Fundición de metales con un horno microondas domestico.

(Y si no quieres fundir pero necesitas calcinar algo este procedimiento también te sirve.)


Advertencia: en el siguiente proyecto se manejan altas temperaturas que pueden ser muy peligrosas. Si no estas habituado a trabajar con ellas o no dispones de elementos de seguridad necesario puedes sufrir graves consecuencias. Si lo haces sabes que solo tu asumes los riesgos.


Introducción.

Un horno microondas domestico se emplea generalmente para calentar alimentos, rara vez estos alcanzan temperaturas superiores a los 100 ºC, sin embargo en teoría, con un horno microondas y los componentes adecuados se pueden alcanzar temperaturas tan altas como queramos. Decimos en teoría porque en la practica hay condicionantes que nos limitaran la temperatura máxima.


Este trabajo se divide en dos partes. La primera, la realización practica para los que solo desean hacérselo, sin conocer nada del tema. Y la segunda en la que se explican los fundamentos del procedimiento y métodos para conseguir afinar los resultados.


Realización practica.

Objetivos: conseguir temperaturas de 1100ºC y superiores para fundir metales. Entre los metales que podemos fundir se encuentran, el aluminio y aleaciones ( menos de 700 ºC) latón, 950 ºC, bronce y cobre ( 1050ºC), el hierro se puede fundir, pero es mas difícil.


Materiales necesarios.

Un horno microondas domestico de 800 W o mas.

Un ladrillo refractario de baja densidad.

Un crisol de carburo de silicio.

Pinzas metálicas para manipular el crisol.

Guantes, gafas, y elementos de protección.


El ladrillo refractario, sera de los ligeros de los que aguantan hasta 1260 ºC. Estos ladrillos se pueden adquirir por 5 euros/ unidad. Tienen unas dimensiones de 230 x 114 x 64 mm y pesan 500 g. Otros ladrillos refractarios posiblemente no sean útiles.

Se han probado crisoles de carburo de silicio comerciales con resultados dispares generalmente no buenos. El crisol aquí empleado es de fabricación propia. Es casi cilíndrico de 65 mm de diámetro y 65 mm de altura. Pesa 200 gr, con un volumen de 10 c.c. Con capacidad para unos 300 g de aluminio o 700 de cobre o bronce. Mas adelante se explica como construirlo.




Construcción del recinto aislante.

Con una hoja de sierra para metal partir el ladrillo en dos mitades iguales. Como el ladrillo es muy blando, no costara mas de unos minutos. Tener cuidado de no romperlo.

En cada uno de los dos trozos, marcar el centro de la cara trazando las diagonales. Marcar un circulo de 70 mm de 70 mm de diámetro y excavar un orificio ciego de 35 mm de profundidad y 70 mm de diámetro. Para hacer esta operación se recomienda emplear un taladro a pocas revoluciones y una broca de buen diámetro. Con un poco de habilidad se hace en unos minutos. No hacer el orificio excesivamente grande a costa de disminuir las paredes aislantes.

Si colocamos los dos ladrillos enfrentados nos quedara una cámara hueca cilíndrica de 70 mm de diámetro y 70 mm de capacidad, suficiente para almacenar el crisol.



Si se dispone de una sonda de termopar y se desea medir la temperatura hace una pequeña canal en uno de los trozos del ladrillo para poder introducir la sonda. Aunque no es indispensable, si no tenemos sonda este orificio nos permitirá observar el color del crisol cuando este caliente.


Fundir.

Poner uno de los bloques boca arriba. Situar el crisol en su interior, previamente llenado del metal a fundir. Coloca la otra mitad e introducirlo en el microondas. Si se ha hecho la canal , situar esta de manera que se pueda ver sin sacar el conjunto del microondas.



Agarrar el conjunto y ponerlo dentro del microondas aproximadamente en el centro. No es imprescindible que el plato del microondas gire.





