Skip to main content
SUPERVISOR
Mahmood Meratian isfahani,Masoud Panepour
محمود مراتيان اصفهاني (استاد راهنما) مسعود پنجه پور (استاد راهنما)
 
STUDENT
Masoud Fathian
مسعود فتحيان دستگردي

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
چکيده تحقيقات گسترده اي در خصوص مطالعه سينتيک ومکانيزم هاي سيستم اکسيدهاي آهن -کربن انجام شده است، که اغلب آنها واکنش گازي شدن کربن (واکنش بودوارد) را به عنوان عامل کنترل کننده فرايند احيا معرفي کرده اند. با اين شرايط شناخت سينتيک واکنش احياي کربوترمي اکسيدهاي آهن و عوامل تسريع کننده آن از اهميت ويژه اي برخوردار است. در اين تحقيق اثر عوامل تسريع کننده مانند فعال سازي مکانيکي، مواد افزودني و کاتاليزوري روي سرعت انتقال حرارت در بسترهاي کامپوزيتي مورد بررسي قرار گرفته است. بدين منظور يک راکتور آزمايشگاهي مجهز به يک سطح داغ که مي تواند منجر به ايجاد گراديان هاي دمايي و يا به عبارت ديگر باعث انتقال حرارت يک جهته در طول بستر بشود، طراحي شد، به طوري که پروفيل هاي دمايي در يک بستر ثابت با دماي سطح داغ ? C 1200 توسط ترموکوپل هايي در موقعيت هاي مختلف از بستر به مدت زمان 60 دقيقه اندازه گيري شدند. نتايج پروفيل هاي دمايي و آناليز فازي (بوسيله XRD) نشان داد، کاهش شار هدايت حرارتي به داخل بستر، بدليل گرماگير بودن واکنش بودوارد و کم بودن هدايت حرارتي مؤثر بستر، منجر به کاهش ميزان احيا در مکان هاي دور از سطح داغ بستر مي شود. در ادامه جهت بررسي اثر فعال سازي مکانيکي در زمان هاي مختلف و توأمان با حضور آهن (به عنوان يک عامل فلزي در افزايش سرعت انتقال حرارت هدايتي و نيز نقش کاتاليزوري آهن در واکنش بودوارد) و همچنين با حضور آلومينيوم به عنوان يک منبع انرژي (بوسيله واکنش احتراقي، در افزايش ميزان حرارت توليدي) روي پروفيل هاي حرارتي و گراديان هاي دمايي در بستر مذکور، پروفيل هاي دمايي اندازه گيري شدند. بررسي هاي نتايج نموداري نمونه هاي آسيا شده، کاهش گراديان هاي دمايي، افزايش سرعت انتقال حرارت در بستر واکنش و کاهش شديد دماي احيا را نشان داد که اين شرايط بدليل ريز شدن ذرات و افزايش سطح تماس هندسي ذرات مي باشد، در واقع پارامترهاي مذکور مي تواند منجر به افزايش انتقال حرارت هدايتي مخلوط و کاهش گرماي مصرفي واکنش ها مي شود. حضور آهن نيز سرعت انتقال حرارت هدايتي در بستر را بهبود بخشيد. همچنين در زمان هاي آسياکاري بالا کاهش دماي احيا و افزايش سرعت انتقال حرارت روي پروفيل هاي دمايي مشاهده گرديد که اين موضوع ممکن است بدليل تغييرات ساختاري شديد مخلوط واکنش در حضور آهن و اثر کاتاليزوري آهن باشد. در ادامه، نتايج نشان داد حضور آلومينيوم به عنوان يک منبع انرژي بدليل انجام واکنش هاي گرمازاي آلومينوترمي با فراهم آوردن گرماي مورد نياز جهت انجام واکنش هاي کربوترمي منجر به کاهش اختلاف دمايي در کليه موقعيت هاي بستر مي شود، به طوريکه مي توان در شرايط آسياکاري، ميزان احياي بالايي در بسترهاي کامپوزيتي بدست آورد و امکان استفاده از گندله ها با قطر بزرگتر را در اين فرايند افزايش داد. بنابراين مي توان از اين نتايج چنين استنباط نمود که هرگونه تغييري در سرعت انتقال حرارت در طول بستر مذکور مي تواند به شدت سرعت انجام واکنش احياي کربوترمي را تحت تأثير قرار دهد. کلمات کليدي: سينتيک، احيا، سرعت انتقال حرارت، واکنش بودوارد، گندله ، آسيا، نمودار دمايي، هدايت حرارتي، آهن، آلومينيوم

ارتقاء امنیت وب با وف بومی