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UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL NORTE FACULTAD DE INGENIERÍA Y CIENCIAS GEOLÓGICAS Departamento de Ingeniería Metalúrgica y Minas CARACTERÍSTICAS Y UTILIZACIÓN DE ESCORIAS DEL PROCESO DE FUNDICIÓN. Seminario para optar al título de Ingeniero de Ejecución Metalúrgico GONZALO ANDRÉS ESPARZA FERNÁNDEZ ANDRÉS GABRIEL GONZÁLEZ LÓPEZ
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UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL NORTE
FACULTAD DE INGENIERÍA Y CIENCIAS GEOLÓGICAS
Departamento de Ingeniería Metalúrgica y Minas
CARACTERÍSTICAS Y UTILIZACIÓN DE ESCORIAS DEL PROCESO DE
FUNDICIÓN.
Seminario para optar al título de Ingeniero de Ejecución Metalúrgico
GONZALO ANDRÉS ESPARZA FERNÁNDEZ
ANDRÉS GABRIEL GONZÁLEZ LÓPEZ
Profesor Guía: Ing. Civil Metalúrgico Sra. María Hilda Flores Medel
Antofagasta, Chile
2014
TABLA DE CONTENIDOS
CONTENIDOSRESUMEN..................................................................................................................VIII
INTRODUCCIÓN............................................................................................................1
CAPÍTULO I. PROCESO DE FUNDICIÓN DE COBRE..........................................3
1. Fundición de Cobre..................................................................................................3
1.1. Mata y Escoria...................................................................................................4
1.1.1. Mata.............................................................................................................4
1.1.2. Escoria.........................................................................................................5
1.2. Proceso de conversión.......................................................................................5
1.3. Etapa de refinación y moldeo de ánodos.........................................................6
CAPÍTULO II. FUNDICIONES PRIMARIAS CHILENAS.......................................9
2. Descripción de las fundiciones primarias Chilenas...............................................9
2.1. Fundiciones en Chile.........................................................................................9
2.1.1. Chuquicamata, Codelco. Chile..................................................................9
2.1.2. Potrerillos, Codelco. Chile.......................................................................10
2.1.3. Caletones, Codelco. Chile........................................................................11
2.1.4. Ventanas, Codelco. Chile.........................................................................12
2.1.5. Hernán Videla (Paipote) – Empresa Nacional de Minería (ENAMI). 13
2.1.6. Fundición Altonorte.................................................................................13
2.1.7. Chagres, Anglo American Chile Ltda....................................................14
CAPÍTULO III. TRATAMIENTOS DE ESCORIAS................................................17
3. Tratamientos de escorias.......................................................................................17
3.1. Tratamiento de escoria en horno tipo Teniente............................................17
3.2. Tratamiento de escoria en Horno Eléctrico..................................................18
3.3. Tratamiento de escoria por Flotación............................................................18
CAPÍTULO IV. CARACTERÍSTICAS DE ESCORIAS...........................................21
4. Escorias...................................................................................................................21
4.1. Escoria de Cobre..............................................................................................21
4.1.1. Acidez y Basicidad....................................................................................21
4.1.2. Propiedades físicas...................................................................................22
4.1.3. Viscosidad.................................................................................................24
4.1.4. Densidad y tensiones interfaciales..........................................................25
4.1.5. Propiedades químicas..............................................................................25
4.1.6. Caracterización escoria de cobre............................................................26
4.1.7. Pérdidas de cobre en la escoria...............................................................27
4.1.8. Cobre atrapado mecánicamente en las escorias....................................28
4.1.9. Escorias de convertidor...........................................................................29
4.1.10. Composición química de escorias de Fundiciones Chilenas.............29
4.2. Escoria de Alto Horno.....................................................................................30
4.2.1. Características y propiedades de escorias de Alto Horno....................31
4.2.2. Propiedades físicas...................................................................................32
4.2.3. Propiedades químicas..............................................................................33
4.2.4. Propiedades mecánicas............................................................................33
4.3. Pre-tratamiento de la escoria de Alto Horno, Acerías.................................34
4.3.1. Escoria cristalizada..................................................................................34
4.3.2. Escoria vitrificada (granulada o peletizada)..........................................34
4.3.3. Escoria expandida....................................................................................35
CAPÍTULO V. NORMAS MEDIOAMBIENTALES CHILENAS...........................36
5. CONAMA...............................................................................................................36
5.1. Comisión Nacional del Medio Ambiente.......................................................36
5.2. Ley 19300, bases generales del Medio Ambiente..........................................36
5.3. Reglamento sanitario sobre manejo de residuos peligrosos. Decreto 148.. 40
5.4. Disposiciones generales...................................................................................41
5.5. Operaciones de reuso y/o reciclaje.................................................................44
CAPÍTULO VI. UTILIZACIÓN DE ESCORIAS EN OTROS PROCESOS INDUSTRIALES............................................................................................................45
6. Escorias en otros procesos productivos................................................................45
6.1. Utilización de escorias en cementos y concreto.............................................45
6.1.1. Antecedentes Históricos...........................................................................45
6.1.2. Cemento Pórtland....................................................................................46
6.1.3. Escorias, material alternativo.................................................................47
6.1.4. Influencia de la escoria en las características de los cementos.............48
6.1.5. Alternativa de incorporar la escoria al proceso....................................49
6.1.6. Características generales de los cementos con escoria..........................50
6.2. Escorias en explanadas, bases y sub-bases de carreteras.............................54
6.2.1. Aspectos medioambientales.....................................................................54
6.2.2. Aspectos técnicos......................................................................................55
6.3. Usos Alternativos Para la Escoria de Fundición...........................................57
6.3.1. Estudios en Chile......................................................................................59
6.4. Cemento siderúrgico en Chile........................................................................60
6.4.1. Propiedades...............................................................................................60
6.4.2. Aplicación..................................................................................................61
CONCLUSIONES..........................................................................................................62
GLOSARIO....................................................................................................................64
BIBLIOGRAFÍA............................................................................................................66
ANEXOS.........................................................................................................................68
Anexo N°1. Granulación y escoria granulada de alto horno..................................68
Anexo N°2. Obras realizadas con cementos de escoria como materia prima.......69
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Composición y estructura de escorias silicatadas.........................................22
Tabla 2. Propiedades de Mata y Escoria......................................................................23
Tabla 3. Propiedades de escoria de Fusión..................................................................24
Tabla 4. Efecto de CaO y Al2O3 en la separación de fases a 1200 ºC.......................27
Tabla 5. Parámetros que afectan al escorificado durante la fusión del cobre..........28
Tabla 6. Composición química de escorias de cobre Chilenas...................................30
Tabla 7. Composición química de la escoria de Alto horno.......................................31
Tabla 8. Propiedades físicas de las escorias de Alto horno.........................................32
Tabla 9. Clasificación cemento Pórtland......................................................................47
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura N°1: Procesos piro-metalúrgicos de extracción del cobre................................8
Figura Nº2. Diagrama FeO-FeS-SiO2 e inmiscibilidad a 1200 ºC. ............................26
Figura N°3: Principales productos obtenidos a partir de escoria para el área de la construcción................................................................................................................58
Figura N°4. Granulación de escoria.............................................................................68
Figura N°5. Escoria granulada.....................................................................................68
Figura N°6. Dique de Mónaco. Fase final del proceso de construcción...................69
Figura N°7. Adriatic LNG Terminal. Fase de montaje de las instalaciones.............70
Figura N°8. Puente de “La Pepa”: Construcción de las pilas....................................71
NOMENCLATURA
CT Convertidor Teniente.
CPS Convertidores Peirce-Smith.
HLE Hornos de Limpieza de Escoria.
a/c Relación Agua / Cemento.
SR Sulfato Resistente.
MR Mar Resistente.
IGE Indice Granulométrico de Envejecimiento.
UNESID Unión de Empresas Siderúrgicas.
CONAMA Corporación Nacional del Medio Ambiente.
SEIA Servicio de Evaluación Ambiental.
RESUMEN
Las escorias productos de las fundiciones del cobre se van acumulando año a
año, con aproximadamente 2,2 toneladas de escoria por tonelada de cobre blíster
producido, por ende es necesario tener un control de este residuo minero. Por ello se
investigó sobre las vías para reciclarlas y no solamente depositarlas en botaderos.
El estudio comienza con la recopilación de información sobre el proceso de
fusión de concentrado de cobre y hierro, para ello se realizó un resumen de cómo
funciona cada paso en el proceso de fundición y además se describen las fundiciones
primarias en Chile. Un punto importante en el reciclado de los residuos de las
fundiciones es saber las composiciones de las escorias a ser utilizadas para reciclarlas, es
por ello que se estudian las características de las escorias de las fundiciones. Se
presentan también las normativas que rigen a las grandes mineras sobre la depositación
de residuos industriales. Finalizando con la investigación se presentan los diferentes
usos en otros procesos industriales que se les da a las escorias.
Se ha logrado establecer que es posible derivar la escoria de fundición a otro
proceso industrial, y la principal vía que se está implementando es derivar la escoria a la
industria cementera. También se afirma que hoy en día el reciclaje es de real
importancia, y la demanda de cemento Portland se incrementa conforme aumenta la
población mundial. Los altos requerimientos energéticos y las fuertes emisiones de
contaminantes asociados a las industrias cementeras, hacen de los residuos de las
fundiciones una buena opción para ayudar al medio ambiente y de paso favorecer la
economía, utilizando dichas escorias como materias primas.
INTRODUCCIÓN
Las políticas medio ambientales del Estado de Chile están promoviendo los
conceptos de reducción, reciclaje y reutilización de los residuos industriales, dentro de
los cuales encontramos las escorias de la industria del cobre y hierro. Debido a estas
nuevas regulaciones ambientales han visto las problemáticas como desafíos para generar
nuevos recursos.
En las fundiciones de concentrados de cobre u otros minerales tales como hierro,
las escorias están compuestas por elementos que no tienen valores económicos, pero
también por pequeños porcentajes de metales valiosos, que son arrastrados por dichas
escorias y posteriormente son recuperados por diferentes procesos, tales como:
- Tratamientos de escorias en hornos tipos Tenientes.
- Tratamientos de escorias en hornos tipo Eléctricos.
- Tratamientos de escorias por Flotación.
Los materiales inservibles son simplemente desechados y dejados en botaderos
acumulándolos año tras año. Este acumulamiento a lo largo del tiempo se ha vuelto un
problema medio ambiental ya que muchos de estos residuos contienen compuestos
peligrosos para la salud y el medio en que vivimos. El reciclaje es un proceso cuyo
principal objetivo es convertir desechos en nuevos productos, reduciendo así el consumo
de nuevas materias primas y uso de energía. El aire es uno de los principales
beneficiados, ya que se reduce la contaminación. En cuanto a las escorias existen
alternativas cuyas propiedades son aprovechadas para elaborar materiales de
construcción tales como cemento y algunos áridos.
En la presente investigación se aborda principalmente el tema de las escorias y
sus propiedades para determinar el fin que se les pueda dar y no ser desechadas y
acumuladas. También el estudio entrega algunos de los usos que hoy en día se le da a las
escorias.
El objetivo principal es argumentar la reutilización de escorias del proceso de
fundición en otros sistemas productivos.
1
Los objetivos específicos son:
- Determinar las características de las escorias producidas en los procesos de
fundición.
- Recopilar información bibliográfica de la utilización de escorias del proceso
de fundición en otros procesos productivos en nuestro país.
Se espera colaborar con el medioambiente, pero principalmente aprovechar los
desechos de los procesos de fundición como materias primas para otros procesos
productivos industriales, argumentando y demostrando que es posible ayudar al
medioambiente y de paso contribuir al desarrollo de nuevas vías de sustentabilidad
económica para las grandes y medianas empresas.
2
CAPÍTULO I. PROCESO DE FUNDICIÓN DE COBRE.
1. Fundición de Cobre.
Conceptualmente, una fundición de concentrados de cobre es aquella cuya
alimentación está constituida exclusivamente por concentrados de cobre, oro y/o plata
provenientes de una planta de beneficio de minerales.
Los materiales circulantes (carga fría, ripios, rechazos) desechos de ánodos y
rechazos de cátodos provenientes de las refinerías electrolíticas integradas, constituyen
materiales de recirculación interna del complejo de fundición - refinería. La única vía
externa de ingreso de cobre al proceso es el contenido en el concentrado. (Comisión
Chilena del Cobre, Abril 2004).
El proceso de fundición consiste en la fusión de concentrado a temperatura del orden
de 1.150 – 1.250 °C para producir dos fases líquidas inmiscibles: escoria (óxido) y eje o
mata rica en cobre (sulfuro). El producto principal del proceso de fusión es un eje o mata
de Cu2S - FeS (50 – 70% Cu), que pasa al proceso de conversión para la producción de
cobre blíster. La escoria de fusión se envía a una etapa de limpieza para recuperar la
mayor parte de cobre que contiene. (Comisión Chilena del Cobre, Abril 2004).
El beneficio de minerales de cobre produce concentrados que consisten
principalmente de minerales de sulfuros, con pequeñas cantidades de óxidos y de ganga
(A12O3, CaO, MgO, SiO2). Teóricamente, este material podría hacerse reaccionar
directamente para producir Cu metálico por oxidación de los sulfuros, según reacciones
(1), (2), (3).
CuFeS2+52O2→Cu
°+FeO+2SO2 (1)
Cu2S+O2→2Cu+2SO2 (2)
FeS2+52O2→FeO+2SO2 (3)
3
Estas reacciones son exotérmicas, lo que significa que generan calor. Como
resultado, la fundición de concentrados de cobre debe generar cobre fundido y una
escoria fundida que contiene las impurezas, principalmente óxidos tales como: FeO,
Fe3O4, entre otros y fundentes, SiO2 principalmente que no son de valor económico. Sin
embargo, bajo condiciones oxidantes, como la inyección de exceso de oxígeno al
proceso, el Cu tiende a formar óxido de Cu, según reacción (4).
