La fabricación de espumas de aluminio de poro cerrado mediante técnicas pulvimetalúrgias, conlleva una etapa de calentamiento del material (precursor) hasta su fusión y la formación de la espuma. En el presente trabajo, como continuación de los trabajos con energía solar concentrada aplicada directamente a la espumación de precursores Al10Si+0.8%TiH2, se han sometido al tratamiento de espumación en un horno solar de lecho fluidificado con el objetivo de obtener un tratamiento en volumen más homogéneo y uniforme, de manera que se puedan determinar la viabilidad del tratamiento, el procedimiento y los tiempos de residencia necesarios para llevar a cabo este proceso de manera discontinua o preindustrial. Así se han obtenido espumas 0,68 g/cm3 de densidad sin colapso de poros o decantación de aluminio, si bien como consecuencia del calentamiento preferencial por la base del molde, las espumas obtenidas presentan un tamaño de poro ligeramente más grande en la base de la espuma

Cañadas, I.

Diaz, J.J.

García Cambronero, Luis Enrique

Martinez, D.

Ruiz Román, Jose Manuel

Archivo Digital UPM

Tratamiento térmico de espumación de precursores de aluminio-silicio en horno solar de lecho fluidificado

Servicio de Coordinación de Bibliotecas de la Universidad Politécnica de Madrid

TRATAMIENTO TÉRMICO DE ESPUMACIÓN DE PRECURSORES DE ALUMINIO-SILICIO 
EN HORNO SOLAR DE LECHO FLUIDIFICADO 
 
 L.E. García Cambronero1, I. Cañadas2, J.J. Diaz1, JM Ruiz Román1, D. Martinez2 
 
1Universidad Politécnica de Madrid, ETSI Minas Ríos Rosas 21, 28003 Madrid. luis.gcambronero@upm.es 
2PSA-CIEMAT , Apdo. 22, Tabernas 04200, Almería.  
 
 
 
 
Resumen: La fabricación de espumas de aluminio de poro cerrado mediante técnicas pulvimetalúrgias, conlleva una 
etapa de calentamiento del material (precursor) hasta su fusión y la formación de la espuma. En el presente trabajo, 
como continuación de los trabajos con energía solar concentrada aplicada directamente a la espumación de precursores 
Al10Si+0.8%TiH2, se han sometido al tratamiento de espumación en un horno solar de lecho fluidificado con el 
objetivo de obtener un tratamiento en volumen más homogéneo y uniforme, de manera que se puedan determinar la 
viabilidad del tratamiento, el procedimiento y los tiempos de residencia necesarios para llevar a cabo este proceso de 
manera discontinua o preindustrial. Así se han obtenido espumas 0,68 g/cm3 de densidad sin colapso de poros o 
decantación de aluminio, si bien como consecuencia del calentamiento preferencial por la base del molde, las espumas 
obtenidas presentan un tamaño de poro ligeramente más grande en la base de la espuma. 
 
 
1.- INTRODUCCION. 
La obtención de espumas de aluminio a partir de 
precursores obtenidos mediante la vía de fusión o la vía 
Pulvimetalurgica requiere su calentamiento a 
temperaturas superiores a la del aluminio para que la 
descomposición del agente espumante dispersado en la 
matriz del precursor, genere el gas que permite la 
espumación del aluminio fundido [1]. Este tratamiento 
se realiza en hornos convencionales que limitan el 
tamaño de la espuma, la velocidad de calentamiento, la 
dimensión del precursor, etc. Por el contrario, la 
aplicación de la energía solar concentrada permite 
aplicar densidades de flujo de  hasta 1000 W/cm2 [2] 
sobre el material. En el en el Horno Solar de la PSA se 
alcanzan densidades de flujo de hasta 300w/cm2, 
aplicables directamente sobre el material a tratar o bien 
sobre un material absorbedor sobre el que se produzca 
la transferencia térmica a un fluido portador. Así se ha 
conseguido espumar en molde cerrado aleaciones 
comerciales AlSi12+TiH2 [3] aplicando esta energía 
solar concentrada. Con este sistema se  logra una 
espumación localizada y principalmente unidireccional. 
También con la energía solar concentrada, se han 
obtenido espumas con mármol, o con carbonato cálcico 
sintético (CaCO3) como agente espumante [4]. 
 