Probar primero con aluminio. Poner el microondas al máximo, fijar el tiempo en 10 minutos. Cerrar la puerta del horno para que empiece a calentar. Cuando acabe el tiempo abrir la puerta y ver por el orificio si se ve el crisol al rojo. Con el ladrillo refractario adecuado la temperatura del mismo no sera muy alta y se podrá tocar con la mano. No obstante emplead unos buenos guantes aislantes pro si se cae el metal. (En la fotografía anterior se ve el crisol incandescente por una grieta.)



Si no se ha fundido, introducirlo de nuevo y dad otros 5 minutos de calentamiento. Así hasta que se funda. Anotad los tiempos para futuras referencias.



Para latón, empezad con 15 minutos. Y repetir lo dicho anteriormente. Si al sacar el latón fundido echa humos blancos es que nos hemos pasado de temperatura. La próxima vez bajad el tiempo.




Vaciad de metal los crisoles de carburo de silicio antes de dejarlos enfriar. En caso contrario puede que el metal se expanda al enfriarse y rajar el crisol.

Debido a los altos gradientes de temperatura entre el interior y el exterior del ladrillo, este se resquebraja, apareciendo grietas que terminan desmoronandolo. Normalmente un ladrillo sirve par unas 20 o mas fusiones dependiendo del trato que se le dé.

Si ponemos tiempos muy altos ( p. eje. 30 minutos) la temperatura que se alcanza supera los 1250 grados que soporta el ladrillo refractario y el interior de este empieza a fundirse.


Para saber mas ver la parte de fundamentos.



Fundamentos.

Como es sabido, un microondas se compone de un magnetrón que genera una onda electromagnética de 2,450 Ghz y la vuelca en una cavidad (el horno) de pareces metálicas. Dentro del horno, las microondas se reflejan en las paredes y se produce una alta densidad de energía en todo su volumen.

Algunos cuerpos son transparentes a la radiación microondas, por el ejemplo el aire, el vidrio algunos plásticos y algunos materiales cerámicos. Otros cuerpos son reflectores, es decir que actúan como un espejo, estos son los materiales buenos conductores como los metales, por eso las paredes son metálicas. El grafito también puede ser un reflector porque es un buen conductor.

Otros materiales se encuentran entre ambos y son parcialmente transparentes a las microondas, la radiación lo atraviesa es absorbida por el material y es convertida en calor cuando se propaga por su interior. El agua, los alimentos y otros materiales parcialmente conductores se calientan, porque la radiación al penetrar en su interior es convertida en calor. Esto es una simplificación de los procesos que se producen, pero es una simplificación valida para el objeto que nos atañe.


Se tiene el concepto equivocado de que no se pueden introducir metales en el interior de un horno microondas porque saltas chispas. Esto es cierto solo en parte. Un objeto metálico grande, buen conductor, introducido en el horno pero aislado de sus paredes refleja las microondas que chocan contra su superficie y no se calienta ni se producen chispas. Si embargo una superficie metálica fina como puede ser la metalización de un CD, no tiene suficiente conducción eléctrica por ser muy fina para actuar como un espejo, en su superficie se producen corrientes eléctricas intensas que queman el metal. Entre dos conductores cercanos entre si, dentro del horno, mal conectados entre ellos pueden saltar chispas, porque entre ellos las microondas inducen una diferencia de potencial (de alta freuencia) por ejemplo en una cuchara y las paredes del horno.


Decimos que en teoría en un horno microondas se puede conseguir temperaturas tan altas como queramos. Veamos las diferencias con una mufla eléctrica. En un horno eléctrico de resistencia, la energía eléctrica es convertida en calor por medio de una resistencia. La resistencia se calienta, y es esta, la que calienta su espacio circundante. La temperatura máxima que puede conseguirse esta limitada por el material de la resistencia, ya que esta a altas temperaturas puede fundirse u oxidarse rápidamente. Las resistencias clásicas NICROM o KANTAL no permiten conseguir temperaturas superiores a los 1300 ºC. De hecho a mas de 1200 ºC la vida de las resistencias se acorta rápidamente.


