Cuando se trata de fundir metales a través de un proceso de inducción electromagnética, algunos materiales son más adecuados que otros para lograr una fusión eficiente.
En este artículo técnico, analizaremos el comportamiento de los metales preciosos comunes cuando se someten a un campo magnético ondulante de alta frecuencia, de cómo aprovechar las propiedades eléctricas de los metales preciosos con hornos de fusión por inducción y cómo esto puede aumentar la eficiencia de la industria de fundición de metales preciosos .
Concepto de diseño de equipos de fusión de metales
Metales preciosos que se funden en un horno de inducción
Cuando la misma cantidad de dos metales diferentes con la misma forma geométrica y puntos de fusión similares se colocan en el mismo campo magnético ondulante durante el mismo intervalo de tiempo, su comportamiento en términos de energía térmica será diferente.
Según la ley de inducción electromagnética de Faraday, el voltaje inducido en ambas masas metálicas será idéntico.
Sin embargo, el efecto Joule, es decir, la propiedad que hace que un material se caliente cuando una corriente eléctrica lo atraviesa, será diferente para cada material debido a su resistividad (representada por la letra griega rho, ρ).
Esta magnitud, ρ, es la resistencia específica de cada material, medida en Ω * m.
Entonces, si Q es la energía térmica que se puede disipar en la carga metálica cuando la rodea un campo electromagnético variable, tenemos:
Q = I2 * R * t
dónde:
Q = Energía calorífica producida por la corriente. En el sistema internacional de medidas se expresa en joules (J)
I = Intensidad de la corriente que circula expresada en amperios (A). Equivale a las corrientes de Foucault que circulan a través de la carga metálica.
R = Resistencia eléctrica del conductor expresada en ohmios (Ω).
t = Tiempo, en segundos (s)
Pero sucede que la resistencia R no es la misma que la resistividad ρ. La resistencia R de dos conductores de diferentes materiales pero con la misma forma geométrica, digamos cilíndrica, será:
R = ρ * lS
dónde:
R = resistencia en ohmios
ρ = resistividad en ohmios * metro
l = longitud en metros
S = sección transversal en m2
Los diferentes comportamientos de estos materiales en las condiciones especificadas pueden explicarse por su resistencia eléctrica.
La plata, el cobre y el oro son los mejores conductores naturales de la electricidad y su baja resistencia los hace ideales para la fundición por inducción.
El proceso de fundición por inducción se basa en el rápido aumento del factor I al cuadrado en la expresión Q = I2 * R * t. Este factor compensa con creces la baja resistividad de estos metales, lo que permite fundirlos con bajos requisitos de energía y en menos tiempo que otros materiales.
Aprovechar las propiedades eléctricas de los metales preciosos para lograr una fusión eficiente solo se puede hacer con un horno de fusión por inducción.
(De https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Resistivity_Cu-Ag-Au.svg)
Como se mencionó anteriormente, el oro y la plata son ideales para fundir en hornos de fusión por inducción.
Sin embargo, en la industria de fundición de metales preciosos también se utilizan otros materiales que no son tan eficientes en el proceso de fusión, incluidos el platino, el rutenio, el osmio, el iridio y el rodio.
Algunos de estos metales preciosos se funden para fabricar joyería de moda, mientras que otros se funden para usos industriales, automotrices y aeroespaciales.
Estos materiales también se pueden fundir adecuadamente en hornos de inducción, aunque el proceso de fusión llevará más tiempo y requerirá más energía eléctrica debido a su mayor resistencia y puntos de fusión más altos en comparación con el oro y la plata.
Nomenclatura del conjunto del horno de fundición por inducción
Aunque la resistividad aumenta con la temperatura, como se muestra en el gráfico anterior, la relativa facilidad con la que se funden los diferentes metales preciosos tiende a disminuir proporcionalmente en todos los casos a medida que aumenta la temperatura.
