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Resumen

Se presenta en breve síntesis la situación, proceso de fabricación eintroducción de tecnologías en la industria del cemento, analizando elrol de la química en el proceso productivo y la introducción del análisisinstrumental en la gestión de la calidad total, discutiendo el rol dellaboratorio químico en la planta cementera.

Introducción

La industria del cemento en Perú tiene una capacidad instalada de 4360000TM/A, y deberá llegar a los 7000000 en el año 2000, atendiendo la demandaen calidad y cantidad, habiendo introducido las más modernas tecnologíasen sus procesos productivos. En este marco los modernos métodosinstrumentales para el análisis químico en actitud de darrápidamente resultados de ensayo facultan la interreacción entre ellaboratorio con el proceso, que puede ser regulado al poder adoptardecisiones oportunamente.

Antecedentes

La industria peruana de cemento inicia su actividad productiva en 1924con la puesta en marcha de la planta de Maravillas propiedad de laCompañía Peruana de Cemento Portland, que explotaba los yacimientosde Atocongo. En esta década se inicia el uso extensivo del concreto enla ciudad de Lima, en pavimentos y edificaciones.

Posteriormente se incorporan al mercado otras empresas descentralizadas:Cementos Pacasmayo S.A. en 1957 y Cemento Andino S.A., ubicado en laprovincia de Tarma en 1958, posteriormente Cemento Sur S.A. en lalocalidad de Juliaca en 1963 y Cementos Yura S.A. en Arequipa en 1966.

La capacidad instalada de cemento en Perú es de 4,360,000 TM/ A. Elconsumo per cápita de 159 kg. por habitante. En Latinoamérica ocupa elsexto lugar, después de Brasil, México, Argentina, Colombia y Venezuela.En relación con el consumo per cápita se ubica en el onceavo lugar.

La capacidad instalada de la industria del cemento al término del año sedistribuye de la siguiente manera en TM/A :

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Cemento Andino S.A. 760,0Cementos Lima S.A. 2,500,0Cementos Pacasmayo S.A.A. 1,184,0Cementos Sur S.A. 216,00Yura S.A. 600,00

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En el 2000 se prevé que la capacidad instalada de la industriaexcederá los siete millones deTM/A.

La industria del cemento ha incorporado de manera oportuna los nuevosavances tecnológicos. En el período 1960 - 1970 se adoptó la tecnologíade silos de homogeneización continua, llevando a todas las plantas aldenominado proceso seco. También se incorporó el sistema deprecalentamiento del crudo previo a su ingreso al horno aprovechando susgases residuales.

En la década siguiente se agregó la precalcinación del crudo, que con lasmejoras introducidas anteriormente colocaron a la industria en buenaposición frente a la crisis del petróleo de 1974. En este mismo períodose introducen los equipos de gran capacidad, como el horno de 1'000000 deTM/A y molinos de 200 TM/A. En los años ochenta se inicia lasustitución del petróleo por el carbón como combustible. (1)

En la actualidad, las ampliaciones en curso han tomado nuevascapacidades, como hornos de2'000,000 de TM/A. Nuevos sistemas de molturación de reciente tecnología,como los molinos verticales y de rodillos y además los clasificadores departículas de alta eficiencia.

La industria del cemento ha seguido desde sus inicios las normas de laAmerican Society for Testing and Materials, ASTM, y las normas técnicasperuanas, que fueron aprobadas inicialmente por el INANTIC en la décadade 1960. Actualmente se encuentran normalizados todos los tipos decemento de producción nacional y los ensayos requeridos para el control yanálisis del producto.

En Perú la producción del cemento comprende el cemento Portland para usogeneral, denominado como tipo I y los cementos Portland de moderada yalta resistencia a los sulfatos, normalizados como tipo II y tipo V.También cementos Portland con adiciones minerales, como los cementosPortland puzolánicos, tipos IP y IPM y los cementos resistentes a lossulfatos tipo MS. (2)

Elcemento

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El cemento es un material que forma parte de la civilizacióncontemporánea y su empleo es de conocimiento general. Sin embargo, elusuario no profesional conoce poco de su fabricación y comportamiento.

De acuerdo a norma el cemento es un material pulverizado que por adiciónde una cantidad conveniente de agua forma una pasta conglomerante capazde endurecer, tanto bajo el agua como en el aire. La matriz del cementolo constituye el clínker que es un producto constituido en su mayorparte por silicatos de calcio, obtenido por la cocción hasta fusiónparcial (clinkerización) de una mezcla convenientemente proporcionada yhomogeneizada de materiales debidamente seleccionados.

