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Departamento
Centro de Investigaciones de Soldadura
Título: Desarrollo de materiales abrasivos mediante métodos
pirometalúrgicos
Autor: Rolando Felipe Saavedra
Tutor: Dr. Lorenzo Perdomo González
Curso: 2018-2019
Title: Development of abrasive materials by pyrometallurgical
methods
Author: Rolando Felipe Saavedra
Thesis Director: Dr. Lorenzo Perdomo González
Course: 2018-2019
Academic Departament
Welding research center
Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las
Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui
Gómez Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la
mencionada casa de altos estudios.
Se autoriza su utilización bajo la licencia siguiente:
Atribución- No Comercial- Compartir Igual
Para cualquier información contacte con:
Dirección de Información Científico Técnica. Universidad Central “Marta Abreu” de Las
Villas. Carretera a Camajuaní. Km 5½. Santa Clara. Villa Clara. Cuba. CP. 54 830
Teléfonos.: +53 01 42281503-1419
Resumen
En el Trabajo de Diploma se realiza una revisión bibliográfica acerca de las características
principales de los materiales abrasivos, los tipos, clasificación y sus aplicaciones, así como
las formas tradicionales de obtención.
Se aborda la obtención de materiales abrasivos a partir del procesamiento aluminotérmico
de residuales industriales, estudiándose la conformación de las mezclas, compuestas por
cascarillas de laminación, virutas de aluminio y escoria aluminotérmica. Como resultado
del proceso se obtiene como producto principal una escoria de características abrasivas y
como subproducto un metal que puede ser utilizado como materia prima en la industria
siderúrgica. Además se presenta el equipamiento utilizado, así como la formulación de las
cargas y se señala la metodología de trabajo a seguir durante la tesis.
Por último, se realiza una valoración de los resultados obtenidos durante el procesamiento
aluminotérmico de cada una de las cargas formuladas. Se hace una evaluación de la escoria
en el desarrollo de muelas abrasivas las cuales están destinadas al pulido de terrazo en la
Fábrica “Rolando Morales” de Cifuentes, utilizando como aglomerante cemento Portland
P350. Finalmente se realiza una pequeña valoración económica de la factibilidad técnica de
realizar la producción de estos materiales.
Abstract
In the Diploma Work, a bibliographic review is made about the main characteristics of the
abrasive materials, the types, classification and their applications, as well as the traditional
ways of obtaining them.
The obtaining of abrasive materials from the aluminothermic processing of industrial
residuals is studied, studying the conformation of the mixtures, composed of lamination
scale, aluminum shavings and aluminothermic slag. As a result of the process, a slag with
abrasive characteristics is obtained as a main product and as a by-product a metal that can
be used as a raw material in the steel industry. In addition, the equipment used is presented,
as well as the formulation of the loads and the work methodology to be followed during the
thesis is indicated.
Finally, an assessment is made of the results obtained during the aluminothermic
processing of each of the formulated loads. An evaluation of the slag is made in the
development of abrasive wheels which are intended for the polishing of terrazzo in the
"Rolando Morales" Factory of Cifuentes, using P350 Portland cement as binder. Finally, a
small economic evaluation of the technical feasibility of producing these materials is
carried out.
Índice
Introducción………………………………………………………………………………...1
Capítulo 1: Revisión bibliográfica ...................................................................................... 5
1.1. Materiales abrasivos .................................................................................................. 5
1.1.1. Características fundamentales de los materiales abrasivos ............................ 5
1.1.2. Clases de materiales abrasivos ........................................................................... 7
1.2. Corindón ................................................................................................................... 10
1.2.1. Propiedades del corindón ................................................................................. 10
1.2.2. Métodos de obtención del corindón ................................................................. 11
1.2.3. Aplicaciones del corindón ................................................................................. 14
1.3. Procesamiento aluminotérmico .............................................................................. 15
1.4. Reciclaje de latas de aluminio ................................................................................. 16
Capítulo 2: Materiales y métodos ..................................................................................... 19
2.1. Materias Primas ....................................................................................................... 19
2.1.1. Cascarilla de laminación ................................................................................... 19
2.1.2. Viruta de aluminio ............................................................................................ 19
2.2. Equipamiento ........................................................................................................... 20
2.3. Formulación de las cargas ....................................................................................... 20
2.4. Obtención de las aleaciones ..................................................................................... 21
Capítulo 3: Análisis de resultados ..................................................................................... 23
3.1. Valoración de las materias primas ......................................................................... 23
3.1.1 Cascarilla de laminación .................................................................................... 23
3.1.2 Virutas de Aluminio ........................................................................................... 24
3.2. Balance de masa ....................................................................................................... 25
3.3. Cálculo de los calores de reacción .......................................................................... 27
3.4. Resultados del procesamiento metalúrgico ........................................................... 29
3.4.1. Resultados del procesamiento de las cargas ................................................... 33
3.4.2. Resultados de las cargas grandes ..................................................................... 36
3.5. Evaluación de las escorias ....................................................................................... 37
3.6. Consideraciones económicas ................................................................................... 38
3.6.1 Costos de la materia prima ................................................................................ 38
3.6.2 Costos del gasto de energía eléctrica ................................................................ 39
3.6.3 Costos de trasportación ..................................................................................... 39
3.6.4 Costos totales de producción ............................................................................. 40
Conclusiones ........................................................................................................................ 42
Recomendaciones ................................................................................................................ 43
Referencias Bibliográficas ................................................................................................. 44
Anexo ................................................................................................................................... 48
1
Introducción
El abrasivo es una sustancia que se utiliza para afilar y pulir objetos por fricción o desgaste
de su superficie. Normalmente son sustancias muy duras que se aplican divididas en trozos
muy pequeños. La mayoría de los abrasivos naturales son minerales: corindón, diamante,
esmeril, granate, piedra pómez, cuarzo y arena; también se utilizan algunos tipos de barro
de diatomeas. Desde 1891 se utilizan algunos abrasivos sintéticos (carburos, boruros y
nitruros) que son prácticamente tan duros como el diamante. De hecho, los abrasivos
sintéticos de carbono presentan la misma dureza que los de diamante artificial. Entre ellos
destacan el corindón sintético, el carburo de tungsteno, de boro y de silicio, que se conoce
con el nombre de carborundo (ANFA, 2016).
Los materiales abrasivos se pueden encontrar en el mercado en múltiples formas (muelas,
discos, papel, polvos, pastas, discos, etc.) y se utilizan también en diferentes
procedimientos y operaciones en la industria. Actualmente la gran mayoría de estos
productos se fabrican empleando como material abrasivo, el carburo de silicio (SiC de color
negro o verde) o el corindón (Al2O3) el cual también se puede encontrar en diferentes
variedades (blanco, marrón, rosa, zirconio, etc.) (Muñoz, 2007).
Tanto el corindón como el carburo de silicio se obtienen mediante complejos y costosos
procedimientos pirometalúrgicos de fusión o reducción de minerales a elevadas
temperaturas, obteniéndose abrasivos de diferentes granulometrías, los que son clasificados
por clases granulométricas. Estos métodos producen materiales abrasivos de muy alta
calidad donde tanto el SiC como el corindón llegan a alcanzar purezas de hasta el 99%. Los
métodos utilizados para la obtención de estos materiales son altamente consumidores de
energía (Granate, corindón y esmeril, 1976).
Muchos de los productos desarrollados a partir del empleo de estos materiales abrasivos no
requieren necesariamente de la utilización de un producto abrasivo de tan alta pureza,
conociéndose que se emplean varios productos comerciales desarrollados sobre la base de
materiales de menor pureza, por ejemplo el corindón natural Mapcor empleado como sand
blasting en múltiples aplicaciones y el esmeril el cual es una variedad de óxido de aluminio
de menor pureza, también muy empleado en el desarrollo de materiales abrasivos (ANFA,
2012).
2
En la práctica industrial pueden encontrarse múltiples variantes tecnológicas de
procesamiento de minerales que pueden ser usadas como alternativa viable para el
desarrollo de materiales abrasivos (Ballester, 2011).
La tecnología de reducción aluminotérmica de minerales, ha sido tradicionalmente aplicada
al procesamiento de minerales o concentrados de alta ley con el fin de obtener metales de
alta pureza. En éste método la fusión reducción se realiza a partir del calor generado por la
reacción química entre el aluminio y los óxidos metálicos, por lo que dicho procedimiento
no demanda de energía eléctrica para el proceso (Beckert, 2012).
Las escorias que generan el proceso tienen alto contenido de alúmina lo cual permite su
futura aplicación en el desarrollo de materiales abrasivos.
Las materias primas utilizada en Cuba en la elaboración de abrasivos son de importación.
Cuba cuenta con una sola Fábrica de abrasivos, situada en La Ceiba, Ciudad de La Habana,
la cual se denomina “Unidad Básica, Fábrica de Abrasivos, Juan Domínguez Días Empresa
de Cerámica Roja y Refractarios“. En ella se fabrican muelas abrasivas cilíndricas
empleadas fundamentalmente en la industria mecánica y muelas abrasivas rectangulares
empleadas fundamentalmente en operaciones de desbaste y pulido de pisos (García, 2006).
Las materias primas utilizadas en el proceso de obtención del abrasivo, son un residual
industrial que es producido por la actividad humana, donde en gran parte se pueden
aprovechar nuevamente. Estos residuos constituyen un agente contaminante del medio
ambiente (Convenio de Brasilea, 1989).
No ha sido política de todos los países controlar la descarga, al medio ambiente, de los
residuos industriales, lo que ha conllevado a que nuestro planeta se encuentre cada día más
contaminado.
Para Cuba, siempre ha estado clara la necesidad de proteger el medio ambiente de aquí que
en el primer POR CUANTO de la Ley 81 del Medio Ambiente se plantee:
POR CUANTO: Cuba presta especial atención a la protección del medio ambiente en el
contexto de una política de desarrollo consagrada en la obra revolucionaria iniciada en
1959, como expresión de lo cual el Artículo 27 de la Constitución de la República postula
que "El Estado protege el medio ambiente y los recursos naturales del país. Reconoce su
estrecha vinculación con el desarrollo económico y social sostenible para hacer más
racional la vida humana y asegurar la supervivencia, el bienestar y la seguridad de las
3
generaciones actuales y futuras. Corresponde a los órganos competentes aplicar esta
política. Es deber de los ciudadanos contribuir a la protección del agua, la atmósfera, la
conservación del suelo, la flora, la fauna y todo el rico potencial de la naturaleza" (Ley No.
