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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS
EXTRACTIVAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA METALURGICA
SECCION DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACION
Proyecto de Investigación:
Estabilización de Cromo en Escorias Siderúrgicas
Clave: 20050384
DIRECTOR DEL PROYECTO DR. J. ANTONIO ROMERO SERRANO
MEXICO D.F. Febrero 2006
1. RESUMEN
En los procesos para la obtención de aceros inoxidables es necesaria la disminución de
las escorias con contenidos de cromo, en particular el Cr6+, debido al impacto ambiental
que causa por tener la propiedad de lixiviarse con las aguas de lluvia pasando a los
mantos acuíferos y ocasionando graves riesgos de salud. Además, la reducción de este
elemento disminuys los costos de producción, pues es el elemento principal para la
producción de este tipo de acero.
Se estima que estas escorias pueden contener cantidades de Cr6+ en menor proporción
con la adición de agentes reductores para formar un complejo resistente a la lixiviación,
por lo que se estudiará el sistema de la escoria.
En el presente trabajo se propone determinar el efecto de la basicidad, 1 y 2, y adición
de agentes formadores de compuestos complejos (MgO y Al2O3) a escorias sintéticas
del tipo Cr2O3-SiO2-CaO-CaF2 producidas en el horno de Inducción a una temperatura
de 1450 ºC y presiones atmosféricas, y en un horno de tubo a 1600 °C en atmósfera
controlada.
El diseño experimental se divide en dos etapas: la primera, es la elaboración de cada
una de las escorias con diferentes composiciones, las cuales se caracterizarán por la
técnica de Difracción de Rayos X y por Microscopía Electrónica de Barrido (MEB) para
determinar las especies formadas y su distribución. Y la segunda, es la prueba de
lixiviación ó prueba de extracción para determinar los constituyentes que hacen a un
Residuo Peligroso por su Toxicidad al ambiente (PECT) de acuerdo con las Normas
Mexicanas NOM-052-ECOL.1993., y NOM-053-ECOL.1993.
1
2. INTRODUCCION
El mejoramiento del proceso donde se obtienen cantidades de sustancias contenidos en
residuos industriales de compuestos tóxicos y/o con valor económico para su
recuperación o separación, en ocasiones llega a ser una absoluta necesidad. Hay dos
aspectos importantes: uno es la cuestión económica y recuperar los materiales y el otro
es la protección del medio ambiente de compuestos tóxicos dispersados, especialmente
compuestos de metales pesados. Por lo tanto, los estudios se dirigen al nuevo desarrollo
para la separación de estos metales, principalmente de productos de residuos
industriales.
En la industria siderúrgica, el cromo en particular, representa uno de los mayores
constituyentes para la producción de acero inoxidable. Por consiguiente, la cantidad de
este elemento influye marcadamente en este proceso, por lo cual es necesario su
recuperación en los residuos (escoria) producidos para economizar el proceso; además
de disminuir el grave impacto ambiental que causa su desecho.
Los componentes de cromo son particularmente peligrosos al medio ambiente, ya que
pueden contaminar los mantos acuíferos. Estos desperdicios tóxicos causan la formación
de jales residuales y aguas de residuos salinos secundarios. El proceso químico de esos
lodos para la recuperación de metales es difícil y es económica únicamente bajo
condiciones favorables.
JUSTIFICACIÓN Durante los últimos 9 años, las empresas siderúrgicas para la producción de aceros
inoxidables han tratado de reducir el cromo en la escoria debido a que representa uno de
los elementos base del acero y por lo tanto, el mal manejo en su consumo representa un
problema sobre el control en la economía del proceso. Por otro lado, es un elemento que
genera graves problemas ambientales y en la mayoría de los casos no se tiene un
2
control sobre su manejo ocasionando. Aunque en México existen Normas ambientales
aplicables a la industria para sólidos, no está de más, diseñar procesos para la
disminución de este elemento en los productos residuales.
