Fabricación de ladrillos a partir de residuos de hierro

Los residuos de hierro son una materia prima mineral compuesta, es decir, un residuo mineral que se vierte en forma de lodo tras el procesamiento y la separación magnética del mineral de hierro. Su composición incluye tanto componentes químicos como minerales. El componente principal es el cuarzo, que contiene principalmente SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, CaO, MgO, etc., así como pequeñas cantidades de K₂O, Na₂O, S, P y otros elementos. En la mayoría de los residuos de hierro, el componente principal es el SiO₂. Para los residuos utilizados como materia prima para materiales de construcción, la propiedad clave es su reactividad química en una solución de Ca(OH)₂. Aunque los residuos de hierro en sí mismos casi no tienen propiedades cementosas hidráulicas, cuando el polvo de residuos de hierro mezclado con agua reacciona con Ca(OH)₂ a temperatura ambiente o en condiciones de curado hidrotérmico, se pueden formar compuestos con buenas propiedades cementosas hidráulicas. Además, según la teoría de la estructura jerárquica de los materiales compuestos reforzados con partículas, la función principal de los aditivos minerales es reaccionar con el material cementoso para formar geles o minerales microcristalinos, aumentando así la cantidad de la fase cementosa. El principio es similar al de los materiales de construcción a base de residuos producidos por hidrosíntesis.

5.1.1.1 Fabricación de ladrillos sin cocer y ladrillos tratados en autoclave

Los ladrillos sin vaporizar y sin cocer son un tipo de material de construcción a base de residuos cementados. Se trata de materiales o productos de construcción fabricados mediante la unión de partículas de residuos en un conjunto utilizando un material cementante a temperatura ambiente o por debajo de los 100 °C, lo que da como resultado formas regulares que cumplen los requisitos de servicio. En estos materiales, los residuos mineros actúan principalmente como áridos y, por lo general, no participan en las reacciones químicas que dan lugar al material; sin embargo, su propia morfología, distribución granulométrica, estado superficial, resistencia mecánica y estabilidad química tienen un impacto significativo en el rendimiento técnico del material. El principio fundamental es que las materias primas reaccionan con el agua al mezclarse para formar sustancias como el silicato de calcio hidratado (CSH) y el aluminato de calcio hidratado (CAH) (donde C = CaO, S = SiO₂, A = Al₂O₃, F = Fe₂O₃). Estos dos productos de hidratación aglutinan las partículas de residuos de hierro y constituyen, además, la principal fuente de resistencia de los ladrillos de residuos de hierro.

El Instituto de Investigación Minera de Ma’anshan ha logrado fabricar ladrillos sin cocer a partir de residuos de las minas de hierro de Qidashan y Waitoushan. Este tipo de ladrillo de pared sin cocer utiliza arena fina de residuos mineros (SiO₂ > 70%) como materia prima principal, mezclada con una pequeña cantidad de áridos, material cementoso calcáreo y aditivos. Se añade la cantidad adecuada de agua y, tras una mezcla homogénea, la masa se moldea en una prensa de 60 t a una presión de entre 19,6 y 114,7 MPa. Tras el desmoldeado, los ladrillos se curan en condiciones estándar (curado natural) durante 28 días hasta convertirse en productos acabados. El flujo del proceso se muestra en la figura 5-1. Se sometieron a ensayo los ladrillos de residuos mineros de Qidashan y Waitoushan, y todos los indicadores cumplieron los requisitos del ladrillo estándar de grado 100 especificados en las “Condiciones técnicas para ladrillos de arcilla no sinterizados” emitidas por la antigua Oficina Nacional de Materiales de Construcción.

La Universidad Tecnológica de Dalian, en colaboración con la mina de hierro de Angang Dagushan, utilizó residuos de hierro y cal como materias primas principales, junto con las cantidades adecuadas de materiales modificados y aditivos, para desarrollar ladrillos de residuos curados al vapor. Estos ladrillos presentaron buenas propiedades físicas y mecánicas, cumpliendo los requisitos de los ladrillos estándar de grado 100 y superiores.

