 m³/t de cal). Algunas fábricas de cal consumen, sobre todo cuando se exigen
calidades de gran pureza, otro m³ aprox. de agua por tonelada de cal para el
lavado de la piedra caliza bruta. Dependiendo del consumo, esta agua de lavado
se pasa a tanques de sedimentación o a piscinas de clarificación, donde las partes
finas se depositan y el agua residual se evapora, o a veces se reutiliza.
Suelo
En las inmediaciones de las fábricas de cemento y la cal, si el mantenimiento de
las instalaciones de separación de polvo es insuficiente, los suelos pueden
deteriorarse por el polvo que reciben.
Cierto es que en la fabricación del cemento se pueden introducir en el proceso
elementos traza con efectos potencialmente negativos sobre el medio ambiente, a
través de componentes de materia prima especiales, como mineral de hierro, o
actualmente también a través de materiales de desecho combustibles, cada vez
más utilizados. No obstante, estos contaminantes son absorbidos casi totalmente
en estado fundido por la clinca de cemento, formando enlaces químicos y
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contrarrestando así su efecto contaminante. Para evitar desde el principio posibles
perjuicios con el uso como combustible de componentes de materias primas
especiales o de productos de desecho de otras industrias, es preciso efectuar
análisis de los elementos traza de relevancia ambiental como plomo (Pb), cadmio
(Cd), teluro (Tl), mercurio (Hg), cinc (Zn), que se depositan en el polvo de filtros.
Llegado el caso, debe impedirse la acumulación de contaminantes en el proceso
con medidas técnicas adecuadas, por ejemplo, la separación del polvo.
Realizado por: Ing. Jhoanna Ramones. Marzo 2010.
CONCLUSIONES
El proceso para la obtención de la cal depende en gran medida de la
temperatura o el calor de cocción, determinando ésta el tipo de cal que se
requiere.
La piedra caliza es la única materia prima para la fabricación de la cal, y dicha
piedra se encuentra en gran magnitud a nivel nacional, debido a ello es una
industria que se podría desarrollar con un alto potencial.
La cal es un producto de grandes aplicaciones, es útil para la agricultura, la
construcción, la minería, la industria alimenticia, y para la fabricación de
productos como el vidrio, el papel, el acero entre otros.
El cemento constituyen uno de los productos más importantes a nivel mundial,
debido a que este es uno de los principales componentes del concreto que es
la materia base para fabricar cualquier tipo de edificación.
Las materias primas que se utilizan para la obtención del cemento, son
económicas y de fácil explotación debido a que son de gran abundancia en el
país.
El cemento es un producto muy versátil y se puede obtener un tipo para cada
aplicación específica que se desee.
El proceso para la obtención del cemento sigue una serie de pasos que son
utilizados por todas las empresas que lo fabrican sin muchas alteraciones. Es
un proceso cuyas fases iniciales es muy parecido al de la producción de cal.
El impacto ambiental de las industrias de cal y cemento, puede reducirse
drásticamente con la selección de tecnología adecuada y un riguroso control de
los procesos.
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REFERENCIAS ELECTRÓNICAS
http://www.grupocalider.com/indexa_archivos/aplicaciones.htm
http://www.grupocalider.com/Agricultura_archivos/ap-agricultura.htm
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http://www.grupocalider.com/Camaronicultura_archivos/ap-camaron.htm
http://www.economia.gob.mx/?P=1818
http://personales.ya.com/jesusgomez/orgaz/orgaz_calero_lacal.htm
http://es.wikipedia.org/wiki/Caliza
http://es.wikipedia.org/wiki/Cemento
http://www.cemento-hormigon.com/contenidoPag.asp?id_rep=888
http://wgbis.ces.iisc.ernet.in/energy/HC270799/HDL/ENV/envsp/Vol233.html
Realizado por: Ing. Jhoanna Ramones. Marzo 2010.
QUIMICA INDUSTRIAL
Realizado por: Ing. Jhoanna Ramones. Marzo 2010.
Fotos de la cementera del Estado Falcón
Holcim es una empresa dedicada a la producción de cemento, ubicada en la
población de Cumarebo, estado Falcón.
