RECICLADO DE ESCORIA DE ALTO HORNO PARA LA ...

Monclova es una localidad básicamente industrial, condición que adquirió con la implantación de los Altos Hornos deMéxico: se dedica a la fundición de hierro y acero a partir del mineral de hierro de Cerro Mercado y el carbón de lacuenca de Sabinas.La escoria de alto horno en Monclova producida por Altos Hornos se ha considerado en miles de toneladas las cuales seencuentran formando cerros inmensos de este material, después de todo, al menos un 10% de lo que es producido en elacero 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 característicasespecíficas, debido a las materias primas utilizadas según el tipo de proceso; en el presente trabajo se utilizaron escoriasde esta compañía 3 .El volumen de escorias varía de acuerdo con las materias primas usadas en la producción de arrabio de alto horno. Eluso 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 seconsidera 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 nacional 4 .Aunque el proceso para producir vitrocerámicos ya es conocido desde hace tiempo, sigue siendo relevante el estudio dediferentes escorias. El uso de esta escoria de origen metalúrgico resulta en propiedades como alta resistencia a laflexión, dureza y resistencia al desgaste, siendo estas características esenciales para que un vitrocerámico tenga unéxito comercial.Actualmente la escoria de alto horno se esta utilizando en construcción para relleno, en bardas, concretos y sobre todo laimportancia es en el uso del cemento 5 .PARTE EXPERIMENTALMateriales y equiposMaterias primas• Escoria de Alto Horno• Caolín• Feldespato• Arcilla• Carboximetilcelulosa (CMC)• Agua potable de la red municipalEquipos• 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

• Difractómetro de Rayos X marca Phillips modelo XPert• Microscopio Electrónico de Barrido FEI QUANTA 200Desarrollo de fórmulasTabla 1 Desarrollo de FórmulasFórmula Caolín % Feldespato%Arcilla % Escoria % H2O ppcBlanco 60 20 20 0 1001 55 20 20 5 1002 50 20 20 10 1003 45 20 20 15 1004 40 20 20 20 1005 35 20 20 25 1006 30 20 20 30 1007 25 20 20 35 1008 20 20 20 40 1009 15 20 20 45 10010 10 20 20 50 10011 5 20 20 55 10012 0 20 20 60 100

MetodologíaMolienda deEscoriaTamizadoPesado demateriasprimasPulverizadoSecadoMezclado(1)Mezclado(2)PrensadoSinterizadoCaracterización

RESULTADOS Y DISCUSIONESA continuación se presentan los resultados obtenidos en pruebas físicas, mecánicas, térmicas y microestructurales delas formulas establecidasDensidad AparenteEn la Tabla 2 se puede observa que la fórmula 0 “el blanco” presenta la menor densidad, se visualiza, a medida que sesustituyó escoria por el caolín en las formulaciones aumenta la densidad, aunque en algunos casos no es clara latendencia en la fórmula 12 presenta la mayor densidad con una cantidad de escoria del 60%.Tabla 2 Densidad AparenteDensidad AparentesFórmula(g/cm 3 )0 1,6931 1,7812 1,7463 1,7944 1,7965 1,8306 1,8687 1,8758 1,8749 1,89010 1,93811 2.00112 2.002Absorción de aguaGeneralmente se puede decir que conforme aumenta la densidad se tiene menor absorción de agua para una fórmula basedefinida, 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 elcaso en las demás formulaciones; se observa que la de menor porosidad es la formula No 1 con 5% de escoria ensustitución de caolín según formula, le siguen la formula 2, 12, 4 y 10 y así sucesivamente con 10, 60, 20 y 50% de escoriaen sustitución de caolín respectivamente.Tabla 3. Absorción de aguaFormula Absorción de agua (%)0 17,9091 11,0552 14,311