Feng Xueyuan y otros utilizaron residuos de hierro con alto contenido en silicio, con características típicas de la zona de Longguan, en el condado de Chicheng, ciudad de Zhangjiakou, para fabricar ladrillos sin vaporizar ni cocer. Los ladrillos cumplían los requisitos de la norma nacional MU10 en cuanto a resistencia a la compresión y a la flexión. Con la proporción de mezcla óptima, la tasa de aprovechamiento de los residuos alcanzó casi el 50%. Zhang Jinrui, Jia Qingmei y otros utilizaron residuos de la mina de hierro de Shirengou, en Tangshan, añadiendo algo de árido grueso y cemento en su estudio experimental, y fabricaron ladrillos a partir de residuos con grados de resistencia MU10 y MU15. El contenido de residuos en la mezcla en bruto alcanzó hasta el 70%.

El proceso de fabricación de ladrillos autoclavados a partir de residuos de hierro es básicamente el mismo que el de los ladrillos sin vaporizar y sin cocer, siendo la principal diferencia el régimen de curado. Jia Qingmei, Zhang Jinrui y otros también llevaron a cabo una investigación sobre la fabricación de ladrillos autoclavados a partir de residuos de hierro con alto contenido en silicio procedentes de la mina de hierro de Tangshan Shirengou, obteniendo buenos resultados. Tras añadir materiales correctores, dosificar, preparar la mezcla y moldearla por vibración, los residuos de hierro se sometieron a un tratamiento en autoclave durante 11 horas. Los ladrillos de residuos de hierro tratados en autoclave resultantes cumplían las normas pertinentes en cuanto a resistencia a la compresión y a la flexión, con una tasa de aprovechamiento de los residuos de hierro especialmente elevada, que alcanzaba una media de 50% en la mezcla de materias primas.

Fig. 5-1 Flujo del proceso de producción de ladrillos de residuos sin cocer

Fabricación de ladrillos decorativos para paredes y suelos

La producción de ladrillos decorativos de revestimiento a partir de residuos de hierro se caracteriza por un proceso sencillo, un bajo coste de las materias primas, buenas propiedades físicas, una superficie lisa y atractiva, y un efecto decorativo comparable al de otros tipos de ladrillos decorativos de revestimiento (por ejemplo, ladrillos de cemento para suelos o baldosas cerámicas esmaltadas). Chen Jichun et al. lograron fabricar con éxito ladrillos de pavimento prensados de colores utilizando residuos de hierro con bajo contenido en silicio (residuos de granulometría superior a la de cribado procedentes de la mina de hierro de Chengchao, de la empresa Wuhan Iron and Steel Mining Company). Se determinó que la proporción óptima de la mezcla era cemento : cenizas volantes : arena de residuos = 25 : 10 : 65, con una relación agua-cemento de 8%. Posteriormente, estudiaron la influencia de diferentes aditivos en el rendimiento del producto. Utilizando residuos de hierro con bajo contenido en silicio (que son difíciles de aprovechar) junto con cenizas volantes de descarga húmeda, cemento Portland ordinario 425# y los aditivos TN, TH, TB, FN y TNC (reactivos químicamente puros disponibles en el mercado), fabricaron adoquines. Se determinó que el orden de efecto de refuerzo de los aditivos sobre la resistencia de los ladrillos y otras propiedades era el siguiente: FN > TNC > TN > TB > TH. Zhang Yi et al. utilizaron residuos de hierro de Huangmeishan, en la provincia de Anhui, como materia prima principal para fabricar ladrillos de pavimento de colores mediante un proceso de moldeo por vibración inversa y un proceso de prensado. La resistencia a la compresión de los ladrillos superó la norma nacional, cumpliendo los requisitos de construcción de carreteras. Las proporciones de la mezcla y los datos relacionados se muestran en la Tabla 5-1. Los ladrillos de pavimento de colores producidos mediante el proceso de vibración inversa son atractivos, de alta resistencia, antideslizantes y resistentes al desgaste. Este proceso requiere una inversión reducida, ofrece una rápida rentabilidad, da lugar a productos de alta calidad con gran variedad y aporta un elevado valor añadido. Sin embargo, la demanda y los costes de transporte son elevados. El proceso de prensado se caracteriza por un alto grado de automatización, un gran rendimiento unitario, un flujo de proceso sencillo y una alta eficiencia productiva. Ofrece numerosas ventajas, como resistencia al deslizamiento, al desgaste y a la alternancia de heladas y deshielos, drenaje del agua, facilidad de colocación, retirada, parcheo y reparación. Estos adoquines se utilizan ampliamente en parques, carreteras y plazas, con una enorme demanda y grandes perspectivas de desarrollo.