En el presente trabajo, como continuación de los 
trabajos con energía solar concentrada aplicada 
directamente a la espumación de precursores Al10Si, se 
han sometido a estos precursores al tratamiento térmico 
de espumación en un horno de lecho fluidificado solar 
para aplicar un tratamiento en volumen más homogéneo 
y uniforme, de manera que se puedan determinar las 
condiciones del tratamiento y el procedimiento 
necesario para llevar a cabo este proceso. El horno 
realiza el calentamiento de la arena silícea que 
constituye el lecho, mediante el intercambio a través de 
las paredes del lecho que ha sido calentado por 
transferencia térmica en el módulo absorbedor de Si-
CSi, sobre el que incide la radiación solar concentrada, 
y a su vez, la fluidización del lecho se produce mediante 
un gas presurizado que es precalentado en un 
intercambiador mediante aire calentado con el exhausto 
procedente del absorbedor y que ha calentado 
previamente las paredes exteriores del lecho [5]. Con 
anterioridad el calentamiento de lechos con SiC o ZrO2 
se ha realizado de forma directa con radiación solar 
concentrada [6]. En general este tipo de hornos de lecho 
fluidificado se destinan a una función de reactores para 
aplicaciones termoquímicas como reducción, 
descomposición o gasificación de materiales mediante 
energía solar directa, en lugar de un precalentamiento 
del lecho con aire precalentado como el horno empleado 
en el presente trabajo. 
 
 
Figura 1. Pesos de los moldes (peso del molde 
cilíndrico: 63,41g) 
 
2.- PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL. 
2.1 Materiales. 
El precursor comercial de aluminio empleado 
corresponde a la aleación AlSi10 con un 0,8% de agente 
espumante (TiH2) y una densidad de 2,63 g/cm3. El 
material es suministrado en barras extruidas en caliente 
de 10mm de diámetro que son cortados en probetas de 
trozos de 6cm de altura para su espumación en molde 
cerrado. 
 
El molde empleado para espumas es de acero inoxidable 
con unas dimensiones de 60mm del alto y 20mm de 
diámetro interior. El mismo esta cerrado por dos tapas 
[3,4] para conocer la influencia de la masa del molde 
sobre el calentamiento del precursor. Así se utilizo un 
segundo molde con solo dos espárragos de cierre y un 
tercer molde de mayor peso y con mayor numero de 
espárragos de cierre (Figura 1). 
 
El molde lleva incorporado un termopar la parte 
superior del mismo y en el caso de los moldes 2 y 3 
también en su parte inferior. La temperatura que alcanza 
en su parte superior es la empleada para controlar el 
tiempo de permanencia en el horno. La operación de 
introducción del molde en el horno conduce a un ligero 
enfriamiento del lecho, si bien esta pérdida de 
temperatura del lecho depende de la masa del molde y 
de la velocidad de introducción del molde, alcanzándose  
perdidas inferiores a los 10ºC durante menos de 10s, 
cuando se introduce dentro del lecho. 
 
