Aluminotermia

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO

FACULTAD DE QUÍMICA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA METALÚRGICA

PRACTICA: ALUMINOTERMIA

NOMBRE: LÓPEZ TOVAR DULCE ESTRELLA

FECHA DE ENTREGA: 24-Nov-2010

Aluminotermia Objetivos  Obtener hierro metálico a partir de uno se sus óxidos con ayuda de aluminio en

polvo (catalizador) mediante un calentamiento adiabático de flama.  Estimar o predecir si es capaz, a partir de su espontaneidad, de reducir a algún otro óxido.

Introducción La aluminotermia es una técnica para obtener un metal con elevada pureza mediante reducción de un compuesto suyo, generalmente un óxido, con empleo de aluminio finamente dividido y consiguiente aumento de temperatura. La acción reductora del Aluminio sobre los óxidos de otros metales se debe a que el calor de formación del Óxido de Aluminio es mucho mayor que el de la mayoría de los demás óxidos metálicos, referidos a la misma cantidad de oxígeno. A este proceso se le denomina Aluminotermia (segunda definición) y basta con vencer la barrera energética de la energía de activación para que se desarrolle por sí sola; además, es aplicable para la obtención de numerosos metales a partir de sus óxidos. El agente reductor (Aluminio), al formar su oxido debe tener una energía de formación mas baja que la de los óxidos a reducir. La escoria ( Al2 O3), debe tener menos densidad que la del metal liquido, como en el caso del acero. Las reacciones Típicas son: 3Fe3 O4 + 8Al ---------- 9Fe + 4Al2 O3 + CALOR H 3Fe O + 2Al ---------- 3Fe + Al2 O3 + CALOR H Fe2 O3 + 2Al ---------- 2Fe + Al2 O3 + CALOR H 3Cu O + 2Al --------- 3Cu + Al2 O3 + CALOR H 3Cu2 O + 2Al --------- 6Cu + Al2 O3 + CALOR H = 1060 KJOULE

= = = =

3350 880 850 1210

KJOULE KJOULE KJOULE KJOULE

+ +

CALOR CALOR

También pueden utilizarse las siguientes reacciones 3Mg O + 2Al --------3Mg 3Si O2 + 4Al --------3Si 3Ca O + 2Al --------- 3Ca + Al2 O3 + CALOR

+ +

Al2 2Al2

O3 O3

Pero se han encontrado limitaciones en cuanto al Magnesio y el Calcio en la practica. El silicio en cambio se emplea en mezclas de termita para Tratamientos Térmicos, pero casi nunca para soldar. La primer reacción de las expuesta, que es de hecho la mas común responde a las siguiente proporción, para preparar la mezcla aluminio Oxido. La temperatura teórica de esta reacción es de 3100 ºC. La adición de constituyentes No Reactivos, así como la perdida de calor por conducción y radiación, reduciendo así la temperatura a unos 2480 ºC. Esta temperatura es cercana a la máxima tolerable, ya que el aluminio se vaporiza a los 2500 ºC. Por otro lado, la temperatura máxima no debe ser mucho más baja, ya que la escoria de Aluminio (Al2 O3) solidifica a los 2040ºC. La reacción funciona mucho mas eficazmente cuanto mayor es el volumen de mezcla. Vale aclarar que es posible agregar elementos de aleación al compuesto de termita en forma de ferroaleaciones compatibles con la química de la pieza a soldar. Se utilizan por ejemplo aleaciones para aumentar la fluidez y disminuir la temperatura de solidificación de la escoria. La acción reductora del Aluminio sobre los óxidos de otros metales, cuando la reacción se inicia en un punto, se desarrolla por sí sola, debido a que el calor de formación del Óxido de Aluminio es mucho mayor que el de la mayoría de los demás óxidos metálicos, referidos a la misma cantidad de oxígeno. A este proceso se le denomina Aluminotermia y es aplicable a la obtención de numerosos metales a partir de sus óxidos. Todos ellos deben tener un calor de formación menor que el del Óxido de Aluminio. Se desprenden 393.6 kilocalorías. Esta gran cantidad de calor desprendida produce una elevación de la temperatura a cerca de 3000º C, ya que ninguno de los productos de la reacción es gaseoso. A temperatura tan elevada no solo se funde el metal que se forma y que por su mayor densidad se reúne en el fondo, sino que también es capaz de fundir el óxido de aluminio formado y que se reúne en la superficie del metal, por su menor densidad, constituyendo una capa protectora. A la mezcla del óxido metálico con el aluminio se le da el nombre de termita. Estas termitas solo reaccionan cuando un punto de la mezcla se calienta a una temperatura elevada mediante un cebo o fulminante. Una vez iniciada la reacción en un punto, el calor desprendido es suficiente para propagar la reacción a toda la masa de la termita. La propagación tiene lugar con una velocidad intermedia entre las reacciones explosivas y las reacciones ordinarias. Semejante tipo de reacciones recibe el nombre de reacciones de cebo.

