Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 3 (1): 10-22
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Universidad Autónoma de Baja California ISSN 2594-1925
Volumen 7 (3): e277. Julio-Septiembre 2024. https://doi.org/10.37636/recit.v7n3e277
ISSN: 2594-1925
1
Artículo de investigación
Procesamiento de polvos de colector de alto horno para su
aprovechamiento en la industria siderúrgica
Processing of blast furnace collector dusts for their utilization in the steel
industry
Iván Omar Acuña-Gutiérrez1, Damaris Margarita Puente-Siller1, José Manuel González-de la Cruz2,
Luis Enrique Álvarez-García2, Juan Antonio López-Corpus1, Alberto Perea-Garduño1
1Altos Hornos de México, S.A.B. de C. V., Prol. Benito Juárez S/N Las Lomas, 25770, Monclova, Coahuila, México.
2Universidad Autónoma de Coahuila, Boulevard Venustiano Carranza, esquina González Lobo, S/N, República Oriente,
25280, Saltillo, Coahuila, México.
Autor de correspondencia: Iván Omar Acuña Gutiérrez, Altos Hornos de México, S.A.B. de C.V. Correo electrónico:
ivan.agtz@gmail.com; ORCID: 0000-0001-5992-9840.
Recibido: 14 de Agosto del 2023 Aceptado: 21 de Junio del 2024 Publicado: 9 de Julio del 2024
Resumen. - La producción de arrabio implica la generación de subproductos como los polvos de colector, que son atractivos debido a su
contenido de Fe, sin embargo, no pueden reutilizarse directamente debido a su alto contenido de Zn y álcalis. Por ello, esta investigación,
busca su aprovechamiento, mediante lixiviación ácida. Para esto, una muestra fue procesada mediante molienda (1h) y separación
magnética de baja intensidad y luego se evaluó el efecto del ácido clorhídrico como agente lixiviante en cada etapa del proceso (0.10, 0.25,
0.50 y 1.0M HCl). Además, se analizó el efecto de la temperatura para el sistema con 1M HCl. Los resultados indican que al trabajar en los
sistemas con alta concentración de HCl tanto en el material fresco como el molido, fue posible disolver el contenido de Zn hasta un 65%.
Por otro lado, al lixiviar los polvos tratados por separación magnética, se alcanzaron disoluciones de Zn de 56 y 65% para 1 y 2 limpias
respectivamente. En cuanto al contenido de Fe, se tuvo un incremento respecto al contenido inicial, pasando de 53.8 a 59% Fe, (lo cual,
hace factible su procesamiento). Por otra parte, a medida que aumentó la temperatura, se favoreció la lixiviación de Zn, a 85°C, se alcanzó
hasta un 74% de disolución. En el caso de la disolución de Na2O, P y K2O el incremento en la temperatura de trabajo acelera la cinética de
disolución, no obstante, en el caso de Fe, el incremento en la temperatura de trabajo, provoca una disminución en su concentración. Por
último, en el análisis termodinámico se determinaron los valores de ∆G° de las reacciones, indicando que son espontáneas, es decir, que se
llevan a cabo sin la necesidad de una energía aplicada. En conclusión, fue posible comparar el efecto de los sistemas de lixiviación en cada
etapa del procesamiento. A temperatura ambiente, la lixiviación del polvo sin procesar alcanza hasta 65% de disolución de Zn con 38.8%
Fe; y luego de 2 limpias magnéticas, se alcanza una disolución de 65% Zn con contenido de 61.4% Fe. Al incrementar la temperatura, se
cataliza la mayoría de las reacciones involucradas en el proceso de lixiviación, especialmente la de disolución de zinc (hasta 74%) y mediante
el uso de la termodinámica se puede sustentar la factibilidad de las reacciones involucradas.
Palabras clave: Alto horno; Polvo de colector; Lixiviación; Separación magnética; Procesamiento de polvos.
Abstract. - The production of pig iron involves the generation of by-products such as collector dusts, which are attractive due to their Fe
content. However, they cannot be directly reused because of their high content of Zn and alkalis. Therefore, this research aims to explore
their utilization through acid leaching. To achieve this, a sample was processed through grinding (1h) and low-intensity magnetic separation,
and then the effect of hydrochloric acid as a leaching agent was evaluated at each stage of the process (0.10, 0.25, 0.50 and 1.0M HCl).
Furthermore, the effect of temperature was analyzed for the system with 1M HCl. The results indicate that working with systems with high
HCl concentration in both fresh and ground material made it possible to dissolve up to 65% Zn content in the initial sample (with 38.8% Fe).
On the other hand, leaching the magnetically treated dusts achieved Zn solutions of 56% and 65% for 1 and 2 cleaning cycles, respectively.
