Propiedades de las escorias
Sumário CAPÍTULO 2 – Propiedades de las Escorias........................................................................05 2.1 Estructura de las escorias ..........................................................................................05 2.2 Composición de las escorias......................................................................................07 2.3 Basicidad.................................................................................................................11 2.4 Viscocidad................................................................................................................13 2.5 Densidad.................................................................................................................15 Referências Bibliográficas.................................................................................................17
Capítulo 2 Propiedades de las Escorias
En este capítulo observaremos las diferentes propiedades físicas y químicas de las escorias, explicando la importancia de cada propiedad en el proceso de formación y estabilidad de las escorias. Comprenderemos como estas propiedades influyen de forma directa en el proceso de fabricación de acero vía horno eléctrico. Y por consiguiente la importancia en el seguimiento y en la adecuación del proceso para obtener los mayores beneficios al trabajar con una escoria en las condiciones adecuadas. La estructura y la composición de las escorias están directamente relacionadas con las siguientes propiedades: viscosidad, basicidad y densidad, como se muestra en el diagrama siguiente.
Figura 2.1 – Dependencia de las propiedades de la escoria con la estructura y composición.
A continuación estudiaremos cada una de estas.
2.1 Estructura de las escorias La materia está formada por tres estados: sólido, líquido y gaseoso. Así cada estado tiene sus propias características. Un sólido presentara resistencia a cambios de forma debido a que sus moléculas (átomos) se encuentran fuertemente atraídas o ligadas, mientras que en un líquido las moléculas se encuentran ligadas por fuerzas más débiles. Imagínenos por un momento que el estado sólido de un material cualquiera está conformado por pequeños conjuntos de partículas y que unidas forman una estructura llamada solido (ver figura 2.2), parecida a un edificio, y que la fuerza que une a estas partículas actúa como el pegamento que une a los ladrillos de este edificio.
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Propiedades de las Escorias
Figura 2.2 – Formación de una red cristalina – formación de un sólido.
Estos pequeños conjuntos de partículas se llaman: estructuras bases para la formación de un determinado material. La estructura base de las escorias está formada por silicatos y fosfatos. Los silicatos consisten en uniones iónicas de cuatro átomos de oxígeno rodeando a un átomo de silicio en forma tetraédrica como se puede apreciar en la gráfica 2.3
A. Tridimensional
B. Bidimensional
Figura 2.3 – Estructura tetraédrica de la sílice formada por cuatro átomos de oxígeno y un de Silicio. A. Tridimensional B. Bidimensional
Estas estructuras bases están unidas unas a otras formando cadenas tetraédricas como podemos apreciar en la figura siguiente.
A. Sólida
B. Fundida
Figura 2.4 – Representación esquemática de la sílice tetraédrica A. solida B. fundida.
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Estas uniones, al aumentar la temperatura, pierden su morfología ocasionando una separación mayor entre los átomos, proporcionando el cambio de estado sólido a liquido (sílice fundida).
Figura 2.5 – Representación esquemática de un oxido metálico disuelto en sílice fundida.
Al entrar en contacto con los óxidos metálicos (FeO, CaO y MgO) proporcionados por el proceso, la sílice fundida se rompe permitiendo que los cationes de estos óxidos metálicos (Ca Mg y Fe) se adhieran a los extremos en donde se rompió la red. Cuando estos óxidos aumentan su concentración en la red cristalina, ésta se rompe en mayor proporción y su viscosidad disminuye, hasta el punto en donde los tetraedros de silicatos quedan completamente aislados obteniéndose de esta forma la fluidez de la escoria.
2.2 Composición de las escorias La cantidad y características de la escoria que se genere en un proceso de fusión en el horno eléctrico de arco dependen directamente de los materiales cargados al horno; así como de la cantidad de la escoria remanente y el desgaste sufrido por el refractario. En la figura 2.6 observamos los principales generadores de escoria:
Figura 2.6 – Fuentes de la escoria en el HEA.
