PRZYKŁADY WYKORZYSTANIA ANALIZY TERMICZNEJ W BADANIACH INSTYTUTU METALURGII ŻELAZA

Transkrypt

1 32 Prace IMŻ 1 (2011) Janusz STECKO, Piotr RÓŻAŃSKI Instytut Metalurgii Żelaza PRZYKŁADY WYKORZYSTANIA ANALIZY TERMICZNEJ W BADANIACH INSTYTUTU METALURGII ŻELAZA W artykule przedstawiono możliwości analityczne nowo zakupionego urządzenia do analizy termicznej. W ramach pracy wykonano analizy termiczne surowców, materiałów w trakcie procesów stosowanych w obszarze tematyki realizowanych prac badawczych w Zespole Procesów Surowcowych Instytutu Metalurgii Żelaza. Słowa kluczowe: analiza termiczna, redukcja, wypalanie siarki, temperatura topnienia/krzepnięcia EXAMPLES OF USING THERMAL ANALYSIS IN RESEARCH OF THE INSTITUTE FOR FERROUS METALLURGY This article presents the analytical capabilities of the newly purchased thermal analysis equipment. As a part of the work, thermal analyses of raw materials and materials were carried out during the processes used in the field of the subject-matter of the research works conducted by the Primary Processing Group of the Institute for Ferrous Metallurgy. Key words: thermal analysis, reduction, sulphur burning, melting/solidification point 1. WSTĘP W listopadzie 2009 roku w Zespole BS uruchomiono stanowisko do analizy termicznej, w którego skład wchodzi analizator termiczny firmy NETZSCH model STA 449 F3 Jupiter rys. 1, umożliwiający analizy symultaniczne TG-DTA i zamiennie TG-DSC oraz sprzężony z nim kwadropulowy spektrometr masowy NETZSCH QMS 403 Aëolos (umożliwia analizę wydzielających się gazów podczas ogrzewania próbki za pomocą widm masowych w przedziale amu, maks. 64 kanały). Rys. 1. Analizator termiczny firmy NETZSCH model STA 449 F3 Jupiter sprzężony ze spektrometrem masowym NETZSCH QMS 403 Aëolos Fig. 1. NETZSCH thermal analyser, model STA 449 F3 Jupiter, coupled with NETZSCH QMS 403 Aëolos mass spectrometer Wybrane parametry techniczne analizatora STA 449 F3: Zakres temperatur C Zakres ważenia: 0 35 g Rozdzielczość: 1 μg (w całym zakresie) Dokładność kalorymetryczna ±3% Poziom szumów RMS dla trybu DSC nie większy niż 10 μw Czułość kalorymetryczna w trybie DSC co najmniej 1 μw Powtarzalność linii bazowej dla trybu DSC nie gorsza niż ±1 mw Liniowość linii bazowej dla trybu DSC nie gorsza niż ±2,5 mw Układ jest wyposażony w zautomatyzowany system próżniowy, zapewniający uzyskanie próżni min mbar Możliwość szybkiej wymiany przez użytkownika nośników próbek (TG-DTA, TG, TG-DSC) w zależności od zadań pomiarowych Szybkość grzania w zakresie od 0,01 do 50 K/min Analizator jest wyposażony w zestaw do pomiaru ciepła właściwego (wzorce kalibracyjne c p, oprogramowanie). Dokładność pomiaru ciepła właściwego: min. ±2% w zakresie temperatur min. RT 1400 C Analizator wyposażony jest w masowy kontroler przepływu gazów (również gazów korozyjnych), umożliwiający ich precyzyjny przepływ podczas analizy termicznej próbki (w azocie, argonie, helu, dwutlenku węgla, tlenku węgla i powietrza syntetycznego) Parametry analizatora gazów wydzielających się z próbki (QMS): Rodzaj detektora: kwadrupolowy Zakres pomiarowy amu: amu Rozdzielczość: < 0,5 amu