El Instituto de Investigación Minera de Ma’anshan utilizó residuos finos procedentes de las minas de hierro de Qidashan y Waitoushan, a los que añadió una pequeña cantidad de material cementoso inorgánico, cemento Portland ordinario, cemento Portland blanco y una cantidad adecuada de agua; tras mezclarlo y agitarlo uniformemente, se fabricaron ladrillos decorativos para revestimiento con una estructura de dos capas (capa base y capa superficial). El proceso de fabricación se muestra en la figura 5-2. Las pruebas realizadas con los productos demostraron que su resistencia a la compresión…

Tabla 5-1: Proporciones de la mezcla y resultados de los ensayos de resistencia a la compresión

Fig. 5-2: Diagrama de flujo del proceso de fabricación de ladrillos decorativos de revestimiento

La resistencia media a la compresión es de 19,6 MPa; la resistencia a la flexión es de 5,0 MPa, y la resistencia a los álcalis y a la corrosión es relativamente elevada. La producción de ladrillos decorativos a partir de residuos de hierro se caracteriza por un proceso sencillo, un bajo coste de las materias primas, buenas propiedades físicas, una superficie lisa y atractiva, y un efecto decorativo comparable al de otros tipos de ladrillos decorativos (por ejemplo, ladrillos de cemento para suelos o baldosas cerámicas esmaltadas).

La Universidad de Tongji, en colaboración con la mina de hierro de Gushan, perteneciente a Ma’anshan Iron and Steel Co., utilizó polvo de residuos mineros con un tamaño de partícula inferior a 0,15 mm como materia prima principal, mezclado con 10%–15%, y los prensó para obtener ladrillos para paredes y suelos de diversas especificaciones y formas. Los ladrillos producidos son de color marrón sin ningún pigmento añadido, con un color uniforme que no se desvanece, lo que los hace adecuados para mampostería a la vista. El uso de cemento Portland como aglutinante ofrece resultados aún mejores y simplifica aún más el proceso. Los ladrillos decorativos de revestimiento producidos son especialmente adecuados para el revestimiento de paredes exteriores. Como alternativa, la superficie de los ladrillos acabados puede tratarse con resina de poliéster insaturada mezclada con pigmentos de diferentes colores para producir ladrillos de revestimiento brillantes, de un solo color o con veteado de mármol natural. Los ladrillos también pueden fabricarse sin ningún pigmento, utilizando únicamente resina u otros recubrimientos para producir ladrillos brillantes de color marrón oscuro, que pueden sustituir a las baldosas cerámicas comunes y al mármol artificial en la decoración de interiores. Los ladrillos de residuos tratados mediante curado con vapor atmosférico tienen una resistencia a la compresión de 12,4 MPa y una resistencia a la flexión de 3,0 MPa. Cuando se añade a la mezcla una cantidad adecuada de cenizas volantes y una pequeña cantidad de yeso, la resistencia puede aumentarse hasta más de 20,0 MPa. Además, las pruebas han demostrado que este tipo de ladrillo de residuos mineros es también un material resistente a la acción atmosférica.

 Fabricación de ladrillos de arena y cal prensados a máquina

La planta de tratamiento de la mina de hierro de Jinling, teniendo en cuenta las características de la mina, utiliza los residuos de extracción para fabricar ladrillos de arena y cal prensados a máquina. Estos ladrillos se fabrican principalmente a partir de residuos de hierro, que se mezclan con una cantidad adecuada de cemento, se mezclan en seco de forma uniforme y, a continuación, se añaden una pequeña cantidad de material aglutinante y se muelen para aumentar la actividad superficial. Tras ser prensados en una prensa para darles forma, se curan de forma natural. El proceso es sencillo: no requiere cocción ni curado al vapor, lo que ahorra energía (un ahorro de unas 0,16 t de carbón estándar por cada 10 000 ladrillos en comparación con los ladrillos de arcilla) y no genera contaminación. Los ladrillos de cal y arena producidos presentan dimensiones precisas, aristas definidas, un aspecto cuidado y cuerpos rectos, lo que reduce la cantidad de mortero de yeso necesaria, aumenta la eficiencia del trabajo y reduce los costes de construcción. La mina construyó una línea de producción en octubre de 1989. Las pruebas demostraron que todos los indicadores de rendimiento físico de los ladrillos de cal y arena cumplían los requisitos técnicos de la norma para ladrillos de cal y arena prensados a máquina de grado 100.

