| Published: 

Alumiini- ja mangaanimalmin rakeisen seoksen energeettiset vaikutukset

Johdanto

Alumiinimangaanimalmista valmistettua rakeista käytetään pääasiassa metallurgisessa teollisuudessa. Se toimii raaka-aineena alumiini- ja mangaaniseosten valmistuksessa. Näitä seoksia käytetään erilaisissa sovelluksissa auto-, ilmailu-, rakennus- ja elektroniikkateollisuudessa. Joissakin tapauksissa alumiinimangaanimalmirakeita käytetään myös terästeollisuudessa tiettyjen terästyyppien seosaineena ominaisuuksien, kuten lujuuden ja korroosionkestävyyden, parantamiseksi.

Mittausolosuhteet

Energiset vaikutukset mitattiin dynaamisella korkean lämpötilan differentiaalikalorimetrillä, NETZSCH malli DSC 404 F1 Pegasus® . Ylhäältä ladattava järjestelmä mahdollistaa mittaukset huoneenlämpötilasta 1650 °C:een. Sovelluksesta riippuen voidaan käyttää erilaisia DSC- tai DTA-antureita, jotka käyttäjä voi helposti vaihtaa. Vastaavia antureita varten on saatavilla erilaisia termoparityyppejä (E, K, S ja B), joiden valinta riippuu lämpötila-alueesta ja vaaditusta herkkyydestä. Laite on tyhjiötiivis ja mahdollistaa siten mittaukset puhtaassa inertissä kaasussa tai hapettavassa ilmakehässä. Lämmitysnopeus voi olla jopa 50 K/min. Ohjelmisto mahdollistaa alkamis- ja huippulämpötilan, käännepisteiden, piikin pinta-alan integroinnin ja muiden laskelmien tekemisen. Mittausparametrit on lueteltu taulukossa 1.

Taulukko 1: Mittausparametri

LaiteDSC 404 F1 Pegasus®
Anturi/anturin tyyppiDSC Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.cp, tyyppi S
UuniRodium
UpokkaatBoorinitirdi (BN), jossa on lävistetty kansi ja Al2O3-levyt upokkaan ulkopohjan ja anturin välissä
LämpötilaohjelmaRT-1650 °C
Lämmitysnopeus20 K/min
Näytteen paino30,748 mg
KalibrointistandardiSapphire

Mittaustulokset ja keskustelu

Mittausta varten alumiini ja mangaanimalmi (jauhettu) sekoitettiin suhteessa 1:1 ja kuumennettiin 1650 °C:een lämmitysnopeudella 20 K/min argonilmakehässä ja BN-astiassa, jossa oli lävistetty kansi. Kuvassa 1 esitetään DSC-signaali, jossa on selvästi havaittavissa energeettisiä vaikutuksia lämpötilan kasvaessa.

Kaksi hieman päällekkäistä endotermistä vaikutusta havaitaan huippulämpötiloissa 612 °C ja 674 °C (ks. suurennettu kuva kuvassa 2). Näiden endotermisten vaikutusten kokonaisentalpia on 216 J/g. Tämä kokonaisvaikutus johtuu todennäköisesti alumiinirakeen tai -osan sulamisesta. Toinen EndoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on endoterminen, jos muuntumiseen tarvitaan lämpöä.endoterminen vaikutus havaitaan huippulämpötilassa 912 °C.

DSC-käyrä, joka havainnollistaa mangaanimalmin ja alumiinirakeiden seoksen lämpöanalyysia ja jossa korostuvat keskeiset lämpötilapiikit ja lämpövirtaukset.
1) Mangaanimalmin ja alumiinirakeen näyteseoksen DSC-käyrä (suhteessa 1:1) lämmitysnopeudella 20 K/min.
Yksityiskohtainen DSC-käyrä, jossa lämpöpiikit ovat 611,6 °C:ssa ja 673,9 °C:ssa 500 °C:n ja 800 °C:n välillä.
2) DSC-käyrän leikkaus lämpötila-alueella 500 °C - 800 °C.

Yli 1000 °C:n lämpötilan yläpuolella voidaan havaita large päällekkäinen EksoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on eksoterminen, jos siinä syntyy lämpöä.eksoterminen vaikutus, jonka kokonaisentalpia on -1554 J/g, huippulämpötiloissa 1217 °C ja 1362 °C. Olkapäinä havaittava päällekkäisyys johtuu todennäköisesti näyteseoksessa tapahtuvasta reaktiosta. Kyseessä on termiitin kaltainen reaktio [1]. Mangaanimalmi reagoi sulan alumiinin kanssa korkeammissa lämpötiloissa pelkistymällä. Tämä tarkoittaa, että mangaani reagoi alumiinin kanssa, jolloin happi poistuu ja muodostuu metallista mangaania. Reaktio tapahtuu alkuaineiden välisen termodynaamisen reaktiivisuuden mukaisesti.

MnO2 + Al → Mn + Al2O3

Erityiset reaktio-olosuhteet riippuvat mangaanimalmin tarkasta koostumuksesta ja lämpötilasta. Tämä EksoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on eksoterminen, jos siinä syntyy lämpöä.eksoterminen vaikutus, jonka entalpia on -1554 J/g, laajenee laajalla, yli 500 °C:n lämpötila-alueella. Mittauksen päätteeksi näyte punnitaan uudelleen. Massahäviö on ~ 5 %.

Yhteenveto

DSC 404 F1 Pegasus® pystyy suorittamaan termoanalyyttisiä tutkimuksia korkeissa lämpötiloissa, joten sillä voidaan analysoida materiaaleja äärimmäisissä lämpöolosuhteissa. Lisäksi large reaktioentalpioiden kuvaaminen ja karakterisointi, kuten edellä olevassa esimerkissä on esitetty, on mahdollista tällä vankalla mutta myös erittäin herkällä laitteella.

Energiavaikutuksia ja tilamuutoksia voidaan mitata ja analysoida tarkasti, jolloin tutkijat saavat arvokasta tietoa erilaisten materiaalien lämpökäyttäytymisestä ja stabiilisuudesta laajalla lämpötila-alueella.

Tätä laitetta käytetään laajalti esimerkiksi materiaali- ja geotieteissä tai metalli-, teräs- ja keramiikkateollisuudessa, eli aloilla, joilla materiaalien termisten ja termofysikaalisten ominaisuuksien ymmärtäminen ja tunteminen on ratkaisevaa tuotekehityksessä, prosessien optimoinnissa ja laadunvalvonnassa.

Literature

  1. [1]
    Artur Kudyba, Shahid Akhtar, Inge Johansen ja Jafar Safarian: Materiaalit 2021, 14, 356. https://doi.org/ 10.3390/ma14020356)