La activación térmica de arcillas para producir puzolanas artificiales de elevada actividad es una de las tecnologías más importantes desarrolladas para reducir las emisiones de CO2 en la fabricación del cemento. Este documento pretende dar una fundamentación técnica de la activación térmica de arcillas para producir un material cementíceo suplementario (MCS) de extraordinaria calidad, su potencial basado en sus factores hidráulicos, sílice reactiva y alúmina reactiva, su proceso de producción y la optimización de su uso en los cementos, mejorando por ello, su desempeño, prestaciones y durabilidad.
Introducción
Actualmente en la industria del cemento se está trabajando en la búsqueda y utilización de nuevos MCSs que permitan la reducción del factor clínker/cemento de forma significativa. Los tradicionalmente utilizados son las escorias siderúrgicas, puzolanas naturales y las cenizas volantes. Para el caso de este último, ante la exigencia de reducción de las emisiones de gases efecto invernadero y los compromisos del COP21, se ha iniciado el cierre de las plantas de generación eléctrica con base en carbón, por tanto, la disponibilidad de este material va a verse afectada drásticamente en el futuro próximo.
En la
Figura 1, se puede observar la escasa disponibilidad de MCSs
convencionales en relación con la existencia
de piedra caliza
y de arci- llas activables. La disponibilidad en el
globo terráqueo de arcillas suscepti-
bles de ser activadas térmicamente es bastante grande, convirtiéndose, así
como el MCS
de mayor potencial en la industria del cemento más aun
teniendo en cuenta la drástica dismi- nución en la oferta
de ceniza volante.
Surge entonces, la necesidad de ac- tivar térmicamente arcillas para fabri- car industrialmente un MCS de muy elevada calidad, donde el productor de cemento tiene el control de su capacidad de producción y calidad de éste. Es necesario dar claridad sobre los términos y diferenciar arcilla calcinada de arcilla activada, pues el primer término incluye también las arcillas calcinadas de la industria cerámica y ladrillera, por tanto, en lo sucesivo se denominará siempre “arci- lla activada” y no arcilla calcinada.
Mediante el desarrollo industrial de esta tecnología el sector cemente- ro puede avanzar hacia una mayor sostenibilidad ya que este proceso de producción puede tener una reducción de niveles de emisiones de CO2 cerca del 70% comparado con el clínker y también una reducción importante en el consumo de energía dependiendo del proceso de activación.
Clasificación de las adiciones puzolánicas por su carácter químico
Clasificar y catalogar las puzolanas en función de su origen, o por sus contenidos totales de óxidos y, en definitiva, en función de su composición química [1,2], es insuficiente para la caracteriza- ción de su actividad. Por ello, R. Talero propuso una clasificación muy diferente, con base en los resultados y conclusiones de sus investigaciones [3], la cual está basada en su carácter químico, fruto de sus contenidos de SiO2r- y Al2O3r- especialmente, es decir: por las prestaciones que es capaz de dar cualquier adición puzolánica formando parte de los cementos y concretos. A continuación, se de- tallan las reacciones químicas en las que se encuentran envueltos los factores hidráulicos (SiO2r- y Al2O3r-) de origen puzolana.
En este sentido, es de vital impor- tancia poder conocer el carácter químico de una puzolana a través de la determinación de sus facto- res hidráulicos (SiO2r- y Al2O3r-), ya que, en función de este carácter, la puzolana va a tener una influencia muy distinta en todas las propiedades de los materiales base cemento de los que forme parte. Dicha influencia va a tener consecuencias significativas en todas las variables de desempeños de los materia- les base cemento: calor de hidratación, comportamiento reológico, desempeño mecánico resistente y durabilidad frente a los distintos ataques agresivos a los que se tengan que enfrentar [3-8].