En los hornos eléctricos, el material con que esta construido el recinto, también limita la temperatura máxima. Por una parte el material tiene que soportar las temperaturas que deseamos conseguir y por otro debe de proporcionar un aislamiento térmico suficiente para que la energía proporcionada por la resistencia no se pierda por las paredes. Sin contar con la limitación de la temperatura máxima que soporta el elemento calefactor, la temperatura máxima de un horno eléctrico se alcanza cuando la energía suministrada por los elementos calefactores es igual a la energía perdida por las paredes. En un horno microondas la temperatura subirá, mientras la energía disipada por conducción o radiación del mismo iguale la energía absorbida por el.


Como hemos dicho anteriormente, los metales no absorben las microondas, las reflejan. Por tanto un metal (en teoría) no se calienta dentro del horno. Pero lo que si podemos hacer es emplear un crisol realizado con un material que se caliente con las microondas y colocar el metal en su interior. Este crisol deberá estas fabricado con un material que absorba la energia de las microondas y las transforme en calor. Además, tiene que soportar las temperaturas máximas que se pretenden conseguir sin degradarse.


Algunos experimentadores han probado, producir calor con mezclas de oxido de hierro, grafito en polvo, ferritas, mezclas de hierro y arcilla, etc con resultados no siempre buenos. Después de las pruebas realizadas, ninguno de los materiales anteriormente propuestos dan resultados aceptables. En nuestro caso hemos probado con muchos de ellos, incluso se han probado crisoles comerciales destinados a hornos de inducción. Pero gracias a las pruebas exhaustivas que hemos realizado, hemos encontrado el material optimo para esta aplicación que sin lugar a dudas supera con creces a todos los anteriores: el Carburo de Silicio.


El aislamiento térmico.

Casi tan importante como el crisol es el aislamiento térmico con que se rodea. Si ponemos el crisol dentro del microondas, por supuesto que se calentará, pero perderá mucha energía por radiación y convención con el aire circundante, ademas se calentará el receptáculo del horno. Sin aislamiento el crisol se calentará pero a temperaturas mucho mas bajas, por ello es imprescindible rodear el crisol con un aislante térmico. El aislante debe de cumplir cuatro propiedades. Ser lo mas aislante posible, ser transparente a las microondas, soportar las temperaturas máximas que deseamos obtener y tener el mínimo calor especifico posible.

Hay dos propiedades que están muy relacionadas, el ser lo mas aislante posible y tener el mínimo calor especifico. El que sea aislante es una característica obvia, El mínimo calor especifico implica que gastemos la mínima energía en calentarlo. Indudablemente las paredes interiores donde se encuentre el crisol se van a calentar a una temperatura similar a crisol y cuanta menos energía nos requiera calentar las paredes antes conseguiremos alcanzar estas temperaturas. Los materiales que reúnen estas dos características, ser buenos aislantes y tener poco calor especifico son materiales poco densos con mucho aire incluido en su estructura, porque el aire es peor conductor y tiene menos calor especifico que cualquier solido. Los aerogeles empleados por la Nasa, son precisamente eso, gran cantidad de aire atrapado en estructuras solidas (generalmente sílice). El problema de estos materiales porosos es que suelen ser blandos.

Otra característica también menos obvia es que sean transparentes a las microondas. Si el material no es transparente, al ser atravesado por las microondas se disipara energía, que en vez de calentar el crisol se empleará en calentar el aislante. El aire es transparente a las microondas, por ello también los materiales poco densos son buenos candidatos a ser transparentes. Es fácil comprobar si un material es transparente a las microondas, basta con introducirlo en el horno y ponerlo al máximo durante unos minutos. Si no se calienta es que no tiene perdidas y por lo tanto que es transparente (esto no vale con los cuerpos conductores).

