مدل‌سازی، بررسی سینتیکی و تعیین مکانیزم‌های اکسیداسیون محصول "بریکت سرد آهن و کربن"

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی و علم مواد، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران.

2 استادیار، دانشکده مهندسی و علم مواد، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران.

چکیده

در پژوهش حاضر با استفاده از نتایج آزمون­های افت درجه فلزی محصولات آهن اسفنجی سرد (CDRI)، بریکت داغ آهن اسفنجی (HBI) و بریکت سرد آهن و کربن (CBIC) و به­کارگیری روش­ طراحی آزمایش­ها، به مدل­سازی رفتار اکسیداسیون آنها در شرایط محیطی پرداخته شد. همچنین آزمون­های اکسیداسیون 3 ماهه محصولات CDRI و CBIC در محیط با دماهای 25، 65 و °C110 و رطوبت­های نسبی 30 و 90 درصد انجام شد تا سینتیک و مکانیزم­های کنترل­کننده اکسیداسیون این محصولات مورد بررسی قرار گیرد. نتایج بدست آمده نشان داد که افزایش دمای محیط از 25 به °C65 باعث 2 تا 5/2 برابر شدن سرعت افت درجه فلزی محصولات خانواده آهن اسفنجی (DRI) می­گردد در حالی که افزایش دمای محیط به °C110، نرخ افت درجه فلزی را 3 تا 4 برابر محیط با دمای °C25 خواهد نمود. تغییر قابل توجه شیب نمودارهای اکسیداسیون محصولات خانواده DRI با گذشت زمان نشان­دهنده دو مرحله­ای بودن اکسیداسیون و تغییر در مکانیزم کنترل­کننده این فرآیند می­باشد. همچنین افزایش دمای محیط باعث تسریع در تغییر مکانیزم کنترل­کننده اکسیداسیون محصولات گردیده است که به سینتیک بالاتر واکنش­های اکسیداسیون در دماهای بالاتر و تسریع در تشکیل محصولات اکسیداسیون و انسداد تخلخل­های نزدیک به سطح نسبت داده می­شود. انرژی اکتیواسیون اکسیداسیون مرحله اول محصولات خانواده DRI در محدوده KJ/mole 138-105 قرار دارد که بیانگر کنترل فرآیند توسط مخلوط دو عامل نفوذ و انجام واکنش شیمیایی است. اما انرژی اکتیواسیون به مراتب پایین­تر مرحله دوم (KJ/mole 42-30) حاکی از این واقعیت است که نفوذ تنها عامل کنترل­کننده فرآیند اکسیداسیون در این مرحله است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Modeling, kinetics investigation and determining the controlling mechanisms of atmospheric oxidation of “Cold-Briquetted Iron and Carbon (CBIC)”

نویسندگان [English]

  • Pouyan Paknahad 1
  • Masoud Askari 2
1 PhD candidate, Department of Materials Science and Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran.
2 Assistant Professor, Department of Materials Science and Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran.
چکیده [English]

