بررسي اثر فعال سازي مکانيکي- حرارتي بر تشکيل کاربيد آهن از طريق احياي کربوترمي هماتيت

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

چکيده درچند دهه اخير اثر فعال سازي مکانيکي بر روي احياي کربوترمي هماتيت و نيز تشکيل کاربيدآهن از مخلوط آهن- گرافيت به طور جداگانه مورد بررسي قرار گرفته است. نتايج حاصل از اين بررسي ها نشان مي دهد که فعال سازي مکانيکي (با آسياب هاي پر انرژي) در زمان هاي بسيار طولاني مي تواند منجر به کاهش دماي فرايند احيا و شکل گيري کاربيدآهن از مخلوط آهن- گرافيت شود. از اين رو در اين تحقيق، اثر فرايند فعال سازي مکانيکي- حرارتي بر احياي کربوترمي هماتيت و تشکيل کاربيدآهن بررسي شده است. بدين منظور در مرحله اول از مخلوط پودري هماتيت- گرافيت به نسبت استوکيومتري براي تشکيل کاربيدآهن استفاده گرديد. سپس عمليات آسياکاري داغ (فعال‌سازي مکانيکي و حرارتي) در اتمسفر آرگون بر روي مخلوط هاي پودري هماتيت- گرافيت براي مدت زمان هاي 3 و 6 ساعت در دماهاي 700، 800 و °C 900 انجام گرفت. به منظور مطالعه تغييرات فازي ايجاد شده و مورفولوژي مخلوط پودري در روند آسياکاري داغ (آسياب کم انرژي) به ترتيب آزمون هاي پراش پرتو ايکس و ميکروسکوپ الکتروني روبشي بر روي نمونه ها انجام شد. همچنين براي تعيين درصد کمي فازهاي تشکيل شده از آزمون هاي آناليز تصويري، تيتراسيون، آناليز احتراقي لکو، آناليز نقطه اي EDS توسط ميکروسکوپ الکتروني روبشي و آناليزهاي DTA و DSC استفاده شد. آزمون پراش پرتو ايکس نشان داد که با انجام فرايند آسياکاري داغ در دماي °C 700 براي مدت زمان هاي 3 و6 ساعت، فاز وستيت ظاهر شد که نشان دهنده احياي هماتيت اوليه به وستيت در نتيجه انجام آسياکاري داغ در حضور گرافيت مي باشد. با انجام فرايند آسياکاري داغ در دماي °C 800 براي مدت زمان 3 ساعت فاز آهن‌فلزي نيز به همراه فاز وستيت بوجود آمد و با افزايش مدت زمان آسياکاري داغ تا 6 ساعت تنها فازهاي کاربيدآهن و آهن فلزي تشکيل شد. با انجام فرايند آسياکاري داغ در دماي o C 900، مدت زمان تشکيل آهن فلزي و کاربيدآهن از 6 به 3 ساعت کاهش يافت. تصاوير ميکروسکوپ الکتروني روبشي و آناليز نقطه اي EDS از نمونه هاي حاصل شده در دماهاي 800 و o C 900 نيز دلالت بر تشکيل ساختار پرليتي به همراه فازهاي کاربيدآهن پرويوتکتوئيدي، گرافيت و فريت (در دماي o C 900) در ساختار نمونه ها را دارد. با افزايش زمان آسياکاري داغ در دماي o C 900 مقادير بيشتري از کاربيدآهن به فريت وگرافيت تجزيه شد. در مرحله بعدي با افزايش گرافيت به مقدار دو برابر نسبت استوکيومتري در مخلوط پودري، اثر فرايند آسياکاري داغ بر روي احياي کربوترمي هماتيت و تشکيل کاربيدآهن در دماي o C 900 براي مدت زمان هاي 5/1، 3 و 6 ساعت بررسي گرديد. افزايش مقدار گرافيت در مخلوط پودري باعث افزايش درصد کربن محتوي نمونه هاي مذکور در مقايسه با نمونه هاي حاصل شده از نسبت استوکيومتري شد. اعمال سيکل‌هاي دمايي در زمان هاي مختلف در فرايند آسياکاري داغ (°C 800 و سپس °C 450) باعث افزايش کربن محتوي نسبت به اعمال همين سيکل در دماي °C 900 و °C 450 گرديد که اين موضوع به علت پايداري بيشتر کاربيدآهن در °C 800 بوده است. بررسي هاي مذکور نشان داد که سهم واکنش هاي جامد- جامد در فرايند همزمان فعال سازي مکانيکي و حرارتي نسبت به انجام غير همزمان آنها بيشتر شده و به همين دليل در مدت زمان هاي کم آسياکاري داغ سرعت واکنش‌هاي احيايي افزايش پيدا کرده است. همچنين واکنش هاي نفوذي کنترل کننده سرعت واکنش تشکيل و تجزيه کاربيدآهن بوده است. کلمات کليدي: کاربيدآهن، فعال سازي مکانيکي- حرارتي، آسياکاري داغ، احياي کربوترمي، هماتيت، گرافيت