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LA VALORACIÓN DE LAS ESCORIAS METALÚRGICAS COMO RECURSOS INDUSTRIALES

1. INTRODUCCIÓN

En un proceso de fundición, la escoria puedeser definida como una fase que contiene substan-cias inútiles de un mineral y que inevitablemente

estará en cualquier operación pirometalúrgica queinvolucre sistemas fundidos [1, 2, 3].

Todas las escorias poseen, en alguna medida,bondades para la purificación del efluente metálico

LA VALORACIÓN DE LAS ESCORIAS METALÚRGICAS COMORECURSOS INDUSTRIALES

Daniel F. Lovera Dávila, Vladimir Arias, Rosa Coronado Falcón*

RESUMEN

En la actualidad se utilizan diversos procesos metalúrgicos para la obtención y recuperación de metales y encada uno de ellos se producen residuos inevitables como la formación de escorias, tratándose de que tenganel menor contenido de metal posible y que sus residuos finales tengan un valor posterior para otros procesosindustriales; tema que la presente investigación desarrolla.

Escoria es una fase que contiene sustancias inútiles de un mineral, que se encuentran presentes encualquier proceso metalúrgico que involucre fundiciones. Por lo general, las escorias de cobre son óxidos dehierro silicatos Si02, aunque existen otros elementos que no superan el 20% por lo que no se toman en cuenta.Con respecto a las impurezas, éstas ejercen un papel negativo en sus propiedades como su conductividadeléctrica, térmica, su color su dureza y demás; se pueden clasificar en tres grupos de fácil eliminado (Zn, Fe,0 y S), impurezas que se eliminan parcialmente (As, Sb, Bi y Ni), e impurezas que no se eliminan (Au, Ag).

Palabras clave: Metalurgia, escorias metalúrgicas, residuos sólidos, minería.

THE APPRAISAL OF METALLURGY SLAG AS INDUSTRIAL RESOURCES

ABSTRACT

Various metallurgy processes for obtaining and recovering metals are used nowadays. Unavoidable wasteis therefore made through each of them, such as slag build-up. Efforts are made to get the least of metalcontent, and end waste to be best employed in following industrial processes. Such is the concern developedby the present research.

Slag is part of a stage containing minerals useless substances. These are present in any metallurgy processcovering metal melting. Copper slag is generally made of iron oxides, silicates, although there are some otherelements accounting for less than 20% of the content, and are thus not taken into consideration. As forimpurities, they play a negative role in properties such as electric conductivity, thermic conductivity, colour,hardness, among others. They can be classified into three groups: easily removable impurities (Zn, Fe, O andS), partially removable impurities (As, Sb, Bi and Ni) and non-removable impurities (Au and Ag).

Keywords: Metallurgy, solid waste, mining, environment.

* Instituto de Investigación-Facultad de Ingeniería Geológica, Minera, Metalúrgica y Geográfica-Universidad Nacional Mayorde San Marcos, Lima-Perú.E-mail: dloverad@unmsm.edu.pe / vladiarias@hotmail.com / rcoronado@udec.cl

Revista del Instituto de Investigación FIGMMGVol 7, N.° 13, 26-30 (2004) Universidad Nacional Mayor de San MarcosISSN: 1561-0888 (impreso) / 1628-8097 (electrónico)

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y van adquiriendo mayor importancia cuando seencuentran más cerca del lecho metálico. En parti-cular, en caso del cobre, estas escorias tienen unrol fundamental durante la pirorefinación, en la di-solución de impurezas de la fase metálica.

