La escoria es un subproducto de la fundición de minerales ( pirometalúrgicos ) y metales reciclados. [1] La escoria es principalmente una mezcla de óxidos metálicos y dióxido de silicio . En términos generales, se pueden clasificar como ferrosos (subproductos del procesamiento de hierro y acero), ferroaleaciones (subproductos de la producción de ferroaleaciones) o metales básicos / no ferrosos (subproductos de la recuperación de materiales no ferrosos como cobre, níquel, zinc y fósforo). [2] Dentro de estas categorías generales, las escorias pueden clasificarse además según sus precursores y condiciones de procesamiento (por ejemplo, escorias de alto horno , escoria de alto horno enfriada por aire, escoria básica de horno de oxígeno y escoria de horno de arco eléctrico ).
Debido a la gran demanda de estos materiales, la producción de escoria también ha aumentado significativamente a lo largo de los años a pesar de los esfuerzos de reciclaje (sobre todo en las industrias siderúrgicas) y upcycling . La Asociación Mundial del Acero (WSA) estima que se generan 600 kg de subproductos (alrededor del 90% en peso son escorias) por tonelada de acero producida. [4]
La escoria suele ser una mezcla de óxidos metálicos y dióxido de silicio . Sin embargo, las escorias pueden contener sulfuros metálicos y metales elementales.
Los componentes principales de estas escorias incluyen los óxidos de calcio , magnesio , silicio , hierro y aluminio , con menores cantidades de manganeso , fósforo y otros dependiendo de las características específicas de las materias primas utilizadas. Además, la escoria se puede clasificar según la abundancia de hierro entre otros componentes principales. [1]
En la naturaleza, el hierro, el cobre , el plomo , el níquel y otros metales se encuentran en estados impuros llamados menas , a menudo oxidados y mezclados con silicatos de otros metales. Durante la fundición, cuando el mineral se expone a altas temperaturas, estas impurezas se separan del metal fundido y pueden eliminarse. La escoria es la colección de compuestos que se eliminan. En muchos procesos de fundición, se introducen óxidos para controlar la química de la escoria, ayudando en la eliminación de impurezas y protegiendo el revestimiento refractario del horno del desgaste excesivo. En este caso, la escoria se denomina sintética . Un buen ejemplo es la escoria siderúrgica: se introducen cal viva (CaO) y magnesita (MgCO 3 ) como protección refractaria, neutralizando la alúmina y la sílice separadas del metal y ayudando a eliminar el azufre y el fósforo del acero. [ cita necesaria ]
Como coproducto de la fabricación de acero , la escoria generalmente se produce a través de la ruta del alto horno - convertidor de oxígeno o la ruta del horno de arco eléctrico - horno cuchara. [5] Para fundir la sílice producida durante la fabricación de acero se añade piedra caliza y/o dolomita , así como otros tipos de acondicionadores de escoria como el aluminato de calcio o la espato flúor .
Existen tres tipos de escorias: escorias ferrosas , ferroaleadas , no ferrosas , que se producen mediante diferentes procesos de fundición.
Las escorias ferrosas se producen en diferentes etapas de los procesos de fabricación del hierro y el acero, lo que da lugar a diferentes propiedades fisicoquímicas. Además, la velocidad de enfriamiento del material de escoria afecta su grado de cristalinidad , diversificando aún más su gama de propiedades. Por ejemplo, las escorias de alto horno enfriadas lentamente (o escorias enfriadas por aire) tienden a tener fases más cristalinas que las escorias de alto horno enfriadas ( escorias granuladas molidas de alto horno ), lo que las hace más densas y más adecuadas como agregado. También puede tener un mayor contenido de óxido de calcio libre y óxido de magnesio, que a menudo se convierten a sus formas hidratadas si no se desean expansiones de volumen excesivas. Por otro lado, las escorias de alto horno enfriadas con agua tienen mayores fases amorfas que le confieren propiedades hidráulicas latentes (descubiertas por Emil Langen en 1862) similares al cemento Portland . [6]
Durante el proceso de fundición del hierro, se crea escoria ferrosa, pero predominan las composiciones de calcio y silicio. A través de este proceso, la escoria ferrosa se puede descomponer en escoria de alto horno (producida a partir de óxidos de hierro fundido) y luego en escoria de acero (que se forma cuando se combinan chatarra de acero y hierro fundido). Las fases principales de la escoria ferrosa contienen silicatos del grupo olivino y silicatos del grupo melilita ricos en calcio .
