Viabilidad del uso de la radiación solar concentrada al proceso de sinterización de cobre

Viabilidad del uso de la adiación sola concen ada al p oceso de sin e ización de cob e L Cañadas*, D. Ma ínez*, J. Rod íguez* y J.M. Galla do** Resumen En la ac ualidad, el p oceso de sin e izado, así como la p ác ica o alidad de los p ocesos que se lle an a cabo en la indus ia, depende de las ene gías con encionales. Es e abajo p e ende demos a la iabilidad del uso de una uen e de ene gía eno able como es la Ene gía Sola Té mica en el sin e izado de cob e. Con obje o de ealiza en el u u o una e aluación de las ue zas conduc o as y de la ayec o ia del ma e ial anspo ado en unción de las ca ac e ís icas del sis ema y de la adicación inciden e, se op a po diseña dis in os disposi i os expe imen ales de empaque amien o basados en modelos de pa ículas ideales, en es e caso cilind os, con los que se p e ende simpli ica la geome ía del sis ema eal basado en pa ículas compac adas, siendo e aluados expe imen almen e en el Homo Sola de la Pla a o ma Sola de Alme ía. Las mues as a adas en a mós e as lige amen e educ o as, desa ollan cuellos bien de inidos y mues an una educción de po osidad, lo que pe mi e demos a la iabilidad del p oceso. Palab as cla e Sin e izado. Cob e. Ene gía sola . Ho no sola . Feasibili y o concen a ed sola ene gy u iliza ion in coppe sin e ing p ocess Abs ac Sin e ing p ocesses as well as all indus ial p ocesses depend on con en ional ene gies. This wo k ies o demons a e he easibili y o he applica ion o a enewable powe sou ce, as The mal Sola Ene gy, in coppe sin e ing. In o de o e alua e in he u u e d i ing o ces and anspo ed ma e ial pa h acco ding o cha ac e is ics o he sys em and he inciden adia ion, di e en expe imen al de ices based on ideal pa icle models, cylinde s in his case, we e designed o simpli y he eal sys em geome y based on compac powde s. These de ices we e e alua ed in he Pla a o ma Sola de Alme ía (PSA) Sola Fu nace. La e analysis o he es pieces showed he easibili y o sin e ing coppe in sola u naces, he es pieces, ea ed in sligh ly educing a mosphe e, ha e de eloped well-de ined necks and educed po osi y, which a e ypical cha ac e is ics o sin e ing. Keywo ds Sin e ing. Coppe . Sola ene gy. Sola u nace. 1. INTRODUCCIÓN Las condiciones de abajo y las ele adas empe a- u as que se p ecisan en el sin e izado de cob e ha- cen que las ins alaciones de Ene gía Sola Té mica que mejo se adap an a las necesidades especí icas del sin e izado sean los ho nos sola es. El diseño de es os ho nos sola es pe mi e consegui una concen- ación ene gé ica muy al a, pudiendo alcanza a- lo es po encima de 1.000 W/cm^ aplicables de mane a casi ins an ánea sob e la mues a a ensaya , y empe a u as de has a 3.500 °C, lo que los hace especialmen e adecuados pa a el a amien o de ma e iales. 2. HORNOS SOLARES Cons an esencialmen e de un heliós a o plano que ealiza seguimien o sola con inuo, un espejo pa a- bólico concen ado , un a enuado de lujo y la zo- na de ensayos si uada en el oco del concen a- do i'^1 (Fig. 1). El espejo cap ado plano -heliós a o- e leja los ayos sola es pa alelos y ho izon ales sob e el disco (*) CIEMAT - Pla a o ma Sola de Alme ía. P.O. Box 22, 04200 Tabe nas, (Alme ía) (**) Depa , de Ingenie ía Mecánica y de los IVla e iales. Uni e sidad de Se illa. A . del Descub imien o s/n. 41092 Se illa Re , Me al Mad id Vol Ex , (2005) 165-169 165 (c) Consejo Supe io de In es igaciones Cien í icas Licencia C ea i e Commons 3.0 España (by-nc) h p:// e is ademe alu gia. e is as.csic.es Viabilidad del uso