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Propiedades de las Escorias
Los óxidos contenidos en la escoria tienen dos orígenes: los que son cargados en las materias primas y los que son formados durante el proceso de fusión. En la chatarra cargada existe principalmente polvo de hierro (rico en FeO) y tierra (rica en SiO2). El arrabio puede venir con contaminación de arena y tierras (ricas en SiO2), en las acerías donde se carga hierro esponja existe óxido de hierro (FeO) y ganga que es una mezcla de óxidos (SiO2, Al2O3, CaO). En el proceso de fusión también se adicionan intencionalmente algunos óxidos como es el caso de las cales y acondicionadores de escoria (ricos en CaO y MgO). Otra fuente de óxidos ya formados es el desgaste mismo del refractario (fuente de MgO). Durante el proceso de fusión en el horno eléctrico de arco, se inyecta O2, lo que ocasiona la oxidación de elementos que se encuentran en el baño líquido como es el caso del Fe formando óxido de hierro (Feo).
Fe + ½ O2
→ FeO
Este mismo fenómeno sucede con elementos que se encuentran formando el baño de acero líquido como el Mn, Cr, Al etc. y que son susceptibles a ser oxidados ayudando a formar la escoria como podemos observar en el esquema
Figura 2.7 – Formación de los componentes de una escoria.
La composición química de la escoria es usualmente expresada en términos de los óxidos que la contenga y estas cantidades se expresan en porcentaje en peso. El color de la escoria puede ser un gran indicador de la calidad de la escoria y de los componentes que la conforman, en el HEA las escorias son ricas en FeO debido a los procesos oxidantes ocurridos con la inyección de oxígeno, y es característico encontrar una tonalidad oscura de la escoria cuando esta se encuentra solidificada. Con respecto a la composición química de una escoria, algunas consideraciones deben ser dadas. De esta composición dependerá en gran medida el comportamiento de sus propiedades físicas y químicas, las cuales impactan directamente en los indicadores operacionales del horno. Ver tabla a continuación.
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Tabla 1 – Influencia de los óxidos de las escorias en indicadores operacionales del horno.
CONSTITUYENTE DE LA ESCORIA
INDICADOR
EXCESO
FALTA
Oxido de Calcio ( CaO )
Cantidad de Fósforo del acero
Consumo excesivo de energía
Desclasificación por Fósforo del acero
Oxido de Silicio ( SiO2 )
Cantidad de Fósforo del acero
Consumo excesivo de energía
Escoria dura
Óxido de Hierro ( FeO )
Cantidad de acero vaciado (Rendimiento)
Pérdida de Fierro en la escoria
Desfosforización y escoria espumante perjudicada
Óxido de Magnesio
Escoria espumante - desgaste de refractarios
Exceso de energía
Desgaste de refractarios
( MgO )
La composición química de las escorias está directamente condicionada a factores como: el tipo de chatarra utilizada, cales, carbones y el control de las variables del proceso. Pueden considerarse como representativos los % mostrados en la siguiente tabla. Tabla 2 – Composición típica de una escoria y su fuente de origen
COMPUESTO
(%)
ORIGEN
CaO
35-50
Adicionado como cal calcítica
SiO2
10-25
Oxidación del Si en el acero o como tierra
FeO
20-45
Oxidación del Fe en el acero o como polvillo
MgO
5-15
Adicionado como cal dolomítica
Al2O3
4-12
Adicionado
MnO
4-10
Oxidación del Mn en el acero
P 2O 5
<1
Oxidación del P en el acero
CaF2
<1
Adicionado
Los componentes de la escoria se dividen básicamente en dos grupos: Óxidos refractarios: CaO y MgO. Óxidos Fluidificantes: SiO2 – Al2O2 – CaF2 y FeO. Como componentes individuales el CaO y el MgO son refractarios (temperaturas de fusión muy altas mayores 2600°C y 2800°C respectivamente). Incluso cuando estos componentes esta combinados la temperatura de fusión está por encima de los 2300°C. Es por esta razón que los materiales refractarios usados en la industria del acero son dolomíticos (58% CaO – 39% MgO). En términos muy simples una buena escoria se puede definir como el balance entre los óxidos refractarios y los óxidos fluidificantes.
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Esta relación que se muestra en la gráfica es la relación ideal de una escoria con los requerimientos metalúrgicos e ideal para la protección del refractario.