Regarding the Fe content, an increase was observed compared to the initial content, reaching from 53.8% to 59% Fe (making its processing
feasible). Furthermore, as the temperature increased, the leaching of Zn was privileged, reaching up to 74% dissolution at 85°C. In the case
of Na2O, P, and K2O dissolution, an increase in working temperature accelerated the dissolution kinetics. However, in the case of Fe, an
increase in working temperature led to a decrease in its concentration. Lastly, thermodynamic analysis determined the ∆G° values of the
reactions, indicating their spontaneity, i.e., they occur without the need of applied energy. In conclusion, it was possible to compare the effect
of leaching systems at each stage of processing. At room temperature, leaching of the untreated dust achieved up to 65% Zn dissolution with
38.8% Fe, and after 2 rounds of magnetic cleaning, a dissolution of 65% Zn with a 61.4% Fe content is attained. By increasing the
temperature, most of the reactions involved in the leaching process are catalyzed, especially the zinc dissolution (up to 74%). The feasibility
of the involved reactions can be supported through thermodynamics.
Keywords: Blast furnace; Collector dusts; Leaching; Magnetic separation; Powder processing.
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1. Introducción
El alto horno se puede considerar como una
planta química que reduce continuamente el
hierro mediante una serie complicada de
reacciones físico-químicas. Las reacciones que
ocurren son: entre el carbón, oxígeno y sus
óxidos, y el resultado de estas es el arrabio [1].
La producción de acero en una planta integral
siderúrgica conlleva la generación de
subproductos como son gas, escorias, lodos,
polvos de colector y ciclón. Sin embargo, dichos
subproductos contienen elementos nocivos y
necesitan ser tratados antes de su reciclaje. El gas
alto horno, debido a su alto contenido de azufre
requiere ser desulfurado, en [2], se analizó la
viabilidad de varios métodos de desulfuración
para disminuir la cantidad de azufre en el gas alto
horno y así poder reciclarlo, de tal forma se puede
reducir la corrosión de los sistemas de tuberías y
contaminación del aire. Por otro lado, en el caso
de las escorias, los costos energéticos y las
restricciones ambientales han obligado a las
industrias a reutilizarlas [3]. Y los lodos, que
contienen elementos como el Zn, Pb y Cd pueden
ser tratados termoquímicamente para ser
reutilizados en el alto horno o en el proceso de
sinterización [4]. Aunado a lo anterior, los polvos
del colector y ciclón han sido estudiados para
analizar su viabilidad como materiales
reciclados. En [5], se investigó el uso de polvo de
alto horno para mejorar las propiedades de
resistencia, plasticidad y expansión de los
agregados naturales en la construcción de
carreteras. Otra aplicación de los polvos pueden
ser en el proceso de desulfuración debido a su
contenido de Fe2O3 y ZnO principales
componentes activos de la desulfuración [6].
Las aplicaciones para cada uno de los
subproductos son variadas: generalmente el gas
de alto horno es recirculado al proceso, mientras
las escorias se emplean para aplicaciones como
la fabricación de cemento Portland, el porcentaje
de adición ronda en 40 a 45% e.p. [7]. En la
fabricación de vitrocerámica se puede agregar
hasta un 50% de escoria de alto horno
manteniendo las propiedades integrales
(densidad aparente, absorción de agua y
resistencia a la flexión [8]. Como asfalto la
escoria de alto horno presenta adecuadas
propiedades físicas y composición química para
reemplazar la fracción fina de áridos naturales de
una mezcla asfáltica en caliente [9]. En la
fabricación de ladrillos la escoria granulada de
alto horno puede ser empleada como reemplazo
en la fracción de cemento en los ladrillos [10].
Los subproductos sólidos tales como lodos,
polvos de colector y ciclón no se reprocesan
directamente debido a su alto contenido de Zn
[11]. El polvo recuperado de los sistemas de
gases del alto horno contiene unidades Fe que los
hace atractivos para su recuperación, en [12], se
investigó la fabricación de briquetas mezcladas
con concentrado de hierro y polvo de alto horno
para someterlas a un proceso de tostación
simulando el proceso de sinterización previo a la
reducción, cuando las briquetas con un 20% de
polvo de alto horno se redujeron a 1200°C la tasa
de metalización alcanzó 84.77% y se redujeron
los contenidos de Zn, Na y K. En otro estudio
[13], se fabricaron aglomerados en frío, los
cuales se redujeron y fundieron mediante la
energía del hierro fundido, los elementos
valiosos como el Fe y Zn fueron recuperados del
aglomerado reducido.
El polvo recuperado de los sistemas de lavado de
gases del alto horno contiene elementos nocivos
como son álcalis (Na y K) y Zn, por lo tanto en
el alto horno se debe regular su contenido.
Durante el proceso de formación del arrabio estos
elementos (álcalis y Zn) se pueden adherir a las
paredes del horno causando problemas a corto
plazo, además de incrementar el consumo de
coque para la fusión del hierro [14].