de la adiación sola concen ada al p oceso de sin e ización de cob e 1. CAÑADAS, D. MARTÍNEZ, J. RODRÍGUEZ Y]M. GALLARDO XJL/ /T Helios a o Concen ado A enuadp ,' ' '^. ' ' '" >S NXNSNN i V V s ^ • •NT V V ^ ^ - ^ i V X Figu a 1. Esquema uncional del Ho no Sola . Figu e 1. Schema ic d awing o a Sola Fu nace. pa abólico, el cual los uel e a e leja concen an- dolos en su oco (á ea de ensayos). La can idad de luz inciden e se egula median e el a enuado si uado en e el concen ado y el helios a o. Bajo el oco se encuen a la mesa de ensayos que iene mo imien o en las es dimensiones espaciales, pe mi iendo posi- ciona las p obe as con g an exac i ud en el oco. 3. OBJETIVO Es e abajo p e ende demos a la iabilidad del uso de una uen e de ene gía eno able como es la Ene gía Sola Té mica en el sin e izado de cob e. La geome ía de pol os compac os es excesi a- men e compleja pa a el desa ollo u u o, de un modelo ma emá ico que pe mi a la p ecisa e alua- ción de las ue zas conduc o as y la ayec o ia del ma e ial anspo ado. Es o conduce a op a po modelos de pa ículas ideales (es e as o cilind os) median e los cuales se puede llega a ap oxima la geome ía del sis ema inicial y desc ibi la ciné ica que ige los p ocesos de sin e ización po mecanis- mos di usionales^ Teniendo en cuen a las ca ac e ís icas del Ho - no y la densidad de lujo del oco se conside a que un modelo de alamb es (Fig. 2) es el más adecuado pa a su a amien o en es e ipo de ho nos. 4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Pa a de e mina la iabilidad del p oceso de sin e- izado en un Ho no Sola se p ocede á a lle a a Figu a 2. Modelo de alamb es. Figu e 2. Wi es model cabo la sin e ización de una malla de alamb es de cob e. El diseño de la p obe a p esen a di icul ades debido a las ca ac e ís icas del Homo y de la adia- ción inciden e. Se han desa ollado y e aluado dos disposi i os expe imen ales de empaque amien o, ob eniéndose di e en es esul ados. En ambos dis- posi i os se ha empleado cob e elec olí ico ecoci- do, de bajo con enido en oxígeno (< 200 ppm). 4.1. Disposi i o 1. Alamb es bobinados Se ealiza un diseño de múl iples capas de alamb e de cob e bobinado sob e un ca e e ambién de cob e, simila al desa ollado po Alexande y Ballu i ^^ En nues o caso, la dis ibución de los alamb es sob e el sopo e es la que se mues a en la i- gu a 3, siendo el diáme o de los alamb es de 0,1 mm. La p obe a se coloca en el in e io de una cá- ma a de acío especialmen e diseñada pa a su uso en el Ho no Sola . Es a cáma a es á do ada con un sis ema de p epa ación de gases, lo que nos pe mi e abaja en a mós e a con olada; en es e caso se p opo ciona una a mós e a lige amen e educ o a median e el gas HYD45, 5 % H2-95 % N2, pa a e i a la oxidación del cob e. La adiación sola concen ada se aplica di ec a- men e sob e la supe icie de la mues a a ensaya a a- és de la en ana de cua zo si uada en la pa e on al de la cáma a, al y como se indica en la igu a 4- 4.2. Disposi i o 2. Alamb es ende ezados Se elabo a un sopo e de cob e que con end á los alamb es p e iamen e ende ezados. En es e caso se 166 Re . Me al Mad id Vol. Ex . (2005) 165-169 (c) Consejo Supe io de In es igaciones Cien í icas Licencia C ea i e Commons 3.0 España (by-nc) h p:// e is ademe alu gia. e is as.csic.es Viabilidad del uso de la adiación sola concen ada al p oceso de sin e ización de cob e 1. CAÑADAS, D. MARTÍNEZ, J. RODRÍGUEZ Y J.M. GALLARDO Figu a 3. Diseño de alamb es bobinados. Figu e 3. Wi es winding design. Figu a 4. Disposi i o de alamb es bobinados en el in e io de la cáma a. Figu e 4. Wi