Propuesta para la reutilización de escoria del horno de cubilote

Resumen

En los hornos de cubilote utilizados para la fundición de piezas la escoria se obtiene como subproducto del proceso. La comparación de la composición química de estos materiales otros empleados en la industria nos permiten proponer usos para su recuperación. La composición química de las muestras de escorias se determinó utilizando el método de Espectrometría de Absorción Atómica. A partir de los resultados obtenidos se llegó a la conclusión que las muestras analizadas están compuestas principalmente por sílice (SiO2), cal (CaO), hematita (Fe2O3) y alúmina (Al2O3) en ese orden. En menor medida se encuentran óxido de manganeso, sodio, potasio y cromo. Por lo tanto, se propone el empleo de los desechos sólidos de fundición estudiados para la fabricación de cemento, como materia prima para la industria del vidrio o como abrasivo para el proceso de SandBlasting.

Palabras clave:

Fundido de escoria, horno de cubilote, desechos sólidos de fundición.

Proposal for recycling the Cupola furnace slag

Abstract.

Cupola furnace are use to obtain the cast iron in the manufacture of parts by foundry for agricultural machines. In this process not only a metallic alloy is generated but also waste products are obtain, one of them is the slag. The aim of this work is to propose a possible utilization for these materials through a comparison of their chemical composition with other materials use in the industry. The chemical composition of the samples was determined by the method of Spectrometric Atomic Absorption. In conformity with the obtained results it was concluded that the samples under examination are compound mainly of silicon (SiO2), lime (CaO), hematite (Fe2O3) and alumina (Al2O3) in that order. In less quantity it was found oxide of manganese, sodium, potassium, and chromium. Therefore, it was propose to use these solid wastes of foundry in the elaboration of cement, as a raw material for the glass industry or as an abrasive for the Sandblasting process.

Key-words

Slag, cupola furnace, solid waste of foundry.

Introducción

A partir de las fundiciones de los hornos de cubilote de la Empresa Logística de la Agricultura "26 de Julio" de Bayamo, se obtienen piezas para aerogeneradores, elementos para la maquinaria agrícola, etc. En estos hornos la aleación metálica se extrae cuando la misma alcanza la composición química establecida. Al final de la colada se realiza el vaciado de la escoria hacia un recipiente para conducirla hasta el patio del taller. Después de la recolección de gran cantidad de este tipo de material su disposición final es el Vertedero Municipal.

Se le llama escoria a una aleación compleja de óxidos obtenidas como resultado del tratamiento pirometalúrgico del mineral o de los productos intermedios. Las escorias se forman de los óxidos de la ganga y de los fundentes especiales agregados, y que sirven para separar los componentes de la ganga de los productos útiles. [1].

En los procesos metalúrgicos donde intervienen, las escorias, cumplen la función de realizar intercambio iónico con el metal líquido a altas temperaturas con el objetivo de alcanzar la composición deseada del metal líquido durante la producción del metal. Estos fundidos de óxidos y silicatos funcionan principalmente como una barrera para prevenir la oxidación del metal líquido por el oxígeno atmosférico y sirven como "buffer" para controlar la composición del metal líquido.

Las características físicas, químicas, etc. de las escorias dependen del proceso que procedan. En estado sólido estas escorias metalúrgicas se pueden encontrar en diferentes formas física: desde un material semejante a la arena vidriosa hasta una sustancia parecida a una roca gris oscura.

Escoria en la metalurgia de los metales no ferrosos

El cobre, el níquel y algunos otros metales no ferrosos suelen encontrarse en la naturaleza en forma de minerales sulfurados. Durante la fusión de las menas sulfuradas o concentrados se derriten los sulfuros fácilmente fusibles de metales que forman la aleación denominada mata. La ganga (sílice (SiO2), alúmina (Al2O3), óxidos de calcio (CaO), magnesio (MgO), hierro y otras rocas que no contienen los metales no ferrosos), así como los óxidos de metales obtenidos en los procesos de fusión, se funden y forman la escoria de este proceso.