Cu2S+32O2→Cu2O+2SO2 (4)
1.1. Mata y Escoria.
1.1.1. Mata.
El propósito principal de la fundición a mata, es convertir los minerales sulfurados
presentes en los concentrados de cobre, en tres productos: mata fundida, escoria fundida
y gas residual. Al proceso es inyectado O2 como aire enriquecido, la reacción principal
(5) toma la forma:
CuFeS2+O2→Cu−Fe−S (mata)+FeO+SO2 (5)
La estequiometria varía, dependiendo de los niveles de calcopirita y otros minerales
de sulfuro de Cu-Fe en el concentrado y en el grado de oxidación del Fe.
El uso de demasiado oxígeno al proceso de fusión estimula la oxidación de Cu a
Cu2O, como se indica en la reacción (4).
El óxido de Cu generado por esta reacción (4) se disuelve en la escoria, lo que es
indeseable. Como resultado, la adición de la cantidad correcta de O2 necesario para
4
producir un grado de la mata aceptable sin generar una escoria demasiado alta en Cu es
una parte clave de la estrategia de fundición. (Biswas y Davenport, 2002).
1.1.2. Escoria.
La escoria es una solución de óxidos fundidos. Los óxidos que se encuentran
comúnmente en las escorias son: óxido ferroso (FeO), óxido férrico (Fe2O3), sílice
(SiO2), alúmina (A1203), óxido de calcio (CaO) y magnesio (MgO).
1.2. Proceso de conversión.
En esta etapa el objetivo principalmente es eliminar el Fe y S y otras impurezas
mediante un proceso de oxidación. Mediante el proceso de conversión se tratan los
productos obtenidos en la fusión, para obtener cobre de alta pureza. Para esto se utilizan
hornos convertidores convencionales llamados Peirce-Smith, en honor a sus creadores.
El convertidor Peirce-Smith consiste en un reactor cilíndrico de 4,5 m de diámetro por
11 m de largo, aproximadamente, donde se procesan separadamente el eje proveniente
del horno de reverbero y el metal blanco proveniente del convertidor Teniente.
Este es un proceso cerrado, es decir, una misma carga es tratada y llevada hasta el
final, sin recarga de material. Finalmente se obtiene cobre blíster, cobre producido a
partir de la fusión de la mata o eje en los hornos convertidores con una pureza de 99,5%.
Este cobre es llevado a los hornos de refino y de moldeo desde donde se obtiene el cobre
anódico que va al proceso de electro-refinación. Su nombre proviene del aspecto que
tienen los productos moldeados en su superficie (blíster = ampolla). (Riquezas mineras
de Chile a nivel mundial, 2000).
En la actualidad se utiliza la tecnología del Convertidor Teniente que ha sido
aplicada exitosamente en Chile, donde fue desarrollada, desde 1977. El proceso de
fusión conversión en el Convertidor Teniente está basado en los fenómenos físico-
químicos de inmiscibilidad en fase líquida.
5
El objetivo del proceso es producir Metal Blanco con un contenido de cobre entre 74
y 76%. Las reacciones de oxidación en el proceso de fusión-conversión se regulan
mediante la razón másica de la carga alimentada y el flujo de oxígeno inyectado al CT.
El calor generado en el CT se debe a las reacciones de oxidación que ocurren en él y
su velocidad de generación depende del flujo de oxígeno y de la ley del metal blanco. El
balance de calor se ajusta mediante la adición de los circulantes fríos generados en el
proceso de fundición, por el grado de enriquecimiento del aire de soplado y por el uso
del quemador sumergido.
La fusión-conversión en el CT se produce a temperaturas cercanas a los 1.240 ºC
mediante la inyección a presión de aire enriquecido al 35 – 36% en oxígeno. El CT
dispone de toberas de aire – oxígeno repartidas en varios paños y una tobera adicional de
inyección de concentrados, por cada paño.
El soplado continuo del baño fundido a través de las toberas, mediante la mezcla
gaseosa formada por aire comprimido de baja presión y oxígeno industrial, permite la
agitación del baño fundido y la oxidación parcial del sulfuro de hierro y del azufre
contenido en la carga. (Comisión Chilena del Cobre, Abril 2004).
1.3. Etapa de refinación y moldeo de ánodos.
El objetivo principal de la refinación a fuego es remover el azufre (del orden de 500
ppm) y el oxígeno (del orden de 5.000 ppm) del cobre blíster, a fin de evitar la
formación de ampollas durante la solidificación. Tradicionalmente, esto se realiza en dos
etapas:
- Oxidación: del azufre a SO2, mediante la adición de aire, hasta alcanzar valores de
10 – 30 ppm de azufre en el cobre.
-Reducción: eliminación del oxígeno disuelto en el cobre proveniente de la
conversión y de la anterior etapa de oxidación, hasta alcanzar valores del orden de
500 – 1.000 ppm. Esto se realiza introduciendo un reductor (madera en bruto no
6
impregnada con algún compuesto químico, hidrocarburo, carbón) para remover el
oxígeno como CO y H2O.
El refino a fuego se realiza principalmente en hornos rotatorios alcanzando éstos una
temperatura de operación del orden de 1.200 °C, lo que aporta el suficiente
sobrecalentamiento para la posterior etapa de moldeo de ánodos.
Las reacciones de la etapa de refinación producen muy poco calor, por lo que
para mantener la temperatura de los hornos es necesario utilizar algún combustible.
Una vez terminados los procesos de refinación se realiza el moldeo del producto
final en grandes ruedas de moldeo del tipo giratorio, donde también las temperaturas
fluctúan alrededor de los 1.200 °C. (Comisión Chilena del Cobre, Abril 2004).
7
El diagrama de flujo de una fundición se presenta en la figura N°1. Donde es
posible apreciar los diferentes procesos anteriormente descritos.
Figura N°1: Procesos piro-metalúrgicos de extracción del cobre (Archivo
personal, 2014).
8
CAPÍTULO II. FUNDICIONES PRIMARIAS CHILENAS.
2. Descripción de las fundiciones primarias Chilenas.
Chile cuenta con siete fundiciones alimentadas únicamente de concentrados de cobre
provenientes de plantas concentradoras, es por ello llamadas primarias. A continuación
se presenta las principales Fundiciones de concentrados de nuestro país.
2.1. Fundiciones en Chile.
2.1.1. Chuquicamata, Codelco. Chile.
La fundición de Chuquicamata tiene una capacidad instalada de procesamiento de
concentrados de 1,63 millones de toneladas anuales para producir del orden de 550 mil
toneladas de ánodos de cobre.
La fundición recibe concentrados (propios y externos), fundentes y materiales de
recirculación en tolvas y camas de almacenamiento, donde se preparan para los
requerimientos específicos de las diferentes unidades productivas. Desde el
almacenamiento el concentrado es llevado a las unidades de secado (2 secadores rota-
torios), donde entran con una humedad promedio de 8% y se descargan con 0,2%.
El concentrado seco se entrega, vía transporte neumático, a las unidades de fusión
que son: un horno Flash Outokumpu y un Convertidor Teniente (CT). Las características
más relevantes de los productos de los equipos de fusión son:
Horno Flash:
Eje (60 a 62% Cu).
Escorias (2 a 2,5% Cu).
Gases (18 a 20% SO2) a planta de ácido.
CT:
Metal Blanco (73 a 75% Cu).
Escorias (5 a 6% Cu; 18 a 20% Fe3O4).
Gases (8 a 10% SO2) a planta de ácido.
9
El Eje y el Metal Blanco se alimentan a los convertidores Peirce-Smith (CPS) para
su conversión a Blister. La fundición tiene 4 CPS, tres operativos y uno en stand by.
La escoria del horno Flash se trata en un horno piro-metalúrgico para recuperar parte
del cobre y luego va a botadero. La escoria del CT va a un horno eléctrico de limpieza
de escorias, donde se recupera el cobre atrapado, el que es retornado a los CPS.
(Comisión Chilena del Cobre, Abril 2004).
2.1.2. Potrerillos, Codelco. Chile.
La fundición Potrerillos de la División Salvador tiene una capacidad de
procesamiento de concentrados de 680.000 toneladas anuales, 32% de los cuales
provienen de su complejo mina-concentradora y el resto son concentrados externos.
Los concentrados se almacenan en tolvas en la Planta de Recepción y Mezcla, y
desde allí son enviados mediante una correa transportadora de tipo tubular a una tolva de
almacenamiento intermedio, desde donde se alimentan al secador de lecho fluidizado, el
que utiliza una mezcla de aire y gases de combustión de petróleo combustible como
medio de transferencia de calor.
En la etapa de fusión en el convertidor Teniente (CT) el concentrado seco (0,2%
humedad) se inyecta al baño fundido en forma sumergida a través de toberas y se insufla
aire enriquecido con oxígeno (35 – 37%). En el reactor los concentrados se funden en
forma autógena. A través del garr-gun se alimenta el fundente (sílice) y el material
circulante.
En el CT se generan tres flujos de material:
Metal Blanco líquido, con 72-75% de Cu, 5% Fe y 21% S.
Escoria líquida, con 8% Cu, 38% Fe y 26% SO2.
Gases con alto contenido de SO2.
10
La escoria líquida (1.220 – 1.250 °C) se extrae también en forma intermitente y se
transporta hasta los Hornos piro-metalúrgicos de Limpieza de Escoria. La escoria final,
con 0,9% Cu, se transporta a botadero para disposición final. (Comisión Chilena del
Cobre, Abril 2004).
2.1.3. Caletones, Codelco. Chile.
La fundición de Caletones de la División El Teniente de CODELCO-Chile posee
una capacidad instalada para procesar 1,25 millones de toneladas de concentrados de
cobre, siendo aproximadamente un 90% concentrado propio y un 10% externo,
proveniente de la División Andina de la misma empresa. Su producción de cobre blíster
es del orden de 365.000 toneladas anuales.
El concentrado se alimenta a la fundición con una humedad promedio de 8 – 9%, y
es sometido a una etapa de secado en 2 secadores de lecho fluidizado, de donde sale con
una humedad inferior al 0,2%.
El proceso de fusión se realiza en 2 CT y se inicia con la inyección de concentrado
seco, en forma neumática, por medio de toberas al baño fundido del reactor. Aquí se
aprovecha el calor generado por la reacción del oxígeno presente en el aire de soplado
con los sulfuros de hierro y cobre contenidos en el concentrado, que genera un eje de
alta ley o Metal Blanco de 74 a 76% de Cu, una escoria con 4 a 8% de Cu y 16 a 18% de
Fe3O4 y una corriente de gases con un 23 a 26% de SO2 en la boca del reactor,
concentración que depende principalmente del enriquecimiento en oxígeno del aire de
soplado.
Los gases del convertidor Teniente arrastran una cantidad de polvo que es
recuperado en los precipitadores electrostáticos y posteriormente enviados a la planta de
tratamiento de polvos, donde se recupera el cobre soluble por métodos hidro-
metalúrgicos y el material no soluble es retornado a la fundición mezclado con el
concentrado. Este retorno representa alrededor del 0,1% del concentrado alimentado a la
fundición.
11
Además de concentrado en el convertidor Teniente se alimentan otros materiales
internos de la fundición:
Carga fría, que es una mezcla de materiales proveniente del enfriamiento del
material líquido circulante en la fundición;
Ripios, material recirculante desde la planta de tratamiento de polvos mezclado
con el concentrado;
Líquidos internos recirculantes, metal de hornos de limpieza de escorias,
escorias de conversión y etapas de refinado.
La escoria generada en los convertidores Teniente se trata en 4 hornos piro-
metalúrgicos de limpieza de escorias. Los productos que se obtienen en estos hornos son
una escoria descartable con un contenido bajo en Cu (0,7 a 1,0%) y un metal blanco con
contenidos de 60 a 74% de Cu. (Comisión Chilena del Cobre, Abril 2004).
2.1.4. Ventanas, Codelco. Chile.
Las fundiciones de ENAMI tienen como misión fundamental prestar servicios de
fundición y refinación de cobre a productores de la pequeña, mediana y gran minería.
La fundición Ventanas tiene una capacidad instalada para procesar alrededor de
420.000 toneladas anuales de concentrados para producir 110.000 toneladas de ánodos
de cobre.
Los productos son una fase líquida rica en cobre, el Metal Blanco (75% Cu), que se
envía a los convertidores Peirce-Smith para continuar el proceso de conversión a blíster,
y una fase líquida pobre en cobre, la escoria (8% Cu), que se envía a un proceso de
limpieza en un horno eléctrico. La fase gaseosa rica en SO2 se lleva a la Planta de ácido
previo enfriamiento y limpieza.
En el proceso de conversión se sopla aire enriquecido en oxígeno (24%) a través de
toberas sumergidas en el baño del reactor. Los productos del proceso son una fase
líquida que es el blíster (98% Cu) que va al proceso de refino a fuego y una escoria que
se reprocesa en la fundición.
12
En el horno eléctrico de limpieza de escoria, que es del tipo de electrodos
sumergidos, se procesan las escorias provenientes del convertidor Teniente y se funden
gran parte de los circulantes que se producen en la fundición, como derrames de metal
blanco, costras y otros materiales. Los productos líquidos que se obtienen son un eje de
alta ley (70% Cu) que va a los CPS y una escoria de descarte que se lleva a botadero.
(Comisión Chilena del Cobre, Abril 2004).
2.1.5. Hernán Videla (Paipote) – Empresa Nacional de Minería (ENAMI).
La fundición Paipote tiene una capacidad de procesamiento de concentrados de
300.000 toneladas/año para producir sobre 90.000 toneladas de blíster y ánodos de
cobre.
El proceso de secado de concentrado, al igual que en Ventanas, se realiza en un
secador rotatorio, pero en este caso se usa como combustible petróleo Diésel.
Todo el proceso en la fundición Paipote es idéntico al de la fundición Ventanas, con
la única diferencia que en lugar de gas natural se usa petróleo Diésel como combustible
en el quemador sumergido del convertidor Teniente en la etapa de fusión y en el horno
basculante en la etapa de refino a fuego. Las escorias se envían directo a botaderos.
(Comisión Chilena del Cobre, Abril 2004).
2.1.6. Fundición Altonorte.
Esta fundición procesa 820.000 toneladas anuales para producir del orden de
290.000 toneladas/año de ánodos de cobre.
En el reactor continuo Noranda se produce la fusión de la carga alimentada,
generando un baño líquido a una temperatura entre 1.200 y 1.280 °C, de dos fases
líquidas inmiscibles entre sí, metal blanco y escoria. Las cargas frías y circulantes son
los materiales que se utilizan para el control de la temperatura del baño líquido del
reactor.
