Como es bien sabido, el cemento se produce mediante un proceso de “dos moliendas y una cocción” (mezcla en bruto → clinker → cemento). La calidad del cemento, es decir, su resistencia, depende de las condiciones de cocción del clinker y de la composición mineral de este. El clinker se compone generalmente de cuatro minerales principales: silicato tricálcico (C₃S), silicato dicálcico (C₂S), aluminato tricálcico (C₃A) y aluminoferrita tetracálcica (Ca₄AlFe). De entre ellos, el C₃S y el C₃A contribuyen a la resistencia inicial del cemento, mientras que el C₂S, el Ca₄AlFe y el C₃S contribuyen a la resistencia posterior.

El C₃S es el principal mineral del clinker de cemento (representa entre el 40% y el 60%).

El uso de residuos mineros para producir cemento consiste en aprovechar determinados oligoelementos presentes en dichos residuos para influir en la formación del clinker y en la composición mineral. Se añade una gran cantidad de residuos mineros a la mezcla en bruto del cemento, y este se produce siguiendo el proceso habitual de fabricación de cemento para cumplir con las normas nacionales. Dado que los residuos mineros suelen estar ya molidos hasta alcanzar una determinada finura, el proceso puede diferir en cierta medida del proceso de producción habitual. En la figura 5-7 se muestra un posible flujo de proceso.

Figura 5-7: Diagrama de flujo del proceso de producción de cemento a partir de residuos mineros

En términos generales, los residuos con bajo contenido en sílice son más adecuados para la producción de cemento, ya que un alto contenido en cuarzo requeriría grandes cantidades de materiales correctores, lo que iría en contra del objetivo de aprovechar grandes cantidades de residuos. El tipo de cemento que se produce a partir de los residuos depende de las características composicionales de estos y de las condiciones del proceso.

Producción de cemento a partir de residuos de mineral de hierro

En la nueva línea de producción de clinker mediante proceso en seco de 2.500 t/d del Grupo Cementero Liaoning Gongyuan, se utilizan residuos de hierro como materia prima silícea, con un consumo anual de unas 100.000 toneladas de dichos residuos. A finales de 2004, la nueva línea de producción de clinker por proceso seco, con una capacidad de 2500 t/d, entró en fase de producción de prueba y puesta en marcha. En la fase inicial, la mezcla de materias primas se diseñó con cuatro componentes: piedra caliza, residuos de hierro, cenizas volantes y escoria de pirita. Las proporciones de las materias primas y el consumo teórico de material se muestran en la Tabla 5-11. Cuando el contenido de Fe₂O₃ de los residuos de hierro es relativamente alto, se puede omitir el material corrector de hierro original (ceniza de pirita) y utilizar una mezcla de tres componentes: piedra caliza, residuos de hierro y cenizas volantes. Las pruebas han demostrado que, con las medidas adecuadas, un horno con precalcinador puede sustituir por completo los materiales silíceos y ferrosos tradicionales por residuos de hierro para producir clinker de buena calidad, lo que permite una producción estable de cemento de alta calidad, como el de grado ordinario 52,5, al tiempo que se reducen significativamente los costes de las materias primas. Durante su uso, hay que prestar atención al elevado contenido de humedad del polvo de residuos de hierro; se debe adoptar una alimentación forzada para garantizar un flujo fluido del material. Puede producirse una ligera acumulación con la dosificación de los residuos de hierro; deben reforzarse las medidas anti-bloqueo en el sistema de precalcinación a la entrada del horno, deben instalarse más cañones de aire y debe estabilizarse el sistema de calcinación. El uso de residuos de roca de los residuos de hierro en invierno ofrece resultados aún mejores.

Tabla 5-11: Proporciones de las materias primas y consumo teórico de material

Wang Jinzhong y otros llevaron a cabo una investigación experimental sobre la calcinación del cemento Portland ordinario utilizando residuos de hierro como materia prima. Su análisis térmico de la pasta de cemento mostró que una cantidad adecuada de residuos de hierro reduce la temperatura de descomposición de los carbonatos entre 10 y 30 °C y disminuye la temperatura inicial de cristalización de los minerales del clinker entre 10 y 25 °C. El uso combinado de una cantidad adecuada de residuos de hierro y un mineralizador permite controlar la temperatura de calcinación en un rango de 1300 a 1450 °C.