En la producción de cobre y níquel la escoria es un importante producto intermedio. La obtención y transformación de la misma para extraer los metales preciosos son las operaciones principales en la pirometalurgia del cobre y el níquel. [2].

Escoria en la fabricación de acero

En el proceso de fabricación de acero las escorias tienen varios objetivos específicos estos son:

• Eliminar los elementos perjudiciales como fósforo, azufre, etc.;

• Facilitar los procesos normales de oxidación en el baño metálico (la escoria regula el tiempo de transmisión del oxígeno desde la fase gaseosa hasta el metal);

• Proteger el metal de la penetración de los gases de la atmósfera del horno y de la saturación con hidrógeno y nitrógeno;

• Regular la velocidad de calentamiento del metal;

• Retener las inclusiones no metálicas en suspensión en el baño.

En cada período de la fusión, los requisitos para la escoria son diferentes. Por ejemplo, en el período de la oxidación la escoria debe permitir el paso del oxígeno a gran velocidad, tener una alta capacidad desfosforante y gran movilidad en el estado líquido; por el contrario al finalizar la fusión debe aislar el metal del efecto oxidante de la atmósfera y tener una fluidez media. [3].

Escoria en el proceso de Alto Horno

Las características de los desechos sólidos en este proceso son similares a la de los procesos anteriores. En el alto horno las escorias son encargadas de disolver los elementos perjudiciales al baño metálico. Los óxidos, silicatos o sulfuros que entran al horno formando parte del mineral son extraídos con ayuda del fundente.

Entre los residuos producidos en plantas siderúrgicas de alto horno la escoria representa un alto porcentaje. El gran impacto que sobre el medio ambiente ejerce este material ha llevado a desarrollar diversas técnicas para su reaprovechamiento. De acuerdo a su composición química se pueden utilizar para la fabricación de abonos para la agricultura, aditivos para la fabricación de cemento, agregado grueso para la construcción, etc. [4], [5].

Reutilización de las escorias para minimizar las pérdidas

La recuperación y la reutilización de las escorias remueven cantidades significativas de materiales de los flujos de desechos. Otros beneficios medioambientales posibles pueden incluir una menor emanación de gases atribuibles a la producción de cemento y una menor explotación de recursos naturales como materia prima para la producción.

A nivel mundial ha surgido la preocupación por las emisiones de gases de efecto invernadero a la atmósfera por la actividad industrial ligada al desarrollo de la humanidad. En la tabla 1 se relacionan las posibles aplicaciones para los desechos sólidos de algunos procesos pirometalúrgicos.

La fabricación de clinker portland, componente principal del Cemento Portland, implica una transformación química de materias primas en un horno a elevadas temperaturas. Este proceso genera importantes cantidades de CO2. Es por este motivo que varios países han seguido la línea de la investigación y el desarrollo de cementos con adiciones minerales. Resulta obvio que con la elaboración de Cemento Portland a partir de la utilización de adiciones minerales, en reemplazos parciales de clinker portland, la emisión de CO2 se reduce proporcionalmente al reemplazo efectuado. [6], [7] y [8].

Tabla 1. Formas de emplear las escorias de acuerdo al tipo de material.

Situación actual en Cuba

Cuba no cuenta con grandes instalaciones siderúrgicas sino que una gran parte de la escoria que se obtiene es producto de la fabricación de aleaciones ferrosas en hornos de cubilote que pertenecen a empresas del Ministerio del Azúcar, Ministerio de la Construcción y al Ministerio de la Industria Sideromecánica. [9].

La tendencia general en los talleres de fundición del país es considerar las escorias como un material de desecho y depositarlas en vertederos pero nunca reciclarla o reutilizarla como materia prima de otro proceso. El almacenamiento de estos materiales en zonas que no presentan protección genera polvo, debido a la granulometría propia de estos materiales, afectando el entorno y la salud de las personas.