3 15,2574 14,7855 16,7256 16,3187 15,7368 16,8199 16,49210 14,97411 16,70912 14,706Resistencia Mecánica (Rc y Rf)Las pruebas de resistencia mecánica normalmente requeridas son la resistencia a la compresión y a la flexión por elsoporte de carga y ruptura respectivamente, en estas pruebas se observa que la mejor es la formula 4 con resistencia ala compresión de 472 Kg/cm 2 y flexión de 106.9 Kg/cm 2 y posteriormente la formula 1 con resistencias muy buenas de445 Kg/cm 2 en compresión y de 91 Kg/cm 2 en flexión, si se analizan estas dos formulas, son las que presentaron bajaabsorción de agua o sea cuentan con menor porosidad, por lo tanto, existe mayor unión entre las fases formadas por elsinterizado.El resto de las fórmulas no están relacionadas con las propiedades obtenidas y en general en todas las formulaciones seobservan mayores resistencias que en la formula 0 (Tabla 4).Tabla 4. Resistencia a la Compresión y FlexiónFormulaResistencia a laCompresión (Kg/cm 2 )Resistencia a laFlexión (Kg/cm 2 )0 274,958 45,1861 445,794 91.1572 304,731 85,523 268,116 67,6664 472,263 106.9495 194,083 51,4026 362,962 77,5997 315,609 56,9658 310,246 41,9669 312,019 61,18110 310,607 62,59511 229,862 55,16312 339,955 60,367Análisis Térmicos (DTA y TGA)A continuación se presentan los resultados obtenidos en análisis térmicos del total de las fórmulas establecidas.Análisis Térmico DiferencialEl 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 2las formulas 7 a la 12.

ANÁLISIS TÉRMICO DIFERENCIALF OF 1F 2F 3F 4F 5F 60 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0T e m p e r a t u r a º CFigura 1. Representación gráfica de análisis térmico diferencialFórmulas de la 0 a la 6En la Figura 1 el Análisis Térmico Diferencial de la fórmula 0 se puede observar que después de los 500 °C se empiezaa formar fases nuevas y con esto otros tipos de compuestos, en la fórmula 1 se observa una tendencia parecida a la dela 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 elementoscontenidos en la escoria como fierro y álcalis.ANÁLISIS TÉRMICO DIFERENCIAL

En Tabla 5 se puede observar que la formula 0 es la que tiene mayor pérdida de producto de la materia orgánica y agua dehidratación del caolín, al sustituir escoria de alto horno por caolín disminuye, pero no existe una tendencia definida, incluso lafórmula 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 aesta temperatura existe una deflexión hasta 650 °C y después permanece casi constante el peso de la muestra.ANÁLISIS TERMOGRAVIMÉTRICOmgF0F1F2F3F4F5F60 200 400 600 800 1000 1200 1400Temperatura ºCFigura 3. Representación gráfica de análisis termogravimétricoFormulas del 0 a 6

Tabla 6. Pérdida en peso mediante análisis termogravimétricoFórmulas 7 a 12Fórmula % Perdida en pesoF7 8.328F8 8.168F9 7.680F10 7.078F11 9.526F12 6.669En la Tabla 6 se presentan los resultados de las pérdidas en peso en muestras de cada formula, de nuevo no presentauna 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 mayorporcentaje de perdida está entre 400 a 650 °C en el cual puede ser descomposiciones de sulfatos, fosfatos o nitratos.ANÁLISIS TERMOGRAVIMÉTRICOmgF 7F 8F 9F 1 0F 1 1F 1 20 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0T e m p e ra tu ra º CFigura 4. Representación gráfica de análisis termogravimétricoFormulas de la 7 a 12

Difracción de Rayos XEn el análisis de difracción de rayos x se detectaron diversas fases, en la Fórmula 0 se encuentra cuarzo y cristobalitasegún 2θ que se muestra en la parte inferior de la figura y una fase compleja de silicio, calcio, aluminio, fierro, oxigenoprincipalmente, 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 laFórmula 12 solo se encuentran las fases complejas con mayor intensidad, hematita y magemita que son Óxidos férricos y nose encuentran las fases de cuarzo y la cristobalita.DIFRACCIÓN DE RAYOS XF12IntensidadF8F4F1F010 20 30 40 50 60 70 802θFigura 5. Difracción de rayos xMicroscopía Electrónica de BarridoEl análisis de la microestructura en materiales vitrocerámicos es muy importante debido a la matriz vítrea que se crea encada una de las fórmulas así como el tamaño de grano que se forma durante el sinterizado.

