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Minería y Geología

versión On-line ISSN 1993-8012

Min. Geol. vol.35 no.2 Moa abr.-jun. 2019

 

Artículo Original

Comportamiento térmico y mineralógico de las dunitas serpentinizadas de la región de Moa-Baracoa bajo temperaturas de hasta 1 600 ºC

Thermal and mineralogical performance of serpentinized dunites of Moa-Baracoa region under temperatures up to 1 600 ºC

José Alberto Pons-Herrera1  * 

María Caridad Ramírez-Pérez1 

Rafael Quintana-Puchol2 

Andrés Salazar-Moreno1 

Eduardo Montero-Gil3 

Arisbel Álvarez-Ortiz3 

1Universidad de Moa, Holguín, Cuba.

2Universidad de Las Villas, Cuba.

3Empresa Moanickel S.A.- Pedro Sotto Alba, Moa, Holguín, Cuba.

RESUMEN

El propósito del estudio fue determinar el comportamiento térmico y las transformaciones de fases de las dunitas serpentinizadas de la región de Moa-Baracoa, sometidas a temperaturas entre 1 200 °C y 1 600 °C. Para ello se realizaron análisis térmicos (gravimétrico y diferencial) y análisis de difracción de rayos X. El calentamiento de las dunitas a estas temperaturas produjo una estabilización de las fases forsterita y periclasa, lo cual confiere a este material importantes propiedades refractarias, que fundamentan el uso de esta materia prima en los procesos metalúrgicos de fundición.

Palabras clave: dunitas serpentinizadas; transformaciones de fases; antigorita; forsterita; descomposición térmica; fundición

ABSTRACT

The purpose of this study is to determine the phase transformation and thermal performance of the serpentinized dunites of Moa-Baracoa region subjected to temperatures between 1 200 °C and 1 600 °C. To fulfill this purpose X-ray diffraction analysis and thermal analysis (gravimetric and differential) were carried out. Heating the dunites at such temperatures produced a stabilization of the forsterite and periclase phases, which gives important refractory properties to this material which support using this raw material in the metallurgical foundry processes.

Keywords: serpentinized dunites; phase transformations; antigorite; forsterite; thermal decomposition; melting

INTRODUCCIÓN

Las dunitas en los complejos ofiolíticos cubanos poseen diferentes grados de serpentinización, con predominio de la fase antigorita, donde el olivino primario que acompaña a estas rocas muestra escasas variaciones en el contenido de forsterita (La Rosa-Vázquez, González-Pontón y Leyva-Rodríguez 2018).

Investigaciones teóricas y experimentales sobre las dunitas serpentinizadas de la región oriental de Cuba han revelado sus posibilidades de uso como material refractario en los procesos de fundición (Pons-Herrera 1999, 2000). Han permitido, además, conocer el mecanismo cinético de las transformaciones que experimentan las dunitas serpentinizadas durante su calentamiento, en las condiciones de trabajo a que son sometidas durante estos procesos metalúrgicos.

Los primeros análisis térmicos realizados en dunitas serpentinizadas de los yacimientos de cromitas de las zonas de Merceditas, Amores y Miraflores, de la región de Moa-Baracoa (Pons-Herrera, Leyva y Fiol 1998; Pons-Herrera 1999, 2000), se desarrollaron como promedio a 1 600 °C, temperatura a que sería sometida esta materia prima en los procesos de fundición. Posteriormente, mediante la técnica de difracción de rayos X, se determinaron las principales transformaciones de fase que experimenta este material durante su utilización como material refractario, principalmente, como arena de moldeo y relleno para pinturas.

Estudios posteriores (La Rosa-Vázquez 2011), durante pruebas tecnológicas, comprueban la posibilidad de emplear las dunitas serpentinizadas y las ultrabasitas asociadas en la elaboración de ladrillos refractarios, sin embargo, no se exponen las transformaciones de fases que tienen lugar durante el calentamiento a altas temperaturas, lo que impide fundamentar las potencialidades de su utilización para ese fin.