2 Prace IMŻ 1 (2011) Przykłady wykorzystania analizy termicznej w badaniach Czułość: > 1 ppm Liczba kanałów: max. 64 Oprogramowanie w pełni zintegrowane z oprogramowaniem analizatora termicznego, pozwalające na jednoczesny start obydwu urządzeń (z poziomu oprogramowania), zachowując tym samym pełną korelację temperatury i czasu. PRZYKŁADY ZASTOSOWANIA ANALIZY TERMICZNEJ W METALURGII W metalurgii analiza termiczna wykorzystywana jest do badań właściwości fizykochemicznych zarówno materiałów mineralnych, jak i metali i ich stopów. W grupie materiałów mineralnych wyróżnia się surowce (rudy metali, mieszanki spiekalnicze), materiały technologiczne i eksploatacyjne (materiały żużlotwórcze, topniki, nośniki węgla stosowane jako nawęglacze lub reduktory, składniki materiałów ogniotrwałych) oraz odpady i produkty uboczne procesów metalurgicznych. Za pomocą analizy termicznej można określić ubytki masy, zawartość wody, straty prażenia, temperatury przemian fizycznych (temperatury topnienia, krzepnięcia, krystalizacji), efekty cieplne reakcji egzo- i endotermicznych (wydzielone i pochłonięte ciepło), towarzyszące przemianom fizycznym i reakcjom chemicznym (rozkładu, utleniania i redukcji), parametry termodynamiczne jak ciepło właściwe, entalpia czy entropia. Na podstawie uzyskanych w ten sposób informacji można określić szereg właściwości technologicznych i dobierać parametry procesów technologicznych z udziałem analizowanych substancji [1]. Analiza termiczna może być wykorzystana między innymi do optymalizacji procesu redukcji metali z surowców metalonośnych. Przy jej pomocy można optymalizować składy mieszanek materiałów redukowanych dobierając rodzaj i ilość reduktora, a także atmosfery gazowej procesu jak też zakres temperaturowy procesu [1]. W przypadku metali i stopów analiza termiczna DTA lub DSC służy do określania temperatur i efektów cieplnych przemian, takich jak topnienie, przemiany fazowe oraz ciepła właściwego i entalpii ANALIZA TERMICZNA PROCESU SPALANIA PALIW WĘGLOWYCH Dla zobrazowania tego zastosowania do analizy wybrano dwa paliwa stałe stosowane w krajowych spiekalniach tj. koksik oraz antracyt. Analizę termiczną procesu rozkładu paliw zaprogramowano w ten sposób, aby możliwe było określenie zawartości wody, części lotnych, węgla pierwiastkowego oraz popiołu. Program temperaturowy składał się z dwóch etapów. Pierwszy etap polegał na ogrzewaniu próbki paliwa do 900 C w atmosferze gazu obojętnego, przy szybkości nagrzewania 15 C/min, a następnie po przekroczeniu 900 C, do przestrzeni wewnętrznej pieca zostało wprowadzone powietrze syntetyczne. W tym etapie szybkość nagrzewania została spowolniona, celem uzyskania całkowitego spalenia próbki paliwa w atmosferze powietrza. Szybkość nagrzewania ustalono na 2 C/min. Eksperyment zakończono w temperaturze 1000 C. Wyniki analizy termicznej dla koksiku i antracytu przedstawiono na rysunku 2a i 3a (krzywe TG) a kompleksowe termogramy TG/DTA wraz z wydzielaniem się CO 2 rys. 2b i 3b. Na krzywej TG koksiku (rys. 2a) można wyróżnić 3 przedziały spadku masy o różnej wielkości: pierwszy do około 105 C jest związany z odparowaniem wilgoci, strata masy ok. 1,2 %, drugi do 900 C związany jest z odpędzeniem części lotnych i wynosi 1,87%, trzeci po przekroczeniu temperatury 900 C związany ze spalaniem węgla. Po przekroczeniu temperatury 900 C i zmianie atmosfery z obojętnej