Skip to main content
SUPERVISOR
Mahmood Meratian isfahani,Masoud Panepour
محمود مراتیان اصفهانی (استاد راهنما) مسعود پنجه پور (استاد راهنما)
 
STUDENT
Masoud Fathian
مسعود فتحیان دستگردی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391

TITLE

Study of the thermal profiles in the carbothermic reduction of hematite- graphite composite beds and influence of the additives iron and aluminum
Numerous studies have been conducted on kinetics and mechanisms of iron oxide-carbon systems, most of them introducing the endothermic reaction of carbon gasification )Boudouard reaction) which is the controlling stage of the reduction process. Hence, understanding the kinetics of carbothermic reduction of iron oxides and accelerating factors are very important. In this research, the effects of accelerating factors including mechanical activation, additives and catalysts on the rate of heat transfer in composite beds have been investigated. For this purpose, a laboratory reactor equipped with a hot surface was designed which was enable of creation of temperature gradients or in other word, one directional heat transfer along the bed. Temperature profiles in a fixed bed with hot surface temperature of 1200 °C were measured for 60 minutes using thermocouples placed in different regions of the bed. the results of temperature profiles and phase identification (by XRD) revealed that decrease of heat flux into the bed due to the endothermic carbon gasification reaction and low effective heat transfer of the bed, leads to a decrease in the degree of reduction at areas far from the hot surface. In continuation, to evaluate the effect of mechanical activation as well as the effects of iron as an additive (for increasing the conductive heat transfer rate and catalytic effect in Boudouard reaction) and aluminum as an energy source (by thermite reaction, for improving the amount of generated heat) on the thermal profiles and temperature gradients in mentioned bed, the temperature profiles were measured. Temperature profiles of milled specimens indicate reduction of temperature gradient, increase in heat transfer rate in reaction bed and drastic drop in reduction temperature which can be because of particle refinement and consequently increase in particle contact area. In fact, above parameters might result in an increase in mixed conductive heat transfer and decrease in reaction heat consumption. Presence of iron improves the conductive heat transfer throughout the bed. For specimens milled for long durations, significant decrease in reduction temperature and increase in heat transfer rate were observed on temperature profiles which might be due to severe microstructural changes of reaction mixture in the presence of iron and also its catalytic effect. Addition of aluminum as an energy source results in reduction of temperature difference in different regions of the bed by providing required heat of carbothermic reactions via occurrence of endothermic aluminuthermic reactio so in the milled condition, higher degree of reduction is achievable in composite beds and utilizing of larger pellets is possible. Therefore, it can be concluded that any change in heat transfer rate in the bed might significantly affect the rate of carbothermic reduction reaction. Keywords: Kinetics, Reduction, Heat transfer rate, Boudouard reaction, Pellet, Milling, Temperature profile, Heat conduction, Iron, Aluminum
تحقیقات گسترده ای در خصوص مطالعه سینتیک ومکانیزم های سیستم اکسیدهای آهن -کربن انجام شده است، که اغلب آنها واکنش گازی شدن کربن (واکنش بودوارد) را به عنوان عامل کنترل کننده فرایند احیا معرفی کرده اند. با این شرایط شناخت سینتیک واکنش احیای کربوترمی اکسیدهای آهن و عوامل تسریع کننده آن از اهمیت ویژه ای برخوردار است. در این تحقیق اثر عوامل تسریع کننده مانند فعال سازی مکانیکی، مواد افزودنی و کاتالیزوری روی سرعت انتقال حرارت در بسترهای کامپوزیتی مورد بررسی قرار گرفته است. بدین منظور یک راکتور آزمایشگاهی مجهز به یک سطح داغ که می تواند منجر به ایجاد گرادیان های دمایی و یا به عبارت دیگر باعث انتقال حرارت یک جهته در طول بستر بشود، طراحی شد، به طوری که پروفیل های دمایی در یک بستر ثابت با دمای سطح داغ ? C 1200 توسط ترموکوپل هایی در موقعیت های مختلف از بستر به مدت زمان 60 دقیقه اندازه گیری شدند. نتایج پروفیل های دمایی و آنالیز فازی (بوسیله XRD) نشان داد، کاهش شار هدایت حرارتی به داخل بستر، بدلیل گرماگیر بودن واکنش بودوارد و کم بودن هدایت حرارتی مؤثر بستر، منجر به کاهش میزان احیا در مکان های دور از سطح داغ بستر می شود. در ادامه جهت بررسی اثر فعال سازی مکانیکی در زمان های مختلف و توأمان با حضور آهن (به عنوان یک عامل فلزی در افزایش سرعت انتقال حرارت هدایتی و نیز نقش کاتالیزوری آهن در واکنش بودوارد) و همچنین با حضور آلومینیوم به عنوان یک منبع انرژی (بوسیله واکنش احتراقی، در افزایش میزان حرارت تولیدی) روی پروفیل های حرارتی و گرادیان های دمایی در بستر مذکور، پروفیل های دمایی اندازه گیری شدند. بررسی های نتایج نموداری نمونه های آسیا شده، کاهش گرادیان های دمایی، افزایش سرعت انتقال حرارت در بستر واکنش و کاهش شدید دمای احیا را نشان داد که این شرایط بدلیل ریز شدن ذرات و افزایش سطح تماس هندسی ذرات می باشد، در واقع پارامترهای مذکور می تواند منجر به افزایش انتقال حرارت هدایتی مخلوط و کاهش گرمای مصرفی واکنش ها می شود. حضور آهن نیز سرعت انتقال حرارت هدایتی در بستر را بهبود بخشید. همچنین در زمان های آسیاکاری بالا کاهش دمای احیا و افزایش سرعت انتقال حرارت روی پروفیل های دمایی مشاهده گردید که این موضوع ممکن است بدلیل تغییرات ساختاری شدید مخلوط واکنش در حضور آهن و اثر کاتالیزوری آهن باشد. در ادامه، نتایج نشان داد حضور آلومینیوم به عنوان یک منبع انرژی بدلیل انجام واکنش های گرمازای آلومینوترمی با فراهم آوردن گرمای مورد نیاز جهت انجام واکنش های کربوترمی منجر به کاهش اختلاف دمایی در کلیه موقعیت های بستر می شود، به طوریکه می توان در شرایط آسیاکاری، میزان احیای بالایی در بسترهای کامپوزیتی بدست آورد و امکان استفاده از گندله ها با قطر بزرگتر را در این فرایند افزایش داد. بنابراین می توان از این نتایج چنین استنباط نمود که هرگونه تغییری در سرعت انتقال حرارت در طول بستر مذکور می تواند به شدت سرعت انجام واکنش احیای کربوترمی را تحت تأثیر قرار دهد. کلمات کلیدی: سینتیک، احیا، سرعت انتقال حرارت، واکنش بودوارد، گندله ، آسیا، نمودار دمایی، هدایت حرارتی، آهن، آلومینیوم

ارتقاء امنیت وب با وف بومی