MATERIAS PRIMAS , ADITIVOS Y RECURSOS NATURALES DEL PROCESO DE PRODUCCION DE CEMENTO.

MATERIAS PRIMAS.

Para fabricar cemento pueden utilizarce tanto minerales de origen natural como productos industriales. Como materiales de partida sirve sustancias minerales, que contienen los componentes principales del cemento : cal, sílice, alúmina y óxidos de hierro. Estos componentes raramente se encuentran en proporciones deseadas, en una sola sustancia. Por tanto la mayoría de las veces se ha de elegir mezcla de un componente rico en cal (componente calcáreo ) con otro pobre en cal pero que contiene más alúmina y óxido de hierro (componente arcilloso). Estos dos componentes son, por regla general, la caliza y la arcilla o la caliza y la marga.

Componente calcáreo. Los componentes calcáreos más importantes son : Caliza, Creta y marga.

Caliza. El carbonato cálcico (CaCO₃) abunda en la naturaleza. Para fabricar cemento portland es adecuado el procedente de todas las formaciones geológicas. Las formas más puras de la caliza son el espato calizo (calcita) y el aragonito. El espato calizo critaliza en el sistema hexagonal y el aragonito, en el rómbico. El peso específico del espato calizo, de grano macroscópico, es el mármol. Sería antieconómico emplear mármol para fabricar cemento.

Las formas más comunes del carbonato de calcio y más parecidas al mármol están constituidas por la caliza y la creta. La caliza posee, por lo general, estructura cristalina de grano fino. La dureza de la caliza viene determinada por su edad geológica ; Cuanto más antigua es la formación tanto más dura suele ser la caliza. La dureza de la caliza está comprendida entre 1.8 y 3.0 de la escala de Mohs ; su peso específico varía de 2.6 a 2.8. Solamente los yacimientos de caliza muy pura son blancos.

La creta. La creta es una roca sedimentaria, formada durante el cretácico y geológicamente es, en cierto modo, joven. En oposición a la caliza, la creta posee una estructura suelta, térrea ; esta propiedad califica a la creta, de modo especial, para la fabricación del cemento por vía húmeda. Como la extracción de la creta no exige explosivos ni tampoco se ha de triturar, el coste de este componente disminuye de modo considerable el de la fabricación del cemento.

En el crudo para cemento el componente calcáreo alcanza una cuantía del 76-80%. Por consiguiente, las propiedades físicas de este componente tiene una influencia decisiva en la elección del proceso de fabricación del cemento y de los dispositivos de su realización.

La marga. A las calizas que van acompañadas de sílice y productos arcillosos, así como de óxido de hierro, se les llama margas. Las margas forman el paso de transición a las arcillas. Debido a su abundancia, las margas se utilizan con mucha frecuencia como materia prima para la fabricación de cementos.

Geológicamente , son rocas sedimentarias originadas por la deposición simultánea de carbonato de calcio y de material arcilloso. La dureza de la marga es menor que la de la caliza ; cuanto más elevada es su concentración en material arcilloso, tanto menos dureza presenta. A veces, las margas contienen sustancias bituminosas.

Componentes de la Arcilla. La segunda materia prima importante para la fabricación de cemento es la arcilla. Las arcillas , en esencia, son productos de meteorización de silicatos de los metales alcalinos y alcalinotérreos, en particular de los feldespatos y micas.

La parte principal de las arcillas está formada por hidro-silicatos de alúmina. El punto de fusión de las arcillas se halla entre los límites de 1150 grados centígrados

La composición química de las arcillas varía desde aquellas que se aproximan a los minerales puros de la arcilla hasta ver que contienen agregados de hidróxido de hierro, sulfuro de hierro, arena, carbonato de calcio, etc. El hidróxido de hierro es el componente colorante más frecuente de las arcillas.

Componentes Correctores. Los componentes correctores se añaden en los casos en que las materias primas disponibles no contienen en cantidad suficiente uno de los químicamente necesarios en el crudo. Así, se aplica por ejemplo, arena como material adicional para elevar el contenido en anhídrido silicio, o también arcillas de muy alto contenido en Si₂O. Si carecen de los suficientes óxidos de hierro se utilizan como correctores minerales de hierro o cenizas de la tostación de piritas.