A nivel nacional varios autores han enfocado sus investigaciones en el estudio de los desechos sólidos de fundición; de forma que, han analizado las características de estos materiales como aglutinante en mezclas autofraguantes para la obtención de piezas fundidas y en otros casos para la fabricación de fundentes para diferentes procesos de soldaduras. [10], [11].

Desde la Estrategia Ambiental Nacional

El desarrollo sostenible es concebido como aquel que satisface las necesidades del presente, al garantizar una equidad integracional, sin comprometer la capacidad de las generaciones futuras para satisfacer las propias. La coyuntura actual demanda una concepción integral del desarrollo sostenible, entendido como un proceso donde las políticas de desarrollo económico, científico-tecnológico, fiscales, de comercio, de energía, agricultura, industria, de preparación del país para la defensa y otras, se entrelazan con las exigencias de la protección del medio ambiente y del uso sostenible de los Recursos Naturales, en un marco de justicia y equidad social. [12].

Desde la Ley 81 se define como Desechos Peligrosos: aquellos provenientes de cualquier actividad y en cualquier estado físico que, por su magnitud o modalidad de sus características corrosivas, tóxicas, venenosas, explosivas, inflamables, biológicamente perniciosas, infecciosas, irritante o cualquier otra, representen un peligro para la salud humana y el Medio Ambiente.[13].

El almacenamiento de las escorias de fundición en los patios de los talleres o en vertederos municipales se convierte en un problema ambiental debido a la generación de polvos y gases, en algunos casos las dimensiones de estos materiales es menor de siente milímetros.

Materiales y métodos

Para realizar la evaluación de las escorias del horno de cubilote de la Empresa Logística de la Agricultura "26 de Julio", a partir de su composición química, se tomaron muestras de escorias procedentes de un horno de cubilote de 750 mm de diámetro del taller de fundición de la citada empresa.

La toma de muestras se realizó aleatoriamente, en ocho pilas de escorias correspondientes a igual número de coladas, durante dos meses consecutivos. Cada pila fue muestreada en tres zonas diferentes (superior, media e inferior), obteniéndose un total de 24 muestras. La metodología empleada fue la planteada por la NC 54-29: 84.

Preparación de las Muestras y Análisis Químico

Cada una de las tres muestras, correspondientes a cada pila, fue homogeneizada quedando al final ocho muestras. La homogeneización se logró al ir moliendo, de forma independiente, cada partida de tres muestras hasta lograr que todo el producto molido pasara por una malla de 88 micras de luz (4 900 mallas/cm2).

Para la determinación de la composición química de las muestras de escorias se utilizó el método de Espectrometría de Absorción Atómica, por ser una técnica que analiza simultáneamente varios elementos, requiere una pequeña cantidad de muestras, determina elementos no metálicos y posee poca interferencia. Este análisis fue desarrollado en los laboratorios del Centro de Investigaciones de la Laterita (CIL) en el municipio Moa, provincia Holguín.

Para realizar la caracterización se utilizó:

• 1. Muestras de escorias de horno de cubilote granuladas en agua, molidas y tamizadas.

• 2. Molino de martillos.

• 3. Máquina tamizadora.

• 4. Mezcladora de paletas.

• 5. Espectrofotómetro de absorción atómica, SP-9 de la PYE UNICAM.

Resultados y análisis

Determinación de la composición química

Después de la preparación y el análisis en el espectrofotómetro de absorción atómica se obtuvo como resultado la composición química de las ocho muestras de escoria. En la tabla 2 se muestra la mediana de la composición química de estas muestras. Las mismas poseían una humedad entre un 1 y un 3 % y el tamaño de los granos era inferior a cinco milímetros. Para una mejor comprensión, en la figura 1, se presenta un gráfico realizado a partir de los resultados reflejados en la tabla 2.

Tabla 2. Mediana del resultado de los análisis químicos realizados a las muestras de escorias.

Figura 1. Composición química de las muestras analizadas.

