Para fabricar cemento es necesario extraer diferentes minerales. La piedra caliza (que contiene la mineral calcita), la arcilla y el yeso constituyen la mayor parte. El Servicio Geológico de Estados Unidos señala que las materias primas del cemento, especialmente la caliza, están geológicamente muy extendidas y (afortunadamente) son abundantes. En 2022, la producción de cemento Portland en EE.UU. aumentó ligeramente hasta una cifra estimada de 92 millones de toneladas, y la producción de cemento para albañilería aumentó hasta una cifra estimada de 2,5 millones de toneladas, según el Resumen de Materias Primas Minerales del Cemento 2023 del Servicio Geológico de EE.UU. El valor global de las ventas de cemento fue de unos 14.600 millones de dólares, y se estima que entre el 70% y el 75% de las ventas se realizaron a productores de hormigón premezclado, el 11% a fabricantes de productos de hormigón, entre el 8% y el 10% a contratistas, y entre el 5% y el 12% a otros tipos de clientes.
El Resumen de Minerales también señalaba que “el cemento no se recicla, pero cantidades significativas de hormigón se reciclan para su uso como árido de construcción. Los hornos de cemento pueden utilizar combustibles residuales, polvo de horno de cemento reciclado y materias primas recicladas como escorias y cenizas volantes. Varios materiales secundarios pueden incorporarse como materiales cementantes suplementarios (SCM) en cementos mezclados y en la pasta de cemento del hormigón”.
Existen más de veinte tipos de cemento utilizados para fabricar diversos tipos de hormigón especial, aunque el más común es el cemento Portland.
Cómo se fabrica el cemento
La fabricación de cemento es un proceso complejo que comienza con la extracción y posterior molienda de materias primas, como la piedra caliza y la arcilla, hasta obtener un polvo fino, denominado crudo, que se calienta a una temperatura de sinterización de hasta 1.450 °C en un horno de cemento. En este proceso, los enlaces químicos de las materias primas se rompen y luego se recombinan en nuevos compuestos. El resultado se llama clínker, que son nódulos redondeados de entre 1 mm y 25 mm de diámetro. El clínker se tritura hasta obtener un polvo fino en un molino de cemento y se mezcla con yeso para crear cemento. El cemento en polvo se mezcla después con agua y áridos para formar el hormigón que se utiliza en la construcción.
La calidad del clínker depende de la composición de la materia prima, que debe controlarse de cerca para garantizar la calidad del cemento. Un exceso de cal libre, por ejemplo, provoca efectos indeseables como la expansión del volumen, el aumento del tiempo de fraguado o la reducción de la resistencia. Pueden emplearse varios sistemas de laboratorio y en línea para garantizar el control del proceso en cada etapa de la fabricación del cemento, incluida la formación del clínker.
Cómo pueden ayudar los fabricantes de cemento a garantizar la calidad del cemento
Desde la mina de piedra caliza hasta la trituración, la mezcla, el molino de crudo, el horno y más allá, el análisis elemental es un componente crítico para impulsar el control del proceso, la eficiencia y productos finales de mayor calidad. Los potentes analizadores pueden ayudarle a comprender mejor la composición de sus materias primas y proporcionarle un mayor control sobre los procesos de producción posteriores.
Los analizadores XRF portátiles pueden identificar la composición del material y los contaminantes u obtener datos geoquímicos sobre el terreno o en cualquier lugar de la planta. Los sistemas de fluorescencia de rayos X (XRF) de laboratorio son utilizados por los laboratorios de control de calidad del cemento para determinar los óxidos principales y secundarios en el clínker, el cemento y las materias primas, como la caliza, la arena y la bauxita.* Los sistemas combinados de fluorescencia de rayos X (XRF) y difracción de rayos X (XRD) realizan ambos análisis de fases químicas para una caracterización más completa de la muestra. El análisis de las fases del clínker garantiza una calidad constante del clínker. Estos instrumentos pueden equiparse con varios monocromadores de FRX para el análisis de los óxidos principales y un sistema compacto de difracción de rayos X (DRX) capaz de medir el cuarzo en el crudo, la cal libre (CaO) y las fases del clínker, así como la calcita (CaCO3) en el cemento.
Los analizadores de banda transversal basados en la tecnología PGNAA (Prompt Gamma Neutron Activation Analysis) proporcionan un análisis elemental en línea de alta frecuencia de todo el flujo del proceso de materias primas. Los analizadores que utilizan PGNAA/PFTNA se sitúan directamente en la cinta transportadora y penetran en toda la sección transversal de la materia prima, proporcionando una medición uniforme minuto a minuto de todo el flujo de material, no sólo una lectura de muestra o de superficie. Los componentes elementales clave del cemento son el calcio, el aluminio, el hierro y el silicio. Sin embargo, a veces existen elementos no deseados, como óxido de magnesio, y álcalis, como sodio, potasio y azufre, dentro de la piedra caliza, la arcilla y la arenisca, que son adversos para el proceso. En estos casos, la tecnología PGNAA permite al usuario final controlar los niveles de MgO en la caliza y ajustarlos en consecuencia.
La precisión de la producción de cemento también depende de los sistemas de básculas de cinta para controlar la producción y el inventario o regular la carga de producto, así como de detectores de metales vagabundos para proteger los equipos y mantener el buen funcionamiento de la operación. El diagrama de flujo del proceso de fabricación de cemento resume en qué punto del proceso cada tipo de tecnología marca la diferencia.
Los operadores de cemento también utilizan estos sistemas de análisis para analizar y ajustar la mezcla de carbón en el proceso, lo que permite a la planta reducir el consumo de energía utilizando exactamente la cantidad de combustible de carbón necesaria para alcanzar los valores caloríficos específicos requeridos para procesar los materiales en el horno y el molino. El material de alimentación del horno con grandes variaciones químicas requiere más combustible para reaccionar correctamente y más energía en el molino de acabado para moler el clínker que reacciona en exceso.
Recursos Adicionales:
- Recursos web: Tecnología y Soluciones para Mejorar la Fabricación de Cemento
- Nota de Aplicación: Análisis de Clinker y Cemento con el Espectrómetro Secuencial WDXRF ARL OPTIM’X de Thermo Scientific para aprender por qué la FRX es la técnica de elección para el análisis elemental en la industria del cemento.
- Artículo de blog: La Instrumentación Combinada XRF/XRD Puede Proporcionar un Control de Calidad Completo del Clinker y Cemento para aprender más sobre la tecnología que combina las ventajas de XRF y XRD juntas.
- Artículo de blog: PGNAA Mejora el Proceso y Control de Calidad en la Producción de Cemento para aprender qué hace que PGNAA sea especialmente adecuado para el análisis de cemento.
Nota del Editor: Este artículo fue publicado originalmente el 20/8/15 bajo el autor Darrell Leetham, pero ha sido actualizado y enriquecido con nueva información.
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