دانلود پروژه: بررسی پروفیل­های حرارتی در احیای کربوترمی بسترهای کامپوزیتی هماتیت-گرافیت و تأثیر افزودنی­های آهن و آلومینیوم

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                                                                                                 صفحه

فهرست مطالب …………………………………………………………………………………………………………………………………………..  هشت

فهرست اشکال …………………………………………………………………………………………………………………………………………….. یازده

فهرست جداول …………………………………………………………………………………………………………………………………………. چهارده

چکیده ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… .. 1

فصل اول : مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………………………………….. .. 2

فصل دوم : مروری بر مطالب ………………………………………………………………………………………………………………………….. .. 6

2-1 احیای سنگ آهن…………………………………………………………………………………………………………………………………… .. 6

2-1-1 ترمودینامیک احیای سنگ آهن……………………………………………………………………………………………………………. .. 6

2-1-2 سینتیک و مکانیزم احیای اکسیدهای آهن با گاز (CO یا H₂ )………………………………………………………………………. 9

2-2 سینتیک و مکانیزم احیای اکسیدهای آهن با مواد کربن­دار (کامپوزیت­های اکسید آهن-کربن)…………………………… 11

2-2-1 واکنش بودوارد و عوامل مؤثر بر سرعت آن…………………………………………………………………………………………… 20

2-2-2 عوامل مؤثر بر سینتیک احیای کربوترمی اکسیدهای آهن در کامپوزیت اکسید آهن-کربن…………………………….. 21

2-3 روش­های بهبود سرعت فرایند احیای کربوترمی اکسیدهای آهن ­…………………………………………………………………… 30

2-3-1 اثر فعال­سازی مکانیکی……………………………………………………………………………………………………………………….. 31

2-3-2 عوامل افزودنی و تأثیر آن بر فرایند احیای کربوترمی………………………………………………………………………………… 33

2-4 جمع­بندی ……………………………………………………………………………………………………………………………………………..  39

فصل سوم: مواد و روش تحقیق………………………………………………………………………………………………………………………… 40

3-1 مواد و تجهیزات آزمون…………………………………………………………………………………………………………………………… 40

3-1-1 مواد اولیه………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 40

3-2 طراحی و ساخت تجهیزات………………………………………………………………………………………………………………………. 43

3-2-1 سیستم کوره………………………………………………………………………………………………………………………………………. 43

3-2-2 ترموکوپل…………………………………………………………………………………………………………………………………………. 43

3-2-3 سیستم ثبت دما…………………………………………………………………………………………………………………………………… 43

3-2-4 طراحی آزمایش………………………………………………………………………………………………………………………………… 44

3-3 سیستم آسیاکاری……………………………………………………………………………………………………………………………………. 46

3-4 نحوه کدگذاری نمونه­ها………………………………………………………………………………………………………………………….. 47

3-5 مشخصه­یابی………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 48

3-5-1 فازشناسی………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 48

3-5-2 بررسی مورفولوژی…………………………………………………………………………………………………………………………….. 48

3-6 روندنمای انجام تحقیق …………………………………………………………………………………………………………………………….  48

فصل چهارم: نتایج و بحث ……………………………………………………………………………………………………………………………….  50

4-1 بررسی پروفیل­های دمایی در بسترکامپوزیتی هماتیت-گرافیت (نمونه HG_0-0 )………………………………………………….. 50

4-1-1 بررسی اثر دما روی پروفیل دمایی مخلوط هماتیت-گرافیت (نمونه HG_0-0 )………………………………………………… 52

4-1-2 بررسی فازشناسی نمونه  HG_0-0…………………………………………………………………………………………………………….. 53

4-1-3 بررسی گرادیان­های دمایی  و اثر تخلخل در نمونه HG_0-0…………………………………………………………………………. 54

4-1-4  بررسی اثرافزایش نسبت گرافیت به هماتیت روی پروفیل دمایی نمونه HG_0-0………………………………………………. 57

4-2 اثر فعال سازی مکانیکی روی پروفیل­های دمایی………………………………………………………………………………………….. 58

4-2-1 تغییرات مورفولوژی مخلوط هماتیت-گرافیت آسیا شده………………………………………………………………………….. 59

4-2-2 بررسی پروفیل­های دمایی برای مخلوط هماتیت-گرافیت، 2 ساعت آسیاکاری شده (نمونه HG_0-2 )…………………. 61

4-2-3 بررسی پروفیل­های دمایی برای مخلوط هماتیت-گرافیت، 5 ساعت آسیاکاری شده (نمونه HG_0-5 )…………………. 65

