mini|300px|Montón de escoria de alto horno en la planta siderúrgica de Arcelor Mittal en Fos-sur-Mer: escoria vitrificada (en beige claro, cono en primer plano y montón en segundo plano) y cristalizada (en gris, centro izquierda). Al fondo, de izquierda a derecha: un gasómetro de gas de alumbrado y la fábrica de molienda de escoria vitrificada.Su composición química es estrictamente idéntica, y solo varía el modo de enfriamiento
En siderurgia, el término lechada (traducción de la palabra francesa ) se usa para denominar a las escorias líquidas que se forman durante la obtención de metales por fusión. Es una mezcla principalmente de silicatos, aluminatos y cal, con varios óxidos metálicos (excepto óxidos de hierro). Sus funciones en la metalurgia de los metales ferrosos fundidos son múltiples.
Resultado de la actividad de los altos hornos, es un subproducto apreciado como material de relleno en construcción o como materia prima para la fabricación de cemento. Las escorias fosforadas molidas obtenidas a partir del proceso Thomas para producir acero, utilizadas como fertilizante agrícola, se convirtieron en un importante recurso para la industria siderúrgica a principios de , precedente inmediato de la moderna valorización de las escorias como resultado de la optimización económica de los procesos de la industria siderúrgica.
Definición Elementos etimológicos Según el diccionario francés Le Petit Robert, el término se ha utilizado en metalurgia desde al menos 1676. Su etimología conduce inmediatamente a la palabra "leche". De hecho, cuando están completamente libres de hierro, las escorias de un alto horno tienen una blancura y un aspecto que recuerda a la leche hirviendo. Es una palabra propia del oficio de fundidor:
Acepción moderna Lechada es el nombre que reciben las escorias de la metalurgia del hierro y sus compuestos:
Para los altos hornos, "la expresión subproducto se utilizó durante mucho tiempo sin que nadie la criticara… Sin embargo, para mostrar que la valorización de las escorias era un objetivo en sí mismo, esta palabra fue sustituida en la década de 1980 por el término coproducto".Laitier El debate semántico era el mismo para las escorias de los convertidores Thomas, que tenían que ser lo más ricas posible en fósforo para justificar su uso como fertilizante. En cambio, para las demás escorias siderúrgicas, su reutilización rara vez era rentable: se trataba de subproductos sin interés económico.
Obtención La lechada se genera durante la producción de metales fundidos. Su baja densidad (2,4 tn/m³) hace que flote sobre el metal en estado líquido, que se separa fácilmente de la escoria porque es un compuesto iónico, no miscible con el metal fundido.
Escoria de alto horno La lechada es un subproducto resultante de la fabricación de arrabio en un alto horno. Su origen es la ganga, la parte estéril del mineral procesado, a la que se le suman las cenizas procedentes de la combustión del coque. La cantidad de escoria producida se corresponde directamente con la riqueza del mineral de hierro utilizado. Para un alto horno moderno que opera con minerales ricos en hierro, generalmente se alcanza una proporción de 180 a 350 kg de escoria por cada tonelada de hierro fundido producido, aunque es posible obtener cifras más bajas (del orden de 100 kg/t) en un alto horno que consuma carbón vegetal, o muy superiores (del orden de 1300 kg/t) cuando se usan minerales pobres y combustible barato. Esta última cifra era clásica en el , aunque el contenido de hierro en el mineral superase el 5%.
La lechada permite controlar la composición de la fundición (en particular eliminando el azufre, elemento indeseable, pero también las sustancias alcalinas, que perturban el funcionamiento del alto horno y al control del desgaste de los refractarios.