5.1.1.4 Fabricación de ladrillos de residuos carbonatados

La mina de hierro de Yuquanling comenzó a investigar en 1986 el uso de residuos mineros para fabricar ladrillos carbonatados y ha obtenido buenos resultados. Los ladrillos carbonatados a partir de residuos mineros son materiales de albañilería fabricados con arena de residuos mineros y cal. Tras la preparación de la masa y el moldeado por prensado, se carbonatan utilizando dióxido de carbono (CO₂) procedente de los gases de escape del horno de cal.

A. Principio

Los ladrillos semiacabados de arena y cal carbonatados forman primero cristales de hidróxido de calcio mediante la hidratación y el endurecimiento de la cal viva. A continuación, utilizando el CO₂ procedente de los gases de escape del horno de cal, la carbonatación produce cristales de carbonato de calcio (CaCO₃). El agua combinada químicamente se evapora de los hidratos y el producto adquiere su resistencia final a la carbonatación. Las reacciones químicas son las siguientes:

CaO + H₂O → Ca(OH)₂
Ca(OH)₂ + nH₂O + CO₂ → CaCO₃ + (n+1)H₂O

B. Proceso

Se dosifican la arena de residuos 80%–85% y la cal en polvo 15%–20%, se mezclan con aproximadamente 9% de agua, se agitan y, a continuación, se moldean en una prensa de ladrillos de ocho cavidades. Antes de introducirlos en el horno, los ladrillos se secan, ya sea en un secador o al aire libre, hasta que el contenido de humedad sea inferior a 4%. A continuación, se carbonatan en un horno de túnel con un contenido de CO₂ de 20%–40% y una profundidad de carbonatación superior a 60%. Tras salir del horno, se obtiene el producto acabado.

El proceso de fabricación de este tipo de ladrillo es sencillo, puede llevarse a cabo tanto con maquinaria avanzada como básica y no plantea problemas técnicos complejos. Se puede fabricar en serie en cualquier lugar donde se disponga de arena de residuos mineros y piedra caliza.

5.1.1.5 Fabricación de baldosas y ladrillos esmaltados de serpentina

Los residuos vertidos por la mina de hierro de Weihai son principalmente escoria de serpentina, con un vertido anual de entre 100 000 y 150 000 toneladas. Con el fin de aprovechar al máximo la escoria de serpentina, entre mayo y julio de 1987 se llevaron a cabo pruebas de viabilidad sobre el proceso de producción de baldosas esmaltadas a partir de dicha escoria. Los principales componentes minerales de la escoria de serpentina son minerales silicatos como la serpentina, el olivino, el diópsido, la tremolita y la hornblenda. El tamaño de las partículas molidas es fino y uniforme: normalmente 85% < 0,256 mm. En función de sus características fisicoquímicas (composición mineral, composición química, tamaño de las partículas, etc.), la escoria puede utilizarse directamente como materia prima principal para la producción de materiales de revestimiento para la construcción civil ordinaria, como ladrillos y baldosas.

A. Principio de fabricación de baldosas y ladrillos esmaltados con escoria serpentina

El principio se basa principalmente en las características de fusión y cristalización de los minerales. Durante el proceso de fusión a alta temperatura, desde la fase sólida a la fase sólido-líquida, aumentan las fuerzas repulsivas entre las moléculas del material y disminuyen las fuerzas de enlace entre los enlaces moleculares. Durante el proceso de cristalización, de la fase sólido-líquida a la fase sólida, las fuerzas de atracción entre las moléculas aumentan, al igual que las fuerzas de enlace entre los enlaces moleculares. La pieza en bruto de baldosa o ladrillo de escoria serpentina, que se caracteriza químicamente por su alto contenido en SiO₂, Al₂O₃, CaO, MgO y Fe₃O₄, se somete a un proceso de fusión y cristalización a alta temperatura, completando así el proceso de reacción físico-química de fase sólida → fase sólida-líquida → fase sólida. Esto potencia las fuerzas de unión entre las moléculas, lo que da lugar a cambios en la dureza, la resistencia, la resistencia a la corrosión, la absorción de agua y otras propiedades de los ladrillos y baldosas cocidos, mejorando así diversas propiedades físicas originales.