 
Figura 2. Curva de calentamiento del horno de lecho 
fluidizado 
 
2.2 Tratamiento de espumación.
El molde con el precursor es introducido verticalmente 
en el horno, que permanece abierto durante el ensayo. 
Entre las dos posibilidades para la realización de los 
ensayos: dentro o fuera de la arena del lecho, se optó 
por la segunda debido a la elevada transferencia térmica 
que se produce en el interior de la arena del lecho y la 
dificultad de controlar el proceso de espumación debido 
a la rapidez con la que se desarrolla en los precursores 
empleados. Así los ensayos se realizaron sobre la 
superficie de la arena del lecho, es decir, mediante el 
aire calentado homogéneamente en el interior del 
reactor y situando la probeta sobre la superficie del 
lecho, de manera que, al producirse la transferencia de 
calor únicamente por convección del aire, se facilitaba 
el control de la temperatura a la que producía el 
tratamiento. En estas condiciones el lecho fluidificado 
actúa durante el tratamiento de espumación como masa 
térmica que asegure una uniformidad de la temperatura 
del aire con el que se calienta el molde [5]. El 
calentamiento del lecho de arena es a través de aire 
precalentado a una temperatura entre 650ºC-750ºC. Para 
ello el horno inicia su calentamiento cerca de dos horas 
antes del ensayo, según la curva de calentamiento de la 
figura 2. El volumen de la cámara cilíndrica del horno 
es de 1,20cm alto x 160mm de diámetro interior [5]. Las 
temperaturas en el mismo corresponden a la del aire 
procedente del absorvedor volumétrico (Taire 
precalentado), la del aire en el interior del lecho de 
arena y la temperatura en la zona de ensayo (por encima 
del lecho fluidificado). Estas dos últimas presentan 
valores muy próximos durante el ensayo, si bien unos 
elevados tiempos de apertura del horno cuando el molde 
se introduce en la arena, dan lugar a una disminución de 
unos 20ºC en la temperatura del lecho.  
 
El tiempo total de tratamiento térmico de espumación 
(de 2 a 5 minutos) comprende la introducción en el 
horno del molde, la permanencia del mismo y su rápida 
extracción del horno. Posteriormente el molde es 
enfriado con anillo refrigerado con agua hasta la 
temperatura ambiente.  
 
2.3 Propiedades de las espumas.
Se determino la densidad mediante la norma ISO 2738 
de la espuma extraída del molde metálico, así como de 
la estructura de celdas o poros a lo largo del corte 
longitudinal de la misma. Así mismo sobre la sección de 
la espuma, se determino en la parte superior, en la zona 
central y en la base de la espuma la conductividad 
mediante corrientes inducidas. Estas propiedades 
permiten correlacionar las condiciones de espumación 
con la estructura de la espuma, y los defectos que se 
presentan: colapso de celdas, decantación de aluminio o 
baja temperatura/tiempo de espumación 
 
 
Figura 3. Evolución de la espuma en molde cerrado y 
horno precalentado. 
 
3.- RESULTADOS. 
La formación de espumas en función de las condiciones 
del calentamiento ha conducido a diversos grados de 
espumación en los precursores (Figura 3), desde una 
escasa espumación al no alcanzarse la temperatura de 
fusión del aluminio, hasta una sobre espumación de la 
espuma formada. En todos los casos la espumación en 
molde cerrado utilizando un horno precalentado 
(eléctrico o de lecho fluidificado) sigue el desarrollo de 
la figura 4.  
 
 
Figura 4. Esquema de la espumación (dcha.): 
Inicialmente a t1, el calentamiento es por ambos lados 
del precursor. 
 
Así el calentamiento del precursor se realiza (Figura 4) 
a través del molde, cuya temperatura  depende de 
variables como su masa, la temperatura del lecho, el 
tiempo de permanencia en el mismo, la superficie de 
contacto con la arena, o la posición del molde. La 
introducción del molde en la superficie del lecho de 
arena, conduce a un elevado calentamiento inicial: 
100ºC/s (25 a 500ºC), muy superior al empleado [3] en 
horno eléctrico precalentado a 750ºC (2,8ºC de 25 a 
500ºC) o en calentamiento directo con energía solar 
concentrada (6ºC/s entre 25 y 500ºC). La acción de 
“pantalla” que realiza la base inferior del molde al flujo 
de aire que circula en el interior del horno fluidizado 
solar, conduce a que el termopar situado en la parte 
superior registre una temperatura más elevada que en el 
termopar de la base especialmente en el molde de mayor 
peso (Figura 5, molde 2). Este termopar si registra la 
reducción de temperatura por la fusión del precursor  
(Tf, figura 5) y el inicio de la espumación. Cuando la 
base triangular se sustituye por una rectangular del 
mismo ancho que el diámetro del molde, no se da una 
diferencia tan elevada entre las temperaturas superior e 
inferior del molde. (Figura 5),  la gran superficie de 
contacto molde-arena o molde-aire igualan rápidamente 
la temperatura del molde.  
 
 
Figura 5. Curvas de calentamiento de los moldes 2 y 3 
con dos termopares, y estructura de la espuma obtenida 
con densidades de 0,69 g/cm3 con el molde 2 y 
0,66g/cm3 con el molde 3. 
 