4-2-4 بررسی پروفیل­های دمایی برای مخلوط هماتیت-گرافیت، 10 ساعت آسیاکاری شده (نمونه HG_0-10 )……………… 67

4-2-5 نقش انتقال حرارت جابه­جایی در نمونه­های آسیا شده………………………………………………………………………………. 70

4-2-6 بررسی اثر فعال­سازی مکانیکی هر یک از اجزای مخلوط پودری روی پروفیل­های دمایی………………………………. 71

4-3 اثر فشردگی بستر کامپوزیتی بر پروفیل­های دمایی………………………………………………………………………………………… 73

4-3-1 اثر فشردگی بستر در نمونه­های آسیا شده بر پروفیل­های دمایی…………………………………………………………………… 76

4-4 حضور آهن در مخلوط پودری هماتیت-گرافیت و تأثیر آن بر پروفیل­های دمایی (نمونه HGF_10-0 )………………………. 77

4-5 تأثیر همزمان آهن و فعال­سازی بر پروفیل­های دمایی…………………………………………………………………………………….. 79

4-5-1 بررسی پروفیل­های دمایی مخلوط هماتیت-گرافیت-10 درصد آهن، 2 ساعت آسیاکاری شده (نمونه HGF_10-2 )……… 80

4-5-2 بررسی پروفیل­های دمایی مخلوط هماتیت-گرافیت-10 درصد آهن، 5 ساعت آسیاکاری شده (نمونه HGF_10-5 )…….. 81

4-5-3 بررسی پروفیل­های دمایی مخلوط هماتیت-گرافیت-10درصد آهن، 10ساعت آسیاکاری شده (نمونه HGF_10-10 )……. 82

4-6 حضور آلومینیوم در مخلوط واکنش و تأثیر آن بر پروفیل­های دمایی………………………………………………………………. 85

نه

4-6-1 بررسی پروفیل­های دمایی مخلوط هماتیت-گرافیت-10 درصد آلومینیوم (نمونه HGA_10-0 )………………………………… 85

4-7 تأثیر همزمان آلومینیوم و فعال­سازی بر نمودارهای دمایی………………………………………………………………………………. 88

4-7-1 بررسی پروفیل­های دمایی مخلوط هماتیت-گرافیت-10درصد آلومینیوم، 2 ساعت آسیاکاری شده (نمونه HGA_10-2 )…     89

4-7-2 بررسی پروفیل­های دمایی مخلوط هماتیت-گرافیت-10درصد آلومینیوم، 5 ساعت آسیاکاری شده (نمونه HGA_10-5 )…     90

فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات ………………………………………………………………………………………………………………… 94

5-1 نتیجه­گیری ……………………………………………………………………………………………………………………………………………. 94

5-2 پیشنهادات ……………………………………………………………………………………………………………………………………………. 96

مراجع ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 97

فهرست شکل‌ها

عنوان                                                                                                                                     صفحه

شکل 2-1. نمودار فازی آهن- اکسیژن…………………………………………………………………………………………………………………… 7

شکل 2-2. سطح مقطع یک ذره متراکم هماتیتی که تاحدی احیا شده………………………………………………………………………….. 7

شکل 2-3. نمودار تعادلی Fe-C-O  به همراه واکنش بودوارد…………………………………………………………………………………….. 9

شكل 2-4. تصویر نمادین احیای اکسید آهن با گاز………………………………………………………………………………………………… 10

شکل 2-5. تصویر نمادین از مکانیزم انجام واکنش احیایی در کامپوزیت وستیت-کربن……………………………………………….. .12

شکل 2-6. دماهای اندازه­گیری شده در سطح و مرکز گندله هماتیت………………………………………………………………………… 14

شکل 2-7. دماها و درجه فلزی شدن اندازه­گیری شده درفواصل مختلف از مرکز بوته با اندازه مختلف از نمونه……………… 14

شکل 2-8. تصویر نمادین از راکتور آزمایشگاهی احیای کربوترمی توسط هوانگ ولو…………………………………………………. 15

شکل 2-9. دماها و درجه احیای مکانی محاسبه و اندازه­گیری شده به صورت تابعی از زمان واکنش………………………………. 16

شکل 2-10.تصویر نمادین از راکتور آزمایشگاهی توسط سان و لو…………………………………………………………………………… 17

شکل 2-11. دماها درجه احیای مکانی محاسبه و اندازه­گیری شده به صورت تابعی از زمان واکنش (الف) و (ب)…………… 18