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El contenido de Fe y C y el volumen resultante
en los polvos del alto horno hace atractivo tratar
de recuperarlos [15]. Según [16], los polvos del
alto horno están constituidos principalmente por
magnetita (Fe3O4), hematita (Fe2O3), calcita
(CaCO3) y cuarzo (SiO2). El carbono presente en
el polvo de alto horno puede ser utilizado como
fuente combustible [17]. El zinc por su parte en
los subproductos de alto horno se caracteriza por
estar presente en su forma de zincita (ZnO) y
franklinita (ZnFe2O4) lo que dificulta su
extracción [18].
La remoción del Zn se puede realizar empleando
la pirometalurgia a fin de reciclar estos polvos y
el método más utilizado es el proceso Waelz que
generalmente utiliza polvos de acería [19]. Una
de las desventajas de utilizar esta metodología
para la remoción de zinc es que requiere altos
consumos de energía [20]; además, se requiere de
coque para llevar a cabo la reducción y el Fe
queda atrapado en una escoria lo que dificulta su
recuperación. Un método que se puede emplear
para reducir el gasto de energía es la
hidrometalurgia, no obstante, este proceso
requiere de equipos resistentes a la corrosión
[21].
La hidrometalurgia también puede ser utilizada
para la remoción de Zn, la aplicación de la
lixiviación ácida selectiva a polvos de horno de
arco eléctrico ha logrado reducir el contenido de
Zn en un 97% e.p. [22]. Este proceso de
lixiviación puede ser replicado para disminuir el
contenido de Zn y otros elementos en lodos y
polvos de alto horno, escorias y otros
subproductos generados en las plantas
siderúrgicas [23].
En [24], se estudió la lixiviación de Zn en una
solución de ácido sulfúrico empleando polvos de
horno arco eléctrico, usando este proceso
propuesto se logró remover hasta un 87% de Zn,
aplicando una concentración de 1 M de H2SO4 y
80°C. En otro estudio [25], se logró remover Zn
hasta en un 65.78% e.p. utilizando ácido oxálico
en una concentración de 5 M y 90°C para la
remoción de Zn en polvo de horno arco eléctrico.
En [26], se analizó la lixiviación de Zn y álcalis
en lodos del alto horno utilizando varios tipos de
oxidantes (ion férrico, oxígeno y ozono), medios
ácidos de solución acuosa (NH4Cl, HCl y H2SO4)
y temperatura. Al finalizar la investigación, se
determinó que se puede remover Zn hasta un
85% utilizando como medios de lixiviación
ozono y ácido sulfúrico. En cuanto a los álcalis
se logró lixiviar hasta un 75% de K2O y un 35%
de Na2O empleando el mismo oxidante y medio
acuoso.
Según [27], la lixiviación de Zn de polvos del
horno arco eléctrico se puede lograr utilizando
ácido clorhídrico como medio acuoso. De
acuerdo a los resultados reportados en la
investigación desarrollada por los autores se
puede remover Zn hasta un 70% empleando 5 M
HCl, 3g por cada 100 ml HCl, 70°C y 15 min de
tiempo de lixiviación. En [28], se reportó que el
ácido hidroclorhídrico ha sido encontrado como
un lixiviante efectivo para la extracción de zinc
en lodos secos recuperados de hornos Tándem.
Para el desarrollo de los experimentos se utilizó
0.5 M HCl, 100 min y 260°C, el proceso de llevó
a altas presiones, el resultado fue la lixiviación de
Zn 99%.
En [29], reportó que el ácido cítrico puede
remover el 82% de zinc en un tiempo de 60
minutos, empleando una concentración de 0.5M
ácido cítrico, 80°C de temperatura y una relación
líquido/sólido de 10. En la literatura [30], se
reportó el uso de aniones carboxílicos orgánicos
(citrato de sodio y ácido oxálico) como solución
acuosa para la lixiviación de Zn, utilizando una
concentración de 0.5 M y tiempos de hasta 3
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horas se logró remover hasta un 50% de Zn con
ambas soluciones.
En [31], se investigó la lixiviación de Zn de
polvos del horno arco eléctrico empleando ácido
cítrico, con este reactivo se alcanzó una
disolución hasta de 90.4% de ZnO después de 1
h y 50°C. Además, con la adición de cloruros a la
solución de ácido cítrico se incrementó la
eficiencia en la lixiviación logrando un 98% de
remoción de ZnO.
En el caso de la separación magnética, dicho
proceso es el más indicado para el
enriquecimiento de Fe y separación de
subproductos no magnéticos [32]. Se ha
reportado en la literatura el reciclado de unidades
Fe en polvos del alto horno a través de la
separación magnética (SM), con este método se
puede recuperar la fracción de magnetita,
obteniéndose concentrados de 61-64% e.p. de Fe
[33]. En [34], se investigó la recuperación de
unidades Fe y C de polvo de alto horno utilizando
un proceso de separación magnética y flotación.