Producción de cemento a partir de residuos de molibdeno y hierro

La mina de molibdeno y hierro de Xianlinbu, en Hangzhou, estudió la tecnología de producción de cemento mediante la sustitución parcial de las materias primas del cemento por residuos de molibdeno y hierro. Se llevó a cabo con éxito una prueba industrial en la fábrica de cemento de Hemu, en el condado de Yuhang, lo que generó importantes beneficios económicos. Teniendo en cuenta la producción anual de cemento de la planta, que asciende a 35 000 toneladas, el ahorro en costes de producción asciende por sí solo a 248 000 RMB al año, mientras que la producción de cemento aumenta en más de 4 600 toneladas anuales. Además de grandes cantidades de óxidos como SiO₂, Fe₂O₃, Al₂O₃ y CaO, los residuos de esta zona también contienen oligoelementos (por ejemplo, Mo). Cuando se utilizan como materia prima para la producción de cemento, no solo sustituyen parte de la piedra caliza, la arcilla y toda la materia prima ferrosa, sino que el oligoelemento molibdeno también favorece la formación de clinker, lo que permite ahorrar energía y reducir el consumo, proporcionando así una forma eficaz de aprovechar al máximo estos residuos.

El mecanismo por el que el olmo, elemento traza introducido, favorece la formación del clinker de cemento es el siguiente: favorece la descomposición del carbonato cálcico, reduciendo la temperatura inicial de descomposición y la temperatura del valle endotérmico en 10 °C y 20 °C, respectivamente; al modificar la velocidad de migración de las partículas en la masa fundida, favorece la formación de C₃A y la reacción en la que el C₂S absorbe el CaO libre para formar C₃S, lo que facilita la formación del clinker; no tiene ningún efecto adverso sobre la composición mineral del clinker, puede reducir el CaO libre en el clinker y mejora la resistencia inicial del mismo.

5.2.3 Producción de cemento a partir de residuos de cobre y de plomo-zinc

5.2.3.1 Mecanismo de acción

La incorporación de residuos de cobre o de plomo y zinc en la calcinación del cemento tiene como objetivo principal aprovechar los oligoelementos presentes en dichos residuos para mejorar las condiciones de formación de los minerales de silicato y los minerales fundentes durante la calcinación del clinker, acelerar el crecimiento cristalino del silicato tricálcico y estabilizar la transformación estructural del cristal de silicato dicálcico de tipo β, reduciendo así la temperatura a la que se forma la fase líquida, lo que da lugar a la formación de una pequeña cantidad de minerales de resistencia temprana y se traduce en una notable mejora de la calidad del clinker, especialmente en lo que respecta a la resistencia temprana.

5.2.3.2 Composición mineral de los residuos de extracción

Se han realizado numerosos estudios, tanto a nivel nacional como internacional, sobre la calcinación de cemento utilizando residuos de plomo-zinc y residuos de cobre. Estos dos tipos de residuos no solo pueden sustituir parte de las materias primas del cemento, sino que también actúan como mineralizadores, lo que aumenta de forma efectiva la producción y la calidad del clinker, al tiempo que reduce el consumo de carbón. Los principales componentes de los residuos de plomo y zinc son SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃ y CaO, además de oligoelementos como Ba, Ti y Mn. Los experimentos demuestran que el uso de residuos de plomo-zinc y fluorita como mineralizador compuesto para la calcinación del clinker de cemento es más eficaz que el uso de yeso y fluorita como mineralizador compuesto, lo que reduce la temperatura de la fase líquida a unos 1130 °C y la temperatura de calcinación del clinker a 1250-1300 °C.