na powietrze następuje spalanie węgla. Po spaleniu węgla, po zakończeniu eksperymentu, pozostało ok. 13% pierwotnej próbki, co odpowiada w przybliżeniu zawartości popiołu w koksiku. Całkowita strata masy wynosząca ok. 83,8% w zakresie temperatur od 900 C do 1000 C w przybliżeniu odpowiada zawartości węgla pierwiastkowego w analizowanej próbce koksiku. W tym czasie wydziela się CO 2 (rys. 2b). Spalaniu węgla towarzyszy znaczny efekt cieplny na krzywej DTA, osiągając swoje maksimum w temperaturze ok. 945 C. W przypadku próbki antracytu (rys. 3a) zawartość wilgoci wynosiła ok. 0,1%, części lotnych 3,6% a popiołu 15,6%. Strata masy przy tem- Rys. 2. Zależność zmiany masy od temperatury (TG) dla próbki koksiku oraz termiczna analiza różnicowa (DTA) i wyniki spektroskopii masowej (cząsteczka o masie 44) dla próbki koksiku Fig. 2. Relationship between change in mass and temperature (TG) for quick coke sample as well as differential thermal analysis (DTA) and mass spectroscopy results (molecule with molecular weight of 44) for quick coke sample

3 34 Janusz Stecko, Piotr Różański Prace IMŻ 1 (2011) Rys. 3. Zależność zmiany masy od temperatury (TG) dla próbki antracytu oraz termiczna analiza różnicowa (DTA) i wyniki spektroskopii masowej (cząsteczka o masie 44) dla próbki antracytu Fig. 3. Relationship between change in mass and temperature (TG) for anthracite sample as well as differential thermal analysis (DTA) and mass spectroscopy results (molecule with molecular weight of 44) for anthracite sample peraturze powyżej 900 C to ok. 80,7% i w przybliżeniu odpowiada zawartości węgla pierwiastkowego w analizowanej próbce antracytu. 2.2 ANALIZY TERMICZNE SUROWCÓW ŻUŻLOTWÓRCZYCH I PRODUKTÓW ŻUŻLOWYCH. Do analizy termicznej wybrano 4 materiały żużlotwórcze, tj. kamień wapienny, dolomit, oliwin oraz tzw. wapno palone mieszane. Te rodzaje kamienia wapiennego, dolomitu i wapna palonego są stosowane jako topniki w jednej z krajowych spiekalni, natomiast oliwin to materiał zawierający krzemiany magnezu, pochodzący z norweskiej kopalni firmy North Cape Mineral. Wapń w kamieniu wapiennym związany jest w CaCO 3, natomiast dolomit zawiera MgCO 3 oraz CaCO 3. Zawarte w oliwinie MgO występuje w postaci krzemianów. Wapno palone mieszane składa się głównie z tlenku wapnia CaO. Użyte do prób wapno palone prócz CaO zawiera także MgO, bowiem jest zmieszane z wapnem dolomitowym. Ten typ wapna palonego w spiekalni używany jest do sezonowania mieszanki spiekalniczej. Termogramy materiałów żużlotwórczych przedstawiono na rysunku 4 i 5. Analizę termiczną TG/DTA tych materiałów prowadzono w tych samych warunkach, tj. w atmosferze powietrza, ogrzewając je z szybkością 10 C/min aż do 1000 C. W trakcie prób analizowano również skład wydzielających się gazów za pomocą spektrometrii masowej. Analiza termiczna kamienia wapiennego (rys. 4a) charakteryzuje się jednym efektem endotermicznym w temperaturze ok. 900 C, podczas którego następuje rozkład CaCO 3 z wydzielaniem się CO 2. Odpowiada temu zmiana masy próbki o ok. 42% (strata prażenia) zarejestrowana na krzywej TG. Termogram dolomitu przedstawiony (rys. 4b) charakteryzuje się dwoma efektami endotermicznymi (krzywa DTA) w temperaturze ok. 790 C oraz 880 C, spowodowanymi