Como cebo ser puede utilizar la llama de la cinta de magnesio, que reacciona vivamente con el peróxido de bario. La ventaja de este procedimiento, a pesar de ser caro por el empleo del Aluminio, estriba en que los metales resultantes quedan totalmente exentos de carbón, y es sabido que pequeñas cantidades de carbón en los metales o sus aleaciones les hacen perder sus mejores cualidades. Material Equipo de seguridad (careta, guantes y pinzas)        

Una placa de acero Una carga para soldadura Óxido de Hierro(Magnetita) Aluminio en polvo Crisol de carbón Cinta de magnesio Un tanque de propileno Encendedor

Procedimiento 1. El crisol fue precalentado con la flama del tanque de propileno 2. Colocamos dentro del crisol de carbón la carga, tomando en cuenta que antes había que colocar una pequeña placa de acero que provocó que el material fundido fluyerá hacia abajo sin que el crisol se desgastará. 3. Dirigie la flama del tanque hacia dentro del crisol; el cual previamente había sido fijado sobre la placa de acero. 4. El alambre de cobre fue colocado de tal manera que quedó justo por donde iba a salir el metal fundido de la carga, entre el crisol y la placa de acero.

Resultados No se logró determinar la Temperatura del proceso, pero se estimó un alcance de 1500 a 1700 °C aproximadamente. La flama del tanque de propileno solo ayudó a dar inicio a la reacción de interés, es decir, solo para superar la barrera que supone la energía de activación de esa reacción, a pesar de que la flama ya no estaba dirigida hacia el crisol, dentro de este seguía ocurriendo la reacción la cual se comprueba que en realidad era altamente exotérmica. Al terminar el proceso obtuvimos una pieza metálica al fondo del crisol la cual estaba formada de hierro metálico soldado al óxido de aluminio formado.

Estas piezas metálicas fueron sometidas a análisis de microscopia de barrido electrónico, las fotografías obtenidas de dicho estudio fueron las siguientes:

Imagen 1.- Fotografía obtenida por microscopia de barrido electrónico, la imagen muestra al hierro obtenido por aluminotermia a un aumento de 100 x.

Imagen 2.- Fotografía obtenida por microscopia de barrido electrónico, la imagen muestra al hierro obtenido por aluminotermia a un aumento de 200 x.

Imagen 3.- Fotografía obtenida por microscopia de barrido electrónico, la imagen muestra al hierro obtenido por aluminotermia a un aumento de 390 x.

Imagen 4.- Diagrama de Ellingham para diferentes óxidos en donde podemos observar que el equilibrio del óxido de aluminio (Al2O3) es mucho más estable que el óxido de hierro,

esto quiere decir que el óxido de hierro en presencia de aluminio se reducirá a hierro metálico y el aluminio se oxidará. Análisis de resultados Las fotografías obtenidas por MEB muestran imágenes qde hierro reducido a partir de la aluminotermia, estas imágenes comprueban la teoría sobre la reducción de la hematita y la oxidación del aluminio de manera relativamente sencilla. El que se haya liberado tanta energía dentro del crisol se debió a la oxidación del aluminio “puro”, esta reacción la cual, como ya se había visto en la introducción es una reacción altamente exotérmica y resulta un óxido muy estable. Según algunas fuentes bibliográficas, la aluminotermia libera aproximadamente 400,000 calorías, valor de ΔH que es uno de los más negativos, junto con el del magnesio, para la formación de un óxido. Se asegura de que es un óxido muy estable basándonos en el Diagrama de Ellingham; el diagrama de Ellingham es un gráfico de ΔG vs T(K) en el cual podemos observar líneas rectas que corresponden a equilibrios del tipo : M + n O2 = MOx Por lo que, de acuerdo al criterio de espontaneidad, una especie o reacción será mas estable o espontánea mientras mas negativo sea su ΔG. Por lo que se puede concluir que, si se quiere comparar entre 2 equilibrios cual es el más estable basta con ver cual se encuentra abajo del otro en un diagrama de Ellingham (ΔG vs T(K))

Conclusiones Se tendra que determinar si la aluminotermia para la reducción de hierro es conveniente en cuestiones energeticas, costos y realizacion, esta permite obtener grandes flujos de calor o energía térmica la cual puede ser aprovechada, sin embargo este proceso no resulta muy adecuado para la obtención de hierro pues el alumino usado para la reducción de los óxidos de hierro es mucho más caro que el mismo hoerro formado. De tal forma que este proceso parece solo accesible para la obtención de pequeñísimas cantidades del metal que nos interesa reducir. Por otro lado, debido a la temperatura tan alta que se alcanza resulta conveniente usarla a nuestro favor para la fundición de ciertos metales, por ejemplo para un proceso de soldadura.

