Escoria

U.A.N.L FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

Capítulo 5 Química de la Escoria Karen María Cecilia Vega Sixtos

Grupo:001

SAN NICOLÁS

DE LOS

GARZA, NUEVO LEÓN, NOVIEMBRE 2012

Funciones de una escoria utilizada en el procesamiento de metal líquido a) Protector de la masa fundida de la contaminación de la atmósfera del horno y de los productos de combustión del combustible b) Aislamiento de la masa fundida c) La aceptación de líquido no deseado y los componentes sólidos d) Controlar el suministro de medios de comunicación para refinar la masa fundida a través de adiciones a la escoria.

Propiedades fundamentales las escorias 1) El punto de fusión debe ser menor que la masa fundida. Fundentes como cal, fluorita, cuarzo u óxido de hierro se puede añadir para disminuir el punto de fusión de la escoria y de ese modo aumentar su fluidez.

2) Peso específico menor que, e inmiscible en la masa fundida, de modo que descanse encima de la masa fundida como un líquido separado y por lo tanto puede aceptar impurezas.

3) Composición correcta para que pueda aceptar y reaccionar con impurezas y así ser inmiscibles en la masa fundida.

mezcla de aluminat óxidos y os, silicatos fosfatos y boratos reacción endotérmica

Escoria

El aumento de volumen de la escoria, aumenta la entrada de calor requerida, mayor costes; aumenta el peligro de atrapamiento de metal, reduciendo el rendimiento de éste y la tasa de transferencia de calor del horno en la masa fundida.

Las escorias líquidas tienen áreas iónicas en su estructura, por lo tanto, los óxidos fundidos que forman la escoria están presentes como cationes y aniones.

Estos óxidos están presentes como:

a) óxidos básicos que donan O2- iones a la escoria (CaO, FeO, MgO, Cu2O, Na2O, K2O) y que ionizan como: CaO = Ca2+ + O2-

b) óxidos ácidos que aceptan O2- iones (SiO2, P2O5, Al2O3) y producen cationes complejos por reacción con los aniones de oxígeno: SiO2 + 2O2-= Si (ion silicato u ortosilicato) P2O5 + 3O2-= 2P (fosfato o ion ortofosfato) Al2O3 + 3O2 =-2Al (aluminato u ortoaluminato)

Una molécula de SiO2 es neutralizada por dos moléculas de óxido básico (dos iones O2), mientras que una molécula de Al2O3 y P2O5 son neutralizados por tres moléculas de óxido básico. Cuando la escoria está compuesta de estas proporciones de óxidos básicos y ácidos que tiene propiedades básicas ni tampoco ácido y se dice que es una escoria neutral.

SiO2 + 2CaO = Ca2 SiO4 ó 2CaO. SiO2 ó 2Ca2+ + Si

(ortosilicato de calcio)

 Una escoria básica es la que contiene más óxido básico que el neutro orto-compuesto en su composición y en este estado la escoria tendrá un exceso de iones O2-.  Una escoria ácida es uno que contiene óxido de más ácido que el neutro orto-compuesto en su composición y por lo tanto tendrá un exceso de SiO2, Al2O3 o P2O5.

Una composición típica escoria básica sería de tres moles de CaO y un mol de SiO2 mientras que una composición de la escoria ácida que contiene un mol de CaO a un volumen de SiO2.

Medición de basicidad de la escoria

Radio de basicidad B =

Esta radio B está dispuesto de modo que cuando la unidad es una composición de la escoria neutral se consigue, menos de uno es una escoria ácida y mayor que uno, una escoria básica.

También se puede representar como, el porcentaje en peso de los óxidos básicos al porcentaje en peso de óxidos ácidos o incluso simplemente el porcentaje en peso de CaO al porcentaje en peso de SiO2.

Una escoria ácida es más viscosa que la escoria básica y, a veces la relación de CaO/SiO2 se refiere como una V (viscosidad) de relación.

Reacciones escorias de metal Las reacciones de las escorias de metal pueden ser controladas al considerar la basicidad de la misma y la temperatura.

El equilibrio se representa mediante la reacción: MnO(escoria) + C(Fe) = Mn(Fe) + CO(gas)

=290 300 – 173.22T J Log K=

=

Las relaciones de G / T y K / T indican que el aumento de la temperatura hará más negativa G y a K más grande. MnO es un óxido básico, por lo que el empleo de una escoria básica aumentará la actividad de éste.

Un aumento de la temperatura y la basicidad de la escoria, favorecen la reacción hacia adelante y la reducción de MnO en la escoria para el hierro aumenta al incrementar la temperatura de la escoria y su basicidad.

Estructura de la escoria líquida En las mediciones de propiedades físicas, como: la tensión superficial, la viscosidad, por ejemplo, números de transporte de conductividad eléctrica, se indica que las escorias son mezclas de aniones y cationes. Los pequeños cambios en la entropía y la viscosidad en fusión de un óxido, indican un mínimo de cambios estructurales a partir del sólido al líquido.