81 del medio ambiente, 1997).
A partir de estas bases legales, se han adoptado un grupo de leyes y resoluciones por el
Ministerio de Ciencia Tecnología y Medio Ambiente de Cuba (CITMA), por ejemplo la
resolución No. 87/99, la cual tiene como objetivo normar el ejercicio de las funciones y el
cumplimiento de las obligaciones que corresponden al Ministerio de Ciencia, Tecnología y
Medio Ambiente, en su condición de Autoridad Nacional y Punto de Contacto del
Convenio de Basilea sobre el Control de los Movimientos Transfronterizos de los Desechos
Peligrosos y su Eliminación (Resolución No. 87/99, 1999).
Problema práctico
Los materiales abrasivos base corindón son ampliamente utilizados en la industria cubana,
siendo importada la materia prima fundamental utilizada para su fabricación, por otro lado,
la industria siderúrgica, como parte de sus procesos de producción, genera continuamente
cascarillas de laminación y virutas de aluminio, que se convierten en contaminantes del
medio ambiente.
Problema científico
Estudiar alternativas tecnológicas que permitan el procesamiento de cascarillas de
laminación y virutas de aluminio para la obtención de materiales abrasivos.
Hipótesis
La conformación de mezclas, cascarillas de laminación y virutas de aluminio, permite el
procesamiento pirometalúrgicos de estos residuos industriales para la obtención de
materiales abrasivos.
4
Objetivo general
Evaluar el procesamiento pirometalúrgico de cascarillas de laminación y virutas de
aluminio, para la obtención de materiales abrasivos.
Objetivos específicos
Evaluar el procesamiento aluminotérmico y carbotérmico de cargas pirometalúrgicas
cascarillas de laminación – aluminio con adición de escorias aluminotérmicas.
Caracterizar los productos obtenidos
Tareas
Revisión bibliográfica.
Preparar y procesar las cargas pirometalúrgicas integradas por cascarillas de
laminación y aluminio.
Evaluar la influencia de la adición de escorias aluminotérmicas sobre el
procesamiento aluminotérmicos y carbotérmico de las cargas formuladas.
Evaluar los productos (metal y escoria).
Evaluar la influencia de la adición de aire durante el procesamiento.
Realizar una valoración de la factibilidad técnico económico de la producción de
materiales abrasivos obtenidos.
5
Capítulo 1: Revisión bibliográfica
En este capítulo se realiza una revisión bibliográfica sobre el desarrollo de materiales
abrasivos obtenidos mediante procesamiento pirometalúrgico. Se abordan las características
fundamentales, propiedades, y clases de abrasivos, enfatizándose en el corindón (alúmina),
Por último se caracteriza el proceso pirometalúrgico, especificando la aluminotermia ya que
en esto se basa para la obtención de la escoria para hacer el abrasivo.
1.1. Materiales abrasivos
Son materiales que por su elevada dureza y estructura son capaces de producir por acción
mecánica, un desgaste sobre materiales menos duros. En general los abrasivos son todos los
materiales, productos químicos o naturales, cuya dureza es mayor que la del objeto a rayar.
Pueden ser en polvo, líquidos, mixtos, aglutinados con materiales de resinas sintéticas,
aleaciones metálicas o montadas en soportes flexibles, rígidos, oscilantes o giratorios.
Pueden ser producidos para allanar, alisar o pulir mármol, piedra, granito, cerámica, vidrio,
madera, acero y materiales varios, que precisen un acabado de sus superficies (William,
2010).
1.1.1. Características fundamentales de los materiales abrasivos
a) La dureza
Se define como la oposición que ofrecen los materiales a alteraciones como la penetración,
la abrasión, el rayado, etc. por otro material. Por ejemplo, la madera puede rayarse con
facilidad y esto significa que no tiene mucha dureza, mientras que el vidrio es mucho más
difícil de rayar (Hernández, 2003).
A lo largo de la historia durante el estudio y clasificación de los minerales hubo un
momento en que se hacía pertinente distinguir los diferentes grados de dureza de los
minerales y rocas. El primer intento de establecer un método a tal fin, más amateur que
profesional se debió a Mohs. Su sencillez tanto de memorización como de aplicación hace
que aún perdure aunque ha quedado relegada al aficionado o a una primera aproximación
del geólogo en el trabajo de campo (Askeland, 2015).
La escala de Mohs es una relación de 10 minerales (ver Tabla 1.1) ordenados por su
dureza, de mayor a menor. Con dureza 10 sitúa el Diamante, 9.6 el Carburo de Silicio, 9.2
el Corindón (Óxido de Aluminio), a los que siguen el Esmeril, Granate, etc., hasta llegar al
6
Talco con dureza 0. Se basa en el principio que una sustancia dura puede rayar a otra más
blanda y nunca al contrario (Askeland, 2015).
Tabla 1.1: Tabla de valores Mohs (Askeland, 2015)
La escala Rosiwal determina la dureza en valores absolutos a diferencia de la escala de
Mohs que son relativos y la mide en base a la pérdida de peso del material tras una abrasión
realizada en unas condiciones normalizadas (Linke, 2016).
La escala Knoop al igual que la escala Rosiwal ofrece su medición de la dureza en valores
absolutos y está basada en la profundidad de la señal grabada en los minerales con una
punta de diamante de forma piramidal rómbica a una fuerza standard (Askeland, 2015).
b) La friabilidad
Es la capacidad de los granos abrasivos para romperse y auto-afilarse bajo tensión. Es un
factor muy importante en su funcionamiento ya que a una mayor friabilidad, una mayor
capacidad de producir nuevas aristas cortantes (Hernández, 2003).
c) La tenacidad
Mide la capacidad de los abrasivos para resistir al desgaste (Hesse, 2017).
d) La capacidad de corte
Las rayas producidas por el mineral sobre una superficie dependen, en gran medida, de lo
afiladas que sean las aristas del mineral (Hesse, 2017).
e) Granulometría
Probablemente la propiedad más importante de los abrasivos es la granulometría: mide el
tamaño del grano, determina inversamente el tamaño del grano, de esta manera cuanto
mayor es la numeración, tanto menor será el tamaño del grano (Smith, 1999).
7
De esta forma puede usarse la siguiente relación entre aplicación práctica del material
abrasivo y la granulometría (ver Tabla 1.2).
Tabla 1.2: Relación entre aplicación y tamaño de grano
Aplicación Granos
Desbaste Pesado 36 40 50
Desbaste Leve 60 80 100
Semi Terminado 120 150 180
Acabado 220 240 280 320
Pulido 360 400 500 600 800
1.1.2. Clases de materiales abrasivos
1.1.2.1. Abrasivos naturales
Son producto de la naturaleza utilizados por el hombre durante siglos.
a) Cuarzo
Se encuentra en grandes cantidades por todo el planeta. Se utiliza como abrasivo bajo el
nombre de arena silícea, y se considera el abrasivo más usado por su bajo precio. Se emplea
en la fabricación de lijas, discos o bloques, y, principalmente, en sistemas de abrasión por
medio de un chorro de arena a presión.
Su uso ha disminuido sensiblemente, pero aún se sigue empleando en productos de bajo
precio (Muñoz, 2007).
Clasificación de dureza = Escala de Mohs 7 – Escala de Knoop (Entre 8.000 y 9.000)
b) Granate
También llamado Almandita, pertenece al grupo de los neosilicatos. Hay variedades muy
duras que se utilizan precisamente como abrasivos debido a esta característica y, aún hoy,
se continúan utilizando en algunas lijas para la industria de la madera (Linke, 2016).
Clasificación de dureza = Escala de Mohs 7,5 – 8.
c) Esmeril
El origen de su nombre surgió hace unos dos siglos en la isla de Naxos – Cabo Emery
donde se encontraron grandes yacimientos de este abrasivo natural, por lo que comenzó a
llamársele Emery (en español esmeril).
Es una roca muy dura usada para hacer polvo abrasivo considerándose el abrasivo histórico
por excelencia.
8
Está compuesta principalmente del mineral corindón (óxido de aluminio) mezclado con
algunas trazas de hierro, titanio, cromo, manganeso, níquel, vanadio y silicato.
Principalmente se emplea en piedras de afilar (esmeriladoras), herramientas para cortar y
pulir metales, etc. (Smith, 1999).
Clasificación de dureza = Escala de Mohs 9.
d) Diamante natural
Es el material natural más duro hasta ahora conocido; su resistencia a la abrasión es del
orden de 140 veces superior a la del corindón a pesar de que ambas, corindón y diamante
ocupan los lugares 9 y 10 de la escala de Mohs (Shackelford, 2010).
Es un cristal transparente de átomos de carbono que ha sido adaptado para muchos usos
debido a las excepcionales características físicas y una de ellas es su uso industrial
Clasificación de dureza = Escala de Mohs 10 – Escala de Knoop 70.000.
1.1.2.2. Abrasivos sintéticos
Son los producidos por la mano del hombre. Requieren un importante procesamiento
industrial con materias primas y reactivos químicos.
La mayoría de los abrasivos naturales han sido sustituidos por los sintéticos ya que la
industria demanda abrasivos con propiedades más precisas y estables que las que ofrecen
los naturales (William, 2010).
a) Carburo de silicio
También llamado carborundo, se produce en horno eléctrico al procesar arena sílice a
elevadas temperaturas, con coke, sal (como agente purificante) y aserrín (para disipar los
gases).
El resultado es una masa de cristales de elevada dureza y un alto índice de fractura. Esta
fragilidad, hace que al fracturarse presente continuamente aristas afiladas de excelente
corte.
Es el más duro y cortante entre los abrasivos convencionales, lo que le convierte en ideal
para acabados finos. Su gran dureza, próxima a la del diamante, le hace excelente para el
uso sobre piedra y materiales duros.
Con él se elaboran lijas, discos de corte de metal, pastas para esmeril, etc. (Linke, 2016).
Clasificación de dureza = Escala de Mohs 9,6 – Escala de Knoop 25.000.
9
b) Nitruro de Boro cúbico (CBN)
Se obtiene por tratamiento a altas temperaturas y presiones del Nitruro de Boro Hexagonal.
Es un material de una dureza ligeramente inferior a la del diamante, tiene mejor estabilidad
que este frente al calor y para trabajar con hierro tiene la ventaja de que no reacciona
químicamente.