La velocidad de enfriamiento es superior a los 10ºC/s 
entre 700ºC y 550ºC. El posterior enfriamiento con un 
anillo refrigerado por agua conduce a mayores 
velocidades: 18ºC/min.  (550-350ºC) para el molde mas 
ligero (Figura 5, molde 3) y de 12ºC/s y 22ºC/s para el 
molde de mayor peso (Figura 5, molde 2). 
 
Tabla 1. Densidad de las espumas en función de las 
condiciones de calentamiento con el molde 1. 
Densidadg/cm3 0,44 0,46 0,68 0,78 1,18 
Tiempo, 
min:seg 
5’: 
21’’ 
4’: 
45’’ 
4’: 
30’’ 
3’: 
20’’ 
4’: 
45’’ 
T molde  677 676 670 684 671 
Taire 716 726 724 741 734 
Tarena 728 731 730 754 753 
 
Tabla 2. Densidad de las espumas en función de las 
condiciones de calentamiento con el molde 3. 
Densidad g/cm3 0,66 1,35 1,9 
Tiempo, min:seg 3’ 2’30’’ 2’10’’ 
T molde  678 690 685 
Taire 699 696 696 
Tarena 704 701 700 
 
La sección de las espumas obtenidas (Figura 3), muestra 
el desarrollo de la estructura a lo largo del precursor 
total o parcialmente espumado (Figuras 5 y 6). La 
densidad alcanzada en las espumas es función de las 
condiciones de calentamiento (Tabla 1 y 2). Entre las 
mismas se encuentra la masa del molde y la forma del 
mismo. Así, la mayor velocidad de calentamiento del 
molde 3 hasta alcanzar los 670ºC, respecto del molde 1 
(que alcanza los 678ºC), conduce a una densidad en la 
espuma de 0,66g/cm3, en tres minutos en lugar de los 
cuatro minutos y medio (tabla 1y 2). También se precisa 
tres minutos para alcanzar una espuma de 0.69 g/cm3 de 
densidad con el molde nº2 (Figura 5) si bien se requiere 
una temperatura superior: 702ºC (Figura 5, molde 2) y 
aun así la espumación no es completa al no rellenarse el 
molde. 
 
 
 
Figura 6. Estructura de las espumas obtenidas con el 
molde 1 (izq.) y el 3 (dcha.) cuyas densidades 
corresponden a las de la tabla1. 
 
Una vez que se alcanzan las condiciones óptimas de 
espumación, si se mantiene el molde en el horno, se 
produce una sobrespumación: la estructura de la espuma 
se colapsa mediante el mecanismo de coalescencia de 
poros. Sin embargo, no se produce una decantación del 
aluminio, aunque si se produce un derrame del mismo 
fuera del molde con pérdidas del 42,3% y 32,8% en 
peso para las espumas de 0.44 g/cm3 y 0.46g/cm3 
respectivamente. 
 
1.18 1.23 1.35 1.9
Densidad, g/cm3
0
5
10
15
20
Conductividad, Ms/m
Parte Superior
Centro
Base
    
Figura 7. Variación de la conductividad a lo largo del 
precursor parcialmente espumado. 
 
El seguimiento del grado de espumación a lo largo del 
precursor (Figura 7) o de la espuma (Figura 8) se puede 
realizar a través de los valores de su conductividad 
eléctrica, dado que en la espuma esta propiedad 
depende, como otras propiedades, de la densidad 
relativa alcanzada; ρ/ρο, siendo ρ la densidad de la 
espuma y ρο la del material denso. De forma general 
esta relación se establece a través de la expresión: 
 
ρρσ
ραρασ
000
)1( −+=      (1),  con α= 0.33 a 0.05 
 
En esta expresión (1) si no hay espumación, es decir 
para el precursor, ρ/ρο=1, la conductividad relativa 
σ/σο=1, es decir la conductividad del precursor. Por lo 
tanto las zonas menos espumadas, presentan una mayor 
conductividad (Figura 7) al variar poco su densidad. Así 
mismo se observa que una baja conductividad en la base 
de la espuma obedece a que es por donde se inicia la 
espumación del precursor (Figura 8), para progresar al 
resto del mismo, dado que la deformación del mismo al 
calentarse inicialmente, elimina su contacto con la tapa 
superior del molde y con ello su calentamiento es por su 
base (Figura 4). 
 
