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EVALUACIÓN DE ESCORIA DE ACERÍA DE HORNO ELÉCTRICO PARA SU EMPLEO ... 313
EVALUACIÓN DE ESCORIA DE ACERÍA DEHORNO ELÉCTRICO PARA SU EMPLEOCOMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN
Orieta Soto Izquierdo
Indara Soto IzquierdoMestrandas do Departamento de Engenharia de Estrutura, Escola de Engenharia de
São Carlos, Universidade de São Paulo, Av. Trabalhador São-carlense, 400,CEP 13566-590, São Carlos, SP, Brasil, e-mails: [email protected], [email protected]
Nelson Díaz BritoProfesor del Departamento de Materiales, Instituto Superior Politécnico
José Antonio Echeverría (ISPJAE), Habana, Cuba, e-mail: [email protected]
ResumenSiempre que exista vida en el planeta habrá una generación constante de residuos. El aumento vertiginoso de la generaciónde material de desechos anualmente en el mundo es un factor negativo para el desarrollo de la política de control deresiduos en todas las ciudades y a la vez se convierte en un aspecto importante de análisis y estudio para darle posiblesolución. De esta forma este artículo es un complemento del trabajo de diploma del autor, el cual, tuvo como principalobjetivo confeccionar un catálogo que recoge varios residuos demostrando fundamentalmente su uso en la construcción.Uno de estos residuos es la escoria de acería y este trabajo inicia su investigación estudiando la escoria de acería dela empresa metalúrgica Antillana de Acero “José Martí”, como árido para su posible uso en hormigones, morteros yproductos del hormigón y como adición en morteros; mostrándose los ensayos realizados, así como sus resultados yuna valoración de los mismos.
Palabras claves: residuo, escoria de acería, actividad puzolánica, adición, áridos.
IntroducciónDesde su surgimiento el acero ha contribuido al
desarrollo y progreso de la humanidad. Esto ha sido posiblegracias a sus características que lo hacen un producto quejuega un papel esencial en infinidad de sectores de aplicación.
La importancia de este material hace que la demandacrezca continuamente, lo que provoca en los productoresla búsqueda e implantación de nuevas tecnologías quesean capaces de aumentar sus producciones, sin olvidarsede la calidad del acero y de la disminución de los costos,lo que es de suma importancia producto de la grancompetitividad existente en el mercado mundial.
Segundo Bogachkov (2001), uno de los principalesresiduos de la producción metalúrgica son las escorias,que no son más que un subproducto de la fabricación delos aceros y otros metales.
El proceso de elaboración del acero en la empresade Antillana de Acero es a partir del “Horno de Arco Eléctrico(HAE)”. Esta tecnología es la única que predomina enCuba, por lo tanto el residuo a estudiar es denominado“escoria de acería de horno de arco eléctrico” (Mesa, 2000).
Mundialmente existen otros tipos de escoria como:la escoria de acería LD y escoria de alto horno (Anguloet al., 2002).
La escoria que se genera en Cuba constituye unafuente de materias primas que actualmente no es aprove-chada en la industria nacional y que en estos tiempos dondelas reservas naturales se agotan cada vez más y se hacenecesario el ahorro de energía debido a los altos preciosdel petróleo en el mercado mundial, es fundamental evaluarlas vías para su explotación y consumo.
ObjetivosSegún Mesa (2000), la escoria de acería de horno
de arco eléctrico es utilizada en diversos países fundamen-talmente como árido para hormigón y morteros, y comoadición al cemento.
Debido a ello este trabajo inicia su investigaciónestudiando la escoria de acería de horno de arco eléctricode la empresa metalúrgica Antillana de Acero “José Martí”,en función de estos dos aspectos el estudio experimentalconsistió en:
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� caracterizar el árido fino y el árido grueso de escoriade acería, a pesar de que no se muestre su empleo enhormigones, por lo que se deja como recomendaciónpara futuras investigaciones;
� estudiar la escoria de acería como adición al cemento,a través de la elaboración de morteros.