Modernamente se emplea en distintas proporciones según la aplicación requerida y con
aglomerantes como los galvánicos, las resinas sintéticas y los cerámicos incorporando a
veces un aglutinante metálico para mejorar su tenacidad.
Se emplea en herramientas de corte para la mecanización de la mayoría de los aceros y
hierros fundidos (Shackelford, 2010).
Clasificación de dureza = Escala de Knoop 45.000.
c) Diamante sintético
Es elaborado en procesos tecnológicos a diferencia de los diamantes naturales que lo son en
procesos geológicos. Sus propiedades dependen, del fabricante, de los procesos de su
manufacturación y pueden ser superiores o inferiores a las de los diamantes naturales.
La dureza, puede ser superior en algunos diamantes sintéticos y de ahí que sea un producto
ampliamente usado como abrasivo.
No es apto para utilización sobre aleaciones ferrosas a altas velocidades, puesto que el
carbono es soluble en hierro a altas temperaturas, lo que provoca un mayor desgaste en las
herramientas de diamante cuando se las compara con otras alternativas (Malishev, 1989).
Clasificación de dureza = Escala de Mohs 10 – Escala de Knoop 70.000.
d) Óxido de aluminio
El óxido de aluminio, denominado frecuentemente corindón (ver Figura 1.1) es un óxido de
aluminio cristalino (Al2O3), también conocido como alúmina. En él se producen al menos
cinco modificaciones, α-Al2O3, β-Al2O3, γ-Al2O3, δ-Al2O3 y ε-Al2O3. La modificación más
importante es el cristalino romboédrico α-Al2O3 siendo la base del corindón, es también el
elemento activo en la lija de material abrasivo natural y en las piedras preciosas zafiro y
rubí (Corindón, 2018).
10
Figura 1.1: El Óxido de aluminio – Corindón.
1.2. Corindón
Su origen es magmático en andesitas, pegmatitas y basaltos, metamórfico y en placeres en
asociación con topacio, espinela, andalucita y otros minerales. Cerca de Bancroft (Ontario,
Canadá) hay cristales de corindón comunes que pesan hasta 30 kg (Linke, B. 2016).
En la actualidad los mayores cristales de corindón se encuentran en las rocas antiguas de
los Urales, de Canadá, de EEUU y de Madagascar. Los corindones de mayor valor
gemológico proceden de Birmania, Tailandia, EEUU y Australia (Corindón, 2018).
Se ha encontrado un cristal de 151 kg en el distrito de Letaba (Sudáfrica). En las
proximidades de Ratnapura y Rakwana (Sri Lanka), existen cristales de Zafiro que pesan
hasta 20 kg. Se conocen también buenos ejemplares en Cachemira (India) (Corindón,
2018).
El rubí es una variedad del corindón mucho más rara. Sus bellos cristales de hasta 50 mm
de longitud se dan en Jegdalek (Afganistán), Mogok (Birmania) y Luc Yen (Vietnam).Se
han encontrado cristales prismáticos de rubí opaco de hasta 40 mm de tamaño en la isla
Khit, cerca de la península de Kola (Rusia) (Granate, corindón y esmeril, 1976).
Los cristales de rubí de hasta 30 cm de tamaño embebidos en zoisita verde de las
proximidades de Arusha (Tanzania), son muy decorativos. Se asocia a la espinela,
magnetita, enstatita, diáspora, calcita. La dureza y el peso específico, así como la forma
cristalina del corindón lo distinguen de casi todos los minerales (Askeland, 2015).
1.2.1. Propiedades del corindón
a) Dureza: El corindón tiene una dureza 9 en la escala de Mohs, aunque varía algo según
su grado de pureza. A pesar de que su dureza es la más próxima a la del diamante en la
escala de Mohs, la diferencia existente entre ambos es mucho mayor que la existente entre
los 8 grados restantes en dicha escala. La variedad más dura es el zafiro, aunque puede
11
variar entre 7 y 9 según su composición. La dureza y calidad de corte
del esmeril depende de la cantidad de corindón presente, la raya del corindón es blanca
(Malishev, 1989).
b) Peso específico: El peso específico del corindón está comprendido entre 3.93 y 4.10,
dependiendo su valor de la cantidad de impurezas presentes.
c) Brillo: En el corindón es adamantino a vítreo, el corindón común es opaco, pero hay
variedades transparentes.
d) Fractura: Las gemas de corindón tienen fractura concoidal, pero la variedad común,
aunque recién extraída no presenta cruceros; una vez alterada se resquebraja a lo largo de
planos de separación originando superficies lisas, reduciéndose su valor como abrasivo.
e) Color: El corindón varía considerablemente de color, presentándose normalmente en
tonalidades de castaño, rosa o azul. Puede ser también blanco, gris, verde, rojo, negro,
amarillo, violeta y también incoloro. Generalmente los colores se deben a estar teñidos por
óxidos metálicos; así la coloración en rojo intenso se debe al Cr203 (1 a 2.5 %), la azul
oscura se debe al Fe y Ti.
El corindón incoloro se denomina "zafiro blanco", el amarillo se conoce como "topacio
oriental", el verde y el púrpura "esmeralda oriental" y "amatista oriental", respectivamente
(Granate, corindón y esmeril, 1976).
1.2.2. Métodos de obtención del corindón
La industria utiliza varios tipos de corindón con diferente composición química y formas de
fabricación, tales como:
Corindón fundido:
corindón marrón (conocido como alúmina fundida marrón)
corindón blanco (conocido como alúmina blanca pura)
corindón rosa
corindón rubí (conocido como alúmina roja)
corindón de circonio (también conocido como alúmina zirconio)
corindón monocristalino (conocido como alúmina de cristal único)
corindón microcristalino
corindón de esfera hueca (también conocido como alúmina de burbuja)
12
Corindón sinterizado
Corindón sol-gel
- Fabricación de Corindón por electrofusión
El corindón fundido, como el corindón regular, blanco o rosado, se produce por electro
fusión de la bauxita. En 1897 Charles B. Jacobs desarrolló el método, que fusionó a
temperaturas superiores a 2200 ºC y en 1904 Aldus C. Higgins de Norton Company
presentó el horno Higgins, un horno de arco que se utiliza en la actualidad, este consiste en
una carcasa de metal pesado resistente, donde la cubierta del crisol puede moverse hacia
arriba y abajo junto con los electrodos, que se insertan en las materias primas. El arco se
estable entre los electrodos a través del material procesado, la cubierta y el fondo son
refrigerados por agua (Linke, 2016).
Los tiempos de fusión dependen del método aplicado y del tamaño del horno, para horno de
bloque/horno Higgins 15–24 h, para hornos basculantes 3–5 h. El enfriamiento y la
solidificación posterior de la masa fundida también dependen del tamaño del horno (4 a 20
toneladas de peso) y pueden durar hasta 14 días. El tamaño de los cristales de corindón
depende del tamaño del bloque y la velocidad de enfriamiento y puede variar desde 0.2 mm
hasta varios milímetros (Hernández, 2003).
El procedimiento de enfriamiento se realiza mediante el método de palanquilla o el método
de inclinación. En el método de palanquilla, un enorme bloque de hasta 20 toneladas se
enfría lentamente en el aire, lo que lleva de 10 a 14 días, y se forman grandes cristales. En
el método de inclinación, la masa fundida se enfría en moldes planos. Los cristales finos
resultan de un enfriamiento más rápido (Shackelford, 2010).
La principal materia prima, la bauxita (Al2O3 + SiO2 + TiO2 + Fe2O3) que es un óxido de
aluminio impuro encontrado en la naturaleza. La bauxita natural contiene 80 a 90 % de
alúmina con impurezas tales como 2 a 5 % de TiO2 y Fe2O3, Fe (OH)3, ácido silícico, Al
(OH)3 y óxidos hidratos de aluminio. Antes de la fusión, la bauxita se puede calcinar o
purificar mediante el proceso de Bayer.
La bauxita pre procesada es fundida con coque o carbón de piedra, hierro metálico y otros
aditivos, el carbono reduce los óxidos metálicos presentes en la bauxita, entre los cuales
está el hierro. Las impurezas solidifican como una masa magnética concentrándose en el
fondo del horno (Hesse, 2017).
13
Los cambios en los ingredientes o en el procedimiento de fusión dan como resultado el
corindón marrón (ver Figura 1.2). El proceso de calcinación se realiza a aproximadamente
950 ºC, deshidratando la bauxita. Para el procesamiento de la bauxita se utiliza alrededor
del 80 % de bauxita calcinada, 16 % de hierro y 4 % de coque, necesitando para la fusión
de 1 tonelada de corindón marrón alrededor 2.2 MVA (William, 2010).
El corindón blanco se produce a partir de materias primas relativamente puras, en particular
a partir de alúmina pura (> 99 %), este producto se obtiene a partir de bauxita mediante el
método de Bayer (Muñoz, 2007).
Figura 1.2: Producción del corindón marrón.
El corindón rosado y el corindón rubí se hacen como el corindón blanco pero el óxido de
cromo Cr2O3 se agrega en cantidades de 0,3 o 2 % respectivamente al proceso de fusión, el
óxido de cromo está integrado en la estructura cristalina Al2O3. Las adiciones de óxido de
vanadio dan un corindón verde abrasivo (García, 2002).
El corindón mono cristalino se produce también como el corindón blanco, pero el sulfuro
de hierro se agrega además de coque a la masa fundida, de modo que se forma un óxido de
aluminio puro monocristalino en una matriz de sulfuro ferroso, contiene muy baja cantidad
de sodio (Na). La matriz sulfurosa se tritura y se trata con agua, de modo que los granos de
corindón mono cristalino se eliminen. La estructura cristalina no tiene defectos y, por lo
tanto, se obtiene una mayor resistencia que el corindón fundido convencionalmente,
además no se utilizan fuerzas de aplastamiento elevadas para adquirir los granos (Ballester,
2011).
14
Una forma más o menos regular caracteriza al corindón de esfera hueca, el cual se puede
obtener por diferentes rutas de fabricación, una forma es fundir las materias primas en un
horno de arco eléctrico y verter el material fuera del horno a través de una corriente de aire
a alta presión, la corriente fundida se transforma en partículas más pequeñas que se enfrían
mientras vuelan por el aire. La tensión superficial obliga a las partículas a formar esferas, el
exterior de las esferas se enfría más rápido que el interior, de modo que el material se aleja
del centro de la esfera y deja un núcleo abierto. La alta velocidad de enfriamiento da como
resultado una estructura cristalina fina y la velocidad de la corriente de aire controla el
tamaño de la esfera entre 5 mm y 100 μm (Corindón, 2018).
