Instituto Tecnológico Tecnológico Superior de Irapuato
ESCORIAS 2016 Recopiló: MALN 2016
ESCORIAS Las escorias tienen una serie de funciones de gran importancia que cumplir en los procesos de fusión, conversión y reno a fuego, que sin su presencia en los hornos metalúrgicos su funcionamiento sería imposible. Entre estas funciones se debe mencionar su papel puricador retirando los componentes de la ganga de la materia prima y facilitando la separación de la fase metálica de valor dentro del horno. ho rno. El papel ugado por las escorias depende obviamente de su composición química, que a la ve! determina otras propiedades fundamentales" basicidad#acide!, viscosidad, densidad, fusibilidad, poder corrosivo, y aun más selectividad se lectividad.. Las escorias son un subproducto de la fundición fundición de la mena para puricar los metales metales.. $e pueden considerar como una me!cla de ó%idos ó%idos metálicos& sin embargo, pueden contener sulfuros de sulfuros de metal y átomos átomos de de metal en forma de elemento $e forman durante la fusión de las menas o durante la renación de los metales brutos y contienen elementos que no se reducen durante el proceso de reducción o elementos que se o%idan durante el proceso de renación.
La capacidad de formar una escoria o una mata no la tienen todos los compuestos. El poder escoricante de un ó%ido metálico, con respecto a otro, radica en la posibilidad de que puedan manifestar anidades químicas y eut'cticas. La sílice, $i(), es un buen escoricante del *a(, ya que estos ó%idos dan lugar a eut'cticos de bao punto de fusión. +or lo tanto, un buen escoricante es aquel capa! de reaccionar químicamente con alguno de los ó%idos de la me!cla formación de compuestos químicos-. +or el contrario, el carácter fundente de un compuesto reside en su capacidad para aportar líquido al medio debido a su bao punto de fusión. Esto implica que un aditivo fundente tendrá una baa capacidad de reacción con los restantes componentes del sistema fundido.
Entonces la escoria recoge algunos de los componentes indeseables de la mena y como es inmiscible con el fundido metálico se separa el metal metálico de sus componentes indeseables. El inicio del proceso de fusión indica la temperatura para la cual tiene lugar la p'rdida de rigide! de los materiales. +or encima de esta temperatura resulta imposible utili!ar estructuralmente cualquier material. El concepto de temperatura de transición vítrea, T G, en vidrios y polímeros termoplásticos y elastómerosseala, igualmente, el nivel t'rmico a partir del cual comien!a a disminuir la rigide! del material. Los enlaces iónicos e%istentes entre las cadenas de los tetraedros de $i(//0 o los de 1an der 2aals y puentes de hidrógeno entre cadenas hidrocarbonadas quedan rotos.
3ambi'n pueden servir para otros propósitos, como ayudar en
el control de la temperatura durante la fundición y minimi!ar la reo%idación del metal líquido nal antes de pasar al molde. La escoria tiene muchos usos comerciales y raramente se desecha. 4 menudo se vuelve a procesar para separar algún otro metal que contenga. Los restos de esta recuperación se pueden utili!ar como balasto para el ferrocarril y se ha utili!ado como metal para pavimentación.