Componentes Adicionales a las Materias Primas. En este ítem se nombran aquellos materiales cuyas cuantías están condicionadas por normas legales o por valores obtenidos experimentalmente.

• Oxido de Magnesio
• Alcalis (K₂ O y Na₂O)
• Azufre
• Cloruros
• Fluoruros
• Fósforo

ADITIVOS.

En la tecnología de los cementos existe un buen numero de aditivos los cuales son adiciones que proporcionan ciertas características. Cualquier componente aparte del agregado es, por definición , un aditivo.Tabla 1.

TABLA 1. Aditivos para cementos portland regulares.

Para los cementos portland especiales los aditivos pueden afectar las características de la lechada en muchas formas, como se muestra en lo siguiente :

• La densidad puede variar de 6.0 a 21.0 lbm/gal.
• La resistencia a la compresión puede variar de 200 a 20000 psi.
• El tiempo de fraguado puede ser retardado o acelerado para producir un cemento que fragüe en pocos segundos o permanezca fluido más de 36 horas.
• La filtración del cemento puede ser reducida a 25 cm³ /30min.
• Las propiedades de flujo pueden ser variadas en un amplio rango.
• El cemento fraguado puede hacerse resistente a la corrosión volviéndolo más denso o variando su composición química.
• Se pueden agregar agentes granulados, fibrosos, hojuelas o geles para controlar la pérdida de cemento por las formaciones.
• Se le puede impartir elasticidad al cemento mediante la incorporación de fibras en la composición de la lechada.
• Se puede controlar la permeabilidad en pozos de baja temperatura mediante la densificación.
• Se pueden reducir los costos, dependiendo de los requerimientos del pozo y de las propiedades deseadas.
• El cemento fraguado puede ser expandido por el uso de yeso o cloruro de sodio de ambos a la vez.
• El calor de hidratación puede ser controlado por el uso de arena, cenizas volátiles o bentonita en combinación con agua.

Los aditivos para cementos se clasifican de la siguiente manera:

Acelerantes: Se utilizan para pozos poco profundos y de bajas temperaturas para acortar el tiempo de fraguado, y para incrementar la resistencia temprana, particularmente a temperaturas por debajo de los 100ºF. Su efecto se debe principalmente a su higroscopicidad.

Aditivos de peso ligero: Las lechadas de cemento puro, cuando se preparan de cementos clase A, B, G o H con la cantidad de agua recomendada, tendrán un exceso de peso de unas 15 lbm/gal. Muchas formaciones no pueden soportar las largas columnas de cemento de esta densidad. Estos aditivos se utilizan para reducir el peso de la lechada, además la hacen más barata, incrementan su rendimiento y en algunos casos disminuyen las pérdidas por filtración. El peso de la lechada puede ser rebajado mediante la adición de agua, sólidos de baja gravedad específica o ambos.

Aditivos de peso pesado: Para compensar las altas presiones encontradas en pozos profundos, se requieren lechadas de alta densidad. Para incrementar la densidad de la lechada de cemento, el aditivo debe tener una gravedad específica en el rango de 4.5 a 5.0, un requerimiento de agua muy bajo, reducir de manera poco significativa la resistencia del cemento, tener muy poco efecto sobre el tiempo de bombeo del cemento, tener una distribución uniforme de tamaños de partícula, ser químicamente inerte y compatible con otros aditivos y no interferir con la extracción del crudo.

Retardantes: En el rango de profundidad de 6000 a 25000 pies se encuentran temperaturas estáticas de fondo de 170 a 500ºF. Para prevenir el fraguado rápido del cemento se deben añadir retardantes a la lechada, la cual tendrá un buen comportamiento a aproximadamente 8000 pies máximo. Estos aditivos presentan problemas de compatibilidad con otros, debido a la cantidad de agua contenida en estos. Los materiales con amplias superficies generalmente presentan altos requerimientos de agua, por lo tanto absorben gran cantidad de retardante, y el agua adicional diluye el retardante y disminuye su efectividad. Los principales retardantes son ligninas, pastas, almidones, ácidos orgánicos débiles y derivados de la celulosa.

Aditivos para controlar la circulación perdida: La circulación perdida se define como la pérdida de lechada en fracturas que presenten las paredes del pozo. Generalmente se utilizan los siguientes pasos para combatir la circulación perdida:

• Reducir la densidad de la lechada.
• Adicionar un material puente o conector.
• Adicionar nitrógeno al sistema de lodos.