La figura 1 indica que para cada caso analizado el sílice (SiO2) está presente como constituyente base de todas las muestras, seguida del óxido de calcio (CaO), hematita (Fe2O3) y alúmina (Al2O3) en ese orden. Encontrándose en menor medida los óxidos de manganeso, sodio, potasio y cromo. La relación entre estos compuestos es la que le confiere a la escoria su acidez, refractariedad, resistencia mecánica, capacidad hidráulica, etc.

De acuerdo con los resultados obtenidos para la composición química de las escorias en estudio y considerando que presentan composiciones similares a otros materiales utilizados en la industria, se pudiera considerar el reciclaje o reutilización de las mismas. Entre los materiales químicamente similares a las escorias estudiadas se encuentra el clinker para los cementos siderúrgicos, la materia prima para la obtención de vidrios y los elementos abrasivos para el proceso de SandBlasting.

Para Cementos

Los mismos óxidos que forman la mayor parte de las escorias, forman una serie de minerales del grupo de las melilitas, entre los que se encuentran la alita y la belita, principales constituyentes del clinker del cemento Portland. Básicamente los mayores contenidos en la masa total de escoria se encuentran en la sílice (SiO2), la alúmina (Al2O3), la cal (CaO) y la magnesia (MgO), los cuales responden por la capacidad hidráulica de las escorias. [14].

En caso de utilizar estos residuos sólidos de fundición para la obtención de clinker de escoria para cementos siderúrgicos, es necesario tener en cuenta que las escorias que se destinarán a la fabricación de cementos deben recibir determinado tratamiento una vez que hayan salido del horno. Este tratamiento consta de dos procesos fundamentales: el granulado por temple y la molienda.

Varios autores reconocen que el temple desempeña un papel capital, pues condiciona la calidad de la escoria independientemente de su composición química, y afirman que la primera cualidad de una buena escoria para cemento es estar bien templada. [15, 16], [15].

Tan importante resulta la granulación, que para las escorias de altos hornos se les exige un contenido mínimo de fase vítrea de los 2/3 de su masa, pues a igualdad o semejanza de composición química, una escoria siderúrgica tiene tanta mayor actividad hidráulica potencial cuanto mayor es su contenido de constituyentes vítreos o amorfos frente a los mismos u otros en estado cristalino. [17].

Otros autores opinan que los componentes minoritarios y entre ellos la fracción cristalina presentes en las escorias, influyen en la hidraulicidad de éstas de forma que la presencia de un 3 a 5 % de materia cristalina, más que la ausencia total de ella, como en la escoria completamente vitrificada, da resultados óptimos en cuanto a reactividad. [18]

Para Vidrios

Teniendo en cuenta que el mayor porciento de la composición de la masa de las escorias es de sílice se pudiera considerar las mismas para la fabricación de vidrio. El vidrio es un producto inorgánico de fusión. Sus componentes básicos y los modificadores están presentes en forma de óxidos. Los componentes típicos de vidrio son sílice (SiO2), ácido bórico, ácido fosfórico y bajo ciertas circunstancias también óxido de aluminio (Al2O3). Esas substancias son capaces de absorber, disolver, cierta cantidad de óxidos de metal sin perder su carácter vítreo. Esto significa que lo Óxidos incorporados no participan como formadores del vidrio sino que modifican ciertas propiedades físicas de la estructura del vidrio. En la tabla 3 se muestra la composición química de los vidrios más comunes. [19].

Tabla 3. Composición de los vidrios más corrientes.

Para el proceso de Sandblasting

En caso de utilizar las escorias de hornos de cubilote como material abrasivo para el proceso de SandBlasting se debe considerar, al igual que para los cementos siderúrgicos, los procesos de granulado por temple y molienda para obtener las mejores propiedades de las mismas.

La arena de sílice (SiO2), es el producto con el cual todo el mundo comenzó. Éste todavía es el más universal de los medios debido a su costo bajo. Aunque es el abrasivo del lavado con arena a presión más viejo es evitado a menudo por los operadores de Sandblasting, debido al riesgo potencial de silicosis, una enfermedad causada por la inhalación de sílice libre.