Sin embargo, desde el punto de vista térmico, la fusión de la escoria es un proceso estéril, aunque su entalpía, del orden de , corresponde solo al 3,5% del balance energético total del alto horno. Su valor, aunque no del todo despreciable, es mucho menos interesante que el del hierro fundido. Se han abandonado así los minerales de hierro pobres, como el denominado minette lorraine, que inducen un mayor consumo de coque en el alto horno, ya que la cantidad de material a calentar es mayor. De hecho, incluso para un alto horno que funcione con minerales ricos en hierro, el volumen de escoria es idéntico al del hierro fundido producido (debido a la diferencia de densidad). Por otro lado, el precio de venta de la escoria granulada supone menos del 5% del costo de producción del hierro fundido.
Composiciones típicas de escoria de hierro (en % en peso) Tipo de lechada FeO, / MnO CaO MgO S Alto horno (arrabio de hematita) 0,16 -0,2 < 1 34 - 36 10 - 12 38 - 41 7 - 10 1 1 - 1,5 Cubilote 0,5 - 2,5 1 - 2 25 - 30 5 - 15 45 - 55 1 - 2
La escoria de alto horno, con una composición química muy estable, se utiliza a menudo en la fabricación de cemento (BFS-OPC) o, más ocasionalmente, en la fabricación de vidrio: luego se granula o se priocesa en forma de arena. Esta arena se obtiene por enfriamiento brusco en contacto con el agua para fracturarla y vitrificarla. La escoria también se puede verter en un pozo, donde cristaliza y se agrieta después de un enfriamiento lento: luego se destina a obras públicas (como balasto o en mezclas asfálticas). Si cumple con unas estrictas condiciones de calidad, también se puede utilizar en la fabricación de lana de vidrio.Laitier (usages des)
Lechada fundida fluyendo a través de una instalación de peletización|mini|center|x180pxLechada de alto horno granulada (o vitrificada)|mini|center|x180pxMuestra de escoria granulada |mini|center|x180pxBloque de lechada cristalizada utilizado como relleno granular|mini|center|x180px
Escoria de acería Escoria metalúrgica primaria (o escoria negra) En una acería, la escoria proviene tanto de los convertidores, donde está altamente oxidada, como de la metalurgia en un cucharón o en hornos eléctricos. Por una tonelada de acero producido, se generan entre 150 y 200 kg de escorias siderúrgicas, independientemente del sector (alto horno - convertidor o fundición de chatarra).
La escoria de un convertidor (o escoria negra) se produce por oxidación de elementos indeseables (como silicio y fósforo) o por la oxidación inevitable de otros elementos vinculada al proceso (como hierro y manganeso). Estos óxidos se diluyen en materiales destinados a dar a la escoria un carácter más o menos básico o viscoso, y generalmente son de crácter básico, como cal magnesia o espato de flúor.
Composiciones típicas de las escorias metalúrgicas primarias (en % en peso, al final del afinado) Tipo de lechada FeO / Fe2O3 MnO SiO2 Al2O3 CaO MgO P2O5 S Convertidor Bessemer original 15 7 75 3 0 Convertidor Thomas original 17 9 15 37 10 12 0,5 Thomas mejorado 10 3 7 2 52 5 20 0,3 Convertidor tipo OLP 12 4 7 57 20 Convertidor tipo LD 20 7 13 48 2 Horno de arco eléctrico con tratamiento OLP 20 - 30 7 50 1 - 2,5
Escoria de metalurgia secundaria (o escoria blanca) mini|150px|Escoria fundida fluyendo en un canal, a la salida de un convertidor Martin-Siemens (1941)
El papel de la escoria metalúrgica secundaria (o escoria blanca) es tan variable como complejo. Reúne impurezas y elementos químicos no deseados mediante la absorción de inclusiones de óxidos disueltas en el metal, generalmente para "calmarlo". Para ello, es fundamental gestionar su composición, de modo que sea reactivo. Por ejemplo, un alto contenido de cal y flúor promoverá la captura de inclusiones de alúmina, que son ácidas. Sin embargo, esta escoria también debe ser inactiva respecto al material de los ladrillos refractarios, por lo que la composición de las escorias en el proceso de afinado se convierte en hallar una solución de compromiso entre ambas condiciones.