شکل 2-12. نمودار وابستگی عوامل محدود کننده مؤثر بر ثابت سرعت واکنش بودوارد……………………………………………… 20

شکل 2-13. اثر دما بر سرعت و میزان واکنش احیای کربوترمی هماتیت…………………………………………………………………….. 21

شکل 2-14. تاثیر اندازه ذرات گرافیت بر سرعت احیای کربوترمی در دمای K 1323…………………………………………………. 22

شکل 2-15. تاثیر اندازه ذرات هماتیت روی سرعت احیا در دمای C^◦ 1100………………………………………………………………. 23

شکل 2-16. اثر نسبت وزنی اکسید آهن /زغال سنگ روی درجه احیای محاسبه شده اکسید آهن بر حسب زمان واکنش….. 24

شکل 2-17. اثر اندازه گندله بر درجه احیا و درجه فلزی گندله­های احیا شده…………………………………………………………….. 24

شکل 2-18. نمودار دمایی (T_S) و (T_C) بر حسب زمان واکنش برای گندله با قطر 3/15 میلی­متر………………………………………. 25

شکل 2-19. نمودار تغییر تخلخل  با درجه احیا و رابطه میان تخلخل با Ke/Ks  در طول احیا برای گندله (الف) و (ب)…….. 26

شکل 2-20. تأثیر دانسیته فشردگی روی دماها ودرجه احیای اندازه­گیری شده از مکان­های بستر(الف) و (ب)………………… 26

شکل 2-21. درجه گازی شدن کربن و شار CO محاسبه شده در بستر کامپوزیتی به برحسب زمان واکنش(الف) و (ب)……. 27

شکل2-22. گرمای مصرفی محاسبه شده واکنش­ها و اثر گرمای واکنش­ها  برحسب زمان واکنش (الف) و (ب)…………….. 28

شکل 2-23. شارگرمای محاسبه شده برحسب زمان واکنش و اثر مقدار هدایت حرارتی مؤثر بر درجه احیای(الف) و (ب).. 30

شکل 2-24. منحنی­های TG مربوط به نمونه های هماتیت- گرافیت آسیا شده در زمان های مختلف……………………………… 32

شکل 2-25. تصاویر SEM  از مخلوط هماتیت-گرافیت-10 درصد آهن برای 5 و 10 ساعت آسیاشده (الف) و (ب)……… 34

شکل2-26. منحنی­های TGL-DTA برای مخلوط هماتیت-گرافیت- 10 درصد آهن در زمان­های مختلف آسیاکاری…………….. 35

شکل 2-27. منحنی­های TGL-DTA برای مخلوط هماتیت-گرافیت در شرایط مختلف……………………………………………………… 37

شکل 2-28. تصاویر SEM از مخلوط هماتیت-گرافیت -10 درصد آلومینیوم برای  5 و10 ساعت آسیاشده (الف) و (ب)…………. 38

شکل 3-1. الگوی پراش پرتو ایکس پودر هماتیت مصرفی……………………………………………………………………………………… 41

شکل 3-2.  تصویر SEM حاصل از پودر گرافیت…………………………………………………………………………………………………… 42

شکل 3-3. الگوی پراش پرتو ایکس پودر گرافیت…………………………………………………………………………………………………. 42

شکل 3-4. نمای کلی از سیستم کوره…………………………………………………………………………………………………………………… 43

شکل 3-5. شماتیکی از بستر واکنش…………………………………………………………………………………………………………………….. 45

شکل 3-6. نمای بالایی از بستر واکنش…………………………………………………………………………………………………………………. 45

شکل3-7. نمای کلی از مجموعه تجهیزات آزمایش……………………………………………………………………………………………….. 46

شکل 3-8. نمایی از محفظه آسیا………………………………………………………………………………………………………………………….. 47

شکل 3-9. روند نمای انجام تحقیق………………………………………………………………………………………………………………………. 49

شکل 4-1. نمودارهای پروفیل دمایی مربوط به ترموکوپل­های مختلف برحسب زمان در نمونه HG_0-0……………………………………. 51

شکل 4-2. مقایسه پروفیل­های دمایی موقعیت ترموکوپل شماره 1 و2  نمونه  HG_0-0 و هماتیت خالص(H)………………………………. 52_{………………}

شکل 4-3. نمودارهای پروفیل دمایی مربوط به ترموکوپل­های مختلف برحسب زمان در نمونه HG_0-0 (حداکثردمای کوره ^◦C900) 53

شکل 4-4. نمودار الگوهای پراش حاصل از موقعیت­های مختلف نمونه HG_0-0………………………………………………………………… 54