El corindón de circonio se genera mediante la adición de hasta un 40 % de dióxido de
circonio (ZrO2) durante el proceso de fusión, seguido de un posterior colado en frío.
Durante la solidificación se forman estructuras eutécticas de Al2O3 y ZrO2. La carga
mecánica o el calentamiento de hasta 700 °C induce una transformación del óxido de
circonio de la fase tetragonal a la monoclina, aumentando el volumen del óxido y las micro
grietas se acumulan dentro del grano abrasivo, lo que inhibe las grietas bajo carga. El
mecanismo de desgaste del corindón circonio puede estar influenciado por el contenido de
ZrO2 hasta cierto punto. Una disminución en el contenido de ZrO2 da como resultado una
caída de la tenacidad y como consecuencia la rotura de las partículas de grano más grandes,
disminuyendo también la tendencia al desgaste por abrasión de las áreas más grandes. Las
arenas del corindón al circonio no se pueden usar en enlaces vitrificados porque el proceso
de sinterización con temperaturas superiores a 900 °C conduce a la destrucción de los
abrasivos por cambio volumétrico (Corindón, 2018).
1.2.3. Aplicaciones del corindón
El progreso continuo de los abrasivos artificiales ha puesto en peligro el mercado de los
abrasivos naturales que tan sólo representa en la actualidad un 2 % del de los abrasivos
artificiales (Duart, 2014).
Este se usa en la fabricación de algunos tipos de muelas abrasivas como (Bracarense,
2007):
- Muelas abrasivas rectas
- Muelas abrasivas cónicas y adelgazadas
- Muelas abrasivas de tazas
15
- Muelas abrasivas de plato
- Muelas abrasivas acodadas
1.3. Procesamiento aluminotérmico
La aluminotermia ha sido bastante utilizada en aplicaciones específicas, está basado en la
reacción química entre materiales ferrosos o no ferrosos y el aluminio (Lacerda, 2003).
Así, de una forma general, se trata típicamente de un proceso que implica una reacción del
aluminio con un óxido metálico, dando como resultado el metal y óxido de aluminio, con
liberación de calor (Lacerda, 2003).
El químico Hans Goldschmidt descubrió que la reacción exotérmica entre el polvo de
aluminio y un óxido metálico puede iniciarse por una fuente externa de calor. Por ser
altamente exotérmica. La reacción puede ser auto sostenida, y puede ser con o sin presión
(Beckert, 2012).
El óxido de hierro "pierde su oxígeno" para el aluminio y la reacción siguiente es muy
violenta y rápida, dejando el hierro fundido en la base del crisol. Esta reacción se muestra
en los siguientes ejemplos
Ejemplo:
9Fe + + 3350 kcal (3100°C=5600°F)
Esta reacción es una de las más utilizadas, y la relación en peso es de tres partes de óxido
de hierro para una parte de aluminio. La temperatura teórica de (3100 ° C = 5600 ° F) es
reducida por pérdidas de calor en el crisol y por radiación, además de la ayuda de
componentes no reactivos normalmente añadidos a la mezcla, para que se consiga
temperatura de alrededor de 2480 ° C = 4500 ° F. Esto es importante, pues el aluminio
vaporiza a 2500 ° C = 4530 ° F (Hufnagel, 2007).
Por otro lado, esta temperatura no podría ser muy baja, pues la escoria de aluminio ( )
se solidifica a 2040 ° C = 3,700 ° F. Los aditivos también se pueden utilizar para aumentar
la fluidez y bajar la temperatura de solidificación de la escoria. Grandes cantidades de
material (termita) en soldaduras grandes, implican en bajas pérdidas por peso de termita, y
una reacción más completa (García, 2002).
16
La aluminotermia se utiliza para la obtención de metales puros o de aleaciones con bajos
contenidos de carbono, por otro lado también ha sido ampliamente utilizada en procesos de
soldadura tanto de aleaciones ferrosas como no ferrosas (Lacerda, 2003).
La producción de metales y aleaciones, mediante aluminotermia ha sido ampliamente
estudiada, utilizándose fundamentalmente para la obtención de aleaciones de muy bajo
contenido de carbono, tal es el caso de la producción de ferrocromo extra bajo en carbono
(Wenzel, 2013).
Una limitante para el uso de la reacción aluminotérmica, en la obtención de metales a partir
de minerales, está relacionada con la ley del mineral, siendo necesario en muchos casos el
uso de óxidos de alto grado de pureza o la adición de sales ricas en oxígeno para garantizar
el desarrollo de las reacciones de oxidación-reducción de manera autosostenida (Riss,
1975).
Una alternativa para el uso de la tecnología aluminotérmica utilizando minerales o
residuales de baja pureza, es su combinación con otros de alta pureza, de forma tal que se
logre conformar una carga capaz de generar la energía mínima necesaria para el inicio,
autosostenibilidad del proceso y la adecuada separación metal – escoria (Perdomo, 2015).
Mediante procesamiento aluminotérmico se recupera el vanadio presente en los residuos
catalíticos procedentes de la producción de ácido sulfúrico. La factibilidad técnica de
procesar mediante aluminotermia el residual catalítico junto a la cascarilla de laminación y
la viruta de aluminio permite la recuperación de sus componentes metálicos y a su vez
reduce los niveles de contaminación ambiental (Perdomo, 2016).
Mediante reducción aluminotérmica se propone una estrategia para la obtención simultánea
de ferromanganeso y galaxita (material abrasivo). La factibilidad de realización del
proceso aluminotérmico, eliminando la etapa de tostación del mineral pirolusítico, se
realiza mediante la valoración de las entalpías de reacción de las mezclas pirometalúrgicas
(Perdomo, 2015).
1.4. Reciclaje de latas de aluminio
Esta aplicación tiene un valor muy grande debido a su impacto y atractivo ambiental. El
ejemplo citado aquí se refiere al desarrollo en Japón, por la empresa HAINETTO CORP.
Junto con el Ube National College of Technology (Ube-City, Japan), de equipo para la
fusión y la solidificación de residuos con latas de aluminio [Hainetto1997], además del
17
equipo de acuerdo con la normativa vigente, desarrollado y fabricado según el convenio
citado (Hufnogel, 1992).
El uso de latas de aluminio ha crecido mucho en los últimos años, debido a su practicidad,
pequeño peso, bajo costo y estabilidad química. En Japón las latas que se reciclaron en el
año fiscal 1996, el 70,2% de aluminio (Duart, 2014).
El procedimiento presentado aquí prevé la reutilización de latas usadas de aluminio. El
proceso termita ha sido utilizado en la fusión y solidificación de residuos en forma de
cenizas, que contienen sustancias tóxicas, como metales pesados. Las cenizas mezcladas
con aluminio en polvo y amasado o en trozos, junto con óxidos metálicos, se colocan en
hornos en los que se promueve la reacción termita, hasta que la mezcla acabe (ver Figuras
1.3 y 1.4). La alta temperatura (encima de 2000 grados centígrados) hace surgir una escoria
con aspecto vitrificado, con las sustancias tóxicas solidificadas y estabilizado. Esta escoria
se suministra para industrias pesadas, de construcción, transporte y otros (Bracarense,
2007).
Figura 1.3: Horno de reciclaje de latas.
La Figura 1.4 muestra el equipo para proceso de recogida y deformación de las latas,
amasando para el transporte y posterior procesamiento en los hornos con termita.
18
Figura 1.4: El vehículo con el equipo de recogida y el procesamiento de las latas, la
manguera recoge las latas amontonadas (A). Las latas son amasadas y el volumen total es
drásticamente reducido 14 veces (B).
La legislación japonesa se ha vuelto más rígida desde abril de 1997, sobrecargando a los
gobiernos locales y llamando a la población a separar los materiales reciclables de los no
reciclables, a la basura. Los municipios deben recoger, seleccionar y transportar material
para puestos de procesamiento. Los fabricantes deben cuidar del reciclaje de las partes de la
basura que los mismos. Aunque leves, las latas de aluminio y botellas PET dan trabajo en el
transporte por el transporte su gran volumen, lo que hace que una máquina de la
contracción de estos materiales, un gran aliado el medio ambiente, reduciendo los costos de
recolección, almacenamiento y transporte, además de conferir gran flexibilidad y menores
tiempos de procesamiento de estos materiales, evitando la proliferación de insectos y
transmisores de enfermedades diversas. La disminución del volumen a ser transportado
llega a 14 veces del original. Además, la separación de estas latas ya amasadas, y en el caso
de las mujeres, en relación con materiales de diferentes propiedades electromagnéticas, de
peso específico, etc. (García, 2002).
19
Capítulo 2: Materiales y métodos
En este capítulo se presentan las materias primas utilizadas en el proceso aluminotérmico
mostrándose las características fundamentales de cada una de ellas, así como el
equipamiento utilizado para su procesamiento. Además se formulan las cargas y se señala
la metodología de trabajo a seguir durante todo el trabajo.
2.1. Materias Primas
Las materias primas usadas, en el procesamiento aluminotérmico son:
- Cascarilla de laminación, procedente de planta mecánica.
- Virutas de aluminio, procedente de la Empresa Antenas de Santa Clara.
2.1.1. Cascarilla de laminación
La cascarilla de laminación es el residual que se genera en el proceso de conformado de la
palanquilla o la cabilla corrugada. La gran mayoría de estos procesos se llevan en caliente
por lo cual el oxígeno se combina con el hierro de la superficie generando una delgada capa
de óxido de hierro que se encuentra en diferentes fases como: magnetita (Fe3O4), hematita
(Fe2O3), Wustita (FeO), entre otros (Hernández, 2003).
La composición química de la cascarilla de laminación aparece en la Tabla 2.1.
Tabla 2.1: Composición química de la cascarilla de laminación
Fe2O3 Fe3O4 FeO Fe Fe prom O2 prom Impureza
20-30 40-60 15-20 2-5 70,3 24,1 5
El óxido de hierro (cascarilla de laminación) tiene una granulometría muy variable, por
tanto primeramente le fue separada la fracción por debajo de 2 mm, la cual puede ser
utilizada directamente en el procesamiento aluminotérmico. La fracción mayor a 2 mm fue
triturada y tamizada hasta lograr que todo el producto quedara por debajo de 2 mm.
