Análisis de la fusión de materiales metálicos mediante la utilización de microondas

Abstract

Se denomina fundición al método de fabricación que consiste en colar un material en estado líquido en un molde, para que una vez que el material pase al estado sólido, adopte la forma de dicho molde. En el campo de los metales, las necesidades tecnológicas cada vez más avanzadas han impulsado el desarrollo de la tecnología de la fundición, logrando alcanzar temperaturas más elevadas en el proceso. Los métodos de calentamiento para conseguir las temperaturas necesarias que se necesitan para alcanzar el estado líquido en los materiales metálicos han pasado de utilizar carbón a utilizar energía eléctrica. En ello se basa, por ejemplo, el horno de inducción, que utiliza el calor generado por las bobinas de inducción tras el paso de una corriente eléctrica. Por otro lado, para procesos no industriales como son aquellos relacionados con ensayos e investigación, se utilizan los hornos conocidos como hornos de mufla, siendo los hornos de alimentación eléctrica los más extendidos en la práctica. Este tipo de hornos utiliza la energía eléctrica para calentar una serie de resistencias que rodean su cámara interior, alcanzando temperaturas que oscilan entre los 1000-1100ºC, pero estando limitados a pequeñas cantidades de material, en comparación con otros procesos industriales. Además, debido a su principio de funcionamiento, este tipo de hornos tiene unas pérdidas energéticas considerables, por lo que es necesario encontrar alguna alternativa económicamente más atractiva. Por ello, actualmente se está empezando a investigar el uso de radiación electromagnética de tipo microondas para procesos asociados a la metalurgia tradicional. Se define microonda como aquella radiación electromagnética que tiene una frecuencia comprendida entre los 300Hz y los 30GHz, que se corresponde con una longitud de onda de 1m y 1mm respectivamente. Uno de los métodos que producen este tipo de radiación electromagnética utiliza un elemento conocido como magnetrón, el cual está basado en un circuito eléctrico de tipo LC, al que se le realizan una serie de modificaciones para maximizar toda la potencia que este artilugio puede entregar. A través de la corriente eléctrica, el magnetrón es capaz de producir microondas de una frecuencia concreta, normalmente de 2,45GHz, para que de esta manera no interfiera con las ondas que se utilizan en el campo de las telecomunicaciones. El uso más común que se le da al magnetrón es integrado dentro de los microondas domésticos para el calentamiento de alimentos. Dichos electrodomésticos tienen la capacidad de provocar, a través del magnetrón, la excitación de las moléculas polares que se encuentran en la materia introducida dentro del microondas, como pueden ser moléculas de agua, azúcares o grasas. Este tipo de radiación electromagnética se caracteriza por tener una gran densidad de potencia, lo que convierte esta tecnología en candidata para procesos orientados a consumo masivo de energía, como es el proceso de fundición de los materiales metálicos. Sin embargo, los materiales metálicos actúan como elementos reflectantes ante las microondas debido al efecto piel, por tanto, no podrán calentarse directamente en el interior del electrodoméstico, sino que lo harán a través de un elemento susceptor, en este caso, el crisol, el cual sí es capaz de absorber las microondas y calentarse en el proceso. Éste será el encargado de calentar el material metálico que se encuentre en su interior. Además, será necesario confinar el crisol en un material que sirva como aislante térmico para minimizar las pérdidas de calor en el proceso. Este material deberá ser, además, transparente ante la radiación electromagnética, para que el elemento susceptor sea capaz de absorber la mayor densidad de potencia posible, y transmitir esa energía a los materiales metálicos situados en su interior, provocando el calentamiento de estos. Por tanto, el objetivo de este Trabajo de Fin de Máster consiste en explorar la posibilidad de obtener metal fundido a través de un microondas doméstico. Como consecuencia, también se propondrán una serie de aplicaciones que pueden ser realizadas a través de este electrodoméstico y que sean competitivas desde un punto de vista técnico y económico.