13
La escoria generada de una ley de entre (6% y 8 % de Cu), es descargada del reactor
de fusión a través de una placa de sangría instalada en el muro opuesto a la sangría de
metal blanco. Para recuperar el contenido de cobre, la escoria se trata posteriormente
mediante enfriamiento, molienda y concentración por flotación.
El metal blanco producido (con un contenido de entre 72% y 75 % de Cu) se extrae
del reactor a través de dos placas de sangrías, instaladas en la parte baja de la culata de
metal blanco y se transporta en ollas a los hornos convertidores tipo Peirce-Smith, para
continuar con el proceso de conversión, que involucra la oxidación del azufre remanente
con aire enriquecido con oxígeno insuflado a través de toberas sumergidas en el baño
líquido, para obtener como producto principal cobre blíster
La escoria producida por los convertidores Peirce-Smith se recircula e inyecta como
carga fría para ser procesada por el reactor de fusión en estado sólido. (Comisión
Chilena del Cobre, Abril 2004).
2.1.7. Chagres, Anglo American Chile Ltda.
La fundición Chagres tiene una capacidad instalada para procesar 480.000 toneladas
anuales de concentrados de cobre y producir entre 150.000 y 170.000 toneladas de
ánodos.
En la zona de preparación de la carga se hacen las mezclas adecuadas de
concentrado y sílice para ser procesadas en el horno Flash. El secado de concentrado y
fundente se efectúa en dos hornos secadores a vapor, reduciéndose la humedad del
concentrado desde 8% a 0,2% y la sílice de 2,5% también a 0,2%. La mezcla seca se
transporta neumáticamente hasta la tolva de almacenamiento y al sistema de dosificación
controlada para la alimentación al horno de fusión.
El reactor donde se realiza la fusión es un horno Flash de tecnología y diseño
Outokumpu, que consta de tres partes principales: la torre de reacción, el sedimentador y
la torre de salida de gases.
14
Una de las partes más importantes del horno Flash es el quemador de concentrado,
que va instalado en el centro del techo superior de la torre de reacción. Recibe
simultáneamente el flujo de carga seca y aire de proceso enriquecido con oxígeno. La
combustión se complementa con los quemadores de oxígeno petróleos instalados en la
misma torre. Las salidas de eje y escoria del sedimentador descargan en canaletas de
sangría de eje y escoria respectivamente.
Los gases salen del horno Flash a una temperatura de 1.400 °C y se enfrían en una
caldera hasta una temperatura entre 350 y 390 °C, para pasar luego al precipitador
electrostático.
El eje o mata del horno del horno flash y de los hornos de tratamientos de escorias
pasan al proceso de hornos de conversión en hornos Peirce-Smith, en donde se oxida la
mata líquida a altas temperaturas (1.150 – 1.250 °C) soplando aire a través del eje
fundido, utilizando sílice como fundente, lo que permite remover el azufre, hierro y otras
impurezas del eje.
Las materias primas que entran a los convertidores son: el eje o mata; fundente o
escorificante (cuarzo); carga fría; aire y oxígeno. La carga fría la constituyen en general
desechos internos de la fundición, tales como escoria del convertidor, cobre rechazado y
eje frío.
Los productos de la etapa de conversión son:
- Cobre Blíster (99% Cu)
- Escoria de convertidor (50% Fe, 25% SiO2), que además del hierro contiene
entre 3 y 5% de Cu, el que se recupera recirculando la escoria a los hornos de
tratamiento.
- Dióxido de azufre, cuya concentración en los gases del convertidor es del
orden de 5 – 8%.
Para la recuperación del cobre contenido en las escorias se utilizan hornos piro-
metalúrgicos de tratamiento. La operación de estos hornos es un proceso “batch” que
comprende básicamente 4 etapas: carga de la escoria al horno, reducción de la magnetita
contenida en la escoria alimentada, sedimentación de la mata o separación de las fases
15
metal escoria y extracción de la escoria final y mata de alta ley. Los productos obtenidos
son una escoria descartable con bajo contenido de cobre (0,7 – 1%) que va a botadero, y
una mata con alto contenido de cobre (50 – 70%), que es recirculada al proceso de
fundición en los convertidores Peirce-Smith. (Comisión Chilena del Cobre, Abril
2004).
16
CAPÍTULO III. TRATAMIENTOS DE ESCORIAS.
3. Tratamientos de escorias.
Esta etapa del proceso permite la recuperación del cobre contenido en las escorias de
alta ley (4 – 10% Cu) provenientes de los procesos de fusión y/o conversión. En Chile se
usan tres procesos para el tratamiento de las escorias: hornos tipo Teniente, hornos
eléctricos y planta de flotación de escorias.
3.1. Tratamiento de escoria en horno tipo Teniente.
El tratamiento de la escoria en horno tipo Teniente consiste en la reducción del
contenido de magnetita (Fe3O4) en la escoria por medio de un agente sólido, líquido o
gaseoso, de manera de cambiar sus características físicas y químicas. Una posterior
sedimentación de las partículas de mata atrapadas mecánicamente, permite generar una
escoria de descarte y una fase rica en cobre. Este proceso puede desarrollarse en
modalidad discontinua (“batch”) o semi-continua.
La operación de un horno de tratamiento de escoria comprende básicamente las
siguientes etapas:
A. Reducción: la reducción de la magnetita se traduce en una disminución de la
viscosidad de la escoria, lo que permite la separación de las fases contenidas.
Para que este proceso se lleve a cabo se necesita que el horno tenga una
temperatura superior a los 1.200 °C. Como las reacciones de reducción son
endotérmicas, para mantener la temperatura del baño se requiere del calor
generado por un quemador. El agente reductor está compuesto de carbono,
hidrógeno y algo de azufre.
B. Sedimentación: la escoria reducida se deja en reposo para permitir la
decantación de las partículas con contenido metálico. La separación de las fases
se produce debido a la mayor densidad de las gotas de sulfuro metálico respecto
17
de la escoria. Para mantener la temperatura del horno por sobre los 1.200 °C se
debe seguir proporcionando calor. El tiempo de sedimentación de la mata varía
entre 30 a 60 Minutos, pudiendo en algunos casos ser bastante más largos, ya sea
por la composición del concentrados que se está alimentando.
Los productos obtenidos después de la sedimentación son: una escoria descartable
con bajo contenido de cobre (0,7 – 1%) que es enviada a botadero, y una mata con alto
contenido de cobre (50 – 70%), que se recircula al proceso, usualmente a los
convertidores Peirce-Smith. (Comisión Chilena del Cobre, Abril 2004).
3.2. Tratamiento de escoria en Horno Eléctrico.
El horno eléctrico de limpieza de escoria (3.600 kW) es elíptico con tres o seis
electrodos de grafito en una o dos filas a lo largo del eje. Acepta mata y escoria del
horno de fundición y los separa en capas.
La mata sub-desborda continuamente desde del horno eléctrico hacia el horno de
conversión utilizando un sistema de sifón. La escoria se desborda continuamente a través
de un orificio de colada, es granulada con agua y posteriormente es vendida o
almacenada. Los tiempos de residencia en el horno son de 1 a 2 horas.
El propósito de los electrodos y la energía eléctrica es mantener la escoria y el
fluido calientes. El calor se obtiene por la resistencia al flujo de corriente eléctrica entre
los electrodos de grafito en la escoria alcanzando 1.250 °C.
Sólo una pequeña cantidad de gas de escape se genera en el horno eléctrico. Se
recoge del orificio de la campana de colada de escoria, y posteriormente son ventilados a
la atmosfera. (Biswas y Davenport, 2002).
3.3. Tratamiento de escoria por Flotación.
La flotación es un proceso físico-químico de separación de materiales finamente
divididos y dispersos en pulpas acuosas, mediante la levitación de partículas adheridas a
burbujas de aire. Esta separación se basa en las propiedades hidrofílicas (afinidad con el
18
agua) e hidrofóbicas (afinidad por el aire), de los diferentes materiales presentes en la
suspensión. Se puede efectuar la separación de varios componentes en dos grupos:
flotación colectiva donde el concentrado contiene cuando menos 2 o más componentes y
flotación selectiva donde se efectúa una separación de compuestos complejos en
productos que contengan no más de una especie individual. En el proceso de flotación
están presentes tres fases: sólidas, líquida y gaseosa. La fase sólida representa los
materiales a separar, la fase líquida es el medio por dichas separaciones y la fase gaseosa
generalmente es aire inyectado en la pulpa en forma neumática o mecánicamente para
poder formar las burbujas que son los centros sobre los cuales se adhieren las partículas
sólidas.
En la flotación los reactivos principales son:
- Colectores: proporcionan propiedades hidrofóbicas a las especies minerales.
- Espumantes: permiten la formación de una espuma estable, de tamaño de
burbuja apropiado.
- Modificadores: se utilizan para regular las condiciones de funcionamiento de
colectores y aumentan su selectividad.
Este proceso se aplica únicamente a partículas relativamente finas, ya que si son
demasiado grandes la adhesión entre la partícula y la burbuja será menor que el peso de
la partícula y por lo tanto la burbuja deja caer su carga. En la concentración por flotación
directa, el mineral normalmente es transferido a la espuma o fracción flotante, dejando la
ganga en la pulpa o colas.
La flotación ofrece más ventajas debido a que se producen menos pérdidas de
cobre, se genera menos masa de residuos y el consumo de energía es mucho menor. En
los hornos eléctricos se genera escoria la cual contiene de 0,3 a 1% de cobre, mientras
que en la operación de flotación se producen colas que contienen de 0,4 a 0,8% de cobre.
La recuperación por flotación de minerales sulfurosos contenidos en las escorias
generalmente se logra con colectores sulfhídrilos tipo xantatos, debido a que estos
19
colectores son muy eficientes para la separación de minerales sulfurosos. Estos
colectores tienen la limitante de que se deben usar en pulpas débilmente alcalinas, ya
que se descomponen en medio ácido, y a valores altos de pH los iones hidroxilo
desplazan a los iones xantatos de la superficie mineral. Estudios han demostrado que
utilizando xantato amílico de potasio como colector, se tiene una recuperación de 67 a
90% de cobre, obteniendo un concentrado de 5 a 15% de cobre y 0,20 a 0,50% de cobre
en las colas. En el caso del convertidor Teniente en Chile, se tienen resultados de
flotación utilizando colectores comerciales (SF323, SF203, Z-6) para la recuperación de
cobre de la escoria, obteniéndose 43,08% de cobre en el concentrado y 0,80% de cobre
en las colas a pH 8,3.
20
CAPÍTULO IV. CARACTERÍSTICAS DE ESCORIAS.
4. Escorias.
4.1. Escoria de Cobre.
La escoria es una fase que en los procesos piro-metalúrgicos de extracción de
cobre, se forma a partir de los óxidos contenidos en la carga y los óxidos producidos
durante la oxidación.
A través de la historia de la metalurgia la escoria ha sido normalmente
considerada como el desecho resultante de las operaciones de fusión y conversión. Sin
embargo, ya los primeros metalurgistas pudieron darse cuenta de algunas propiedades
químicas y físicas de estas escorias las cuales podían modificarse mediante la adición de
fundentes adecuados, específicos al proceso que se está llevando a cabo. Estas
modificaciones generalmente involucran la disminución de la temperatura a la cual esta
fase se hacía fluida, reduciendo la viscosidad de la escoria, y posiblemente modificando
las tensiones interfaciales entre la escoria y la fase metálica, para obtener finalmente una
apropiada separación entre ambas fases.
Sin embargo, sólo este último tiempo ha habido un conocimiento más acabado
del comportamiento de las escorias, de las reacciones escoria-metal y de la relación entre
sus propiedades, composición y temperatura de los óxidos líquidos, lo que ha permitido
poner en uso una tecnología más científica de control durante las operaciones piro-
metalúrgicas. (Mario Sánchez, Iván Imris; 2004).
4.1.1. Acidez y Basicidad.
Las escorias líquidas son iónicas. Están formadas por cationes Ca2+, Fe2+, Fe3+,
Mg2+ y aniones O2-, SiO44-. Las escorias de fusión se clasifican en tres grupos: ácidas,
básicas y neutras, de acuerdo al contenido de sílice, tal como se muestra en la Tabla Nº1,
(Ver Tabla Nº1). Las escorias básicas son de una estructura simple y relativamente
fluidas. Las escorias ácidas están compuestas de largos complejos aniónicos y tienen una
alta viscosidad. (Mario Sánchez, Iván Imris; 2004).
21
Tabla 1. Composición y estructura de escorias silicatadas. (Archivo personal, 2014).
Clasificación Escorias
Grado de Silicato
Ejemplo de Compuestos
Aniones Principale
s Composición Molecular
Básica <13FeoSiO2;
2FeoCaoSiO2
O2- y SiO4
4- SiO44-
Neutral 12CaOSiO2;
CaOFeOSiO2 SiO44-
Ácida >1
4CaO.3SiO2; 2CaO2FeO3Si
O2
Cadenas de aniones
silicatados Si3O10-8
4(CaOSiO2)
Anillos de aniones
silicatados Si4O12-8
3(CaO2SiO2)
Anillos de aniones
silicatados interconectados Si6O15
-6
En la mayoría de las escorias de fusión de cobre, los cationes se encuentran
bastantes diluidos y dispersos. Basándose en la teoría iónica de escorias resulta evidente
que pares catiónicos tales como Fe<3+> - Fe<3+>, Al<3+> - Al<3>, Cu<+>- Cu<+> no
son estables en la escoria debido a las fuertes repulsiones coulombianas entre átomos
idénticos. La teoría iónica requiere que las especies moleculares sean expresadas como
FeO, FeO1.5, NiO, ZnO, CuO0.5, KO0.5, AlO1.5, etc. La especie SiO2 se acepta debido a la
alta concentración de átomos de oxígeno y a la gran estabilidad del enlace O-O. Especies
moleculares tales como Fe2O3, Al2O3 o Cu2O puede considerarse sólo cuando los
constituyentes alcanzan valores superiores a 30-50%. (Mario Sánchez, Iván Imris;
2004).