La sílice es un componente en la mayoría de las escorias. Tiene tendencia muy débil para cristalizar y enfriamiento rápido, produce un cristal sin orden iónico.

El catión O2- enlace Óxidos básicos, tales como CaO, MgO, MnO, FeO exhiben una disposición de cierre de los paquetes de O2- iones con cationes en los intersticios.

La atracción del catión para el O2-ion se puede representar por la fuerza de unión, F, es decir F (fuerza culómbica) =

Donde Rc y Ra son los radios de los cationes y aniones, respectivamente, Z+ y Z- son las valencias (estados de oxidación) del catión y el anión, respectivamente, y e es la carga del electrón (0.1602x10-18).

La mayoría de los óxidos básicos presentan una valencia de dos, Fe2+, Ca2+, Mg2+, Mn2+, mientras que los óxidos ácidos presentan cargas mayores, Al3+, Si4+, P5+.

Sin embargo, los óxidos tienen una combinación de ambos, una unión iónica y covalente entre el catión y el ion O2-. Esto depende de la estructura electrónica del elemento que forma el óxido y el tamaño de los iones.

Esos óxidos que tienen una alta fracción enlace iónico tenderá a ser básica desde la unión iónica es más conducente a la ionización y, por lo tanto, más propensos a donar iones O2- a la escoria líquida, mientras que la unión covalente proporciona una fuerte unión entre el catión y el O2- ion debido a los electrones compartidos en las capas exteriores de los elementos.

La tabla periódica de los elementos indica la tendencia a formar óxidos básicos o ácidos. Los cationes de los grupos I y II se combinan con aniones de los grupos VI o VII, todo ello puede formar compuestos con una fracción de unión iónica alta debido a la facilidad de transmisión de uno o dos electrones en la capa exterior del catión al anión.

Los grupos de la tabla periódica muestran que el radio atómico de los elementos aumenta de arriba a abajo de cada grupo, ya que aumenta el número de capas de electrones en esta dirección.

El radio atómico disminuye en movimiento de izquierda a derecha en cada grupo ya que los electrones son atraídos por un aumento del número de protones del núcleo. Por lo tanto, el valor de F para los óxidos producidos a partir de cationes de los grupos I y II es bajo y estos elementos son más propensos a formar fuertes óxidos básicos que fácilmente donar iones O2- a la escoria.

Elementos de los grupos intermedios proporcionan sólo una pequeña fracción de su bono como iónica y que es iónico que tiene un alto valor de F. Por lo tanto, los óxidos de estos elementos es probable que sean fuertes óxidos ácidos. Puesto que los electrones se han eliminado de átomos para producir cationes y aniones añadido para producir que el radio de los cationes, Rc, son generalmente mayores que las de aniones, Ra.

La fuerza vinculante, F, disminuye a medida que el número de coordinación con O2-iones se incrementa.

El número de coordinación se controla por los tamaños relativos de los iones O2-y cationes. Óxidos básicos generalmente tienen un número de coordinación de 6 a 8, con un poco de ser tan alto como 12. Un número de coordinación típico para los óxidos ácidos es de 4.

Electronegatividad es la medida por la que se puede quitar un electrón de un átomo para producir un ion.

Pauling afirmó que los elementos que tienen una diferencia de electronegatividad de mayor que 1,7 son predominantemente unido iónicamente, y las que tienen una diferencia de menos de 1,7 son predominantemente unida covalentemente.

Determinación de la estructura iónica del óxido La segunda ley de Pauling establece que el intervalo entre dos cationes vecinos, Si4+, es un máximo. Por lo tanto, los tetraedros deben ser en cada vértice, produciendo una estructura hexagonal tridimensional como se muestra en la Fig.1

 Fig.1 (a) La sílice en estado líquida y (b) en estado cristalino En esta estructura la Si4+ ion está unido a cuatro iones O2- y cada O2- ion está unido a uno Si4+ ion3, en el estado sólido proporciona una estructura de fórmula (SiO2)n. La unión covalente en gran medida entre el silicio y el oxígeno es muy fuerte que conduce a la aplicación de sílice como material refractario. Es evidente a partir de la estructura hexagonal de sílice que dos tetraedros están unidos por uno O2-ion.

La adición de cada mol de óxido básico a la sílice, proporciona una donación de un O 2- ion, CaO = Ca2+ + O2-, NaO = 2Na+ + O2-

Cada O2- ion es capaz de romper una de las cuatro comunes O2- bonos entre dos tetraedros por haberse colocado en la unión, creando de ese modo una rotura en la estructura en esta posición (Fig. 2).

 Fig. 2

Los elementos que presentan una valencia variable, por ejemplo, Fe2 + y Fe3 +, pueden poseer tanto las características básicas y ácidas. Dado que el catión (Rc) de el estado de valencia más baja será más grande, el metal ion O2- bono es más electrovalente (iónico) y por lo tanto más básico.

