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Problema Aluminotermia del Fe. 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
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Problema Aluminotermia del Fe • 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.
Problema Aluminotermia del Fe 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 E.T.S.I.M.O.
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.
Problema Aluminotermia del Fe 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 (sl): 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 (sl): 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 Laboratorio de Metalotecnia E.T.S.I.M.O.
Problema Aluminotermia del Fe • 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). Laboratorio de Metalotecnia E.T.S.I.M.O.
Problema Aluminotermia del Fe - 120 Kcal/mol O2 - 253 Kcal/mol O2 Ciencia e Ingeniería de Materiales Prof. José Antonio Pero-Sanz Elorz Laboratorio de Metalotecnia E.T.S.I.M.O.
Aluminotermia del Fe Soldadura aluminotérmica de carriles Laboratorio de Metalotecnia E.T.S.I.M.O.