Los investigadores reportaron que es posible
concentrar el Fe hasta en 52% aplicando
separación magnética. Por otra parte, se puede
separar el carbono del polvo del alto horno
consiguiendo hasta un 99% de recuperación.
En [35], se realizó un estudio para reciclar el
polvo del alto horno mediante tostado y
magnetización utilizando carbón como agente
reductor. En la investigación se reportó que es
posible reducir la hematita a magnetita utilizando
una temperatura de 750°C, 6% de carbón y 60
min. Una vez que se aplicó la separación
magnética al polvo tratado se obtuvo un
concentrado de Fe del 63.5%, mientras que el
contenido de Zn fue de 0.19%.
En este trabajo de investigación se busca evaluar
la remoción de zinc y álcalis, entre otros
elementos contenidos en los polvos de colector
de alto horno procesados en diversas etapas. En
primera instancia se busca lixiviar el polvo tal
como se recibió y después de aplicar una
molienda, luego se pretende lixiviar un
concentrado de Fe obtenido de los polvos. Por lo
tanto, el objetivo principal de la realización de
este trabajo es remover el Zn y álcalis, entre otros
elementos contenidos en los polvos del colector
para que el material no sea nocivo para el alto
horno y de esta manera se pueda recuperar las
unidades Fe. Con lo anterior, se busca evitar el
confinamiento y/o almacenamiento de estos
polvos, dando un enfoque ecológico al área
siderúrgica.
2. Metodología
La descripción de la metodología que se
desarrolló se muestra en la Figura 1, en donde se
describen las etapas que se llevaron a cabo.
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Figura 1. Diagrama de flujo del tratamiento a polvos del colector alto horno.
Obtención de la muestra: Se obtuvo una muestra
representativa del polvo colector del alto horno
(PCAH) para el análisis de composición química
por espectrometría de fluorescencia de rayos X
(FRX).
Preparación de la muestra: Una muestra de polvo
colector del alto horno fue colocada en una placa
de acero y con la ayuda de una pala, el polvo se
mezcló y se apiló para obtener una mezcla
homogénea. Este proceso se repitió 5 veces para
después realizar el cuarteo correspondiente a la
mezcla con la ayuda de un cuarteador, repitiendo
de igual manera el proceso 5 veces.
Molienda: Luego de la homogeneización a los
polvos de colector, se procedió a realizar una
molienda en un medio acuoso. Una muestra de
1.2kg es colocada dentro de un molino con agua
para realizar una molienda por medio acuoso
(obtención de un 85% de sólidos a -325 mallas.
La cantidad de agua utilizada fue de 0.514 L
(relación agua: sólidos de 0.43) y el tiempo de la
molienda fue de 1 hora. El material molido fue
secado en el cuarto caliente aproximadamente a
60°C. Cuando la muestra se secó, se metió a una
quebradora para después ser deaglomerado.
Los polvos de colector previamente molidos y
con un tamaño de partícula ya reducido, se
sometieron a concentración por separación
magnética de baja intensidad (SMBI), dicho
procedimiento se inicia preparando una pulpa de
los polvos de colector, la cual es introducida a un
contenedor de entrada del dispositivo SMBI,
entonces las partículas metálicas son atraídas por
el imán y posteriormente recuperadas. Este
proceso se aplicó 2 veces para incrementar la
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concentración de unidades Fe en el polvo del
colector. El concentrado PCAH recuperado se
secó en el cuarto caliente a aproximadamente
60°C y luego fue deaglomerado.
Caracterización de las muestras: El análisis
químico, se realizó por la técnica de
Fluorescencia de Rayos X (FRX) empleando un
equipo modelo Axios Max marca Panalytical,
por el método de la pastilla fundida.
Lixiviaciones: Para llevar a cabo la remoción de
elementos, se realizaron experimentos en
botellas, haciendo uso de una mesa de rodillos y
en experimentos empleando agitación mecánica,
se utilizó HCl como agente de lixiviación ácido,
la temperatura se monitoreó en todos los casos,
así mismo, todas las soluciones fueron de 200 mL
con 30 g de muestra; el tiempo experimental fue
de 15, 30, 60 y 90 min.
Los experimentos de lixiviación se desarrollaron
utilizando concentraciones de 0.10, 0.25, 0.50 y
1 M de HCl. La muestra de PCAH es añadida a
la solución en los tiempos de lixiviación
indicados. Finalizado el tiempo de permanencia,
el material sólido recuperado es vertido sobre
filtros y lavado 5 veces con agua destilada. El
sólido lixiviado es secado en un cuarto caliente a
aproximadamente 60°C. Por último, se analiza su
composición química por FRX y se determina el
% e.p. de Zn y otros elementos contenidos en los
polvos del colector.