4.1.2. Propiedades físicas.
El conocimiento de propiedades físicas tales como densidad, viscosidad,
conductividad térmica y eléctrica y capacidades calóricas tienen especial importancia en
la ingeniería de procesos y en el análisis de las velocidades de reacción, la cinética y
fenómenos de transporte.
22
Muchos cuestionamientos prácticos en la operación de fundición tienen gran
vinculación con las propiedades de las escorias. Basta citar las operaciones de sangrado,
los procedimientos de tapado de sangría, el traspaso de escoria de una olla a otra, muy
vinculadas a las propiedades de viscosidad (fluidez), conductividad calórica y rango de
temperatura de existencia de la fase líquida. Una escoria muy “delgada”, esto es, muy
baja en sílice, puede producir serios problemas durante el tapado de sangría. Por otro
lado, una escoria muy viscosa provocará otro tipo de problemas operacionales (mal
escurrimiento, mala dispersión de la fase gaseosa a través de ella).
La conductividad eléctrica de las escorias es determinantes en el funcionamiento
de los hornos eléctricos, y ello puede producir problemas en la elección de la escoria de
trabajo. Por ejemplo, la adición de cal, que contribuye a disminuir el cobre soluble en la
escoria, también disminuye su conductividad eléctrica, además de producir otra
distribución de las impurezas presentes por el efecto sobre la viscosidad. Algunas
propiedades típicas de las escorias y otros compuestos en la fusión de cobre se muestran
en la tabla siguiente. (Ver tabla Nº2). (Mario Sánchez, Iván Imris; 2004).
Tabla 2. Propiedades de Mata y Escoria. (Archivo personal, 2014)
MaterialPunto de
Fusión (ºC)Densidad de Líquido 1200
ºC (g/cm3)
Viscosidad 1200 ºC (poise)
Cu blíster 1.080 7,8 3.3Cu2S 1.130 5,2FeS 1.190 4,0Mata Cu2S-FeS30% Cu 1.050 4,150% Cu 1.000 4,6 1080% Cu (metal blanco) 1.130 5,2FeO 1.377Fe3O4 1.597 5,0 – 5,5 (sólido)SiO2 1.723 2,6 (sólido)Escoria de fusión Aprox. 1.150 3 – 3,7 -Escoria de convertidor Aprox. 1.150 3,2 – 3,6
23
A continuación se presenta tabla con propiedades de las escorias producidas en la
etapa de fusión. (Ver tabla Nº3).
Tabla 3. Propiedades de escoria de Fusión. (Archivo personal, 2014).
Escorias Densidad (g/cm3)Viscosidad 1.200 – 1.250 ºC
(poise)Escoria con> 33% SiO2 3,5 (+/-) 0,3 3,0 - 10< 32% SiO2 3,8 (+/-) 0,3 2,0 – 5,0Escoria de convertidor aprox. 3,8 1,0 – 3,0
Escorias anódicasDepende del contenido de
cobre < 1
4.1.3. Viscosidad.
Una escoria fayalítica, alta en sílice tiene mayor viscosidad que una escoria en la
cual la sílice ha sido diluida con óxidos metálicos, tales como FeO, Fe2O3 o CaO. La alta
viscosidad de la escoria rica en sílice es diluida a la presencia de estructuras poliméricas
tridimensionales de aniones silicatados. Esta estructura se rompe con la adición de
óxidos metálicos.
En el caso de escorias fayalíticas, la influencia de la temperatura es mayor para
altas concentraciones de sílice, debido a la despolimerización de los aniones silicatados.
La cromita, Cr2O3 aumenta la viscosidad de las escorias, mientras que el MnO la
disminuye. Por otro lado, la presencia de sólidos en la escoria, particularmente
magnética, también aumenta la viscosidad tanto al distribuirse como suspensión sólida
en los reactores de fusión, como al formar compuestos estables con cromita (Cr2O3).
Los resultados obtenidos por varios autores respecto a esta propiedad pueden
resumirse en los siguientes conceptos.
A. La adición de Al2O3 aumenta la viscosidad.
B. La adición de CaO o MgO decrece la viscosidad.
C. El reemplazo parcial de CaO por MgO provoca un decrecimiento en la
viscosidad.
24
D. La adición de FeO, o Fe2O3 reducen la viscosidad.
Finalmente estudios afirman que el óxido de hierro es el componente más
efectivo para reducir la viscosidad de las escorias. (Mario Sánchez, Iván Imris; 2004).
4.1.4. Densidad y tensiones interfaciales.
La densidad de las escorias ferrosilicatadas, obtenidas en las fundiciones de
cobre, decrece con el aumento del contenido de sílice, con la disminución de la
temperatura y con el aumento del nivel de óxidos básicos. La densidad de la fayalítica
pura es del orden de 2,7 g/cm3, a 1.200 ºC.
La densidad de sistemas Fe-S-O ha sido investigada por Kaiura y Togurl,
encontrándose con valores de 4,04 g/cm3 para un contenido de 31% atómico de oxígeno.
La información acerca de las tensiones interfaciales en los procesos metalúrgicos
a alta temperatura es muy escasa. Ello probablemente por dificultad para llevar a cabo
experiencias en este campo. Sin embargo, muchos efectos operacionales durante la
fusión, pueden ser explicados al entender los fenómenos interfaciales. Minto y
Davenport estiman que un 25 a 75% del total de cobre que se pierde en las escorias de
fusión ocurre por atrapamiento y una de las fuentes de esta pérdida mecánica serían las
gotas de sulfuro líquido que, rodeando las burbujas de SO2 generadas en el proceso,
atraviesan la interface mata-escoria. Cuando la mata líquida, la escoria líquida y el gas
se encuentra en equilibrio, existen dos problemas diferentes que pueden explicar las
pérdidas de cobre en las escorias vinculadas a las energías interfaciales; dispersión y
flotación. (Mario Sánchez, Iván Imris; 2004).
4.1.5. Propiedades químicas.
Es conocido que la formación de magnetita durante los procesos piro-
metalúrgicos del cobre acarrean serios problemas para la operación tales como: Falsos
pisos, crecimiento del piso, pérdidas considerables de metales en la escoria, entro otros,
en particular, durante la etapa de fusión. De esta manera la formación de magnetita
25
pudiera ser catalogada como una de las propiedades químicas más importante de las
escorias. (Mario Sánchez, Iván Imris; 2004).
4.1.6. Caracterización escoria de cobre.
Durante los procesos de piro-extracción de cobre, para concentrar el metal se
hace uso de la propiedad de separación de fases inmiscibles mata-escoria a alta
temperatura. Cabe destacar el efecto de la sílice en esta separación, ya que los
constituyentes FeS y FeO puros son completamente miscibles. Una adición óptima de
sílice puede lograr una buena separación, del orden de 35-40%. Por sobre esta
concentración aparecerá SiO2 sólida libre, que producirá problemas operacionales. Para
demostrar el efecto de SiO2 en la inmiscibilidad de las fases se muestra el binario FeO-
FeS-SiO2 (Ver figura Nº2).
Figura Nº2. Diagrama FeO-FeS-SiO2 e inmiscibilidad a 1.200 ºC. (Mario
Sánchez, Iván Imris; 2004).
Dos elementos importantes en la separación de fases son CaO y Al2O3 que es
posible ver en la siguiente tabla que muestra el la separación mata-escoria a 1.200 ºC.
(Ver tabla Nº4).
26
Tabla 4. Efecto de CaO y Al2O3 en la separación de fases a 1.200 ºC. (Archivo personal, 2014).
SISTEMAS FASE FeO FeS SiO2 CaO Al2O3 Cu2S
FeS-FeO-SiO2 Escoria 54,82 17,9027,7
8Mata 27,42 72,42 0,16
FeS-FeO-SiO2+CaO Escoria 46,72 8,8437,8
0 6,64Mata 28,46 69,39 2,15
FeS-FeO-SiO2+Al2O3 Escoria 50,05 7,6636,3
5 5,94Mata 27,54 72,15 0,31
Cu2S-FeS-FeO-SiO2 Escoria 57,73 7,5933,8
3 0,85Mata 14,92 54,69 0,25 30,14
4.1.7. Pérdidas de cobre en la escoria.
Las escorias juegan un papel importante en la piro-metalurgia del cobre,
actuando como colectores de hierro y ganga en general, proporcionan una forma de
eliminar los elementos indeseables en el curso de los procesos de extracción. Es tan
importante eliminar los constituyentes nocivos, tales como plomo, bismuto, antimonio y
arsénico, como también retener los metales preciosos u otros de interés económico y
minimizar las pérdidas de cobre.
Los constituyentes son eliminados durante las etapas del proceso, mediante dos
mecanismos: escorificado y volatilización. El escorificado depende de la termodinámica,
cinética y parámetros del proceso, tal como se muestra en la tabla Nº5 (Ver Tabla Nº5).
Y en ella se fijara la atención del análisis. (Mario Sánchez, Iván Imris; 2004).
27
Tabla 5. Parámetros que afectan al escorificado durante la fusión del cobre. (Mario Sánchez, Iván Imris; 2004).
Parámetro Factores
Termodinámica
Coeficiente de distribución, equilibrio químico, actividad, coeficiente de actividad, solubilidad, punto de fusión, punto de ebullición, influencia de oxígeno y potencial de azufre.
Cinética
Flujo de gas y líquido, coeficientes difusionales (de masa, de transferencia de calor, de perfil de concentración), densidad y energía superficial de interfaces.
Procesos
Temperatura, composición de escoria, alimentación de procesos y velocidad de flujos, diseño de horno, tipo de residencia, agitación y grado de contacto de interface.
4.1.8. Cobre atrapado mecánicamente en las escorias.
Según estimaciones realizadas en atrapamiento físico de mata y metal blanco va
desde un 25 a un 75% del total de pérdidas de cobre en la escoria. Hay cuatro
mecanismos importantes que pueden ser considerados en el atrapamiento de mata, metal
blanco y cobre metálico en las escorias:
A. Debido a la reacción de la magnetita contenida en la escoria, con el sulfuro de
hierro de la mata se producen burbujas de SO2 capaces de transportar
partículas de mata fundida desde la fase metálica a la fase escoria.
B. Las partículas de mata fundida en el sector de carga no inmerso pueden
quedar atrapadas en la escoria al deslizar hacia la fase líquida y
posteriormente dispersarse en esta fase oxidada.
C. El decrecimiento de la solubilidad del cobre en la fase escoria como
consecuencia de una disminución del potencial de altas temperaturas en el
baño, pueden incidir en la precipitación de cobre a la forma de gotas
finamente dispersas u óxidos de cobre.
D. Las gotas de mata o sulfuro de cobre distribuidos en las escorias de
conversión son normalmente recicladas al horno de fusión. Este mecanismo
28
puede manejarse con el tratamiento separado de las escorias (evitando
reciclarlas al horno de fusión). (Mario Sánchez, Iván Imris; 2004).
4.1.9. Escorias de convertidor.
Tal como en el caso de la fusión, las escorias de conversión tienen cobre disuelto
como sulfuros de óxidos (mayormente óxidos), mata y cobre atrapado mecánicamente.
En algunas fundiciones se practica hoy en día el tratamiento de escorias por flotación y
también la limpieza en hornos eléctricos.
En la operación de convertidores, para asegurar una buena escoria es importante
considerar una adición apropiada de fundentes relativa al flujo de aire utilizado, y esta
operación cambia de una planta a otra, por ejemplo, en algunas se estila agregar
fundentes unos minutos después de comenzado el soplado, en otras agregarlo
inmediatamente comenzado. Una óptima razón de trabajo hierro/sílice es fundamental
para mantener la escoria fluida y así mantener en niveles razonables la magnetita. El
aumento del contenido de sílice hace aumentar la viscosidad y el contenido de cobre.
(Mario Sánchez, Iván Imris; 2004).
4.1.10. Composición química de escorias de Fundiciones Chilenas.
En Chile existen siete fundiciones cupríferas ya detallas anteriormente, teniendo
de norte a sur, a la fundición Chuquicamata (Calama) de Codelco, fundición Altonorte
(Antofagasta), Potrerillos (El Salvador) de Codelco, Hernán Videla L. (Copiapó) de
Enami, Chagres (Catemu) de Anglo American, Ventana (Puchuncaví) de Codelco y
Caletones (Rancagua) de Codelco. En la Tabla Nº6 se muestran composiciones
químicas de diferentes procesos de fundición presentes en Chile. (Ver Tabla Nº6).
(Mario Sánchez, Iván Imris; 2004).
29
Tabla 6. Composición química de escorias de cobre Chilenas. (Archivo personal, 2014).
Limpieza de escoria (Anual)
Análisis químico (%)
Cantidad de escoria (t/d) cobre
Fe (total
) Fe3O4 SiO2 SProducción de escorias 13.000Horno de fusión flash 1.488 3,23 - 11,8 27,7 3,57Convertidor Teniente 7.358 7,4 9,4 18,1 26,1 2,37Convertidor Peirce-Smith 1.402 13,3 41,1 28,4 18,9 0,79Horno de ánodo y refino a fuego 408 40,3 28,9 11,0 11,1 0,82Horno Reverbero 2.344 0,94 38,3 7,0 32,8 0,99Limpieza de escoria 9.039Horno Reverbero 2.500 0,94 38,3 7,0 32,8 0,99Limpieza de escoria Teniente 5.164 1,23 45,0 9,5 28,2 1,57Horno Eléctrico 815 0,82 4,8 29,5 0,33Flotación de escoriasAlimentación a flotación de escorias 2.860 3,55Relaves de escorias 2.516 0,85Concentrado de escorias 344 30,8
4.2. Escoria de Alto Horno.
Dentro de la siderurgia, el Alto Horno es la instalación base para la obtención de
arrabio, el cual, a su vez, constituye la materia prima para la fabricación de acero. El
Alto Horno es un horno de cuba en el que se introduce un gas reductor a presión
(generalmente CO) por la parte interior, y una carga de materia constituida por minerales
de hierro, coque y fundentes por la parte superior, separándose dos productos: el hierro y
las impurezas con los fundentes (escoria primaria), que van evolucionando en su
composición hasta llegar a la parte baja del horno (crisol), formándose los dos materiales
finales: arrabio y escoria. Estos productos fluyen juntos en estado líquido, a través de un
orificio situado en la parte baja del crisol denominado piquera, a una balsa o carro,
30
produciéndose la separación definitiva del arrabio y la escoria por diferencia de
densidad.
