Recycling of waste ceramic rollers for the production of corundum-mullite as a high- alumina synthetic refractory material

Resumen Técnico: Reciclaje de Rodillos Cerámicos de Desecho para la Producción de Corindón-Mullita

Planteamiento del Problema
La industria de la fabricación de baldosas, particularmente en Irán, depende fuertemente de los hornos de túnel de tipo rodillo. Con el tiempo, los rodillos cerámicos utilizados en estos hornos se fracturan y se desechan como residuo. Si bien se ha estudiado la reutilización de los rodillos no contaminados (provenientes de cortes o de los extremos del horno), la mayoría de los rodillos de desecho están "contaminados" con recubrimientos de esmalte. A altas temperaturas de horno, el esmalte fundido penetra en la superficie del rodillo, creando una capa adherida que no puede eliminarse por medios físicos. En consecuencia, estos materiales de alto contenido de alúmina actualmente se desechan, lo que representa tanto una carga ambiental como una pérdida de materias primas valiosas. Además, aunque las refractarias sintéticas de corindón-mullita se producen típicamente a partir de materias primas vírgenes, no existe investigación publicada sobre la síntesis de estos materiales a partir de rodillos de desecho recubiertos de esmalte o sobre el uso de lixiviación ácida para eliminar las impurezas del esmalte.

Metodología
El estudio propone un proceso de reciclaje químico para transformar los rodillos de desecho recubiertos de esmalte en un material refractario sintético de alto contenido de alúmina. La metodología consistió en los siguientes pasos:

1. Preparación: Los rodillos recubiertos de esmalte (20 mm de diámetro interno, 1–2 mm de capa de esmalte) se trituraron en partículas menores a 10 mm. Las partículas no se pulverizaron hasta convertirlas en polvo antes de la lixiviación, ya que esto arrojó resultados deficientes.
2. Lixiviación Ácida: Se utilizó ácido fluorhídrico (HF) para disolver el esmalte a base de silicatos y los pigmentos asociados. Se probaron cuatro concentraciones (10%, 20%, 30% y 40%) a temperatura ambiente (25°C) y temperatura elevada (40°C). La relación sólido-líquido se mantuvo en 1:3.
3. Procesamiento: Tras la lixiviación, los sólidos se separaron, lavaron y se molieron en húmedo mediante un molino planetario para lograr un tamaño de partícula de -20 µm. La suspensión se secó hasta un estado semiseco (~5 % en peso de humedad).
4. Sinterización: Los polvos se prensaron en briquetas a 100 MPa, se secaron y se sinterizaron en un horno de lanzadera a 1550°C durante 2 horas.
5. Caracterización: La composición química se analizó mediante fluorescencia de rayos X (XRF). La identificación y cuantificación de fases se realizó mediante difracción de rayos X (XRD) con refinamiento Rietveld. La microestructura se examinó mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) con espectroscopía de energía dispersiva (EDS). Las propiedades físicas (densidad aparente, porosidad, absorción de agua, cambio lineal permanente) se midieron de acuerdo con los estándares ASTM.

Resultados Clave

• Eficiencia de Lixiviación: El tiempo de disolución de la capa de esmalte fue inversamente proporcional a la concentración de HF y a la temperatura. A 25°C, la disolución completa requirió 17 horas para un 10% de HF, reduciéndose a 2 horas para un 40% de HF. El aumento de la temperatura a 40°C redujo aún más el tiempo; por ejemplo, el 10% de HF requirió solo 8 horas.
• Composición Química: El proceso de lixiviación eliminó eficazmente las impurezas de silicato. Las partículas lixiviadas resultantes contenían 80.13 % en peso de Al₂O₃ y 3.08 % en peso de ZrO₂, con un contenido de SiO₂ significativamente reducido (10.01 % en peso) en comparación con los rodillos originales (22.70 % en peso).
• Composición de Fases: El análisis de XRD y SEM identificó al Corindón (71.9 % en peso) y a la Mullita (25.2 % en peso) como las fases principales, con Baddeleyita (2.9 % en peso) como una fase minoritaria.
• Propiedades Físicas: El material de corindón-mullita sinterizado exhibió propiedades físicas superiores en comparación con la bauxita sinterizada de grado refractario:
  • Densidad Aparente: 3.35 g/cm³ (frente a 3.12 g/cm³ de la bauxita).
  • Porosidad Aparente: 0.18% (frente a 7.88% de la bauxita).
  • Absorción de Agua: 0.05% (frente a 2.53% de la bauxita).
  • Cambio Lineal Permanente (PLC) @ 1650°C: < 0.1% (frente a 0.2% de la bauxita).
  • Expansión Térmica: Menor expansión térmica reversible (0.59% a 1200°C) en comparación con la bauxita (0.71%), atribuido al mayor contenido de mullita, que posee un coeficiente de expansión térmica más bajo.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que este trabajo presenta una solución novedosa al problema ambiental de los rodillos de desecho recubiertos de esmalte, convirtiéndolos en una valiosa materia prima refractaria sintética. El estudio demuestra que la lixiviación ácida con HF es un método eficaz para eliminar las impurezas basadas en esmalte, permitiendo la recuperación de un alto contenido de alúmina.

Se afirma que el material de corindón-mullita resultante es un sustituto viable para la bauxita sinterizada de grado refractario. Los autores señalan que, si bien el contenido de Al₂O₃ es ligeramente inferior al de algunas fuentes de bauxita, el material posee un contenido combinado de Al₂O₃, SiO₂ y ZrO₂ mayor (95.44 % en peso frente al 93.03 % de la bauxita) y niveles de impurezas significativamente menores. La presencia de ZrO₂ (baddeleyita) se destaca como beneficiosa para las propiedades refractarias. El artículo concluye que este método de reciclaje no solo aborda un problema de desperdicio ambiental, sino que también preserva un recurso valioso de alto contenido de alúmina, ofreciendo un material con propiedades físicas y térmicas comparables o superiores a las de las materias primas refractarias tradicionales.