La Norma Oficial Mexicana (por sus siglas NOM) Ecológica, identifica los residuos
peligrosos mediante los siguientes procedimientos:
NOM-052-ECOL.1993. Determina las normas de los componentes tóxicos de los
residuos peligrosos mediante una lista, son caracterizados y planteados los límites que lo
hacen peligroso por su toxicidad al ambiente.
NOM-053-ECOL.1993. Determina el procedimiento para llevar a cabo la prueba de
extracción para determinar los constituyentes que hacen a un residuo peligroso por su
toxicidad al ambiente.
A causa de las diferentes prácticas de fusión en las empresas siderúrgicas la
composición de las escorias varía, por lo que su comportamiento ambiental podría ser
influenciado por las mediciones tomadas durante los procesos; es por ello que se busca
una alternativa para mejorar la precisión en las mediciones mediante pruebas de
laboratorio.
OBJETIVOS
Reducir la escorificación de cromo y vincular al cromo remanente dentro de las fases
estables de escoria durante los procesos de Horno de Arco eléctrico (HAE) y
Decarburación de Argón y Oxígeno (DAO). Determinar además las fases en equilibrio
mediante un estudio termodinámico.
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3. METODOS Y MATERIALES
Experimentos en atmósfera controlada
Los experimentos se llevaron a cabo a 1600°C ± 5°C usando 4g de escoria y un crisol
de Platino de 25mm X 35mm. La escoria se preparó mediante óxidos grado analítico
(CaO, MgO, SiO2 y Cr2O3) los cuales fueron previamente pulverizados hasta un tamaño
de entre 45 y 75 µm. Posteriormente estos se mezclan en un mortero de ágata y se
colocan en el crisol de Pt y éste a su vez se coloca en un crisol de corundum como
protección. El contenido de MgO se varió de 0 a 12% masa, la basicidad la cual está
dada por la relación en masa CaO+MgO/SiO2 fue de 1 y 1.5 el contenido de Cr2O3 fue
de 10%.
La parte experimental consiste en un horno horizontal cuyo calentamiento es mediante
resistencias de disiliciuro de molibdeno (MoSi2), teniendo una atmósfera de CO/CO2,
como se muestra en la figura 1. La temperatura se determinó mediante un termopar tipo
B (PtRh30-PtRh6), el por ciento de error en las mediciones y el control de temperatura
es menor a ± 5°C. Al sistema se le inyecta argón durante el calentamiento con un flujo
de 0.5l/h. Una vez fundida la escoria y haber alcanzado la temperatura deseada
(1600°C) se suspende la inyección de gas y se sustituye por la mezcla 93%CO –
7%CO2 para obtener la presión parcial deseada pO2 de 10-9atm.
Se ha determinado que el comportamiento del cromo en las escorias depende en gran
medida de la presión parcial de oxígeno, por lo tanto en este trabajo se usa una presión
parcial de oxígeno relativamente baja, similar a las que se tienen en los procesos de
fabricación de acero.
4
CO
/CO
2
Ar
Horno
Tubo de Alúmina
H2O
RotametroVálvulas
Escoria
Crisol de Pt1600°C
CO
/CO
2
Ar
Horno
Tubo de Alúmina
H2O
RotametroVálvulas
Escoria
Crisol de Pt
CO
/CO
2
Ar
Horno
Tubo de Alúmina
H2O
RotametroVálvulas
Escoria
Crisol de Pt1600°C
Figura 1.- Equipo experimental para las pruebas con atmósfera controlada
La escoria se llevó al equilibrio a una temperatura de 1600°C durante 12 hs, una vez
alcanzado el equilibrio el crisol se retira de la zona caliente del horno para ser enfriado
por un flujo de argón. Para identificar las fases las muestras de escoria se analizaron
por difracción de rayos X (DRX), el equipo utilizado es un difractómetro Rigaku DMAX
2200Shimadzu XD-3A. La morfología, la composición de las fases mineralógicas y la
distribución de los elementos se estudiaron por microscopia mediante el microscopio
electrónico de barrido (MEB) JOEL 5000 se recurrió a la técnica de mapeo
composicional.