es winding specimen inside o he chambe emplea án alamb es de 2 mm de diáme o, El con- ac o inicial en e los alamb es de cob e se asegu a man eniendo du an e los ensayos unas sujeciones diseñadas de mane a que és as eje zan la p esión mínima su icien e pa a a o ece el con ac o en e alamb es adyacen es (Fig. 5). Pa a la ealización de es os ensayos se u iliza á la cáma a en posición ho izon al, haciendo uso de un espejo de edi eccionamien o que modi ique 90° la di ección de la adiación inciden e. Una ez colocada la pieza sob e un sopo e de ace o se p o ege con una chapa de alúmina en la que se ha ealizado un o i icio con las dimensiones de la supe icie a a a . La alúmina p o ege los ac- ceso ios necesa ios pa a el ensayo, mien as que el o i icio p ac icado en ella pe mi e con ola la zo- na de exposición a la adiación inciden e. La dis- posición de la p obe a en la cáma a es la que se mues a en la igu a 6. Figu a 5. Diseño de alamb es ende ezados. Figu e 5. Wi es s aigh ened design. Figu a 6. Disposi i o de alamb es ende ezados en el in e io de la cáma a. Figu e 6. Wi e S aigh ened design specimen inside o he chambe Se abaja en a mós e a lige amen e educ o a, pe o pa a e i a posibles p oblemas de i ados de la p esencia de pequeñas películas de óxido en la su- pe icie de los alamb es, és os son a ados p e ia- men e con alcohol isop opílico en ul asonidos. 5. RESULTADOS Po las ca ac e ís icas de la adiación inciden e se de e mina que una p obe a de alamb es bobinados simila a la que has a aho a ha sido empleada pa a el es udio de los mecanismos que ienen luga du- an e el sin e izado ^ ^ ^ no es adecuada pa a su a- amien o en el Ho no Sola ya que al aplica un a amien o é mico con ene gía sola concen ada sob e la supe icie de es e ipo de mues as, las ca- pas más ex e nas se dila an, quedando aisladas del Re . Me al Mad id Vol. Ex . (2005) 165469 167 (c) Consejo Supe io de In es igaciones Cien í icas Licencia C ea i e Commons 3.0 España (by-nc) h p:// e is ademe alu gia. e is as.csic.es Viabilidad del uso de la adiación sola concen ada al p oceso de sin e ización de cob e 1. CAÑADAS, D. MARTÍNEZ, J. RODRÍGUEZ Y]M. GALLARDO es o de la bobina, lo que p o oca la o mación de discon inuidades en la p obe a que lle an asocia- das una no able disminución en la can idad de ca- lo que se ansmi e a las capas in e io es del bobi- nado, ya que en es as discon inuidades la ansmi- sión de calo se ealiza po con ección y no po conducción, dando luga a zonas de a amien o cla amen e di e enciadas den o de la p obe a. Pa a el segundo disposi i o, la p obe a con alamb es ende ezados, el sopo e p esen a única- men e dos supe icies la e ales con el in de no c ea ensiones que impidan la dila ación longi udinal lib e de los alamb es de cob e que se p oducía con el bobinado de alamb e. En es e caso, el ensayo se ealiza de mane a sa is ac o ia. El nue o diseño esponde a las expec a i as, ya que no se han p oducido ensiones debidas a la di- la ación de los alamb es po la empe a u a y no pa ece p esen a p oblemas pa a que, en condicio- nes adecuadas, se p oduzca su sin e ización. Se han ealizado ensayos a empe a u as que os- cilan en e 850 y 1.050 °C y iempos de exposi- ción a iables. En líneas gene ales, se puede deci que, debido a la ele ada conduc i idad é mica del cob e, las p obe as a adas median e adiación so- la é mica concen ada inciden e sob e su supe i- cie supe io se mues an homogéneas en odo su olumen, no encon ándose di e encias ap ecia- bles en e las di e en es capas. De mane a gene al podemos deci que se obse - a que pa a empe a u