Escoria

Es un subproducto de la producción de arrabio en un alto horno , donde corresponde a la ganga estéril del mineral de hierro combinada con las cenizas del coque . ^{[ 7 ]} La cantidad de escoria producida se correlaciona directamente con la riqueza del mineral de hierro utilizado. ^{[ 8 ]} Para un alto horno moderno que opera con minerales ricos en hierro, una proporción típica es de 180 a 350 kilogramos (400 a 770 lb) de escoria por cada tonelada (1,1 toneladas) de arrabio. Son posibles valores extremos: 100 kilogramos por tonelada (220 lb/tonelada larga) para un alto horno que utiliza carbón vegetal , o 1300 kilogramos por tonelada (2900 lb/tonelada larga) para minerales pobres y combustible barato. ^{[ 7 ]}   

Para el fabricante de acero, la escoria del alto horno permite controlar la composición del arrabio (en particular, eliminando el azufre , un elemento indeseable, así como los álcalis , que interrumpen el funcionamiento del horno) ^{[ 9 ].}

Los siderúrgicos experimentados pueden estimar la composición y las propiedades aproximadas de la escoria fundida. A menudo, basta con una simple "prueba del gancho", en la que se sumerge un gancho de hierro en la escoria fundida. Si la escoria se adhiere al gancho en pequeñas gotas (escoria corta): es fluida y básica, con un índice de basicidad i , definido por la relación de peso CaO / SiO₂ mayor que 1. Si la escoria fluye del gancho en hilos largos (escoria larga): es viscosa y ácida, con una relacióni= CaO /SiO₂ < 1. ^{[ 10 ]}

Sin embargo, mientras que una escoria básica elimina el azufre ácido ( SO₂ oH₂ Sdependiendo de las condiciones redox del sistema),los álcalissolo se eliminan del alto horno con una escoria ácida. Por lo tanto, la composición de la escoria presenta un compromiso adicional: el dilema al que se enfrenta el operador del alto horno a veces se resuelve aceptando un contenido de azufre relativamente alto en el arrabio [...], o reemplazando, a basicidad constante, la cal (CaO) en la escoria conmagnesia(MgO), una condición más favorable para la eliminación de álcalis y el control del desgaste refractario. ^{[ 7 ]}

Sin embargo, desde una perspectiva térmica, la escoria es un material estéril para fundir, incluso si su entalpía de fusión , alrededor de 1800 megajulios por tonelada (510 kWh/tonelada larga) de escoria, representa solo el 3,5 % del balance energético del alto horno, su valor, aunque no despreciable, es mucho menos significativo que el del arrabio. Los minerales de hierro pobres, como el mineral de mineta , que aumentan el consumo de coque en el alto horno, se han abandonado porque la cantidad de material a calentar es mayor. De hecho, incluso para un alto horno que utiliza minerales ricos en hierro, el volumen de escoria es igual al del arrabio producido (debido a las diferencias de densidad), ^{[ 11 ]} el precio de venta de la escoria granulada contribuye menos del 5 % al costo de producción del arrabio. ^{[ 12 ]} 

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  Escoria fundida fluyendo hacia una planta de peletización.
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  Escoria granulada (o vitrificada) de alto horno
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  Muestra de escoria granulada
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  Bloque de escoria cristalizada utilizado como relleno

El término escoria se utiliza para referirse a la costra que se forma en el baño de soldadura al usar un fundente ( recubrimiento del electrodo , polvo o gránulos ). Protege el baño del oxígeno atmosférico y lo aísla térmicamente. También contribuye a la composición química del baño de soldadura , añadiendo o eliminando elementos (por ejemplo, eliminando azufre ).

En la soldadura por arco metálico protegido , el revestimiento, al fundirse, crea la escoria.

Los electrodos se distinguen por su recubrimiento: básico (rico en cal ), que es difícil de usar pero garantiza una excelente resistencia mecánica, o ácido (rico en sílice ), que es más fácil de usar.

Las escorias ferrosas se producen en diferentes etapas de los procesos de fabricación de hierro y acero, lo que da lugar a propiedades fisicoquímicas variables. Además, la velocidad de enfriamiento del material de escoria afecta a su grado de cristalinidad , diversificando aún más su gama de propiedades. Por ejemplo, las escorias de alto horno enfriadas lentamente (o escorias enfriadas al aire) tienden a tener más fases cristalinas que las escorias de alto horno templadas ( escorias granuladas de alto horno molidas ), lo que las hace más densas y más adecuadas como agregado. También pueden tener un mayor contenido de óxido de calcio y óxido de magnesio libres, que a menudo se convierten a sus formas hidratadas si no se desean expansiones de volumen excesivas. Por otro lado, las escorias de alto horno templadas en agua tienen mayores fases amorfas, lo que les confiere propiedades hidráulicas latentes (como descubrió Emil Langen en 1862) similares a las del cemento Portland . ^{[ 22 ]}

Durante el proceso de fundición del hierro, se genera escoria ferrosa, compuesta principalmente de calcio y silicio. Mediante este proceso, la escoria ferrosa se puede dividir en escoria de alto horno (producida a partir de óxidos de hierro del hierro fundido) y escoria de acero (que se forma al combinar chatarra de acero con hierro fundido). Las fases principales de la escoria ferrosa contienen silicatos del grupo de la olivina ricos en calcio y silicatos del grupo de la melilita .

La escoria de las acerías en la fundición de metales ferrosos está diseñada para minimizar la pérdida de hierro, lo que produce una cantidad significativa de este metal, 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 concentraciones más bajas de diversos 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 superan las directrices ambientales. ^{[ 1 ]}

La escoria no ferrosa se produce a partir de metales no ferrosos de menas naturales. La escoria no ferrosa se puede clasificar en escorias de cobre, plomo y zinc según la composición de las menas, y tiene un mayor potencial de impacto ambiental negativo que la escoria ferrosa. La fundición de cobre, plomo y bauxita en la fundición de metales no ferrosos, por ejemplo, está diseñada para eliminar el hierro y la sílice que suelen estar presentes en estas menas, separándolas como escorias a base de silicatos de hierro. ^{[ 1 ]}

Se estudió la escoria de cobre, 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 embalse de agua potable y para riego . Las muestras recolectadas del embalse mostraron una concentración elevada de cadmio (Cd) y plomo (Pb) que superaba los límites reglamentarios. ^{[ 1 ]}

Durante la Edad del Bronce en la región mediterránea , se empleaban numerosos procesos metalúrgicos diferenciales. Un subproducto de estos procesos era un material vítreo y colorido que se encontraba en la superficie de la escoria de las antiguas fundiciones de cobre. Era principalmente azul o verde y antiguamente se extraía y fundía para fabricar objetos de vidrio y joyería. También se molía hasta convertirlo en polvo para añadirlo a los esmaltes utilizados en la cerámica. Algunos de los primeros usos de estos subproductos de la escoria se han encontrado en el antiguo Egipto . ^{[ 24 ]}

Históricamente, la refundición de la escoria de mineral de hierro era una práctica común, ya que las técnicas de fundición mejoradas permitieron obtener mayores rendimientos de hierro, en algunos casos incluso superiores a los obtenidos 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.