En un contexto de creciente urgencia por descarbonizar la industria global, un equipo de investigadores de la Universidad de Moa (UMoa), en colaboración con instituciones chilenas, ha logrado un avance significativo para la producción de cementos de bajas emisiones de carbono. Se trata de un modelo matemático capaz de simular, con un margen de error inferior al 1,5 por ciento, el comportamiento de la molienda de mezclas de arcilla calcinada y caliza, dos componentes esenciales para sustituir al clínker, el material más contaminante del cemento tradicional.
El estudio, titulado “Breakage Rate Modeling in Ball Mill Grinding of Calcined Clay and Limestone Mixtures” (Modelado de la Tasa de Rotura en la Molienda de Mezclas de Arcilla Calcinada y Caliza en Molino de Bolas), fue publicado el pasado 29 de abril en la prestigiosa revista Minerals (MDPI), una de las más reconocidas en el área de la geología y la ingeniería de minerales. La investigación no solo confirma que estos materiales se pueden moler juntos sin interferencias, sino que entrega una herramienta para optimizar el proceso, reduciendo costos energéticos y mejorando la eficiencia.
El reto de la molienda en el cemento sostenible
La producción de cemento es responsable de aproximadamente el 8-10 por ciento de las emisiones globales de CO₂. La estrategia más prometedora para mitigar este impacto es reemplazar parcialmente el clínker (el componente que genera la mayor huella de carbono durante su cocción a altas temperaturas) con “Materiales Cementantes Suplementarios” (SCM, por sus siglas en inglés). Entre ellos, la combinación de arcilla calcinada y caliza, conocida como LC2, ha surgido como una de las alternativas más viables y estudiadas a nivel mundial.
Sin embargo, un escollo técnico crucial es la fase de molienda. Para lograr un cemento de calidad, la arcilla calcinada y la caliza deben ser molidas hasta alcanzar una finura específica. “El proceso de molienda es vital para los indicadores técnico-económicos del cemento LC2”, explican los autores en el artículo. Hasta ahora, no se comprendía completamente cómo se comportaba la rotura de las partículas de estos dos materiales cuando se muelen juntos. Este estudio cubano-chileno viene a llenar ese vacío.
Metodología y hallazgos principales
Los investigadores, liderados por científicos de la Facultad de Metalurgia y Electromecánica de la UMoa, utilizaron un molino de bolas estándar tipo Bond (equipo de laboratorio que simula las condiciones de la industria) para moler muestras de arcilla calcinada (obtenida a 850°C) y caliza de yacimientos de la zona de Moa, en diferentes proporciones: 100% arcilla, 75%-25%, 50%-50%, y 25%-75%.
Luego de caracterizar los materiales mediante difracción de rayos X (DRX) para conocer su composición mineralógica, sometieron las mezclas a tiempos de molienda de entre 0.5 y 5 minutos y analizaron la distribución del tamaño de partícula resultante.
Los resultados más relevantes fueron:
Comportamiento Predecible: Se demostró que las mezclas de arcilla calcinada y caliza se muelen de manera uniforme y sin interferencias. Es decir, la presencia de un material no perjudica de manera impredecible la molienda del otro, lo que simplifica el diseño industrial.
La arcilla es más difícil de moler: La investigación confirmó que la arcilla calcinada es el material más duro y resistente a la conminución (ruptura), requiriendo más tiempo y energía para alcanzar la finura deseada. A mayor contenido de caliza en la mezcla, más fácil y rápido es el proceso de molienda.
Cinética de primer orden: El equipo descubrió que el proceso de fractura de las partículas sigue una “cinética de primer orden”. Esto significa, en términos prácticos, que la velocidad a la que se rompen las partículas grandes es proporcional a la cantidad de esas partículas presentes en el momento, una característica que simplifica enormemente el modelado matemático del proceso.
Modelo robusto y preciso: Con los datos obtenidos, los científicos desarrollaron un modelo cinético acumulativo que vincula tres variables clave: el tiempo de molienda, el tamaño de partícula y el porcentaje de caliza en la mezcla. Al validarlo, obtuvieron un coeficiente de determinación superior al 99% y un error residual promedio inferior al 1,5 por ciento, una exactitud sobresaliente que permite predecir el comportamiento industrial con gran confianza.
“El modelo propuesto demostró ser robusto para simular la molienda de arcilla calcinada y sus mezclas con caliza”, concluyen los autores en su artículo, añadiendo que la tasa de rotura específica (la velocidad con que se rompen las partículas) varía entre 0,20 y 6,83 min⁻¹, aumentando con el contenido de caliza y disminuyendo con la fineza de las partículas.
Impacto y aplicaciones futuras
El desarrollo de este modelo no es un mero ejercicio académico. Para la industria cementera, disponer de una herramienta predictiva tan precisa permite:
· Optimizar el consumo energético: La molienda es uno de los procesos que más electricidad consume en una cementera. Saber exactamente cómo se comporta una mezcla permite ajustar los tiempos y las cargas de bolas para gastar solo la energía necesaria.
· Diseñar mejoras en los circuitos de molienda: Facilita la simulación y el rediseño de los circuitos industriales para adaptarlos a la producción de cementos LC2, un mercado en pleno crecimiento.
· Acelerar la transición ecológica: Al hacer más viable técnica y económicamente la producción de cementos con bajo contenido de clínker, se allana el camino para cumplir con los objetivos globales de reducción de emisiones. La Asociación Global de Cemento y Concreto busca reducir hasta 3.8 gigatoneladas de CO₂ para 2050, y este tipo de investigaciones son herramientas concretas para lograrlo.
Contexto local y colaboración internacional
La investigación, financiada por el “Programa Sectorial del Níquel” de Cuba, contó con la participación de destacados científicos del Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad Católica del Norte (Chile), el Centro de Investigaciones del Níquel (CEDINIQ) de Moa, la Universidad Central Marta Abreu de las Villas (Cuba) y la Universidad de Antofagasta (Chile), entre otras instituciones. Esta colaboración subraya el importante nivel científico que se genera en la región y su capacidad para aportar soluciones a problemas globales.
La autora principal del artículo es la joven profesora Ms.C. María de Lourdes Pérez Lamorú, y contó con el apoyo de los coautores Dr.C. Iván Salazar, Dr.C. Hugo Javier Angulo Palma, Dr.C. Yoalbys Retirado Mediaceja, Ms.C. Yunior Correa Cala, Yosvany Díaz Cárdenas, Juan Alberto Ribalta Quesada; Dr.C Roger Samuel Almenares Reyes, Manuel Saldana, Felipe M. Galleguillos Madrid y Norman Toro.
Si bien el artículo no contiene citas textuales de los autores, los resultados hablan por sí mismos y demuestran con datos que la producción de cementos sostenibles no es solo un deseo ambiental, sino un objetivo alcanzable con el desarrollo de la ciencia aplicada. El modelo presentado es, sin duda, un fruto tangible de las investigaciones en la Universidad de Moa, que pone a disposición de la industria mundial una herramienta para un futuro más limpio.