as in e io es a 1.000 °C y iempos en e 2 y 180 min, iene luga la o ma- ción de cuellos en un núme o educido de con ac- os, dependiendo la longi ud de los cuellos o ma- dos de la du ación del a amien o. Así, pa a un a amien o de 60 min a 1.000 °C la longi ud me- dia de los cuellos o mados en e alamb es adya- cen es es de 88,15 |am. Sin emba go, en los ensayos ealizados a 1.050 °C se obse a que la o mación de cuellos se p o- duce siemp e que exis e un con ac o inicial; así, pa a un a amien o de 2 min a 1.050 °C la longi- ud media de los cuellos o mados es de 186,04 |Llm, pudiéndose obse a las siguien es mic og a- ías (Fig. 7). 6. DISCUSIÓN Mac oscópicamen e, se puede obse a que los e- sul ados ob enidos en el Ho no Sola son simila es a los ob enidos en in es igaciones simila es eali- zadas an e io men e en ho nos con encionales ya que, de mane a gene al, podemos deci que a em- i T^1050^C - Î «lín Figu a 7. Sección de p obe a de alamb es as su sin e iza- do a 1050°C du an e 2 min. en Ho no Sola . Figu e 7. C oss-sec ion o wi es specimen a e sin e ing o J 050°C o 2 minu es in o Sola Fu nace. pe a u as in e io es a 1.050 °C el po cen aje de cuellos o mados en e alamb es adyacen es es ba- jo, mien as que a pa i de esa empe a u a la o - mación de cuellos es ele ada, obse ándose una mayo homogeneidad en las mues as. Así, en los expe imen os ealizados po Ale- xande y Ballu i sob e un diseño de múl iples ca- pas de alamb e bobinado sob e un ca e e de co- b e, en un p ime caso, los alamb es de cob e, de diáme o 0,128 mm, ue on some idos a a amien- os é micos a 1.075 °C y iempos supe io es a las 4 h. Los esul ados y mic og a ías que ob u ie on mues an que a esa empe a u a se p oduce la o - mación de cuellos desde los p ime os esul ados analizados. Realiza on o a se ie de ensayos a empe a u a lige amen e in e io , 1,000 °C, y es udia on los e- sul ados pa a iempos supe io es a las 8 h. Obse - a on que pa a iempos de 8 h p ác icamen e no se o man cuellos; a iempos supe io es obse a on una mayo homogeneidad en la pieza y un mayo núme o de cuellos. 168 Re . Me al Mad id Vol Ex . (2005) 165469 (c) Consejo Supe io de In es igaciones Cien í icas Licencia C ea i e Commons 3.0 España (by-nc) h p:// e is ademe alu gia. e is as.csic.es Viabilidad del uso de la adiación sola concen ada al p oceso de sin e ización de cob e L CAÑADAS, D. MARTÍNEZ, J. RODRÍGUEZ Y J.M. GALLARDO Como se ha indicado, en ambos casos, los esul- ados son simila es a los que se ob ienen en el Homo Sola . es igación Cien í ica, Desa ollo e Inno ación Tecnológica, Re e encia. REN2003-09247''C04'01 5. CONCLUSIONES REFERENCIAS - El análisis p elimina de las piezas ensayadas mues a la iabilidad del sin e izado de cob e en ho nos sola es, desa ollando las p obe as a adas cuellos bien de inidos y educiendo su po osidad, ca ac e ís icas p opias del sin e iza- do. - La e aluación de dos disposi i os expe imen a- les pa a el sin e izado de un modelo cilind ico en el Ho no Sola a oja esul ados sa is ac o- ios pa a un diseño de alamb es de cob e ende- ezados, no siendo expe imen almen e adecua- do el uso de un bobinado de alamb e de cob e, empleado po o os au o es en el caso de ho - nos con encionales. - Ac ualmen e se es á es udiando la mejo a del p oceso que pe mi a a a supe icies mayo es con una mayo uni o midad é mica. Ag adecimien os P oyec o inanciado po el Minis e io de Ciencia y Tecnología den o del P og ama Nacional de In- [1] D. MARTÍNEZ y J. RODRÍGUEZ, Re . Me al. Mad id 34 (1998) 104-108. [2] D. MARTÍNEZ y J. 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