De acuerdo a Mackey, seis son las caracte-rísticas más importantes que deben poseer lasescorias de extracción de cobre para asegurar lamáxima eficiencia durante la operaciónpirometalúrgica:

a) La escoria debe encontrarse completamente lí-quida a la temperatura de fusión del metal o dela mata.

b) La escoria debe ser fácilmente manejable du-rante el proceso; esto es, debe existir un com-promiso entre baja viscosidad.

c) Las escorias que van a descarte deben conte-ner mínimas cantidades del metal, disuelto oen suspensión.

d) El rango de operación de la escoria debe sertal, que admita variaciones tanto en la compo-sición de la escoria misma como en la alimen-tación al reactor sin producir trastornos de fun-cionamiento.

e) La escoria debe asegurar una buena elimina-ción de los elementos menores no deseados.

f) Las escorias, como en cualquier sistema meta-lúrgico, suelen representarse por diagramas deequilibrio, conocidos también como diagramasde fases.

Con el propósito de modelar el comportamien-to de minerales y concentrados durante las etapaspirometalúrgicas, se han estudiado los sistemasque mejor pudieran representarlo, llegándose a laconclusión, por parte de muchos autores, que elquinario Cu-Fe-S-O-SiO2 cumple en buena medidalo requerido.

Tal como expresara Elliot, el quinario Cu-Fe-S-O-SiO2 contiene, prácticamente, todas las fasespresentes durante los procesos pirometalúrgicosde extracción de cobre en los rangos de tempera-tura (1100-1350°C) y presión de oxígeno (10-16-1atm); escorias de fusión, conversión ypirorrefinación, matas pobres, matas cercanas almetal blanco, fase metálica durante la piro-refinación y fase gaseosa involucrada en cualquie-ra de las etapas del proceso [4, 5, 6, 7].

A través de la historia de la metalurgia, laescoria ha sido normalmente considerada como eldesecho resultante de las operaciones de fusión y

conversión; sin embargo, ya los primerosmetalurgistas pudieron darse cuenta que algunasde sus propiedades químicas y/o físicas podíanmodificarse mediante la adición de fundentes ade-cuados, específicos al proceso que se lleva a cabo.

II. ESCORIAS METALÚRGICAS [2, 5, 6, 7, 8, 9]

Las escorias industriales se han ido forman-do en los diversos procesos pirometalúrgicos quea continuación mencionamos:

Escorias de reverberos

En la actualidad hay bastante conocimientocon respecto a la influencia del reciclaje de la es-coria de conversión en las pérdidas de cobre en elhorno reverbero. Es claro que durante el reciclajede esta escoria ocurre una reducción de los óxidosde hierro y cobre mediante los sulfuros contenidosen el mate del horno del reverbero. Existe una ten-dencia, en algunas partes, de tratar a las escoriasde conversión separadamente, lo que ha significa-do una reacción importante de las pérdidas de co-bre y mayores tonelajes de producción. En estereactor, las pérdidas mecánicas en las escorias vandesde un 65 a un 80% del total, el resto corres-ponde al cobre oxidado y sulfurizado soluble, y, enel caso del reverbero, la mayor parte del sulfídico.

Escorias de horno flash y procesos de fusión-conversión continuos

Cuando se emplea un tratamiento separadode la escoria que generalmente es necesario cuan-do el grado de las matas es del orden del 60-65%de cobre no se necesita un control tan riguroso delas escorias extraídas del reactor de fusión.

Cuando el cobre se produce directamente apartir del concentrado en una sola etapa, las escoriascontienen desde 9-12% de cobre. Cerca de la mitaddel cobre –en este caso– está disuelto como óxido yel resto atrapado como mata o cobre metálico.

Se considera que los costos de tratamientopara recuperar el cobre de las escorias vía molien-da seguida de flotación son más altos que lapirometalúrgica o electrometalúrgica, ellos sin to-mar en cuenta la posibilidad de emplear moliendaautógena. Durante el enfriamiento lento de una es-coria, la mayoría del cobre disuelto como óxido sereduce a cobre metálico de acuerdo a la reacción:

Cu20 + 3FeO = 2Cu +Fe3O4

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Y aparentemente, para un mismo consumo,la molienda autógena debería entregar colas másbajas, debido a la fragilidad favorable del materialobtenido.

