El término general escoria puede ser un subproducto o coproducto de la fundición ( pirometalúrgica ) de minerales y metales reciclados, dependiendo del tipo de material que se produzca. [1] La escoria es principalmente una mezcla de óxidos metálicos y dióxido de silicio . En términos generales, se puede clasificar como ferrosa (coproductos del procesamiento de hierro y acero), ferroaleación (un subproducto de la producción de ferroaleaciones) o metales no ferrosos / base (subproductos de la recuperación de materiales no ferrosos como cobre, níquel , zinc y fósforo ). [2] Dentro de estas categorías generales, las escorias se pueden clasificar además por su precursor y condiciones de procesamiento (por ejemplo, escorias de alto horno , escoria de alto horno enfriada por aire, escoria granulada de alto horno, escoria de horno de oxígeno básico y escoria de horno de arco eléctrico ). La escoria generada a partir del proceso EAF puede contener metales tóxicos, que pueden ser peligrosos para la salud humana y ambiental. [3]
Debido a la gran demanda de materiales ferrosos, ferroaleaciones y no ferrosos, la producción de escoria ha aumentado a lo largo de los años a pesar de los esfuerzos de reciclaje (sobre todo en las industrias siderúrgicas ) y de supraciclaje . La Asociación Mundial del Acero (WSA) estima que se generan 600 kg de comateriales (coproductos y subproductos) (alrededor del 90 % en peso son escorias) por cada tonelada de acero producida. [5]
La escoria suele ser una mezcla de óxidos metálicos y dióxido de silicio . Sin embargo, las escorias pueden contener sulfuros metálicos y metales elementales. Es importante tener en cuenta que la forma de óxido puede o no estar presente una vez que la escoria fundida se solidifica y forma componentes amorfos y cristalinos.
Los principales componentes de estas escorias incluyen óxidos de calcio , magnesio , silicio , hierro y aluminio, con cantidades menores de manganeso , fósforo y otros, dependiendo de las características específicas de las materias primas utilizadas. Además, la escoria se puede clasificar en función de la abundancia de hierro entre otros componentes principales. [1]
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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 la mena se expone a altas temperaturas, estas impurezas se separan del metal fundido y se pueden eliminar. La escoria es el conjunto de compuestos que se eliminan. En muchos procesos de fundición, se introducen óxidos para controlar la química de la escoria, lo que ayuda a eliminar las impurezas y protege el revestimiento refractario del horno del desgaste excesivo. En este caso, la escoria se denomina sintética . Un buen ejemplo es la escoria de fabricación de acero: se introduce cal viva (CaO) y magnesita (MgCO 3 ) para la protección refractaria, neutralizando la alúmina y la sílice separadas del metal y ayudando a eliminar el azufre y el fósforo del acero. [ cita requerida ]
Como coproducto de la fabricación de acero , la escoria se produce típicamente a través de la ruta de alto horno - convertidor de oxígeno o la ruta de horno de arco eléctrico -horno de cuchara. [6] Para fundir la sílice producida durante la fabricación de acero, se agrega piedra caliza y/o dolomita , así como otros tipos de acondicionadores de escoria como aluminato de calcio o espato flúor .
Existen tres tipos de escorias: ferrosas , de ferroaleaciones y no ferrosas , que se producen mediante diferentes procesos de fundición.
Las escorias ferrosas se producen en diferentes etapas de los procesos de fabricación de hierro y acero, lo que da como resultado propiedades fisicoquímicas variables. 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 más fases cristalinas que las escorias de alto horno templadas ( escorias de alto horno granuladas molidas ), lo que las hace más densas y más adecuadas como agregado. También pueden tener un mayor contenido de óxido de calcio libre y óxido de magnesio, que a menudo se convierten en sus formas hidratadas si no se desean expansiones de volumen excesivas. Por otro lado, las escorias de alto horno templadas con agua tienen mayores fases amorfas que les otorgan propiedades hidráulicas latentes (como descubrió Emil Langen en 1862) similares al cemento Portland . [7]
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 del hierro fundido) y luego en escoria de acero (que se forma cuando se combinan la chatarra de acero y el hierro fundido). Las fases principales de la escoria ferrosa contienen silicatos del grupo olivino ricos en calcio y silicatos del grupo melilita .