Materiales y MétodosProcedencia industrial del residuo
El horno de arco eléctrico, normalmente, es cilíndricoy está recubierto de refractario básico, dispone de unabóveda por donde se alimentan las diferentes materiasprimas, con la ayuda de una cesta, una ventana utilizadapara operar durante la fusión y para desescoriar, y unapiquera que se utiliza para la evacuación del acero (Chil,2003).
La materia prima principal utilizada en la fabricacióndel acero en HAE es la chatarra (Figura 1), además seutilizan ferroaleaciones, cal, y oxígeno.
La chatarra junto al resto de las materias primasse alimenta por la parte superior del horno. A continuaciónse cierra el horno y se procede a aplicar el régimen eléctricoestablecido previamente, con el cual se fundirá la chatarra
producto del arco eléctrico surgido entre los electrodosy la chatarra.
El proceso de fusión en un HAE se divide en dosetapas diferentes en cuanto al consumo de energía: la primeraetapa comprende el período de fusión y la segunda losperíodos de oxidación y de reducción (Bogachkov, 2001).
La fabricación del acero va acompañada de losprocesos de oxidación del hierro y de sus impurezas, asícomo por los procesos de corrosión del revestimiento delos aparatos de fusión de acero. También el material quese carga en los aparatos de fusión de acero tiene una cantidadmenor o mayor de impurezas. Además al efectuar la fusiónse agregan generalmente al baño diferentes fundentes ymateriales aditivos. Todo lo anterior trae como resultadola formación de una fase no metálica denominada escoria(Bogachkov, 2001).
La materia reciclada a ser estudiada en este trabajoes la escoria de acería. La fuente de obtención de esteresiduo es proveniente de la metalúrgica Antillana de Acero“José Martí”, ubicada en el capitalino municipio del Cotorro.Este residuo abarca grandes áreas en el patio de la empresadebido a que se genera en grandes cantidades y no se leda un uso adecuado (Figura 2).
Figura 1 Chatarra utilizada para la fabricación del acero.
Figura 2 Deposición de la escoria de acería en el patio de la antillana de acero.
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Estudio de los áridos de escoria de aceríaPara la realización de estas dos tareas fue necesario
acudir a la realización de diferentes ensayos que serándescritos a continuación, donde los mismos mostraránresultados y serán analizados posteriormente.
Se trasladó un total de 102 kg de muestra de escoriade acería desde la Antillana hacia los laboratorios de laUniversidad. Se tamizó toda y se obtuvo las porcionesmostradas en la Figura 3.
El filler fue considerado el material más fino queel tamiz #100 y fue el que se tomó como adición al cementopara elaborar los morteros y medir su actividad puzolánica.
En este trabajo para la caracterización del árido grueso,el árido fino de escoria y el árido natural se realizaronlos siguientes ensayos basándose en las Normas Cubanas:� Análisis granulométrico.� Módulo de finura.� Peso específico, peso saturado sin humedad superficial
y peso aparente.� Porciento de absorción de agua.� Peso unitario suelto y compactado.
Estudio de la escoria de acería como adición al cementoEl estudio de la escoria de acería como adición al
cemento se realizó según la Norma Americana ASTMC311, el cual, consistió en la confección de probetas demortero patrón y probetas de mortero de escoria, y en
esta última se le adicionó al cemento un 20% de escoriade acería. Vale resaltar que la granulometría de las partículasde escoria adicionada al cemento fue la del material filler,mostrada en la Figura 7 y la de la arena natural mostradaen la Figura 4.
La dosificación empleada fue tomada según la normaamericana ASTM C311, aplicada tanto para el morteropatrón como para el mortero con un 20% de adición deescoria de acería, con el objetivo de comprobar si este residuotiene actividad puzolánica. La dosificación del mortero patrónsegún plantea la norma quedó plasmada así:
Tabla 1 Dosificación del mortero patrón.