En el caso de los residuos de cobre y de plomo-zinc, cuando el contenido de CaO en los residuos es relativamente alto y el de MgO es bajo, pueden utilizarse como materias primas para la fabricación de cemento. Los requisitos específicos son los siguientes:

• Cuando los residuos están compuestos principalmente por cuarzo y calcita, con una relación CaO/SiO₂ >0,5–0,7, CaO >18%–25%, Al₂O₃ >5%, MgO <3%, S <1,5%–3%, se puede producir cemento de baja calidad.
• Cuando el contenido de CaO es inferior a 18% y la relación CaO/SiO₂ es inferior a 0,5, se puede recurrir a la adición externa de cal o piedra caliza para ajustar el contenido de CaO en la mezcla bruta y cumplir así los requisitos técnicos mencionados anteriormente.
• El Fe₂O₃ presente en los residuos es un componente beneficioso para el cemento; una cantidad adecuada reduce la temperatura de cocción del clinker. Los componentes químicos como el MgO, el TiO₂, el K₂O y el Na₂O son perjudiciales en las materias primas del cemento; su contenido debe controlarse de modo que MgO <3%, TiO₂ <3%, K₂O+Na₂O <4% y S <1%.

Las pruebas han demostrado que, en el caso de los residuos que cumplen los requisitos técnicos mencionados anteriormente, cuando se utilizan como aditivo para cemento, la dosis puede alcanzar entre 15% y 55%. Cuando se añade clinker de residuos 15% como aditivo para cemento, la clase del cemento alcanza el 600; con la adición de 30%, la clase alcanza el 500; y con la adición de 50%, la clase alcanza el 400. El cemento presenta un buen rendimiento, con un fraguado normal y una buena solidez.

El Grupo Cementero Henan Xiangshan utilizó escorias de residuos de plomo y zinc del condado de Yichuan para sustituir a las cenizas de pirita, y residuos de cuarzo calcinado procedentes de las inmediaciones de la planta para sustituir a la arcilla, como materias primas ferrosas y silíceas, respectivamente, para la pasta de cemento, con el fin de producir clinker de cemento. Para cumplir con los requisitos de Al₂O₃ en la mezcla de materias primas, se añadió ceniza volante. Las composiciones químicas de las materias primas se muestran en la Tabla 5-12. El esquema de dosificación fue el siguiente: piedra caliza 90%, residuos de cuarzo calcinado 6,5%, escoria de residuos de plomo y zinc 2,0%, cenizas volantes 1,5%. La producción de prueba se llevó a cabo en un horno largo semiseco de φ3,6 m × 70 m con generación de energía a partir del calor residual, siguiendo el esquema de dosificación. Tras casi 20 días de producción de prueba, se demostró que el uso de escoria de residuos de plomo-zinc en lugar de cenizas de pirita y de residuos de cuarzo calcinado en lugar de arcilla en la mezcla permite producir clinker que cumple los requisitos. Los oligoelementos Pb, Zn, etc., presentes en la escoria de residuos de plomo-zinc actúan como mineralizadores durante la calcinación del clinker, favoreciendo la reacción de combustión; la producción de clinker aumentó de 18,5 t/h a 19,5 t/h. La sustitución de las cenizas de pirita por escoria de residuos de plomo-zinc también resolvió el problema del atasco de la mezcla en bruto durante la alimentación, estabilizando así su composición. Anualmente se utilizan más de 20 000 toneladas de escoria de residuos de plomo-zinc; solo esto supone un ahorro de unos 35 RMB por tonelada de clinker en costes de material. Solo en 2003, el ahorro en costes de material ascendió a casi 250 000 RMB, lo que demuestra unos importantes beneficios económicos.