شکل 4-5. نمودار گرادیان­های دمایی برحسب زمان برای نمونه HG_0-0…………………………………………………………………………. 55

شکل 4-6. نمودار پروفیل­های دمایی بر حسب فاصله از سطح داغ برای نمونه HG_0-0 در زمان­های مختلف…………………………….. 55

شکل 4-7. . تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی حاصل از موقعیت 1 برای نمونه  HG_0-0……………………………………………….. 56

شکل 4-8. نمودار پروفیل دمایی مربوط به ترموکوپل­های مختلف برحسب زمان در نمونه HG_0-0 با نسبت هماتیت-گرافیت 23/77. 57

شکل 4-9. نمودار الگوی پراش حاصل از موقعیت­ 3 برای نمونه HG_0-0 با نسبت هماتیت-گرافیت 23/77 و 18/82…………………… 58

شکل 4-10. تصاویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از مخلوط هماتیت-گرافیت فعال­سازی شده برای مدت زمان­های مختلف…… 60

شکل 4-11. نمودارهای پروفیل دمایی مربوط به ترموکوپل­های مختلف برحسب زمان در نمونه HG_0-2………………………………….. 62

شکل4-12. مقایسه پروفیل­ دمایی نمونه HG_0-2  با نمونه HG_0-0……………………………………………………………………………………… 62

شکل 4-13. نمودار الگوهای پراش حاصل از موقعیت­های مختلف نمونه HG_0-2………………………………………………………………. 63

شکل 4-14. نمودار گرادیان­های دمایی برحسب زمان برای نمونه HG_0-2……………………………………………………………………….. 63

شکل 4-15. مقایسه پتانسیل حرارتی ورودی به موقعیت 1برای نمونه­های  HG_0-0 و HG_0-2…………………………………………………. 64

شکل 4-16. مقایسه  نمودار پروفیل­های دمایی بر حسب فاصله از سطح داغ  برای نمونه­های  HG_0-0 و HG_0-2 ………………………… 64

شکل 4-17. نمودارهای پروفیل دمایی مربوط به ترموکوپل­های مختلف برحسب زمان در نمونه HG_0-5………………………………….. 65

شکل 4-18. مقایسه پروفیل­های دمایی نمونه HG_0-5  با نمونه HG_0-2……………………………………………………………………………….. 66

شکل 4-19. نمودار گرادیان­های دمایی برحسب زمان برای نمونه  HG_0-5………………………………………………………………………. 67

شکل 4-20. نمودارهای پروفیل­ دمایی بر حسب فاصله از سطح داغ برای نمونه  HG_0-5 در زمان­های مختلف…………………………… 67

شکل 4-21. نمودارهای پروفیل دمایی مربوط به ترموکوپل­های مختلف برحسب زمان در نمونه HG_0-10………………………………… 68

شکل 4-22. مقایسه پروفیل­های دمایی نمونه HG_0-10  با نمونه HG_0-5……………………………………………………………………………… 68

شکل 4-23. نمودار الگوهای پراش حاصل از موقعیت­های 3، 4 و 5 نمونه HG_0-10……………………………………………………………. 69

شکل 4-24. نمودار الگوهای پراش حاصل از موقعیت­های 1 و2 نمونه HG_0-10………………………………………………………………… 69

شکل 4-25. نمودار پروفیل­های دمایی موقعیت­های 4 و 5 برای نمونه­های آسیا شده………………………………………………………….. 70

شکل 4-26. نمودارهای پروفیل دمایی مربوط به ترموکوپل­های مختلف برحسب زمان در نمونه H₁₀G₀…………………………………. 72

شکل 4-27. نمودارهای پروفیل دمایی مربوط به ترموکوپل­های مختلف برحسب زمان در نمونه H₀G₁₀…………………………………. 72

شکل 4-28. مقایسه پروفیل­های دمایی نمونه H₁₀G₀  با  نمونه H₀G₁₀……………………………………………………………………………… 72

دوازده

شکل 4-29. نمودار الگوهای پراش حاصل از موقعیت 3 برای نمونه­های H₁₀G₀ و H₀G₁₀………………………………………………….. 73

شکل 4-30. نمودارهای پروفیل دمایی مربوط به ترموکوپل­های مختلف برحسب زمان برای نمونه (1.55)HG_0-0……………………… 74

شکل 4-31. مقایسه پروفیل­های دمایی نمونه (1.5)HG_0-0   با نمونه (1.2) HG_0-0………………………………………………………………. 75

شکل 4-32. مقایسه پروفیل­های دمایی نمونه (1.5)HG_0-2   با نمونه (1.2) HG_0-2………………………………………………………………. 76