Hasta el momento, las variaciones térmicas de las dunitas serpentinizadas de la región de Moa-Baracoa, en el intervalo de temperatura en que se trabaja normalmente en los procesos de fundición de piezas, no han sido estudiadas, lo cual aportaría importantes informaciones sobre los posibles usos de este material como refractario.

Considerando estos elementos, el objetivo de este trabajo fue determinar el comportamiento térmico y mineralógico de las dunitas serpentinizadas de la región de Moa-Baracoa bajo temperaturas de 1 600 ºC, para fundamentar su utilización como material refractario en los procesos metalúrgicos de fundición de piezas.

MÉTODO

Análisis térmico diferencial

Los análisis térmicos se realizaron en el departamento de caracterización de materiales del Laboratorio de Mineralogía y Análisis de Fases (LAMAF), del Centro de Investigaciones para la Industria Minero Metalúrgica (CIPIMM). Se utilizó un equipo de la firma alemana NETZSCH, modelo STA 449 F3 y los parámetros de operación que se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1 Parámetros de operación del equipo de análisis térmico 

Los datos de las curvas termogravimétricas (TG) y su derivada (DTG) se convirtieron en termogramas continuos con el programa Proteus, en su versión 5.2.1/07.04.2001, obteniéndose por esta misma vía el termograma de la primera velocidad de cambio de masa (dm/dt), con un error de ± 2,00 %.

Análisis mineralógico por difracción de rayos X

Esta técnica se utilizó con el objetivo de identificar las fases minerales presentes en las dunitas estudiadas sin calentar y en las calentadas en los intervalos de temperatura en que se observaron las principales transformaciones térmicas sobre las curvas de termogravimetría y análisis térmico diferencial. Para ello se empleó un difractómetro alemán modelo HZG-4, con radiación K( de cobalto, bajo las condiciones de trabajo siguientes:

  • Velocidad de exploración: 2°/min.

  • Rendija utilizada (detector): 0,79 mm.

  • Constante de tiempo: 2 s.

  • Condiciones eléctricas: 30 mA y 40 kV.

  • Se empleó un campo de exploración (2() con variación de 6° a 100°.

Se utilizaron muestras con tamaño de partículas inferiores a 44 micrones (tamiz No. 325 de la serie ASTM), mientras que para la interpretación de los diferentes difractogramas y el tratamiento de los datos mineralógicos se emplearon los softwares ANALYSE (Seifert X - Ray Technology, Versión 2.26) y High Score Plus (Panalytical, Versión 3.0B); las fases fueron identificadas empleando la base de datos PDF2 año 2015.

Por la importancia de conocer el comportamiento térmico de estos materiales cuando se someten a temperaturas superiores a 1 500 °C, se utilizó el software Thermodynamic (Quintana-Puchol 1999), que permitió determinar el porcentaje en peso del sólido, compuesto principalmente por la forsterita como fase principal.

RESULTADOS

El comportamiento térmico de las dunitas estudiadas resultó bastante uniforme, con pequeñas diferencias en las temperaturas a las cuales se producen los efectos endotérmicos y exotérmicos, así como en las variaciones de masa que experimentan estos materiales durante su calentamiento.

Principales transformaciones físico-químicas en las dunitas serpentinizadas durante su calentamiento

Difractogramas obtenidos durante el análisis de muestras sin calentar confirmaron la presencia de la antigorita Mg3Si2O5(OH)4 como fase mineralógica predominante en este material, y en menor proporción, el crisotilo y la lizardita (Pons-Herrera 2000), fases muy semejantes entre sí. Se destaca, además, la presencia de la forsterita como fase secundaria, lo que demuestra el variado grado de serpentinización que poseen estas rocas y, en especial, el mineral de olivino, que forma parte fundamental de estas; lo cual confirma los resultados de Pons-Herrera (1999) y Pons-Herrera, Ramírez y Leyva (2011).

Con los resultados de los análisis termogravimétrico y térmico diferencial que muestran la Figura 1 es posible evaluar el comportamiento térmico de las dunitas serpentinizadas de la región de Moa-Baracoa, lo que unido a los análisis mineralógicos, explican las principales transformaciones físico-químicas que experimentan estos materiales refractarios con el incremento de la temperatura.

