بررسی اثر آهن بر فعال سازی مکانیکی و احیای مخلوط هماتیت -گرافیت

چکیده در این تحقیق اثر آهن بر فعال سازی مکانیکی, تغییرات ساختاری و رفتار احیای مخلوط هماتیت-گرافیت بررسی شده است. مقادیر مختلف آهن (0 تا 10 درصد وزنی) به مخلوط پودری هماتیت-گرافیت (با نسبت 1 = c/o) اضافه گردید. سپس عملیات آسیا کاری در اتمسفر خنثی بر روی مخلوط های هماتیت-گرافیت و آهن برای مدت زمان های متفاوت (0 تا 50 ساعت) توسط آسیای گلوله ای سیاره ای انجام گرفت. آزمون پراش پرتو ایکس (xrd) نشان داد که در الگوهای پراش نمونه های آسیا شده برای مدت زمان های بیشتر از 5 ساعت و درنتیجه از بین رفتن ساختار بلوری, خطوط پراش گرافیت کاملاً محو می شوند. همچنین در الگوهای پراش نمونه-های آسیا شده برای مدت زمان های بیشتر از 10 ساعت, فاز مگنتیت ظاهر می شود که نشان دهنده احیای مقداری از هماتیت اولیه به مگنتیت در نتیجه انجام آسیا کاری در حضور گرافیت می باشد. نتایج به دست آمده در مورد اندازه دانه و کرنش ساختاری ذرات هماتیت با استفاده از یکی از روش های بر پایه پهن شدگی خطوط پراش (روش گوسی-گوسی) نشان داد که آسیا کاری اثر شدیدی در کاهش اندازه دانه و افزایش کرنش ساختاری ذرات هماتیت دارد و آهن به طور قابل توجهی تغییرات مذکور را تشدید می کند. علاوه بر این مشاهده گردید که درصد بی شکل شدگی ساختاری ذرات هماتیت و گرافیت و نیز دانسیته نابجایی ذرات هماتیت با افزایش زمان آسیا کاری و حضور آهن به شدت افزایش می یابد. دو پارامتر فعال سازی مکانیکی ?/tan? و ?/d به عنوان معیاری جهت مقایسه شدت فعال شدگی مخلوط های پودری مختلف معرفی گردید. نتایج به دست آمده از این دو پارامتر, اثر زمان آسیا کاری و حضور آهن بر افزایش شدت فعال شدگی و انرژی ذخیره شده در مخلوط های پودری مختلف را تأیید نمود. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (sem) نشان داد که فعال سازی مکانیکی (به ویژه در زمان های بیشتر از 5 ساعت) باعث ایجاد ساختاری مرکّب و متراکم از ذرات می گردد. مکانیزم شکل گیری ساختار مذکور از طریق فرورفتن و سپس محبوس شدن ذرات ترد هماتیت و گرافیت در درون ذرات نرم آهن می باشد. این وضعیت باعث افزایش شدید انرژی ذخیره شده در مخلوط پودری می گردد. بنابر این آهن نه تنها تشدید کننده تغییرات ساختاری ایجاد شده در مخلوط پودری هماتیت-گرافیت است بلکه وقوع مراحل مختلف فعال سازی مکانیکی را نیز تسریع می نماید. اثر زمان آسیا کاری و حضور آهن بر رفتار احیایی نمونه های مختلف با استفاده از دستگاه sta بررسی گردید. نمونه ها در اتمسفر آرگون و با نرخ ثابت c/min° 10 از دمای اتاق تا °c 1200 حرارت داده شدند. منحنی های tgl و dta نمونه های مختلف نشان داد که با افزایش زمان آسیا کاری و حضور آهن و به دلیل تشدید تغییرات ساختاری و افزایش انرژی ذخیره شده در مخلوط پودری, دمای شروع کلیه واکنش های احیایی به شدت کاهش و درجه احیا افزایش می یابد. همچنین منحنی-های rtg و dsc نشان داد که موارد مذکور باعث افزایش سرعت فرآیند احیا و کاهش گرمای مورد نیاز برای انجام واکنش های احیایی می گردد. اثر کاتالیستی آهن بر فرآیند احیا مشاهده گردید. نقش کاتالیستی آهن در کاهش دما و افزایش سرعت فرآیند احیا به ویژه در نمونه های با سطوح تماس زیاد میان ذرات (نمونه های آسیا شده برای مدت زمان 30 ساعت و بیشتر) کاملاً مشهود است به گونه ای که دمای شروع فرآیند احیا در نمونه های حاوی 10 درصد وزنی آهن و آسیا شده برای مدت زمان های 30 و 50 ساعت به ترتیب به 520 و °c 490 کاهش می یابد. همچنین مکانیزمی برای اثر کاتالیستی آهن ارائه گردید.