Tabla 5-12: Composición química de las materias primas (fracción másica / %)

Tras incorporar 5,32% de residuos de cobre, la planta de cemento especial del condado de Changle, en la provincia de Shandong, logró mejorar la calidad del clinker hasta alcanzar los requisitos necesarios para la producción de cemento de alta calidad. El consumo de carbón por tonelada de clinker se redujo en 15,71 TP3T con respecto al índice objetivo y, al sustituir el mineralizador compuesto, los costes de producción se redujeron en 121 TP3T. Otro ejemplo exitoso del uso de residuos de plomo y zinc para sustituir parte de las materias primas en la producción de cemento es la planta de cemento Forestry, situada en la ciudad de Huludao, provincia de Liaoning. La práctica productiva ha demostrado que el uso de residuos de plomo y zinc en la mezcla mejora significativamente la combustibilidad de la harina cruda, reduce el consumo de calor del clinker y aumenta el rendimiento del horno de pozo. Una planta con horno de pozo de 100 000 t/a puede utilizar más de 10 000 toneladas de residuos de plomo y zinc al año, lo que genera beneficios económicos de más de 1 millón de RMB.

La empresa Shaanxi Yaobai Xiushan Cement Co., Ltd. utilizó escoria de residuos de plomo y zinc para producir cemento Portland de alta calidad y bajo contenido en álcalis. Los oligoelementos presentes en los residuos, como el plomo, el zinc y el cobre, catalizan el proceso de calcinación del clinker, lo que reduce la temperatura de calcinación y disminuye significativamente el consumo de carbón por unidad de producto. Solo el ahorro combinado de carbón y electricidad asciende a más de 5 millones de RMB al año para la empresa. Además, se ahorran 120 000 toneladas de arcilla al año, lo que equivale a más de 100 mu (unas 6,7 hectáreas) de tierras de cultivo. La práctica ha demostrado que el cemento producido a partir de residuos de plomo y zinc presenta una alta resistencia, buena trabajabilidad, resistencia a la corrosión y buena impermeabilidad. Junto con sus características de bajo contenido en álcalis, se garantiza la fiabilidad y la durabilidad del hormigón, lo que confiere al producto amplias perspectivas de mercado. La inversión total en esta tecnología ascendió a 25 millones de RMB, con unos beneficios anuales que alcanzaron los 13 millones de RMB; la empresa recuperó la inversión en tan solo dos años, obteniendo beneficios sustanciales. El uso de residuos mineros para producir cemento no solo reduce la ocupación de suelo y elimina los riesgos medioambientales y de seguridad causados por las grandes pilas de residuos, sino que también transforma los residuos en materiales valiosos, generando enormes beneficios económicos.

Xuan Qingqing y otros investigaron la combustibilidad de las harinas crudas de cemento Portland con alto contenido en C₃S, elaboradas a partir de residuos de plomo y zinc y de pizarra, así como las propiedades de los clinkers resultantes. Diseñaron 18 composiciones de clinker y las calcinaron a 1350 °C, 1400 °C, 1450 °C y 1500 °C. Se analizaron los clinkers para determinar su contenido de cal libre y mediante difracción de rayos X. Los resultados mostraron que, a 1500 °C, se podía preparar un clinker con un contenido de C₃S del 74,52%; a la temperatura de calcinación normal de un horno rotatorio industrial, se obtuvo un clinker con un contenido de C₃S del 70,71%. El cemento obtenido al añadir 4% de yeso a algunos clinkers cumplía los requisitos del cemento Portland 52,5R. Tras añadir 20% de polvo de residuos, se cumplieron los requisitos de resistencia del cemento ordinario 42,5R; con 30% de polvo de residuos, el cemento cumplió los requisitos de resistencia del cemento ordinario 32,5R.

5.2.4 Fabricación de cemento a partir de otros residuos de explotación minera

El uso de otros residuos mineros para la producción de cemento también ha suscitado un gran interés entre los investigadores. Por ejemplo, la empresa Shandong Yinan Leijin Co., Ltd. utilizó residuos de oro para producir cemento de alta calidad para carreteras, que se muele mediante molino de bolas y cemento resistente al sulfato. La experiencia demuestra que los residuos auríferos con un alto contenido en hierro y un bajo contenido en aluminio son adecuados no solo para el cemento Portland común, sino especialmente para el cemento para carreteras y el cemento resistente al sulfato. Según los ensayos, la cantidad de residuos auríferos utilizada por tonelada de cemento es de 360 a 400 kg.