B. Proceso de producción

El proceso principal de fabricación de ladrillos y tejas esmaltados con escoria de serpentina incluye: preparación de la materia prima, conformado de las piezas en bruto, esmaltado, secado con aire caliente y cristalización por fusión.

(1) Preparación de la materia prima. Teniendo en cuenta la composición química y las características físicas de la escoria, prepare un material en bruto que presente una mayor refractariedad y finura que los ladrillos o baldosas comunes. En general, el material en bruto debe cumplir los siguientes requisitos: composición química – SiO₂ 60%–70%, Al₂O₃ 10%–25%, CaO+MgO 0%–25%, Fe₂O₃ 3%–15%; tamaño de partícula: >0,25 mm: 2%, 0,25–0,05 mm: 40%, 0,05–0,005 mm: 45%, <0,005 mm: 12%; índice de plasticidad <7 (según el límite líquido y el límite plástico); contracción por secado <12%; contracción lineal por cocción <8%.

(2) Conformado de piezas en bruto. La materia prima preparada se mezcla en una mezcladora hasta alcanzar un estado plástico, se corta en piezas en bruto, y estas se envían a un molde donde se prensan en una prensa para obtener piezas en bruto preliminares; a continuación, se secan en una cámara de secado.

(3) Acristalamiento. Las piezas en bruto, ya casi secas, se someten a un acabado superficial y, a continuación, se rocían con esmalte (esmalte base, esmalte de color, etc.) según sea necesario. Tras el secado con aire caliente en una cámara de secado hasta alcanzar un contenido de humedad inferior al 1%, se envían al horno.

(4) Fusión-cristalización. Las piezas en bruto secadas se introducen en un horno (por lo general, un horno poroso fabricado expresamente para este fin o un horno de túnel construido con materiales refractarios). Durante las primeras 0-14 horas, la temperatura se eleva a un ritmo medio de 50 °C por hora; entre las horas 14 y 20, a un ritmo medio de 30 °C por hora. A continuación, la temperatura se mantiene constante durante 25-28 horas, alcanzando los 1000-1050 °C en el horno. Cuando el material se encuentra en estado de solución sólida, se detiene la combustión durante 4-6 horas y se reduce la temperatura para permitir la cristalización.

Este proceso de fabricación de baldosas esmaltadas es sencillo, utiliza materias primas de fácil obtención y tiene un bajo coste, lo que ofrece amplias perspectivas de aplicación.

5.1.1.6 Fabricación de ladrillos de residuos mineros “tres no”

Angang (Anshan Iron and Steel Group) ha fabricado ladrillos de residuos “sin tres procesos” (sin prensado, sin vaporización ni cocción) utilizando polvo de residuos de hierro como materia prima principal. Las pruebas han demostrado que estos ladrillos cumplen plenamente los requisitos de la norma JC153-75 MU10, y el producto ha superado la evaluación técnica a nivel provincial.

A. Principales materias primas y requisitos de calidad

Estos ladrillos utilizan polvo de residuos de hierro como material principal, cal como agente de curado y cemento como aglutinante.

(1) Polvo de residuos de hierro: residuos de hierro de la planta de enriquecimiento de Sanshao, en la zona de Anshan. Su composición química, propiedades físicas y distribución granulométrica se muestran en las tablas 5-2 y 5-3. Densidad: 2,85 g/cm³; densidad aparente: 1480 kg/m³; contenido de lodo ≤3%; contenido de agua ≤2%.

Tabla 5-2. Composición química del polvo de residuos de hierro

Tabla 5-3: Distribución granulométrica del polvo de residuos de hierro

(2) Lima: cal viva como agente de curado. Contenido de CaO disponible ≥65% en masa; densidad aparente 1100 kg/m³. La distribución granulométrica se muestra en la tabla 5-4. La cantidad adecuada de adición es de 10% a 20%.

Tabla 5-4: Distribución granulométrica del polvo de cal viva

(3) Aditivo: cenizas volantes: Las cenizas volantes son un residuo industrial ampliamente disponible. Densidad: 2,2 g/cm³; densidad aparente: 1000 kg/m³; finura: residuo en tamiz de 0,08 mm ≤8%; pérdida por ignición ≤7%; contenido en SO₃ ≤3%. La composición química se muestra en la tabla 5-5. La cantidad adecuada de adición es de aproximadamente 15%.