Escorias de convertidor

Tal como en el caso de la fusión, las escoriasde conversión tienen cobre disuelto como sulfurosy óxidos (mayormente óxidos), mata y cobre atra-pados mecánicamente. En algunas fundiciones sepractica, hoy en día, el tratamiento de escorias porflotación y se comienza en otras a practicar la lim-pieza en horno eléctrico.

En la operación de convertidores, para ase-gurar un buena escoria, es importante consideraruna adición apropiada de fundentes relativas al flujode aire utilizado. Esta operación cambia de unaplanta a otra, en algunas se estila agregar el fun-dente unos minutos después de comenzado el so-plado, en otras se agrega inmediatamente comen-zado. También la forma de controlar el proceso estáaún muy ligada a un operador, mediante el catálogovisual de la escoria y las llamas del reactor [8].

III. REFINERÍAS METALÚRGICAS

Refinería La Oroya

En la fundición de cobre de La Oroya, al igualque en otras fundiciones donde se emplea el mé-todo convencional de fusión de concentrados, lasescorias generadas en los convertidores son re-tornadas en forma fundida a los hornos de rever-beros donde, bajo condiciones relativas de repo-so, se recupera por sedimentación la mayor partedel cobre contenido en ellas.

Si se tiene en cuenta que estas escorias es-tán constituidas mayormente por óxidos de hierroy silicatos, se encuentra que la mayor parte de loretornado no reporta mayores beneficios a los re-verberos; por el contrario, es causa de problemasen ellos como la acumulación de magnetita en elfondo, restarles capacidad de tratamiento y posi-blemente de mayores pérdidas en sus escorias.De ahí que, aunque simple, se haya encontradoque resulta económico reemplazar este procedi-miento por uno que permita separar los valores decobre de la matriz de óxidos y silicatos previo a surecirculación. A estos procedimientos se les da ladenominación de métodos de «limpieza» de esco-rias, existiendo en la actualidad dos comercialmenteprobados y en uso industrial en varias fundiciones:

1) el de limpieza con horno eléctrico, y 2) el delimpieza por flotación previo enfriamiento,chancado y molienda.

Las escorias metalúrgicas de la refinería deLa Oroya se almacenan en el lugar denominadoHuanchán, allí se encuentran millones de tonela-das esperando que una tecnología innovadora re-cupere sus tenores metálicos y reaprovechar laescoria, propiamente, como materia prima einsumo comercial.

Refinería Southern

La fundición de Ilo de SPCC provee el cobreblister a la refinería. El cobre blister producido porla fundición excede la capacidad de la refinería,por lo cual el excedente es vendido a otras refine-rías alrededor del mundo.

La fundición de Ilo procesó 1.18 millones detoneladas de concentrados, igual que en el 2002.La fundición de concentrado de SPCC aumentó en8.0%, mientras que la fundición de los concentra-dos de terceros disminuyó en 87,639 toneladas.Como resultado de ello, la producción de cobreblister disminuyó a 314,900 toneladas en el 2003,comparado con 316,500 toneladas en el 2002.

La producción total de cobre refinado de SPCCdisminuyó 0.8% a 731.4 millones de libras en el2003 con respecto a las 737.5 millones de librasen el 2002. La producción de la refinería de Iloalcanzó los 626.1 millones de libras en el 2003, unincremento de 0.8% con respecto al 2002 debidoa que ahora hay una mayor eficiencia en la planta.La producción proveniente de la planta de SX/EWdisminuyó a 105.3 millones de libras de cobre, unadisminución del 9.7% con respecto al año anterior,debido a una disminución en la ley de la PLS. Lafundición de Ilo de SPCC provee el cobre blister ala refinería. El cobre blister producido por la fundi-ción excede la capacidad de la refinería, por lo cualel excedente es vendido a otras refinerías alrede-dor del mundo [10].

Las escorias producidas son depositadas enel lecho marino.