ANALISIS TERMODINAMICO Se empleó el paquete termodinámico FACTSage para determinar las especies en
equilibrio en la escoria mediante el modelo cuasi-químico y la minimización de la
energía libre de Gibbs. El algoritmo de la minimización de la energía libre determina el
5
número de moles de cada especie así como la composición de todas las fases
minimizando la función de energía libre.
Los cálculos en equilibrio se realizaron para determinar el efecto del MgO, el contenido
de Cr2O3 y la basicidad de la escoria sobre la estabilidad de las especies mineralógicas.
Los cálculos se realizaron a 1600°C y una pO2= 10-9atm. El total en masa de la escoria
fueron 4g con contenidos de MgO en el rango de 0 a 16%, el Cr2O3 fue de 0 a 25% y la
basicidad fue de 0.5 a 2.0.El programa realiza automáticamente la búsqueda de los
datos termodinámicos en su propia base de datos para la fase escoria líquida y para las
especies químicas puras. La minimización de la energía libre de Gibbs proporciona la
composición de la escoria en equilibrio, además de las posibles especies sólidas de
óxidos en el sistema.
En la figura 2 se muestran los diagramas de estabilidad para cuatro basicidades (0.5, 1,
1.5 y 2). Como se puede observar, las fases mineralógicas del sistema dependen en
gran medida de la basicidad y la composición de la escoria. De manera general se
puede decir que a bajas basicidades se disminuye el punto de fusión de la escoria, así
la fase liquida es estable con altos contenidos de Cr2O3 y MgO. Así también el análisis
termodinámico predice la formación de un espinel MgO•Cr2O3, la cual es la fase sólida
más estable en todo el rango de basicidades (0.5 a 2.0) incluso a bajos contenidos de
MgO. Este espinel aparece un vez que la escoria líquida llega a ser inestable.
La fase CaO•Cr2O3 también es estable a altas basicidades y a relativamente bajos
contenidos de MgO. Además también se forman otros componentes sólidos en el
sistema tales como silicatos cálcicos (Ca2SiO4 y CaSiO3). Se puede observar el MgO
libre solamente a basicidades mayores de 1.5 y altos contenidos de MgO, mientras que
el Cr2O3 libre se presenta a bajos contenidos de MgO.
Es preciso enfatizar que los diagramas están calculados a 1600°C y no predicen las
fases que se pueden formar durante el enfriamiento de la escoria. Los resultados
termodinámicos muestran que el cromo principalmente se encuentra ligado dentro de
6
una fase estable del tipo MO•Cr2O3 (donde M= Mg y Ca) incluso a bajos contenidos de
MgO en la escoria y a basicidades de 0.5 a 2.0.
Figura 2.- Diagramas de estabilidad termodinámica para el sistema SiO2-CaO-
MgO-Cr2O3. (% masa) a 1600°C
Prueba de extracción (lixiviación) En la tabla 1 se enlistan los dispositivos y reactivos que se van a utilizar para la prueba
la lixiviación.
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Tabla 1. Dispositivos y reactivos para la prueba de lixiviación.
DISPOSITIVOS REACTIVOS
Cribas del #100
Medidor de pH Ácido acético glacial
Material volumétrico de vidrio
Agitadores magnéticos Agua desionizada o destilada
Parrilla eléctrica
Termómetro Hidróxido de sodio Na(OH)
Filtro de fibras de vidrio Ácido clorhídrico
EQUIPO En la figura 3 se muestra el esquema del Horno de Inducción para la producción de las
escorias.
La figura 4 presenta esquemáticamente el sistema de agitación para la prueba de
extracción de componentes de la norma NOM-053-ECOL.1993. Este aparato de
agitación debe ser capaz de rotar los recipientes de extracción de arriba hacia abajo a
30±2 revoluciones por minuto (rpm).
5
4
2
1
1. Termopar
2. Crisol de grafito
3. Crisol de Al2O3 o MgO
4. Escoria fundida
5. Refractario magnejar
3
Figura 3. Esquema del horno de Inducción
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Figura 4. Aparato de agitación rotatoria.
