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material de estudio, de revision estudiantil
Tipo: Apuntes
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Autor: Antonio Fernández González Tutor: Inés Fernández Pariente, Sara María Andrés Vizán Fecha de presentación: 23 de Julio de 2014 en Oviedo.
PROPIEDADES DIELÉCTRICAS DE LOS MATERIALES DEL SECTOR METALÚRGICO PARA SU POSTERIOR APLICACIÓN EN MICROONDAS.
Arcelor-Mittal, dieléctrico, microondas, propiedades dieléctricas, mineral de hierro, coque, calentamiento, constante dieléctrica, permitividad, permeabilidad, factor de calidad, tiempo de relajación, molienda.
El conocimiento de las propiedades dieléctricas es fundamental para entender el comportamiento que experimentará un material al estar sometido a un campo electromagnético.
El presente documento está enfocado en conocer los principales mecanismos dieléctricos y las constantes dieléctricas; para ello, se implantará un guía metodológica y se explicarán los ensayos existentes que ayuden a entender el cálculo de estas propiedades.
Paralelamente, y a raíz de estudios realizados se intentará fijar los puntos que se acaban de presentar, centrando el foco en las propiedades dieléctricas de los minerales de hierro y el coque metalúrgico apoyándose en el calentamiento que experimentan al ser tratados por microondas.
La tecnología de microondas se lleva utilizando desde principios del siglo pasado y es algo con lo que convivimos habitualmente. Sin embargo están apareciendo nuevos campos de aplicación y se están empezando a implantar en los procesos productivos con un futuro prometedor, aunque presenta inconvenientes. Uno es la frontera de impacto, pasar del laboratorio al mercado, segundo el necesario conocimiento de las propiedades dieléctricas de los materiales. Son éstas las que determinarán si un material es apto o no para el tratamiento con microondas y son variables en función de las propiedades físicas y químicas del material, temperatura y frecuencia de la onda.
Resumiendo, con el trabajo se pretende dar a conocer que son los microondas, las propiedades dieléctricas de los materiales siderúrgicos nombrados, estudios, campos de investigación existentes y aplicaciones existentes que ayude a fijar una guía que permita conocer las propiedades dieléctricas y entender el comportamiento y calentamiento de los minerales de hierro y coque al ser tratados con microondas.
PROPIEDADES DIELÉCTRICAS DE LOS MATERIALES DEL SECTOR METALÚRGICO PARA SU POSTERIOR APLICACIÓN EN MICROONDAS.
¿Por qué del estado del arte?
Se refiere a la búsqueda de la información existente sobre una línea de investigación para su posterior documentación en un campo de estudio del que se quiera adquirir conocimiento, para que esté completo ha de responder a las siguientes preguntas:
El objetivo del trabajo es la búsqueda de la información de las propiedades dieléctricas^1 y los estudios existentes en el calentamiento bajo microondas de los materiales siderúrgicos^2 , centrándose en su posterior molienda. Es decir, ir tras las huellas de las propiedades dieléctricas de los materiales siderúrgicos que explique el calentamiento bajo esta radiación.
En el siguiente diagrama se asientan las tres ramas principales.
(^1) Propiedades físicas de los materiales al ser sometidos a un campo electromagnético externo. (^2) Minerales de hierro y coque metalúrgico.
PROPIEDADES DIELÉCTRICAS DE LOS MATERIALES DEL SECTOR METALÚRGICO PARA SU POSTERIOR APLICACIÓN EN MICROONDAS.
La gran mayoría de la documentación encontrada se apoya en el calentamiento por microondas para dar a conocer las propiedades dieléctricas y los resultados al ser calentados, sumando, en algunos casos, posibles aplicaciones pero sin salir de la escala de laboratorio.
Respecto a las propiedades dieléctricas, fundamentales para conocer el calentamiento ocupa un protagonismo secundario, eran nombradas y cuantificadas sin explicar cómo habían sido calculadas ni la variabilidad que pueden llegar a presentar.
Para encontrar trabajos que expliquen las propiedades dieléctricas en profundidad y el mecanismo dieléctrico siempre serán sin estudios o aplicaciones paralelas. Es decir, ensayos puramente dieléctricos.
Por ello, en el presente trabajo a parte de estudiar el estado del arte se intentará dar unas normativas para dar a conocer las propiedades dieléctricas con los distintos ensayos existentes, que ayude a conocer los calentamientos que experimentarán los materiales en función de su procedencia y fijar unos objetivos de producción bajo molienda que ayude a reducir los costes productivos en Arcelor-Mittal.
Por lo tanto, se puede definir como objetivos generales:
Para facilitar la compresión de los datos debido a la densidad y volumen de estudios realizados se estudiaran por separado los minerales de hierro y el coque, también serán nombrados otros campos de estudio que ayuden a fijar al lector en que punto se encuentra la tecnología y mostrarle el potencial de la misma.