La fabricación del cemento comprende tres etapas. La primera deexplotación de los yacimientos y el beneficio de la materia prima, ensegundo lugar los procesos de cocción hasta temperaturas mayores de1450°C, que constituyen la fase medular del proceso y luego elenfriamiento y molienda con una adición de aproximadamente 3% de yeso.

La materia prima para la fabricación de cemento está constituidabásicamente por materiales

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calcáreos y por la alúmina y sílice que se encuentran principalmente enlas arcillas. Al efecto se explotan preferentemente yacimientos calizos ode margas calizas.

El tratamiento de la materia prima, comprende la trituración y molienda,la dosificación y homogeneización de los crudos para asegurar launiformidad y finura necesaria antes de que el material ingrese al horno.

El proceso de cocción moderno se realiza mediante una etapa previa depre-calcinación, que se efectúa en una torre de diferentes niveles en laque se encuentran instalados de 4 a 6 ciclones, que constituyen elsistema de intercambio del calor. En ellos se efectúa una transferenciatérmica entre la materia que desciende y los gases ascendentes desalida del horno, que llegan a temperaturas superiores a los 1000°C.Generalmente se instalan quemadores, para la pre- calcinación. Elmaterial descarbonatado ingresa a hornos rotatorios de grandesdimensiones, que efectúan el tratamiento de los crudos a temperaturas de1450°C a 1500°C.

En la tercera etapa el clínker que sale a temperaturas superiores a1200°C accede a un enfriador, de manera de facilitar su manipulación ytransporte. Luego del enfriamiento el clínker debe ser molido a unafinura adecuada para lograr su máximo rendimiento, adicionando de 3 al3.5% de yeso para controlar en la primera edad la reología de las pastas.(3)

Composición y Constitución delCemento

Las materias primas se presentan como óxidos de cal, sílice, alúmina yfierro que interactúan en el horno para formar productos complejos, queal llegar a un estado de equilibrio dan formación a silicatos yaluminatos de la siguiente composición:

ELEMENTO- SilicatoTricálcico- SilicatoBicálcico- AluminatoTricálcico

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-Ferroaluminato-Tetracálcico

FORMULA3CaOSiO22CaOSiO23CaOAl2034CaO Al2O3Fe203

SIMBOLO C3S C2S C3A C4AF

Los silicatos enunciados no se encuentran como compuestos puros,contienen pequeñas cantidades de óxidos en solución sólida, que tienenconsiderable efecto en el ordenamiento atómico y las formas cristalinas,incidiendo en las propiedades hidráulicas.

Los principales compuestos denominados menores son principalmente el MgO,K2O, Na2O, y además Mn2O3, TiO2, P2O5.

Las cantidades de los diferentes tipos de silicatos y aluminatos cálcicosvarían apreciablemente de un tipo de cemento a otro. La producción de losdiferentes tipos se efectúa por el control proporcional de los materialescorrespondientes.

La composición de los cementos Portland de producción nacional seencuentran dentro de los siguientes porcentajes:

CaO 62.5 ∼ 64.5SiO2 19 ∼ 22Al2O3 4 ∼ 6Fe2O3 3 ∼ 3.5MgO 0.9 ∼ 2.9SO3 2,3 ∼ 2.6

La constitución calculada de los cementos Pórtland de producciónnacional se encuentra dentro del siguiente orden:

C3S 48 ∼ 52C2S 17 ∼ 27C3A 6 ∼ 10C4AF 9 ∼ 11

Cuando el cemento se mezcla con el agua se forman tres compuestoscaracterísticos: Los Sulfo- aluminatos Cálcicos que forman una capaprotectora que regula la hidratación inicial, los Silicatos Cálcicoshidratados que contribuyen a la resistencia, además el Hidróxidode Calcio. Las siguientes composiciones aproximadas consideran lasdenominaciones de los compuestos en la química del cemento.

Etringita C3ACaSO4 3lH2O Tobermorita3CaO 2SiO2 3H2OPortlandita Ca(OH)2

Control Químico deRecepción

En la normalización de cemento a nivel internacional, lo que incluye lasnormas más extendidas como la ASTM y la Comunidad Europea CEE, loscontroles de carácter químico del cemento Portland tipo I no se refierena los elementos principales sino a los denominados menores. Al efectose fijan límites máximos para los óxidos que se consideran pueden afectarla durabilidad del

concreto. En ese sentido se limitan el MgO y el SO3 y excepcionalmente losálcalis, en los casos específicos que se compruebe reacción potencial condeterminados agregados. (4)

Los cementos de características especiales, que representenaproximadamente el 3% de los despachos, tienen además especificacionessobre el contenido de silicatos cálcicos y el tipo II por excepción sobreel contenido de óxidos de fierro, aluminio y sílice.