Aditivos para control de filtración: Las pérdidas por filtración de las lechadas de cemento se rebajan con aditivos que:

• Prevengan la deshidratación prematura o pérdida de agua contra zonas porosas.
• Protejan las formaciones sensitivas.
• Mejoren el empaquetamiento del cemento.

Las principales funciones de los aditivos para control de filtración son:

• Formar películas que controlen el flujo de agua de la lechada, y prevengan la deshidratación rápida.
• Mejorar la distribución de tamaños de partícula, lo cual determina cómo se atrapa el líquido en la lechada.

Reductores de fricción o dispersantes: Los agentes dispersantes se adicionan para mejorar el flujo. Las lechadas dispersadas tienen menor viscosidad y pueden ser bombeadas en turbulencia a bajas presiones, minimizando la potencia requerida de la bomba, y reduciendo los chances de que haya circulación perdida y deshidratación prematura.

Aditivos especiales:

Descontaminantes de lodo: Se utiliza generalmente paraformaldehido o una mezcla de éste con cromato de sodio. Estos aditivos minimizan los efectos retardantes de algunos químicos presentes en los lodos. Son utilizados generalmente en trabajos de cementación primaria.

Rastreadores radioactivos: Son isótopos añadidos para marcar tapones de cemento y malas disposiciones del empaquetamiento del mismo, los cuales pueden ser detectados por ciertos aparatos en la superficie.

Matices para el cemento: Son colores utilizados como indicadores para identificar las clases de cemento así como los aditivos presentes.

Hidracina: Es un aditivo utilizado para tratar la columna de lodo sobre el cemento para minimizar los problemas de corrosión en la parte no cementada del hueco. Es un recolector de oxígeno.

Fibras en el cemento: Estos materiales sintéticos reducen los efectos de la destrucción parcial causada por la perforación. La fibra más usada es el nylon, la cual da resistencia al impacto y un alto esfuerzo tensil al cemento.

Aditivos de yeso: Estos aditivos contribuyen a dar un fraguado instantáneo para controlar la circulación perdida, propiedades tixotrópicas y propiedades de expansión en el cemento fraguado.

Mezclas que previenen las fugas de gas: Los tres métodos más exitosos para minimizar o eliminar las fugas de gas son, el uso de lechadas de cemento compresibles, el uso de lechadas altamente tixotrópicas, y el control de la pérdida de fluidez dentro del sistema de cementación. Las lechadas compresibles utilizan un aditivo que funciona incrementando la compresibilidad del cemento de manera que la pérdida de volumen puede ser parcialmente compensada por la expansión de un gas que entra.

RECURSOS NATURALES.

Los recursos naturales empleados en la industria del cemento son : la caliza , la arcilla, mineral de hierro , aire, agua , yeso, carbón , gas natural , arena. Los cuales se presentan en la tabla 2, con su respectivo uso en el proceso de producción de cemento.

TABLA 2. Usos de los recursos naturales.

El Carbón. Los combustibles sólidos se componen de partes orgánicas y minerales. Entre ellos se tiene el carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N), el azufre (S) y las cenizas. Las cenizas del carbón pueden contener cuantitativamente los componentes siguientes: del 15-21 % de Al₂O₃; del 25-40%, SiO₂; del 20-45% Fe₂O₃; del 1-5% CaO; del 0.5-1%, MgO y del 2-8% SO₃. En algunos carbones, el contenido de cloruros varía entre 0.01 y el 0.1% para carbones ricos en cenizas, hasta el 0.5%. El contenido de fluoruros de los carbones es de 0.02% como máximo.Las cenizas de los lignitos contienen un 25-40% de CaO; un 3-10% de Al₂O₃, un 0.5-5% de MgO y hasta un 40% de SO₃. Aparte de los componentes minerales, las cenizas del carbón contienen sales (cloruros y sulfatos), componentes volátiles, tales como agua de cristalización en los minerales de la arcilla, en los sulfatos (yeso) y en algunas sales; aparte de ella, también anhídrido carbónico en los carbonatos y gas sulfuroso en los sulfatos. Tabla 3.

TABLA 3. Composición elemental del carbón y del coque.