Tabla 5-5: Composición química de las cenizas volantes

(4) Activador y aditivo compuesto: El activador es yeso hemihidratado (CaSO₄·0,5H₂O); el aditivo compuesto es un agente K de preparación propia. La cantidad adecuada de adición es de 0,5% a 1,0%.

(5) Cemento: Cemento Portland común de grado 325 o 425, o cemento Portland con escoria de alto horno. La cantidad viene determinada por el coste y, por lo general, no supera los 15%.

B. Mecanismo

Para lograr el principio de las “tres ausencias” (sin prensado, sin vaporización, sin cocción) en los ladrillos de polvo de residuos mineros, es necesario que las materias primas formen silicatos, aluminatos y sulfoaluminatos hidratados a temperatura ambiente. El análisis por difracción de rayos X muestra que los ladrillos en bruto contienen una cantidad considerable de gel o cristales de tobermorita C-S-H, así como una pequeña cantidad de cristales aciculares de sulfoaluminato de calcio hidratado. El aditivo compuesto añadido a los ladrillos es un tensioactivo muy eficaz. Sus efectos dispersantes y adsorbentes aumentan los puntos de hidratación del cemento, mejoran las condiciones de la interfaz entre el cemento, la cal, el polvo de residuos mineros y las partículas de cenizas volantes, aceleran la reacción de hidratación y producen una resistencia considerable a temperatura ambiente.

Las principales reacciones de hidratación para la fabricación de ladrillos “tres-no” son las siguientes (en las fórmulas de reacción, C = CaO, S = SiO₂, A = Al₂O₃, F = Fe₂O₃):

2C₃S + 6H₂O = 3CaO·2SiO₂·3H₂O + 3Ca(OH)₂
2C₂S + 4H₂O = 3CaO·2SiO₂·3H₂O + Ca(OH)₂
C₃A + 6H₂O = 3CaO·Al₂O₃·6H₂O
C₄AF + 7H₂O = 3CaO·Al₂O₃·6H₂O + CaO·Fe₂O₃·H₂O
3CaO·Al₂O₃·6H₂O + 3CaSO₄·2H₂O + 20H₂O = C₃A·3CaSO₄·3H₂O
xCa(OH)₂ + Al₂O₃ + mH₂O = xCaO·Al₂O₃·mH₂O
yCa(OH)₂ + SiO₂ + nH₂O = yCaO·SiO₂·nH₂O

El Ca(OH)₂ producido por la hidratación del cemento reacciona posteriormente con el Al₂O₃ y el SiO₂ activos presentes en el polvo de residuos mineros y las cenizas volantes para formar hidratos de silicato y aluminato de baja alcalinidad, lo que confiere a la estructura del ladrillo una gran densidad, aumenta su resistencia y le aporta una buena resistencia a las heladas, a la agua y otras excelentes características.

C. Proceso

El proceso incluye principalmente el dosificado, la mezcla, el envejecimiento, el moldeado y el curado. Las materias primas se dosifican en una proporción de polvo de residuos mineros : cemento : cenizas volantes : cal = 6:1,5:1,5:1 o 7:1:1:1, se añade el activador (yeso) y se mezclan en seco de forma uniforme. Se añaden agua y el agente K, y se mezclan uniformemente a mano. La cantidad de agua añadida suele ser de 20%–30% de la masa de polvo de residuos mineros. Tras la mezcla, se deja reposar la mezcla durante 20–30 minutos; a continuación, se deja madurar, se coloca en moldes y se alisa la superficie. Los moldes se retiran al cabo de 24 horas y los ladrillos se curan al aire o en agua durante un mes. La resistencia en agua es aproximadamente entre 20% y 30% mayor que al aire.

Este proceso de fabricación de ladrillos permite aprovechar grandes cantidades de residuos industriales, lo que contribuye a aprovechar los recursos materiales, ahorrar energía y reducir los costes de producción.

5.1.1.7 Fabricación de ladrillos vitrificados

Para fabricar ladrillos vitrificados, el mineral en bruto debe tener altas fracciones másicas de SiO₂ y Al₂O₃, y contener además ciertas cantidades de sustancias de bajo punto de fusión, como K₂O, Na₂O, CaO y MgO. Al comparar las composiciones químicas de los ladrillos cerámicos vitrificados nacionales e internacionales con las de varios residuos de mineral de hierro típicos de China, se observa que los residuos de mineral de hierro de tipo Anshan pueden cumplir básicamente los requisitos de composición, y que algunos residuos de mineral de hierro pueden cumplir dichos requisitos añadiendo arena de cuarzo. Cabe destacar que los residuos de mineral de hierro contienen una cierta cantidad de Fe₂O₃, que, tras someterse a diferentes tratamientos de procesamiento, puede conferir al cuerpo sinterizado distintos colores, como el marrón, el amarillo, el rojo y el negro. Esto los convierte en un colorante natural para la producción de ladrillos cerámicos vitrificados de colores.