Las arcillas. Su activación térmica y propiedades puzolánicas
Las arcillas son tierras constituidas fundamentalmente por silicatos de aluminio hidratados. Estos materiales, so- metidos a un calentamiento adecuado pueden activarse, resultado de su proceso de deshidroxilación (pérdida de grupos OH- de la red cristalina). La temperatura óptima mediante la cual se alcanza este propósito suele oscilar entre 600°C y 800 ºC, dependiendo de la composición en minerales arcillosos de la propia arcilla. En síntesis, la descomposición térmica de la arcilla empieza a 120ºC con la pérdida de humedad (el agua higroscópica, coloidal y de hidratación, y la físicamente adsorbida, o absorbida en poros del material). Después y a medida se incrementa la temperatura del proceso, los grupos hidroxilo integrantes de la red cristalina de la arcilla empiezan a separarse de la misma (etapa de deshidroxilación), debido al aumento de la energía de vibración que se les confiere, alcanzando el valor o grado de agitación térmica suficiente para poderse unir con un protón cercano y formar una molécula de agua para finalmente separarse de la estructura cristalina. A tempera- turas superiores a 920ºC la arcilla activada se vuelve muy inestable y se posibilita la formación de la pseudo-mullita [9]. En la Figura 2 se muestra el comportamiento térmico de las arcillas más comunes. Los valores de temperatura aquí mencionados corresponden a Arcillas Caoliníticas.
Mediante el proceso de activación térmica de las arcillas se está produciendo una puzolana artificial con un ca- rácter químico alumínico, puesto que al liberar el agua químicamente combinada de la arcilla se está actuando sobre el índice de coordinación del Al2O3 [10], que se encontraría, después de este proceso térmico, en condi- ciones óptimas para reaccionar con el hidróxido de calcio presente en la fase líquida del cemento desde las prime- ras edades de la hidratación.
Por ello, aunque las arcillas caoliníticas son aquellas con un mayor contenido de Al2O3, a priori, no debe existir una restricción taxativa respecto a que arcilla es aprovechable para producir una puzolana artificial mediante su activación térmica. Su aptitud debe ser evaluada, de acuerdo con la cantidad de SiO2r- y Al2O3r- que es posible generar durante el proceso de activación. En la Figura 3 podemos observar la actividad puzolánica de una arcilla antes y después de su óptima activación, de acuerdo con la norma EN 196-5 [11].
Tecnología de Piroproceso
En primer lugar, la arcilla debe pasar por los procesos de secado, activa- ción y enfriamiento. Además del pro- ceso de activación térmica de las ar- cillas para obtener las características puzolánicas, es importante garantizar el cambio de color de la arcilla para obtener un color gris que favorezca su mezcla con el cemento, en el caso que la arcilla a activar tenga un alto contenido de hierro (mayor al 4%).
Los principales puntos para obtener arcilla térmicamente activada y garan- tizar su cambio de color son el control preciso de la temperatura y de la con- centración de oxígeno en los gases en los equipos de secado, activación y enfriamiento.
La tecnología utilizada para el siste- ma de combustión de los procesos de secado y activación permite la operación con combustible sólido, asegurando la estabilidad de la llama incluso en un proceso con temperatu- ras más bajas (menos de 900ºC).
El secado y la activación de las arcillas se pueden realizar mediante hornos rotatorios o tecnología flash. En el caso del uso de hornos rotatorios, es posible reutilizar hornos existentes en plantas fuera de servicio para adaptarlos a su nueva condición de operación.
La Figura 4 muestra los perfiles de temperatura de los gases, del lecho de material y del revestimiento refractario de un modelo matemático desarrollado para la simulación de hornos rotatorios para la activación de arcilla. En este caso, el material alimentado al horno ya ha sido secado previamente (250ºC aprox.).
La tecnología flash se basa en el arrastre de pequeñas partículas sólidas por un flujo de gases calientes concurrente, lo que permite obtener altos coeficientes de transferencia de calor y masa en un equipo más compacto. Esta tecnología se puede utilizar para el proceso de secado o activación. Para el caso de aplicar un calcinador flash, el proceso debe ser escalonado en varias etapas en una torre de ciclones para garantizar el tiempo de residencia del material en el rango de temperatura de 750 a 850°C, necesario para que ocurra la activación.