In this study, the atmospheric oxidation behavior of Cold Direct Reduced Iron (CDRI), Hot Briquetted Iron (HBI) and Cold Briquetted Iron and Carbon (CBIC) was modeled by obtained experimental results from oxidation tests using Design Of Experiments (DOE) method. 3-month oxidation tests at 25, 65 and 110 °C and relative humidity of 30 and 90% were also done on CDRI and CBIC to study the kinetics and determine the controlling mechanisms of their oxidation process. The results showed that increasing the environmental temperature from 25 to 65 °C raises oxidation rate 2 to 2.5 times. Moreover, raising the temperature from 25 to 110 °C makes the oxidation rate larger up to 4 times. On the other hand, changing the controlling mechanism of oxidation of Direct Reduced Iron (DRI) family products took place sooner at higher temperatures. This is due to the higher kinetics of oxidation reactions at higher temperatures which accelerates the formation of oxidation products and blocking the pores near the surface. Activation energy of the first stage oxidation of CDRI and CBIC was measured in the range of 105-138 KJ/mole indicating the process was mixed-controlled (by chemical reaction and diffusion). But, the much lower activation energy of the second stage (30-42 KJ/mole) showed that diffusion was the only controlling factor of this process.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Cold-Briquetted Iron and Carbon
  • Oxidation modelling
  • Oxidation kinetics
  • Activation Energy
[1] M. Kirschen, K. Badr and H. Pfeifer, “Influence of direct reduced iron on the energy balance of the electric arc furnace in steel industry”, Energy, vol. 36, pp. 6146-6155, 2011.
[2] S. K. Dutta, A. B. Lele and N. K. Pancholi, “Studies on direct reduced iron melting in induction furnace”, Trans. Indian Inst. Met., vol. 57, no. 5, pp. 467-473, 2004.
[3] M. Abel and M. Hein, “The use of scrap substitutes like cold/hot DRI and hot metal in electric steelmaking”, Arch. Met. Mat., vol. 53, pp. 353-357, 2008.
[4] “2019 World Direct Reduction Statistics”, Midrex Technol. Incorporation, 2020.
[5] S. H. Anderson, “Educated use of DRI/HBI improves EAF energy efficiency and yield and downstream operating results”, 7th Europ. Electr. Steelmak. Conference, pp. 26-39, 2002.
[6] D. Trotter, D. Varcoe, R. Reeves and S. H. Anderson, “Use of HBI-DRI for Nitrogen control in steel products”, 60th Electr. Furn. Conference, pp. 687-702, 2002.
[7] C. M. Ravenscroft, “Increasing HBI capacity for the merchant market”, Midrex Technol. Incorporation, 2016.
]8[ "مطالعات طرح جامع فولاد کشور- پایش سال 1398"، شرکت ملی فولاد و شرکت مهندسی بین­المللی فولاد تکنیک، اسفند 1398.
[9] D. Durnovich, “The basics of DRI plant safety”, Midrex Technol. Incorporation, 2019.
[10] “Carriage of DRI by sea - changes to the IMO code of safe practice for solid bulk cargo”, The Swedish club, 2010.
[11] S. S. Abdelmomen, “Reoxidation of direct reduced iron in ambient air”, Ironmak. Steelmak., vol. 41, pp. 107-111, 2014.
]12[ پویان پاک­نهاد، "بررسی سیاست وزارت صمت در خصوص ایجاد ظرفیت فولادی در کشور با توجه به بازارهای صادراتی و مزیت نسبی در حلقه­های مختلف زنجیره ارزش"، مرکز پژوهش­های مجلس شورای اسلامی- دفتر مطالعات انرژی، صنعت و معدن، 1397.
[13] P. Paknahad, M. Askari and S. A. Shahahmadi, “Cold‑Briquetted Iron and Carbon (CBIC): investigation of the influence of environmental condition on its chemical and physical properties”, J. Sustainable Metall., vol. 5, pp. 497-509, 2019.
[14] A.V. Rojo, A. Picon and E. Barco, “New method for estimating economic penalties on Hot Briquetted Iron due to material degradation during storing”, Ironmak. Steelmak., vol. 46, no. 10, pp. 928-936, 2019.