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$e le aaden a veces fundentes a la escoria para dar los valores deseados de" +unto de fusión 1iscosidad 5ensidad +ropiedades químicas
Los •
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fundentes más comunes son" *al y magnesita" En la fabricación de hierro y acero Espato6úor" En la renación de acero
*omo uno de los componentes fundamentales de las escorias metalúrgicas es la sílice, se puede establecer un paralelismo entre los vidrios y dichas escorias con $i(), en las cuales los ó%idos básicos actuarán como modicadores de la estructura tridimensional de este ó%ido. 7o obstante, es preciso destacar que las temperaturas de inicio del proceso de fusión de una escoria no corresponden con lo que podría ser la temperatura de transición vítrea de la misma, ya que el concepto de T G se encuentra denido a partir de la temperatura para la cual la viscosidad del material alcan!a un valor de 89: +a;s. En las escorias T G se dene como aquella temperatura para la cual el valor del calor especíco, c p, es igual a 8.8 <#g#=. +ara formar una escoria no sólo habrá que tener
El sistema SiO₂-CaO-Al₂O₃ interesa particularmente para conocer las escorias del alto horno pero constituye también la base de los reractarios de alumina-silice y de la abricaci!n del cemento portland" Adem#s de los tres componentes principales$ las escorias del alto horno pueden contener cantidades %ariables de o&ido de ma'nesio$ o&ido de man'aneso y !&idos de titanio" (a escoria del alto horno debe tener una temperatura de usi!n de 1)00 ⁰C o menos"
5iferentes tipos de escorias >%idos >%idos secundarios
4tmósfera en el horno principales
?uy reductora
+oco reductora
$i()0*a(0 4l)(@
?g(
$i()0?g(0 4l)(@ $i()0?g(0 *a(04l)(@ $i()0Ae(0*a( ?g(, 4l)(@, Cn(
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*a(
7ombre de la escoria y metalurgia donde aparece Escorias del alto horno ?etalurgia del Ae y ferroaleaciones Aerrocromos Aerrocromos
Escorias ferrosocálcicas. ?etalurgias del *u, +b, 7i, $b, .... ?etalurgia del 7i en 7ueva *aledonia
*ranulaci!n de escoria (a 'ranulaci!n de la escoria del alto horno representa una opci!n muy atracti%a ya +ue con%ierte la escoria del alto horno en un subproducto muy %alioso +ue puede %enderse a la industria del cemento Escoria granulada de alto horno, (a escoria 'ranulada de horno alto posee e&celentes propiedades cuando se acti%a de manera adecuada" (a escoria 'ranulada de horno alto debe estar constituida por lo menos dos tercios de masa de la suma de CaO$ 'O y SiO " El resto contiene Al O $ /unto con pe+ueas cantidades de otros !&idos (a escoria 'ranulada de alto horno se obtiene por enriamiento r#pido de una escoria en estado de usi!n de composici!n adecuada$ procedente de la usi!n del mineral de hierro en un alto horno" 2
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Imágenes de escoria granulada
Los altos hornos generalmente entre 200 y 400 kg de escoria líquida por cada tonelada de arrabio producida. Hasta hace 0! " a#os$ la escoria del alto horno era considerada un desperdicio y se la desechaba en un lugar apropiado %uera del alto horno.
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El uso de escoria de alto horno en reemplao de cliner para la producci!n de cemento es hoy aceptado mundialmente$ obteniendo como resultado un cemento de alta calidad$ comparable al cemento portland con%encional$ a un costo m#s atracti%o"
34ué es el cliner5 •
Calia cocida" Es la deinici!n m#s e&acta de lo +ue se conoce como cliner$ la principal materia prima de la +ue se obtiene el cemento" Est# constituido por una especie de bolas de color 'ris#ceo de tamao similar al di#metro de una pelota de 'ol$ aun+ue en ocasiones son m#s pe+ueas"
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El descarte y acumulaci!n de 'randes cantidades de escoria de alto horno puede de esta manera e%itarse$ reduciendo la intensidad de uso y mantenimiento de los poos de escoria seca y los consi'uientes problemas ambientales"
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n beneicio adicional del uso de escoria de alto horno en la producci!n de cemento es la reducci!n de emisiones de CO 2" 7or cada tonelada de cliner sustituido por escoria de alto horno 'ranulada se obtiene una tonelada menos de emisi!n de CO 2"
(a escoria tiene como unciones •
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Sitio de dierentes reacciones" 7or e/emplo$ durante la undici!n reductora del plomo los silicatos de este metal son reducidos en la escoria" (a escoria 'obierna la eiciencia del proceso de reinaci!n debido a la interacci!n en la interace metal-escoria" A %eces la escoria puede constituir un producto %alioso por contener elementos de alto %alor" (a escoria prote'e la supericie del metal de la atm!sera 'aseosa del interior del horno"
(os !&idos ormadores de escoria se di%iden en, •
8&idos b#sicos, 9a2O$CaO$'O$:eO$7bO$ Cu2O$;aO$etc"
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8&idos #cidos, SiO2$72O<$SO."