PARÁMETROS CONSTANTES Y VARIABLES DE TRABAJO Los parámetros constantes y las variables se aplicarán sólo para la producción de las
escorias con el fin de obtener escorias de diferente composición. Y para la prueba de
lixiviación se debe llevar un seguimiento estricto, pues la NOM-053-ECOL.1993 así lo
establece.
Parámetros Constantes Temperatura: 1600 ºC
Masa de la escoria: 100 g
Porcentaje de fluorita (% CaF2): 10
Parámetros Variables Para contenido de MgO en la escoria
• % de MgO = 5, 10, 15
• % de Cr2O3 = 10, 20.
• Basicidad = 1, 2
9
Para contenido de Al2O3 en la escoria
• % de Al2O3 = 5, 10 y 15
• % de Cr2O3 = 10, 20.
• Basicidad = 1 y 2
DESARROLLO EXPERIMENTAL Este se divide en dos etapas, para la producción de la escoria y para la prueba de
extracción (lixiviación).
Producción de la escoria 1. Se pesarán 100 gramos de escoria con los componentes del sistema Cr2O3-
CaO-SiO2-CaF2 y con la adición del agente formador de espinel (MgO ó Al2O3) en
las cantidades que se presentan en las tablas 3 y 4 antes mencionadas.
2. Se llevará a cabo la homogeneización de la escoria.
3. Se colocará en un crisol de MgO ó Al2O3 , según sea la composición de la
escoria, y éste se introducirá en el crisol de grafito para llevarse a cabo la fusión
en el Horno de inducción a una temperatura de 1600 ºC.
4. Una vez obtenida la escoria se molerá finamente en el mortero de porcelana
hasta llegar a un tamaño de partícula de -100#.
5. Se llevará a cabo la caracterización de la escoria para saber qué componentes
se formaron y la distribución de los mismos, por las técnicas de Difracción de
Rayos X y Microscopía Electrónica de Barrido (MEB).
Lixiviación
1. Se prepararán dos reactivos de extracción de la siguiente manera:
a) Reactivo 1: Añadir 5.7 mL de ácido acético (CH3COOH) a 500 mL de agua
desionizada o destilada, añadir 64.3 mL de hidróxido de sodio 1N en una matraz
volumétrico de 1L y aforar hasta la marca. El pH debe ser de 4.93 ± 0.05.
b) Reactivo 2: Añadir 5.7 mL de ácido acético CH3COOH a 500 mL de agua
desionizada o destilada. El pH debe ser de 2.88 ± 0.05.
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2. Para saber qué reactivo de extracción es el que se utilizará se siguen los siguientes
pasos:
a) Pesar 5 g de fase sólida a un tamaño de partícula de 1mm o menos, colocar en
un matraz erlenmeyer.
b) Añadir al matraz 96.5 mL de agua desionizada o destilada, cubrir con un vidrio
de reloj y agitar vigorosamente durante cinco minutos, usando un agitador
magnético y una parrilla para la agitación. Si el pH es menor de 5 usar el reactivo
1.
c) Si el pH es mayor de 5, añadir al matraz 5 mL de ácido clorhídrico (HCl) 1N,
mezclar y cubrir con un vidrio de reloj, calentar a 50 ºC durante 10 minutos. Dejar
enfriar a temperatura ambiente y medir pH. Si el pH es mayor de 5 usar el
reactivo 2.
3. Cuando el tamaño de partícula esté preparado adecuadamente se añade
lentamente al recipiente de extracción la cantidad de reactivo de extracción
seleccionado, en una cantidad igual a 20 veces el peso del sólido. El sólido de ser
25 g.