reakcją rozkładu MgCO 3 i CaCO 3. Potwierdza to wzrost intensywności wydzielania się CO 2 w tych temperaturach. Reakcjom tym towarzyszy zmiana ciężaru próbki o 46%, (krzywa TG) w wyniku rozkładu tworzących go węglanów (straty prażenia). W analizie termicznej oliwinu można zaobserwować dwa efekty cieplne (rys. 5a) Pierwszy, endotermiczny ok. 104 C spowodowany jest odparowaniem wilgoci oraz drugi egzotermiczny w temperaturze ok. 825 C. Rys. 4. Zależność zmiany masy od temperatury (TG), termiczna analiza różnicowa (DTA) i wyniki spektroskopii masowej dla próbki kamienia wapiennego (a), dla próbki dolomitu (b) Fig. 4. Relationship between change in mass and temperature (TG), differential thermal analysis (DTA) and mass spectroscopy results for limestone sample (a) and dolomite sample (b)

4 Prace IMŻ 1 (2011) Przykłady wykorzystania analizy termicznej w badaniach Rys. 5. Zależność zmiany masy od temperatury (TG), termiczna analiza różnicowa (DTA) i wyniki spektroskopii masowej dla próbki oliwinu (a) i dla wapna palonego (b) Fig. 5. Relationship between change in mass and temperature (TG), differential thermal analysis (DTA) and mass spectroscopy results for olivine sample (a) and quicklime sample (b) Występowanie tego egzotermicznego piku jest związane z krystalizacją bezwodnych krzemianów z bezpostaciowych produktów dehydratacji. Przebieg omawianej krzywej DTA jest typowy dla zachowania się krzemianów [2]. Potwierdza to przebieg krzywej wydzielania się H 2 O w trakcie ogrzewania próbki oliwinu. Straty prażenia wyniosły 0,7% dla analizowanej próbki oliwinu. W przypadku wapna palonego (rys. 5b) stwierdzono 2 ubytki masy w temperaturze ok. 480 C i 755 C, a na krzywej DTA zaobserwowano 3 piki endotermiczne. Pierwszy pik związany jest z odparowaniem wody w temp. ok. 105 C. W przypadku dobrze przechowywanego wapna palonego w zasadzie nie powinno być wilgoci. W związku z tym, że próbka wapna palonego mieszanego pochodziła z partii wapna, które składowane było ok. pół roku, w wyniku częściowego kontaktu z powietrzem zaszła w nim ponowna karbonatyzacja oraz częściowe gaszenie wapna. Endotermiczny pik w temperaturze ok. 480 C związany jest z rozkładem Ca(OH) 2, czemu towarzyszy równocześnie ubytek masy o 4,3%, co potwierdza wzrost intensywności wydzielania się H 2 O. W temperaturze ok. 755 C następuje zaś wydzielanie się CO 2, co jest charakterystyczne dla rozkładu węglanów. Całkowita strata masy wynosi 6% i odpowiada stratom prażenia wapna. 2.3 ANALIZA TERMICZNA PROCESU WYPALANIA SIARKI Z ZUŻYTEGO KATALIZATORA Analiza termiczna sprzężona z równoczesną analizą składu uwalniających się gazów znajduje także wykorzystanie przy opracowywaniu technologii obejmujących obróbkę termiczną materiałów, w tym surowców pierwotnych i odpadów przemysłowych. Przy jej wykorzystaniu można określić między innymi temperatury usuwania wody związanej, rozkładu termicznego różnych związków (np. węglanów lub ropopochodnych) i wypalania siarki. Metoda ta pozwala także określić efekty cieplne oraz rodzaj emisji gazowych, występujących w czasie obróbki termicznej nieznanych materiałów i substancji. Tego typu analizy są przydatne np. w opracowywaniu technologii utylizacji odpadów. Przykładem takiej analizy wykonanej w celu określenia