Una vez fijada la forma de trabajar, el estado del arte ha de responder a las preguntas que fueron introducidas en el apartado anterior, en la siguiente imagen se muestra:
PROPIEDADES DIELÉCTRICAS DE LOS MATERIALES DEL SECTOR METALÚRGICO PARA SU POSTERIOR APLICACIÓN EN MICROONDAS.
Ilustración 1. Gráfica estados del arte.
Todos estos apartados serán contestados a lo largo del presente apartado del trabajo, el objetivo es que el lector adquiera una perspectiva del trabajo y en que punto se encuentra la investigación.
I. Punto de partida, ¿cuándo empezó?
El grueso de las propiedades dieléctricas es conocido desde hace bastante tiempo, si bien, en el objetivo de este trabajo es conocer las propiedades dieléctricas asociadas a un posterior calentamiento por microondas.
A mediados del siglo pasado se empezaron a ensayar distintos materiales en campos con un posible uso industrial (alimentación, tratamiento de residuos, etc).
Centrando la atención en la minería se empezaron a ensayar minerales de hierro, coque, menas del cobre y otros materiales. El objetivo era generar una base de datos de las propiedades dieléctricas. Desde muy temprano se observó la variabilidad de los resultados, por eso, siempre se hace referencia a un estado de la materia y temperatura para referirse a ellas. Paralelamente a las mediciones se mejoran las técnicas de medida, tanto con la implantación de nuevos ensayos como dispositivos de medida (esto será explicado más adelante). Así se fueron calculando las propiedades dieléctricas del grueso de los materiales y se mejoró el conocimiento de las mismas.
PROPIEDADES DIELÉCTRICAS DE LOS MATERIALES DEL SECTOR METALÚRGICO PARA SU POSTERIOR APLICACIÓN EN MICROONDAS.
Respecto al calentamiento bajo microondas, como ya se ha comentado, se empezó a escala laboratorio con hornos comerciales estudiando toda clase de materiales con posibles usos industriales, desde alimentos a minería. Siendo en la década de los ochenta del siglo pasado donde de verdad se produjo el punto de inflexión y se realizaron multitud de investigaciones. Se intentó crear una base de datos lo suficientemente amplia que ayudará a comprender los mecanismos de calentamiento.
III. Futuro, ¿cuál es el potencial?
El potencial es enorme, al menos sobre el papel, el verdadero reto es pasar de la escala laboratorio a un uso industrial de la tecnología. Cada campo se está centrando en el cálculo de las propiedades dieléctricas para su posterior irradiación bajo microondas, intentando fijar los tiempos de exposición y la frontera de rentabilidad. Ese es el verdadero reto. Así como fijar una correcta calibración de la frecuencia.
A continuación se profundizará en lo dicho hasta ahora.
Hay multitud de estudios relacionados con las propiedades dieléctricas de diversos materiales, hay estudio de cerámicos, “composites”, aleaciones etc. Dado que el volumen de investigación es muy elevado la base del trabajo se centraran en el estudio de las propiedades dieléctricas del coque/carbón y los minerales de hierro; a su vez también se documentará el calentamiento bajo irradiación de microondas los materiales mencionados.
I. Propiedades dieléctricas:
El estudio de las propiedades dieléctricas de los materiales no es nuevo.
La información existente es amplia y diversa por el futuro que ofrece la tecnología de calentamiento bajo microondas, basta con ir a internet y observar la cantidad de trabajos e investigaciones relacionados con las propiedades dieléctricas. Siempre a una temperatura fija y en un estado de la materia conocido (hay que tener claro este punto). Como se explicará más adelante las propiedades dieléctricas son variables y dependen fundamentalmente de la composición/forma del material, de la temperatura a la que se encuentre y por último, a la frecuencia con la que sea irradiado. Es decir, las propiedades dieléctricas tienen dos derivadas, una del material y otra ajeno a éste.
PROPIEDADES DIELÉCTRICAS DE LOS MATERIALES DEL SECTOR METALÚRGICO PARA SU POSTERIOR APLICACIÓN EN MICROONDAS.
Esta es la razón de porque las propiedades dieléctricas son difíciles de medir y sus valores fluctúan tanto. Esta es la razón porque en muchos de los documentos estudiados, aunque el campo de estudio y los materiales ensayados sean los mismos no suele haber coincidencias en las mediciones. Pequeñas variaciones (composición, impurezas, contenido en agua, temperatura, frecuencia etc) o una mala calibración de los ensayos son las responsables de estas no coincidencias.
Esto implica que para cada proceso sea hace necesario realizar previamente un ensayo que ayude a fijar las propiedades dieléctricas.
Como se explicará más adelante no es sencillo medirlas y se requiere un equipo especializado y una técnica complicada. Existen una serie de compañías especializadas en equipos de medida y ensayos que ayudan a comprender las propiedades dieléctricas y cual es su función.
Además se cree necesario realizar varias mediciones para realizar una nueve de dispersión que ayude a calcular una media con su desviación que ayude a “fijar” las propiedades dieléctricas del material en función de una temperatura y frecuencia.
