UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIAFACULTAD DE CIENCIAS – DEPARTAMENTO DE QUÍMICA

PRINCIPIOS DE QUÍMICA INDUSTRIALINDUSTRIA DEL CEMENTO

Morales Cortes Juan Camilo; Tere Peña Claudia Patricia; Bryan Orlando Martinez Rojas

INTRODUCCIÓN

El cemento es una material inorgánico finamente pulverizado, que al agregarle agua, ya sea solo o mezclado con arena, grava, asbesto u otros materiales similares, tiene la propiedad de fraguar y endurecer, incluso bajo el agua, en virtud de reacciones químicas durante la hidratación y que, una vez endurecido, conserva su resistencia y estabilidad10.

Existen diferentes tipos de cemento los cuales varían según su composición, características y aplicaciones. Así, existen cementos para un amplio rango de necesidades de construcción. En la producción industrial del cemento se observan procesos que van desde la extracción de la piedra caliza, pasando por el trasporte de materias primas, trituración, pre-homogenización, almacenamiento y molienda de la materia prima, homogenización de la harina cruda, calcinación y molienda hasta su envase y embarque. En Colombia la industria del cemento se inicio gracias a la iniciativa de la familia Samper Agudelo quienes en 1905 comenzaron sus actividades de producción bajo el nombre de Cementos Samper. Ventidos años más tarde, la compañía Cementos Portland Diamante en Bogota inició su funcionamiento en 1927. Posteriormente, compañías como Cementos Argos de Medellín, Cementos Del Valle, Cementos del Caribe entre otros comenzaron sus actividades satisfaciendo las demandas de cemento a nivel nacional. Cabe destacar que el desarrollo de la industria del cemento en Colombia estuvo estrechamente ligado al desarrollo urbano que estaban experimentando las pequeñas ciudades. A pesar del gran impacto económico que tiene la industria del cemento hay que considerar el impacto ambiental que éste tiene sobre una población, ya que no se puede ignorar la gran cantidad de partículas de polvo que emite, el dióxido de carbono entre otros gases que degradan la calidad del aire.

El cemento es un material básico para la construcción de edificios y obras civiles. La producción de la industria cementera está directamente relacionada con el sector de la construcción en general y, por lo tanto, es un buen indicador de la situación económica global. En 1995, la producción de cemento en la Unión Europea alcanzó la cifra de 172 millones de toneladas, que equivale al 12% de la producción mundial2.

OBJETIVOS Exponer las generalidades de la producción industrial del cemento. Presentar una reseña acerca de la evolución de la industria química del cemento en Colombia. Enunciar las operaciones, materias primas, intermediarios, productos, subproductos y equipos

relacionados con la producción industrial del cemento.

1 www.imcyc.com/normas/414%20cemento%20hidraulico2.pdf2 http://www.find-pdf.com/buscar-Cemento+fabricacion.html

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CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL PROCESO3

1. Explotación de materias primas: De las canteras de piedra se extrae la piedra caliza y la arcilla a través de perforacion y detonación con explosivos, su impacto es mínimo, gracias a la alta tecnología empleada.

2. Transporte de materias primas: Una vez que las grandes masas de piedra han sido fragmentadas, se transportan a la planta en camiones o bandas.

3. Trituración: El material de la cantera es fragmentado en los trituradores, cuya tolva recibe las materias primas, que por efecto de impacto y presión son reducidas a un tamaño máximo de pulgada y media.

4. Pre-homogenización: Es la mezcla proporcional de los diferentes tipos de arcilla, caliza o cualquier otro material que se requiera dependiendo del tipo de cemento.

5. Almacenamiento de materias primas: Cada una de las materias primas es transportada por separado a depósitos en donde son dosificadas para la producción de diferentes tipos de cementos.

6. Molienda de materia prima: Se realiza por medio de un molino vertical de acero, que muele el material mediante la presión que ejercen tres rodillos cónicos al rodar sobre una mesa giratoria de moliendo. Se utiliza también para esta fase molinos horizontales, en cuyo interior es pulverizado por medio de bolas de acero.

7. Homogenización de harina cruda: Se realiza en sitios equipados para lograr una mezcla homogénea del material.

8. Calcinación: La calcinación es la parte esencial del proceso, donde se emplean grandes hornos rotatorios en cuyo interior, a 1400ºC, la polvo cruda se transforma en clinker, que son pequeños módulos gris oscuros.