Además de la variación en la concentración, se
analizó el efecto de la temperatura, para el
sistema 1M, considerando temperatura ambiente,
45, 65 y 85 °C, en tiempos de 10, 20, 30, 40, 50,
60, 90 y en algunos casos 120 min, empleando
agitación mecánica de 400 rpm. Además de lo
anterior, se realizó un análisis termodinámico
para definir los mecanismos de disolución de Zn
y otros elementos contenidos en los polvos del
colector.
3. Resultados y Discusiones
Los resultados obtenidos experimentalmente se
presentan en cuatro subsecciones de este
apartado, en primer lugar, se describen los
resultados de la caracterización del material,
segundo, el análisis del efecto de cada etapa de
procesamiento (molienda, limpiezas magnéticas)
sobre la disolución de CaO, K2O, Fe, Zn, Na2O,
y P; posteriormente, el análisis del efecto de la
temperatura sobre el material procesado, y por
último, una descripción termodinámica de los
sistemas.
3.1 Caracterización del material inicial
La Tabla 1 muestra los resultados de análisis
químico del material en cada etapa del proceso,
los cuales fueron considerados como cabeza de
material en cada procesamiento. Con la finalidad
de realizar una comparación entre cada una de
ellas. En las muestras de cabeza de polvo de
colector sin moler, molido a 1 hora, limpia 1 y
limpia 2 los valores de Fe fueron 37.211, 37.562,
53.874 y 58.693%, respectivamente, mientras
que los contenidos de Zn fueron 0.165, 0.168,
0.183, 0.187%, respectivamente. En el caso del
resto de los elementos contenidos en el polvo del
colector su porcentaje disminuyó con la
aplicación de la separación magnética. Es
importante señalar que la composición química
en su forma elemental y óxidos, se utiliza para
estimar el contenido en volumen de escoria,
álcalis e índice de basicidad (parámetro operativo
en alto horno) que pueden generar. En el caso de
las unidades de Fe se utiliza en la determinación
de la materia prima en los procesos que puede ser
utilizada.
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Tabla 1. Análisis químico correspondiente a cada etapa del proceso (valores porcentuales en peso).
CABEZAS
Fe
(%)
P
(%)
SiO2
(%)
Zn
(%)
CaO
(%)
Na2O
(%)
Sin moler
37.211
0.081
7.547
0.165
5.224
0.097
Molienda 1h
37.562
0.065
7.335
0.168
4.950
0.050
1 Separación Magnética
53.874
0.057
4.623
0.183
5.001
0.066
2 Separación Magnética
58.693
0.062
3.642
0.187
4.849
0.0552
3.2 Efecto de la etapa de procesamiento sobre la
disolución de los componentes
La Figura 2, muestra los resultados de las
lixiviaciones de zinc en cada etapa del
procesamiento, variando la concentración de
HCl, tal como puede observarse, al lixiviar tanto
el material fresco como el molido durante 1h y
trabajar en los sistemas con menor concentración
de HCl, se tiene un incremento en el contenido
de este elemento, no obstante, a medida que
aumenta la concentración del ácido, es posible
disolverlo hasta alcanzar un 65%, lo equivalente
a un contenido de zinc de 0.057% Zn en el
material. Por otra parte, al lixiviar los polvos
tratados por separación magnética en 1 y 2
ocasiones, es posible lixiviar el Zn en todas las
concentraciones del ácido utilizado, además de
que su disolución se incrementa a medida que
aumenta la concentración del HCl, alcanzando
porcentajes aproximados a 56 y 65% para 1 y 2
limpias respectivamente, lo cual corresponde a
un contenido de zinc de 0.080 y 0.065%
respectivamente. Cabe mencionar que el material
procesado en dos ocasiones por separación
magnética, también fue lixiviado en una solución
2M de HCl, en donde se alcanzó una disolución
del 71%, lo que corresponde a un contenido de
0.053% de Zn.
Figura 2. Efecto del procesamiento del material, y concentración de HCl en la disolución de Zn a temperatura ambiente.
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Un comportamiento similar al del Zn, se presenta
al analizar la disolución de óxido de sodio (ver
Figura 3), debido a que, cuando se trabajó con los
materiales sin pasar por una separación
magnética se tiene un incremento en su
concentración, no obstante, posteriormente si fue
posible disolver este compuesto, alcanzado un
valor cercano a 70% al lixiviar el polvo sin moler.
Por otra parte, al lixiviar los sólidos que se
sometieron a una separación magnética en 1 y 2
ocasiones, el Na2O se lixivió desde bajas
concentraciones de HCl, alcanzando un valor
aproximado al 95% en el sistema con 0.1M HCl,
en el material procesado mediante separación
magnética en una sola ocasión.
Figura 3. Efecto del procesamiento del material, y concentración de HCl en la disolución de Na2O a temperatura ambiente.