Material Cantidades
Cemento 500 g
Árido fino (Victoria) 1375 g
Agua 242 ml + 12 ml = 254 ml
a/c 0,484
La norma americana plantea 242 ml de contenidode agua, pero se le sumó a esta cantidad 12 ml más, teniendoen cuenta que en 30 minutos tiene una absorción de 1/3del valor de la absorción que tendría en 24 horas, que enel caso de la arena Victoria estudiada es del 3%.
Árido fino natural: arena Victoria
4,76mm(#4)
2,38mm(#8)
1,19mm
(#16)
0,59mm
(#30)
0,297mm
(#50)
0,149mm
(#100)
Fondo
Abertura de tamices
98
79
47
21
5 3 0
120
100
80
60
40
20
0
Pa
sad
o(%
)
28%
1%
71%
Árido grueso
Árido fino
Filler
Figura 3 Porciones obtenidas de la muestra de escoria de acería traída de la antillana.
Figura 4 Granulometría del árido fino natural (arena Victoria).
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Para la dosificación del mortero con un 20% de escoriade acería, se utilizó la misma cantidad de arena y de cementopero este último con un 20% menos. Según la norma larectificación del contenido de agua debe ser hasta que lafluidez de la muestra esté dentro del rango del mortero patrón.
El rango oscila entra ± 5% de fluidez.Se utilizaron moldes, que contienen cada uno tres
probetas de 40 × 40 × 160 mm. Cada amasada dio parael llenado de un molde.
Los días ensayados fueron 3, 7 y 28 días, segúnplantea la norma, y se confeccionaron 6 probetas paracada día.
Ensayo realizado en estado frescoEn estado fresco se realizó solamente el ensayo de
fluidez tanto al mortero patrón como al de adición de escoriade acería. Este ensayo permite conocer consistencia delmortero fresco, realizándose antes de verter la muestraen los moldes, además de que se utilizó para conocer elcontenido de agua que debió tener el mortero de escoriade acería, ya que el contenido de agua se rectificó de acuerdocon este parámetro.
Ensayo realizado en estado endurecido.En estado endurecido de las probetas de ambos tipos
de mortero se le realizó los siguientes ensayos que fueronestudiados a los 3, 7 y 28, días:� Densidad saturada sin humedad superficial.� Velocidad ultrasonido.� Resistencia a flexotracción.� Resistencia a compression.� Porciento de absorción.
Análisis de los ResultadosEscoria de acería para su empleo como áridosGranulometría
Los gráficos de barras muestran la granulometríade la arena Victoria, de la arena de escoria, del árido gruesode escoria y del filler de escoria.
Árido natural (Arena Victoria)Como se puede apreciar en el gráfico (Figura 4),
la arena Victoria presenta una granulometría continua.Además de que es una arena gruesa, pues más del 50%del material tamizado se retiene en el tamiz #16 y su módulode finura es de 4,5.
Árido fino de escoria de aceríaEl gráfico (Figura 5) evidencia que la arena de escoria
presenta una granulometría discontinua y que es muchomás gruesa que la arena Victoria pues se retiene en tamiz# 8 más del 80% del material tamizado, además de quesu módulo de finura es de 6,11.
Árido grueso de escoria de aceríaEl árido grueso de escoria presenta una granulometría
continua. Su tamaño máximo es de 25,4 mm y su módulode finura es de 6,75 (Figura 6)
Filler de escoria de aceríaEste material resultó tener una granulometría
discontinua. Posee mucho material fino, ya que más del50% del material tamizado es más fino que el tamiz #200, siendo esto favorable porque se puede usar comoadición al cemento (Figura 7)
Árido fino de escoria de acería
4,76mm(#4)
2,38mm(#8)
1,19mm
(#16)
0,59mm
(#30)
0,297mm
(#50)
0,149mm
(#100)
Fondo
Abertura de tamices
58
16
6 4 3 2 0
70
60
50
40
30
20
10
0
Pasa
do
(%)
Figura 5 Granulometría del árido fino de escoria de acería.