La escoria de las acerías en las fundiciones ferrosas está diseñada para minimizar la pérdida de hierro, lo que produce una cantidad significativa de hierro, seguido de óxidos de calcio , silicio , magnesio y aluminio . A medida que el agua enfría la escoria, tienen lugar dentro de la escoria varias reacciones químicas a una temperatura de alrededor de 2600 °F (1430 °C) (como la oxidación ). [1]
Según un estudio de caso en el Sitio Histórico Nacional Hopewell en los condados de Berks y Chester , Pensilvania , EE. UU., la escoria ferrosa generalmente contiene una concentración más baja de varios tipos de oligoelementos que la escoria no ferrosa. Sin embargo, algunos de ellos, como el arsénico (As), el hierro y el manganeso , pueden acumularse en las aguas subterráneas y superficiales hasta niveles que pueden exceder las pautas ambientales. [1]
La escoria no ferrosa se produce a partir de metales no ferrosos de minerales naturales. La escoria no ferrosa se puede clasificar en escorias de cobre , plomo y zinc debido a la composición de los minerales, y tienen más potencial de impactar negativamente el medio ambiente que la escoria ferrosa. La fundición de cobre, plomo y bauxita en fundiciones no ferrosas, por ejemplo, está diseñada para eliminar el hierro y la sílice que a menudo se encuentran en esos minerales, y los separa como escorias a base de silicato de hierro. [1]
La escoria de cobre, producto de desecho de la fundición de minerales de cobre, se estudió en una mina Penn abandonada en California , EE. UU. Durante seis a ocho meses al año, esta región se inunda y se convierte en un depósito de agua potable y de riego . Las muestras recolectadas del embalse mostraron una mayor concentración de cadmio (Cd) y plomo (Pb) que excedía las pautas reglamentarias. [1]
Las escorias pueden servir para otros propósitos, como ayudar en el control de la temperatura de la fundición y minimizar cualquier reoxidación del producto metálico líquido final antes de que el metal fundido se retire del horno y se utilice para fabricar metal sólido. En algunos procesos de fundición, como la fundición de ilmenita para producir dióxido de titanio , la escoria puede ser el producto valioso. [7]
Durante la Edad del Bronce del área mediterránea se utilizaron una gran cantidad de procesos metalúrgicos diferenciales. Un subproducto de escoria de tales trabajos era un material vítreo y colorido que se encontraba en las superficies de la escoria de antiguas fundiciones de cobre. Era principalmente azul o verde y antiguamente se desconchaba y se fundía para fabricar cristalería y joyería. También se molía hasta convertirlo en polvo para añadirlo a los esmaltes utilizados en cerámica. Algunos de los primeros usos de los subproductos de la escoria se encontraron en el antiguo Egipto . [8]
Históricamente, la refusión de escoria de mineral de hierro era una práctica común, ya que las técnicas de fundición mejoradas permitían mayores rendimientos de hierro, superando en algunos casos el que se lograba originalmente. A principios del siglo XX, la escoria del mineral de hierro también se molía hasta convertirla en polvo y se utilizaba para fabricar vidrio de ágata , también conocido como vidrio de escoria.
La utilización de escorias en la industria de la construcción se remonta al siglo XIX , cuando se utilizaban escorias de altos hornos para construir carreteras y lastre de ferrocarriles. Durante esta época también se utilizaba como árido y había comenzado a integrarse en la industria cementera como geopolímero . [9]
Hoy en día, las escorias granuladas molidas de alto horno se utilizan en combinación con cemento Portland para crear " cemento de escoria ". Las escorias granuladas de alto horno reaccionan con la portlandita ( Ca(OH) 2 ), que se forma durante la hidratación del cemento, a través de la reacción puzolánica para producir propiedades cementosas que contribuyen principalmente a la posterior ganancia de resistencia del hormigón . Esto conduce a un hormigón con permeabilidad reducida y mayor durabilidad. Se requiere una consideración cuidadosa del tipo de escoria utilizada, ya que el alto contenido de óxido de calcio y óxido de magnesio puede provocar una expansión de volumen excesiva y agrietamiento en el concreto. [10]
Estas propiedades hidráulicas también se han utilizado para la estabilización de suelos en carreteras y construcciones ferroviarias. [11]
La escoria granulada de alto horno se utiliza en la fabricación de hormigones de altas prestaciones, especialmente aquellos utilizados en la construcción de puentes y elementos costeros, donde su baja permeabilidad y mayor resistencia a cloruros y sulfatos pueden ayudar a reducir la acción corrosiva y el deterioro de la estructura. [12]
La escoria también se puede utilizar para crear fibras utilizadas como material aislante llamado lana de escoria .