Por ultimo, que soporte las temperaturas que deseamos conseguir, es otra característica obvia. La lana de vidrio reúne muchas de las propiedades deseadas, pero puede que a 900 grados se funda, por lo que no es útil para nuestro objetivo.


Fabricación de crisoles de Carburo de silicio.

Hemos mencionado que los crisoles que mejor resultado han dado han sido los de fabricación propia en base a carburo de silicio.


Propiedades.

El carburo de silicio, o carborundo, SiC, tiene una temperatura de fusión de 2700ºC, densidad 3,2 gr/cm, dureza próxima al diamante. Su conductividad térmica es del orden de 4 W/cm. K, la tercera parte que el cobre y un 50% mejor que la del hierro. El coeficiente de expansión térmica es 10-6/ºC, 16 veces menos que el cobre y solo el doble que la del cuarzo. Su calor especifico es de 0,69 J /gr ºC, ( 0,28 C/gr. ºC)

Se emplea profusamente como abrasivo por su dureza un poco menor que el diamante. Se puede adquirir en algunas droguerias en forma de polvos abrasivos de diferente granulometría. Es un material semiconductor, en frío puede aparecer como aislante, pero su conductividad aumenta con la temperatura. Absorbe las radiofrecuencias transformando su energía en calor. Aunque a altas temperaturas se oxida, el carbono se transforma en dióxido de carbono gaseoso y el silicio en dióxido de silicio, solido y refractario, que protege al resto del carburo de la oxidación.

El carburo de silicio es muy resistente al ataque de los ácidos, no lo es tanto sin embargo a los álcalis. Soporta muy bien los metales fundidos, especialmente aluminio, cobre y bronce. Sin embargo el hierro fundido lo disuelve, por ello cuando se pretende trabajar con hierro conviene proteger el interior. No se ha probado, pero se supone que los nitratos y carbonatos alcalinos fundidos, atacaran el crisol fuertemente.


Fabricación.

El carburo de silicio es de apariencia parecida a la arena pero de color negro, incluso amasado con agua no tiene consistencia plástica y al secarse se desmoronaría, por ello para poder fabricar los crisoles debemos añadir aglutinantes que le confieran una cierta plasticidad en húmedo y que una vez cocidos conserven suficiente estabilidad mecánica.


Dimensiones del crisol.


Se podía haber construido el crisol con carburo de silicio molido sin calibrar el tamaño del grano, pero al adquirirse como abrasivo, las tiendas lo suministran calibrado en diferentes granulometrias.


La formula mas sencilla que nos ha dado excelentes resultados es:

Carburo de silicio.

Granulometría 40 39%

80 18%

120 18%

400 18%

Bentonita 7%. (1)


Pueden emplearse otras mezclas, pero respetando incluir un 18% aproximadamente de grano 400 y un 7% de bentonita. Estos dos materiales son los que dan plasticidad en húmedo y ligan los granos una vez cocidos.


  1. Si no se dispone de bentonita puede probarse con una proporción similar de arcilla muy fina seca. Aunque la bentonita tiene un punto de fusión bajo, la poca cantidad de la mezcla no afecta la alta temperatura de fusión del carburo de silicio.

  2. A la mezcla se le añade la mínima cantidad de agua, para que quede plástica. Se puede emplear la mezcla inmediatamente después de realizada, pero si se deja tapada de un día para otro la plasticidad aumenta.

  3. Se ha empleado gel de sílice en vez de agua para amasar la mezcla con resultados ligeramente superiores en cuanto a plasticidad en húmedo y resistencia después de cocido.

Con la mezcla amasada se debe dar forma al crisol. En nuestro caso lo hemos hecho mediante un molde y un contra-molde hechos de hierro torneados. El material se ha compactado primero a mano y después con una prensa hidráulica hecha con un gato de coche. Pueden hacerse moldes y contra-moldes de madera, no es imprescindible una prensa hidráulica pero hay que asegurarse que se compacta bien el material.