4. Una vez determinada la cantidad de reactivo y adicionada al recipiente conteniendo
la muestra se lleva a cabo la extracción siguiendo lo siguientes pasos:
a) Colocar el recipiente con el equipo de agitación rotatorio (figura 2) y girar a 30 ± 2
rpm durante 18 ± 2 horas. La temperatura deberá mantenerse a 23 ± 2 ºC
durante todo el proceso.
b) Una vez trascurrido el tiempo de operación separar el material del recipiente
(sólido y líquido) por medio de un filtro de fibra de vidrio, los filtros deberán tener
un lavado ácido si se evalúan los metales.
c) Se mide el pH del extracto y se preserva para el análisis.
d) Comparar la concentración de los constituyentes en el extracto con los niveles
máximos permisibles señalados en la norma NOM-052-ECOL.1993.
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4. RESULTADOS
Resultados de la Revisión Bibliográfica. META No. 1
En esta etapa se realizó la investigación relacionada con el comportamiento del cromo
en las escorias siderúrgicas. Los resultados más importantes son los siguientes:
Los más altos contenidos de cromo continúan siendo producidos por las industrias del
ferrocromo y aceros inoxidables. El nivel de concentración general de cromo en
Finlandia varía entre 1 y 2 µg g-1 de su peso en seco y ha incrementado fuertemente
desde 1990.
El 70 % de mineral de cromo del mundo [(Fe, Mg)O (Cr, Al, Fe)2O3]se da en el sur de
África. El consumo de minerales ha incrementado hasta un 307.4 % desde 1970 debido
al uso de ferrocromo líquido; para la producción del acero inoxidable se ha
incrementado hasta 141.4 % desde 1990.
En las industrias de ferrocromo y acero inoxidable el 85 % del total de residuos
producidos (250 000 Toneladas/año, aproximadamente) son reciclados. Los residuos
de las instalaciones del ferrocromo son almacenados dentro de las instalaciones de las
compañías mientras la escoria formada después de la recuperación del metal de
residuos de acero inoxidable es almacenada en una pila, de la cual el cromo pasa
dentro de la tierra a través de lodos. Esas plantas productoras de ferrocromo y acero
inoxidable emiten cantidades de cromo de 14.58 ton/año, 4.6 ton/año y 1330 ton/año, al
aire, agua y tierra, respectivamente; donde la concentración de cromo en la escoria
producida (3600 ton/año) es de 3.7 %.
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Hoy en día, muestras de tierra con el mismo contenido de cromo puede dar diferentes
resultados de análisis en dos diferentes laboratorios de análisis debido a diferentes
caminos de manejo y por la reacción de óxido reducción de las muestras. Sin embargo;
todos esos estudios indican que el destino del cromo en la tierra es en parte controlado
por el potencial redox y el pH de la tierra. Por consiguiente, el Cr6+ es fuertemente
inestable y es pobremente absorbido encima de las tierras bajo condiciones naturales.
La oxidación de Cr3+ a Cr6+ se lleva a cabo en presencia de MnO2, en tierras frescas y
mojadas, donde hay un pH mayor a 5. La movilidad de Cr3+ en la matriz de la tierra es
inhibida por la absorción y acomplejamiento con MnO2. En tierras profundas, el Cr6+
será reducido a Cr3+ por S2- y Fe2+ en condiciones anaeróbicas. Así mismo la presencia
de materia orgánica en la tierra acelera la reducción de cromo. Por otra parte, varios
estudios indican la posible reducción de Cr6+ a Cr3+ por el carbón activado bajo
condiciones ácidas.
En las escorias para la producción de ferrocromo y aceros inoxidables, una gran
cantidad de cromo existe en estado divalente Cr2+ a altas temperaturas y a baja presión
parcial de oxígeno. Varios estudios de investigación se han realizado sobre contenidos
de cromo divalente en escorias con hierro y libres de hierro.
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Preparación del Equipo y Materiales. META No. 2
Las escorias preparadas contienen la composición mostrada en las siguientes tablas:
La tabla 2 muestra el diseño experimental del sistema Cr2O3-CaO-SiO2-CaF2 con la
adición de MgO como agente reactante.
