بررسی اثر فعال سازی مکانیکی بر سینتیک احیای مخلوط هماتیت-گرافیت در حضور آهن

چکیده در این تحقیق اثر فعال سازی مکانیکی بر تغییرات ساختاری، رفتار احیایی و نیز بر سینتیک احیای مخلوط هماتیت-گرافیت در حضور آهن بررسی شده است. بدین منظور مخلوط پودری هماتیت-گرافیت (با نسبت استوکیومتری c/o=1) در حضور مقادیر مختلف آهن (0، 5 و 10 درصد وزنی) به مدت زمان های 0 تا 50 ساعت آسیاب کاری شد. به منظور مطالعه تغییرات ساختاری ایجاد شده در روند آسیاب کاری، آزمون پراش پرتو ایکس بر روی نمونه ها انجام شد. همچنین به منظور مطالعه مورفولوژی مخلوط پودری آسیاب شده، تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از سطح مقطع و مخلوط پودری نمونه ها تهیه شد. آزمون پراش پرتو ایکس نشان داد که در الگوهای پراش نمونه های آسیاب شده، با افزایش زمان آسیاب کاری به تدریج پیک های گرافیت از الگوهای پراش محو شدند که بیانگر از بین رفتن ساختار کریستالی گرافیت و آمورف شدن آن است. همچنین با افزایش بیشتر زمان آسیاب کاری، به تدریج پیک های مگنتیت در الگوهای پراش ظاهر و بر شدت آنها افزوده شد. الگوهای پراش در حضور 10 درصد وزنی آهن نشان داد که در زمان های طولانی آسیاب کاری در این نمونه پیک های وستیت نیز ظاهر می شود که بیانگر احیا شدن بخشی از هماتیت در روند آسیاب کاری به مگنتیت و وستیت است. در این تحقیق محاسبه اندازه دانه و کرنش شبکه ای ذرات پودری هماتیت با استفاده از روش ویلیامسون-هال انجام شد. پارامتر فعال سازی مکانیکی (/d?) که بیانگر معیاری از انرژی ذخیره شده در مخلوط پودری است، نیز محاسبه شد. نتایج حاصل از محاسبات فوق نشان داد که حضور آهن بر کاهش اندازه دانه، افزایش کرنش شبکه و افزایش پارامتر فعال سازی مکانیکی تأثیر مثبت دارد. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی حاکی از تشکیل ساختارهای متراکم در زمان های طولانی آسیاب کاری است و وجود ساختارهای مذکور بیانگر ذخیره شدن مقداری انرژی در ذرات پودری است. به منظور بررسی اثر آهن بر رفتار احیایی و سینتیک احیا، آزمون های آنالیز حرارتی tg-dta با نرخ های حرارت دهی 10، 15 و 20 درجه سانتیگرار بر دقیقه و از دمای محیط تا c°1200 انجام شد. مقایسه رفتار احیایی نمونه ها نشان داد که با افزایش زمان آسیاب کاری، دمای شروع واکنش های احیایی کاهش می یابد. همچنین این آزمون نشان داد که دمای شروع احیا در حضور 5 درصد وزنی آهن کاهش محسوس تری دارد. بررسی های سینتیکی احیا با استفاده از روش های مستقل از مدل، اوزاوا (fwo) و کسینجر (kas) و نیز روش برازش مدل شیب ثابت انجام شد. بررسی های مذکور نشان داد که انجام آسیاب کاری، انرژی اکتیواسیون احیا را به شدت کاهش می دهد به طوری که در نمونه 50 ساعت آسیاب کاری شده مقدار انرژی اکتیواسیون به کمتر از نصف کاهش یافته است. حضور آهن نیز بر کاهش انرژی اکتیواسیون بسیار مشهود بود به گونه ای که در حضور 5 درصد وزنی آهن، مقدار انرژی اکتیواسیون به کمتر از یک سوم کاهش یافت. مکانیزم کنترل کننده سرعت واکنش، مکانیزم شیمیایی تعیین شد و بیان گردید که واکنش بودوارد کنترل کننده سرعت فرایند احیا در حضور و عدم حضور آهن است و کاهش شدید انرژی اکتیواسیون در نمونه های حاوی آهن نیز بیانگر نقش موثر کاتالیزوری آهن بر واکنش بودوارد است.