0.78 0.68 0.66
Densidad, g/cm3
0
1
2
3
4
5
6
7
Conductividad, Ms/m
Parte Superior
Centro
Base
aumento del grado de 
espumacion
 
Figura 8. Variación de la conductividad a lo largo de la 
espuma. 
 
4.- CONCLUSIONES. 
Las características del horno de lecho fluidificado 
permite alcanzar un calentamiento más rápido que en 
horno eléctrico precalentado, así como una mayor 
transmisión de calor del aire al molde permite que la 
espumación se alcance a menores temperaturas: 670-
700ºC, en lugar de lo 750ºC de un horno precalentado. 
También se podría espumar a temperaturas inferiores a 
los 670ºC  con la introducción del molde en el lecho 
dada la mayor transferencia de calor entre el molde y el 
lecho que con el aire precalentado en la parte superior 
del lecho.  
 
El diseño del molde influye en la velocidad de 
calentamiento, dado que se da un fenómeno de 
sobrecalentamiento de la parte inferior del molde por la 
interacción con el aire caliente de la tapa inferior del 
molde al flujo de aire. Como cabe esperar el contacto 
del precursor situado verticalmente con el molde se 
mantiene durante todo el calentamiento a través de su 
base, por lo que la espumación del precursor comienza 
por su parte inferior. La elevada velocidad de 
calentamiento del precursor y de enfriamiento de la 
espuma impide la decantación del aluminio, aunque no 
la coalescencia de poros o el derrame del aluminio 
fundido fuera del molde. 
 
5.- REFERENCIAS. 
[1] Cambronero, LEG, Ranninger,C. Int. Conf. On 
Cellular Metals. Ed. Verlag MIT 175-180, 2003. 
 
[2] Cañadas, I., Martínez, D.,Rodríguez, J., Gallardo, 
JM. Rev. Metal. Madrid, vol. extr.165-169, 2005. 
 
[3] Cambronero, LEG, Ruiz-Román, J.M., Cañadas, 
I.,Corpas, F.A., Martínez, D. Characterization of 
aluminium foams obtained through solar energy 
foaming treatment PM 2004 Word Congress 17-21 
October, Viena, 83-87. 2004. 
 
[4] Cambronero, LEG, Ruiz-Román,JM, Cañadas, I, 
Martínez, D.. Características de la estructura celular 
en espumas de Al-7Si con mármol obtenidas 
mediante energía solar concentrada. IX Cong.Nac 
Materiales. V- Vigo 2004. 
 
[5] Cañadas, I.; Martínez-Plaza, D.; Rodríguez, J.; 
Fernández-González, B.J.;Vázquez Vaamonde, A.J.  
Indirectly heated fluidized bed for materials 
processing with concentrated solar energy-I. 
Aceptado por la revista Solar energy 
. 
[6] Flamant,G., Olalde G., High temperature solar gas 
heating comparison between packed and fluidized bed 
receivers-I Solar Energy, 31, 5, 463-471, 1983. 
 
6.- AGRADECIMIENTOS. 
Los autores desean agradecer a la CICYT por su 
financiación a través del proyecto MAT 2006-13347-
CO3-02,  al Ministerio de Educación y Ciencia a través de 
los proyectos REN2003-09247-C04-01/TECNO y 
ENE2006-13267-C05-01/ALT, dentro del Plan 
Nacional de Investigación Científica, Desarrollo e 
Innovación Tecnológica, y a la Convocatoria de 
infraestructuras técnicas y científicas 2003-2004 
(FEDER CIEM-E008), dentro de los cuales se ha 
desarrollado el reactor utilizado para este estudio. Asi 
mismo los autores desean agradecer  a la Plataforma 
Solar de Almería-CIEMAT por la realización de los 
ensayos. 


http://oa.upm.es/4342/1/INVE_MEM_2008_59929.pdf

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