Estructura de escorias líquidas

3.1 Estructura de escorias líquidas

En comparación con los metales líquidos, las escorais muestran una mayor diversidad de propiedades, variando enormemente de acuerdo con la temperatura y la composición química. Las razones para este comportamiento están en la diversidad de estructuras de las escorias.

Dos teorías (Slag Atlas, 1995) han sido colocadas para explicar las diversas reacciones con escorias: la molecular y la iónica.

La teoría molecular asume que las escorias líquidas son compuestas de óxidos, sulfuros o fluoruros individuales, como FeO, CaO, MnO, SiO2, P2O5, Fe2O3, FeS, MnS, CaF2. Esta moléculas pueden estar en la forma combinada, por ejemplo, 2CaO.SiO2, 2FeO.SiO2, 2CaO.Fe2O3, que existen en equilibrio con las formas desasociadas. Este abordaje lleva a la adopción de ideas termodinámicas para el concepto en una escoria líquida. La visión molecular es útil para permitir una descripción formal de las reacciones de la escoria. Mas la constancia de la constante de equilibrio no puede ser tomada como prueba de la existencia de tales moléculas y compuestos moleculares en la escoria. Igualmente errada es la suposición de la existencia de arreglos moleculares en la escoria líquida, baseada en la presencia de estructuras cristalinas definidas en la escoria después de la solidificación. La formación de estructuras uniformes con arreglos de larga distancia no ocurre en las escorias, yá que sus propiedades varian continuamente con la temperatura y composición.

El argumento más fuerte contra la teoría molecular es fornecido por ensayos en conductividad eléctrica de escorias. El aumento brusco en la conductividad eléctrica próximo del punto de fusión, muestra que las escorias consisten de iones en la forma de cationes cargados positivamente y aniones cargados negativamente.

El principio de estructura iónica para escorias líquidas supone que las escorias forman estructuras de iones totalmente desasociados:

a) Cationes simples y móviles como Ca2+, Fe2+, Fe3+, Mn2+, Mg2+.

b) Aniones no metálicos como O2-, S2-, F-.

c) Aniones complejos como SiO44-, PO43-, AlO33-, FeO2-, Fe2O54-.

La formación de cationes libera oxígenio encuanto que la de aniones complejos consume oxígeno. Si los componentes básicos de una escoria fornecen iones de oxígenio y los ácidos utilizan este oxígno, entonces la concentarción de oxígeno es una medida de basicidad.

La reacción de retirada de sulfuro

(3.1.1)

refuerza la teoría iónica: óxidos que fornecen oxígenio en la ionización (CaO, BaO, MgO) mejoran la retirada de sulfuro de las fases metálicas, encuanto que óxidos que consumen oxígeno en la ionización inhiben la capacidad de retirada de sulfuro de las escorias (SiO2, P2O5).

Medidas de viscosidad de escorias ácidas e investigaciones en vidrios han mostrado que la viscosidad aumenta cuando se aumenta el tenor de sílice. Este comportamiento es explicado por la red formada por la sílice en la escoria. La sílice líquida forma una red tetraedrica de silicatos ligados por átomos de oxígeno. Desde que es posible ligaciones en las cuatro direcciones tetraedricas, la red es tridimensional y esto explica la alta viscosidad de sílice líquida.

La red de silicatos es quebrada por la adición de óxidos básicos de la siguiente forma:

O O O O

   

- O - Si - O - Si - O - + MeO = - O - Si - O- + Me2+ + -O - Si - O - (3.1.2)

   

O O O O

La disolución de un puente de oxígeno deja dos átomos de oxígeno no ligados en las puntas. A medida que la concentración de cationes metálicos aumenta, la quebra de la red de silicatos es acelerada, surgiendo más iones de oxígeno libres.

La clasificación original de los componentes de escorias en óxidos ácidos y básicos, puede, de acuerdo con las proposiciones estructurales, ser entendida de la siguiente forma:

 formadores de red (SiO2, P2O5, B2O3, TiO2, Al2O3, Fe2O3)

 modificadores de red (Na2O, K2O, BaO, PbO, CaO)

 óxidos intermediarios (MnO, FeO, CoO, ZnO, NiO, MgO).

La tendencia de formar red de los óxidos P2O5 y especialmente Al2O3 es bién menor que de la sílica, desde que la posibilidad de los iones PO43- y AlO33- de formar una red especial es limitada por el hecho de en vez de cuatro ellos forman apenas três ligaciones de oxígeno:

 

O O

 

PO43-: - O - P - O - ; AlO33-: - O - Al - O -



O

La menor capacidad de formación de red de estos óxidos en comparación con SiO2 explica sus menores viscosidades en escorias.

La variedad de métodos de ligación y la posibilidade de combinaciones de los átomos e iones hacen las estructuras de las escorias líquidas mucho más complejas que los metales líquidos y sales fundidas. La teoría iónica, que fornece un modelo estructuralmente válido para las escorias líquidas, es mucho más complicada cuando aplicada a problemas químicos y termodinámicos que la descripción formal ofrecida por la teoría molecular.

La concentración de oxígeno de la escoria, en la teoría iónica, es uma medida de basicidad de la escoria. No obstane, el valor de la concentración de oxígeno en escorias líquidas no es conocido en la práctica y varias fórmulas empíricas han sido propuestas, baseadas en la teoría molecular para control operacional de la fabricación del acero:

1) (3.1.3)

2) (3.1.4)

3) (3.1.5)

4) (3.1.6)

5) (3.1.7)

6) (3.1.8)

7) (3.1.9)

8) (3.1.10)

9) (3.1.11)

10) (3.1.12)

11) (3.1.13)

12) (3.1.14)

13) Exceso de base EB

Usada en el proceso de retirada de sulfuro bajo condiciones oxidantes:

(3.1.15)

Usado en el proceso de retirada de sulfuro bajo condiciones reductoras:

(3.1.16)

(n: número de moles de un óxido en 100 g de escoria).

3.2 Basicidad óptica

Desde el final de los años 70, los metalurgistas de todo el mundo han mostrado un interés creciente en el concepto de basicidad óptica (HE et al, 1991). La aplicación del concepto de basicidad óptica há aumentado rapidamente en los procesos de acería, extendiéndose para los procesos de reducción y de soldadura. Pesquisas recientes han mostrado buenas correlaciones entre la basicidad óptica de la escoria y la capacidad de la escoria para fosfato, sulfuro, carbonato, magnesia, vanadato, manganeso y agua.

El concepto de basicidad óptica fué desenvuelto en la industria de vidrio por DUFFY e INGRAM, 1971. Basicidad óptica es la medida de poder de donación de electrones de los cationes para el oxígeno presente en la escoria. La basicidad óptica de un óxido, , está relacionada con la electronegatividad de Pauling, , del catión.

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