RECICLADO DE ESCORIA DE ALTO HORNO PARA LA

RECICLADO DE ESCORIA DE ALTO HORNO PARA LA PRODUCCIÓN
DE LOSETA VITROCERAMICA
Juan Genaro Osuna Alarcón, Rosa Alicia Pérez Guzmán Elia Martha Múzquiz Ramos
U. A. de C. Facultad de Ciencias Químicas, Depto. Cerámica,
Blvd. V. Carranza y J. Cárdenas Valdés s/n, 25280, Saltillo, Coah., Méx.
Tel (844) 430-86-71; e-mail: [email protected]
RESUMEN
La creciente necesidad de reciclar los desechos producidos por las diferentes ramas industriales, ha hecho que algunos
residuos despierten el interés científico, tal como el caso de residuos ricos en sílice, ceniza volante y escorias de alto
horno, para la producción de nuevos productos vitrocerámicos, siendo estos algunos residuos que despiertan el interés
científico.
Esta investigación se enfoca al reciclado de la escoria de origen de alto horno en procesos siderúrgicos para producir
losetas vitrocerámicas, donde se sustituye escoria por caolín, materia prima utilizada en pastas cerámicas, donde en las
formulaciones se va incrementando desde un 5% hasta 60%, sustituyendo por completo al caolín.
La técnica empleada para producir vitrocerámicos es a través de prensado unidireccional, cuyo empleo está justificado
para características inherentes al proceso.
Los resultados obtenidos en pruebas físicas y mecánicas muestran el peso específico de la escoria, además de las fases
importantes que se forman al sinterizar las diversas formulas a 1100 °C , En la caracterización térmica y microestructural
existen diferencias bien marcadas entre la formula con caolín y las que contiene escoria de alto horno de forma
ascendente con incrementos de 5% .
En conclusiones se enfatiza la opción de poder utilizar la escoria de alto horno para producir materiales vitrocerámicos
para pisos y muros sin problema de propiedades debido a que éstas son superiores con escoria.
INTRODUCCIÓN
La producción de desechos tóxicos es común en el desarrollo y operación de diferentes ramas industriales en México
(3.705,846 Ton/año), esto genera grandes problemas relativos a su confinamiento o reutilización, por lo que la colocación
de estos desechos industriales es un problema a nivel mundial, ya que, aunque mucho de los desechos producidos por
la industria van a parar a contenedores especiales, no siempre es así, lo cual con el tiempo constituye un problema de
tipo ambiental1.
Como consecuencia de estas consideraciones ambientales hay una creciente demanda de que estos residuos sean reusados o reciclados. Como ejemplo, el uso de residuos ricos en sílice para la producción de vitrocerámicos es una de las
propuestas que hoy en día son de interés; así el desarrollo de nuevos productos de vitrocerámicos por el re-uso de
residuos de origen metalúrgico, escorias de alto horno y ceniza volante han sido algunos residuos que despiertan el
interés científico2.
Monclova es una localidad básicamente industrial, condición que adquirió con la implantación de los Altos Hornos de
México: se dedica a la fundición de hierro y acero a partir del mineral de hierro de Cerro Mercado y el carbón de la
cuenca de Sabinas.
La escoria de alto horno en Monclova producida por Altos Hornos se ha considerado en miles de toneladas las cuales se
encuentran formando cerros inmensos de este material, después de todo, al menos un 10% de lo que es producido en el
acero y en el proceso de fabricación del hierro es la escoria.
Altos Hornos de México es una de las compañías, que producen una gran cantidad de escorias con características
específicas, debido a las materias primas utilizadas según el tipo de proceso; en el presente trabajo se utilizaron escorias
de esta compañía3.
El volumen de escorias varía de acuerdo con las materias primas usadas en la producción de arrabio de alto horno. El
uso de este material es un asunto que concierne tanto por razones económicas como ecológicas.
En la actualidad se ha encontrado solo una referencia bibliográfica, pero con el conocimiento de esta escoria se
considera que se puede obtener una muy buena opción para reducir el costo en la producción de gres cerámico;
pretendiendo con lo anterior apoyar a las industrias productoras de cerámica nacional4.
Aunque el proceso para producir vitrocerámicos ya es conocido desde hace tiempo, sigue siendo relevante el estudio de
diferentes escorias. El uso de esta escoria de origen metalúrgico resulta en propiedades como alta resistencia a la
flexión, dureza y resistencia al desgaste, siendo estas características esenciales para que un vitrocerámico tenga un
éxito comercial.
