مقدمة
تُستخدم الحبيبات المصنوعة من خام المنجنيز والألومنيوم بشكل رئيسي في صناعة المعادن. ويُستخدم كمادة خام لإنتاج سبائك الألومنيوم والمنغنيز. وتستخدم هذه السبائك في تطبيقات مختلفة في صناعات السيارات والفضاء والبناء والإلكترونيات. وفي بعض الحالات، تُستخدم حبيبات خام المنجنيز والألومنيوم أيضًا في صناعة الصلب كمادة مضافة للسبائك لأنواع معينة من الصلب، لتحسين الخصائص مثل القوة ومقاومة التآكل.
شروط القياس
تم قياس التأثيرات النشطة باستخدام مسعر تفاضلي ديناميكي عالي الحرارة من طراز NETZSCH DSC 404 F1 Pegasus®. يسمح نظام التحميل العلوي بالقياسات من درجة حرارة الغرفة إلى 1650 درجة مئوية. واعتمادًا على التطبيق، يمكن استخدام مستشعرات DSC أو DTA مختلفة؛ ويمكن للمشغل تبديلها بسهولة. بالنسبة لأجهزة الاستشعار المقابلة، تتوفر أنواع مختلفة من المزدوجات الحرارية (E وK وS وB)، ويعتمد اختيارها على نطاق درجة الحرارة والحساسية المطلوبة. الجهاز محكم التفريغ، وبالتالي يسمح بإجراء القياسات تحت غاز خامل نقي أو جو مؤكسد. معدلات تسخين تصل إلى 50 كلفن/الدقيقة ممكنة. يتيح البرنامج إمكانية حساب درجة حرارة البداية ودرجة حرارة الذروة، ونقاط الانعطاف، وتكامل منطقة الذروة والمزيد. معلمات القياس مدرجة في الجدول 1.
الجدول 1: معلمة القياس
| الأداة | DSC 404 F1 بيجاسوس 404 F1 |
| نوع المستشعر/المستشعر | DSC cp، النوع S |
| الفرن | الروديوم |
| البوتقات | نيتيرد البورون (BN) بغطاء مثقوب وأقراص Al2O3 بين قاع البوتقة الخارجية والمستشعر |
| برنامج درجة الحرارة | RT إلى 1650 درجة مئوية |
| معدل التسخين | 20 كلفن/دقيقة |
| وزن العينة | 30,748 مجم |
| معيار المعايرة | الياقوت الأزرق |
نتائج القياس والمناقشة
وللقياس، تم خلط الألومنيوم وخام المنجنيز (المطحون) بنسبة 1:1 وتم تسخينهما إلى 1650 درجة مئوية بمعدل تسخين 20 كلفن/الدقيقة باستخدام جو أرغون وبوتقة BN ذات غطاء مثقوب. يُظهر الشكل 1 إشارة التذبذب الحراري الكهرومغناطيسي DSC التي تظهر بوضوح تأثيرات حيوية واضحة مع زيادة درجة الحرارة.
ويلاحظ وجود تأثيرين متداخلين قليلًا في درجات الحرارة القصوى عند درجة حرارة 612 درجة مئوية و674 درجة مئوية (انظر العرض الموسع في الشكل 2). ويبلغ إجمالي الإنثالبي الكلي لهذه التأثيرات الماصة للحرارة 216 جول/غرام. وربما يرجع هذا التأثير الكلي إلى ذوبان حبيبات الألومنيوم أو جزء منها. تم اكتشاف تأثير ماص للحرارة آخر عند درجة حرارة قصوى تبلغ 912 درجة مئوية.
وفوق 1000 درجة مئوية، يمكن رؤية تأثير حراري خارجي متداخل كبير مع إنثالبي كلي يبلغ -1554 جول/غم عند درجات حرارة الذروة 1217 درجة مئوية و1362 درجة مئوية. ويرجع التداخل، الذي يمكن التعرف عليه على شكل أكتاف، على الأرجح إلى تفاعل داخل خليط العينة. يحدث تفاعل شبيه بالثرمايت [1]. يتفاعل خام المنجنيز مع الألومنيوم المنصهر عند درجات حرارة أعلى عن طريق الاختزال. ويعني ذلك أن المنجنيز يتفاعل مع الألومنيوم، مما يؤدي إلى إزالة الأكسجين لتكوين المنجنيز المعدني. يحدث التفاعل وفقًا للتفاعل الديناميكي الحراري بين العنصرين.
MnO2 + Al → Mn + Al2O3
تعتمد ظروف التفاعل المحددة على التركيب الدقيق لخام المنجنيز ودرجة الحرارة. ويتمدد هذا التأثير الطارد للحرارة مع إنثالبي -1554 جول/غرام على نطاق واسع من درجات الحرارة يزيد عن 500 درجة مئوية. في نهاية القياس، يُعاد وزن العينة. يتم تحديد فقدان الكتلة بنسبة 5٪ تقريبًا.
الملخص
وبفضل القدرة على إجراء فحوصات التحليل الحراري في درجات حرارة عالية، يسمح DSC 404 F1 Pegasus® بإجراء تحليلات على المواد في ظل الظروف الحرارية القاسية. وعلاوة على ذلك، فإن تصوير وتوصيف إنثالبي التفاعل الكبير وتوصيفه، كما هو موضح في المثال أعلاه، ممكن باستخدام هذه الأداة القوية والحساسة للغاية.
يمكن قياس التأثيرات الحيوية وتغيرات الحالة وتحليلها بدقة، مما يوفر للباحثين رؤى قيمة حول السلوك الحراري والاستقرار الحراري لمجموعة واسعة من المواد على نطاق واسع من درجات الحرارة.
تُستخدم هذه الأداة على نطاق واسع في مجالات مثل علوم المواد والعلوم الجيولوجية أو الصناعات المعدنية/الفولاذية والسيراميك؛ أي في المجالات التي يكون فيها فهم ومعرفة كل من الخصائص الحرارية والفيزيائية الحرارية للمواد أمرًا حاسمًا لتطوير المنتجات وتحسين العمليات ومراقبة الجودة.