En la imagen anterior, diferentes crisoles. El segundo por la izquierda es fabricado según estas instrucciones, El primero es igual pero su interior esta recubierto de zirconia. El primero por la derecha esta fabricado con el mismo molde pero con cerámica refractaria. El segundo por la derecha es comercial de carburo de silicio, pero no es útil para microondas.


Una vez sacado el crisol del molde, debe dejarse secar al aire durante 24 horas o mas, o bien secarse en la estufa durante dos horas a 100 ºC. Cuando el crisol este seco se puede probar en el microondas. Para ello rodearlo del aislante introducirlo en el microondas y ponerlo al máximo durante 15 minutos. Al sacarlo deberá de estar incandescente y su temperatura rondara los 1000 ºC. Dejarlo enfriar hasta la temperatura ambiente y observarlo. No deberá de tener grietas y rascando con la uña se observara que tiene suficiente resistencia mecánica (no se desmorona).


Moldes y contramolde para el crisol.


Se ha observado que a pesar de frecuentes calentamientos y enfriamientos, el crisol no presenta fatiga térmica, no apareen grietas, al contrario de lo que ocurre con los crisoles cerámicos. Esto se debe al bajo coeficiente de expansión y alta conductividad térmica del material y también a la estructura porosa que impide la propagación de fisuras. La alta conductividad térmica (superior a la del hierro y muy superior a otros materiales cerámicos) proporciona una buena eficiencia para ceder el calor que se produce en el al material a fundir.

Los crisoles fabricados en el laboratorio tienen forma de vaso casi cilíndrico, pesan 220 gramos y tienen una capacidad de 100 c.c. Suficiente para albergar 500 gr. de cobre. Hemos comprobado que es un tamaño adecuado, para conseguir temperaturas de mas de 1400 ºC. Si el crisol fuese mucho mas grande debido a las perdidas por el aislante no se podrían conseguir temperaturas tan altas. Se estima que un crisol de 200 cc de capacidad podría servir bien, siempre si nos conformamos con conseguir temperaturas del orden de los 1100 ºC. Crisoles mucho mas pequeños no serian tan eficaces ya que no absorberían las microondas con la misma eficiencia ( hay que tener en cuenta la longitud de onda de las microondas).


Una ventaja de estos crisoles es que se puede reutilizar el material. Si un crisol se inutiliza por rotura puede molerse y volver a emplear el material con que se ha fabricado. Si el crisol esta limpio basta con molerlo, tamizarlo, añadir un 5% de bentonita y volverlo a formar. Si el crisol esta sucio de restos metálicos, molerlo, separar los restos metálicos, tamizarlo, atacarlo con ácido clorhídrico o nítrico para que disuelva los metales y los óxidos, lavarlo y volver a utilizar el carburo de silicio.


Recubrimiento protector.

Se ha mencionado que el carburo de silicio puede ser disuelto por el hiero fundido. Es conocido que las impurezas mas frecuentes del hierro fundido son el carbono y el silicio, precisamente por la solubilidad de estos en el el hierro. Esto se puede evitar impidiendo que el hierro no entre en contacto con este material recubriéndolo con una capa fina de otros materiales. Los materiales probados han sido la Zirconia (silicato de zirconio) y la alúmina (oxido de aluminio).

Para ello desleír zirconia en polvo fino, en gel de sílice haciendo una papilla liquida. Aplicar esta papilla con un pincel a las paredes interiores y a los bordes del crisol. Esperar a que se seque a la temperatura ambiente o en la estufa y repetir el proceso cuatro o cinco veces. Cuando este seco meter el crisol en el microondas y calentarlo a plena potencia durante 10 minutos. De esta manera se recubren las partes que pudieran entrar en contacto con el crisol de una capa de zirconia resistente al hierro. Debido a la porosidad del carburo de silicio y el poco coeficiente térmico, la capa queda muy bien adherida y resistente. De manera similar puede hacerse con alúmina o cuarzo en polvo. Un crisol recubierto interiormente de cuarzo en polvo puede emplearse como si fuese de cuarzo macizo para calcinar productos químicos.


