Fabricación del Clinker: Materias Primas y Proceso

1. Materias Primas

La fabricación del clinker comienza con la selección de materias primas adecuadas, principalmente:

• Caliza y arcilla.
• Margas (combinación natural de caliza y arcilla).

En ocasiones, se añaden otros materiales para ajustar la composición química:

• Sílice o arena: Para incrementar la proporción de silicatos.
• Bauxita pobre: Para aumentar los componentes fundentes.
• Mineral de hierro: Aporta fundentes, pero se debe controlar la cantidad de alúmina.

Las materias primas se muelen finamente para reducir el tiempo de clinkerización y se mezclan según la dosificación requerida. La molienda, dosificación y mezcla pueden realizarse simultáneamente en un molino tubular.

Para determinar las proporciones correctas, se analiza la composición química de cada componente. Se verifica que los módulos silícico y de fundentes estén dentro de los límites normales. Si no es así, se busca otra materia prima que compense la diferencia. El cálculo de proporciones se puede hacer con la regla de carbonatos, aunque el método gráfico es común cuando se dosifican tres componentes.

2. Cocción

Una vez que el crudo (mezcla de materias primas) está bien mezclado, dosificado y molido, se procede a la cocción para obtener el clinker. Este proceso se lleva a cabo en un horno, que puede ser:

• Vertical: Menor consumo de combustible, pero menos flexible.
• Rotatorio: Indispensable para instalaciones flexibles, producción de cemento de alta calidad y grandes volúmenes.

Los hornos rotatorios son cilindros de acero revestidos internamente con ladrillos refractarios. Tienen aproximadamente 70 metros de longitud y un diámetro de unos 2.5 metros, con una inclinación de unos 40 mm/m.

El proceso en el horno rotatorio se desarrolla de la siguiente manera:

1. El mechero, ubicado en el extremo inferior del horno, se alimenta con carbón o fuel oil.
2. El crudo seco se introduce por el extremo superior.
3. Debido a la inclinación y rotación del horno, el crudo avanza hacia el mechero.
4. A medida que el crudo se desplaza, experimenta un aumento de temperatura y transformaciones físicas y químicas:

2.1 Transformaciones Físicas y Químicas

1. Deshidratación de la arcilla: La arcilla se transforma en metacaolín a unos 600°C. Los compuestos de hierro presentes en la arcilla se convierten en óxido de hierro.
2. Disociación de la caliza: La caliza (CaCO3) se descompone en óxido de calcio (CaO) y dióxido de carbono (CO2) a unos 900°C. El carbonato de magnesio (MgCO3) se descompone a unos 800°C. Todas estas reacciones son endotérmicas (absorben calor).
3. Formación de la fase líquida: A partir de los 1250°C, se inicia la formación de una fase líquida debido a la fusión de los óxidos de hierro y aluminio. En esta fase líquida ocurren las reacciones entre la cal y la arcilla.

2.2 Reacciones de Sinterización

Las reacciones de sinterización que tienen lugar son:

1. Formación de ferritoaluminato tetracálcico (C4AF): Cada mol de óxido de hierro (Fe2O3) reacciona con un mol de óxido de aluminio (Al2O3) y cuatro moles de óxido de calcio (CaO) para formar C4AF.
2. Formación de aluminato tricálcico (C3A): Si la proporción molar de Al2O3 es mayor que la unidad, el exceso de alúmina se combina con CaO en una relación 1:3 para formar C3A.
3. Formación de silicato bicálcico (C2S): Una vez que se ha saturado la cal de los óxidos de hierro y aluminio, el dióxido de silicio (SiO2) reacciona con el CaO para formar C2S.
4. Formación de silicato tricálcico (C3S): El CaO restante se combina con el C2S para formar C3S. Si hay un exceso de cal, queda como cal libre (CaO). Si hay una deficiencia, se forman proporciones menores o mayores de ambos silicatos.

3. Constituyentes del Clinker

Los constituyentes principales del clinker de cemento son:

• Silicato tricálcico (C3S)
• Silicato bicálcico (C2S)
• Ferritoaluminato tetracálcico (C4AF)
• Aluminato tricálcico (C3A)

4. Optimización Energética

Las reacciones de clinkerización ocupan una pequeña porción del horno. La longitud del horno se debe principalmente a la necesidad de recuperar el calor del combustible, ya que este representa más del 50% del costo final del cemento. Existen diversos sistemas para recuperar el calor de los gases y del clinker, dada la importancia de la eficiencia energética en la fabricación del cemento.

La cocción será menos exigente en tiempo y temperatura cuanto:

• Mayor sea la finura de la molienda.
• Menor sea la dosificación de cal.
• Mayor sea la proporción de óxidos fundentes (Fe2O3 y Al2O3), dentro de ciertos límites. Estos óxidos se denominan fundentes porque su fusión crea una fase líquida que disuelve la cal y la sílice, facilitando su combinación.

El tiempo de cocción se controla ajustando la velocidad de rotación del horno. Un tiempo insuficiente puede dejar cal sin combinar, lo cual es perjudicial debido a las expansiones que puede causar durante el fraguado del cemento. También puede resultar en sílice libre, disminuyendo el contenido de silicatos cálcicos.

5. Enfriamiento

La composición del clinker al salir del horno debe «congelarse» mediante un enfriamiento rápido. De lo contrario, el C3S puede descomponerse en C2S y cal libre por debajo de 1275°C. La cal libre no es deseable porque se hidrata lentamente, causando expansiones y fisuras. El enfriamiento se realiza con una corriente de aire, a menudo en cilindros rotatorios. El aire precalentado resultante se utiliza para la combustión del combustible, mejorando la eficiencia energética.