Actualmente la escoria de alto horno se esta utilizando en construcción para relleno, en bardas, concretos y sobre todo la
importancia es en el uso del cemento5.
PARTE EXPERIMENTAL
Materiales y equipos
Materias primas
•
•
•
•
•
•
Escoria de Alto Horno
Caolín
Feldespato
Arcilla
Carboximetilcelulosa (CMC)
Agua potable de la red municipal
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Molino de bolas marca Gewis
Rotap modelo RX-29
Balanza marca explorer OHAUS
Agitador de aspas EUROSTAR
Estufa Fihser Scientific
Mezcladora Hobart modelo C-100
Prensa ENERPAC
Horno Thermolyne
Prensa marca Tinius Olsen
Analizador Termogravimétrico, TGA-50 Shimadzu
Analizador Térmico Diferencial, DTA-50 Shimadzu
Equipos
•
•
Difractómetro de Rayos X marca Phillips modelo XPert
Microscopio Electrónico de Barrido FEI QUANTA 200
Desarrollo de fórmulas
Fórmula
Tabla 1 Desarrollo de Fórmulas
Caolín %
Feldespato
Arcilla % Escoria %
%
H2O ppc
Blanco
60
20
20
0
100
1
55
20
20
5
100
2
50
20
20
10
100
3
45
20
20
15
100
4
40
20
20
20
100
5
35
20
20
25
100
6
30
20
20
30
100
7
25
20
20
35
100
8
20
20
20
40
100
9
15
20
20
45
100
10
10
20
20
50
100
11
5
20
20
55
100
12
0
20
20
60
100
Metodología
Molienda de
Escoria
Pulverizado
Mezclado
(2)
Tamizado
Secado
Prensado
Pesado de
materias
primas
Mezclado
(1)
Sinterizado
Caracterización
RESULTADOS Y DISCUSIONES
A continuación se presentan los resultados obtenidos en pruebas físicas, mecánicas, térmicas y microestructurales de
las formulas establecidas
Densidad Aparente
En la Tabla 2 se puede observa que la fórmula 0 “el blanco” presenta la menor densidad, se visualiza, a medida que se
sustituyó escoria por el caolín en las formulaciones aumenta la densidad, aunque en algunos casos no es clara la
tendencia en la fórmula 12 presenta la mayor densidad con una cantidad de escoria del 60%.
Tabla 2 Densidad Aparente
Fórmula
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Densidad Aparentes
(g/cm3)
1,693
1,781
1,746
1,794
1,796
1,830
1,868
1,875
1,874
1,890
1,938
2.001
2.002
Absorción de agua
Generalmente se puede decir que conforme aumenta la densidad se tiene menor absorción de agua para una fórmula base
definida, pero en este caso no se observa dicha tendencia por la diferencia en escoria, aun cuando se observa en la Tabla 3,
muestra que la fórmula 0 tiene el mayor porcentaje de absorción de agua y la menor densidad según Tabla 2, esto no es el
caso en las demás formulaciones; se observa que la de menor porosidad es la formula No 1 con 5% de escoria en
sustitución de caolín según formula, le siguen la formula 2, 12, 4 y 10 y así sucesivamente con 10, 60, 20 y 50% de escoria
en sustitución de caolín respectivamente.
Formula
0
1
2
Tabla 3. Absorción de agua
Absorción de agua (%)
17,909
11,055
14,311
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
15,257
14,785
16,725
16,318
15,736
16,819
16,492
14,974
16,709
14,706
Resistencia Mecánica (Rc y Rf)
Las pruebas de resistencia mecánica normalmente requeridas son la resistencia a la compresión y a la flexión por el
soporte de carga y ruptura respectivamente, en estas pruebas se observa que la mejor es la formula 4 con resistencia a
la compresión de 472 Kg/cm2 y flexión de 106.9 Kg/cm2 y posteriormente la formula 1 con resistencias muy buenas de
445 Kg/cm2 en compresión y de 91 Kg/cm2 en flexión, si se analizan estas dos formulas, son las que presentaron baja
absorción de agua o sea cuentan con menor porosidad, por lo tanto, existe mayor unión entre las fases formadas por el
sinterizado.