Ya a finales del siglo XX, China comenzó a estudiar la viabilidad de utilizar residuos de hierro para fabricar ladrillos cerámicos vitrificados. En 1997, Ni Wen y otros investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pekín (USTB) fabricaron por primera vez ladrillos cerámicos vitrificados utilizando residuos de la mina de hierro de Damiao o añadiendo una cierta cantidad de arcilla. Los ladrillos presentaban una resistencia a la compresión de 162 MPa, una resistencia a la flexión de 62 MPa y una absorción de agua inferior a 0,1%. En los últimos años, a medida que ha aumentado la atención prestada a la aprovechamiento de los residuos mineros y la demanda del mercado de materiales de construcción ha crecido de forma continua, se ha intensificado la investigación sobre la fabricación de ladrillos vitrificados a partir de residuos de hierro. En 2007, el Instituto de Investigación de Metales No Ferrosos de Hunan utilizó residuos de Benxi Iron and Steel como materia prima para fabricar ladrillos vitrificados. El producto era de color gris, con una absorción de agua de 0,681 TP3T y una resistencia a la compresión de 65,3 MPa, lo que cumplía con la norma de la industria de los materiales de construcción. En 2012, Shi Qi, del Instituto de Cerámica de Jingdezhen, utilizó residuos de la empresa Panzhihua Iron and Steel para producir ladrillos vitrificados negros con una absorción de agua de 0,1%–0,4%, una resistencia a la compresión de 46,2–48,7 MPa y una resistencia al desgaste de 146–155 mm. En 2013, Jiao Juan y otros, de la USTB, llevaron a cabo experimentos para producir baldosas homogéneas y ladrillos cerámicos vitrificados a partir de residuos de hierro de Chengchao, demostrando que dichos residuos pueden utilizarse para fabricar ladrillos cerámicos vitrificados negros.

Estudio experimental de la USTB sobre la fabricación de ladrillos vitrificados a partir de residuos de magnetita de vanadio y titanio de Damiao con arcilla añadida

A. Materias primas

Los principales minerales presentes en los residuos de la mina de hierro de Damiao son minerales de ganga, como el plagioclasa, el piroxeno, la clorita y la epidota. Los residuos se trituraron hasta obtener un tamaño fino y se sometieron a análisis químicos; los resultados se recogen en la tabla 5-6.

Tabla 5-6: Resultados del análisis químico de los residuos (%)

El mineral principal de la arcilla es la montmorillonita, con la siguiente composición química: SiO₂ 68,04%, Al₂O₃ 16,46%, K₂O 0,22%, Na₂O 2,31%, CaO 0,29%, MgO 6,20%, trazas de Fe₂O₃, pérdida por calcinación 5,92%. La adición de arcilla es de 10%.

B. Proceso

Los residuos se mezclan con arcilla en una proporción determinada, y la mezcla se tritura hasta obtener un tamaño de partícula de más del 98% < 0,043 mm. El material secado se granula con 5% de agua, y los gránulos se prensan para formar ladrillos húmedos a 38 MPa. A continuación, los ladrillos se cuecen a una temperatura de entre 1145 y 1150 °C. Tras el pulido, las muestras cocidas se convierten en ladrillos vitrificados de color café. Las pruebas demuestran que todos los indicadores de rendimiento cumplen los requisitos exigidos a los ladrillos vitrificados comerciales. Si se cuecen en una atmósfera reductora (es decir, colocando las piezas en bruto en un recipiente con polvo de carbón vegetal, sellado, sin contacto directo entre los ladrillos y el carbón —el contacto directo reduciría la magnetita a óxido de hierro y hierro metálico, provocando la fusión—), el resultado es un cuerpo negro, que adquiere un color negro brillante tras el pulido.

Los residuos originales de la mina de hierro de Damiao pueden utilizarse para fabricar ladrillos vitrificados de color café y negros que cumplen las normas de calidad de los ladrillos vitrificados comerciales. En cuanto a la resistencia en estado fresco y al rango de temperaturas de cocción, es viable llevar a cabo pruebas a mayor escala y ensayos industriales.