Conclusiones

• Las escorias metalúrgicas son mezclas de óxidos, con funciones específicas, resultado de los procesos pirometalúrgicos de tratamiento del mineral o de los productos intermedios, en Cuba la mayor parte de la escoria que se obtiene es resultado de la fundición de hierro en hornos de cubilote.

• Las muestras analizadas están compuestas principalmente por sílice (SiO2), cal (CaO), hematita (Fe2O3) y alúmina (Al2O3) en ese orden. Encontrándose en menor medida los óxidos de manganeso, sodio, potasio y cromo.

• De acuerdo con la tendencia a hacer uso de la práctica de producciones más limpias y teniendo en cuenta la composición química obtenida para las muestras de escoria se proponen tres posibles variantes para su empleo: para la obtención de clinker para cementos siderúrgicos, como materia prima para la fabricación de vidrio y como elemento abrasivo para el proceso de SandBlasting.

Referencias bibliográficas

1. Vaniukov, V. y Y. Zaitsev. 1981. Teoría de los procesos pirometalúgicos. Moscú: Vneshtorgizdat.

2. Beregovski, V. y B. Kistiakosvki. 1974. Metalurgia del cobre y el níquel. Moscú: Mir.

3. Smirnov, N., A. Fanjul, y G. Cabezas. 1990. Producción de acero. La Habana: Felix Varela.

4. Neely, J.E. 1994. Practical Metallurgy and Materials of Industry. Forth Edition ed. New Jersey: Prentice-Hall, Inc.

5. Montalvo, R., et al., 2006 Caracterización de escoria siderúrgica por difracción de rayos X. Elementos. Vol. 13.

6. Becker, E., 2001 Cemento de alto horno – Características y Recomendaciones de Uso.

7. 2010. The Manufacture of Blast-Furnace Slag, Cement Australia Group. Technical Note.: Australia.

8. Ling, W., T. Pei, y Y. Yan. 2010. Application of ground granulated blast furnace slag in high-performance concrete in china, in International Workshop on Sustainable Development and Concrete Technology

9. Jerez, R., et al., 2007 Sintesis de matrices fundidas del sistema CaO-Al2O3-SiO2 a partir de la reducción carbonotérmica de escorias de Horno de Cubilote. Soldagem Insp. Vol. 12: p. 218-228.

10. Cruz, A., R. Quintana, y L. Perdomo, 2000 Obtención de FeMn de alto carbono y escoria para el desarrollo de materiales para soldar. Minería y Geología. Vol. XVII

11. Rodríguez, L.A. 2002. Evaluación de escorias de hornos de cubilote como material aglutinante en mezclas autofraguantes para la fabricación de piezas fundidas, in Dept. Mecánica, Universidad de Holguín, "Oscar Lucero Moya": Holguín.

12. CITMA. 1997. Estrategia Ambiental Nacional, CITMA: La Habana.

13. 1997. Ley 81 de Medio Ambiente: La Gaceta de Cuba.

14. Calleja, J., 1986 Adiciones y cementos con Adiciones. Revista Técnica – Construcción. Vol. 3.

15. Papadakis, M. y M. Venuat. 1968. Fabricación, características y aplicaciones de los diversos tipos de cementos. Barcelona: URMO.

16. Venuat, M. y M. Papadakis. 1966. Control y ensayos de cementos, morteros y hormigones. Barcelona, España: Ediciones URMO. 381.

17. Calleja, J., 1992 Los nuevos cementos europeos para hormigones. Cemento – Hormigón. Vol. Agosto (709): p. 1157-1168.

18. Demoulian, E. y P. Gourdin. 1980. Influence of slag´s chemical composition and texture on their hidraulicity, in Congreso de París. II: Francia. p. 89-94.

19. Callister, W.D. 2009. Materials Science and Engineering: An Introduction. 5ta ed. Vol. 2. Ciudad de La Habana: Editorial Félix Varela.

Autor:

1Ing. Inhaudis Calzada Pompa,

2Ing. Alain Ariel de la Rosa Andino

Universidad de Granma, carretera a Manzanillo km 17 ½, CP: 85100,

Cuba.