temperatury wypalania siarki ze zużytego katalizatora pochodzącego z procesów przemysłu petrochemicznego, przeznaczo- Rys. 6. Zależność zmiany masy od temperatury (TG), termiczna analiza różnicowa (DTA) i wyniki spektroskopii masowej (cząsteczki o liczbach masowych 18, 44 i 64) dla próbki zużytego katalizatora 1(a) i dla próbki zużytego katalizatora 2 (b) Fig. 6. Relationship between change in mass and temperature (TG), differential thermal analysis (DTA) and mass spectroscopy results (molecules with molecular weight of 18, 44 and 64) for spent catalyst 1 sample (a) and spent catalyst 2 sample (b)

5 36 Janusz Stecko, Piotr Różański Prace IMŻ 1 (2011) nego do utylizacji na drodze pirometalurgicznej na stop metali i materiał mineralny. Ze względu między innymi na dużą zawartość siarki materiał ten, zanim trafi do przetopu, musi zostać poddany procesowi jej usunięcia w wyspecjalizowanej instalacji do unieszkodliwiania odpadów. Na rysunkach 6a i 6b przedstawiono analizę termiczną zużytego katalizatora o różnym stopniu zasiarczenia. Wykonana analiza w mikroskali metodą TG/DTA + MS, pozwala na określenie wymaganej temperatury obróbki odpadu, względnie i innych parametrów takiej obróbki jak np. optymalnej atmosfery, czy też doboru koniecznych instalacji unieszkodliwiania produktów gazowych. Analizę termiczną wypalania zużytego katalizatora prowadzono w atmosferze powietrza z szybkością 10 C/min aż do osiągnięcia 800 C. W trakcie próby analizowano skład wydzielających się gazów. Analiza termiczna zużytego katalizatora ujawniła spadek masy próbki o ok. 8 10% ze wzrostem temperatury. Na krzywej TG można wyróżnić dwa etapy spadku masy o różnej wielkości i zachodzących z różną szybkością: pierwszy do około 470 C, drugi do około 650 C. Pierwszy ubytek związany jest z wydzielaniem się CO 2, a drugi z wydzielaniem się SO ANALIZA TERMICZNA MIESZANKI SPIEKALNICZEJ Mieszankę spiekalniczą do prób termicznych przygotowano według namiaru najczęściej stosowanego w jednej z krajowych spiekalni. Mieszanka wytypowana do badań charakteryzowała się dużym udziałem koncentratów magnetytowych (Lebiedyński oraz S-Gok) ok. 50%, a 30% udziału stanowiła z ruda hematytowa. Jako topniki zastosowano dolomit, kamień wapienny oraz wapno palone. Paliwo w postaci koksiku stanowi 4,5% udział w mieszance. Próby analizy termicznej mieszanki spiekalniczej wykonywano metodą TG/DTA w atmosferze powietrza do 1300 C. Szybkość nagrzewania wynosiła 10 C/min. Wyniki dwóch prób analizy termicznej TG/DTA mieszanki spiekalniczej zaprezentowano na rysunku 7a i b. W trakcie prób analizowano również skład wydzielających się gazów za pomocą spektrometrii masowej. Rys. 7. Zależność zmiany masy od temperatury (TG), termiczna analiza różnicowa (DTA) i wyniki spektroskopii masowej (cząsteczki o liczbach masowych 18 i 44) dla próbki mieszanki spiekalniczej (a) i (cząsteczki o liczbach masowych 46 i 64) dla próbki mieszanki spiekalniczej (b) Fig. 7. Relationship between change in mass and temperature (TG), differential thermal analysis (DTA) and mass spectroscopy results (molecules with molecular weight of 18 and 44) for sinter mix sample (a) and (molecules with molecular weight of 46 and 64) for sinter mix sample (b) Rys. 8. Zależność zmiany masy od temperatury (TG), termiczna analiza różnicowa (DTA) i wyniki spektroskopii masowej (cząsteczka o masie 32) dla próbki koncentratu lebiedyńskiego (a) i dla próbki koncentratu S-Gok (b) Fig. 8. Relationship between change in mass and temperature (TG), differential thermal analysis (DTA) and mass spectroscopy results (molecule with molecular weight of 32) for Lebedinsky concentrate sample (a) and S-Gok concentrate sample (b)