Bajo contenido de óxidos refractarios como CaO y MgO. Escoria muy fluida y muy agresiva con el refractario.
Adición de muchos óxidos refractarios CaO y MgO. Escoria muy dura difícil de extraer del horno.
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2.3 Basicidad La basicidad es una de las propiedades más importantes en las escorias, impactando de forma directa en sus propiedades físicas y químicas. La basicidad se puede interpretar como una relación entre los diferentes tipos de óxidos que se encuentran en la escoria. Estos óxidos pueden ser ácidos o básicos dependiendo de su capacidad de disociarse o de aceptar oxígeno. Por ejemplo, óxidos como el SiO2 o el Al2O3 los cuales aceptan oxígeno y forman aniones complejos son considerados como ácidos.
OXIDOS BASICOS
OXIDOS ACIDOS
CaO
SiO2
MgO
Al2O3 P2O5 Cr2O3 FeO MnO
Cuadro 1 – Lista de óxidos básicos y ácidos.
Estos óxidos también se pueden clasificar como fundentes y refractarios, los fundentes son los óxidos ácidos mientras que los refractarios son los óxidos básicos. En la operación de los HEA para fabricación de acero, se intentan alcanzar un equilibrio entre los óxidos de los refractarios y de los fundentes para que la escoria del HEA sea compatible con el refractario básico del horno y sea apropiada para la formación de escoria espumosa. En la práctica operacional de los HEA, se busca promover la estabilidad en la relación de los óxidos de los refractarios y de los fundentes, saturando las escorias con CaO y MgO para que estas sean básicas. Esta saturación se puede determinar con el cociente entre el % de CaO (proveniente de la cal) y el % de SiO2 (Sílice) en la escoria. Esta relación es definida como basicidad Binaria, ya que solo tienen en cuenta la relación entre estos dos óxidos. Observemos la fórmula:
Estas relaciones se pueden obtener utilizando más componentes químicos contenidos en la escoria, resultando así diferentes formas de determinar la basicidad. Las relaciones son las siguientes:
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Escorias con índice de basicidad binaria mayor que 1,5 son denominadas como básicas. Estas escorias son adecuadas para trabajar con refractarios básicos. Escorias con índice de basicidad binaria menor que 1,5 son denominadas como ácidas. En la práctica de los HEA, se debe buscar una basicidad entre 1,5 y 3, dependiendo del tipo de acero producido. Escorias con valores por debajo de 1,5 generan desgaste excesivo del refractario.
Figura 2.8 – Ataque de refractivo sufrido por una escoria con basicidad binaria inferior 1,5.
Veamos un ejemplo: Dos muestras tomadas de la escoria del horno fusión fueron analizadas en el laboratorio, encontrando la siguiente composición:
Óxidos
%CaO
%SiO2
%FeO
%MgO
%MnO
%Al2O3
Muestra 1.
30
25
28
5
5
5
Muestra 2.
33
18
32
8
5
5
Encontrar la basicidad binaria de las dos muestras y concluir con que escoria sería mejor trabajar.
La basicidad encontrada en la escoria de la muestra 1 es una escoria ácida (es menor a 1,5) y la de la muestra 2 es básica (mayor a 1,5) por lo que es mejor trabajar con la escoria de la muestra 2 para evitar ataques de la escoria al refractario básico del horno. 12 Laureate- International Universities
Podemos relacionar de forma directa el grado de basicidad de una escoria con los beneficios y desventajas en el proceso de HEA.
Figura 2.9 – Influencia de la basicidad en las escorias.
2.4 Viscocidad La viscosidad se puede definir como la resistencia que ofrece un fluido a deformarse o la resistencia a fluir. La unidad de medida de la viscosidad es el Poise (P). Un ejemplo sencillo de la viscosidad es el agua y el aceite. El aceite es más viscoso que el agua. Por lo tanto si llenamos dos recipientes, uno con agua y el otro con aceite en las mismas cantidades y se pasan por un embudo al mismo tiempo, el agua fluirá en mayor cantidad y el aceite en menor cantidad. Como lo podemos ver en la figura siguiente.
Figura 2.10 – Resistencia de dos sustancias al pasar por un mismo orificio. (Agua y aceite).