La escoria de las acerías en la fundición de hierro está diseñada para minimizar la pérdida de hierro, lo que da lugar a una cantidad significativa de hierro, seguido de óxidos de calcio , silicio , magnesio y aluminio. A medida que la escoria se enfría con agua, se producen varias reacciones químicas a una temperatura de alrededor de 2600 °F (1430 °C) (como la oxidación ) dentro de la escoria. [1]
Según un estudio de caso realizado en el Sitio Histórico Nacional Hopewell en los condados de Berks y Chester , Pensilvania , EE. UU., la escoria ferrosa suele contener una concentración menor 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 superar las directrices 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 las composiciones de los minerales, y tienen más potencial de impactar negativamente al medio ambiente que la escoria ferrosa. La fundición de cobre, plomo y bauxita en la fundición no ferrosa, 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]
Se estudió la escoria de cobre, el producto de desecho de la fundición de minerales de cobre, en una mina abandonada de Penn 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 riego . Las muestras recogidas del depósito mostraron una concentración más alta de cadmio (Cd) y plomo (Pb) que excedía las pautas regulatorias. [1]
Las escorias pueden servir para otros propósitos, como ayudar en el control de temperatura de la fundición y minimizar cualquier reoxidación del producto final de metal líquido antes de que el metal fundido se retire del horno y se use 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. [8]
Durante la Edad del Bronce en el área mediterránea se utilizaban numerosos procesos metalúrgicos diferenciales. Un subproducto de escoria de dichos procesos era un material vítreo y colorido que se encontraba en las superficies de escoria de las antiguas fundiciones de cobre. Era principalmente azul o verde y antiguamente se desmenuzaba y fundía para fabricar productos de cristalería y joyas. También se molía hasta convertirlo en polvo para añadirlo a los esmaltes destinados a la cerámica. Algunos de los primeros usos de este tipo para los subproductos de la escoria se han encontrado en el antiguo Egipto . [9]
Históricamente, la refusión de escoria de mineral de hierro era una práctica común, ya que las técnicas de fundición mejoradas permitían obtener mayores rendimientos de hierro, en algunos casos superiores a los que se habían logrado originalmente. A principios del siglo XX, la escoria de mineral de hierro también se molía hasta convertirla en polvo y se utilizaba para fabricar vidrio de ágata , también conocido como vidrio de escoria.
El uso de escorias en la industria de la construcción se remonta al siglo XIX, cuando se utilizaban escorias de altos hornos para construir carreteras y balasto de ferrocarril. Durante esta época, también se utilizaban como agregado y habían comenzado a integrarse en la industria del cemento como geopolímero . [10]
En la actualidad, 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 cementantes que contribuyen principalmente a la posterior ganancia de resistencia del hormigón. Esto conduce a un hormigón con una permeabilidad reducida y una mejor 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 excesiva del volumen y el agrietamiento del hormigón. [11]
Estas propiedades hidráulicas también se han utilizado para la estabilización de suelos en construcciones de carreteras y ferrocarriles . [12]
La escoria granulada de alto horno se utiliza en la fabricación de hormigones de alto desempeño, 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. [13] [ fuente generada por el usuario ? ]
La escoria también se puede utilizar para crear fibras que se utilizan como material aislante, llamadas lana de escoria .
La escoria también se utiliza como agregado en el hormigón asfáltico para pavimentar carreteras . Un estudio de 2022 en Finlandia 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. [14]
La disolución de las escorias genera alcalinidad que puede utilizarse para precipitar metales, sulfatos y exceso de nutrientes (nitrógeno y fósforo) en el tratamiento de aguas residuales. De manera similar, las escorias ferrosas se han utilizado como acondicionadores de suelos para reequilibrar el pH del suelo y como fertilizantes como fuentes de calcio y magnesio. [15]
Debido al contenido de fosfato de liberación lenta en la escoria que contiene fósforo y a su efecto encalante , se valora como fertilizante en jardines y granjas en las zonas de fabricación de acero. Sin embargo, la aplicación más importante es la construcción. [16]
Las escorias tienen uno de los potenciales de carbonatación más altos entre los desechos 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 CO2 ( CCS ) ( por ejemplo, secuestro acuoso directo, carbonatación seca de gas-sólido, entre otros). [17] [18] A través de estos métodos de CCS, las escorias se pueden transformar en carbonatos de calcio precipitados para ser utilizados en las industrias del plástico y el hormigón y lixiviarse para obtener metales que se utilizarán en las industrias electrónicas. [19]
Sin embargo, la alta variabilidad física y química entre los diferentes tipos de escorias da como resultado inconsistencias en el rendimiento y el rendimiento. [20] Además, el cálculo basado en la estequiometría del potencial de carbonatación puede conducir a una sobreestimación que puede ofuscar aún más el verdadero potencial del material. [21] Con este fin, algunos han propuesto realizar una serie de experimentos para probar la reactividad de un material de escoria específico (es decir, la disolución ) o utilizar la teoría de la restricción topológica (TCT) para explicar su compleja red química. [22]
Las escorias se transportan junto con los relaves de escoria a "vertederos de escoria", donde quedan expuestas a la intemperie, con la posibilidad de lixiviación de elementos tóxicos y escorrentías hiperalcalinas en el suelo y el agua, poniendo en peligro las comunidades ecológicas locales. Los problemas de lixiviación suelen estar relacionados con las escorias no ferrosas o de metales básicos, que tienden a tener mayores concentraciones de elementos tóxicos. Sin embargo, las escorias ferrosas y de ferroaleaciones también pueden tenerlos, lo que genera preocupaciones sobre vertederos de escoria altamente intemperizados y materiales reciclados. [23] [24]
La disolución de escorias puede producir aguas subterráneas altamente alcalinas con valores de pH superiores a 12. [25] 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 las aguas subterráneas . 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 materia particulada . El método más eficaz para desintoxicar la descarga de aguas subterráneas alcalinas es la aspersión de aire . [25]
Las escorias finas y los polvos de escoria generados a partir de escorias de molienda que se reciclarán en el proceso de fundición o se reutilizarán en una industria diferente (por ejemplo, la construcción) pueden ser transportados por el viento, lo que afecta a un ecosistema más grande. Pueden ser ingeridos e inhalados, lo que representa un riesgo directo para la salud de las comunidades cercanas a las plantas , minas, vertederos, etc. [23] [24]
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