2.1.2. Viruta de aluminio
En los procesos aluminotérmicos se requiere el uso de estos productos en forma de polvo o
granulometrías bajas (<3 mm), por lo que las virutas de aluminio pueden constituir una
materia prima muy preciada, la composición química se encuentra en la Tabla 2.2.
20
Tabla 2.2: Composición química de la viruta de aluminio
Si Fe Mn Cu Mg Zn Cr Ti Al
0,5 0,2 0,1 0,1 0,2 0,2 0,1 0,1 balance
La viruta de aluminio, tiene una granulometría muy variable, por tanto fue necesario
realizar el tamizado para trabajar con tamaño de grano inferior a 3 mm.
2.2. Equipamiento
El equipamiento utilizado para la obtención de las aleaciones fue el siguiente:
- Mezcladora tipo tambor.
- Tamices.
- Balanza técnica.
- Estufa.
- Mortero Manual y molino de bolas.
- Reactor aluminotérmico de Grafito (ver Figura 2.1).
Figura 2.1: Reactor de grafito (A), y Horno eléctrico de arco con crisol de grafito (B).
2.3. Formulación de las cargas
En este caso el objetivo es obtener una aleación de hierro (sub producto) y una escoria
(producto principal) factibles de utilizar en la industria, usando como materias primas sólo
21
residuales industriales, por lo que se seleccionaron como materias primas: cascarilla de
laminación y viruta de aluminio.
El procesamiento aluminotérmico se realizó en varias cargas, donde el número de cargas
dependió de la conformación de cada una de ellas, primero se procesó la carga 0 y después
se hicieron otras 7, 6 en el reactor de grafito y 1 en el horno eléctrico de arco. En cada una
de las coladas se obtuvo un metal y una escoria. La escoria obtenida en la carga 0 se trituró
en el mortero manualmente utilizándose para formular la carga 1, adicionándosele una
masa de escoria correspondiente al 10 % de la cascarilla de laminación (carga 1), siguiendo
la misma metodología en el resto de las cargas, siempre utilizando las escorias de la colada
anterior (ver Tabla 2.3).
Tabla 2.3: Cantidad de materias primas para las coladas aluminotérmicas
Carga Cascarilla de laminación (g) Viruta de aluminio (g) Escoria
0 150 51 0 1 150 51 10 % (15 g) 2 150 51 20 % (30 g) 3 150 51 30 % (45 g) 4 150 51 40 % (60 g) 5 150 51 50 % (75 g) 6 150 51 60 % (90 g) 7 150 51 70 % (105 g)
Finalmente la carga 1 fue reproducida 3 tres veces para obtener mayor cantidad de escoria,
la cual será utilizada en la fabricación de materiales abrasivos (ver Tabla 2.4).
Tabla 2.4: Cantidad de materias primas para las coladas grandes aluminotérmicas
Carga Cascarilla de laminación (g) Viruta de aluminio (g) Escoria
1-1 1800 612 10 % (180 g)
1-2 5400 1836 10 % (540 g)
1-3 5400 1836 10 % (540 g)
2.4. Obtención de las aleaciones
Los diferentes componentes de la carga, una vez pesados de acuerdo a las proporciones
mostradas en la Tabla 2.3 y 2.4, se adicionan al mezclador en el siguiente orden: virutas de
aluminio, escoria y cascarilla de laminación.
El mezclado en un mezclador tipo tambor se realiza durante 30 minutos. Posteriormente
cada mezcla fue sometida a un precalentamiento en una estufa entre 300 y 320 °C, luego
22
fue colocada en el reactor de grafito, iniciándose la reacción por la acción del arco
eléctrico. El proceso de obtención de las termitas se muestra a continuación en la Figura 2.2
y 2.3.
Figura 2.2: Obtención de las termitas. Carga en el reactor (A), Ignición de la reacción por
arco eléctrico (B), Reactor fundiendo (C).
Una vez concluido el proceso de fusión, la mezcla se deja enfriar y se extraen el metal y la
escoria, quedando el metal en la parte inferior y la escoria en la superior.
Figura 2.3: Obtención de las termitas.
En el caso de las cargas mayores destinadas a evaluar el abrasivo, primero se fundieron 2.6
kg y después dos cargas de 7.8 kg cada una. Las escorias de las tres cargas de la mezclas 1
fueron trituradas y clasificadas granulométricamente. Para ello, primero fueron trituradas en
un molino de bolas hasta lograr que todo el producto alcance un tamaño de grano inferior a
1 mm. El producto obtenido fue clasificado posteriormente en varias fracciones.
23
Capítulo 3: Análisis de resultados
En este capítulo se realiza una valoración de los resultados obtenidos durante el
procesamiento aluminotérmico de cada una de las cargas formuladas a partir de la
comparación de los resultados obtenidos con los predeterminados en los balances de masa,
realizándose una evaluación de las escorias en la fabricación de muelas abrasivas.
Finalmente se realiza una pequeña valoración económica de la factibilidad técnica de
realizar la producción de estos materiales.
3.1. Valoración de las materias primas
3.1.1 Cascarilla de laminación
En Cuba la producción de aceros laminados se realiza en dos acerías: Acinox Tunas y
Antillana de acero, las que utilizan 100 % de chatarra de acero mediante la vía del Horno
Eléctrico de Arco. La empresa de recuperación de materias primas suministra la chatarra a
las acerías a un precio inferior al del mercado internacional (la quinta parte
aproximadamente); de continuar los ritmos de producción actuales la paulatina disminución
de la chatarra de acero puede provocar un desabastecimiento en el sector siderúrgico, y su
alto costo de adquisición en el mercado internacional influirían negativamente en los costos
de producción del acero en este sector (Ferreiro, 2012).
A pesar de la existencia de yacimientos de minerales de hierro, principalmente en la
provincia de Santiago de Cuba, la mayor reserva de este elemento metálico se encuentra en
los residuos sólidos industriales del proceso de obtención de níquel.
- Por la vía carbonato amoniacal o proceso Carón Empresas René Ramos Latour, en
Nicaro, la cual ya no está en funcionamiento (las colas existen) y la Ernesto
Guevara, en Moa.
- Por lixiviación ácida a presión (empresa Pedro Sotto Alba, Moa).
Esos residuos se encuentran almacenados principalmente en grandes represas de colas
(Ferreiro, 2012).
En el período de 1993 - 2013, se produjo en Cuba un promedio de 104.9 mil toneladas de
barras corrugadas y en el año 2014 se fabricaron 98.4 mil toneladas, esto trae consigo que
en el año 2014 se generaron alrededor de 3444 toneladas cascarilla de laminación. A partir
24
de este residual pueden obtenerse más de 2000 toneladas de metal el cual puede ser
utilizado como materia prima para la elaboración de acero (Duart, 2014).
Por tanto, el país puede disponer de una fuente de materia prima para el desarrollo del
proceso aluminotérmico, en mucha menor cuantía que las cola, pero de alta calidad y de
manera estable en el tiempo, donde la mayor o menor disponibilidad de este producto
dependerá de las capacidades de producción de acero del país.
El hierro recuperado, mediante el procedimiento aluminotérmico, puede ser utilizado en
producciones de acero, aunque realizando modificaciones en las cargas a procesar puede
modificarse la composición de estas, siendo factible la obtención de aleaciones de uso
industrial. Por otro lado, las escorias se obtienen con elevados contendidos de alúmina lo
que le confiere valiosas propiedades como material abrasivo y refractario.
Como puede observarse en la Tabla 2.1 (Capítulo 2) la cascarilla de laminación está
formada por más de un 90 % de óxidos de hierro y entre el 2 – 5 % de Fe metálico. Estos
óxidos de hierro pueden reaccionar con el aluminio de acuerdo a las reacciones siguientes
(Beckert, 2012):
3Fe3O4+ 8Al = 9Fe + 4Al2O3, ΔHr= -795.7 kcal/mol ΔGr=-780.6 kcal/mol (3.1)
Fe2O3 + 2Al = 2Fe + Al2O3, ΔHr= -200.6 kcal/mol ΔGr=-197.8 kcal/mol (3.2)
3FeO + 2Al = 3Fe + Al2O3, ΔHr= -205.2 kcal/mol ΔGr=-198.7 kcal/mol (3.3)
Como muestran los valores de ΔH para las reacciones 3.1, 3.2 y 3.3, las tres reacciones son
exotérmicas, lo cual debe garantizar el procesamiento aluminotérmico. Por otro lado, los
valores negativos de ΔG permiten afirmar que estas reacciones son termodinámicamente
factibles.
Una gran parte de las impurezas presentes (alrededor del 5 %) son fáciles eliminar mediante
las operaciones de lavado y separación magnética.
Estos criterios permitieron asumir, para realizar los cálculos necesarios en este trabajo, que
las cascarillas están formadas en un 100 % por óxido de hierro (III).
3.1.2 Virutas de Aluminio
El alto precio del aluminio en el mercado internacional y sus características químico físicas
hacen que este producto sea totalmente reciclable, ya sea en forma de laminados,
recipientes y hasta las virutas procedentes de las operaciones de maquinado son
reaprovechadas, sólo que en el caso específico de las virutas, durante el proceso de
25
fundición de las mismas se pierde, por oxidación, una gran cantidad de aluminio, debido a
su alta afinidad por el oxígeno (Lacerda, 2003).
En la Tabla 2.2, se aprecia que las virutas están formadas por más de un 98 % de aluminio,
contenido capaz de garantizar el correcto desarrollo del proceso reductivo, el resto de los
elementos presentes en el aluminio y sus concentraciones no deben influir de manera
significativa en la composición del metal a obtener. El hierro debe formar parte de la
aleación, parte del silicio debe pasar al metal y otra a la escoria y el magnesio, el cual junto
al aluminio puede ejercer un importante efecto reductor sobre los óxidos presentes en la
carga. El resto de los componentes de las virutas están presentes en menos de 0,15 %.
3.2. Balance de masa
A partir de los datos de conformación de cada una de las cargas (ver Tabla 2.3 y 2.4), la
composición química de cada una de las materias primas (ver Tabla 2.1 y 2.2) y la reacción
química fundamental a ocurrir entre el Fe2O3 y el aluminio (Ecuación 3.2), se realiza un
balance de masas para estimar los resultados potenciales de cada una de las cargas,
asumiendo que todo el hierro de la cascarilla está en forma de Fe2O3.