La escoria también se utiliza como agregado en el hormigón asfáltico para pavimentar carreteras. Un estudio realizado en Finlandia en 2022 descubrió que las superficies de las carreteras que contienen escoria de ferrocromo liberan un polvo altamente abrasivo que ha provocado que las piezas de los automóviles se desgasten a un ritmo significativamente mayor de lo normal. [13]
La disolución de escorias genera alcalinidad que puede usarse para precipitar metales, sulfatos y exceso de nutrientes (nitrógeno y fósforo) en el tratamiento de aguas residuales. De manera similar, se han utilizado escorias ferrosas como acondicionadores del suelo para reequilibrar el pH del suelo y fertilizantes como fuentes de calcio y magnesio. [14]
Debido al contenido de fosfato que se libera lentamente en las escorias que contienen fósforo y a su efecto encalador , se valora como fertilizante en jardines y granjas en zonas siderúrgicas. Sin embargo, la aplicación más importante es la construcción. [15]
Las escorias tienen uno de los mayores potenciales de carbonatación entre los residuos alcalinos industriales debido a su alto contenido de óxido de calcio y óxido de magnesio, lo que inspira más estudios para probar su viabilidad en métodos de captura y almacenamiento de CO 2 ( CCS ) (por ejemplo, secuestro acuoso directo, gas seco). carbonatación sólida entre otros). [16] [17] A través de estos métodos CCS, las escorias se pueden transformar en carbonatos de calcio precipitados para usar en las industrias del plástico y el concreto y lixiviarse para metales que se usarán en las industrias electrónicas. [18]
Sin embargo, la alta variabilidad física y química entre diferentes tipos de escorias da como resultado inconsistencias en el rendimiento y el rendimiento. [19] Además, el cálculo estequiométrico del potencial de carbonatación puede conducir a una sobreestimación que puede ofuscar aún más el verdadero potencial del material. [20] Con este fin, algunos han propuesto realizar una serie de experimentos para probar la reactividad de un material de escoria específico (es decir, disolución ) o utilizar la teoría de restricción topológica (TCT) para explicar su compleja red química. [21]
Las escorias son transportadas junto con los relaves de escoria a los "vertaderos de escoria", donde quedan expuestas a la intemperie, con posibilidad de lixiviación de elementos tóxicos y escurrimientos hiperalcalinos al suelo y al agua, poniendo en peligro a las comunidades ecológicas locales. Los problemas de lixiviación suelen estar relacionados con escorias de metales básicos o no ferrosos, que tienden a tener concentraciones más altas de elementos tóxicos. Sin embargo, las escorias ferrosas y de ferroaleaciones también pueden tenerlos, lo que genera preocupación sobre los vertederos de escorias altamente erosionados y los materiales reciclados. [22] [23]
La disolución de escorias puede producir agua subterránea altamente alcalina con valores de pH superiores a 12. [24] Los silicatos de calcio (CaSiO 4 ) en las escorias reaccionan con el agua para producir iones de hidróxido de calcio que conducen a una mayor concentración de hidróxido (OH-) en el agua subterránea . Esta alcalinidad promueve la mineralización del CO 2 disuelto (de la atmósfera) para producir calcita (CaCO 3 ), que puede acumularse hasta un espesor de 20 cm. Esto también puede conducir a la disolución de otros metales en la escoria, como el hierro (Fe), el manganeso (Mn), el níquel (Ni) y el molibdeno (Mo), que se vuelven insolubles en agua y móviles como partículas . El método más eficaz para desintoxicar la descarga de agua subterránea alcalina es el rociado de aire . [24]
Las escorias finas y el polvo de escoria generados a partir de las escorias de molienda que se reciclan en el proceso de fundición o se reciclan en una industria diferente (por ejemplo, la construcción ) pueden ser transportados por el viento, afectando a un ecosistema más amplio. Puede ser ingerido e inhalado, representando un riesgo directo para la salud de las comunidades cercanas a las plantas , minas , sitios de disposición, etc. [22] [23]