IV. PROCESOS METALÚRGICOS CON TECNO-LOGÍA LIMPIA

La producción limpia es especialmente inte-resante para conseguir el objetivo de reducción deescorias. Consiste en la adopción de medidas deorganización que permitan reducir las escorias en

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su origen y reciclar en el proceso. En cambio, unavía que puede contribuir a valorizar las escorias escomercializarlas como subproductos, encontrándo-se otra industria que pueda utilizar las escoriascomo materia prima.

El procesamiento de minerales es la fase máscompleja y, por lo tanto, más demandante de so-luciones tecnológicas para las tareas de prepara-ción del material y su procesamiento hasta la en-trega del producto comercial. Los focos de investi-gación principalmente se orientan a disminuir elconsumo de energía en la comminución y en losprocesos de separación, hacia una optimización delmanejo y aprovechamiento del material fino, a pro-curar una aceleración de las reacciones químicas,a optimizar la eficiencia calórica y maximizar lacontinuidad de los procesos. También es relevantela preocupación por incrementar el reapro-vechamiento de los residuos y disminuir la produc-ción de desechos [7].

V. LEGISLACIÓN AMBIENTAL

La Legislación Ambiental Nacional D.S. N.°016-92-EM 1993, en el artículo 36, planteaba ladeposición de relaves y/o escorias en tierra, quese depositen en canchas ubicadas preferentemen-te cerca a las plantas de beneficio, para permitir elreciclaje del agua y así minimizar o evitar la des-carga de efluentes fuera de la zona de almacena-miento.

En el artículo 37, en cuanto los estudios y laimplementación de proyectos para depósitos derelaves y/o escorias deben garantizar la estabili-dad estructural del depósito, así como de las obrascomplementarias a construirse, como en las lade-ras adyacentes al depósito y la presa o presas desostén, asegurando la estabilidad física de los ele-mentos naturales integrantes y circundantes paraprevenir la ocurrencia de cualquier falla ointeracción desestabilizadora, como consecuenciade fenómenos naturales tales como actividad vol-cánica, sísmica, inundaciones e incendios.

En el artículo 38, en cuanto a la ubicación delos depósitos de relaves y/o escorias en los casosde plantas de beneficio que, por razonestopográficas, geológicas, edafológicas o hídricas,no es factible ubicar los depósitos de relaves y/oescorias en zonas cercanas, éstos podrán ser con-ducidos y depositados en el fondo de cuerposlacustres o del mar, mediante tecnología adecua-da que garantice la estabilidad física y química delos relaves y/o escorias, de tal manera que no

constituya riesgo para la flora, fauna marina y/olacustre.

En el artículo 39, en cuanto para el abandonodefinitivo de los depósitos de relaves y/o escorias,necesariamente se elaborarán y ejecutarán lasobras o instalaciones requeridas para garantizarsu estabilidad, especialmente en lo que respecta ala permanencia y operatividad de los elementosde derivación de los cursos de agua, si los hubiere,y el tratamiento superficial del depósito y de la presapara evitar su erosión. El material depositado de-berá ser estabilizado de tal forma que inhiba lapercolación de aguas meteóricas y el transportede contaminantes que puedan degradar los cuer-pos de agua superficiales o subterráneos [11].

La legislación no contempla la revalorización,recuperación, reutilización y reciclaje, de las esco-rias y residuos metalúrgicos como contribución ala descontaminación del medio ambiente.

VI. INVESTIGACIÓN Y DESARROLLORECIENTES

A nivel regional se viene trabajando en estalínea de investigación en el marco del ProgramaIberoamericano de Ciencia y Tecnología para elDesarrollo (CYTED), ya que se trata de un proble-ma común de la industria metalúrgica.