La escoria que sale por la piquera del horno a una temperatura cercana a los 1.600
ºC, puede ser sometida a distintas técnicas de enfriamiento, obteniéndose materiales con
características de utilización claramente diferenciadas: escoria cristalizada, escoria
vitrificada (granulada o peletizada) y escoria dilatada. (Unesid España, 2011).
4.2.1. Características y propiedades de escorias de Alto Horno.
La composición química de la escoria fundida de Alto Horno depende de los
minerales de hierro, de las cenizas del coque utilizado como combustible y de los óxidos
de los fundentes empleados. La homogeneidad de la carga, así como la regularidad en la
marcha de los Altos hornos, ha contribuido a que las variaciones de la composición sean
mínimas.
Los principales componentes de la escoria son: CaO, SiO2, MgO, Al2O3, S, FeO,
MnO, K2O, siendo los índices más utilizados el índice de Basicidad (lb= CaO + MgO /
SiO2 + Al2O3) y el índice de Basicidad simple (lbs= CaO / SiO2). (UNESID ESPAÑA,
2011).
A continuación se presenta tabla con la composición química de la escoria de
Alto Horno (Ver Tabla N°7).
Tabla 7. Composición química de la escoria de Alto horno. (Archivo personal, 2014).
Compuesto Porcentaje (%)CaO 38,0 - 42,0SiO2 32,0 - 37,0MgO 7,0 - 9,0Al2O3 10,0 - 14,0
S < 1,0FeO 0,4 - 0,8MnO 0,2 - 0,6TiO2 0,3 - 0,5
31
lb < 1,2lbs <1,3
4.2.2. Propiedades físicas.
El enfriamiento lento y controlado de la escoria fundida genera un material pétreo,
de características similares a las rocas ígneas de origen volcánico: textura rugosa, color
gris oscuro, forma predominante cúbica y estructura con abundantes poros externos e
internos. Presenta una absorción de agua del orden de 6%, aunque la escoria se seca con
facilidad. En la tabla siguiente se presentan algunas características físicas de la escoria
de Alto horno. (Ver Tabla N° 8).
Tabla 8. Propiedades físicas de las escorias de Alto horno. (Archivo personal, 2014).
Propiedad Valor Densidad aparente (kg/dm3) 2,38
Densidad real (kg/dm3) 2,63Absorción (%) 3,70
Peso específico real (<80 µm) 2,98 Porosidad aparente (%) 8,80
Porosidad real (%) 20,4
La gran porosidad del material favorece el drenaje y la reactividad química,
reduciendo la sensibilidad a la resistencia mecánica.
La textura rugosa le proporciona un gran rozamiento interno y una capacidad de
soporte elevado, pero perjudica su trabajabilidad
Otras características físicas de este material son su baja conductividad térmica y su
insensibilidad al agua.
Las características de las escorias de Alto horno pueden variar también según los
pre-tratamientos que se utilicen, por ejemplo una escoria granulada se presenta como
una arena, con un tamaño medio del grano de 1 mm. La cantidad de finos (tamaños
inferiores a 80 µm) que presenta este tipo de escoria es del orden del 5 a 10%.
La fracción superior a 5 mm se caracteriza por la presencia de elementos inertes de
color oscuro y gran dureza, que no están vitrificados sino cristalizados.
32
La densidad de este tipo de escoria está en cierto modo ligada a su actividad, de
manera que las escorias más activas presentan densidades más bajas mientras que las
escorias más densas son también las menos activas. (Unesid España, 2011).
4.2.3. Propiedades químicas.
Como puede apreciarse de la composición química del apartado 1.2.1. (Ver
Tabla N° 7), hay cuatro óxidos principales: cal, sílice, alúmina y magnesia, que
constituyen más del 95% de la escoria de Alto horno. La composición química de la
escoria procedente de un determinado Alto horno es bastante constante en el tiempo,
como consecuencia de la exigencia de que las distintas coladas proporcionen una
fundición homogénea.
La escoria puede presentar una cierta inestabilidad volumétrica debida al di-
silicato de calcio que corresponde al cambio de fase entre la forma meta-estable “beta” y
la forma “gamma”. Este cambio de fase viene acompañado de un aumento de volumen
del orden de 10%. El di-silicato de calcio no se forma en cantidades significativas si la
relación CaO y MgO a SiO2 permanece por debajo de ciertos límites preestablecidos.
Otro tipo de inestabilidad puede ser la debida a la reacción de los compuestos de
hierro. (Unesid España, 2011).
4.2.4. Propiedades mecánicas.
La escoria es un material con un buen comportamiento drenante. Se extiende y
compacta fácilmente y tiene una densidad de compactación frecuentemente inferior a la
de los materiales convencionales para terraplén. Es adecuada para su empleo en la
estabilización de suelos húmedos y blandos en las primeras etapas de la construcción del
terraplén.
La resistencia mecánica de la escoria varía notablemente en relación directa con su
porosidad, que es función del método de enfriamiento empleado. (Unesid España,
2011).
33
4.3. Pre-tratamiento de la escoria de Alto Horno, Acerías.
La escoria que sale del altohorno a una temperatura próxima a los 1.600 ºC, se puede
enfriar siguiendo diferentes técnicas, obteniéndose materiales con características de
utilización claramente diferenciadas:
Escoria cristalizada.
Escoria vitrificada (granulada o peletizada).
Escoria expandida.
4.3.1. Escoria cristalizada.
La escoria cristalizada se obtiene por enfriamiento lento de la escoria líquida en
grandes fosos. La materia cristaliza formando distintos componentes quedando
únicamente una pequeña parte de ella en estado vítreo. Una vez enfriada, la escoria se
transporta mediante camiones a la planta de trituración y cribado para su preparación en
las granulometrías adecuadas. (Unesid España, 2011).
4.3.2. Escoria vitrificada (granulada o peletizada).
La escoria granulada se obtiene por enfriamiento brusco de la escoria líquida,
dejándola caer sobre un potente chorro de agua fría, de forma que expanda y sirviendo el
propio chorro como vehículo de transporte hasta las balsas de decantación. Este proceso
se denomina granulación, porque la escoria se descompone en pequeñas partículas
alveolares con aristas cortantes, de aspecto similar a una arena. La granulación vitrifica
la escoria, convirtiéndola en un sólido cuyos átomos no han tenido tiempo de orientarse
al estado cristalino por la rapidez del enfriamiento.
La escoria peletizada (Ver Anexo N°1) se obtiene dejando caer la escoria fundida
sobre un tambor giratorio, regado con agua, que lanza la escoria al aire, formando una
pila al caer al suelo. Mediante los oportunos ajustes en los equipos de peletización
34
(velocidad del tambor, relación agua/escoria, etc.) es posible controlar las proporciones
producidas de los tamaños de partículas, así como su grado de vitrificación.
A diferencia de la escoria cristalizada y expandida, la escoria peletizada tiene una
forma redondeada y textura lisa, siendo su porosidad y capacidad de absorción de agua
mucho más baja. (Unesid España, 2011).
4.3.3. Escoria expandida.
La escoria expandida se obtiene añadiendo a la escoria fundida una pequeña cantidad
de agua. El vapor producido por el contacto del agua con la escoria, produce una espuma
plástica que una vez enfriada y tras un proceso de machaqueo, proporciona un árido
ligero.
Los granos de escoria expandida molidos, son angulares, sensiblemente cúbicos, más
rugosos y porosos, y menos densos que los de la escoria cristalizada. (Unesid España,
2011).
35
CAPÍTULO V. NORMAS MEDIOAMBIENTALES CHILENAS.
5. CONAMA.
5.1. Comisión Nacional del Medio Ambiente.
La Comisión Nacional del Medio Ambiente, es la institución del Estado que tiene
como misión promover la sustentabilidad ambiental del proceso de desarrollo y
coordinar las acciones derivadas de las políticas y estrategias definidas por el gobierno
en materia ambiental.
La CONAMA depende del Ministerio Secretaría General de la Presidencia y una de
sus tareas es coordinar la gestión ambiental del Estado. Además está presente en todas
las regiones por medio de Direcciones Regionales.
5.2. Ley 19300, bases generales del Medio Ambiente.
- Artículo 1°.- El derecho a vivir en un medio ambiente libre de contaminación, la
protección del medio ambiente, la preservación de la naturaleza y la
conservación del patrimonio ambiental se regularán por las disposiciones de esta
ley, sin perjuicio de lo que otras normas legales establezcan sobre la materia.
- Artículo 2°.- Para todos los efectos legales, se entenderá por:
Contaminación: la presencia en el ambiente de sustancias, elementos,
energía o combinación de ellos, en concentraciones o concentraciones y
permanencia superiores o inferiores, según corresponda, a las
establecidas en la legislación vigente;
Contaminante: todo elemento, compuesto, sustancia, derivado químico
o biológico, energía, radiación, vibración, ruido, o una combinación de
ellos, cuya presencia en el ambiente, en ciertos niveles, concentraciones o
períodos de tiempo, pueda constituir un riesgo a la salud de las personas,
36
a la calidad de vida de la población, a la preservación de la naturaleza o a
la conservación del patrimonio ambiental;
Daño Ambiental: toda pérdida, disminución, detrimento o menoscabo
significativo inferido al medio ambiente o a uno o más de sus
componentes;
Declaración de Impacto Ambiental: el documento descriptivo de una
actividad o proyecto que se pretende realizar, o de las modificaciones que
se le introducirán, otorgado bajo juramento por el respectivo titular, cuyo
contenido permite al organismo competente evaluar si su impacto
ambiental se ajusta a las normas ambientales vigentes;
Desarrollo Sustentable: el proceso de mejoramiento sostenido y
equitativo de la calidad de vida de las personas, fundado en medidas
apropiadas de conservación y protección del medio ambiente, de manera
de no comprometer las expectativas de las generaciones futuras;
Educación Ambiental: proceso permanente de carácter
interdisciplinario, destinado a la formación de una ciudadanía que
reconozca valores, aclare conceptos y desarrolle las habilidades y las
actitudes necesarias para una convivencia armónica entre seres humanos,
su cultura y su medio bio-físico circundante;
Evaluación de Impacto Ambiental: el procedimiento, a cargo del
Servicio de Evaluación Ambiental, que, en base a un Estudio o
Declaración de Impacto Ambiental, determina si el impacto ambiental de
una actividad o proyecto se ajusta a las normas vigentes;
Impacto Ambiental: la alteración del medio ambiente, provocada directa
o indirectamente por un proyecto o actividad en un área determinada;
Línea de Base: la descripción detallada del área de influencia de un
proyecto o actividad, en forma previa a su ejecución;
Medio Ambiente: el sistema global constituido por elementos naturales y
artificiales de naturaleza física, química o biológica, socioculturales y sus
37
interacciones, en permanente modificación por la acción humana o
natural y que rige y condiciona la existencia y desarrollo de la vida en sus
múltiples manifestaciones;
Medio Ambiente Libre de Contaminación: aquél en el que los
contaminantes se encuentran en concentraciones y períodos inferiores a
aquéllos susceptibles de constituir un riesgo a la salud de las personas, a
la calidad de vida de la población, a la preservación de la naturaleza o a la
conservación del patrimonio ambiental;
Protección del Medio Ambiente: el conjunto de políticas, planes,
programas, normas y acciones destinados a mejorar el medio ambiente y
a prevenir y controlar su deterioro;
Reparación: la acción de reponer el medio ambiente o uno o más de sus
componentes a una calidad similar a la que tenían con anterioridad al
daño causado o, en caso de no ser ello posible, restablecer sus
propiedades básicas;
Zona Latente: aquélla en que la medición de la concentración de
contaminantes en el aire, agua o suelo se sitúa entre el 80% y el 100% del
valor de la respectiva norma de calidad ambiental,
Zona Saturada: aquélla en que una o más normas de calidad ambiental
se encuentran sobrepasadas.
- Artículo 3°.- Sin perjuicio de las sanciones que señale la ley, todo el que culposa
o dolosamente cause daño al medio ambiente, estará obligado a repararlo
materialmente, a su costo, si ello fuere posible, e indemnizarlo en conformidad a
la ley.
- Artículo 4°.- Es deber del Estado facilitar la participación ciudadana, permitir el
acceso a la información ambiental y promover campañas educativas destinadas a
la protección del medio ambiente.
38
- Artículo 10.- Los proyectos o actividades susceptibles de causar impacto
ambiental, en cualesquiera de sus fases, que deberán someterse al sistema de
evaluación de impacto ambiental, son los siguientes:
Proyectos de desarrollo minero, incluidos los de carbón, petróleo y gas
comprendiendo las prospecciones, explotaciones, plantas procesadoras y
disposición de residuos y estériles, así como la extracción industrial de
áridos, turba o greda;
- Artículo 11.- Los proyectos o actividades enumerados en el artículo precedente
requerirán la elaboración de un Estudio de Impacto Ambiental, si generan o
presentan a lo menos uno de los siguientes efectos, características o
circunstancias:
Riesgo para la salud de la población, debido a la cantidad y calidad de
efluentes, emisiones o residuos;
Efectos adversos significativos sobre la cantidad y calidad de los recursos
naturales renovables, incluidos el suelo, agua y aire;
Alteración significativa, en términos de magnitud o duración, del valor
paisajístico o turístico de una zona;
- Artículo 33.- El Ministerio del Medio Ambiente administrará la información de
los programas de medición y control de la calidad ambiental del aire, agua y
suelo para los efectos de velar por el derecho a vivir en un medio ambiente libre
de contaminación. Estos programas serán regionalizados. Respecto de la Zona
Económica Exclusiva y del Mar Presencial de Chile se compilarán los
antecedentes sobre estas materias.
- Artículo 39.- La ley velará porque el uso del suelo se haga en forma racional, a
fin de evitar su pérdida y degradación.
39
- Artículo 53.- Producido daño ambiental, se concede acción para obtener la
reparación del medio ambiente dañado, lo que no obsta al ejercicio de la acción
indemnizatoria ordinaria por el directamente afectado.