Árido grueso de escoria de acería
25,4mm(1")
19,1mm
(3/4")
12,1mm
(1/2")
9,52mm
(3/8")
6,35mm
(1/4")
Fondo
Abertura de tamices
100
88
57
37
17
0
Pasa
do
(%)
120
100
80
60
40
20
0
Figura 6 Granulometría del árido grueso deescoria de acería.
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Pesos específicos y unitariosLos valores de los pesos específicos y unitarios de
los áridos de escoria son altos comparados con el áridofino natural. Esto es producto del origen de los áridosde escoria pues provienen de las impurezas de la chatarraque se utiliza para la confección del acero. Estos resultadosse pueden apreciar mejor en la Tabla 2.
La comparación hecha anteriormente en relaciónal peso unitario entre la escoria y el árido natural es válida,a pesar que la granulometría no es la misma, debido aque el peso unitario de un material no sólo depende dela granulometría sino también del peso específico y dela forma de las partículas, pues no se acomodan igualpartículas planas y alargadas que redondeadas.
No hay dudas de que es un material pesado, portanto hay que tener cuidado desde el punto de vista desu uso como material en la construcción en varios aspectoscomo: con el transporte pues la relación peso/volumenes mayor, con el peso propio que tributa en la estructura,con la carga que tributa a los encofrados durante la ejecucióny con el deterioro que le puede provocar a la hormigoneraestacionaria o al camión hormigonera durante el mezclado.
Porciento de huecosLos áridos de escoria presentan un porciento de
huecos bastante elevado con respecto a la arena natural,esto es debido a dos factores fundamentales:1. El espacio vacío que se produce entre los áridos.2. Los poros que presentan los granos de escoria en su
superficie, propia de la naturaleza de estos materiales.
Esta textura tan irregular que presentan estos áridospuede ser producto de la forma de obtención de la escoria.La Figura 8 muestra los valores de los porcientos de huecosde los áridos usados en el estudio.
Escoria de acería para su empleo como adición
Resistencia a compresióna) Relación entre la resistencia a compresión y las edades
de rotura de los morteros.El gráfico de barras da la Figura 9 resume la resistencia
a compresión de los diferentes morteros a las distintasedades de rotura.
Como se puede apreciar los valores de resistenciapara los dos tipos de morteros aumentan a medida queavanza la edad de los morteros, aspecto que se ajusta almodelo teórico esperado. También se puede observar quelas resistencias a compresión del mortero patrón siempreson superiores a las del mortero de escoria.
b) Crecimiento de la resistencia a compresión con respectoa la resistencia a los 3 días.
La Tabla 3 expone el crecimiento de la resistenciaa compresión de todas las edades de rotura con respectoa la resistencia de los 3 días.
Se demuestra que los valores de resistencia de ambostipos de morteros se han incrementado considerablementecon respecto a la resistencia a los 3 días. No obstante estoscrecimientos en el mortero de escoria son menores queen el patrón.
c) Relación de los valores de resistencia entre ambosmorteros: patrón y escoria de acería.
También es importante analizar la relación de valoresde la resistencia a compresión del mortero patrón conrespecto al mortero de escoria en el mismo día de rotura(Tabla 4).
Con el análisis de esta tabla se evidencia que a medidaque los morteros se hidratan más, la relación entre ambosmateriales se incrementan, no siendo esto favorable parael empleo de las escorias evaluadas como adición, pueslos valores de resistencia del mortero patrón a los 28 díasse van muy por encima de los valores del mortero de escoria,mostrando que la escoria de acería estudiada no está teniendoactividad puzolánica.
Una mejor validez a este análisis sería posible sise contara con valores de resistencia a compresión delos 63 y 91 días de edad. Debido a la falta de tiempo,ajena a la voluntad de esta autora, no es posible contaraún con dichos resultados, no obstante se han con-feccionado y están curándose las probetas para talevaluación.
Resistencia a flexo-tracciónEl gráfico da la Figura 10 resume la resistencia a
compresión de los diferentes morteros en las distintas edadesde rotura.