En el caso de la disolución de P y K2O, se puede
decir que tienen un comportamiento similar, ya
que, el incremento en su concentración se
presenta en los sólidos procesados
magnéticamente, en ambos casos, cuando se
utilizaron las concentraciones más bajas de
ácido, posteriormente, fue posible removerlos
hasta valores cercanos al 60% K2O y 80% P. Por
otra parte, en el material sin moler y molido, es
posible disolver desde las concentraciones más
bajas. No obstante, en todos los casos, a medida
que se incrementa la concentración de ácido, se
incrementa la capacidad lixiviante de los
sistemas. Las Figuras 4 y 5 muestran las gráficas
de disolución de P y K2O respectivamente.
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Figura 4. Efecto del procesamiento del material, y
concentración de HCl en la disolución de P a temperatura
ambiente.
Figura 5. Efecto del procesamiento del material, y
concentración de HCl en la disolución de K2O a temperatura
ambiente.
En el caso del CaO, tal como puede observarse
en la Figura 6, el proceso de disolución se
favorece a medida que se incrementa la
concentración de ácido, siendo más eficientes las
muestras sin moler y molida, alcanzando valores
superiores al 70% de disolución, mientras que las
muestras separadas magnéticamente, alcanzan
valores cercanos al 60%.
Figura 6. Efecto del procesamiento del material, y concentración de HCl en la disolución de CaO a temperatura ambiente.
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La Figura 7 muestra los resultados de disolución
de Fe al lixiviar material de cada etapa del
procesamiento, tal como se observa, se grafican
porcentajes negativos en todas las curvas, lo cual
corresponde a que el Fe tuvo una concentración
al finalizar los experimentos. En el caso de la
muestra con una sola limpieza magnética, se
tienen concentraciones superiores a 10% del
contenido inicial de Fe, es decir, se alcanza hasta
un 59% Fe que presenta un incremento respecto
al 53.874% Fe inicial.
Figura 7. Efecto del procesamiento del material, y concentración de HCl en la disolución de Fe a temperatura ambiente.
A manera de resumen, luego de analizar el
comportamiento de cada muestra al ser lixiviada
en cada etapa del procesamiento, es posible
plantear un mecanismo de disolución de los
componentes de la muestra, procesada o sin
procesar magnéticamente, de acuerdo con lo
siguiente: Cuando el material es el inicial o
solamente ha pasado por una molienda, el orden
de disolución es de acuerdo a la ecuación 1:
CaO → K2O, P → Zn, Na2O (1)
Mientras que cuando el material ha sufrido una
separación magnética en 1 o 2 ocasiones, el orden
de disolución es de acuerdo a la ecuación 2:
CaO → Na2O, Zn → K2O → P (2)
Lo anterior, permite demostrar las ventajas de
procesar el material a fin de disminuir el zinc que
contiene.
Si bien es cierto que el polvo del colector es un
subproducto que no puede ser reciclado
directamente debido a que su alto contenido de
Zn afecta la funcionalidad del alto horno, al ser
tratado puede ser reutilizado en operaciones tales
como el proceso de sinterización y peletización
en forma de aglomerados o pelets, la disminución
de Zn obtenida en esta investigación, hace
posible su reutilización, añadiéndolo como
materia prima en bajos porcentajes en los
procesos antes mencionados.
Otros elementos y óxidos tales como el Na2O y
K2O también pueden afectar la funcionalidad del
alto horno debido a la formación de compuestos
complejos en el refractario, aunque la cantidad
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admitida es de 0.12%, generalmente el polvo del
colector supera esta cantidad, no obstante, al
procesar el polvo por separación magnética y
lixiviación, su porcentaje disminuyó
considerablemente, permitiendo que dicho
material pueda ser reciclado. En el caso del
fósforo, que es un elemento que afecta las
propiedades de los aceros más adelante en la
cadena de producción, y si bien es cierto que se
cuentan con procesos posteriores para la
disminución de tal elemento, el tratamiento por
lixiviación aplicado a los polvos del colector
puede disminuir considerablemente el porcentaje
de fósforo hasta en un 80% e.p, minimizando, de
esta manera, su efecto en el proceso siderúrgico.
3.3 Análisis del efecto de la temperatura en el
proceso de lixiviación
Los experimentos para evaluar el efecto de la
temperatura, se realizaron en el concentrado de la
doble separación magnética. La Figura 8 muestra
los resultados de disolución de zinc
incrementando la temperatura en la solución, tal
como puede observarse, a medida que aumenta la
temperatura, se favorece la lixiviación de zinc, de
hecho, en el experimento a 85°C, se alcanzan
valores hasta de 69 y 74% de disolución (0.058 y
0.048%Zn) en 10 y 50 minutos respectivamente.
Cabe mencionar que a temperatura ambiente, se
alcanzan valores de 55, 62 y 65% disolución
(0.084, 0.069 y 0.065%Zn) en 10, 50 y 180 min.
Figura 8. Efecto de la temperatura en la lixiviación de Zn empleando soluciones 1M HCl en concentrado de doble separación
magnética.