شکل 4-33. مقایسه پروفیل­های دمایی نمونه (1.5)HG_0-10   با نمونه (1.2) HG_0-10……………………………………………………………. 77

شکل 4-34. نمودار الگوهای پراش حاصل از موقعیت­های 3 و 4 نمونه (1.5)HG_0-10………………………………………………………… 77

شکل 4-35. نمودارهای پروفیل دمایی مربوط به ترموکوپل­های مختلف برحسب زمان برای نمونه HGF_10-0……………………………. 78

شکل 4-36. مقایسه پروفیل­های دمایی نمونه HGF_10-0  با نمونه HG_0-0……………………………………………………………………………. 79

شکل 4-37. نمودارهای پروفیل دمایی مربوط به ترموکوپل­های مختلف برحسب زمان برای نمونه HG_10-2………………………………. 80

شکل 4-38. مقایسه پروفیل دمایی نمونه HGF_10-2  با نمونه HGF_10-0………………………………………………………………………………. 80

شکل 4-39. نمودار الگوهای پراش حاصل از موقعیت 3 برای نمونه­های HGF_10-2 ، HGF_10-0 و HG_0-2………………………………… 81

شکل 4-40. مقایسه پروفیل­های دمایی نمونه HGF_10-5 با نمونه HG_0-5…………………………………………………………………………….. 82

شکل 4-41. نمودارهای پروفیل دمایی مربوط به ترموکوپل­های مختلف برحسب زمان برای نمونه HGF_10-10…………………………… 82

شکل 4-42. مقایسه پروفیل­های دمایی نمونه  HGF_10-10با نمونه HG_10-5………………………………………………………………………… 83

شکل 4-43. نمودار الگوهای پراش حاصل از موقعیت­های مختلف نمونه HGF_10-10………………………………………………………….. 84

شکل 4-44. مقایسه گرادیان­های حرارتی در  موقعیت 2-1 از نمونه­های HGF_10-10 ، HGF_10-5 ، HGF_10-2 و HG_0-10……………….. 85

شکل 4-45. نمودارهای پروفیل دمایی مربوط به ترموکوپل­های مختلف برحسب زمان برای نمونه HGA_10-0…………………………… 86

شکل 4-46. مقایسه پروفیل­های دمایی نمونه HGA_10-0  با نمونه HG_0-0………………………………………………………………………….. 86

شکل 4-47. نمودار الگوهای پراش حاصل از موقعیت­های مختلف نمونه HGA_10-0………………………………………………………….. 87

شکل 4-48. نمودار الگوی پراش حاصل از موقعیت 1 نمونه HGA_10-0………………………………………………………………………. 87

شکل 4-49. نمودار الگوی پراش حاصل از موقعیت ­2 نمونه HGA_10-0………………………………………………………………………. 88

شکل 4-50. نمودارهای پروفیل دمایی مربوط به ترموکوپل­های مختلف برحسب زمان برای نمونه HGA_10-2…………………………… 89

شکل 4-51. نمودار گرادیان­های دمایی برحسب زمان برای نمونه HGA_10-2……………………………………………………………………. 90

شکل 4-52. نمودارهای پروفیل دمایی مربوط به ترموکوپل­های مختلف برحسب زمان برای نمونه HGA_10-5…………………………… 91

شکل 4-53. نمودار الگوهای پراش حاصل از موقعیت­های مختلف نمونه HGA_10-5…………………………………………………………… 92

شکل 4-54. نمودار گرادیان­های دمایی برحسب زمان واکنش برای نمونه  HGA_10-5………………………………………………………… 92

شکل 4-55. نمودارهای پروفیل دمایی مربوط به ترموکوپل­های مختلف برحسب زمان برای نمونه HGA_10-10 در دمای ^◦C1150….. 93

فهرست جداول

عنوان صفحه

جدول 2-1. مطالعات گزارش شده احیای اکسید آهن در کامپوزیت اکسید آهن-کربن………………………………………………. 18

جدول 2-2. اثر نسبت مولی کربن به هماتیت بر زمان 50% تکمیل فرایند احیا در دماهای مختلف ………………………………….. 23

جدول 3-1. مشخصات پودرهای به کاربرده شده در این پژوهش……………………………………………………………………………… 40

جدول 3-2. آنالیز پودر هماتیت………………………………………………………………………………………………………………………….. 41

جدول3-3. شرایط نمونه­های مورد آزمایش به همراه کد هر نمونه در فرایند آسیاکاری و احیا………………………………………. 48