No procederá la acción para obtener la reparación del medio ambiente dañado
cuando quien cometió el daño ejecutó satisfactoriamente un plan de reparación aprobado
por la Superintendencia del Medio Ambiente. (Gobierno de Chile, 2011).
5.3. Reglamento sanitario sobre manejo de residuos peligrosos. Decreto 148.
Considerando:
1- Que al Estado le corresponde velar que se haga efectivo el derecho de las
personas a vivir en un medio ambiente libre de contaminación así como
garantizar su derecho a la protección de la salud.
2- Que el crecimiento de la actividad económica ha multiplicado la generación de
residuos peligrosos, con el consiguiente aumento de los riesgos que amenazan la
salud humana y el medio ambiente.
3- Que para cumplir cabalmente los compromisos del Estado y enfrentar el peligro
creciente que representan los residuos peligrosos, es indispensable regular el
proceso completo de su manejo, desde que se generan y hasta que se eliminan, en
términos que permitan su adecuado control y seguimiento, en un marco de
certeza jurídica necesario para el desenvolvimiento de la actividad económica,
que sirva también de garantía para la comunidad en su conjunto.
4- Que un adecuado marco normativo puede inducir a la incorporación de una
gestión de los residuos más eficientes, que ayude a minimizar la generación de
residuos peligrosos.
5- Que como resultado de la implementación de este reglamento se dispondrá de
información relativa a los residuos peligrosos que se generan en el país, cuyo
procesamiento y análisis será de utilidad para la autoridad sanitaria, la
comunidad y las actividades productivas, en los que respecta al conocimiento de
40
los residuos peligrosos y las mejores alternativas para su manejo, entre otros
posibles usos de la información. (Gobierno de Chile, 2003).
5.4. Disposiciones generales.
- Artículo 1, Este Reglamento establece las condiciones sanitarias y de seguridad
mínimas a que deberá someterse la generación, tenencia, almacenamiento,
transporte, tratamiento, reuso, reciclaje, disposición final y otras formas de
eliminación de los residuos peligrosos.
- Artículo 3, Para los efectos del presente reglamento, las expresiones que aquí se
indican tendrán el significado que se señala:
Almacenamiento o acumulación: se refiere a la conservación de
residuos en un sitio y por un lapso determinado.
Contenedor: recipiente portátil en el cual un residuo es almacenado,
transportado o eliminado.
Disposición final: procedimiento de eliminación mediante el depósito
definitivo en el suelo de los residuos peligrosos, con o sin tratamiento
previo.
Estabilización: proceso mediante el cual un residuo es convertido a una
forma química más estable, el que puede incluir la solidificación cuando
ésta produce cambios químicos para reducir la movilidad de los
contaminantes.
Instalación de Eliminación: planta o estructura destinada a la
eliminación de residuos peligrosos.
Reciclaje: recuperación de residuos peligrosos o de materiales presentes
en ellos, para ser utilizados en su forma original o previa transformación,
en la fabricación de otros productos en procesos productivos distintos al
que los generó.
41
Residuo o desecho: sustancia, elemento u objeto que el generador
elimina, se propone eliminar o está obligado a eliminar.
Residuo peligroso: residuo o mezcla de residuos que presenta riesgo
para la salud pública y/o efectos adversos al medio ambiente.
Solidificación: proceso en el que ciertos materiales son adicionados a los
residuos para convertirlos en un sólido, para reducir la movilidad de
contaminantes o mejorar su manipulación y sus propiedades físicas. El
proceso puede o no involucrar una unión química entre el residuo, sus
contaminantes y el material aglomerante.
Tratamiento: todo proceso destinado a cambiar las características físicas
y/ o químicas de los residuos peligrosos, con el objetivo de neutralizarlos,
recuperar energía o materiales o eliminar o disminuir su peligrosidad.
- Artículo 14, Un residuo tendrá la característica de toxicidad extrínseca cuando
su eliminación pueda dar origen a una o más sustancias tóxicas agudas o tóxicas
crónicas en concentraciones que pongan en riesgo la salud de la población.
- Artículo 23 Para efectos de la aplicación del presente reglamento y siempre que
la disposición final no se realice en conjunto con residuos sólidos domésticos u
otros similares, los siguientes residuos mineros masivos que provengan de las
operaciones de extracción, beneficio o procesamiento de minerales no serán
considerados peligrosos:
a) los estériles.
b) los minerales de baja ley.
c) los residuos de minerales tratados por lixiviación.
d) los relaves.
e) las escorias.
No obstante, la Autoridad Sanitaria podrá, en casos calificados, requerir de un
generador la caracterización de sus residuos mineros masivos. La Autoridad
42
Sanitaria podrá en todo caso muestrear, analizar y caracterizar la peligrosidad de
dichos residuos toda vez que lo estime oportuno. Para la caracterización de la
toxicidad extrínseca de los residuos masivos mineros, el "Test de Toxicidad por
Lixiviación" a que se refiere el artículo 14 (Ver Articulo 14), se reemplazará
por el método de "Lixiviación por Precipitación Sintética" de acuerdo a las
concentraciones que en dicha norma se contemplan.
- Artículo 30, Todo Generador que se encuentre obligado a sujetarse a un plan de
Manejo de Residuos Peligrosos deberá tener uno o más sitios de almacenamiento
de tales residuos. Estos sitios se ajustarán a las normas del presente Título y
dispondrán de suficiente capacidad para acopiar la totalidad de residuos
generados durante el período previo al envío de éstos a una Instalación de
Eliminación.
- Artículo 31, El período de almacenamiento de los residuos peligrosos no podrá
exceder de 6 meses. Sin embargo, en casos justificados, se podrá solicitar a la
Autoridad Sanitaria, una extensión de dicho período hasta por un lapso igual,
para lo cual se deberá presentar un informe técnico.
- Artículo 33, Los sitios donde se almacenen residuos peligrosos deberán
cumplirlas siguientes condiciones:
a) Tener una base continua, impermeable y resistente estructural y
químicamente a los residuos.
b) Contar con un cierre perimetral de a lo menos 1,80 metros de altura
que impida el libre acceso de personas y animales.
c) Estar techados y protegidos de condiciones ambientales tales como
humedad, temperatura y radiación solar.
43
d) Garantizar que se minimizará la volatilización, el arrastre o la
lixiviación y en general cualquier otro mecanismo de contaminación del
medio ambiente que pueda afectar a la población.
e) Tener una capacidad de retención de escurrimientos o derrames no
inferior al volumen del contenedor de mayor capacidad ni al 20% del
volumen total de los contenedores almacenados.
f) Contar con señalización Excepcionalmente se podrán autorizar sitios de
almacenamiento que no cumplan con alguna de estas condiciones, tales
como piscinas, lagunas artificiales u otros, si se justifica técnicamente que
su diseño protege de la misma forma la salud de la población.
- Artículo 34 El sitio de almacenamiento deberá tener acceso restringido, en
términos que sólo podrá ingresar personal debidamente autorizado por el
responsable de la instalación. (Gobierno de Chile, 2003).
5.5. Operaciones de reuso y/o reciclaje.
- Artículo 52, El reuso de residuos peligrosos como insumo en cualquier actividad
deberá ser informado previamente a la Autoridad Sanitaria, sin perjuicio de las
facultades fiscalizadoras que esta Autoridad Sanitaria tiene respecto de las
actividades que pueden implicar riesgo para la salud pública o el medio
ambiente.
El reciclaje de residuos peligrosos será autorizado por la Autoridad Sanitaria
cuando ello no implique riesgo para la salud pública o al medio ambiente. Sin
perjuicio de lo dispuesto en el presente reglamento el Ministerio de Salud emitirá
guías técnicas de orientación e información para el manejo de aquellos residuos
cuyo reuso y/o reciclaje sea una práctica común o que se revelen como
prioritarios desde el punto de vista sanitario. (Gobierno de Chile, 2003).
44
CAPÍTULO VI. UTILIZACIÓN DE ESCORIAS EN OTROS PROCESOS
INDUSTRIALES.
6. Escorias en otros procesos productivos.
Con el tiempo las empresas van innovando en beneficio de ellas mismas, es por
ello que al ver como se acumulan en fundiciones toneladas de escorias que son
descartadas de los procesos, se buscó una alternativa en como reutilizar estas escorias en
otros procesos industriales, para obtener un beneficio principalmente económico, pero
también pensando en el medioambiente.
6.1. Utilización de escorias en cementos y concreto.
El concreto es el material que ha tenido el mayor uso en la construcción de
edificios e infraestructura en la historia de la civilización. En particular, la demanda de
cemento Pórtland se incrementa conforme aumenta la población mundial. Sin embargo,
la industria asociada a la generación de este tipo de cemento involucra altos
requerimientos energéticos y fuertes emisiones de contaminantes. En la actualidad no
existe un material alternativo que pueda ser utilizado como material de bajo costo en
construcciones de gran volumen. (José Iván Escalante García, 2004).
6.1.1. Antecedentes Históricos.
Desde tiempos inmemorables el hombre ha edificado construcciones para
resguardo propio o con propósitos sociales o religiosos. Los egipcios empleaban lodo del
río Nilo para sus construcciones; no obstante, las bajas temperaturas que podían lograr
sólo les permitían usar materiales de poco valor cementoso sin resistencia a la humedad.
Los romanos descubrieron la tecnología de los materiales llamados puzolánicos, para
producir sus cementos mezclaban cal con cenizas que provenían de un lugar llamado
45
Pozzouli. Muchas de las edificaciones de los romanos se mantienen todavía en pie, lo
que refleja el alto nivel de su tecnología aun para nuestros días.
En la edad media se perdió tanto la inercia del desarrollo como mucho de los
conocimientos de los romanos y no fue sino hasta el siglo XIX que se trabajó
intensamente en muchas investigaciones (predominantemente empíricas) en la búsqueda
de nuevos materiales para construcción.
La patente de lo que hoy conocemos como cemento Pórtland se otorgó a J.
Aspdin en 1824 en Inglaterra; sin embargo, la historia involucra otros nombres con
tiempos y hechos que apuntan a que Aspdin no fue el único abocado al desarrollo de este
tipo de cemento. (José Iván Escalante García, 2004).
La investigación aduce principalmente al cemento Pórtland, es por ello que se
presenta una descripción del ya nombrado cemento.
6.1.2. Cemento Pórtland.
Los cementos Portland resultan de la molienda conjunta de clínker más un
porcentaje de yeso para regular el fraguado.
Su característica depende de la composición potencial del clínker. Así, por
ejemplo, si el clínker tiene un alto contenido de silicato tricálcico, el cemento será de
resistencia inicial alta y tendrá un mayor calor de hidratación.
Por el contrario, si tiene un alto contenido de silicato dicálcico, tendrá buena
resistencia a largo plazo y bajo calor de hidratación. En cuanto a la resistencia a los
sulfatos, ésta será inversa al contenido de aluminato tricálcico. Por este motivo, la norma
norteamericana ASTM C-150 clasifica los cementos Portland en cinco tipos. (Ver tabla
N°9).
La fabricación del cemento Portland se realiza a partir del clínker
correspondiente, producto constituido principalmente por silicatos de calcio. El clínker
de cemento Portland se obtiene por calentamiento hasta una temperatura inferior a la
46
temperatura de fusión incipiente, de una mezcla homogénea de materias primas
finamente molida, formada principalmente por óxidos de calcio (CaO) y silicio (SiO2),
pero también por óxidos de aluminio (Al2O3) y hierro (Fe2O) en menor medida. En la
fabricación del cemento se distinguen dos etapas: producción del clínker y molienda del
cemento. (W. Zhang, and G. Ma, 2010).
Tabla 9. Clasificación cemento Pórtland. (Archivo personal, 2014).
Cemento Portland Norma ASTM C-150
Tipo ICemento Portland común, apto para toda obra que no requiera cementos con requisitos especiales.
Tipo IICemento Portland de moderado calor de hidratación y moderada resistencia a los sulfatos, con un contenido máximo de 8% de aluminato tricálcico.
Tipo III Cemento Portland de alta resistencia inicial.
Tipo IVCemento Portland de bajo calor de hidratación, con contenidos máximos de 35% de silicato tricálcico y 7% de aluminato Tricálcico.
Tipo VCemento Portland resistente a los sulfatos, con un contenido máximo de 5% de Aluminato Tricálcico.
6.1.3. Escorias, material alternativo.
Los materiales alternativos tienen cabida como materias primas o materiales
cementosos de reemplazo parcial o total del cemento Pórtland. Parte de la generación de
CO2 viene de la des-carbonatación del CaCO3 que representa alrededor del 80% de la
materia prima (0,3kg CO/kg cemento). El uso de fuentes de CaO diferentes puede aliviar
parcialmente tal situación. Por otro lado, es posible usar cenizas y escorias como
materias primas con una proporción de un 30 - 75%. Se puede definir un material
adhesivo alternativo como aquel que tenga propiedades cementosas o latentes (que
requieren ser potenciadas externamente), esto es, que pueda emplearse como substituto
parcial o total del cemento Portland.
Es posible emplear escorias de procesos como la de aceración, producción de
fósforo, cobre, zinc y plomo. Pueden considerarse como materiales sintéticos dado que
47
son subproductos. En términos generales requieren de molienda antes de ser empleados
como reemplazo del cemento Pórtland.
Para el caso de escoria de alto horno (producción de hierro), los niveles de
substitución por cemento son de 10 a 90% y varían según las normas locales. Al igual
que las puzolanas, interacciona con los productos de hidratación del cemento pero la
reacción es diferente ya que los materiales hidráulicos, como la escoria de alto horno,
contienen calcio en su composición química.
6.1.4. Influencia de la escoria en las características de los cementos.
La escoria de alto horno, escoria siderúrgica, es un producto producido durante la
obtención del arrabio, en cantidades proporcionales a la producción. Los constituyentes
son similares a los del clínker, pero en proporciones aleatorias como consecuencia de los
materiales con que se carga el alto horno para la obtención del metal. Es interesante
considerar la aplicación de la escoria a la elaboración del cemento desde tres aspectos
importantes: tecnológico (mejora propiedades del cemento y del concreto), ambiental
(menor contaminación), y económico (ahorro de combustible no renovable, y aumento
de la capacidad de fabricación de cemento). (José Iván Escalante García, 2004).