Tabla 2. Sistema Cr2O3-CaO-SiO2-CaF2 –MgO
B = CaO/SiO2Experimentos % MgO % Cr2O3 Basicidad
% CaO % SiO2
1 5 10 1 37.500 37.500
2 5 10 2 50.000 25.000
3 5 20 1 32.500 32.500
4 5 20 2 43.333 21.667
5 10 10 1 35.000 35.000
6 10 10 2 46.667 23.333
7 10 20 1 30.000 30.000
8 10 20 2 40.000 20.000
9 15 10 1 32.500 32.500
10 15 10 2 43.333 21.667
11 15 20 1 27.500 27.500
12 15 20 2 36.667 18.333
La tabla 3 muestra el diseño experimental del sistema Cr2O3-CaO-SiO2-CaF2 con la
adición de Al2O3 como agente reactante.
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Tabla 3. Sistema Cr2O3-CaO-SiO2-CaF2 - Al2O3
B = CaO/SiO2Experime
ntos
% Al2O3 % Cr2O3 Basicidad
%CaO % SiO2
1 5 10 1 37.500 37.500
2 5 10 2 50.000 25.000
3 5 20 1 32.500 32.500
4 5 20 2 43.333 21.667
5 10 10 1 35.000 35.000
6 10 10 2 46.667 23.333
7 10 20 1 30.000 30.000
8 10 20 2 40.000 20.000
9 15 10 1 32.500 32.500
10 15 10 2 43.333 21.667
11 15 20 1 27.500 27.500
12 15 20 2 36.667 18.333
Preparación y Caracterización de las Escorias. Pruebas de Lixiviación. META No. 3 y 4
Difracción de rayos X
Los difractogramas obtenidos a una basicidad de 1 se muestran en la figura 5, como se
puede observar, el proceso de cristalización se llevó a cabo a 1600 °C cuando el
contenido de MgO en la escoria es mayor a 6%. Los patrones de difracción para las
muestras con %MgO= 0, 3 y 6 muestran que los productos obtenidos son amorfos ó
presentan muy pocos picos de reflexión de Ca2SiO4 y CaSiO3. Esto quiere decir que la
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escoria liquida se cristalizó cuando se templó con argón. Esto concuerda con los
resultados termodinámicos, los cuales indican que a bajas basicidades y bajos
contenidos de MgO la escoria liquida es más estable que las fases cristalinas a 1600°C.
Así también se pueden observar más claramente los picos de los difractogramas
obtenidos para las muestras con contenidos de 9 y 12% MgO. Se observa que las
muestras están principalmente constituidas por silicatos cálcicos (Ca2SiO4 y CaSiO3) y
el espinel MgO•Cr2O3, con menores cantidades de SiO2 y CaO libre. También se
muestran algunos pequeños picos de Cr2O3 y CrO. La presencia de CrO en la escoria
concuerda con el trabajo realizado por Xiao y colaboradores quienes reportan que a
bajas presiones parciales de oxígeno y bajas basicidades el cromo divalente y trivalente
coexisten en la escoria.
La figura 6 muestra los difractogramas para la escoria con basicidad de 1.5, en
esta se puede observar que los patrones de difracción son complicados debido a la
formación de varias especies mineralógicas en el sistema. Los resultados indican que
las muestras obtenidas presentan un alto grado de cristalización a esta basicidad,
teniendo que las principales especies formadas son silicatos cálcicos (Ca2SiO4, CaSiO3
y Ca3SiO5), Cr2O3 libre y el espinel MgO•Cr2O3 En este trabajo se ha determinado que
el Cr2O3 llega a ser más estable que las especies MgO•Cr2O3 ó CrO cuando la
basicidad de la escoria se incrementa, lo cual concuerda con los resultados obtenidos
por Tanahashi. Además se encontró el compuesto ternario Ca3Mg(SiO4)2 (merwinita) a
altos contenidos de MgO. El espinel CaO•Cr2O3 no fue detectado por difracción de
rayos X, es posible haya un empalme de picos de la fase espinel y éstos correspondan
a la fase (Ca, Mg)O•Cr2O3, así también se encontraron pequeños picos de SiO2, CaO y
CrO libres.