La Figura 9, muestra los resultados de disolución
de Na2O, en donde puede observarse que un
incremento de la temperatura potencializa el
proceso de lixiviación, así mismo, las curvas de
disolución presentan algunas precipitaciones del
óxido. Dicho fenómeno también se presenta en el
proceso de disolución del fósforo, ya que, tal
como puede observarse en la Figura 10,
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Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 7 (3): e277.
incrementar la temperatura de trabajo provoca
variaciones en su lixiviación, es decir, si se
compara la curva de disolución de temperatura
ambiente con la de 45°C, sí se alcanza una
aceleración en la cinética de disolución, incluso,
al incrementar la temperatura a 65°C, en los
primeros 20 minutos, sin embargo, luego de este
tiempo, la lixiviación es inferior a la de
temperatura ambiente, y en efecto, al trabajar a
85°C, se tiene una disminución constante del
contenido disuelto de P a partir del minuto 20.
Por lo tanto, para la disolución de este elemento,
se recomendaría trabajar a una temperatura de
45°C.
Figura 9. Efecto de la temperatura en la lixiviación de Na2O
empleando soluciones 1M HCl en concentrado de doble
separación magnética.
Figura 10. Efecto de la temperatura en la lixiviación de P
empleando soluciones 1M HCl en concentrado de doble
separación magnética.
Por otro lado, la Figura 11 muestra los resultados
de disolución de K2O al incrementarse la
temperatura de trabajo, luego de analizarlos, se
puede decir, que al igual que la lixiviación de P,
se tienen los mejores resultados al trabajar a
45°C, alcanzando un porcentaje de disolución
superior al 60% al término del experimento.
Figura 11. Efecto de la temperatura en la lixiviación de K2O empleando soluciones 1M HCl en concentrado de doble separación
magnética.
13 ISSN: 2594-1925
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En el caso del óxido de calcio, se tiene un efecto
benéfico al incrementar la temperatura, debido a
que, tal como puede observarse en la Figura 12,
se acelera el proceso de disolución hasta alcanzar
valores cercanos al 70%. Por último, en el caso
de Fe, incrementar la temperatura afecta su
concentración final, es decir, si se analiza el
minuto 90, de la Figura 13, puede observarse que
en todas las condiciones de trabajo, existe un
incremento en su concentración final, sin
embargo, a medida que se incrementa la
temperatura de trabajo, se tiene una disminución
en su concentración en 8.7, 8.2, 6.8 y 2.1%, es
decir, una concentración de 63.8, 63.5, 62.7 y
59.9%Fe a temperaturas ambiente, 45, 65 y 85°C
respectivamente, teniendo una concentración
inicial de 58.7%Fe en la cabeza del material
sometido a dos separaciones magnéticas.
Figura 12. Efecto de la temperatura en la lixiviación de
CaO empleando soluciones 1M HCl en concentrado de
doble separación magnética.
Figura 13. Efecto de la temperatura en la lixiviación de Fe
empleando soluciones 1M HCl.
3.4 Análisis termodinámico de los sistemas de
lixiviación
En la Tabla 2 se muestran las reacciones de
disolución que involucran a los componentes del
material y además, los valores de ∆G° que
corresponden a cada uno de ellos a temperatura
ambiente y a 85 °C, dicha información fue
obtenida de la base de datos del HSC Chemistry,
y tal como puede observarse, todas las reacciones
son espontáneas lo que quiere decir, que es
posible que se lleven a cabo sin la necesidad de
una energía aplicada, además, puede notarse el
incremento en la espontaneidad de las reacciones
al aumentar la temperatura de trabajo.
Tabla 2. Reacciones y Energía Libre de Gibbs de reacciones involucradas en la lixiviación.
Reacción de disolución
∆G° a 25°C
(kcal)
∆G° a 85°C
(kcal)
CaO + 2HCl = CaCl2+ H2O
-45.668
-45.992
K2O + 2HCl = 2KCl + H2O
-109.745
-113.717
Ca3(PO4)2 + 6HCl = 3CaCl2 + 2H3PO4
-7.780
-23.998
ZnFe2O4 + 2HCl = ZnCl2 + Fe2O3 + H2O
-14.628
-15.840
ZnFe2O4 + 8HCl + 2e- = ZnCl2 + 2FeCl3- + 4H2O(l)
-128.281
-137.614
Na2O + 2HCl = 2NaCl + H2O
-91.741
-94.443
Na2O*Fe2O3 + 2HCl = 2NaCl + Fe2O3 + H2O
-52.848
-55.309
14 ISSN: 2594-1925
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 7 (3): e277.