Pesos específicos Pesos unitarios (kg/m3) Tipo de áridos
Pc Psh Pa Wus Wuc
Fino natural (arena Victoria)
2,48 2,54 2,64 1436 1636
Fino de escoria 3,49 3,5 3,63 1860 2006 Grueso de escoria 3,84 3,88 3,97 1508 1672
Tabla 2 Pesos específicos y unitarios de los áridos de los áridos.
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Porciento de huecos
ArenaVictoria
Árido finode escoria
Árido gruesode escoria
Tipos de áridos
34
43
49
Hueco
s (%
)
60
50
40
30
20
10
0
Figura 8 Porciento de huecos de los áridos.
Filler de escoria de acería
0,149mm
(#100)
0,090mm
(#175)
0,074mm
(#200)
0,050mm
(#325)
Fondo
Abertura de tamices
100
53 50
15
0
Pa
sad
o(%
)
120
100
80
60
40
20
0
Figura 7 Granulometría del filler (relleno)de escoria de acería.
Tipos de morteros R´c 3 / R´c 3 R´c 7 / R´c 3 R´c 28 / R´c 3 Patrón 1 100% 1.134 13% 1.70 70% Escoria de acería 1 100% 1.126 13% 1.527 53%
Tabla 3 Crecimiento de la resistencia a compresión con respecto a la resistencia a los 3 días.
Tabla 4 Relación de valores de resistencia a compresión entre ambos materiales.
Tipo de mortero 3 días 7 días 28 días Patrón/escoria de
acería 1,26 26% 1,27 27% 1,40 40%
Resistencia a de los morteros:patrón y escoria de acería
flexo-tracción
3 7 28Edad de ensayo (días)
4,72
5,45
7,26
Re
sist
en
cia
afle
xo-t
racc
ión
(MP
a)
8
7
6
5
4
3
2
1
0
3,79
4,51
5,94
PatrónEscoria de acería
Figura 10 Resistencia a flexo-tracción vs edad de ensayo.
Resistencia a compresión de los morteros:patrón y escoria de acería
3 7 28Edad de ensayo (días)
2326,1
39,1
Re
sist
en
cia
aco
mp
resi
ón
(MP
a)
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
18,220,5
27,8
PatrónEscoria de acería
Figura 9 Resistencia a compresión vs edad de ensayo.
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Al igual que en la resistencia a compresión, los valoresde la resistencia a flexo-tracción se incrementan a medidaque avanza la edad de los morteros y son superiores lade los morteros patrones con respecto a los de escoriade acería.
Densidad saturada y secaLa Tabla 5 muestra los resultados obtenidos de la
densidad saturada y seca de los morteros a las diferentesedades de rotura.
Según la Tabla 5 los valores de densidad, tantosaturada como seca, del mortero con un 20% de escoriade acería a los diferentes días de ensayo fueron superioresa los del mortero patrón, siendo esto razonable ya que laescoria de acería es un material denso y al adicionarla aun mortero, aumenta la densidad de este con respecto alotro que no le fue adicionado. También las densidadestanto saturada como seca aumentan a medida que el morterose hidrata.
Velocidad ultrasonidoLa Tabla 6 expresa los resultados obtenidos en el
ensayo de velocidad ultrasonido realizado a las probetasa las distintas edades. Recordar que fueron desechadoslos valores del tercer día debido a que no fueron correctos.
A mayor edad la velocidad ultrasonido de los morterosincrementan y también los resultados del mortero patrónson superiores a los de la escoria de acería en cada díade rotura, debido a que estos valores son consecuentescon los de la resistencia ya que a mayor resistencia mayores la velocidad ultrasonido porque las probetas se encuentranmás compactas y presenta menos porosidad, esto se reflejaen el Figura 11.
Porciento de absorción de aguaLa Tabla 7 siguiente muestra la relación que existe
entre el porciento de absorción de agua y las edades deroturas.
A medida que transcurre la hidratación de los morterosmenor es el porciento de absorción de agua porque, aligual que lo explicado sobre los resultados de la velocidadultrasonido, las probetas a mayor edad son más compactasy presentan menos poros permeables en su interior.
