Aluminotermia

Um alto-forno reduz o metal, a partir do seu minério oxídico, através de carbono ou monóxido de carbono. Este processo se chama de redução carbotérmica. A combustão de carbono (que está disponível em excesso) fornece a alta temperatura que for necessária para fundir o metal e a escória, os dois produtos principais deste processo.

No passado não faltaram tentativas em achar um redutor alternativo ao carbono, já que o subproduto CO2 é um dos responsáveis para o efeito estufa. Em larga escala aplicam-se, portanto processos onde o aquecimento ocorre via arco elétrico. Os balanços, energético e de matéria revelam, no entanto, que esta rota somente se justifica quando a geração da alta quantidade de energia elétrica pode ser produzida de maneira “limpa”, isto é, a base da força da água, do vento ou do sol.

Em pequena escala, outros metais, por sua vez mais reativos frente o oxigênio do que o ferro, podem ser empregados como redutores alternativos. Como as seguintes equações mostram, eles liberam energias consideráveis:

Fe2O3 + 2 Al → 2 Fe + Al2O3 ΔH R (298°C) = – 416,7 kJ/Mol Fe

(Óxido de Fe(III) tem uma temperatura de fusão/decomposição de 1.565 °C)

3 Fe3O4 + 8 Al → 9 Fe + 4 Al2O3 ΔHR (298°C) = – 372 kJ/Mol Fe

(Óxido de Fe(II,III) tem uma temperatura de fusão de 1.538 °C)

Embora a última equação prediga o consumo de 8 moles de Al a cada 3 moles de Fe3O4, na prática se aplica um leve déficit em redutor, para evitar a formação de liga Fe-Al. Como essas reações decorrem em curto tempo e quase nenhum gás está sendo liberado que poderia sequestrar o calor, elas provocam temperaturas entre 2.200 e 2.400 °C. Nestas temperaturas o co-produto da aluminotermia, o corúndio Al2O3, também funde (Tfus=2050 °C) e bóia em forma de escória em cima do Fe. Para assegurar uma boa separação da escória do metal, a mistura deve ser retida no reator por aproximadamente 2 minutos – o que certamente não é trivial, pois a maioria dos materiais do reator igualmente funde sob estas condições!

Sabemos que a temperatura ótima do processamento de Fe líquido fica em torno de 1.600 °C, então precisamos de um aditivo que abaixa a temperatura desta mistura. Usa-se geralmente sucata de ferro ou aço, de preferência a varredura da serralharia, onde grande parte é Fe metal (sua fusão é endotérmica, então consome energia) e o tamanho dos grãos é < 1 mm. Oferecem-se também aditivos que introduzem os metais de liga desejados (carbono, manganês, níquel, cromo, molibdênio e vanádio, principalmente).A aplicação principal da aluminotermia é a solda de trilhos de trem. Os trilhos devem ser préaquecidos a 700 a 900 °C e se aplica em torno de 13 Kg de mistura de termita para uma solda de qualidade.Existem várias formas de ignição deste mini-alto-forno. Note que nem todas as misturas são viáveis nesta prática, devido seu inerente perigo de explosão:

  • Fita de Mg (por sua vez, mais reativo ainda frente O2 do que Al)
  • Permanganato de potássio e glicerina (ca. 25 g de KMnO4 e 6 mL de glicerina)
  • Misturar cuidadosamente (explosivo!) 1 g de KClO3 com 1 g de açúcar, posicionar em cima da mistura de termita e gotejar 1 gotinha de H2SO4 conc.
  • Misturar cuidadosamente (explosivo!) 10 g de peróxido de bário com 15 g de magnésio em pó, sob exclusão rigorosa de umidade; posicionada em cima da termita essa mistura pode ser acesa por uma fita de Mg de > 10 cm de comprimento. Um pavio alternativo é uma fita de papel de filtro que foi mergulhado em KNO3 conc. e secado.
  • Enfiar duas “velas-estrelinha de festa” acesas;
  • Melhor do que a última funcionam as “velas especiais para aluminotermia” que são comercialmente disponíveis.

Composição de uma vela estrelinha (“sparkler”):

55% Ba(NO3)2, 5% Al em pó, 25% Fe em pó, 15% dextrina de aglutinante.

Composição de uma vela especial da aluminotermia (bem mais brisante!):

53% Ba(NO3)2, 15% Fe2O3 (= fonte adicional de oxigênio), 20% Al em pó, 12% dextrina.

Devido a esta composição a velinha reage semelhante à nossa mistura de termita.

As reações pirotécnicas principais são:

10 Al + 3 Ba(NO3)2 → 5 Al2O3 + 3 BaO + 3 N2

e

2 Al + Fe2O3 → Al2O3 + 2 Fe,

enquanto a parte orgânica queima conforme:

5 (C6H10O5)n.H2O + 12 n Ba(NO3)2 → 30n CO2 + (25n +5) H2O + 12 n BaO + 12 N2

Devido à instabilidade do CO2 a altas temperaturas deveríamos considerar também a seguinte equação:

5 (C6H10O5)n.H2O + 6 n Ba(NO3)2 → 30n CO + (25n +5) H2O + 6 n BaO + 6 N2

Fonte: Aluminotermia

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