16
20 40 60 80
Inte
nsity
(a.u
)
2θ (Kα Cu ,degree)
12% MgO
9% MgO
6% MgO
CrOCaSiO3
SiO2
Cr2O3
CrOCaO
Ca2SiO4
CaSiO3
3% MgO
0% MgO
SiO2
Ca2SiO4
MgOCr2O3
MgOCr2O3
Figura 5.- Difractogramas obtenidos a una basicidad de 1.
20 40 60 80
Ca2SiO4
Ca2SiO
4
Ca2SiO
4
MgOCr2O3CrO
MgOCr2O3CrO
CaSiO3
MgOCr2O3
SiO2
CrO
2θ (Kα Cu ,degree)
Ca3SiO5
Cr2O
3
9% MgOCaSiO3
Cr2O
3
12% MgO
6% MgO
3% MgO
Inte
nsity
(a.u
)
Ca2SiO
4
MgOCr2O3
Ca3Mg(SiO4)2
Cr2O
3
CrOCaO
CaO
CaO
Cr2O
3
CaO
Cr2O
3
CrO0% MgO
Figura 6.- Difractogramas obtenidos a una basicidad de 1.5.
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Resultados de Microanálisis
Se realizaron algunos experimentos para identificar la estructura cristalina y la
composición de las especies mediante el microscopio electrónico de barrido (MEB) con
la técnica de mapeo composicional, y así validar los resultados obtenidos
termodinámicamente y por R-X. En estas pruebas el contenido % masa de MgO fue de
9 y 10 de Cr2O3 y la relación de basicidad (CaO+MgO)/SiO2) fue de 1.5. Después de
lograr el equilibrio a 1600°C la escoria se enfrió lentamente dentro del mismo horno
para promover la formación de las estructuras cristalinas bien definidas.
Las muestras se colocaron sobre cinta de grafito y fueron evaporadas con Au-Pd
con el fin de hacerlas conductoras. La figura 7 muestra una fotografía obtenida por MEB
en la cual se observa claramente la formación de tres tipos de estructuras cristalinas:
(A) Octaedros, los cuales corresponden al sistema cristalino isométrico, con un tamaño
de 5 a 20µm, (B) Masas fibrosas de cristales alargados los cuales pertenecen a un
sistema cristalino triclínico y (C) Masa en forma de granos sin una estructura
aparentemente bien definida.
B
C
B
C
Figura 7.- Micrografía por MEB para una escoria constituida por 9%MgO, 10% Cr2O3 y
una basicidad de 1.5
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Se realizó el mapeo composicional mediante el sistema EDS para los elementos Ca, Cr,
Mg y Si. Los cristales octaédricos (A) de la figura 5 presentan una alta concentración de
Cr, Mg y Ca , lo cual hace pensar que éstos corresponden al espinel del tipo (Ca,
Mg)O•Cr2O3, además se ha reportado que la cristalización de la magnesiochromita es
en forma de cubos y octaedros, tal y como fueron encontrados en esta muestra. El
mapeo correspondiente para la zona (B) contiene principalmente calcio y silicio y
probablemente algunos silicatos cálcicos como Ca2SiO4 y CaSiO3. Finalmente, la zona
C presenta calcio y silicio como principales elementos y pequeñas cantidades de
magnesio y cromo, por lo cual se considera que corresponde a silicatos cálcicos con
algunas impurezas de Mg y Cr que no se cristalizaron completamente.
La muestra también fue analizada por (EDS) para estimar la concentración de los
elementos en cada tipo de cristal. La figura 8 muestra el espectro y la composición de
las fases mediante un análisis semi cuantitativo para los cristales catalogados como (A),
(B) y (C). De estos resultados se puede determinar que los octaedros están compuestos
por una alta concentración de Mg, Ca, Cr y O, lo cuales muy probablemente sean de un
espinel (Ca, Mg)O•Cr2O3. Los cristales alargados se componen por Ca, Si y O, en este
caso las especies serían Ca2SiO4 y CaSiO3.