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8&idos anotéricos, Al 2O.$=nO"
(os
primeros dos tipos orman$ entre ellos$ compuestos como sulatos$ osatos$ etc" (as escorias con alto contenido de cal se denominan b#sicas y los +ue contienen una alto cantidad de s>lice se
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(as escorias industriales est#n constituidas por los si'uientes compuestos principales SiO2$Al2O.$CaO$'O$:eO y todos los !&idos de las impureas" (os !&idos puros tienen puntos de usi!n mucho m#s altos$ +ue los compuestos ormados por ellos" 7or e/emplo en el sistema CaO-SiO2 los compuestos unden a las temperaturas si'uientes, CaO-SiO2 ?1@1.B$ 2CaO-SiO2 ?2)0.B" ientras +ue los !&idos puros CaO ?2@).B$ SiO 2?1@.B" En la pr#ctica las escorias son policomponentes y en sus sistemas e&isten eutécticas policomponentes$ a %eces$ con ba/o punto de usi!n
E&isten dos teor>as sobre las escorias undidas,
&eoría
molecular &eoría i'nica
Deor>a molecular Se supone la e&istencia de moléculas y considerando el e+uilibrio de disociaci!n del silicato se usa la e&presi!n" eO-SiO2 eO F SiO2 El 'rado de disociaci!n depende de la temperatura$ as> como también de la cantidad de !&idos libres en la escoria" (a presencia de otros !&idos$ m#s uertes$ puede inluir en la descomposici!n$ por e/emplo,
Deor>a molecular 2 :eO"SIO2 F 2CaO
2CaO"SiO2 F 2:eO
.CaO"72O< F .SiO2 .CaO"SiO2 F 272O< 7bO"SiO2 F 2:eO 2:eO"SiO2 F 7bO
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Ge estas reacciones se puede %er +ue los !&idos m#s uertes desplaan a los m#s débiles de sus compuestos" El !&ido +ue tiene el %alor de H* de su ormaci!n m#s ne'ati%o es m#s uerte"
Deor>a I!nica •
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Se pretende e&plicar la naturalea de otros en!menos$ como la electr!lisis de sales undidas$ la conducti%idad eléctrica de la escoria$ etc" S!lo la teor>a i!nica permite aclarar el mecanismo de transporte de las car'as eléctricas en los electr!litos" En la red cristalina del compuesto e&isten interacciones electroest#ticas entre los cationes y aniones" Cuando la ener'>a calor>ica suministrada sobrepasa dichas ueras$ sucede la usi!n de la sal con la liberaci!n de los iones de la red cristalina" Gesde este momento cada i!n puede mo%erse independientemente" Otro actor +ue también debilita las interacciones electroest#ticas es el sol%ente"
Deor>a I!nica 7ara ilustrar la interacci!n +ue e&iste en la escoria entre los !&idos$ #cidos y b#sicos$ se parte de una s>lice pura a la cual se aade cierta cantidad de cal" ( ( (
O-Si-O-Si-O-Si-O F Ca2F F O2Ca2F F O-Si-O-Si-O O-Si-O Aumentando las adiciones de CaO$ el nJmero de rompimientos aumenta$ causados por el o&>'eno pro%eniente de los !&idos b#sicos lle'ando hasta la unidad b#sica$ entonces se dice +ue la escoria est# neutraliada y un mol de silicio es neutraliado por dos moles de CaO SiO2 F 2CaO SiO))- F 2Ca2F
Deor>a I!nica •
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Al aumentar la cantidad de !&idos b#sicos empiean a e&istir los o&>'enos libres en la escoria SiO2 F .CaO SiO))- F .Ca2F F O2Considerando el concepto de acide y basicidad$ se dice 'eneralmente +ue una escoria es b#sica$ cuando contiene iones de o&>'eno libres y en caso contrario se dice +ue es #cida" (as relaciones +ue se usan con m#s recuencia en la pr#ctica para determinar la basicidad de las escorias son, ) *a+ ) ,i+2 - ) l2+/
) *a+ ) ,i+2 •
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K Iones de oígeno libres oles de escoria
K
*a+ - g+ ,i+2 - 120"
Componentes de la escoria +ue no son !&idos •