Figura 1 Análisis termogravimétrico, ATG, (a) y térmico diferencial, ATD, (b), de las dunitas serpentinizadas de Merceditas y Amores. 

En el intervalo de temperaturas entre 150 °C y 235 °C (Figura 1) ocurre primeramente la eliminación de la humedad higroscópica que acompaña a las dunitas, donde se mantiene como fase principal la antigorita (d=7,264 A°), como se observa en la Figura 2.

Figura 2 Difractograma de las dunitas serpentinizadas calentadas a 235 °C. 

Entre los 200 °C-700 °C (Figura 3) se verifica un largo proceso de eliminación del agua estructural presente en este material, donde se destaca como fase principal la antigorita (d=7,289 A°) y como fase secundaria la forsterita (d=3,896 A°; 2,77 A°; 2,513 A°), cuya presencia está asociada en lo fundamental, a la descomposición térmica del olivino que acompaña normalmente a las dunitas estudiadas.

Figura 3 Difractograma de las dunitas serpentinizadas calentadas a 700 °C. 

Los estudios de geotermometría señalan que el final del reequilibrio del olivino presente en las rocas del complejo ofiolítico Moa-Baracoa se produce a temperaturas entre 727 °C y 804 °C (Proenza 1997). Precisamente en este intervalo se verifica la transformación de los minerales de la antigorita en forsterita, considerado como un proceso reversible del fenómeno de serpentinización de los minerales de olivino presente en las dunitas serpentinizadas, que reafirman las propiedades refractarias de esta materia prima.

En ninguno de los difractogramas obtenidos se detectó la presencia de fases minerales de hierro, consideradas como una de las principales impurezas que afectan a los materiales refractarios. No obstante, existen elementos que demuestran la presencia de fases asociadas a los minerales de hierro, fundamentalmente fayalita (Fa), muy difícil de identificar, por cuanto posee parámetros de difracción similares a la forsterita.

Los porcentajes molares del hierro(II), reflejados en valores de Fa que oscilan entre 5,31 %-8,96 %, demuestran la existencia de estas fases en este intervalo de temperatura mencionado, la cual fue confirmada, además, a través de los difractogramas obtenidos luego de tratada térmicamente la dunita y sometida a la metodología probada por Pons-Herrera (2000).

Esencialmente en el intervalo de temperatura entre 700 °C-850 °C (Figuras 4 y 5) ocurren dos procesos fundamentales: el desprendimiento de los grupos oxidrilos con un máximo, aproximadamente, entre 670 °C y 700 °C y la reorganización estructural del olivino, que se verifica entre 800 °C y 850 °C, con un pico agudo alrededor de 830 °C. A partir de los 750 °C, la fase principal presente en el material es la forsterita (d=3,887 A°; 2,771 A°; 2,514 A°; 2,457 A°; 2,27 A°). Este proceso puede ser explicado mediante la ecuación (1) de reacción química siguiente:

.(1)

Figura 4 Difractograma de las dunitas serpentinizadas calentadas hasta 750 °C. 

Figura 5 Difractograma de las dunitas serpentinizadas calentadas hasta 850 °C. 

En el intervalo de temperatura comprendido entre 900 °C y 1 000 °C (Figura 6) se mantiene estable la forsterita como fase principal.

Como se observa en la Figura 7, a 1 200 °C se verifica, según los análisis de difracción de rayos X, la presencia de la periclasa (MgO) como fase secundaria (d=2,10 A°); independiente de la estructura del olivino y que acompaña a la forsterita como fase principal, elementos que evidencian las propiedades de este material y sus posibilidades de uso como refractario.

Figura 7 Difractograma de las dunitas serpentinizadas calentadas hasta 1 200 °C. 

A partir de 1 200 °C tiene lugar la reacción (2), cuya ecuación de Gibbs-Helmholts se expresa como: (G =12 797 T-11,13 T.

(2)

En este caso, en el rango de temperatura 1 200 °C-1 600 °C en el cual se producen las principales aleaciones obtenidas durante el desarrollo del proceso de fundición, se mantiene la espontaneidad de la reacción anterior, la cual se ve favorecida por la estabilidad de las fases forsterita y periclasa. Ello le confiere elevada refractariedad a los productos obtenidos en estudios previos (Pons-Herrera 2000). Los estudios realizados, en los que se emplean diferentes muestras de olivino sintético y natural (Helgeson y Delany 1990), presentan elementos comunes con respecto al comportamiento térmico de las dunitas serpentinizadas de la región de Moa.