La aluminotermia es una reacción altamente exotérmica y espontánea. Se requiere de una cierta cantidad de energía para activar la oxidación del aluminio. La energía de activación de la aluminotermia es alta El aluminio puro es capaz de reducir a cualquier óxido, siempre y cuando este se encuentre se encuentre por encima de su equilibrio en el Diagrama de Ellingham (ΔG vs T(K)) Bibliografía David V. Ragone (MIT), “Thermodynamics of Materials” volume I, Ed Wiley Gaskell, “Introduction to the Thermodynamics of Materials” Fourth Edition, Ed. www.soldadura.org.ar/main/index2.php?option=com_content&do_pdf www.celebritywonder.com/vids/Elsa_Pataky/cTjiZi1wVcI.html www.oerlikon.es/comunidad/glosario/fichatermino.php?idtermino=22®ini=20&cat=a

Significado de aluminotermia: FOZ (Lugo) AREA DE TECNOLOXÍA Hemos elegido el aluminio como material a estudiar en este trabajo por la vinculación laboral de algunos de los miembros de este grupo, que pertenecen a la plantilla de la fábrica , dedicada a la producción de alúmina y aluminio de primera fusión. Foz, Mayo de 1.999  DESCRIPCIÓN DEL MATERIAL.  COMPOSICIÓN QUÍMICA GENERAL. El aluminio (Al13) es un metal blanco brillante, ligero, dúctil, maleable y poco alterable por el aire. Su densidad es de 2,7 y funde a 660 ºC. Aun siendo muy oxidable, no se altera en contacto con el aire o el agua, ya que su superficie queda protegida por una capa o lámina de alúmina (Al2 O3).

Las propiedades físico-químicas más relevantes son: Número atómico 13 Peso atómico 26.97 Peso específico a 20 º (g.cm-3) 2,7 Volumen atómico (cm3) 9,9 Punto de Fusión (ºC) 659,8 Punto de Ebullición (ºC) 2467 Potencial de ionización (eV) 5,984 Electronegatividad 1,5 Estados de oxidación (valencias) +3 Conductividad eléctrica 62% del Cu Conductividad térmica 56% del Cu Calor latente de fusión (J.g-1) 395,14 Calor específico (kJ.g-1) 0,90 Dureza (Mohs) 2-2,9 Cofeciente de expansión lineal entre 20-100 ºC 0,0239 Color blanco plateado El aluminio Al13 se encuentra situado en el grupo III B del Sistema Periódico con la configuración electrónica siguiente: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1. Actúa, pues, con valencia +3. El alto potencial de reducción hace que se oxide superficialmente formado una capa muy delgada y compacta, lo que evita la posterior oxidación del metal autoprotegiéndose de forma natural. A veces se incrementa artificialmente el grosor de esta capa de óxido mediante el proceso electrolítico de anodizado, haciéndose la protección más duradera. En este proceso se puede colorear, o posteriormente pintar o lacar. El metal se encuentra protegido de la oxidación del aire y el agua, pero ciertos ácidos o soluciones salinas producen corrosión al destruir la capa protectora que se transforma en sal hidratada. Para obtener 1 Tm de aluminio se precisan 2 Tm de alúmina y 4 de bauxita.

 VARIANTES DEL MATERIAL. El aluminio puro es blando, pero adquiere magníficas propiedades mecánicas aleado con otros metales, como el cobre, el magnesio, el silicio, el manganeso y el litio, en cantidades relativamente pequeñas. Se producen además, por reacción los siguientes materiales: •

En caliente (1000 ºC) reacciona con el carbono, dando carburo de aluminio.

•

Con nitrógeno a alta temperatura se produce nitruro de aluminio, de gran interés tecnológico en el campo cerámico.

•

Con azufre se obtiene sulfuro.

•

Con halógenos produce el halogenuro correspondiente.

•

En polvo, reacciona al hacer una mezcla íntima con diversos óxidos metálicos (Fe, Mn, Cr, Ni, Si, Ti, etc.) con alto desprendimiento de enería. El proceso recibe el nombre de aluminotérmia y se utiliza para obtener metales o aleaciones exentos de carbono.

Entre los compuestos más característicos del aluminio está la alúmina, sólido blanco con diversas formas cristalinas. En la naturaleza se encuentra como corindón, siendo el rubí y el zafiro dos variedades coloreadas preciosas. Los hidróxidos naturales son: gibbsita, boehmita y diásporo. El hidróxido sintético se denomina bayerita. El cloruro de aluminio se obtiene por reacción con el cloro o el ácido clorhídrico. Alúmina •

HISTORIA DE LA UTILIZACIÓN DEL ALUMINIO.