El resto de las fórmulas no están relacionadas con las propiedades obtenidas y en general en todas las formulaciones se
observan mayores resistencias que en la formula 0 (Tabla 4).
Formula
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Tabla 4. Resistencia a la Compresión y Flexión
Resistencia a la
Compresión (Kg/cm2)
274,958
445,794
304,731
268,116
472,263
194,083
362,962
315,609
310,246
312,019
310,607
229,862
339,955
Resistencia a la
Flexión (Kg/cm2)
45,186
91.157
85,52
67,666
106.949
51,402
77,599
56,965
41,966
61,181
62,595
55,163
60,367
Análisis Térmicos (DTA y TGA)
A continuación se presentan los resultados obtenidos en análisis térmicos del total de las fórmulas establecidas.
Análisis Térmico Diferencial
El total de las fórmulas se presentan en dos gráficas; en la Figura 1 se observan las formulas de la 0 a la 6, y en la Figura 2
las formulas 7 a la 12.
ANÁLISIS TÉRMICO DIFERENCIAL
FO
F1
F2
F3
F4
F5
F6
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
T e m p e r a tu r a º C
Figura 1. Representación gráfica de análisis térmico diferencial
Fórmulas de la 0 a la 6
En la Figura 1 el Análisis Térmico Diferencial de la fórmula 0 se puede observar que después de los 500 °C se empieza
a formar fases nuevas y con esto otros tipos de compuestos, en la fórmula 1 se observa una tendencia parecida a la de
la fórmula 0 no teniendo modificaciones definidas al sustituir 5 % de caolín por escoria.
En la fórmulas 2 a 6 se aprecia una descomposición y seguida de una fusión de componentes producto de los elementos
contenidos en la escoria como fierro y álcalis.
ANÁLISIS TÉRMICO DIFERENCIAL
F 7
F 8
F 9
F 10
F 11
F 12
0
200
400
600
800
1000
1200
Figura
2.
1400
T e m p e ra tu r a º C
Representación gráfica de análisis térmico diferencial
Formulas de la 7 a la 12
En la Figura 2, en la fórmula 7 se observa una descomposición y posteriormente trata de recuperar a la formación de
nuevas fases, en el resto de las formulas siguen una tendencia similar a la gran mayoría una descomposición y posterior
fusión de componentes cristalinos formando vidrio en el cuerpo cerámico.
Análisis Termogravimétrico
Similar al análisis Térmico diferencial los resultados del análisis termogravimétrico se dividen en dos. Se presentan los
resultados de pérdida en peso en Tablas
Tabla 5. Pérdida en peso mediante análisis termogravimétrico
Fórmulas 0 a 6
Fórmula % Perdida en peso
F0
12.708
F1
9.779
F2
9.891
F3
10.100
F4
9.952
F5
6.485
F6
10.719
En Tabla 5 se puede observar que la formula 0 es la que tiene mayor pérdida de producto de la materia orgánica y agua de
hidratación del caolín, al sustituir escoria de alto horno por caolín disminuye, pero no existe una tendencia definida, incluso la
fórmula 5 es la que presenta menor perdida, pero después en la fórmula siguiente aumenta.
Analizando la Figura 3 se observa que en las formulas 0 a la 6 presenta una pequeña pérdida hasta 400 °C, posteriormente a
esta temperatura existe una deflexión hasta 650 °C y después permanece casi constante el peso de la muestra.
ANÁLISIS TERMOGRAVIMÉTRICO
mg
F0
F1
F2
F3
F4
F5
F6
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
Temperatura ºC
Figura 3. Representación gráfica de análisis termogravimétrico
Formulas del 0 a 6
Tabla 6. Pérdida en peso mediante análisis termogravimétrico
Fórmulas 7 a 12
Fórmula
% Perdida en peso
F7
8.328
F8
8.168
F9
7.680
F10
7.078
F11
9.526
F12
6.669
En la Tabla 6 se presentan los resultados de las pérdidas en peso en muestras de cada formula, de nuevo no presenta
una continuidad o una tendencia al sustituir escoria por caolín, estando fuera la fórmula 11.
Al analizar la Figura 4 se puede observar comportamientos muy semejantes a las fórmulas de la Figura 3. El mayor
porcentaje de perdida está entre 400 a 650 °C en el cual puede ser descomposiciones de sulfatos, fosfatos o nitratos.