Aunque los crisoles fabricados aquí son especialmente útiles para fusión con microondas pueden ser empleados con absoluta seguridad en hornos de gas o eléctricos hasta 1600ºC .


Calculo aproximado de tiempos de fundición.


Partimos de que el crisol fabricado por nosotros tiene un peso de 220 g. y que nuestro microondas tiene una potencia de 800 W. Sabemos ademas que el calor especifico del carburo de silicio es de 0,7 J/gr .ºC.


Supongamos que queremos fundir 300 gr de cobre y ponerlos a 1100ºC

Para alcanzar una temperatura de 1100 ºC, debemos comunicarle al crisol una energía de 0,7 J/(gr. ºC) · 220 gr · 1100 ºC = 154.000 Julios.

Para fundir 300 g de cobre primero tenemos que calentarlo 1100 ºC(aproximación), lo que exige 0,4 J/gr, ºC o sea 0,4 · 300 · 1100 = 132.000 julios.

Como el calor de fusión es de 134 J/gr, para fundirlo tenemos que aplicar 134 J/gr · 300 gr = 40200 J.

La energia total requerida es:

Calentamiento del crisol 154.000 J

Calentamiento del cobre 132.000 J

Fusión del cobre 40.200 J

Total 326.200 J

Que requiere una potencia de 800 W durante 400 segundos (poco menos de 7 minutos).

Pero esto es sin considerar las perdidas por el aislante, la energía consumida por calentamiento de aislante y que no se absorbe la totalidad de la energía entregada por el microondas. Las pruebas reales revelaron que para fundir estos 300 g de cobre fueron necesarios 23 minutos. Tres veces el tiempo teórico calculado. Este dato puede tomarse como referencia para el caso del cobre. El latón, al tener un punto de fusión mas mas bajo necesita un tiempo menor, del orden de los 15 minutos y el aluminio, aun menor, del orden de los 12 minutos.

Comparando la eficacia de este sistema frente a una mufla eléctrica, basta con decir que la mufla necesita casi 3 horas para conseguir la temperatura de fusión del cobre.


Perfeccionamiento.


El siguiente objetivo es la fusión del hierro. Se trato de hacerlo y se consiguió la fusión de fundición de hierro a 1400 ºC, sin embargo no se consiguió con el hierro dulce que funde a 1500ºC, porque hubo que parar el calentamiento ya que el aislante térmico comenzó a fundirse y el crisol se pego a el. Por ello se proponen las siguientes lineas de actuación.


Aumentar el grosor del aislamiento. Si bien para tiempos de calentamiento menores de 10 minutos las paredes aislantes están tan poco calientes que se pueden manejar con la mano, cuando los tiempos suben a 20 minutos se calientan a unos 200 grados, por tanto con un mejor aislamiento podría subirse la temperatura interior para el mismo tiempo o bajar el tiempo necesario para la fusión.


Mejorar la temperatura máxima del aislante. Los ladrillos refractarios de baja densidad no soportan mas allá de 1200 ºC. Si se pretende la fusión de hierro sera necesario sustituir estos ladrillos por otros que soporten al menos 1500 ºC. O bien colocar una capa interior de lana cerámica que soporte esta temperatura y otra exterior de estos ladrillos.


Mas potencia. El horno utilizado es de 800 W. En el mercado los hay de 1200 W y también de 1400 W. La utilización de potencias mayores puede reducir notablemente los tiempos de operación a la vez que subir las temperaturas máximas. Queda en estudio colocar dos magnetrones en la misma cavidad aprovechando elementos de desguace con lo cual se conseguirían potencias de 1600 W.