El cemento elaborado con escoria se aplica en la construcción de obras en
general desde hace más de 100 años, contándose con resultados del concreto fresco
(trabajabilidad) y otras propiedades en estado endurecido, como en particular su
resistencia mecánica y química. La influencia de esta adición en las características de los
cementos resultantes está vinculada con su composición, tamaño y distribución de
partículas, el porcentaje utilizado, tiempo de curado, temperatura y humedad, entre otras
variables.
Estas adiciones pueden tener diferentes orígenes locales o externos, y cómo
además, proceden de un proceso industrial cuyo objetivo principal es la obtención del
hierro, así como el hecho de que puede ser variada su composición mineralógica y
48
química. En este orden, un análisis químico evidencia que el uso de mayor porcentaje de
escoria aumenta los tiempos de fraguado inicial y final del ligante.
Algunos datos experimentales investigados sugieren que en cuanto al calor de
hidratación, como es de esperar, el incremento del porcentaje de escoria disminuye
porcentualmente el calor de hidratación de los cementos resultantes y desplaza el tiempo
en que se produce el pico máximo. Asimismo, en torno a la durabilidad, puede afirmarse
que los cementos con escoria poseen adecuada respuesta frente a los factores externos
agresivos. Igualmente esta adición suele ser muy deseada si se tiene en cuenta la acción
externa de las sales de sulfatos en el concreto, dado que ésta puede ser atenuada entre
otras alternativas reemplazando una parte del cemento por escorias.
Puede resumirse que la escoria granulada de alto horno constituye un material el
cual mediante estudios tecnológicos, puede ayudar a resolver diferentes dificultades en
el concreto fresco y en el endurecido. Existe suficiente experiencia a nivel internacional
para orientar los estudios previos en los porcentajes convenientes que se deben usar para
lograr los objetivos deseados. Asimismo, es indispensable disponer de los resultados de
las experiencias previas antes de aplicarlos a las obras. También es necesario realizar
controles permanentes durante la producción para verificar la regularidad. Se observa
que al introducir variaciones en la composición de la escoria, en los porcentajes, en la
metodología o industrialización pueden aparecer consecuencias no deseadas.
6.1.5. Alternativa de incorporar la escoria al proceso.
Para incorporar la escoria al cemento se ofrecen dos alternativas:
Molienda conjunta.
Molienda por separado y mezcla posterior.
La molienda conjunta incorpora la escoria granulada directamente al molino de
cemento. La molienda separada se justifica en razón de las distintas durezas de ambos
49
materiales, clínker y escoria, y se adopta por razones técnicas (un mejor
aprovechamiento del potencial hidráulico de la escoria al poder molerla a la finura
adecuada), económicas y ambientales (mayores rendimientos de molinos y menores
consumos energéticos en el proceso de molienda). Este salto técnico ha permitido
desarrollar una gama de productos, que incorporan porcentajes de adición de escorias
superiores al 40% y en los que se ha optimizado la finura de sus componentes (clínker
de cemento portland y escoria de horno alto) para adecuar el comportamiento del
cemento durante su hidratación a las prestaciones de durabilidad y mecánicas buscadas.
(Hernán Reino García, 2013).
6.1.6. Características generales de los cementos con escoria.
Calor de hidratación: La escoria de horno alto es una adición con hidraulicidad
latente. Su hidratación da lugar a silicatos cálcicos hidratados de características
similares a los producidos durante la hidratación del cemento portland, lo que
permite que sea la única adición que admite porcentajes de hasta el 95% en el
cemento. Sin embargo, el proceso de hidratación de las escorias es más lento que
el del clínker. Para su hidratación necesita ser "activada". En el caso de los
cementos comunes, esta activación se logra en su etapa inicial por los álcalis que
contiene el cemento y, en una segunda etapa, por la portlandita generada durante
la hidratación del clínker portland. Este proceso de hidratación favorece una
generación de calor más lenta y prolongada en el tiempo, lo que favorece su
disipación.
Resistencias a Compresión: Las resistencias a compresión a edades tempranas
disminuyen en función de la cantidad de escoria añadida, debido a que el proceso
de hidratación de las escorias se desarrolla más lentamente que el del clínker de
cemento portland. Por el contrario, a edades normales (28 días) las resistencias
50
son similares o incluso más altas, conservando potencial de crecimiento a edades
a largo plazo (60 días).
Permeabilidad al agua: Uno de los principales factores que determina la
adecuada durabilidad de un hormigón es la dificultad que ofrece a la penetración
de los agentes agresivos. Así, la porosidad de los hormigones se convierte en uno
de los principales factores que afectarán a su adecuada durabilidad. Conceptos
como la difusibilidad o permeabilidad están estrechamente ligados a la
porosidad. Sin embargo tan importante como la porosidad es el tamaño de los
poros y su interconectividad: una red de poros interconectados favorece la
penetración y difusión de los agentes agresivos; una red de poros capilares y
microporos (de pequeño tamaño) dificulta estos mismos efectos.
La incorporación de la escoria de horno alto modifica la naturaleza y
características de los hidratos que se forman, afectando a la red capilar del
hormigón, reduciendo el tamaño y el número de poros. Este mismo efecto se
produce también por el menor tamaño de las partículas de escoria, que favorecen
el relleno de huecos en el hormigón.
Como contrapartida se destaca que los hormigones elaborados con
cementos con porcentajes elevados de esta adición son muy sensibles a las
condiciones de curado: un curado inadecuado o insuficiente puede provocar una
desecación prematura del hormigón, en particular en superficie, lo que se
traduciría en una insuficiente hidratación del cemento y, en consecuencia, en un
aumento de la permeabilidad.
Sensibilidad a la carbonatación: La carbonatación de los componentes
hidratados del cemento por el CO2 del aire es un proceso característico que afecta
a todos los hormigones. Este fenómeno reduce el pH del recubrimiento de las
armaduras. Si el pH de ese recubrimiento se sitúa por debajo de un determinado
51
valor (inferior a 11) las hace susceptibles a la corrosión. La velocidad de
carbonatación se reduce al aumentar los contenidos de cemento.
Resistencia a los cloruros: La penetración de cloruros en la masa de hormigón
necesita ser controlada en el caso de hormigones armados. La penetración de
cloruros en el hormigón favorece la corrosión incluso en hormigones con pH
elevados; también puede favorecer la corrosión de las armaduras por procesos
electroquímicos.
Como ocurre en el caso de la carbonatación y en todas las propiedades del
hormigón, la relación a/c va a afectar de manera determinante a la penetración de
los cloruros.
En la penetración de cloruros juega un papel importante la estructura
porosa del hormigón, y las escorias siderúrgicas tienen un efecto muy positivo al
reducir el número de poros y su diámetro, dificultando la difusibilidad de los
iones cloro.
Resistencia al ataque por sulfatos: Los cementos con escorias de alto horno
proporcionan una mejor resistencia a los sulfatos que la que ofrecen los cementos
tipo I, incluso siendo SR o MR, pero no deja de ser bajo el comportamiento, solo
se mejora. La razón de ello estriba en la menor permeabilidad del hormigón, en
el menor contenido de portlandita (material muy susceptible de ser atacado
químicamente) y, en algunos casos, un menor contenido en Aluminato
Tricálcico.
Un cemento fabricado con un clínker con contenido de Aluminato
Tricálcico del 8%, la norma española lo considera SR cuando en su fabricación
se emplean porcentajes de escorias de alto horno iguales o superiores al 36%.
Porcentajes de escorias por debajo del 36% exigirían que el contenido de
Aluminato Tricálcico del clínker fuese menor o igual al 6% para ser considerado
como cemento SR. En caso de que no llevase adición (sería el caso de un
52
cemento tipo I), la norma exige que el contenido de Aluminato Tricálcico se
reduzca al menos hasta el 5%.
Resistencia a ciclos de hielo-deshielo: La susceptibilidad del hormigón a los
ciclos de hielo-deshielo va a ser función principalmente de su permeabilidad y
del grado de saturación de sus poros. También en este caso el diámetro de los
poros y su distribución va a influir en la temperatura de congelación del agua
contenida en ellos (cuanto menor es el diámetro del poro más baja es la
temperatura de congelación).
La resistencia a los ciclos de hielo-deshielo de hormigones fabricados con
cementos con escorias es tan buena o más que la de un hormigón fabricado con
un cemento tipo I siempre que se tenga la precaución no exponer al hormigón a
condiciones de congelación a edades tempranas, pues las escorias necesitan un
tiempo de ‘maduración’ superior a la que requiere el clínker portland.
Reactividad árido-álcalis: Para que esta reacción se desarrolle es necesaria la
presencia de áridos potencialmente reactivos, álcalis y humedad, siendo el
cemento una de las fuentes de aportación de compuestos alcalinos.
Según la naturaleza de la fase reactiva del árido, se pueden distinguir
reacciones álcali-carbonato, álcali-sílice (la más habitual) y álcali-silicato. En
todos los casos se trata de reacciones expansivas que dan lugar a la
microfisuración del hormigón, mermando su capacidad mecánica y su
impermeabilidad.
La incorporación de escorias de horno alto al cemento tiene efectos
positivos a la hora de reducir el riesgo de reacción árido-álcali. En concreto, la
escoria de horno alto actúa encapsulando en su hidratación los álcalis presentes
en el cemento, de manera que quedan desactivados para reaccionar con los
áridos. Este efecto de encapsulamiento permite emplear cementos con contenido
en álcalis tanto más altos cuanto más alto sea el contenido en escorias: un
53
cemento tipo I sería considerado como bajo en álcalis con contenidos de Na2Oeq
inferiores al 0,6%, mientras que en el caso de un cemento con un 40% de
escorias este límite podría elevarse hasta el 0,9%. No obstante, ante el riesgo de
posibles reacciones árido-álcalis conviene realizar estudios específicos de
comportamiento. (Hernán Reino García, 2013).
Las prestaciones que los cementos con escorias ofrecen en ambientes
químicamente agresivos son bien conocidas por los técnicos e ingenieros, como lo
corrobora el amplio número de obras (Ver Anexo N°2) que Holcim ha tenido ocasión de
suministrar desde que se comienza la fabricación de cementos con escoria como materia
prima.
6.2. Escorias en explanadas, bases y sub-bases de carreteras.
6.2.1. Aspectos medioambientales.
El criterio general para el uso de escorias, tanto de cobre como hierro, en
contacto con el suelo debe suponer un cambio en la composición de suelo inferior al 1%
en un periodo de tiempo de 100 años, considerándose en este caso que la utilización de
escorias supone un riesgo aceptable para el medio ambiente.
La aplicación del criterio mencionado implica el cálculo de valores denominados
de inmisión (aporte al suelo de los contaminantes presentes en la escoria). La
intercomparación de los valores de emisiones de las escorias (cantidades de
contaminantes que se liberan de las escorias en plazo de tiempo dado) con los valores
máximos permitidos, definen el comportamiento de la escorias.
Los estudios realizados de aplicar dicha metodología sobre las escorias
ensayadas, muestran que elementos como el bario, cromo, molibdeno, vanadio, flúor y
sulfatos superan el criterio establecido en casi todas las escorias ensayadas mientras que
elementos como el cadmio, níquel, plomo, selenio y zinc pueden llegar a superarlas, si
bien de forma particularizada.
54
Con el objeto de posibilitar la utilización del mayor número posible de escorias
en este tipo de aplicación, ha sido preciso realizar una valoración del riesgo que
supondría para la salud humana y el medio ambiente, si se permiten aumentos superiores
al 1%, para aquellos que superan de forma generalizada el criterio seleccionado (bario,
cromo, molibdeno, vanadio, flúor y sulfatos).
El caso de los sulfatos ha necesitado un enfoque diferente, ya que se trata de un
compuesto para el cual el suelo es incapaz de actuar como filtro, por lo que los
contenidos del lixiviado en dicho anión pasan directamente a incrementar el contenido
en el sulfato de las aguas subterráneas.
Para el caso del cromo, y dado que se trata de un elemento lixiviable en su forma
oxidada, una adecuación del proceso de fabricación de acero a condiciones más
reductoras podría reducir la cantidad de cromo de esta especie, y por consiguiente lograr
que su liberación no suponga cambios, y limitando el cambio para el resto de los
elementos de interés en el 1%.
Finalmente se debe mencionar que la utilización de escoria en capas granulares
(como bases y sub-bases de carreteras) puede llevarse a cabo siempre y cuando cada
escoria verifique las exigencias técnicas descritas a continuación.
6.2.2. Aspectos técnicos
A un material que se quiera emplear en las capas “base” de una carretera, se le
debe exigir, como característica principal, que posea una elevada capacidad portante, de
manera que sea capaz de transmitir las cargas que le llegan presentando deformaciones
admisibles con el uso que se le quiere dar.
Los áridos que se utilicen en esta aplicación deben cumplir con las
especificaciones de prescripciones técnicas generales para obras de carretera y puentes,
donde se le exige una elevada resistencia mecánica a la disgregación y una determinada
forma y caras de fracturas para que el esqueleto mineral que formen tenga un elevado
razonamiento interno.
55
Se buscan áridos muy limpios (sin materiales arcillosos, equivalentes de arenas y
sin plasticidad), con elevado número de caras de fractura, conseguidas mediante
machaqueo y con una dureza elevada que evite roturas de aristas.
Dada la dureza de estas escorias, su forma (angulosidad y caras de fractura), y a
pesar de presentar falta de tamaños finos, este material, adecuadamente tratado (molido,
con separación de metales y clasificado), permite crear esqueletos minerales resistentes,
con una elevada capacidad portante para transmitir las cargas del tráfico a las capas
inferiores sin deformarse.
Las escorias apuntan a cumplir con creces (tras un tratamiento adecuado) todas
las especificaciones que exigen los pliegos de carreteras, pero está latente el riesgo de
expansión y de hinchamiento que puede existir. Por lo tanto, las características más
importantes a tener en cuenta en esta aplicación son las siguientes:
Es muy importante evaluar el potencial expansivo y limitar su uso cuando
sobrepase los valores establecidos. Por ello, se propone la utilización del test de
hinchamiento acelerado descrito para clasificar como apta una escoria, siempre y
cuando el hinchamiento que presente sea inferior a 0,5%.