II. Calentamiento por microondas:
Este apartado está mucho más documentado, sin embargo, está íntimamente relacionado con lo expuesto anteriormente. Normalmente los estudios realizados no se preocupan en profundizar en qué clase de dieléctrico es y cuanto de eficiente es un material al ser irradiado, en función de los calentamientos experimentados catalogan a los materiales. Se hace un ejercicio de ingeniería inversa, al calentar un material bajo una onda electromagnética se puede saber si éste es dieléctrico al ser capaz de absorber la onda electromagnética y producir un campo interno. También, y en función del tipo de calentamiento y la velocidad que experimenta éste se puede saber, no con exactitud, que constante dieléctrica^3 tiene (factor de pérdida) fundamental en este campo de estudio.
El calentamiento también dependen de la microestructura del material, será explicado más adelante.
(^3) Propiedad dieléctrica de los materiales dependiente del campo eléctrico de una onda electromagnética. Se explicará más en profundidad en otros apartados.
PROPIEDADES DIELÉCTRICAS DE LOS MATERIALES DEL SECTOR METALÚRGICO PARA SU POSTERIOR APLICACIÓN EN MICROONDAS.
Un artículo que puede ayudar al lector comprender la profundidad del uso de microondas y las posibles aplicaciones es “Microwave heating applications in environmental engineering”, [ D.A. Jones, T.P. Lelyveld, S.D. Mavrofidis, S.W. Kingman, N.J. Miles, 2001 ].
La mayoría de los estudios se centran en el calentamiento por microondas y sus posibles aplicaciones tras el tratamiento y siempre a escala de laboratorio con ciertos parámetros fijos.
A continuación se muestran algunos campos de estudio:
a. Recuperación de suelos contaminados. b. Regeneración de carbones activados. c. GAC. d. Tratamientos de residuos. e. Tratamientos de alimentos. f. Secado. g. Molienda asistida por microondas.
Siendo el último punto el de interés dentro de Arcelor-Mittal.Las menas de hierro con mayor peso en los ensayos fueron:
Algunas menas de otros minerales pero con contenido en Fe también fuero ensayadas como el caso de calcopirita [ S.W. Kingman, K. Jackson, A. Cumbane, R. Greenwood, S.M. Bradshaw,N.A. Rowson, 2001 ]. Aunque los estudios no sólo se centraron en los minerales con contenido en hierro.
Respecto al coque, fue estudiado antes y después de la coquitización carbones de varias minas distribuidas por el mundo [ B.K. Sahoo, B.C. Meikap, 2011 ].
I. Propiedades dieléctricas:
Existen pocos estudios que se centren exclusivamente en el conocimiento de las propiedades dieléctricas bajo frecuencias de microondas. Como se ha comentado previamente, normalmente,
PROPIEDADES DIELÉCTRICAS DE LOS MATERIALES DEL SECTOR METALÚRGICO PARA SU POSTERIOR APLICACIÓN EN MICROONDAS.
son estudios que se apoyan paralelamente y como complemento a los ensayos bajo microondas. Además no hay mención sobre como se han calculado, es decir, no profundizan en los ensayos o técnicas utilizadas se limitan a describir las propiedades con fórmulas [ Hua-Min Li, Chang-Ho Ra, Gang Zhang and Won Jong Yoo, 2008 ], simplemente son nombradas.
A continuación se enumeran las principales mediciones.
De todos los puntos expuestos el factor de pérdida y la constante dieléctricas fueron las más documentadas ya que describe a la perfección las propiedades dieléctricas (calentamiento por microondas). Aunque existen estudios que profundizaron más en el comportamiento dieléctrico [ David E. Clark, Diane C.Folz, Jon A.West, 2000 ], [Michal Lovás, Ingrid Znamenáčková, Anton Zubrik, Milota Kováčová y Silvia Dolinská, 2011] o el estudio “ Dielectric, electrical and infrared studies of g-Fe2O3 prepared by combustion metho” entre otros estudios. Es importante comprender el tiempo de relajación y el momento polar, todos los estudios que acaban de ser nombrados lo explican.
II. Calentamiento bajo microondas:
Todos los estudios están centrados en un aspecto, calentar el material para que este calentamiento favorezca los posteriores usos industriales.
Es importante fijar la exposición a la onda electromagnética, un tratamiento excesivo puede disparar los costes y dañar el material, en cambio, un tratamiento pobre puede llegar a no ser efectivo. Por eso, la mayoría de los estudios están centrados en los tiempos de exposición (cíclicos con intervalos de descanso o continuos). Se ha demostrado que es mejor un tratamiento cíclico y con descanso [ Cristina Leonalli, Timothy J. Mason, 2010 ] o [ S.M. Javad Koleini y Kianoush Barani, 2005 ].
Otro factor interesante de resaltar es el tipo de frecuencia con la que son irradiados los materiales. No es muy difícil imaginar que cuando menor sea la longitud de onda mayor será el aporte de energía de ésta al material, se demostró que para un calentamiento más rápido es
(^4) Propiedad dieléctrica que depende del campo magnético de la onda electromagnética. (^5) Frecuencia de pérdida máxima.