[15] P. K. Sharma, N. S. Rajput and S. Jain, “Reoxidation of sponge iron is an exothermic process due to removal of Hydrogen”, Int. J. Adv. Res. Sci. Eng., vol. 1, no. 1, 2012.
[16] A. Bandopadhyay, A. Ganguly and K. K. Prasad, “Evaluation of oxidation behavior of Direct reduced Iron”, Trans. Indian Inst. Met., vol. 39, no. 6, pp. 551-555, 1986.
[17] N. Towhidi, “Reoxidation rate of sponge iron pellets, briquettes and iron powder compressed to various compressions in air”, Int. J. Eng., vol. 1, pp. 111-116, 1988.
[18] A. Bandopadhyay, A. Ganguly, K. K. Prasad, S. B. Sarkar and H. S. Ray, “Determination of kinetic parameters for the reoxidation of direct reduced iron under rising temperature conditions”, Thermochim. Acta, vol. 228, pp. 271-281, 1993.
[19] C. M. Ravenscroft, R. Hunter and F. Griscom, “A guide for maintaining the value of DRI”, Midrex Technol. Incorporation, 2016.
[20] J. McKay, R. Archer, V. Sahajwalla, D. Young and T. Honeyands, “Reoxidation of hot briquetted iron in salt water”. Met. Mat. Trans. B, vol. 31, pp. 1133-1135, 2000.
[21] P. Kaushik and R.J. Fruehan, “Behavior of direct reduced iron and hot briquetted iron in the upper blast furnace shaft: Part I. fundamentals of kinetics and mechanism of oxidation”, Met. Mat. Trans. B, vol. 37, pp. 715-725, 2006.
[22] J. Gray, N. S. Haudhury and V. Sahajwalla, “Characterisation and corrosion of laboratory scale briquettes of reduced iron”, Iron Steel Inst. Jpn. Int., vol. 42, pp. 826-833, 2002.
[23] J. Gray, V. Sahajwalla and R. Paramguru, “Kinetics and mechanism of corrosion of laboratory hot briquetted iron”, Met. Mat. Trans. B, vol. 36, pp. 613-621, 2005.
[24] A. Bandopadhyay, A. Ganguly, K. N. Gupta and H. S. Ray, “Investigations on the anomalous oxidation behavior of high-carbon gas-based DRI”, Thermochim. Acta, vol. 276, pp. 199-207, 1996.
[25] A. Bandopadhyay, A. Ganguly and K. K. Prasad, “Low- and high-temperature reoxidation of direct reduced iron: a relative assessment”, Reac. Sol., vol. 8, pp. 77-89, 1990.
[26] A. Bandopadhyay, A. Ganguly, K. K. Prasad, S. B. Sarkar and H. S. Ray, “Thermogravimetric studies on the reoxidation of DRI at high temperatures”, Iron Steel Inst. Jpn. Int., vol. 29, no. 9, pp. 753-760, 1989.
[27] H. S. Ray, “Some factors that lead to uncertainties in kinetics studies in metallurgy”, J. Therm. Anal., vol. 36, pp. 743-764, 1990.
[28] K. Kamiya and M. Tanaka, “Reoxidation of Cold and Hot Pressed Briquets Made of Reduced Ore Powder”, Trans. Iron Steel Inst. Jpn., vol. 21, pp. 383-390, 1981.
[29] P. Kaushik and R. J. Fruehan, “Behavior of direct reduced iron and hot briquetted iron in the upper blast furnace shaft: Part II. a model of oxidation”, Met. Mat. Trans. B, vol. 37, pp. 727-732, 2006.
[30] N. Birks and A. G. Alabi, “Mechanisms in corrosion induced auto ignition of direct reduced iron”, 70th Int. Steelmak. Conference, 1987.
[31] D. C. Montgomery, Design and analysis of experiments, 5th edition, New York: John Wiley and Sons Publication, 2001.
[32] R. L. Mason, R. F. Gunst and J. L. Hess, Statistical design and analysis of experiments, 2nd edition, Missouri: John Wiley and Sons Publication, 2003.
[33] O. Levenspiel, chemical reaction engineering, 3rd edition, New York: John Wiley and Sons Publication, 1999.
[34] J. E. House, principles of chemical kinetics, 2nd edition, Amsterdam: Elsevier, 2007.
[35] A. Chatterjee and R. Singh, Metallics for Steelmaking: Production and Use, New Delhi: Allied Publishers Limited, 2001.
[36] A. Chatterjee, Sponge iron production by direct reduction of iron oxide, New Delhi: PHI Learning Private Limited, 2010.
[37] A. Sarangi and B. Sarangi, Sponge iron production in rotary kiln, New Delhi: PHI Learning Private Limited, 2011.