6 Prace IMŻ 1 (2011) Przykłady wykorzystania analizy termicznej w badaniach Analiza termiczna mieszanki spiekalniczej ujawniła spadek masy próbki ze wzrostem temperatury o ok. 8 9%. Na krzywej TG można wyróżnić następujące etapy zmiany masy o różnej wielkości: pierwszy, do około 105 C (ubytek masy w następstwie odparowania wilgoci), drugi, do około C (wzrost masy wynikający z utlenienia koncentratów magnetytowych. W tym etapie zaobserwowano również wzrost intensywności wydzielania się tlenków azotu rys. 7b, trzeci, powyżej 500 C (wynika z rozkładu węglanów w topnikach), czwarty powyżej 1000 C związany jest z wydzielaniem się produktów gazowych m.in. SO 2 rys 7b. Rys. 10. Zależność zmiany masy od temperatury (TG), termiczna analiza różnicowa (DTA) dla próbki spieku Fig. 10. Relationship between change in mass and temperature (TG), differential thermal analysis (DTA) for sinter sample Zmianom masy towarzyszą także efekty cieplne zarejestrowane na krzywej DTA. Pik endotermiczny obserwuje się w temperaturze ok. 105 C (odparowanie wody), po przekroczeniu ok. 360 C występuje endotermiczny pik z maksimum w temperaturze ok. 500 C. Prawdopodobnie wynikają one z utleniania składników koncentratów. Następnie zaobserwowano 2 egzotermiczne piki: pierwszy w zakresie temperatur C a drugi C. Ostatni niewielki pik na krzywej DTA, powyżej temperatury 1200 C najprawdopodobniej związany jest z wydzielaniem się siarki krzywa amu 64 na rys. 7b. Należy zaznaczyć, że wszystkie zjawiska obserwowane podczas ogrzewania próbki mieszanki spiekalniczej, są pochodną zmian obserwowanych w poszczególnych jej komponentach tj. w topnikach (rys. 4a i 4b), koksiku, koncentratach magnetytowych rys. 8 i w rudzie Kriwbas rys. 9. Analizę termiczną koncentratów rudnych i aglorudy Kriwbas prowadzono w identycznych warunkach jak topników, tj. metodą TG/DTA w atmosferze powietrza ze standardową szybkością nagrzewania 10 C/min do 1000 C. W przypadku koncentratów magnetytowych charakterystyczny jest wzrost masy spowodowany ich utlenianiem. W przypadku aglorudy Kriwbas występuje ubytek masy, odpowiadający w przybliżeniu stratom prażenia (reakcje rozkładu). Na rysunku 10 przedstawiono analizę termiczną spieku. Na krzywej TG zaobserwowano minimalny wzrost masy o ok. 3%, który wynika z częściowego utlenienia w atmosferze powietrza. Przebieg krzywej DTA jest w zasadzie bez znaczących zmian oprócz endotermicznego piku w temperaturze ok. 105 C wynikającego z odparowania wilgoci ANALIZA PROCESU REDUKCJI RUD ZA POMOCĄ REDUKTORÓW GAZOWYCH I STAŁYCH Z WYKORZYSTANIEM ANALIZATORA TERMICZNEGO Na rysunkach przedstawiono przykłady analizy termicznej mieszaniny materiałów żelazonośnych (rudy magnetytowej i hematytowej oraz materiału odpadowego w postaci zgorzeliny) z materiałem węglonośnym w postaci koksiku, prowadzonych w