Fe2O3 es ácido y FeO es básico y, en un medio acuoso, Cr3 + es anfótero, Cr6 + es ácido.

Un óxido ácido, (SiO2) es un disolvente ionizante que aumenta la fracción ionizada del óxido en la solución por adición de un óxido básico. La disociación de un óxido básico no es completa, pero es más completa que la de óxidos ácidos y depende en gran medida el poder de ionización del ácido disolvente.

Una mezcla de dos óxidos básicos es capaz de proporcionar amplias soluciones sólidas, como se muestra en la Fig.3 para el FeO-MgO y FeO-MnO sistemas.

 Fig. 3

La adición de un óxido básico (interruptores de red) a un óxido ácido (disolvente ionizante) resultará en una mezcla de punto de fusión inferior, así como la adición de un óxido ácido de un óxido básico.

La extensión de la movilidad de los cationes depende de la valencia o estado de oxidación y el número de coordinación. A este respecto, los óxidos básicos tienden a ser más móviles que los grupos oxácido de óxidos ácidos que exhiben mayores cargos valencia y el número de coordinación bajo.

Aluminato y fosfato estructuras Al, P, y B, cada uno puede proporcionar estructuras similares de anión oxígeno a SiO2 en el estado sólido y puede sustituir a Si4+ en las estructuras unidas tetraédricas, siempre que la relación de anión / catión se ajusta para mantener la electroneutralidad.

Los enlaces más débiles de electrones de valencia entre el catión y el ion silicato se rompen primero y cualquier resto de la estructura hexagonal tipo SiO2 desaparece en el aumento de la temperatura.

La adición de un óxido divalente de base a las estructuras de iones complejos de ácidos puede dar lugar a inmiscibilidad, mientras que la adición de un óxido monovalente de base a la sílice es más probable que proporcione una amplia gama de miscibilidad.

La inmiscibilidad es la dificultad de mantener la coordinación normal de cationes divalentes con el O2- ion del óxido básico, comparado con el que se debe adoptar si se entra en un agujero en la red SiO2. Óxidos monovalentes presentan un menor valor de F y mayor fracción de enlace iónico en comparación con los óxidos divalentes y son más fácilmente ionizados que los óxidos divalentes.

A medida que aumenta la fuerza de atracción, los límites de inmiscibilidad pueden producir determinados complejos de silicatos. Dado que se produce un gran tamaño de cationes en un valor bajo de F, óxidos con cationes grandes proporcionan una amplia gama de miscibilidad con sílice.

Sistema Ternario La mezcla de sílice con dos diferentes óxidos básicos, cada uno de los cuales proporcionan inmiscibilidad, se traducirá en una región de inmiscibilidad que se une a la estequiometría inmiscible de cada uno de los binarios fundidos.

Esto se muestra en la Fig. 4 para el sistema ternario SiO2-CaO-FeO, en el que el punto de inmiscibilidad para el binario CaO-SiO2 está en aproximadamente 27 en porcentaje en peso de Ca y que para el binario de FeO-SiO2 está cerca de 42 porcentaje en peso de FeO.

 Fig. 4 La línea discontinua retorcimiento estos dos puntos indica que el cambio en la coordinación de los dos óxidos, es decir, [CaO] / [FeO], en el líquido.

Fosfatos fundidos La bascidad de la escoria líquida es mayor que o igual a la composición de ortofosfato, es decir 3MO.P2O5, P iones existen como unidades separadas en la masa fundida, mientras que para una baja bascidad existe una red hexagonal de complejos aniónicos similares a la de silicato de masas fundidas.

La inmiscibilidad se produce normalmente a una concentración inferior de óxido básico en fosfato que se funde en la masa fundida desde el silicato tetraédrico PO2+.

El diagrama ternario P2O5-CaO-FeO, Fig. 5, muestra el efecto de la sílice en inmiscibilidad líquido del sistema. Las composiciones líquidas que se encuentran en la combinación para la composición de ortofosfato para cada uno de los sistemas binarios (3FeO.P2O5 y 3CaP2O5) proporcionan miscibilidad completa.

Aumentar el contenido de FeO de una mezcla de escoria de 3CaP2O5 dará lugar a inmiscibilidad, como se indica en el área lenticular en el diagrama ternario de la Fig. 6 Además de FeO o MnO a los resultados de calcio ortofosfato en inmiscibilidad en la generación de dos líquidos, uno de ellos de la composición de ortofosfato de calcio, es decir, Ca2 + y PO43-iones, y el otro líquido es en gran medida FeO (Fe2+ y O2- iones).  Fig. 6

El aumento de la concentración de iones de O2 por encima de la necesaria para satisfacer todos los P5 + iones dará lugar a la formación del óxido de base, que tiene el mayor valor F.