Reacciones que ocurren en el horno:3CaO+Al2O3→3CaO Al2O3

2CaO+SiO2→2CaOSiO2

CaO+Fe2O3→CaOF e2O3

CaOF e2O3+3CaOAl2O3→4CaOA l2O3F e2O3

9. Molienda de cemento: El clinker es molido a través de bolas de acero de diferentes tamaños a su paso por las dos cámaras del molino, agregando el yeso para alargar el tiempo de fraguado (endurecimiento en contacto con el agua) del cemento

10. Envase y embarque del cemento: El cemento es enviado a los silos de almacenamiento; de los que se extrae por sistemas neumáticos o mecánicos, siendo transportado a donde será envasado en saco de papel.

3 http://www.cemexcolombia.com/content/publica/cemento/index.asp?subm=3&ns=dgeneral31.html&nsDer=gdralderecha3.html&submenu=submenu31.html9 www.icpc.org.co10 www.imcyc.com/normas/414%20cemento%20hidraulico2.pdf

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Figura 1: Etapas de producción de cemento8

INDUSTRIAS EN COLOMBIA4

No se puede hablar de la historia del cemento en Colombia sin desligarla de la historia del progreso que se inicio a principios del siglo XX. Debido a la iniciativa de la familia Samper Agudelo de introducir la electricidad en la capital de la república y con el desarrollo de las ciudades y la satisfacción de las necesidades que esto conlleva, entre estas un material indispensable para la construcción: el cemento. Las primeras construcciones como plantas eléctricas y embalses en las inmediaciones de Bogotá se elaboraron con cemento proveniente de Dinamarca, pero los pocos comerciantes que importaban este producto lo hacían en pequeñas cantidades dadas las dificultades del transporte y almacenamiento. Para ese entonces, las edificaciones aun se construían por métodos usados por los indígenas y los colonos españoles, como la tapia pisada.

Cementos SamperFue nuevamente la familia Samper Agudelo quienes en 1905 comenzaron la explotación de piedra caliza con fines industriales en las cercanías de Bogotá, montando una planta en el centro de la ciudad que producía alrededor de 40 toneladas en cada operación, siendo esta la primera fábrica de cemento de Colombia: Cemento Samper. Con el fin de mejorar la calidad del cemento se seleccionaron carbones en regiones cercanas a Bogotá y se mejoraron los sistemas de producción llegando a obtener cemento clase Portland.

En 1916 la recién constituida compañía de cemento Samper traslado su fábrica a la región La Siberia, donde estaban localizados yacimientos de piedra caliza. A finales de los años 20’s debido a la crisis

4 GUTIERREZ RODRIGUEZ, A. Orígenes y desarrollo de la industria química en Colombia. Ed. Guadalupe LTDA. Bogotá D.C. 2006. Pg. 93-116.

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económica mundial la Compañía de Cementos Samper sufrió una crisis económica, justo en el momento en que adelantaban adquisición de maquinaria. Aun así la empresa recibió capital de inversionistas colombianos los cuales hicieron posible la continuación de las obras por unos meses. Este capital no fue suficiente para continuar la construcción de la nueva fábrica en La Siberia, por lo cual se suspendieron totalmente las actividades en 1930. Gracias a una inversión extranjera se pudieron continuar las obras de construcción de la nueva fábrica hasta su terminación, comenzando la producción el 1 de abril de 1934.

Entre 1936 y 1945 cemento Samper y la compañía de cemento Portland Diamante se vincularon con el fin de estimular el consume del cemento creando una revista de nombre “CEMENTO” que enseñaba el modo de empleo en este producto en la construcción. Con el fin de mejorar la calidad y satisfacer las demandas de cemento del país la empresa fue proyectando mejoras progresivas para la producción y distribución del producto; en 1947, se adquirió un nuevo horno de 500 toneladas de capacidad; en 1963 comenzó la adquisición de filtros para los hornos, empacadoras automáticas, camiones y carro-tanques; en 1967 la empresa compró molinos de alta capacidad con lo cual la empresa aumento su producción hasta 1200 toneladas diarias.

A mediados de los 70’s la demanda de cemento aumento en el país debido al auge urbanístico, por lo cual la empresa contrato a varias firmas para realizar estudios los cuales tenían como objetivo el aumento de la producción de la empresa. Como resultado de estos estudios se concluyó que se deberían producir 1500 toneladas de clinker diarias, y el consumo de energía no podría exceder los 107kW/h por tonelada de cemento, y el consumo de energía calórico debía ser menor a 900kcal/kg de clinker.