Figura 6 Microestructura de fórmula 0 a 1000 xEn la Figura 6 se puede observar partículas pequeñas menores a 50 µm en color gris claro con una matriz mas obscuraalrededor de las partículas de líquido propiciado principalmente por los álcalis del feldespato, así mismo en esta parte seencuentra los poros sobre todos en las partículas más separadas.Figura 7. Microestructura de formula 8 a 1000 xEn la Figura 7 corresponde a un 40 % del 60 % que contiene el caolín en la formula 0 que es la de referencia, Se observangranos muy grandes inferior derecha parte intermedia izquierda etc. Y granos menores a 50 µm algunos enlazados entre sícon 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 xEn la Figura 8 corresponde a 60 % de escoria sustituyendo la totalidad del caolín en la formula original, observamosgranos grandes alrededor de 50 µm y partículas pequeñas aglomeradas con matriz amplia y poros circulares en oscuro.CONCLUSIONESAnalizando 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 elincremento 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 a17% mientras que la formula 1 la mínima ligeramente arriba de 11%, el resto fluctúa entre superior a 14% y menor de17%, 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 entre445 a 472 kg/cm 2 a la compresión y de 91.15 a 106.94 kg/cm 2 en flexión siendo inversamente proporcional a la absorciónde 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 latrasformación 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 defases principalmente de α cuarzo a β cuarzo y posteriormente a cristobalita, mientras que en el resto de las formulassolo 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 enformula sin escoria, mientras que al incrementar la escoria aparece hematita y magemita.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS1. A. Paul, Chemistry of Glasses, segunda edición, Edit. Chapman and Hall, p. 1.2. I.De Vicente-Mingarro, P. Callejas, J. Ma. Rincón, Materiales Vitrocerámicos: El Proceso Vitrocerámico,Instituto de cerámica y Vidrio C.S.I.C., Arganda del Rey, Madrid, 157-156, 1993.3. Jose. Ma. Fernández Navarro. “El vidrio” Fundación Centro Nacional del Vidrio, 2da. Ed., Madrid España,pag.52,114,121, 1997.4. Vogel. “Controlled Crystallization”. Chemistry of Glass, 224-225, 1993.5. G. H. Beall. “Design of Glass Ceramics”. Reviews of Solid State Science. Vol. 3 pag.333-354, 1989.6. A. Karamanov, P. Pisciella and M Pelino. The Effect of Cr2O3 as nucleating agent in iron-rich glass-ceramics.Journal of the European Ceramic Society 19 (2641-2645) 1999.7. J. M. Navarro, El Vidrio, Constitución, Fabricación, Propiedades, Edit. C.S.C.I. , Madrid 1985.8. Tamman, G. Der Glaszustand. Edit. L. Voss, Leipizg 1993.9. Beall, G. H. Structure, Properties and Applications of Glass-Ceramics. Edit. Hench and Freiman in Adv. In Nuc.And Cryst. Of Glass, Am. Cer. Soc. 1971.10. Z. Strand, Glass-Ceramic Materials, Edit. Elsevier, praga 1986.11. M. W. Davies, B. Kerrison, W.E. Gross, M.J. Robson, D.F. Wichall, Crystallization mechanism and properties ofa blast furnace slag glass. Journal of non-Crystalline Solids 273 (64-75) 2000.12. L. J. Shelestak, R.A. Chavez, J.D. Mackenzie, B. Dunn, Crystallization mechanism and properties of a blastfurnace slag glass. Journal of non-Crystalline Solids 273 (64-75) 2000.13. A.R. Boccaccini, M. Petitmermet, E. Wintermantel. Glass Ceramics from municipal Incinerator Fly Ash.American Ceramic Society Bulletin 76(11) 75-78 November 1997.14. A.Francis, Conversion of blast furnace slag into new glass-ceramics material. Journal of the European CeramicSociety 19 (2819-2854) 2004.15. C.Díaz, S. Salgado, R. Jordan, E. Cruz, M.E. Zayas, Glass Ceramics made form anodizing plant industrialwaste. American Ceramic Society Bulletin. September 2003.