La Tabla 2 muestra el comportamiento de las dunitas serpentinizadas en el intervalo de temperatura entre 1 500 °C-1 900 °C, que permitieron comprobar la estabilidad de la fase forsterita, la cual confiere a este material una alta refractariedad, coincidente con los trabajos de Pena y demás investigadores (2010); resultado confirmado en la Figura 8, que muestra el difractograma luego del calentamiento de las dunitas hasta 1 600 °C.

Figura 8 Difractograma de las dunitas serpentinizadas calentadas hasta 1 600 °C. 

A los 1 500 °C más del 86 % del material se encuentra en estado sólido, como se observa en la Tabla 2, sobresaliendo los contenidos de MgO, los cuales se van incrementando con el aumento de la temperatura. Lo contrario ocurre con el FeO, que de entre 13 %-16 % se reduce hasta, aproximadamente, 6 % a los 1 900 °C, aspecto importante en los materiales refractarios, ya que constituyen impurezas nocivas.

Más del 73 % del material se encuentra en estado sólido a los 1 700 °C, confirmándose sus propiedades refractarias y las posibilidades de utilización en los procesos de fundición, donde las temperaturas de trabajo, por lo general, no sobrepasan los 1 700 °C; mientras que, a 1 900 °C, prácticamente todo el material se transforma en estado líquido, predominado en su composición los óxidos de magnesio y silicio. Estos resultados confirman los valores de refractariedad para las dunitas de la región de Moa-Baracoa, estimados según la composición química y mineralógica en, aproximadamente, 1 790 °C.

Tabla 2 Composición química (sólidos y líquidos) de las dunitas serpentinizadas de Merceditas y Amores tratadas en el rango de temperatura entre 1 500 °C y 1 900 °C  

Como resultado del calentamiento de los productos refractarios obtenidos a partir de las dunitas serpentinizadas de la región de Moa-Baracoa, en el rango de temperatura entre 1 200 °C y 1 600 °C, se produce la estabilización de las fases forsterita y periclasa, que le confirieren a este material importantes propiedades refractarias. Se destaca, además, que la presencia de la fayalita dentro de la estructura del olivino, con contenidos que oscilan entre 5,3 % y 8,9 %, no limita su utilización durante los procesos de fundición.

CONCLUSIONES

  • La fase antigorita predomina en las dunitas serpentinizadas de la región de Moa-Baracoa, la cual se transforma en la fase forsterita a partir de los 700 °C; mientras que a partir de 1 200 °C se forman como fase secundaria el MgO y SiO2, que favorecen las propiedades refractarias del material, verificándose la ocurrencia de la ecuación de reacción química (2):

  • Como consecuencia del calentamiento de los productos refractarios obtenidos a partir de las dunitas estudiadas, en el rango de temperatura entre 1 200 °C y 1 600 °C, se produce la estabilización de las fases forsterita y periclasa, confiriéndole a este material importantes propiedades refractarias, que fundamentan el uso de esta materia prima en los procesos metalúrgicos de fundición.

Agradecimientos

Los autores agradecen el apoyo brindado por la empresa Moanickel S.A.-Pedro Sotto Alba y el grupo empresarial Cubaníquel de Moa por el acceso a las áreas objetos de estudio, la toma, selección y preparación de las muestras de investigación.

REFERENCIAS

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Pena, P.; De Aza, A.; Contreras, L.; García-Carrodeguas, R.; De Aza S.; Almagro, J. F.; Luna, C.; Guerrero, M. y Javier-Ferrer, F. 2010: Mecanismo de corrosión a refractarios de MgO-C y MgO-C-Al en horno eléctrico. Bol. Soc. Esp. Ceram. V., 49(3): 157-176. [ Links ]

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Recibido: 08 de Enero de 2018; Aprobado: 08 de Enero de 2019

*Autor para la correspondencia: jpons@ismm.edu.cu

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