Aunado a lo anterior, tal como se muestra en las
figuras 7 y 13, el Fe siempre presenta un
incremento con respecto a la cabeza de cada
etapa, es decir, el sólido resultante tiene una
concentración mayor que al inicio de la
lixiviación, lo cual indicaría que no se lixivia, sin
embargo, en las reacciones que se presentan en la
Tabla 2, si se consideran reacciones en donde se
incluye la disolución de este elemento, lo que
implicaría su lixiviación, por lo que, para
explicar la causa del incremento en la
concentración del Fe se presenta la Tabla 3, en
donde se muestran las reacciones en donde se
precipita el Fe en forma de óxido.
Tabla 3. Reacciones y Energía Libre de Gibbs de reacciones de la precipitación de Fe.
Reacción de disolución
∆G a 25°C (kcal)
∆G a 85°C (kcal)
2FeCl3 + 3Na2O = Fe2O3 + 6NaCl
-299.298
-299.291
2FeCl3 + 3H2O = Fe2O3 + 6HCl
-30.723
-26.390
FeCl2 + 2FeCl3 + 4H2O = Fe3O4 + 8HCl
-27.549
-21.992
La información mostrada en la Tabla 3, describe
los fenómenos que afectan al Fe durante la
lixiviación. Como producto de la disolución de
zinc, relacionado con la ferrita, se producen
cloruros, los cuales, lixivian al óxido de sodio
para formar hematita, de hecho, esto podría
explicar la razón por la cual, el Zn y el Na2O,
reaccionan de manera simultánea, además de
esto, dichos cloruros, pueden reaccionar al estar
en solución, precipitando al Fe en forma de
hematita.
4. Conclusiones
Luego del análisis de los resultados, se concluye
lo siguiente:
1. Los principales resultados de esta
investigación, corresponden a la capacidad de
lixiviar el Zn, alcanzando valores porcentuales de
65% tanto para el polvo sin procesar, como en el
polvo con dos limpiezas por SMBI, obteniendo
valores de contenido de zinc de 0.057 y 0.065%
Zn en el sólido resultante respectivamente. Así
mismo, su efecto en el contenido de Fe, también
fue benéfico, alcanzando concentraciones finales
de 38.8 y 61.4% en el sólido lixiviado en cada
una de las muestras (sin procesar y con 2 SMBI
respectivamente). Por otra parte, al variar la
temperatura, se cataliza la mayoría de las
reacciones involucradas en el proceso de
lixiviación, especialmente la de disolución de
zinc, alcanzando valores de lixiviación hasta de
74% Zn (0.048% Zn en el sólido resultante) al
trabajar durante 50 min a 85°C.
2. Como aportación al campo del
conocimiento, se encontró que fue posible
demostrar el beneficio del procesamiento del
material previo a un proceso de lixiviación, y,
además, mediante el uso de la termodinámica se
puede sustentar la factibilidad de las reacciones
involucradas a los largo de la lixiviación. Así
mismo, la termodinámica permitió describir el
proceso de concentración del Fe, mediante la
precipitación de cloruros en solución.
3. Los resultados obtenidos, permiten definir
como alcance de la investigación, el hecho de
trabajar a escala laboratorio y poder definir las
condiciones experimentales que mejoren las
reacciones de disolución del zinc, sin afectar el
contenido de unidades Fe que contiene la
muestra, no obstante, se tiene la limitación de que
es necesario continuar con la línea de
investigación a fin de mejorar la eficiencia del
proceso, incrementando el costo del proyecto y
tiempo para su implementación.
4. El proyecto es 100% aplicable en el campo
de la industria siderúrgica, ya que, una vez
alcanzados los valores requeridos en cuanto al
contenido de zinc y álcalis, será posible
15 ISSN: 2594-1925
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 7 (3): e277.
establecer una ruta de procesamiento para la
reutilización de subproductos de alto horno.
5. Como preguntas de investigación para dar
continuidad al proyecto, se tienen ¿Cómo
mejorar la eficiencia de los resultados obtenidos?
¿Qué parámetros se deben modificar para
incrementar la disolución del zinc y evitar una
afectación en la concentración del Fe?
5. Reconocimiento
Los autores agradecen a Altos Hornos de
México, S.A.B. de C.V. por permitir y apoyar el
desarrollo de este proyecto, así mismo,
agradecen a todo el personal involucrado, en
especial al laboratorio de investigación y
desarrollo.
6. Reconocimiento de autoría
Iván Omar Acuña Gutiérrez: Investigación;
Redacción; Administración de proyecto.
Damaris Margarita Puente Siller: Investigación;
Metodología; Análisis de datos. José Manuel
González de la Cruz: Conceptualización;
Revisión bibliográfica; Edición. Luis Enrique
Alvarez García: Desarrollo de experimentación.
Juan Antonio López Corpus: Supervisión de
proyecto. Alberto Perea Garduño: Validación de
proyecto.
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Derechos de Autor (c) 2024 Iván Omar Acuña-Gutiérrez, Damaris Margarita Puente-Siller, José Manuel González-de
la Cruz, Luis Enrique Álvarez-García, Juan Antonio López-Corpus, Alberto Perea-Garduño
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