En 1978 se inicio la construcción de la nueva planta de clinker en la región de La Esperanza, la cual culmino en abril de 1982, con lo cual la empresa situó la producción en 2000 toneladas diarias, con lo cual situó a la cementera Samper como la primera productora de cemento en Colombia, pero la posterior crisis económica hizo que la empresa entrara en declive financiero, llegando al borde de la quiebra en 1986.

A principios de los 90’s esta empresa se recupero debido a al repunte del sector de la construcción. Finalmente en 1996 la cementera mexicana CEMEX compro las dos principales industrias cementeras del país, Diamante y Cemento Samper.

Cementos Diamante En 1927 comenzó el funcionamiento de la Compañía de Cementos Portland Diamante en Bogotá. Después del montaje de la planta en la localidad de Apulo, municipio de Anapoima, la planta comenzó la producción en 1930 contando con instalaciones dirigidas a satisfacer la demanda de cemento del interior del país junto con cementos Samper. Rápidamente ganaron en calidad y economía, beneficiando las construcciones urbanas y rurales.

En 1944 se monto una nueva planta en Bucaramanga, trayendo equipos desde la planta de Apulo, con lo cual se abastecería de cemento a Boyacá, Santander, Norte de Santander y parte de la Costa Atlántica. Con esta creciente demanda la producción se igual a la de las demás cementeras. Las ampliaciones de la planta llevadas a cabo en 1948 lograron producir 400 toneladas diarias cumpliendo las exigencias de los consumidores de Cundinamarca, Tolima, Huila, Caldas y Valle del Cauca.

Compañía de Cementos Argos MedellínConsientes de que en el desarrollo de las ciudades colombianas el cemento juega un papel principal, un grupo de industriales antioqueños crearon la Compañía de Cementos Argos en Medellín, empresa que inicio labores en 1934. La producción inicial de la empresa fue de 100 toneladas diarias de cemento.

Cementos del ValleA orillas del rio Cauca en el municipio de Yumbo inicio operaciones la fábrica de Cementos del Valle en 1941. Esta empresa alcanzo una producción de 160000 toneladas anuales en 1949 para satisfacer la demanda de cemento de Caldas, Valle del Cauca, Cauca y Nariño.

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Cementos del CaribePor iniciativa de cementos Argos e inversionistas barranquilleros se iniciaron estudios técnicos de terreno en 1941 en Barranquilla y Puerto Colombia revelando materia prima para cemento de calidad. En 1949 entro en operación la empresa Cementos del Caribe iniciando con una producción de 350 toneladas por día. Dada la calidad del producto este fue conocido posteriormente como Súper Cemento Caribe.

Cementos Hércules S.AEl químico egresado de la Universidad Nacional (sede Bogotá) Guillermo Ronderos Guzmán, consiguió el apoyo de industriales Santandereanos para montar en San Gil la fábrica de cementos Hércules. Esta empresa ha perdurado por más de 50 años ya que desde sus inicios se concibió con visión: era una fábrica de cementos especiales para posos petroleros, pionera en su género en el país. En 1963 en colaboración con accionistas de Cementos Samper constituyeron Cementos del Norte S.A.

Cementos Boyacá S.ALa empresa Cementos Boyacá S.A fue fundada en 1955 en el municipio de Nobsa – Boyacá, dada su cercanía a los yacimientos de arcillas y calizas. Su idea fundamental fue la de producir cemento Portland y cemento siderúrgico aprovechando la escoria proveniente de la siderúrgica Paz del Rio, Pero esta idea solo se logro en 1976. El suministro al país de este tipo de cemento significo un avance para diversos tipos de construcciones.

A partir de 1999 han incursionado al mercado cuatro nuevas empresas en Colombia: Cementos Andino S.A., Concrecem S.A. (recientemente adquiridas por el Grupo Argos), Cementos Oriente S.A., Cementos Tequendama S.A. (comienza operaciones en abril de 2008), y otras más que están constituidas legalmente pero no han comenzado a operar.8

MATERIAS PRIMAS, PRODUCTOS INTERMEDIOS, PRODUCTOS FINALESMaterias primasExisten varias clases de cemento, sus propiedades y características varían dependiendo de la proporción que se agregue de cada materia prima. A pesar de que las composiciones de las materias primas del cemento varían de acuerdo con las necesidades, pueden enunciarse de manera general los siguientes componentes:

CaCO3 (Piedra caliza) SiO2 (Naturalmente o como aditivo) Al2O3 (Naturalmente o como aditivo)

FeCO3 (Naturalmente o como aditivo) CaSO4

Productos Finales Dependiendo del tipo de cemento el producto final puede tener diferentes composiciones:

Cemento Portland 64% óxido de calcio 21% óxido de silicio 5,5% óxido de aluminio 4,5% óxido de hierro

2,4% óxido de magnesio 1,6% sulfatos 1% otros materiales, principalmente

agua.