El balance se realiza a partir del principio de Conservación de la Masa, cuya expresión
general se muestra en la Ecuación 3.4 (Castellanos et al., 2001).
Acumulación = Entrada- Salida+ Generación – Consumo (3.4)
Los resultados obtenidos de los balances de masa para cada una de las cargas se muestran
en el anexo 1, Tablas 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, y 8.
A partir de los resultados obtenidos en los balances de masa se determina la cantidad
teórica de metal, escoria y gases posibles a obtener en cada una de las cargas, así como la
composición química de todos los productos generados durante el procesamiento
metalúrgico.
Los resultados potenciales teóricos de cada una de las cargas en cuanto a cantidad de metal,
escoria y gases se muestran a continuación en la Tabla 3.1.
26
Tabla 3.1: Resultados potenciales teóricos de cada una de las cargas (g)
Mezcla Metal Escoria Gases
0 105,51 95,64 0,0765
1 105,51 110,644 0,0765
2 105,51 125,644 0,0765
3 105,51 140,644 0,0765
4 105,51 155,644 0,0765
5 105,51 170,644 0,0765
6 105,51 185,644 0,0765
7 105,51 200,644 0,0765
Mezcla grande 1-1 1266,12 1327,73 0,918
Mezcla grande 1-2,
y 1-3
3798,36 3983,18 2,754
La composición química teórica de las aleaciones, escoria y gases se muestra en la Tabla
3.2.
Tabla 3.2: Composición química teórica de las aleaciones y la escoria (%-masa) y
temperatura de fusión (ºC)
Metal Escoria
Fe 99,61 99,86
Si 0,21 MgO 0,13
Mn 0,04 Temperatura Fusión 2016,37
Cu 0,04
Cr 0,02
Ti 0,04
Según la composición química teórica de las aleaciones, y la escoria, mostrada en la Tabla
3.2 se puede apreciar que las aleaciones van a estar formadas fundamentalmente por hierro,
el resto de los elementos que aparecen provienen del aluminio metálico, donde algunos de
ellos pueden oxidarse durante el proceso, tal es el caso del Si, Mn, y Ti. En cuanto a la
escoria, ellas van a estar formadas fundamentalmente por alúmina ( ).
La temperatura de fusión de las escorias fue estimada a partir de los datos teóricos de
composición utilizando la expresión siguiente:
(3.5)
Donde, es el por ciento de alúmina de la escoria y RO, el por ciento en peso de los
óxidos alcalinos, los de calcio y los de magnesio presentes (Torres, 1971).
27
Aunque esta fórmula resulta bastante exacta, debe tomarse sólo como referencia de un
resultado (Torres, 1971), sobre todo en este caso donde los datos de composición químicas
son determinados a partir del balance de masa.
Como puede apreciarse en la Tabla 3.2, las escorias obtenidas deben tener temperaturas de
fusión superior a 2000 ºC, lo cual le confiere valiosas propiedades como materia prima para
elaborar materiales refractarios y abrasivos.
De acuerdo a la calidad de las materias primas utilizadas, los únicos óxidos que pueden
aparecer en cantidades apreciables, además de los señalados en la Tabla 3.2 son los óxidos
de hierro, lo cual dependerá de la eficiencia de la reducción.
3.3. Cálculo de los calores de reacción
La determinación de los calores de reacción permite valorar la factibilidad de ocurrencia de
las reacciones químicas que se desarrollan durante el procesamiento metalúrgico (Ferreiro,
2012).
Según las ecuaciones que se muestra a continuación se calcula el calor de reacción.
Qr = ΔHr (3.6)
ΔHr = ΣnΔHfprod – ΣnΔHfreacc (3.7)
La variación de energía libre se determina mediante la ecuación 3.8.
ΔGr = ΣnΔGfprod - ΣnΔGfreacc (3.8)
Los calores de formación de los óxidos que intervienen en las reacciones químicas se
muestran a continuación en la Tabla 3.3.
Tabla 3.3: Calores de formación y energía libre de los óxidos que intervienen en las
reacciones químicas en kcal.mol-1
(Perry, 1999)
Óxido ΔHºf ΔGºf
Al2O3 -399,09 -376,87
Fe3O4 -266,9 -242,3
Fe2O3 -198,50 -179,10
FeO -64,62 -59,38
MgO -143,84 -136,17
Según los datos anteriores se toman para los cálculos las siguientes reacciones químicas.
Fe2O3 + 2Al = 2Fe + Al2O3, ΔHr1= -200.6kcal/mol ΔGr1=-197.8kcal/mol
Fe2O3 + 3Mg = 2Fe + 3MgO, ΔHr2 =-233.0kcal/mol ΔGr2=-229.4kcal/mol
28
Según los resultados de ΔHr y ΔGr las reacciones son exotérmicas y factibles de desarrollar
desde el punto de vista termodinámico.
Luego se determina la cantidad de calor generada a partir de los valores de calor de
reacción, la composición química de los diferentes componentes de la mezcla y los datos de
conformación de las mezclas (ver Tabla 2.3 y 2.4). Al afectar la cantidad de calor total
generada por la cantidad de mezcla se obtiene la cantidad de calor por unidad de masa
(cal/g). Estos resultados permiten predecir la factibilidad de autosostenimiento de la
reacción aluminotérmica.
Los resultados de estos cálculos se muestran a continuación en la Tabla 3.4.
Tabla 3.4: Cantidad de calor generada por las cargas (cal/g)
Mezcla 0 1 2 3 4 5 6 7
Qr -935,75 -870,77 -814,23 -764,58 -720,64 -681,47 -646,34 -614,66
Como se puede observar en la Tabla 3.4 todas las cargas superan las 600 cal/g, donde a la
cargas 0 le corresponde el mayor calor de reacción ya que no contiene escoria. Estos
valores para todas las cargas se encuentran por encima de 550 cal/g de mezcla
pirometalúrgica, garantizando que el proceso aluminotérmico puede autopropagarse sin el
suministro de energía externa adicional, de forma autosostenida, aunque para las cargas 6 y
7 no supera las 650 cal/g, lo cual pudiera afectar la separación entre el metal y la escoria
(Riss, 1975).
En la Figura 3.1 se pueden observar dos curvas, una de calor de reacción y otra de carga
total, donde se aprecia que a medida que aumenta la carga total, va disminuyendo la
cantidad de calor por unidad de masa, afectando el procesamiento aluminotérmico.
Figura 3.1: Gráfico de carga total y calor de reacción.
29
3.4. Resultados del procesamiento metalúrgico
A partir de la descripción del proceso en el capítulo 2 para la obtención de las aleaciones, se
muestran a continuación los resultados cualitativos para cada una de las coladas durante el
proceso aluminotérmico. Las Figuras 3.2, 3.3, 3.4, 3.5, 3.6, 3.7, 3.8, 3.9, 3.10, 3.11, y 3.12
muestran fotos de cada una de las coladas.
Colada 0: Encendió rápido y reacción violenta. El aspecto físico del metal es liso con
algunos poros, y separación completa de la escoria.
Figura 3.2: Colada 0, metal (A), escoria (B), y mezcla sin reaccionar (C).
Colada 1: Encendido rápido y reacción violenta. En el metal se observa un gran número de
poros y aspecto rugoso. La separación metal escoria fue buena. Toda la materia prima
reaccionó.
Figura 3.3: Colada 1, metal (A) y escoria (B).
Colada 2: El encendido y reacción fue de manera rápida. El metal tiene aspecto rugoso con
presencia de poros y la separación de la escoria fue buena.
30
Figura 3.4: Colada 2, metal (A), escoria (B), y materia prima sin reaccionar (C).
Colada 3: Encendido y reacción rápida. Metal con presencia de poros y separación
completa de la escoria.
Figura 3.5: Colada 3, metal (A), escoria (B), y materia prima sin reaccionar (C).
Colada 4: Encendido y reacción relativamente rápida. Metal de aspecto rugoso con
presencia de poros y separación parcial de la escoria.
Figura 3.6: Colada 4, metal (A), escoria (B), y materia prima sin reaccionar (C).
31
Colada 5: Demoró en encender, hubo que romper el arco varias veces hasta que
reaccionara. Metal de aspecto rugoso y separación parcial de la escoria.
Figura 3.7: Colada 5, metal (A), escoria (B), y materia prima sin reaccionar (C).
Colada 6: Demoró en encender, reaccionó lento y poco violento, separación parcial de la
escoria.
Figura 3.8: Colada 6, escoria (A), metal (B), y materia prima sin reaccionar (C).
Colada 7: Esta realizó en el horno eléctrico de arco con suministro de energía eléctrica por
lo que el encendido fue rápido propiciando una reacción rápida y violenta. La separación
metal escoria fue buena. El metal obtenido tiene aspecto rugoso con presencia de poros.
Figura 3.9: Colada 7, metal (A), escoria (B), y materia prima sin reaccionar (C).
32
Colada grande 1-1: El encendido se desarrolló sin dificultades aunque un poco más lenta
que la carga 1, después la reacción fue violenta, obteniéndose metal de aspecto rugoso.
Figura 3.10: Colada grande 1-1, metal (A), escoria (B).
Colada grande 1-2: El comportamiento fue similar a la colada grande 1-1.
Figura 3.11: Colada grande 1-2, metal (A), escoria (B).
Colada grande 1-3: Se mantiene el mismo comportamiento que en los casos anteriores.
Figura 3.12: Colada grande 1-3, metal (A), escoria (B).
33
3.4.1. Resultados del procesamiento de las cargas
Los resultados del procesamiento de cada una de las mezclas pequeñas en cuanto a cantidad
de metal, escoria y masa que no reaccionó se resumen en las Tablas 3.5.
Tabla 3.5: Masas del metal fundido, escoria y mezcla sin reaccionar de las termitas
pequeñas
Mezcla Metal (g) Rdto (%) Escoria (g) Rdto (%) Sin reaccionar (g)
0 103 97,62 87 91,00 4
1 100 94,78 112 101,26 0
2 95 90,03 131 104,29 6
3 90 85,29 138 98,15 17
4 75 71,08 169 108,61 11
5 73 69,18 184 107,85 13
6 55 52,12 190 102,37 41
7 90 85,29 168 83,74 33
El rendimiento (Rdto) se determina a partir de la relación entre la cantidad real obtenida y
la teórica determinada en el balance de masa.