Aunque en China se iniciaron pronto las investigaciones sobre la fabricación de ladrillos cerámicos vitrificados a partir de residuos de hierro, aún no se ha logrado la producción industrial a gran escala de este tipo de ladrillos. Para hacer realidad la producción a escala industrial, aún es necesario abordar cuestiones técnicas, la promoción del producto y el desarrollo del mercado.

5.1.1.8 Fabricación de ladrillos cocidos

Los ladrillos cocidos son un material de construcción con una larga historia y un consumo muy elevado. Para fabricarlos, China consume grandes cantidades de arcilla cada año, y la extracción de arcilla también destruye gran parte de las tierras de cultivo. Por ello, el Gobierno chino ha prohibido expresamente la producción de ladrillos cocidos de arcilla maciza. Los ladrillos cocidos no requieren materias primas de alta calidad, pero sí grandes volúmenes. Los residuos de hierro, al ser un residuo con una elevada producción y una baja utilización, presentan buenas perspectivas para esta aplicación. Al sustituir parte de la arcilla por residuos de hierro y añadir una cantidad adecuada de plastificante, se pueden cocer con éxito ladrillos de arcilla comunes. Además, controlando la cantidad de residuos de hierro añadidos, se pueden producir ladrillos de diferentes grados de resistencia. El uso de residuos de hierro para producir ladrillos cocidos permite aprovechar las instalaciones industriales existentes, requiere poca inversión y ofrece una rápida rentabilidad. Esto también abre una nueva vía para la aprovechamiento integral de los residuos de hierro, lo que contribuye al ahorro energético, a la valorización de residuos y a la protección del medio ambiente.

Wang Jinzhong logró desarrollar ladrillos cocidos utilizando residuos de la mina de hierro de Waitoushan, en Benxi. Dado que los residuos de hierro tienen una composición compleja y carecen de cohesión, utilizar una cantidad excesiva en los ladrillos cocidos reduce su plasticidad; por el contrario, utilizar una cantidad insuficiente impide alcanzar el objetivo de una utilización integral a gran escala. Por lo tanto, en los experimentos se añadieron residuos de hierro en proporciones de 30%, 40%, 50% y 60%, junto con arcilla y una cantidad adecuada de un plastificante de fabricación propia. Los resultados mostraron que los ladrillos de arcilla comunes podían cocerse con éxito y que, controlando la cantidad de residuos de hierro, se podían producir ladrillos a partir de residuos con diferentes grados de resistencia. El flujo del proceso se muestra en la figura 5-3.

Figura 5-3: Diagrama de flujo del proceso de producción de ladrillos sinterizados a partir de residuos de hierro

En el ámbito de la producción de ladrillos sinterizados a partir de residuos de hierro, la mina de hierro de Meishan es un ejemplo representativo. La mina de hierro de Meishan, en colaboración con la Universidad de Arquitectura y Tecnología de Xi’an, el Instituto de Investigación y Diseño de Cerámica Industrial de Shandong y otras instituciones, llevó a cabo una investigación sistemática que incluyó ensayos de laboratorio, pruebas a escala piloto y ensayos industriales utilizando residuos de la propia mina de hierro de Meishan. La tasa de aprovechamiento de los residuos alcanzó el 80%–100%. Mediante la investigación de procesos, se determinó que el rango de temperatura de cocción para los ladrillos sinterizados a partir de residuos era de 1050–1150 °C. Durante la cocción, los ladrillos macizos pueden apilarse verticalmente, mientras que los ladrillos perforados y los de orificios grandes deben apilarse horizontalmente. En una atmósfera oxidante, se pueden cocer productos de color rojo uniforme. Los ladrillos macizos y perforados producidos alcanzaron una resistencia a la compresión que cumple con la norma MU10 para ladrillos sinterizados de construcción. Se completaron ensayos de resistencia al hielo-deshielo, de eflorescencia y de resistencia a la rotura por cal. La resistencia al hielo-deshielo y la absorción de agua cumplieron con las normas para ladrillos sinterizados de construcción. En abril de 2005, los residuos mineros se utilizaron oficialmente como materia prima para la fabricación de ladrillos, y los ladrillos sinterizados producidos se aplicaron en edificios comerciales de gran altura.