Sin embargo, en las plantas siempre se efectúa el análisis de todos losóxidos y se calculan los compuestos por fórmulas de composiciónpotencial.

Las especificaciones normativas del cemento a nivel internacional, tienenbásicamente el carácter de performance y se refieren a característicasfísicas y de comportamiento resistentes.

AnálisisQuímico

El análisis químico tiene particular incidencia en el control de laproducción del cemento, efecto que se ha incrementado en los últimosaños por los modernos métodos instrumentales y sistemas de muestreo quepermiten una rápida interreacción entre laboratorios automatizados quebrindan resultados que pueden ser analizados prontamente para adoptardecisiones que regulen el proceso.

Los métodos de análisis vigentes en la industria hasta la década de 1960,eran los procedimientos gravimétricos y volumétricos hoy denominados comoconvencionales o de vía húmeda, que demanda varias horas de trabajotedioso y compromete a numeroso personal.

Los procedimientos de vía húmeda continúan utilizándose como control, encuanto son los únicos aprobados por las normas. La norma ASTM C 114-97para análisis químico del cemento es de general aceptación y constituyeel antecedente en la formación de la norma técnica peruana. (5) (6) (7)

Desde 1982 ASOCEM organiza anualmente programas de ensayointerlaboratorios, para comprobar la precisión entre los participantes.(8)

En este marco la determinación tradicional de los óxidos principales enlos crudos y en el cemento no era operativo para el control de laalimentación del horno. En consecuencia se optó por el método detitulación de carbonatos. Este proceso fue de mucha utilidad pues norequiere mayor inversión y permite resultados en breves minutos, sinexigir personal de alta capacitación. Sin embargo, la respuesta delmétodo no corresponde con el grado de precisión necesaria a losvalores reales de CaCO3 y CaO debido a la presencia en el crudo de otroscarbonatos como el de magnesia y los álcalis, con la consideraciónadicional que el CaO, no necesariamente tiene la forma de carbonato.

El primer avance para obtener determinaciones químicas en breve tiempofue la introducción de técnicas complexométricas en la industria delcemento, en base a métodos físicos químicos. (9) (10) (11). Se le hautilizado como apoyo en los métodos clásicos para la determinación delCaO, Al2O3, Fe2O3 y MgO.

Además de rapidez de resultados posee mayor precisión que los métodoshúmedos. Las ventajas del método son rápida respuesta, que requiereaproximadamente dos horas; equipo de bajo costo, como el espectro-colorímetro o espectro-fotómetro, que eventualmente se encuentran enlos laboratorios de las plantas.

En la actualidad el desarrollo tecnológico ha permitido disponer demétodos instrumentales, que serán motivo de exposición en esta mesaredonda por calificados especialistas, lo que nos exonera de hacerreferencias, salvo las siguientes como clasificación introductoria.

La determinación de los óxidos principales CaO, SiO2, A12O3, Fe2O3y MgO se efectúa básicamente por fluorescencia de rayos X, en lamateria prima, en los crudos y en el cemento. (12) (13) Esteprocedimiento está generalizado en todas las empresas productoras denuestro país.

Por razones de rapidez y precisión, los álcalis Na2O, K2O, son analizadospor métodos de fotometría de llama, que han sido especificados por ASTMdentro de la norma precitada.

Un método auxiliar importante, que sirve de apoyo en un segundo nivel, loconstituyen los métodos térmicos de los cuales se ha tenidoexperiencia en Perú en la ATD para resolver algunos problemasespecíficos, en especial como referencia al comportamiento térmicode ciertos minerales como la arcilla, la bauxita, los sulfuros, lacalcita, la dolomita, etc. (15) (16) (17) (18)

Otro método de estudio, no necesariamente químico pero que sirve para elconocimiento de la constitución de los cementos, es el microscópico, quepermite el conteo de los Silicatos Cálcicos y eventualmente estudiar suscaracterísticas de manera de inferir el comportamiento del proceso decalcinación. (19) (17) (18) (20)

Finalmente en Perú la mayor parte de la producción de cemento esanalizada en su granulometría por el equipo denominado granulómetroláser, que consiste en hacer atravesar el polvo de cemento por unhaz de luz monocromático emitida por un láser, el reparto de la luzdifractada permite determinar la curva granulométrica. Los granulómetrospueden ser instalados de manera de informar en continuo lascaracterísticas del cemento producido.