En la Tabla 3.5, se observa que la cantidad de metal varió entre 55 y 103 g, donde de
acuerdo al balance de masa la cantidad de metal teórica debía mantenerse constante pero no
fue así, sino que fue disminuyendo en la medida en que se aumentaba la cantidad de escoria
incorporada a la mezcla, lo cual está relacionado con la disminución de la cantidad de calor
que se generada por unidad de masa. El comportamiento de la carga 7 fue diferente debido
a que el procesamiento se realizó en un horno eléctrico de arco con suministro de energía
eléctrica adicional, lo cual encarece el proceso de producción del metal y la escoria.
La cantidad de escoria varió entre 87 y 190 g, la cual se comportó de la manera esperada,
aumentando la cantidad de escoria en la medida en que se incrementaba la cantidad de
escoria adicionada a la termita, excepto la colada 7 donde disminuyó.
En cuanto a la cantidad de mezcla que no reaccionó, se puede observar que no mantuvo un
comportamiento regular, siendo en los puntos del 0 al 5 inferior a los 17 gramos.
En la Figura 3.13 se puede observar el comportamiento del metal y la escoria en
comparación con las cantidades teóricas, observándose que las curvas teóricas y real para el
caso de las escorias mantienen la misma tendencia, excepto la mezcla 7.
34
Figura 3.13: Comparación del metal y la escoria (real y teórica), de las mezclas pequeñas.
Como se puede observar en la Tabla 3.5, las cargas 0, 1 y 2 superan el 90 % de rendimiento
de metal, aunque debe destacarse que para todos los puntos este índice supera el 52 %. En
el caso de las escorias el rendimiento, con relación al valor teórico calculado, supera en la
mayor parte de los puntos el 100 %, a excepción de las mezclas 0, 3 y 7 donde el valor es
de 91.00, 98.15 y 83.74 % respectivamente.
Estos altos rendimientos de escoria pueden deberse a que el nivel de reducción de los
óxidos metálicos fue inferior al tomado como base para realizar los cálculos, lo cual se
puede apreciar en la Figura 3.14, donde se observa que en casi todos los puntos el
rendimiento de escoria es mayor al rendimiento metálico.
Figura 3.14: Rendimiento en cuanto a metal y escoria para cada una de las coladas
pequeñas.
La disminución de la cantidad de metal obtenida en la medida en que se incrementó la
adición de escoria a la carga está directamente relacionada con la disminución de la
35
cantidad de calor generada por la mezcla, lo cual permite considerar que los niveles de
reducción del hierro van a disminuir en esa proporción, por tanto el óxido de hierro no
reducido debe formar parte de la escoria variando la composición química de la misma en
las proporciones en que disminuya la reducción.
Si se realiza un nuevo balance de masa considerando que el metal que no reaccionó con
relación al teórico quedó en las escoria (en forma de Fe2O3) se puede estimar de una
manera más cercana a la realidad la composición de las estas.
Al realizar nuevamente el balance considerando que el hierro que no se redujo forma parte
de la escoria, se obtendrán los resultados mostrados en la Tabla 3.6, obteniéndose por tanto
mayores contenidos de Fe2O3 en la escoria los cuales se incrementan en la medida en que
aumentó la cantidad de escoria incorporada a la carga, esto va a influir sobre la temperatura
de fusión de las mismas haciendo que la temperatura de fusión disminuya a medida que se
incorpora escoria a la termita, la temperatura de fusión obtenidas en este caso disminuirá
desde 2002.80 ºC hasta 1785,87 ºC. Como se observa en Tabla 3.6 la composición química
de la escoria va a variar, disminuyendo el contendido de alúmina y aumentando el de
Fe2O3. Este aspecto influye en la dureza de las escorias ya que la misma también debe
disminuir, el corindón tiene una dureza de 9 y las espinelas de hierro de alrededor de 7.5 en
la escala de Mohs, por tanto en la escoria resultante se obtendrá una dureza promedio en
función del contenido de óxido de hierro (III) presenta. Cualquiera de estas escorias puede
ser utilizada para elaborar muelas abrasivas para el pulido de pisos ya que la caliza con la
cual se elaboran las baldosas y terrazos tienen una dureza de 3 en la escala de Mohs.
Tabla 3.6: Composición química de la escoria
Cargas
Composición química de la
escoria (%) Temperatura de
fusión (ºC) Al2O3 Fe2O3 MgO
0 96,78 3,09 0,132 2002,80
1 93,26 6,61 0,130 1987,42
2 86,96 12,91 0,127 1959,81
3 80,96 18,92 0,124 1933,47
4 65,51 34,38 0,117 1865,74
5 63,45 36,43 0,116 1856,73
6 47,289 52,60 0,108 1785,87
7 80,96 18,92 0,124 1933,47
36
3.4.2. Resultados de las cargas grandes
Los resultados del procesamiento de cada una de las mezclas grandes en cuanto a cantidad
de metal y escoria se resumen en las Tablas 3.7.
Tabla 3.7: Masas de metal fundido, escoria y de la mezcla sin fundir de cada termita
grande
Mezcla Metal (g) Rdto (%) Escoria (g) Rdto (%)
1-1 1114 87,98 1393 105,05
1-2 2730 71,87 4732 118,79
1-3 3000 78,98 4438 111,41
En la Tabla 3.7, se observa que la cantidad de metal obtenida varió entre 1114 y 3000 g y la
escoria entre 1393 y 4732 g, reaccionando la totalidad de la carga en las tres coladas.
Como se puede observar en la Tabla 3.7, la carga grande 1 supera el 87 % de rendimiento
de metal, aunque debe destacarse que para todos los puntos este índice supera el 71.87 %.
En el caso de las escorias el rendimiento, con relación al valor teórico calculado, supera en
todo los casos el 100 %, con valores de 105.05 a 118.79 %. En esta tabla también se puede
apreciar que los niveles de reducción de las mezclas 1-2 y 1-3 son diferentes observándose
que cuando aumenta la cantidad de metal disminuye de escoria. En estos dos últimos casos
se llegó a llenar casi la totalidad el crisol del reactor, comprobándose que es capaz de
producir cerca de 7,5 kg de productos (metal y escoria), tal como puede ser observado en la
Figura 3.15.
Figura 3.15: Crisol del reactor totalmente lleno.
37
3.5. Evaluación de las escorias
Todas las escorias obtenidas de las cargas grandes fueron trituradas en el molino de bolas
(ver Tabla 3.8) y luego tamizadas, operación repetida varias veces hasta lograr un tamaño
de grano inferior a 1 mm. Los resultados de la clasificación granulométrica se muestran en
la Tabla 3.9.
Tabla 3.8: Características de las bolas de acero, utilizadas para la trituración de la escoria
Bolas de acero Diámetro de las bolas (mm) Peso de cada bola (g)
4 75 1716
1 61 932
2 53 585
3 47 447
1 36 195
Con los polvos obtenidos se elaboraron 10 muelas abrasivas destinadas al pulido de terrazo
en la Fábrica “Rolando Morales” de Cifuentes (ver Tabla 3.9), utilizando como
aglomerante cemento Portland P350.
Tabla 3.9: Cantidad de polvo y muelas abrasivo producidas por fracciones
Fracciones Grano Cantidad de abrasivo (g) Muelas producidas
+1 - 0,315 - 857 No entregado
+0,315 - 0,25 60 1324 2
+0,25 - 0,15 70 – 80 1729 2
+0,15 - 0,09 120 1281 2
+0,09 - 0,045 180 – 220 2754 4
+0,045 - 47 No entregado
En la Figura 3.16 se muestran las muelas abrasivas fabricadas y se observa el operario
utilizando una de las muelas fabricadas en el pulido de piezas fundidas de granito.
Figura 3.16: Muelas abrasivas fabricadas (A), operador puliendo (B), y resultados
obtenidos (C).
38
Parte de las muelas fabricadas fueron evaluadas en condiciones reales de trabajo,
obteniéndose los resultados mostrados en la Tabla 3.10.
Tabla 3.10: Resultados de la evaluación de muelas abrasivas fabricadas con las escorias
Grano Área pulida (m2) Comportamiento
60 1,8 Deficiente
120 36,84 Excelente, semejante a la utilizada en la empresa
180 – 220 10,12 Bueno, ligeramente inferior a la que usa la fábrica
Como puede observarse en la Tabla 3.10, los resultados de la evaluación realizada a parte
de las muelas fabricadas fueron buenos para las granulometrías más finas, lográndose pulir
áreas de piso comparables con la que se logra con las muelas fabricados con el material
importado, no siendo de esta manera para la muela de mayor tamaño de grano con la que se
logró pulir un área mucho menor a la que normalmente se obtienen en la empresa con ese
tamaño de grano. Las diferencias en el comportamiento de las muelas pueden deberse a
variaciones en la composición de cada una de las clases granulométricas o con dificultades
en la conformación de las muelas, debiéndose estudiar más a detalle estos aspectos. Debe
destacarse que en esta evaluación preliminar no se evaluaron todas las muelas fabricadas,
por lo que al concluirse este trabajo deben tenerse resultados más precisos.
3.6. Consideraciones económicas
3.6.1 Costos de la materia prima
En la Tabla 3.11 se muestra las normas de consumo, es decir la cantidad de materia prima
que se necesita para obtener 1 tonelada de escoria (abrasivo), también como se puede
observar las materias primas que se necesitan comprar son la viruta de aluminio, y la
cascarilla de laminación ya que la escoria se obtiene en el mismo proceso aluminotérmico.
Tabla 3.11: Importe de las materias primas
Materia prima norma de
consumo (t)
precio
CUP/t
precio
CUC/t
Importe
CUP/t
Importe
CUC/t
Cascarilla 1,18 38 44,75
Viruta de aluminio 0,40 17,5 120 7,01 48,05
Escoria 0,12
Total 1,70 51,76 48,05
39
3.6.2 Costos del gasto de energía eléctrica
En la Tabla 3.12 se evidencian los gastos de energía eléctrica de cada materia prima, donde
el mayor consumo es para el estufado, y el menor es en el mezclado. También se muestra el
gasto total, este valor es multiplicado por el valor de un kW.h que es 0.09 CUP, y se
obtiene el gasto de energía del proceso aluminotérmico en CUP.