Los componentes combustibles son el carbono, el hidrógeno y el azufre; en la combustión estos elementos se combinan con el oxígeno del aire y por ello se genera calor. Cuanto mayor es la proporción de estos componentes en el combustible, tanto más elevado es el calor de combustión. Cuando se valora un combustible, únicamente se tiene en cuenta el carbono y el hidrógeno que contienen. El azufre, aunque arde, no se desea que esté en el combustible, puesto que al quemarse produce anhídrido sulfuroso, que, en presencia del agua, da ácido sulfuroso (H₂SO₃), que corroe las partes metálicas de las instalaciones y que como componente de los gases residuales lanzados a la atmósfera actúa de modo extraordinariamente molesto sobre su entorno orgánico. El azufre que permanece en las cenizas del carbón se convierte en componente del clinker, debido a su proceso de cocción, con lo que rebaja su calidad. Se ha hecho notar aquí, que en determinadas condiciones es deseable cierto contenido en azufre en el combustible, ya que éste puede lograr la sulfatación de óxidos alcalinos eventualmente presentes. Los sulfatos alcalinos que se producen así representan las faces más estables de cuantas contienen azufre; abandonan el horno con el clinker y rebajan el circuito de los alcalinos en el sistema del horno. Los componentes no deseados en el combustible son las cenizas y la humedad, a las cuales se les llama componentes inertes. El proceso de cocción de clinker absorbe casi totalmente las cenizas.

El carbono no reacciona de modo inmediato con el oxígeno del aire; la combustión a CO y a CO₂ discurre en cadenas, durante la cual el carbono reacciona en primer lugar con el radical OH mucho más activo. Para que el combustible se inflame es menester la presencia de pequeñas cantidades de vapor de agua, porque cuando teóricamente el carbón esta seco se inflama con dificultad. Debido a eso el secado del carbón no ha de ser extremo. Una humedad del orden del 1-1.5% impulsan la combustión.

Gas Natural. El gas natural es el combustible gaseoso más frecuentemente empleado en la industria del cemento. Los principales componentes del gas natural son el metano, CH₄ y el etano, C₂H₆. Los hidrocarburos más pesados, como el propano, C₃H₈, butano, C₄H₁₀ , pentano C₅H₁₂ y hexano, C₆H₁₄ , sólo están presentes en el gas natural en cantidades pequeñas. Se designa como "húmedo" si el gas natural contiene pentano y hexano.

Poder calorífico. Es igual a la suma de los calores de combustión de las fracciones correspondientes a cada uno de los componentes. Si el combustible se presenta en forma de combinación química, entonces el calor de combustión de cada uno de los elementos menos la energía térmica necesaria para disociar aquella combinación en sus elementos. En el gas natural la energía térmica para la disociación en carbono e hidrógeno de las moléculas de los hidrocarburos presentes en forma de combinación química es, aproximadamente, el 9% del calor total de combustión . así, el calor de combustión del metano :

CH₄ + 2O₂ = CO₂ = 2H₂O + 213,000 cal

Volumen de los gases de combustión. Los componentes del gas natural combuste según las siguientes ecuaciones :

Metano CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O ; Etano 2C₂H₆ + 7 O₂ = 4CO₂ + 6H₂O

Propano 2C₃H₈ + 10 O₂ = 6CO₂ + 8 H₂O ; Butano C₄H₁₀ + 6 ½ O₂ = 4CO₂ + 5 H₂O

Pentano C₅H₁₂ + 8O₂ = 5CO₂ + 6 H₂O ; Hexano C₆H₁₄

Con ayuda de estas ecuaciones se pueden calcular los volúmenes de los productos de combustión del gas natural si se conoce su composición .

El Yeso. El yeso es el sulfato de calcio hidratado y se utiliza en la industria del cemento para controlar el tiempo de fraguado del producto. La proporción en que este material entra en la producción de cemento es pequeña, 3% a 5% del peso del producto final aproximadamente.

Agua y Aire. En la industria del cemento la utilización del agua es necesaria en la preparación de la pasta, para el proceso de vía húmeda, algunas veces para el enfriamiento del clinker, para el lavado de equipos. Así mismo el aire también es usado para el enfriamiento del clinker, en el proceso de vía seca para el secado de las materias primas, en la combustión del combustible, para la limpieza de los filtros de absorción de gases, en los ciclones.

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