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

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Mir.

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5. Montalvo, R., et al., 2006
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7. 2010. The Manufacture of Blast-Furnace Slag,
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10. Cruz, A., R. Quintana, y L. Perdomo, 2000
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11. Rodríguez, L.A. 2002. Evaluación
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12. CITMA. 1997. Estrategia Ambiental Nacional,
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13. 1997. Ley 81 de Medio Ambiente: La Gaceta
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14. Calleja, J., 1986 Adiciones y cementos con
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15. Papadakis, M. y M. Venuat. 1968.
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16. Venuat, M. y M. Papadakis. 1966. Control y
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18. Demoulian, E. y P. Gourdin. 1980. Influence of
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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.