La experiencia en hornos rotatorios a nivel industrial es amplia en Brasil con hornos hasta de 1,100 TPD, toneladas por día, y ahora en Colombia con un horno de una capacidad de 1,500 TPD.
Su operación es relativamente sencilla y fácil de entender para los operadores de sala de control. Su control de operación en términos de ajustar las temperaturas de activación de acuerdo con las varia- bles de control de calidad hora a hora son de relativo fácil manejo, aun cuando el corto rango de activación en términos de temperatura hace muy exigente este control para poder obtener una arcilla activada de elevada actividad puzoláni- ca. Por tanto, es importante decir que la experiencia de activación de arcillas con hornos rotatorios ya lleva varias décadas y no existe hoy en día, una activación industrial en calcinador flash de un ta- maño industrial importante.
Después de la activación es necesario enfriar el material. En esta etapa, en el caso de arcillas con alto contenido de hierro, es importante controlar la atmósfera y evitar que el material a altas temperaturas entre en contacto con altos flujos de aire para que el color gris obtenido en los pasos anteriores no se pierda por la oxidación del material. Una tecnología que se adecua perfec- tamente a estos dos objetivos (enfriar el material y mantener su color gris) es el enfriador rotatorio.
Variables de Control de Proceso y Verificación
Uno de los aspectos que cobra extraor- dinaria importancia en el proceso de activación térmica de la arcilla, es como asegurar la calidad de ésta. Obviamen- te, no existe un método o un ensayo que determine la actividad puzolánica de manera inmediata tan pronto la arci- lla activada ha salido del horno rotatorio o del calcinador flash. Por ello, se debe conocer, de manera indirecta, si la ac- tivación de la arcilla ha sido correcta o no, y al mismo tiempo, ajustar en el proceso de activación de forma rápida tal que se logre los mayores contenidos de Al2O3r- [12] y de SiO2r- [13] en ella, que se traducirá en una mayor activi- dad puzolánica, como se ha citado con anterioridad. Durante esta etapa es muy recomenda- ble determinar parámetros tales como pérdida al fuego (PF) y porcentaje de minerales arcillosos antes de la activa- ción, e índice de actividad puzolánica (IAP) después de este proceso. Todos estos análisis deben haber sido corre lacionados previamente. Además, es de vital importancia, en esta etapa previa, la determinación de los factores hidráulicos de la arcilla activada en cada caso, Al2O3r- [12] y SiO2r- [13] para, a través de su de- terminación encontrar la temperatu- ra particular de mayor activación de cada tipo de arcilla del yacimiento.
En ese sentido, la temperatura de activación a la cual se obtengan los mayores contenidos de Al2O3r- [12] en la arcilla activada será la tem- peratura óptima. Por ello, de esta manera también se podrán determi- nar los rangos superior e inferior de activación, los cuales indican que si se sobrepasa cierta temperatura se sucede una cristalización de la estructura de la arcilla activada per- diendo su nivel de activación y si por lo contrario la temperatura es muy baja no se logra la deshidroxilación suficiente, siendo muy pobre enton- ces el nivel de actividad puzolánica. Lo que finalmente se traduce en un menor grado de reemplazo de clínker en el cemento a producir.
Con toda esta información obtenida mediante los análisis y ensayos a nivel de laborato- rio, se puede identificar con claridad y determinar los ran- gos en que dichas variables se mueven de acuerdo con la mayor actividad puzolánica a buscar, ya que los citados análisis y ensayos también deben ser utilizados en el control de calidad de la arcilla activada a escala industrial en planta de cemento.
