Problema Aluminotermia del Fe Laboratorio de Metalotecnia La reducción aluminotérmica del FeO constituye una alternativa para realizar la soldadura en piezas de acero cuando no se puede disponer de energía eléctrica. Calcular: El calor liberado por la reacción en kJ/Kg de Fe La temperatura máxima que puede alcanzarse suponiendo que el proceso es totalmente adiabático y no se disipa calor al entorno. Si la temperatura que realmente se alcanza en el cordón de soldadura es de 2100 ºC, calcular el porcentaje de energía disponible que ha sido disipado por radiación, convección y conducción. Dentro de qué categoría de soldaduras se pueden encuadrar los procesos aluminotérmicos. Datos: Al (27); Fe (55,85); O (16);  Alúmina (l)  3,5 g/cm3;  Hierro (l)  7 g/cm3 Calor específico medio del Fe (sólido) = 38,80 J/átomo-g.K Calor específico medio del Fe (líquido) = 46,02 J/átomo-g.K Calor específico medio del Al (sólido) = 28,33 J/átomo-g.K Calor específico medio del Al (líquido) = 31,75 J/átomo-g.K Calor específico medio del Al2O3 (sólido) = 125,75 J/mol Al2O3 K Calor específico medio del Al2O3 (líquido) = 144,0 J/mol Al2O3 K Calor específico medio del FeO (sólido) = 56,33 J/mol FeO K Calor de fusión del Fe a 1536 ºC = 13807 J/átomo-g. Calor de fusión del Al a 600 ºC = 10711 J/átomo-g. Calor de fusión del Al2O3 a 2054 ºC = 25551 J/mol Al2O3. Entalpía de formación del FeO a 25 ºC = – 268,6 kJ/mol FeO Entalpía de formación del Al2O3 a 25 ºC = – 1675,5 kJ/mol Al2O3 Laboratorio de Metalotecnia E.T.S.I.M.O.

Laboratorio de Metalotecnia Que es la reacción de partida Problema Aluminotermia del Fe Laboratorio de Metalotecnia E.T.S.I.M.O. 2 Fe + O2  2 FeO + G0 (FeO) (A) 4/3 Al + O2  2/3 Al2O3 + G0 (Al2O3) (B) (B – A): 4/3 Al + 2 FeO  2/3 Al2O3 + 2 Fe + G0 (Al2O3) – G0 (FeO) [3/2 (B – A)]: 2 Al + 3 FeO  Al2O3 + 3 Fe + 3/2 [G0 (Al2O3) – G0 (FeO)] Que es la reacción de partida

Laboratorio de Metalotecnia Problema Aluminotermia del Fe Proceso aluminotérmico 3 FeO (s) + 2 Al (s)  Al2O3 (s) + 3 Fe (s) + Calor Datos: Calor liberado por Kg de Fe: G (25) = 1675,5 – 3 . 268,6  869,7 KJ/3 moles Fe Laboratorio de Metalotecnia E.T.S.I.M.O.

Laboratorio de Metalotecnia  Temperatura máxima que pueden alcanzar los productos de la reacción (condiciones adiabáticas; no existen pérdidas de calor). Fe: – Calor específico Fe (S): 3 . 38,80 (1536 – 25) = 175880 J – Calor latente Fe (sl): 3 . 13807 = 41421 J – Calor latente Fe (l): 3 (T – 1536) . 46,02 = (138 T – 212060) J TOTAL (Fe)………… (138 T + 5241) J Al2O3: – Calor específico Al2O3 (S): 125,75 (2054 – 25) = 255147 J – Calor latente Al2O3 (sl): 25551 = 25551 J – Calor latente Al2O3 (l): 144 (T – 2054) = (144 T – 295776) J TOTAL (Al2O3)…… (144 T – 15078) J TOTAL PRODUCTOS……. (282 T – 9837) J Todo el calor de la reacción se invierte en calentar los productos Al2O3 y Fe. 869700 = 282 T – 9837 869700 + 9837 879537 T (ºC) = = = 3119 ºC 282 282 Problema Aluminotermia del Fe Laboratorio de Metalotecnia E.T.S.I.M.O.

Laboratorio de Metalotecnia Problema Aluminotermia del Fe Laboratorio de Metalotecnia E.T.S.I.M.O. Si la temperatura alcanzada fuera 2100 ºC, ¿cuáles serían las pérdidas en el proceso aluminotérmico?. 869700 J = 282 . 2100 – 9837 + Q (pérdidas) Q = 869700 + 9837 – 592200 = 287337 J 287337 Pérdidas = = 0,33 (33 %) 869700 En la práctica industrial el Fe fundido (véase figura adjunta, soldadura aluminotérmica de carriles) se encuentra a temperatura superior a 2100 ºC; por lo que resulta factible en el crisol la separación por densidad de la alúmina fundida (3, 5 g/cm3) y del hierro líquido (7 g/cm3).

Problema Aluminotermia del Fe - 253 Kcal/mol O2 - 120 Kcal/mol O2 Laboratorio de Metalotecnia E.T.S.I.M.O. Ciencia e Ingeniería de Materiales Prof. José Antonio Pero-Sanz Elorz

Laboratorio de Metalotecnia Aluminotermia del Fe Soldadura aluminotérmica de carriles Laboratorio de Metalotecnia E.T.S.I.M.O.