En ese contexto, se plantea un proyecto deinvestigación en ejecución. El desarrollo de los pro-cesos de tratamiento de escorias y residuos meta-lúrgicos ha transcurrido de forma similar en losprincipales países productores de acero, arrabio,ferroaleaciones y metalurgia no férrea. Antigua-mente los metalúrgicos no valoraban en su com-pleta dimensión a las escorias y a otros desechos,existían limitados conocimientos y experienciassobre las masas fundidas y, por consiguiente, so-bre la posibilidad de obtener materiales y artículosvaliosos como resultado de su tratamiento. No exis-tían tecnologías ni instalaciones destinadas a estefin, la organización del tratamiento de las escoriasy residuos industriales se desarrollaba en empre-sas aisladas.

Los volúmenes de escoria y residuos crecie-ron de año en año en la medida que crecía y sedesarrollaba la industria en los países con tradi-ción metalúrgica. Sin embargo, el aprovechamientode estos subproductos ha sido una inquietud per-manente de las empresas metalúrgicas, no sólopor las posibilidades económicas (tanto en el usopropio como la venta a terceros); sino también por

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su contribución a la descontaminación del medioambiente y a la necesidad de recuperar grandesextensiones de patios y terrenos aledaños a lasfactorías, donde se depositan las escorias.

Mediante investigaciones científicas y la acti-vidad práctica se ha demostrado que el procesa-miento integral y el uso racional de la escoria yotros residuos metalúrgicos permiten no sólo me-jorar los índices económicos de la industria sinoque a su vez son un importante sustituto de mate-rias primas vírgenes empleadas en la industria demateriales de construcción, de agricultura y deotras [12].

VII. CONCLUSIONES

a) La producción nacional de cobre genera gran-des cantidades de escorias en las plantas me-talúrgicas de La Oroya y de Ilo.

b) La legislación ambiental no contempla la reva-lorización, recuperación, reutilización y reciclaje,de las escorias y residuos metalúrgicos comocontribución a la descontaminación del medioambiente.

c) Mediante investigaciones científicas se puedelograr la conversión de las simples escorias me-talúrgicas a insumos industriales.

VIII. AGRADECIMIENTO

A la Escuela de Ingeniería Metalúrgica por elapoyo brindado y a los profesores (que forman partedel equipo) Alfonso Romero, Luis Puente, SixtoVidal Aramburú y Carlos Malpartida Domínguez.

IX. BIBLIOGRAFÍA1. G. Tantaleán V. Recursos Metalúrgicos, UNMSM,

2004.

2. A.K. Biswas, W.G. Davenport. ExtractionMetallurgy of Copper, Pergamon Press 1980.

3. P.J. Mackey. «The Physical Chemistry of CopperSmelting Slags a review». Can Metall. Quart.21, N.° 3, 1982, p. 221.

4. I. Wilkomirsky. Metalurgia no ferrosa. Departa-mento de Ingeniería Metalúrgica, Universidadde Concepción, 1991.

5. D.R. Gaskell. Introduction to MetallurgicalThermodynamics. Mc-Graw Hill, Tokio, 1973.

6. Sánchez, M. Escorias en pirometalúrgica del co-bre. Departamento de Ingeniería Metalúrgica,Universidad de Concepción, 1992.

7. Sánchez, M. Pirometalurgia del cobre y com-portamiento de sistemas fluidos. Departamen-to de Ingeniería Metalúrgica, Universidad deConcepción, 2002.

8. Comisión Chilena del Cobre. La investigación einnovación tecnológica en la minería del cobre.Dirección de Estudios, 2001.

9. Tarassoff P. Process R&D-The Noranda Process.Metallurgical Transactions vol. 15B, Sept. 1984,pp. 411-432.

10.Web Site: SPCC, Doe Run, MEM. 2004.

11.Reglamento de la Protección Ambiental para lasActividades Minero-Metalúrgicas. D.S. N.° 016-93-EM-1993.

12.Ortiz, O. et al. «Recuperación, reutilización yreciclaje de escorias y residuos metalúrgicos»,Proyecto CYTED, 2004.