Los equipos modernos permiten analizar partículas de 0.1µ a 315µ. Laimportancia del tamaño de la partícula reside en el grado de actividad dereacción con el agua y la formación de compuestos de hidratación, esdecir según sea la granulometría del cemento varía su comportamientoresistente. (21)

La difracción de rayos X se aplica en el control de la cal libre yfundamentalmente la determinación de las fases del clínker, especialmentelos silicatos cálcicos. Además, constituye una importante herramienta deinvestigación. (22) (17) (18) En el presente año el ASTM ha aprobado laprimera norma para su aplicación en el análisis del cemento, la ASTM C1365.

Adicionalmente, para el conocimiento de elementos menores que puedanafectar el proceso de cocción, se Utilizan los métodos de absorciónatómica, principalmente en el examen de la materia prima para contenidosde TiO2, P2O5, y también el cloro y el cromo.

Un dispositivo denominado corrientemente como sulfurómetro constituye unrápido analizador de azufre, basado en un horno de inducción. (14)

La política de preservación del medio ambiente, llevó al monitoreo ycontrol de las emisiones de las plantas y a la determinación de laemanación en SO2 y NOx.

Marco de Desarrollo de la Química en elCemento

En los últimos años la industria del cemento ha tenido un vigorosodesarrollo tecnológico en armonía con el avance del conocimientoaplicado, en concurrencia con la globalización de la economía mundial.Como parámetros del desarrollo industrial del cemento debemos considerarlos siguientes hechos recientes:

- El factor de escala: en las nuevas plantas de cemento la capacidad por horno se encuentra entre unos y dos millones de TM/A, frente al patrón de 600 TM/A de los años setenta.

- Yacimientos de difícil composición: Eventualmente por agotamiento de yacimientos existentes, o encontrarse en explotación los más productivos.

- La disponibilidad de nuevos alcances de la tecnología en el campo de la computarización, que permite disponer de sofisticados equipos analíticos

- Un mercado global competitivoque obliga a:

• El Ahorro de energía y combustible y además prolongar el tiempo de vida útil del horno, para obtener menores gastos generales y de operación.

• Producir diversos cementos, con la calidad adecuada y la uniformidad esperada por

los usuarios, para mantener la permanencia en el mercado

La industria sigue la dirección de incrementar el control de calidad conun alto grado de automatismo, incorporando además la automatización a suslaboratorios de análisis.

Los sistemas de control automático de los procesos contribuyen adeterminar las condiciones óptimas de operación a partir de un enlace

inteligente de los valores momentáneos del proceso y el acervo deexperiencia recogido en los bancos de datos, para regular lasoperaciones. Es así posible llegar a mejorar la producción desde el puntode vista de su capacidad, o el consumo de energía, y la duración delservicio, optimizando la interreacción laboratorio-equipo en posiblesperturbaciones. (23) (24) (25).

Por otro lado, la automatización del laboratorio comprende desde laobtención de las muestras, su transporte, tratamiento, determinaciones,análisis de resultados, y presentación de los mismos. De esta manera laautomatización contribuye a la calidad, la uniformidad del producto y elcontrol del proceso de preparación del crudo, cocción y molienda. (26)(27).

Función del LaboratorioQuímico

El laboratorio químico de la planta de cemento, por el empleo demétodos instrumentales y la

incorporación progresiva de la automatización, cumple un rol esencial en la optimización de fabricación, en procura de la economía y la calidad requerida por el usuario.

Su intervención más significativa se encuentra en los siguientes rubros:- Análisis de los materiales del yacimiento, incluyendo la

investigación de la caliza y la arcilla para anticipar lasvariaciones en el aprovisionamiento.

- Análisis de los combustibles para asegurar las especificaciones de adquisición.- Diseño de la mezcla que refleje los costos individuales de los

materiales de cantera en el costo de producción y la calidad delproducto, atendiendo principalmente la molturación y aptitud a lacalcinación.

- Diseño y ajuste de la mezcla del crudo.- Optimizar los materiales destinados a la prehomogeneización,

mediante el adecuado control.- Participar en el control del crudo, luego de la mezcla, determinando fineza y composición.- Efectuar el análisis químico del cemento, para su certificación.- Control de materiales diversos.

Bibliografía (*)

(1) Gonzáles de la Cotera, M. La industria del cemento en Perú. ASOCEM, Lima-Perú, 1989,

32p.

(2) ASOCEM. Los cementos Portland en el Perú. Boletín Técnico CEMENTO. N° 73,Lima- Perú, Mayo 1996. 4p.

(3) ASOCEM. El proceso de fabricación del cemento. Boletín Técnico CEMENTO. N° 38, Lima

Perú, Feb. 1989, 4p.

(4) Norma Técnica Peruana 334.009-95.

(5) Normas Técnicas Peruanas. 334.016-68; 334.017-70; 334.019-70;334.018-70; 334.061-

81.