atmosferze CO 2. Analiza termiczna zgorzeliny (rys. 11), w skład której wchodzą wistyt i hematyt bez mała w stosunku 1:1 ujawniła spadek masy analizowanej próbki począwszy od temperatury około 800 o C. Szybkość spadku masy silnie wzrosła po przekroczeniu temperatury 1000 o C. Rys. 9. Zależność zmiany masy od temperatury (TG), termiczna analiza różnicowa (DTA) dla próbki aglorudy Kriwbas Fig. 9. Relationship between change in mass and temperature (TG), differential thermal analysis (DTA) for Krivbas agloore sample Rys. 11. Analiza termiczna mieszaniny zgorzeliny z koksikiem prowadzonej w atmosferze CO 2 Fig. 11. Thermal analysis of scale and quick coke mixture conducted in CO 2 atmosphere

7 38 Janusz Stecko, Piotr Różański Prace IMŻ 1 (2011) Rys. 12. Analiza termiczna mieszaniny rudy hematytowej (ruda brazylijska) z koksikiem prowadzonej w atmosferze CO 2 Fig. 12. Thermal analysis of hematite ore (Brazilian ore) and quick coke mixture conducted in CO 2 atmosphere Rys. 13. Analiza termiczna mieszaniny rudy magnetytowej (koncentrat) z koksikiem prowadzonej w atmosferze CO 2 Fig. 13. Thermal analysis of magnetite ore (concentrate) and quick coke mixture conducted in CO 2 atmosphere Analiza termiczna rudy hematytowej (rys. 12) ujawniła praktycznie stały spadek masy próbki ze wzrostem temperatury. Na krzywej TG można wyróżnić kilka przedziałów spadku masy o różnej wielkości i zachodzących z różną szybkością: pierwszy do około 100 C (odparowanie wody niezwiązanej), drugi do około 330 C, trzeci do około 800 C, oraz ostatni największy, powyżej 800 o C z silnym spadkiem masy po przekroczeniu temperatury około 950 o C. Analiza termiczna rudy magnetytowej (rys. 13.) ujawniła również spadek masy próbki ze wzrostem temperatury. Na krzywej TG można wyróżnić 4 etapy spadku masy o różnej wielkości i zachodzących z różną intensywnością: pierwszy do około 100 C (odparowanie wody niezwiązanej), drugi do około 470 C (dehydratyzacja), trzeci do około 800 C oraz ostatni największy, powyżej 800 C z silnym spadkiem masy po przekroczeniu temperatury około 1000 C. Oba ostatnie spadki masy związane są z procesem redukcji PRZYKŁADOWE ANALIZY TG-DSC Z ZAKRESU METALOZNAWSTWA W metaloznawstwie szczególnie przydatna jest skaningowa kalorymetria różnicowa (DSC). Jest ona jedną z technik badawczych analizy termicznej. Badania kalorymetryczne polegają na pomiarze różnicy strumienia cieplnego pochodzącego od próbki badanej i próbki referencyjnej w trakcie nagrzewania jakiemu jest poddawana badana substancja. Mają więc one zastosowanie do tych przemian, którym towarzyszy efekt cieplny. Najczęściej technikę tę stosuje się do wyznaczania temperatur likwidus i solidus, na podstawie których można konstruować układy równowagi. Określanie temperatur likwidus i solidus pokazano na przykładzie stopu Sn60Pb40 na rysunku 14. Przykład ten pokazuje możliwości śledzenia procesów topienia i krystalizacji jakie daje DSC. Najistotniejsze informacje jakich dostarcza w tym przypadku skaningowa kalorymetria różnicowa to: temperatura topnienia (krystalizacji), wielkość przegrzania (przechłodzenia) i zależność tych wielkości od warunków nagrzewania lub chłodzenia materiału. Stop Sn60Pb40 zaczyna się topić w momencie gwałtownego załamania krzywej