Los resultados por MEB confirman los resultados obtenidos por R-X así como los
obtenidos termodinámicamente los cuales muestran la existencia de las fases
MgO•Cr2O3, Ca2SiO4 y CaSiO3. Por lo cual se concluye que las escorias con base MgO
para la producción de aceros inoxidables pueden ser usadas para ligar al cromo
remanente en la escoria dentro de una fase tipo espinel con lo que se espera disminuya
la lixiviación de cromo, sin embargo es necesario realizar estudios sobre el
comportamiento de este tipo de escorias en el medio ambiente para determinar el
efecto del cromo sobre la contaminación.
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Elemento A (wt%) B (wt%) C (wt%)Mg 16.69 0.7 3.77Cr 63.98 0.61 3.24Ca 2.1 59.87 39.47Si 0 18.34 23.79O 17.23 20.47 29.74
Elemento A (wt%) B (wt%) C (wt%)Mg 16.69 0.7 3.77Cr 63.98 0.61 3.24Ca 2.1 59.87 39.47Si 0 18.34 23.79O 17.23 20.47 29.74
Figura 8.- Espectro por EDS de las fases cristalinas (A) Octaedros, (B) Cristales
alargados, (C) Granos masivos
Análisis de Resultados. META No. 5 Se realizó un estudio termodinámico para el sistema de escoria SiO2-CaO-Cr2O3 con
MgO y con Al2O3 a 1600°C para analizar el efecto del contenido del MgO, el Cr2O3 y la
basicidad sobre la estabilidad de las especies mineralógicas. Los resultados
experimentales y calculados muestran que el Cr2O3 está ligado principalmente dentro
de una fase espinel del tipo MO•Cr2O3 (donde M = Mg y Ca) incluso a bajos contenidos
de Mg en la escoria y a basicidades de 0.5 a 2.
Los resultados de MEB – EDS muestran la presencia de tres tipos de estructuras
cristalinas. (A) Octaedros , los cuales corresponden al espinel (Ca, Mg)O•Cr2O3, (B)
Cristales alargados los cuales son silicatos calcicos y (C) Granos masivos compuestos
por silicatos cálcicos con impurezas de Mg y Cr que no cristalizaron completamente.
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5. IMPACTO
En los procesos para la obtención de aceros inoxidables es necesaria la disminución de
las escorias con contenidos de cromo, en particular el Cr6+, debido al impacto ambiental
que causa por tener la propiedad de lixiviarse con las aguas de lluvia pasando sin
problemas a los mantos acuíferos ocasionando graves riesgos de salud. Además la
reducción de este elemento reduce los costos de producción, pues es el elemento
principal para la producción de este tipo de acero.
Una etapa importante consistió de un análisis termodinámico el cual fue realizado con el
paquete comercial FACT (Facility for the Analysis of Chemical Thermodynamics). Este
software cuenta con bases de datos de substancias puras y de sistemas en solución
por lo que es posible efectuar análisis de sistemas complejos como los que se
presentan en los procesos de producción de acero. El estudio termodinámico permitió
relacionar la reducción de níquel con los parámetros de operación, tales como
temperatura y composición de la escoria.
En el presente trabajo se realizó un estudio termodinámico para el sistema de escoria
SiO2-CaO-Cr2O3 con MgO y con Al2O3 a 1600°C para analizar el efecto del contenido
de MgO, Al2O3 y el Cr2O3 y la basicidad sobre la estabilidad de las especies
mineralógicas. Los resultados experimentales y calculados muestran que el Cr2O3 está
ligado principalmente dentro de una fase espinel del tipo MO•Cr2O3 (donde M = Mg y
Ca) incluso a bajos contenidos de Mg en la escoria y a basicidades de 0.5 a 2.
Los resultados de lixiviación indican que al utilizar MgO o Al2O3 en las escorias se logra
retener al cromo en compuestos complejos. De esta manera, el agua de las lluvias no
disolverá al cromo contenido en estos materiales por lo que se reduce notablemente su
toxicidad y agresividad hacia el medio ambiente.
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