Molienda conjunta
La operación más común en las plantas de cemento es la molienda conjunta, donde se sucede la reducción en ta- maño de las partículas del clínker, los MCSs y el yeso. Por ello, es muy im- portante conocer los índices de dureza de los diferentes materiales a moler, su humedad, sus proporciones y granulo- metría de alimentación, para, con esta información, diseñar la carga de cuer- pos moledores que debe llevar cada cámara de molienda, de acuerdo tam- bién con la calidad física del cemento a producir, obviamente en los molinos de bolas.
La arcilla activada tiene una finura muy alta, se podría decir que el 85% de su masa pasante 1mm, aunque, este valor dependerá del tipo de arcilla, su com- posición, de la temperatura de activa- ción y su contenido de cuarzo. A modo de ejemplo se puede citar que el índice de dureza Bond para la caliza puede oscilar entre 10 a 13 Kwh/ton, para una arcilla activada de 13 a 15 Kwh/ton y para el clínker entre 16 a 18 Kwh/ton. Los rangos pueden variar dependiendo de su composición mineralógica, conte- nido de cuarzo, origen, etc.
El contenido de cuarzo en el material de alimentación al horno puede variar entre 25 a 50% en algunos casos. Este factor, por tanto, que debe ser tenido muy en cuenta en una molienda conjunta. La arcilla activada posee una dureza inter- media, aunque puede parecerse más a la de la piedra caliza, teniendo una granu- lometría de alimentación muy fina y, por tanto, será más fácil de moler, quedándo- se la primera cámara del molino bastante vacía. Para obtener un desempeño del mismo orden de magnitud que los ce- mentos tradicionales, con seguridad se podrá trabajar con las especificaciones de un mayor retenido en malla 325, aunque su finura Blaine será también mayor. A modo de ejemplo, para un cemento Uso General con un desem- peño previsto de 26 MPa a 28 días aproximadamente, se podrá trabajar con un retenido en malla 325 entre 4 a 7% y una finura Blaine entre 4500 a 5500 cm2/g.
Además, el cuarzo, si bien es duro de moler, no presenta un gran tamaño y en este tipo de molienda el cuarzo sirve como “aditivo”, pues tendrá un efecto de limpieza de las bolas y del revestimiento del molino, ayudando a la molturación, pudiéndose de esta manera reducir o evitar el aditivo mejorador de produc- ción. Debido a la baja granulometría de la arcilla activada también puede estudiarse la posibilidad de alimentarla directamente al separador. Los aspec- tos físicos tratados aquí cobran fuerza para niveles de sustitución superiores al 12%, con una alimentación baja no se notará mucho sus cambios. Y en cuanto a la actividad puzolánica esta cobrará importancia en niveles de sus- titución superiores al 8% dependiendo de su contenido de Al2O3r-.
En cuanto a la dosificación de los cementos con esta adición puzolá- nica, la relación óptima entre todos
los componentes, clínker, arcilla acti- vada, otros MCSs y yeso, dependerá de múltiples factores, por ello cada dosificación debe ser estudiada y analizada por separado en función de las siguientes premisas: composición del clínker, reactividad de la arcilla activada producida (Al2O3r- y SiO2r-, y óptimo de sulfatos entre otros. A modo de ejemplo, la Figura 5 mues-tra los desempeños obtenidos en dos tipos de cementos distintos, con la misma dosificación de clínker, arcilla activada y caliza, y con la misma fi- nura de molido, respectivamente. En este ensayo se utilizaron dos arcillas activadas con distinto contenido de Al2O3r- y distinta proporción de yeso adicionado.
Por último, es importante tener en cuenta en los sistemas de transporte, tolvas y dosificadores la baja granu- lometría de la arcilla activada y su reología, pues pueden ocurrir avalan- chas en las tolvas y un difícil control en la dosificación.
Molienda separada y estaciones de Blending
Sin duda alguna la mejor opción de molienda para fabricar cementos con varios MCSs es la separada. Desde el punto de vista de la molienda de las partículas lo ideal es moler materiales de similar dureza, así se asegura una molienda más controlada y eficiente. En una molienda conjunta la molienda es conducida por el material más duro y este definirá el retenido y la finura Blaine, por consiguiente, los materiales más blandos serán “sobre-molidos” y estos afectarán la distribución granulométrica final del producto. La viabilidad de este sistema dependerá, obvia- mente, de si se tiene disponibilidad de equipos, dos molinos y sus capacidades de producción.