(6) Mateo, O.; Ramírez, R. Evaluación de los resultados de análisis químicosegún los métodos ASTM, convencional y de arbitraje. Conversatorio sobreAnálisis Químicos del Cemento. ASOCEM. Lima-Perú, 14 May, 1985, p.1-13.

(7) Pérez, C. La evaluación de la calidad del cemento por auto control en lanormalización internacional. IV Coloquio de Química del Cemento. ASOCEM,Lima-Perú, 1992, p.30-44.

(8) Pérez, C. Informe del XIX Programa de Ensayo en Común de Cemento. ASOCEM.Lima- Perú, Ago. 1997,26 p.

(9) Mateo, O. Método rápido para la determinación de aluminio y hierro en harina cruda. 1

Coloquio de Química del Cemento. ASOCEM. Lima-Perú, 1984, p.91-97.

(10) Acuña, E.; Ochoa, R. Análisis de cemento por complexometría. Conversatorio sobre

Análisis Químicos del Cemento. ASOCEM. Lima-Perú, May. 1985, p. 1- 7.

(11) Herrera, Y. Utilización de la complexometría dentro del análisis de cementos.Seminario de Control de Calidad en la Industria del Cemento.ASOCEM. Lima-Perú, Nov. 1982, p.16.

(12) Zanabria, C. Análisis químico por fluorescencia de rayos X en planta decemento.

Conversatorio Análisis Instrumental para el Control del Clínker y del Cemento. ASOCEM. Lima-Perú, Set. 1995

(*) La bibliografía de este trabajo introductorio, en lo pertinente a los temas presentados a la mesa redonda de química y tecnología del cemento, considera únicamente referencias nacionales.

(13) Estrada, S. Experiencias en la elaboración de curvas para fluorescencia de rayos X. V Coloquio de Química de Cemento. ASOCEM, Lima-Perú, 1994, p. 92.

(14) Aranda, J.; La Jara, H. Análisis rápido de azufre. Conversatorio de Análisis instrumental para el Control del Clínker. ASOCEM. Lima-Perú, 1995.

(15) Mandujano, W. El análisis térmico diferencial. Conversatorio Análisis Instrumental para el

Control del Clínker y del Cemento. ASOCEM. Lima-Perú, Set. 1995

(16) LAZO, H. Alunita y jarusita, presencia y comportamiento en los cementos portland adicionados. TI! Coloquio de Química del Cemento. ASOCEM, Lima-Perú, 1990, p. 39-54.

(17) Gonzáles de la Cotera, M. Estudio de la aureola de transición en la pasta de cemento y soportes de albañilería. I Coloquio de Química del Cemento.ASOCEM, Lima-Perú, 1984, p. 100-107.

(18) Gonzáles de la Cotera, M. Producción del clínker a consumo de energía mínima: Informe final. Cementos Norte Pacasmayo-ITINTEC. Lima-Perú, 1979, 82p.

(19) Mandujano, W. Microscopía de luz reflejada en la determinación mineralógica delclínker.

IV Coloquio de Química del Cemento. ASOCEM. Lima-Perú, 1992, p.1-29.

(20) Gonzáles de la Cotera, M.; Mateo, S. Cemento Portland de escoria. Determinación del contenido de escoria y clínker por microscopía. Cementos Norte Pacasmayo. Lima-Perú,1973, 79p.

(21 ) Prado, J. Análisis granulométrico por rayos láser en planta de cemento. Conversatorio

Análisis Instrumental para el Control del Clínker y del Cemento. ASOCEM. Lima-Perú, Set.1995 r

(22) Mandujano,W. Propiedades físicas, químicas y mecánicas de la puzolana y cementos puzolánicos producidos en el laboratorio con materias primas de Cementos Lima S.A. 11Coloquio de Química del Cemento. ASOCEM. Lima-Perú, 1987, p.13-50.

(23) Saint-Paul, O.; Skjoth, P. New concepts for cement plant control. International Cement

Review, May. 1991, p. 32.

(24) Harris, R. lmprovements in quality control by adoption of automated quality control techniques. World Cement Jul-Ago, 1987, p. 224.

(25) Hepper, R. Advantages of process control with expert systems. Verein Deutscher

Zementwerke e.V. Kongress. Alemania, 1993, p. 220.

(26) Riedhammer, M. Laboratory automation. Verein Deutscher Zementwerke e. V. Kongress.

Alemania, 1993, p. 175.

(27) Rolver, E. Five multi-modular POLAB !aboratory automation systems in cement works in the former East Germany. Zement Kalk Gips Ene. 1995, p. 48.