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El aure puede disol%erse en las escorias undidas ya sea como ion suluro o como sulato" ;a/o las condiciones reductoras +ue e&isten$ el suluro es la orma dominante mientras +ue el sulato puede ormarse ba/o condiciones o&idantes Capacidad para sulfuros, es la capacidad +ue tiene una escoria l>+uida para absorber suluros" Lsta se incrementa r#pidamente al aumentar el contenido de cual+uiera de los M!&idos b#sicosN Cao$ nO$:eO$ en la escoria y es mayor para escorias errosas y man'anosas +ue para c#lcicas y los %alores m#s ba/os para undidos de !&idos de ' y de silicatos de alJmina
Escorias de carburos •
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;a/o condiciones uertemente reductoras$ puede ormarse carburo de calcio mediante la reacci!n, CaO F .C CaO F CO El carburo de calcio$ +ue unde a 2.00C puede disol%er cantidades apreciables de !&ido con lo +ue su punto de usi!n disminuye 2
Escorias de luoruros •
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El haluro +ue mas comJnmente se aade a las escorias metalJr'icas es el espato lJor$ el cual se unde 1.@6C pero +ue cuando se meclan con escorias de silicatos puede dar puntos de usi!n ineriores a 1200C" (a adici!n mas importante de luoruro es la +ue se hace a la escoria reductora +ue se utilia en la abricaci!n eléctrica de acero" 7ara obtener una buena desuluriacion se utilia una escoria muy b#sica$ con relaci!n CaOSiO 2 entre 2 y ." sin embar'o tal escoria pose un punto de usi!n por encima de 2000C" Al aadir apro&imadamente 20 P de Ca:2 el punto de usi!n ba/a hasta por deba/o de 1<00C y con <0P por deba/o de 12.0C" 7uede obtenerse una reacci!n aun mayor al combinar adiciones de espato lJor y alJmina" (a adici!n de luorita a la escoria tiene el car#cter de una diluci!n y no parece aectar mucho la acti%idad de los otros
*ases en las escorias Los gases as counes se disuel-en .ue en las escorias son el "ió!ido /e car"ono el -apor de agua El dió!ido de car"ono se disuel-e u pro"a"leente de acuerdo con la reacción )&2 ' &2 *)&2,( En los sisteas de ó!idos alcalinos el dió!ido de car"ono a presión atos34rica se disuel-e para dar un 3undido de car"onato esencialente este.uioetrico En las escorias de cal,silicato la solu"ilidad es u pe.ue5a se cuenta con pocas ediciones ara una coposición de escoria dada a la solu"ilidad se increenta al auentar la presión )&2 disinue al auentar la teperatura ara presiones de )& 2 aores 120 at se ha o"ser-ado isci"ilidad li.uida copleta entre el )a 2Si&+ 7 el )a)& ( 8p3 1290); El agua es solu"le tanto en escorias "#sicas coo en acidas la solu"ilidad tiene un %nio para las denoinadas escorias neutras con )a&0pp de hidrogeno en la escoria
Escorias errosas
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(as escorias errosas se orman tanto la abricaci!n de acero como durante la usi!n de menas de cobre y de plomo" En estos procesos las condiciones son mucho mas o&idantes +ue dentro del alto horno de hierro por lo +ue esto +ueda parcialmente retenido en la escoria" (os principales componentes en estas escorias son, :eO$ CaO$ Q SiO 2 aun+ue al'o de hierro esta presente siempre como :e 2O." Adem#s $ la escoria puede contener 'O$ nO$ Al 2O.$ 72O<$ =nO" Cuando se unden las escorias errosas en e+uilibrio con hierro met#lico$ el hierro en la escoria se encuentra principalmente en estado di%alente aun+ue al'o de hierro tri%alente se encuentra también presente$ as> un undido de ustita pura en e+uilibrio con hierro contiene apro&imada ente un 10P de :e2O."