Tabla 3.12: Costo del gasto de energía eléctrica del proceso
Materia prima Cascarilla de
laminación
Viruta de
aluminio Escoria Total
norma de consumo (t) 1,18 0,40 0,12 1,70
In, Bond (kWh/t) 11,26 64,15
Tamizado (kWh/t) 2,5 2,5
Consumo (kWh) 16,21 7,85 24,06
Mezclado (kWh) 0,41
Estufado (kWh) 6,78
Total (kWh) 31,25
Total (CUP) 2,81
En la Tabla 3.13 se muestra el consumo de energía eléctrica cuando se procesa la escoria
obtenida para obtener una tonelada de abrasivo. Por lo tanto el gasto total de energía es la
suma del gasto de energía del proceso, y gasto de energía de la preparación de la escoria, el
mismo es 8.81 CUP.
Tabla 3.13: Costo del gasto de energía eléctrica de la preparación de la escoria
Materia
prima
Trituración
kWh/t
Tamizado
kWh/t
Total
(kWh)
Total
(CUP)
Escoria 64,15 2,5 66,65 6
3.6.3 Costos de trasportación
Los costos de transportación se pueden ver la Tabla 3.14
Tabla 3.14: Costos de transportación
Materia prima norma de
consumo (t)
precio
CUP/t
precio
CUC/t
Importe
CUP/t
Importe
CUC/t
Cascarilla 1,18
Viruta de aluminio 0,40
Total 1,58 19,72 4,58 31,12 7,23
40
3.6.4 Costos totales de producción
Según Peter y Timmerhaus (1991), los costos directos de producción representan el 60 %
de los costos totales del producto. El resumen, y el total de los costos, se pueden ver en la
Tabla 3.15.
Tabla 3.15: Resumen de los costos directos de producción
Resumen de costos Costo (CUC) Costo (CUP)
Materia prima 48,05 51,76
Transportación 7,23 31,12
Energía eléctrica 8,81
Subtotal (45 %) 55,28 82,88
Mano de obra (15 %) 27,63
Total de costos directos (60 %) 55,28 110,51
Costo de producción (100 %) 92,13 184,18
Al obtener durante el proceso aluminotérmico 1 tonelada de escoria (abrasivo), se obtienen
de manera simultánea 0.62 toneladas de metal (ver Tabla 3.16). Asumiendo que en las
Empresas cubana el CUC es igual al CUP, el total de costos de producción es 276.32 pesos.
Tabla 3.16: Precio de los producto obtenidos
Productos Tonelada obtenida Precio (CUC) Total (CUC)
Metal 0,62 300 186
Abrasivo 1 400 400
Total 586
Los precios de venta del metal fueron tomados, de Chatarra de acero (2019), y los del
abrasivo, de Alta Pureza precio de fábrica alfa polvo de alúmina Al2O3, óxido de aluminio
(2019).
Al comparar el costo de producción de 1 t de abrasivo y 0.62 t de metal se obtiene una
ganancia de: 309.69 pesos.
Como puede observarse el proceso es altamente rentable obteniéndose grandes ganancias
producto de la venta de los productos obtenidos. Esta gran diferencia entre los costos de
producción y las ganancias se deben a que se usan como materias primas residuales
industriales.
41
Esto además permite evaluar la factibilidad económica considerando posibles escenarios
donde se incrementen los costos de producción o disminuyan los precios de venta de los
productos obtenidos.
Como puede observarse en la Tabla 3.17, los costos de producción pueden aumentar hasta
un 210 %, y los precios de venta pueden bajar hasta un 48 %, resultando aún rentable la
producción de estos materiales.
Tabla 3.17: Tabla de variación de los costos y los precios
Aumentando costos de
producción (%) Valor
Bajando precios de
venta (%) Valor
140 386,85 80 468,8
180 497,38 60 351,6
210 580,27 48 281,28
42
Conclusiones
1. La composición química de las materias primas y las reacciones químicas
fundamentales a ocurrir durante el procesamiento metalúrgico, permitieron
conformar cargas, integradas por: cascarillas de laminación, viruta de aluminio, y
escorias aluminotérmicas, capaces de generar cantidades de calor entre 614.66 –
935.75 cal/g, lo que permite el autosostenimiento del proceso y la adecuada
separación del metal y la escoria.
2. Las mezclas conformadas por cascarillas de laminación, virutas de aluminio, y
escorias aluminotérmicas, permiten recuperar el hierro presente en la cascarilla para
ser empleado nuevamente en la industria y obtener escorias con alto contenido de
Al2O3 (como producto principal) que pueden ser empleadas en el desarrollo de
materiales abrasivos.
3. Las muelas abrasivas fabricadas utilizando las escorias del procesamiento
aluminotérmico de los residuos industriales fueron evaluadas en condiciones
industriales obteniéndose resultados positivos con la mayoría de ellas,
constituyendo una alternativa de desarrollo de estos productos en Cuba.
4. El procesamiento aluminotérmico de la cascarilla de laminación y la viruta de
aluminio constituye una vía sencilla y económica de procesamiento de residuales
industriales disminuyendo los niveles de contaminación ambiental.
43
Recomendaciones
1. Realizar una caracterización químico física de las escorias obtenidas.
2. Evaluar mayor cantidad de escorias en la fabricación de muelas abrasivas.
44
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48
Anexo
Anexo 1
Tabla 1: Balance de Masa de la carga 0.
componente entrada generación consumo salida
Fe2O3 150 0 150 0
Al2O3 0 95,516625 0 95,516625
MgO 0 0,1275 0 0,1275
Fe 0,102 105 0 105,102
Al 50,337 0 50,567625 -0,230625
Si 0,2295 0 0 0,2295
Mn 0,051 0 0 0,051
Cu 0,051 0 0 0,051
Mg 0,0765 0 0,0765 0
Zn 0,0765 0 0 0,0765
Cr 0,0255 0 0 0,0255
Ti 0,051 0 0 0,051
Total 201
201
Tabla 2: Balance de Masa de la carga 1.
componente entrada generación consumo salida
Fe2O3 150 0 150 0
Al2O3 14,980004 95,516625 0 110,496629
MgO 0,019996 0,1275 0 0,147496
Fe 0,102 105 0 105,102
Al 50,337 0 50,567625 -0,230625
Si 0,2295 0 0 0,2295
Mn 0,051 0 0 0,051
Cu 0,051 0 0 0,051
Mg 0,0765 0 0,0765 0
Zn 0,0765 0 0 0,0765
Cr 0,0255 0 0 0,0255
Ti 0,051 0 0 0,051
Total 216
216
49
Tabla 3: Balance de Masa de la carga 2.
componente entrada generación consumo salida
Fe2O3 150 0 150 0
Al2O3 29,960008 95,516625 0 125,476633
MgO 0,039992 0,1275 0 0,167492
Fe 0,102 105 0 105,102
Al 50,337 0 50,567625 -0,230625
Si 0,2295 0 0 0,2295
Mn 0,051 0 0 0,051
Cu 0,051 0 0 0,051
Mg 0,0765 0 0,0765 0
Zn 0,0765 0 0 0,0765
Cr 0,0255 0 0 0,0255
Ti 0,051 0 0 0,051
Total 231
231
Tabla 4: Balance de Masa de la carga 3.
componente entrada generación consumo salida
Fe2O3 150 0 150 0
Al2O3 44,940012 95,516625 0 140,456637
MgO 0,059988 0,1275 0 0,187488
Fe 0,102 105 0 105,102
Al 50,337 0 50,567625 -0,230625
Si 0,2295 0 0 0,2295
Mn 0,051 0 0 0,051
Cu 0,051 0 0 0,051
Mg 0,0765 0 0,0765 0
Zn 0,0765 0 0 0,0765
Cr 0,0255 0 0 0,0255
Ti 0,051 0 0 0,051
Total 246
246
50
Tabla 5: Balance de Masa de la carga 4.
componente entrada generación consumo salida
Fe2O3 150 0 150 0
Al2O3 59,920016 95,516625 0 155,436641
MgO 0,079984 0,1275 0 0,207484
Fe 0,102 105 0 105,102
Al 50,337 0 50,567625 -0,230625
Si 0,2295 0 0 0,2295
Mn 0,051 0 0 0,051
Cu 0,051 0 0 0,051
Mg 0,0765 0 0,0765 0
Zn 0,0765 0 0 0,0765
Cr 0,0255 0 0 0,0255
Ti 0,051 0 0 0,051
Total 261
261
Tabla 6: Balance de Masa de la carga 5.
componente entrada generación consumo salida
Fe2O3 150 0 150 0
Al2O3 74,90002 95,516625 0 170,416645
MgO 0,09998 0,1275 0 0,22748
Fe 0,102 105 0 105,102
Al 50,337 0 50,567625 -0,230625
Si 0,2295 0 0 0,2295
Mn 0,051 0 0 0,051
Cu 0,051 0 0 0,051
Mg 0,0765 0 0,0765 0
Zn 0,0765 0 0 0,0765
Cr 0,0255 0 0 0,0255
Ti 0,051 0 0 0,051
Total 276
276
51
Tabla 7: Balance de Masa de la carga 6.
componente entrada generación consumo salida
Fe2O3 150 0 150 0
Al2O3 89,880024 95,516625 0 185,396649
MgO 0,119976 0,1275 0 0,247476
Fe 0,102 105 0 105,102
Al 50,337 0 50,567625 -0,230625
Si 0,2295 0 0 0,2295
Mn 0,051 0 0 0,051
Cu 0,051 0 0 0,051
Mg 0,0765 0 0,0765 0
Zn 0,0765 0 0 0,0765
Cr 0,0255 0 0 0,0255
Ti 0,051 0 0 0,051
Total 291
291
Tabla 8: Balance de Masa de la carga 7
componente entrada generación consumo salida
Fe2O3 150 0 150 0
Al2O3 104,860028 95,516625 0 200,376653
MgO 0,13997201 0,1275 0 0,26747201
Fe 0,102 105 0 105,102
Al 50,337 0 50,567625 -0,230625
Si 0,2295 0 0 0,2295
Mn 0,051 0 0 0,051
Cu 0,051 0 0 0,051
Mg 0,0765 0 0,0765 0
Zn 0,0765 0 0 0,0765
Cr 0,0255 0 0 0,0255
Ti 0,051 0 0 0,051
Total 306
306
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