También los valores del mortero patrón son menoresa los del mortero de escoria porque este último tiene menosresistencia que el otro, es decir, el porciento de absorcióndisminuye a medida que aumenta la resistencia debidoa que los morteros se encuentran mejores hidratados. Elgráfico de la Figura 12 corrobora lo antes dicho.
Conclusiones1. No dio tiempo a evaluar el empleo en morteros y
hormigones de la escoria de acería como árido, sólofue posible evaluar sus propiedades físicas, donde:� El árido fino resultó ser una arena gruesa y presentó
una granulometría discontinua, elevado porcientode huecos, altos pesos específicos y unitarios, y bajoporciento de absorción de agua e impurezas.
� El árido grueso presentó una granulometría continua,un tamaño máximo de árido de 25.4 mm, elevadoporciento de huecos, altos pesos específicos yunitarios, y bajo porciento de absorción de agua eimpurezas.
� El filler presentó una granulometría discontinua ycontiene mucho fino ya que más del 50% del materialtamizado fue más fino que el tamiz # 200.
2. La escoria de acería de horno de arco eléctrico de lametalúrgica Antillana de Acero hasta los 28 días nopresentó actividad puzolánica, hubiese sido interesanteconocer los resultados de estos morteros a las edadesde 63 y 91 días para evaluar su posible empleo comoadición, pero estos resultados no fueron posiblespresentarlos en este trabajo. Aunque este estudio hechohasta los 28 días es válido pues la norma empleada sebasa en la relación de resistencias a compresión a los28 días.
Densidad saturada Densidad seca Tipos de morteros
3 días 7 días 28 días 3 días 7 días 28 días Patrón 2.20 2.21 2.23 1.92 1.97 2.13 Escoria de acería 2.22 2.23 2.25 1.93 2.01 2.16
Tabla 5 Densidad saturada y seca de los morteros.
Velocidad ultrasonido (m/s) Tipos de morteros
7 días 28 días Patrón 3662 3938 Escoria de acería 3567 3748
Tabla 6 Velocidad ultrasonido de los morteros.
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Porciento de absorción de agua Tipos de morteros
3 días 7 días 28 días Patrón 12.6 9.4 3.6 Escoria de acería 12.7 11 9.5
Resistencia a compresión vsvelocidad ultrasonido
3400 3600 3800Velocidad ultrasonido (m/s)
26,1
39,1
Resi
stenci
aa
com
pre
sión
(MP
a)
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
20,5
27,8
PatrónEscoria de acería
4000
Resistencia a compresión vsporciento de absorción de agua
0 5 10Absorción de agua (%)
26,1
39,1
Resi
stenci
aa
com
pre
sión
(MP
a)
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
20,5
27,8
PatrónEscoria de acería
15
18,2
23
Tabla 7 Porciento de absorción de agua.
Figura 12 Resistencia a compresión vs porciento deabsorción de agua de los morteros.
Figura 11 Resistencia a compresión vs velocidadultrasonido de los morteros.
Referencias Bibliográficas
BOGACHKOV, A. N. Estudio para la utilización de laescoria del horno cuchara en la elaboración de cementos.2001. Tesis (Grado) – Facultad de Mecánica, UnidadDocente Metalúrgica, Instituto Superior Politécnico JoséAntonio Echeverría, ISPJAE, Ciudad de La Habana.
CHIL, J. O. Estudio del régimen de insuflado de carbonopara la formación de escoria espumosa en el horno dearco eléctrico de Antillana de Acero.2003. Tesis (Grado) –Facultad de Mecánica, Unidad Docente Metalúrgica,Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría,ISPJAE, Ciudad de La Habana.
MESA, J. L. Estudio de la utilización de la escoria delhorno cuchara como fundente en el horno de arco eléctrico.2000. Tesis (Grado) – Facultad de Mecánica, UnidadDocente Metalúrgica, Instituto Superior Politécnico JoséAntonio Echeverría, ISPJAE, Ciudad de La Habana.
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