Cemento puzolánico 55-70% de clinker Portland 30-45% de puzolana (materiales

silíceos o alumino-silíceos)

2-4% de yeso

Cemento aluminoso 35-40% óxido de calcio 40-50% óxido de aluminio 5% óxido de silicio

5-10% óxido de hierro 1% óxido de titanio

Sin embargo, en el cemento estos compuestos no se encuentran como los óxidos anteriormente mencionados, sino como óxidos mixtos como los siguientes:

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CaOAl2O3

CaOSiO2

Al2O3Fe2O3

CaOAl2O3SiO2

A demás de estos existen otros tipos de cementos, aunque su composición no se encuentra reportada.

Las clases más comunes en Colombia son:

• Cemento Pórtland tipo 1: el cual es el más comercializado en nuestro país, se conoce como cemento gris y es usado principalmente en estructuras y obras.

• Cemento Pórtland tipo 1 especial (o modificado): Es considerado un cemento más resistente que el tipo 1, es utilizado generalmente por empresas constructoras.

• Cemento Pórtland tipo 2: Es un cemento usado generalmente donde hay presencia de sulfatos (ej. zonas cercanas al mar).

• Cemento Pórtland tipo 3: Es usado generalmente en prefabricados, y donde se requiere un rápido endurecimiento y buena resistencia.

• Cemento Pórtland tipo 4: se usa para estructuras grandes como presas de concreto, contiene aceptable resistencia a los sulfatos y a la humedad.

• Cemento Pórtland tipo 5: Contiene una altísima resistencia a los sulfatos, es esencial para las construcciones que tienen constante contacto con el agua de mar.

Los tipos de cemento que más se comercializan en nuestro país son el cemento tipo 1 y tipo 3. El primero se comercializa en sacos de 50 kilogramos, y representa alrededor del 75% de la demanda total del país. El segundo es comercializado a granel (venta directa y grandes cantidades) y generalmente es para usos industriales, este representa aproximadamente el 20% de la demanda nacional. El restante 5% se divide en los otros tipos.

IMPACTO AMBIENTAL DE LA INDUSTRIA DEL CEMENTO:

Uno de los procesos más contaminantes en la industria del cemento esta asociado con los hornos de calcinación ya que estos consumen una gran cantidad de energía para alcanzar las temperaturas necesarias y expulsan todo tipo de emisiones como partículas de polvo, gases como dióxido de azufre, óxidos de nitrógeno, monóxido y dióxido de carbono, sin olvidar los cloruros, fluoruros, compuestos orgánicos tóxicos y metales pesados. Recordemos que el gas dióxido de carbono es uno de los principales responsables del efecto invernadero producido por el cambio climático. Es por esta razón que la industria del Cemento tiene un gran impacto negativo al medio ambiente a pesar de su gran impacto económico5. Una forma de reducir la emisión de partículas de polvo con el objeto de no afectar la salud de una población aledaña es el uso de filtros de bolsa en los hornos. De igual forma, es necesario el uso de recolectores mecánicos de polvo en zonas donde se encuentren los trituradores, transportadores, sistema de carga, etc. En suma, las empresas encargadas de la producción de cemento deben comprometerse con el uso de procesos que garanticen la sostenibilidad ambiental y la reducción en los impactos en la salud.

DIAGRAMA DE FLUJO GENERAL, CORRIENTES DE ENTRADA Y SALIDAVer anexo A

OPERACIONES UNITARIAS Y PROCESOS UNITARIOS

1. Extracción y molienda de la materia prima: extracción de la materia prima desde la cantera. 2. Homogeneización de la materia prima: reducción de las piedras extraídas a un tamaño

aproximado al de una pelota de golf. (Mezcla)3. Enfriado del clinker, se transporta por una banda a través de un flujo de aire. (Evaporación)4. Triturado del clinker, se tritura con un molino rotatorio de esteras de acero.

5http://www.ecologiaverde.com/el-cemento-debe-reducir-su-impacto-ambiental/

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5. Mezclado del clinker con yeso. (Mezcla)

CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS EQUIPOS EMPLEADOSEntre los equipos utilizados para la fabricación del cemento se encuentran trituradoras, hornos calcinadores, bandas transportadoras, empacadoras, etc.