En caso que la escoria supere el valor de 0,5% se podría conseguir que el
hinchamiento sea inferior sometiendo la escoria a periodos de envejecimiento
superiores para conseguir una hidratación que inertice la escoria y por tanto
disminuya el hinchamiento.
El índice granulométrico de envejecimiento (IGE) de las fracciones gruesas,
determinado deberá ser inferior a 1%.
Debido a su forma (porosa y angulosa) y a la falta de finos, estas escorias
podrían resultar “agrias” e incómodas de extender y compactar, por lo que
56
pueden combinarse con otros áridos naturales tales como arenas para que cierren
las mezclas y las hagan más trabajables. (José Iván Escalante García, 2004).
6.3. Usos Alternativos Para la Escoria de Fundición
Hasta el momento, la reutilización de escorias de fundición de cobre ha sido
mínima, pero, debido a que es una preocupación latente tanto para el gobierno como
para la industria minera debido al impacto medioambiental que está produciendo, se han
ido creando diversos usos alternativos de la escoria para reducir el tamaño de los
botaderos existentes hoy en día. A nivel mundial existen una serie de usos para la
escoria de fundición del cobre, siendo las principales:
Material de construcción: existen diversos estudios que buscan la reutilización
de la escoria en materiales de construcción (Ver figura N°3), especialmente
como aditivo para cementos, reemplazando en cierta manera las puzolanas y
yeso, sirviendo para el mejoramiento en la tecnología de la construcción de
carreteras.
57
Figura N°3: Principales productos obtenidos a partir de escoria para el área
de la construcción. (F.J. Ormazábal, 2004).
Otros usos que se le ha dado a las escorias de fundición son:
Balasto: más bien conocido como relleno en las líneas férreas, se usa para
formar una cama en las mismas, haciéndola firme y sólida. También es utilizado
como lastre en los barcos, donde lastre es cualquier material usado para
estabilizar un barco. La escoria es depositada en el fondo del barco para hundirlo
un poco más en el agua, y así evitar volcamientos.
Arena abrasiva: permite remover la pintura, capas externas y corrosión de
estructuras industriales. Esto se realiza mediante una fuerza mecánica que
impulsa las partículas abrasivas contra de una superficie metálica o no metálica
de una estructura o producto, así removiendo contaminantes o condicionando la
superficie para un tratamiento posterior.
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EbonyGrit: Producto creado por la empresa Opta Minerals Inc., obteniéndose
como un producto secundario de la escoria proveniente de la industria del cobre.
El Ebonygrit es una arena abrasiva compuesta generalmente por ferro-silicatos
(Fe2SiO4) y óxidos, y se forma cuando la escoria fundida es enfriada bruscamente
en agua. El proceso de enfriamiento rompe la escoria en partículas angulosas,
haciendo que sea un producto abrasivo ideal.
Obtención y recuperación de metales valiosos a partir de la escoria:
Actualmente existen una serie de estudios que buscan reciclar la escoria de
diversos procesos a través de la recuperación de metales que se encuentran en su
composición, y que hasta el momento no son recuperados. Entre estos procesos
se puede encontrar la recuperación de cobalto, níquel, molibdeno y compuestos
de hierro, entre otros, generando una posibilidad económica y de mejoramiento
ambiental considerable. (Wang y Emery, 2004).
6.3.1. Estudios en Chile.
En el ámbito nacional se tiene referencia de un solo estudio realizado en cuanto a
la factibilidad técnica de utilizar escoria de cobre como reemplazo de cemento Portland
y de agregado fino, el cual tuvo como resultado la comprobación de lo estudiado
internacionalmente y presentado en los párrafos anteriores, además se comprobó que los
morteros con adición de puzolana en reemplazo de cemento Pórtland (10%, 20% y 30%)
cumplen los tiempos mínimos de fraguado establecidos por la normativa nacional, al
igual que las resistencias mecánicas y los índices de actividad puzolánica. De la misma
manera comprobó que la escoria granallada como agregado fino (en reemplazo de 25% y
50%) mantiene las resistencias mecánicas de los morteros con arena normalizada. Así se
dedujo que la para este nivel de estudio es totalmente factible la utilización de la escoria
de cobre en cementos ya sea como reemplazo al cemento Pórtland o agregado fino,
viendo una buena proyección a futuro para este material en el área de la construcción
(S. Orizola, 2006)
59
6.4. Cemento siderúrgico en Chile.
En Chile Cementos Bío Bío ofrece entre sus productos cementos con adiciones
de escorias siderúrgicas aprovechando las beneficiosas propiedades que las escorias
entregan. En general cuando se piensa en Hormigón o Cemento, se ve como un material
básico de construcción sin muchas propiedades. Pero la realidad sorprende, y es posible
encontrarse con un material resistente al agua de mar, a los agresivos químicos, a
esfuerzos abrasivos, y la cualidad que permite adoptar formas por su gran plasticidad en
estado fresco.
6.4.1. Propiedades.
Cemento Bío Bío Siderúrgico posee las siguientes características:
- Alta resistencia al ataque de agresivos químicos y al agua de mar.
- Desarrollo de resistencias normales.
- Altas resistencias finales.
- Bajo calor de hidratación.
- Buena protección a las armaduras.
- Estabilidad en presencia de áridos reactivos.
- Mayor tiempo de operación.
- Color de terminación de los hormigones más claros.
60
6.4.2. Aplicación.
El cemento siderúrgico de nuestro país presenta ventajas en las siguientes
aplicaciones:
- Hormigones simples y armados (bombeados o autocompactantes).
- Hormigones masivos.
- Hormigones en contacto con agua de mar o en presencia de sulfatos.
- Hormigones en contacto con aguas agresivas.
- Hormigón compactado con rodillo.
- Hormigón arquitectónico.
- Lechadas de inyección.
- Morteros en general.
- Hormigones transportados a distancia.
- Pavimentos.
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CONCLUSIONES
El acumulamiento y contaminación de escoria en las fundiciones es una realidad,
es por ello que el empresariado debe tomar cartas en el asunto. En cumplimiento al
artículo 3° de la ley 19.300 (bases generales del medio ambiente), se señala que aquel
que cause daño al medio ambiente debe repararlo materialmente, esta exigencia de ley
debe tomarse como el principio a la innovación y aprovechar los desechos del proceso
de fundición como recursos para otros procesos industriales, pero cumpliendo los
estándares de ley descrito en el artículo 10 y 11 de la ley 19.300, donde debe el proyecto
someterse a un sistema de evaluación de impacto ambiental.
Se ha logrado estipular con aspectos netamente teóricos y en base a estudios
propiamente tales a escorias, que la reutilización de las escorias de fundiciones es
posible en otros procesos industriales, tales como el de la fabricación de cemento a base
de escoria, ya que al ser incluido como agregado fino al hormigón este aumenta su
densidad y a la vez su trabajabilidad con respecto a hormigones con composición
normal, lo que se atribuye al alto peso específico que tienen las escorias de fundición de
cobre.
Se concluye que las escorias de las industrias Chilenas cumplirían con las
características para hacer uso en las industrias cementeras, sus composiciones SiO2 32-
40%, Al2O3 7 – 17%, Fe3O4 30 – 40% (composición química general de una escoria
Chilena) no afectarían las propiedades que ésta le da al cemento.
Desde el punto de vista ambiental para la empresa significaría un impacto al
ecosistema, ya que las escorias estarían profundamente ligadas a la contaminación del
suelo y a la vez a la de las aguas subterráneas por el solo hecho de ser un residuo pasivo,
considerando el artículo 23 del decreto de ley 148 que habla sobre la contaminación de
residuos peligrosos, las escorias no serían consideradas como residuos peligrosos, pero
se deben hacerse estudios de sus características para evitar alguna contaminación que
pudiera provocar la escoria tratada.
62
El uso de la escoria de cobre en el cemento disminuye la emisión de calor de
hidratación, es decir la composición química de la escoria de cobre, genera reacciones
químicas exotérmicas más débiles, lo cual evita el agrietamiento en el cemento, una
buena característica entregada por la escoria al cemento, sin embargo la propiedad más
importante que nos entrega la escoria, ya sea siderúrgica o metalúrgica, es la resistencia
mecánica, ya que el cemento siderúrgico resiste entre un 20 y 30% más la tracción o
compresión que el cemento sin adición de escoria y esto se logra porque al mezclarse el
cemento siderúrgico con agua se forma una pasta de mayor endurecimiento y de gran
cohesión.
La escoria siderúrgica aporta la durabilidad una propiedad importante para el
cemento ante agentes externos químicamente agresivos, como por ejemplo algún tipo de
sulfato. Esta propiedad es debido a que la escoria modifica sensiblemente el tamaño de
los poros de la estructura del cemento. Esto se traduce en una menor permeabilidad y
mayor durabilidad.
63
GLOSARIO
Cemento Pórtland: Es el que se obtiene por molienda conjunta de clínker y yeso.
Clínker: Es el producto constituido principalmente por silicatos cálcicos; se obtiene por
calentamiento de una mezcla homogénea finamente molida, en proporciones adecuadas,
formada principalmente por óxido de calcio (CaO) y silicio (SiO2) y, en menores
cantidades, por óxido de aluminio (Al2O3) y fierro (Fe2O3), hasta una temperatura que no
podrá ser inferior a la temperatura de fusión incipiente (entre 1.400 y 1.600 °C).
Aglomerante: Se denominan a los aglomerantes como materiales hidráulicos, que
amasados con agua, fraguan y endurecen sumergidos en este líquido, y son
prácticamente estables en contacto con él.
Material Puzolánico: material de composición rico en SiO2. Ejemplos de éstos son la
ceniza volcánica, la sílice condensada, algunos caolines, ceniza de cascarilla de arroz y
desechos geotermales. Sus características físicas, como tamaño de partícula y
morfología, influyen también considerablemente en las propiedades del cemento
substituido.
Material Hidráulico: Estos materiales son de los más comúnmente empleados en la
escoria de alto horno granulada. Sin embargo, es posible emplear escorias de otros
procesos como los de aceración, producción de fósforo, cobre, zinc y plomo Pueden
considerarse como materiales sintéticos dado que son subproductos. En términos
generales requieren de molienda antes de ser empleados como reemplazo del cemento
Pórtland.
Para el caso de escoria de alto horno (producción de hierro), los niveles de
substitución por cemento son de 10 a 90% y varían según las normas locales. Al igual
que las puzolanas, interacciona con los productos de hidratación del cemento pero la
64
reacción es diferente ya que los materiales hidráulicos, como la escoria de alto horno,
contienen calcio en su composición química.
Machaqueo: Consiste en golpear un material hasta reducirlo a trozos muy pequeños.
Mezcla bituminosa: Las mezclas bituminosas están compuestas por una combinación
de áridos y ligantes hidrocarbonados que mezclados a altas temperaturas forman una
película continua que envuelve a los áridos. Los áridos son un material elastoplástico y
el betún viscoelástico, por lo tanto se considera que las mezclas bituminosas son un
material viscoelastoplástico. Estas mezclas se fabrican en centrales fijas o móviles y
posteriormente se transportan a obra para su extendido y compactación.
Betún: El betún o bitumen es una mezcla de líquidos orgánicos altamente viscosa,
negra, pegajosa, completamente soluble en disulfuro de carbono y compuesta
principalmente por hidrocarburos aromáticos policíclicos.
Pétreo: Son materiales que se obtienen de las rocas y se utilizan sin transformar para la
construcción y ornamentación.
Test de Inchamiento: La finalidad de estos ensayos, es determinar la expansividad o
aumento de volumen de una muestra de suelo cohesivo. En suelos que son expansivos,
el hinchamiento que experimentan al humedecerse, depende enormemente de las
condiciones de compactación. Cuanto más seco esté el suelo, mayor es la posibilidad de
que se hinche o colapse, ocurrirá uno u otro según la presión externa que se aplique, sea
esta inferior o superior a la presión de hinchamiento.
65
BIBLIOGRAFÍA
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ANEXOS
Anexo N°1. Granulación y escoria granulada de alto horno.
- Imagen ilustra la granulación (Ver Figura N°4) de la escoria para poder
utilizarla como materia prima en la elaboración de cemento.
Figura N°4. Granulación de escoria.
- Imagen muestra como es el producto final de la granulación de la escoria de alto horno. (Ver Figura N°5).
Figura N°5. Escoria granulada.
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Anexo N°2. Obras realizadas con cementos de escoria como materia prima.
Año 2000 Dique de Mónaco.
Es un muelle flotante construido en la dársena de Crinavis (Bahía de Algeciras).
Una vez construido, este muelle fue trasladado al puerto de La Condamine (Principado
de Mónaco), en donde uno de sus extremos se ancló a tierra mediante una rótula
mientras que el otro extremo se amarra al fondo marino. (Ver Figura N°6). Las
dimensiones principales del dique son 352 m de longitud, 28 de anchura y 19 de altura.
En su construcción se emplearon 44.000 m2 de hormigón.
Figura N°6. Dique de Mónaco. Fase final del proceso de construcción.
69
Año 2005 Adriatic LNG Terminal.
La obra también se realiza en la dársena de Crinavis. Se trata de un depósito
flotante de gas licuado que la petrolera Exxon Mobile instala en el mar Adriático a 13
km de la costa y tras ser transportado por vía marítima. (Ver Figura N°7). Las
dimensiones del depósito son 180 m de longitud, 88 m de anchura y 47 m de altura. En
su construcción se emplearon 90.000 m3de hormigón.
Figura N°7. Adriatic LNG Terminal. Fase de montaje de las instalaciones.
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Año 2008 Puente de Cádiz.
Obra promovida por el Ministerio de Fomento y que está siendo ejecutada por
Dragados. Se trata del segundo puente de acceso de que dispondrá la ciudad (el otro es el
puente Carranza, inaugurado en 1969). (Ver Figura N°8).
El nuevo puente ‘levadizo’, ya conocido como el puente de ‘La Pepa’ al haber
arrancado su construcción con la intención de inaugurarlo con motivo de la celebración
del 200 aniversario de la Constitución española de 1812, La Pepa, tiene una longitud de
3,15 km y una anchura de 30 m. Se levanta sobre el nivel del mar 69 m (gálibo bajo el
puente) y tendrá una cota máxima de 187 m.
Figura N°8. Puente de “La Pepa”: Construcción de las pilas.
71