En las escorias la viscosidad es una de las propiedades más relevantes ya que es uno de los factores determinantes de las reacciones en contacto entre metal -escoria y escoria – refractario, además juega un papel muy importante en la espumacion de las escorias.
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Es indispensable conocer que los cambios en la temperatura o en la composición de la escoria, alteran su viscosidad y de igual forma la velocidad en la cual pueden ocurrir las reacciones químicas, dando como resultado alteraciones en las condiciones de operacionales del HEA. En relación a la temperatura, cuando tenemos mayor temperatura en la escoria su viscosidad tiende a hacer baja, es decir más fluida. Y si hablamos de composición química la viscosidad cambia dependiendo de la proporción de óxidos refractarios y de la cantidad de óxidos fluidisantes, entendiendo que si existe mayor cantidad de óxidos refractarios la viscosidad de las escorias aumenta, pero si por el contrario tenemos una escoria con mayor proporción de óxidos fluidisantes la viscosidad baja. En la tabla siguiente se puede apreciar el efecto de temperatura en cada oxido. Tabla 3. Influencia de la temperatura en la viscosidad de algunos óxidos.
ÓXIDO
TEMP. FUSIÓN (°C)
VISCOSIDAD
FeO
1370
↓↓
CaF2
1420
↓↓
SiO2
1720
↓
MnO
1850
↓
Al2O3
2030
↓
CaO
2600
↑
MgO
2800
↑
Leyenda
↓↓
Fuerte reductor de viscosidad
↓
Medio o bajo reductor de viscosidad
↑
Aumenta la viscosidad
En los procesos de horno eléctrico podemos observar que una escoria con baja viscosidad afecta de forma directa el consumo de refractario y de la misma manera afecta la espumación de las escoria, sin embargo debe existir un punto óptimo para la viscosidad pues se entiende que escorias con alto grado de viscosidad tienden a ser duras y afectan también la espumación. El FeO juega un papel muy importante en los cambios de viscosidad de la escorias, por ser el óxido fluidisante en mayor proporción que alcanza a fundirse completamente a las temperaturas de trabajo del horno, atribuyendo a él la posibilidad de que una escoria sea más o menos viscosa y de esta forma jugando un papel muy importante en la espumacion.
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Viscosidad
Alta
Baja
Causa
Falta de FeO en la escoria o exceso de CaO y MgO
Exceso de FeO o de temperatura alta en la escoria
Problema
Dificultad de espumacion
Dificultad de espumacion y ataque refractario
Solución
Aumentar Feo disminuir cantidad de cales en el cargue
Disminuir el FeO con inyección de carbón y disminuir temperatura de la escoria con inyección de carbón
Cuadro 2. Resumen de Causa – Problemas – Solución relacionado con la viscosidad.
2.5 Densidad Podemos definir la densidad como la cantidad de masa en un determinado volumen de una sustancia, por lo tanto se da como una relación simple de masa sobre volumen.
Podemos utilizar las escorias como unidad de medida para la densidad el gr/cm3 Normalmente una escoria del proceso de HEA tiene una densidad entre 2 – 4 gr/cm3 y el acero líquido tiene una densidad aproximada de 7 gr/cm3, como se puede observar la escoria tiene una densidad menor que la del acero y esta es la razón por la cual la escoria flota por encima del acero. La densidad depende mucho del tipo de composición química que posea la escoria. La cantidad de los tipos de óxidos determina que tan densa puede ser una escoria (ya que algunos óxidos pesan más que otros, como es el caso del FeO). Otro punto que impacta de forma directa la densidad de la escoria es la espumación. Si hay una adecuada espumación podemos concluir que hay una baja densidad en la escoria, ya que tenemos la misma masa ocupando un mayor volumen. En la práctica, la densidad sirve para tener una aproximación del comportamiento de la operación del horno en la etapa de afino, visualmente con la cantidad de escoria y la forma de esta, se puede concluir que tan densa se encuentra la escoria en el horno. Como lo muestra la siguiente gráfica.
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Figura 2.11 â&#x20AC;&#x201C; RelaciĂłn de diferentes densidades de una escoria.
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Referências Bibliográficas
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