Triturador cónico6: Básicamente consisten en un eje vertical largo articulado por la parte superior a un punto (spider) y por la parte inferior a un excéntrico. Este eje lleva consigo un cono triturador. Todo este conjunto se halla ubicado dentro del cóncavo o cono fijo exterior. El conjunto, eje y cono triturador se halla suspendido del spider y puede girar libremente (85 – 150 rpm), de manera que en su movimiento rotatorio va presionando las partículas que entran a la cámara de trituración (espacio comprendido entre el cono triturador y el cóncavo) fragmentándolas continuamente por compresión.

Molino de bolas7: Es una herramienta eficiente para la pulverización de muchos materiales en polvo fino. El molino de bolas es usado para moler muchos tipos de minerales y otros materiales. El Molino de bolas es un equipo clave para la re-pulverización.

El triturador de bolas funciona haciendo que el cuerpo del barril gire y luego produzca una fuerza centrífuga, en ese momento, las bolas de acero son llevadas hasta cierta altura y caen para moler y golpear los materiales. Después de ser molidos de forma gruesa en el primer compartimiento, los materiales entran en el segundo compartimiento para ser re molidos con las bolas de acero. Al final, el polvo es descargado hacia la salida de materiales.

Calcinadores8:

6 http://www.monografias.com/trabajos69/trituracion-mineral/trituracion-mineral2.shtml7 http://es.sbmchina.com/ball_mill.html8 RAMAYO RAMOS, M. Dimensiones de un horno rotatorio para la producción de clinker de cemento Portland. Universidad de Cádiz. Febrero 2008. Pg 1-3. 8 http://www.javeriana.edu.co/biblos/tesis/economia/tesis16.pdf

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Figura 2. Triturador de bolas

Figura 1. Triturador cónico

El horno rotatorio empleado para la producción de clinker de cemento, como unidad central del proceso, no se encuentra aislado, sino que se encuentra interconectado dentro del engranaje de operaciones básicas y unidades existentes en una planta de producción de cemento Portland. El crudo procedente del molino a 70º C pasa a un intercambiador de ciclones de cuatro etapas donde es calentado mediante los gases de combustión generados en el horno rotatorio que se encuentran a 340º C.

Una vez que el material ha pasado por la última etapa del intercambiador de ciclones, se introduce en un pre-calcinador antes de constituir la alimentación del horno rotatorio. En este pre-calcinador, el material crudo es descarbonatado y calcinado casi en su totalidad mediante corriente cruzada con los gases del horno a 1500º C. Posteriormente, el crudo descarbonatado llega al tubo del horno rotatorio donde se alcanzan las temperaturas lo suficientemente elevadas como para que se lleven a cabo las reacciones de sinterización responsables de la formación del clinker. En el horno rotatorio, el material alcanza la temperatura de 1450º C y los gases de combustión una temperatura de 2000º C. Finalmente, el clinker es enfriado en un enfriador de parrilla utilizando una corriente de aire de 22º C, hasta que la temperatura de éste desciende hasta unos 140º C.

Producción de cemento: Vía HúmedaOtra alternativa para la preparación de cemento, es a través de la vía húmeda. A diferencia del proceso por vía seca, en este proceso se realiza la molienda de las materias primas y la posterior homogenización en presencia de agua. En el calcinador esta agua se retira por evaporación, lo cual implica un gasto adicional de energía, siendo necesaria la utilización de un calcinador de mayor longitud. Una ventaja del proceso húmedo, con respecto al proceso seco, es la disminución en la emisión de partículas a la atmosfera, lo cual puede tener implicaciones ambientales, tanto en poblaciones humanas como en ecosistemas.

CONCLUSIONES

1. El proceso de elaboración del cemento es sencillo ya que involucra una sola reacción química con un alto rendimiento.

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Figura 3. Horno rotatorio

2. La producción de cemento vía húmeda implica aumento de costos energéticos, por ende también en los costos de producción, pero a veces es necesaria para evitar desequilibrios ya sea en ecosistemas o en poblaciones aledañas.

3. El nacimiento de la industria cementera en Colombia, fue un hecho paralelo al desarrollo urbano e industrial del país.

4. Una forma muy eficiente de economizar en gastos de producción es montar la planta de fabricación en inmediaciones a la cantera.

5. El rendimiento de esta reacción es alto: una evidencia de esto es que en este proceso no necesita de recirculación en el reactor.

6. A pesar del gran impacto económico que tiene la industria del cemento hay que considerar el impacto negativo al medio ambiente y a la salud.

7. Las empresas encargadas de la producción de cemento deben comprometerse con la adecuación de procesos que minimicen el impacto ambiental y mejoren las condiciones de salud de las poblaciones aledañas.

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