Además, ciertos óxidos de la escoria, como el FeO, pueden oxidar adiciones para obtener aleaciones como el ferrotitanato, el aluminio, o el ferroboro. En estos casos, estos elementos se consumen antes de llegar al metal líquido, y su oxidación es, por tanto, un desperdicio. Una cantidad excesiva de escoria, o un proceso de reducción-oxidación de la escoria mal controlado puede suponer un coste prohibitivo.
En la metalurgia en cucharón o metalurgia secundaria, las herramientas relacionadas con el procesamiento de escoria generalmente consisten en un "rastrillo" para "desnatar" la escoria flotante sobre el acero líquido. Un sistema de tolvas permite la adición de productos destinados a ajustar su composición.
La escoria de acería es generalmente de composición cal-alúmina, para aceros al carbono destinados a obtener productos planos, y cal-sílice para aceros al carbono destinados a productos largos. Para aceros inoxidables, su alto contenido de cromo los hace inadecuados para su uso como rellenos, pero su reciclaje interno en la acería es económicamente atractivo.
Composiciones típicas de escorias metalúrgicas secundarias (en % en peso, al final del afinado) Tipo de lechada FeO / MnO CaO MgO S Acero calmado al aluminio (lechada desulfurante) 0 0 10 35 45 10 0,1
Escoria de soldadura La costra que se forma en el proceso de soldadura también se denomina lechada, que protege la unión del oxígeno del aire y lo aísla térmicamente.
En la soldadura con electrodos revestidos, es el revestimiento el que se funde para crear la lechada.
Los electrodos se distinguen entonces según su revestimiento: Revestimiento básico (rico en cal), de difícil aplicación, pero que proporciona una excelente resistencia mecánica. Revestimiento ácido (rico en sílice), más fácil de usar.
Proceso físico-química Cuando está fundida, la lechada es una solución de óxidos. Los más frecuentes son el FeO, el , el , la , el CaO y el MgO. También puede haber algo de sulfuros, pero la presencia de cal y alúmina disminuye su solubilidad.
La geometría molecular de una lechada fundida se puede distinguir según tres grupos de óxidos: ácidos, básicos y neutros. Los óxidos ácidos más comunes son la sílice y la alúmina. Cuando estos óxidos están en fusión, forman complejas cadenas polimerizadas. Las escorias ácidas son por lo tanto muy viscosas, y por lo tanto, difícilmente asimilan los óxidos ácidos presentes en el metal fundido.
Los óxidos básicos, como la cal o la magnesia, se disuelven en una escoria ácida como compuestos iónicos, que rompen las cadenas moleculares de los óxidos ácidos en unidades más pequeñas. La escoria se vuelve entonces menos viscosa, y la asimilación de otros óxidos ácidos también se vuelve más fácil. Hasta cierto límite, la adición de óxidos básicos en una escoria ácida, o de óxidos ácidos en una escoria básica, disminuye el punto de fusión.
Finalmente, los óxidos neutros (de hecho ligeramente ácidos), como wustita (FeO) o el óxido de cobre (), reaccionan poco con las cadenas de óxido.
En general, su conductividad eléctrica varía mucho con la temperatura y aumenta con la basicidad y el contenido de óxidos de cobre y hierro. La tensión superficial depende poco de la temperatura y aumenta con la acidez.
Rentabilización de las escorias Clasificación Varias calidades de lechadas están presentes en el mercado. En primer lugar se pueden clasificar según su origen: Lechadas de alto horno (HF) Lechadas de acería eléctrica Lechadas de convertidor con oxígeno (LD)
También se pueden clasificar según la forma en que han sido transformadas: Vitrificada por choque térmico al mezclarse con agua (75% en 2010): se suministra en forma de arena húmeda que se dedica a la producción de cemento, en la que puede reemplazar a parte del clínker. Cristalizada por vertido en un pozo donde se enfría lentamente (23% en 2010): el producto obtenido es una roca porosa pero resistente, generalmente utilizada como relleno en la construcción.