ANÁLISIS TERMOGRAVIMÉTRICO
mg
F7
F8
F9
F10
F11
F12
0
200
400
600
800
1000
1200
T e m p e ra tu ra ºC
Figura 4. Representación gráfica de análisis termogravimétrico
Formulas de la 7 a 12
1400
Difracción de Rayos X
En el análisis de difracción de rayos x se detectaron diversas fases, en la Fórmula 0 se encuentra cuarzo y cristobalita
según 2θ que se muestra en la parte inferior de la figura y una fase compleja de silicio, calcio, aluminio, fierro, oxigeno
principalmente, en 2θ = 28.7 y 43.2, la cual no se pudo definir con el banco de datos del equipo usado.
En formula 1 aparece la hematita, en fórmulas 4 y 8 presenta además, de las cuatro fases anteriores magemita. En la
Fórmula 12 solo se encuentran las fases complejas con mayor intensidad, hematita y magemita que son Óxidos férricos y no
se encuentran las fases de cuarzo y la cristobalita.
DIFRACCIÓN DE RAYOS X
F12
Intensidad
F8
F4
F1
F0
10
20
30
40
50
60
70
80
2θ
Figura 5. Difracción de rayos x
Microscopía Electrónica de Barrido
El análisis de la microestructura en materiales vitrocerámicos es muy importante debido a la matriz vítrea que se crea en
cada una de las fórmulas así como el tamaño de grano que se forma durante el sinterizado.
Figura 6 Microestructura de fórmula 0 a 1000 x
En la Figura 6 se puede observar partículas pequeñas menores a 50 µm en color gris claro con una matriz mas obscura
alrededor de las partículas de líquido propiciado principalmente por los álcalis del feldespato, así mismo en esta parte se
encuentra los poros sobre todos en las partículas más separadas.
Figura 7. Microestructura de formula 8 a 1000 x
En la Figura 7 corresponde a un 40 % del 60 % que contiene el caolín en la formula 0 que es la de referencia, Se observan
granos muy grandes inferior derecha parte intermedia izquierda etc. Y granos menores a 50 µm algunos enlazados entre sí
con una matriz vítrea un poco amplia, con poros sobre todo en la parte oscura con forma esférica.
Figura 8. Microestructura de formula 12 a 1000 x
En la Figura 8 corresponde a 60 % de escoria sustituyendo la totalidad del caolín en la formula original, observamos
granos grandes alrededor de 50 µm y partículas pequeñas aglomeradas con matriz amplia y poros circulares en oscuro.
CONCLUSIONES
Analizando los resultados obtenidos en el desarrollo de este trabajo se puede concluir lo siguiente:
1.- Se logra producir materiales vitrocerámicos al sustituir caolín por escoria de alto horno de la formula original.
2.- La densidad aumentó al sustituir el caolín por la escoria en la formula patrón, no existe una continuidad con el
incremento de la escoria pero si se detecta que al incrementar el porciento de está aumenta la densidad.
3.- Con respecto a la propiedad de absorción de agua, la formula 0 contiene la máxima absorción ligeramente superior a
17% mientras que la formula 1 la mínima ligeramente arriba de 11%, el resto fluctúa entre superior a 14% y menor de
17%, en conclusión al sustituir caolín por escoria si existe mayor reacomodo y beneficia el sinterizado.
4.- En relación a la resistencia a la flexión y compresión las formulas 1 y 4 presentan propiedades de resistencia entre
445 a 472 kg/cm2 a la compresión y de 91.15 a 106.94 kg/cm2 en flexión siendo inversamente proporcional a la absorción
de agua menor en ésta propiedad mayor resistencia.
5.- En el análisis termogravimétrico en todas las formulas existe la máxima pérdida entre 400 y 650 °C motivo de la
trasformación de la materia orgánica contenida en las materias primas naturales.
6.- En análisis térmico diferencial la formula 0 y 1 después de 400 °C inicia una exotérma que es la trasformación de
fases principalmente de α cuarzo a β cuarzo y posteriormente a cristobalita, mientras que en el resto de las formulas
solo existen endotérmas producto de la descomposición y fusión de fases.
7.- En difracción de rayos x se detectan las fases de α cuarzo, cristobalita y fase compleja de Si, Al, Ca, Fe y O en
formula sin escoria, mientras que al incrementar la escoria aparece hematita y magemita.
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