El aluminio es un material tan antiguo como el hombre; y nuevo, porque se le ocultó hasta hace poco más de un siglo. Parece ser que el nombre de aluminio procede de alumbre, sal de aluminio utilizada muchos siglos antes de Cristo con fines diversos. El análisis de los alumbres puso en evidencia la existencia de una base que se denominó "alúmina" (s. XVIII). Inventada por Volta la pila eléctrica (s. XIX) se pudieron obtener por electrólisis de sales fundidas el sodio y el potasio metálicos en las experiencias de H. Davy, quien fracasó en su intento de obtener el aluminio metálico puro.

La producción industrial del metal no se consigue hasta St Claire Deville. A pesar de todo, solo se habían obtenido por este procedimiento algunos kilogramos a un precio totalmente desmesurado. En 1867 se inventó la dinamo, lo que coadyuvó a la producción industrial del aluminio por el método actual: electrólisis de alúmina en baños fundidos de criolita. Las patentes las presentaron simultáneamente C.M. Hall en Estados Unidos y P.L.T Héroult en Francia., en 1886 y sus procesos constituyeron los cimientos de las industrias americana y europea del aluminio. Sin embargo este proceso no habría llegado a desarrollarse tan rápidamente si, además del descubrimiento del generador de corriente continua de alto amperaje, no se hubiese producido la puesta a punto del proceso por el que se obtiene la alúmina a partir de las bauxitas, que debemos a K.J. Bayer, y patentado en 1889. La demanda de aluminio ha ido creciendo de forma importante debido a sus propiedades intrínsecas y al abaratamiento de los costes de producción. Actualmente las tendencias apuntan hacia moderados incrementos de consumo, según el desarrollo de los países. Se habla de un aumento del 4% anual en los próximos años, pero una política de potenciación de los países del tercer mundo puede acrecentar a posteriori las producciones mundiales. En estas cubas se transforma la alúmina en aluminio, por electrólisis En los hornos se le añaden aleantes De los hornos se cuela en forma de placas, tochos o lingotes, que la factorías transformadoras utilizarán para fabricar multitud de productos. •

OBTENCIÓN DEL MATERIAL.

•

YACIMIENTOS. La bauxita es un material terroso, constituido por una mezcla de hidróxidos de aluminio: gibbsita, boehmita, diásporo y otros minerales. A partir de ella, por el proceso Bayer, se obtiene alúmina, que servirá para la fabricación de aluminio por electrólisis. Los principales yacimientos de bauxita en el mundo están situados, por orden alfabético: Australia, Brasil, China, EE.UU. Francia, Ghana, Grecia, Guinea, Guyana, Haití, Hungría, India, Indonesia, Jamaica, Malasia, R.Dominicana, Rumanía, Sierra Leona, Surinam, Turquía, antigua URSS, Venezuela, y antigua Yugoslavia.

Descarga de bauxita en el puerto de Alúmina en San Ciprián •

PRODUCTORES DE ALUMINIO. Los principales productores de aluminio pertenecen generalmente al mundo desarrollado, siendo los mayores EE.UU, que produce más de la cuarta parte de la producción mundial, Rusia, Japón, Canadá, Alemania, Francia, Gran Bretaña, España e Italia. En nuestro país existen fábricas de aluminio de primera fusión en San Ciprián, La Coruña y Avilés, siendo Galicia la comunidad autónoma donde se produce la mayor parte del aluminio primario. Existen fábricas transformadoras en muchas regiones de España, como Euzkadi, Galicia, Cataluña, Madrid, Andalucía... Lingotes Tochos Placas o

UTILIZACIÓN DEL ALUMINIO COMO ELEMENTO EN LA CONSTRUCCIÓN Y OTRAS APLICACIONES.

Las utilidades del aluminio son múltiples, destacando la construcción. Se fabrican con aluminio estructuras, perfiles para ventanas, pasamanos, verjas, techos, recubrimientos laterales, chapas para aislamientos, andamios, escaleras, puentes y un larguisimo etc. En construcción de buques, aeronaves, defensa, transporte, electricidad... las aplicaciones son muy variadas. Adjuntamos como anexo un listado de aplicaciones, según aleaciones. Un ejemplo de la aplicación del aluminio BIBLIOGRAFÍA: o o o

"La metalurgia del aluminio" por J.P. Sancho y otros. Editorial Aluminium, Dusserdof "Aplicaciones del aluminio y sus aleaciones", por Javier Menéndez, ingeniero de la factoría de Alcoa Europe en San Ciprián Diccionario Enciclopédico Larousse", de Editorial Planeta.