Así, nuestra afirmación de que el oro y la plata son más fáciles de fundir que otros metales es cierta en cualquier escenario de temperatura.
En la siguiente tabla comparativa (donde ρ está a 20 °C), se puede observar que la resistividad del rodio, iridio, rutenio, osmio, platino y paladio es mayor que la de la plata y el oro, y sus puntos de fusión también son más alto.
Sin embargo, este alto punto de fusión es lo que justifica su uso en equipos que requieren una gran dureza y resistencia al calor, como los catalizadores de automóviles, donde el rodio juega un papel importante, junto con el paladio y el platino.
| Material | Conductividad Eléctrica (10^6 S/m) | Resistividad (nΩ.m) | Punto de Fusión (°C) | Punto de Ebullición (°C) |
|---|---|---|---|---|
| Plata | 66.67 | 15 | 961 | 2193 |
| Cobre* | 58.82 | 17 | 1085 | 2562 |
| Oro | 45.45 | 22 | 1064 | 2970 |
| Rodio | 23.26 | 43 | 1963 | 3697 |
| Iridio | 21.28 | 47 | 2446 | 4130 |
| Rutenio | 14.08 | 71 | 2334 | 4150 |
| Osmio | 12.35 | 81 | 3033 | 5012 |
| Platino | 9.52 | 105 | 1768 | 3825 |
| Paladio | 9.52 | 105 | 1555 | 2996 |
**Otra magnitud eléctrica que también nos da una idea de lo bueno que es un material como conductor es su conductividad, que se denota por σ (sigma). La conductividad es la inversa de la resistividad ρ: σ = 1/ρ
¿Cómo los hornos de fusión por inducción pueden aumentar la eficiencia de la industria de fundición de metales preciosos?
Horno de inducción para fundición de metales de gran tamaño.
Si tuviéramos que definir la eficiencia en la industria de fundición de metales preciosos, equivaldría a la menor cantidad de recursos, energía y tiempo utilizados para conseguir la mayor cantidad de material fundido, con la calidad esperada y al mínimo coste medioambiental.
La eficiencia significa mayores ganancias.
En los hornos de fusión por inducción, no se aplica calor de fuentes externas, por lo que la ausencia de contacto directo del material con las llamas da como resultado un material valioso limpio e impecable.
Algunos de sus beneficios incluyen:
- Sin precalentamiento
- Sin largo tiempo de arranque
- Sin temperaturas innecesariamente altas, lo que supone más seguridad y mayor vida útil del horno.
- Ahorra costos de mantenimiento.
Así, la industria de fundición de metales preciosos tiene en los hornos de fusión por inducción un formidable aliado para alcanzar sus objetivos de eficiencia: son la elección natural para producir material valioso en mayores cantidades, con estas ventajas:
- El menor desperdicio de energía.
- Fundición en menor tiempo
- Sin humos
- Resultados impecables
Los metales preciosos como el platino, el paladio, el rutenio, el rodio, el osmio y el iridio se utilizan en industrias muy desarrolladas que requieren tecnología de última generación.
Estas industrias fabrican:
- Componentes eléctricos y electrónicos como condensadores y contactos eléctricos.
- Instrumentos quirúrgicos y reactivos para medir el azúcar en sangre
- Biocidas permanentes en aplicaciones plasmónicas
- Relojes y joyas
- Celdas de combustible para el sector automotriz
- Motores de avión y bujías
- Catalizadores petroquímicos
- Convertidores catalíticos para descontaminar las emisiones del automóvil
El suministro de las cantidades requeridas de estos metales como materia prima para estas industrias, con la calidad que exigen, solo puede lograrse con equipos de alta precisión, incluidos los hornos de fusión por inducción.
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Fuentes:
- https://www.mordorintelligence.com/es/industry-reports/platinum-group-metals-market
- https://academia-lab.com/enciclopedia/paladio/
- https://web.unican.es/