La molienda separada presenta grandes ventajas a favor, especializa los molinos, por tanto, su eficiencia de molienda mejora en términos de producción y energía consumida y lo que es más importante elimina los tiempos de preparación al cam- biar de un producto a otro. Este tiempo de molienda es un ahorro muy importante a tener en cuenta, pues generalmente estos tiempos de preparación significan la producción de un cemento de mayor calidad, menos MCS, mayor costo que se deposita en los silos de cemento de Uso General, por tanto, son ineficiencias ope- racionales. Otra gran ventaja en especializar las moliendas es que los operadores de Sala no tendrán que estar cambiando condiciones a los molinos y su conducción será más fácil de llevar.
Ahora bien, una sugerencia es tener dos “productos intermedios”, el primero, un cemento base y el segundo, un mix que contenga los materiales más fáciles de moler. El cemento base puede estar conformado por Clínker y regulador de fragua- do solamente y/o por algún MCS adicional, dependiendo de los tipos de cemento que se deben producir. El mix estará conformado por la arcilla activada, el resto de MCSs y la cantidad adecuada de regulador de fraguado acorde con su composición. Los porcentajes de mezcla de cada uno de los productos intermedios dependerá de la calidad de sus componentes y de las calidades o tipos de cemento a producir.
La molienda separada del mix permite un mejor control en cuanto a la finura Blaine y al retenido a buscar, por ser materiales más fáciles de moler que el clínker. Dependiendo de los materiales a moler en este mix se puede buscar una molienda más “gruesa” en términos de retenido en malla 325, bien pudiera ser en un rango entre 10 a 15% y la finura Blaine sería un resultante. Este aspecto físico tendrá gran importancia en la finura final y en la conformación del sistema de poros en la estructura final del cemento producido, con seguridad más compacto que el al- canzado en la molienda conjunta. Esto redundará también en mejores resistencias y durabilidad de los cementos a producir en moliendas separadas con estaciones de Blending.
La molienda separada exige montar estaciones de Blen- ding, sencillas en su operación y diseño y a la vez muy exigen- tes en cuanto a los Sistemas de Dosificación a utilizar, pues en verdad aquí radica el éxito de esta. Una estación de Blen- ding equivale a tener un nuevo molino de alta capacidad y altísima eficiencia. Además, no necesita tiempos de pre- paración y solo introducir la mezcla correspondiente de los dos productos intermedios. La ganancia en términos de flexibilidad de la operación, lo- gística de despachos, atención al cliente es indiscutible. Para esta tecnología es imprescindi- ble disponer de un equipo de alta calidad en la dosificación y mezcla. Su diseño de capa- cidad será determinado por las condiciones de despacho y almacenamiento.
Conclusiones
- Sin duda alguna, las arcillas activadas se han consolidado como el MCS de ma- yor potencial. Se trata de puzolanas alumínicas artificiales de calidad controlada y sostenible con el medio ambiente reduciendo en un 75% las emisiones de CO2 en su producción, comparadas con el clínker.
- Las arcillas susceptibles de ser activables no son solamente las caoliníticas sino también las illíticas y esmectíticas. Su viabilidad de uso depende fundamental- mente del contenido de Al2O3r- y de SiO2r- que se sea capaz de generar durante el proceso de activación térmica.
- El control de proceso en el horno en términos de mantener la temperatura óptima de calcinación es fundamental, pues garantizará la mayor actividad pu- zolánica de la arcilla activada. Por ello el control permanente de las variables de proceso instantáneas y su correlación con las variables de desempeño es fundamental.
- La molienda separada y estación de blending es la mejor opción de molienda en términos de calidad, distribución granulométrica, eficiencia de molienda y costos
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