Escorias errosas
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Cuando se aade la s>lice $ el contenido de :e 2O. disminuye y se %uel%e insi'niicantemente para contenidos mayores al correspondiente del :e2SiO)$ por el contrario cuando se aade cal $ al contenido de ustita $ el contenido de :e 2O. de e+uilibrio con el hierro met#lico aumenta hasta el 20P (os procesos de undici!n errosos y no errosos producen distintas escorias" 7or e/emplo$ la undici!n del cobre y el plomo$ no errosa$ est# diseada para eliminar el hierro y la s>lice +ue suelen darse en estos minerales$ y se separa en orma de escoria basada en silicato de hierro" 7or otro lado$ la escoria de las acer>as$ en las +ue se produce una undici!n errosa$ se disea para minimiar la pérdida de hierro y por tanto contiene principalmente calcio$ ma'nesio y aluminio"
Componentes
adicionales
de
las
escorias
errosas
(as escorias #cidas de aceraci!n contienen recuentemente al'o de !&ido de man'anesoK (as escorias b#sicas de aceraci!n contienen !&idos de ma'nesio y de !soro$ las escoras de cobre y plomo contienen al'o de !&ido de inc$ y al'unas contienen al'o de alJmina$ aun+ue la alJmina no parece encontrarse uertemente enlaada tanto en escoras #cidas como en las b#sicas as> +ue no puede considerarse como diluyente inerte" (os !&idos de man'aneso$ ma'nesio y inc se parecen a la cal en +ue poseen altos puntos de usi!n y +ue orman silicatos estables"
7ropiedades >sicas de las escorias •
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Adem#s del punto de usi!n$ la %iscosidad de la escoria es muy importante en la +ue corresponde a su comportamiento con la usi!n" (a %iscosidad de un 'ran numero de escorias de silicato ha sido medida por distintos in%esti'adores como unci!n tanto de las temperaturas como de la descomposici!n de la escoria" Entre una escoria b#sica y una #cida$ el %alor de la %iscosidad puede dierir por un actos de mil o mas$ si en lu'ar de la cal se utilian otros !&idos b#sicos como 'O$ nO o :eO$ la %iscosidad no se %e muy aectada$ si al'o sucede es una disminuci!n adicional"
7ropiedades >sicas de las escorias •
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El eecto de la temperatura es muy distinto entre las escorias #cidas y b#sicas$ en el casi de las escorias b#sicas la %iscosidad aparente aumenta s!lo li'eramente al disminuir la temperatura y lue'o m#s r#pido a medida +ue se precipitan las ases solidas" El sobre enriamiento del li+uido y la %iscosidad de la escoria aumenta desde su %alor para el li+uido hasta su %alor para el solido %>treo" (as escorias b#sicas se denominan cortas y las acidas lar'as$ lo +ue ilustra el comportamiento de la %iscosidad durante el enriamiento"
Gensidad (a densidad parece ser una unci!n mas o menos lineal de la composici!n de la escoria$ si bien e&isten des%iaciones $ en las escorias del tipo alto horno$ la densidad incrementa al aumentar el contenido de cal$ en escorias errosas"
Densi!n supericial
(a tensi!n supericial es importante en el mo/ado de metales y reractarios para escorias y para rapide con la +ue distintos componentes se disuel%en el la escoria" (a tensi!n supericial de las escorias li+uidas es del orden 0". a 0"< /m2$ y esta disminuye li'eramente al aumentar la temperatura en un ran'o de 200C$ y la disminuci!n apro&imada es de 10P$ relacionada con la tensi!n supericial" Est# la tendencia +ue presentan ciertas escorias a hacer espuma"
