بررسی اثر فعال سازی مکانیکی- حرارتی بر تشکیل کاربید آهن از طریق احیای کربوترمی هماتیت

STUDENT

DEGREE

YEAR

Recently, effect of mechanical activation on carbothermic reduction of hematite and production of cementite from mixed iron-graphite has been investigated. Results showed that mechanical activation (with powerful ball milling), in long time, reduced the temperature of reduction reaction and construction of iron carbide occurred in fewer temperature. In this research, the effect of mechanical-thermal activation process on iron carbide formation by carbothermic reduction of hematite was investigated. First of all, mixed powder of graphite-hematite in stoichiometric ratio was used to produce iron carbide. After that hot ball milling (mechanical and thermal activations) of graphite-hematite mixed powder was carried out under argon atmosphere for about three and six hours in three different temperatures consist of 700, 800 and 900°C. The analysis of phase transformation and morphologies of mixed powder was made by X-ray diffraction, scanning electron microscope. The amount of each phase was determined by tests of titration, image analyzer and LECO combustion analysis, thermal analysis (DTA, DSC) and EDS. X-ray results showed that wustite phase was produced by hot ball milling at 700°C for 3 and 6 hours, which explained the reduction of hematite to wustite in the presence of graphite. Iron phase with wustite was made by hot milling at 800°C for 3 hours and increasing the time of hot ball milling to six hours created iron carbide and iron phases. Hot ball milling at 900°Cdecreased duration of iron and iron carbide from 6 to 3 hours. SEM images and EDS analysis of 800 and 900°C samples indicated the presence of perlite, proeutectoid iron carbide phase and graphite and ferrite (at 900°C) in the microstructure. Increasing the time of hot ball milling at 900°C raised the decomposition of iron carbide to ferrite and graphite. In the next step of assessment, with increasing the amount of graphite in double stoichiometric ratio in mixed powder, effect of hot ball milling process on carbothermic reduction of hematite and making of iron carbide at 900°C for 1.5, 3 and 6 hours was considered. Adding the amount of graphite in mixed powder amplified carbon content in these samples. Due to the more stability of iron carbide at 800°C, cycles with different time and temperature in hot ball milling (800°C and then 450°C) increased carbon content, in comparison with the same cycle at 900°C and 450°C. Mentioned results proved that the role of solid-solid reaction in simultaneous mechanical and thermal activations process override mechanical activation and therefore in the shorter time of hot ball milling, the rate of reduction reactions increased. Keywords: Iron carbide, Mechanical-thermal activation, Hot ball milling, Carbothermic reduction, Hematite, Graphite

درچند دهه اخیر اثر فعال سازی مکانیکی بر روی احیای کربوترمی هماتیت و نیز تشکیل کاربیدآهن از مخلوط آهن- گرافیت به طور جداگانه مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج حاصل از این بررسی ها نشان می دهد که فعال سازی مکانیکی (با آسیاب های پر انرژی) در زمان های بسیار طولانی می تواند منجر به کاهش دمای فرایند احیا و شکل گیری کاربیدآهن از مخلوط آهن- گرافیت شود. از این رو در این تحقیق، اثر فرایند فعال سازی مکانیکی- حرارتی بر احیای کربوترمی هماتیت و تشکیل کاربیدآهن بررسی شده است. بدین منظور در مرحله اول از مخلوط پودری هماتیت- گرافیت به نسبت استوکیومتری برای تشکیل کاربیدآهن استفاده گردید. سپس عملیات آسیاکاری داغ (فعال‌سازی مکانیکی و حرارتی) در اتمسفر آرگون بر روی مخلوط های پودری هماتیت- گرافیت برای مدت زمان های 3 و 6 ساعت در دماهای 700، 800 و °C 900 انجام گرفت. به منظور مطالعه تغییرات فازی ایجاد شده و مورفولوژی مخلوط پودری در روند آسیاکاری داغ (آسیاب کم انرژی) به ترتیب آزمون های پراش پرتو ایکس و میکروسکوپ الکترونی روبشی بر روی نمونه ها انجام شد. همچنین برای تعیین درصد کمی فازهای تشکیل شده از آزمون های آنالیز تصویری، تیتراسیون، آنالیز احتراقی لکو، آنالیز نقطه ای EDS توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی و آنالیزهای DTA و DSC استفاده شد. آزمون پراش پرتو ایکس نشان داد که با انجام فرایند آسیاکاری داغ در دمای °C 700 برای مدت زمان های 3 و6 ساعت، فاز وستیت ظاهر شد که نشان دهنده احیای هماتیت اولیه به وستیت در نتیجه انجام آسیاکاری داغ در حضور گرافیت می باشد. با انجام فرایند آسیاکاری داغ در دمای °C 800 برای مدت زمان 3 ساعت فاز آهن‌فلزی نیز به همراه فاز وستیت بوجود آمد و با افزایش مدت زمان آسیاکاری داغ تا 6 ساعت تنها فازهای کاربیدآهن و آهن فلزی تشکیل شد. با انجام فرایند آسیاکاری داغ در دمای o C 900، مدت زمان تشکیل آهن فلزی و کاربیدآهن از 6 به 3 ساعت کاهش یافت. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی و آنالیز نقطه ای EDS از نمونه های حاصل شده در دماهای 800 و o C 900 نیز دلالت بر تشکیل ساختار پرلیتی به همراه فازهای کاربیدآهن پرویوتکتوئیدی، گرافیت و فریت (در دمای o C 900) در ساختار نمونه ها را دارد. با افزایش زمان آسیاکاری داغ در دمای o C 900 مقادیر بیشتری از کاربیدآهن به فریت وگرافیت تجزیه شد. در مرحله بعدی با افزایش گرافیت به مقدار دو برابر نسبت استوکیومتری در مخلوط پودری، اثر فرایند آسیاکاری داغ بر روی احیای کربوترمی هماتیت و تشکیل کاربیدآهن در دمای o C 900 برای مدت زمان های 5/1، 3 و 6 ساعت بررسی گردید. افزایش مقدار گرافیت در مخلوط پودری باعث افزایش درصد کربن محتوی نمونه های مذکور در مقایسه با نمونه های حاصل شده از نسبت استوکیومتری شد. اعمال سیکل‌های دمایی در زمان های مختلف در فرایند آسیاکاری داغ (°C 800 و سپس °C 450) باعث افزایش کربن محتوی نسبت به اعمال همین سیکل در دمای °C 900 و °C 450 گردید که این موضوع به علت پایداری بیشتر کاربیدآهن در °C 800 بوده است. بررسی های مذکور نشان داد که سهم واکنش های جامد- جامد در فرایند همزمان فعال سازی مکانیکی و حرارتی نسبت به انجام غیر همزمان آنها بیشتر شده و به همین دلیل در مدت زمان های کم آسیاکاری داغ سرعت واکنش‌های احیایی افزایش پیدا کرده است. همچنین واکنش های نفوذی کنترل کننده سرعت واکنش تشکیل و تجزیه کاربیدآهن بوده است. کلمات کلیدی: کاربیدآهن، فعال سازی مکانیکی- حرارتی، آسیاکاری داغ، احیای کربوترمی، هماتیت، گرافیت