kalorymetrycznej w punkcie 182,3 C i proces ten trwa do momentu osiągnięcia przez krzywą kalorymetryczną punktu oznaczonego temperaturą 187,1 C. Krzywa DSC w trakcie topnienia gwałtownie opada, ze względu na zwiększającą się różnicę między strumieniem ciepła próbki (która pomijając przegrzanie jest stała), a temperaturą otoczenia (pieca), która cały czas rośnie ze stałą szybkością, określoną w programie temperaturowym eksperymentu [3]. Po stopieniu całości próbki, jej temperatura może się podnieść i krzywa kalorymetryczna powraca do poziomu określonego przez pojemność cieplną ciekłego stopu Sn60Pb40. Powierzchnia piku jest proporcjonalna do masy i ilościowo odpowiada ciepłu topnienia badanej próbki i wynosi 52,49 J/g. W trakcie chłodzenia stopu Sn60Pb40 po osiągnięciu temperatury likwidus (182,3 C) materiał wydziela pewną ilość ciepła, która następnie zmniejsza się systematycznie w miarę przybywania fazy stałej w układzie. Po osiągnięciu temperatury 169,8 C (krzywa chłodzenia rys. 14), obserwuje się wzrost temperatury, pomimo, że otoczenie próbki chłodzi się ze stalą szybkością. Wzrost strumienia ciepła stopu wynika z dążności do zniwelowania skutków Rys. 14. Krzywe DSS nagrzewania i chłodzenia dla stopu SN60Pb40 Fig. 14. DSS heating and cooling curves for SN60Pb40 alloy

8 Prace IMŻ 1 (2011) Przykłady wykorzystania analizy termicznej w badaniach Rys. 15. Krzywe DSS dla amorficznego stopu Finemet (a) przemiany i krzywa DSC uzyskana podczas topienia amorficznego stopu Finemet (b) Fig. 15. DSS curves for amorphous Finemet alloy (a) transformations and DSC curve obtained when melting amorphous Finemet alloy (b) przechłodzenia i osiągnięcia równowagowej temperatury eutektycznej. Po dojściu do wartości 169,3 C, następuje całkowite skrystalizowania eutektyki. Temperatura 168,7 C oznacza zakończenie przemiany eutektycznej. Zmieniając szybkość chłodzenia ciekłego stopu w kalorymetrze, można bardzo łatwo określić zależność wielkości przechłodzenia od szybkości ochładzania materiału. W przypadku krzywej z rys. 14 wielkość przechłodzenia jest równe różnicy temperatur 169,8 i 169,3 C. Poza wyznaczeniem temperatury likwidusu i wielkości przechłodzenia można również oszacować ilość eutektoidu w stopie, poprzez obliczenie wielkości efektu energetycznego związanego z przemianą i odniesienie go względem masy próbki. Skaningową kalorymetrię różnicową DSC można również stosować do badania materiałów w stanie stałym do oznaczania różnego rodzaju przemian. Na rysunku 15a przedstawiono krzywą nagrzewania stopu Finemet w zakresie temperatur od 550 do 750 C. W zakresie tym stwierdzono trzy przemiany z wydzieleniem ciepła. Temperatura początku wydzielania energii dla pierwszej przemiany wynosi ok. 590 C, druga po przekroczeniu 620 C a trzecia przy ok. 670 C. Na rysunku 15b przedstawiono krzywą topienia amorficznego stopu Finemet. Z krzywej kalorymetrycznej stopu Finemet wynika że jego temperatura topnienia wynosi 1104,3 C, a stan ciekły osiągnął w temperaturze 1109,7 C. 3. PODSUMOWANIE W artykule przedstawiono analizy termiczne z wykorzystaniem nowego analizatora na przykładzie surowców, materiałów i procesów z obszaru tematyki realizowanych i planowanych prac badawczych w IMŻ. Analiza termiczna posłużyła między innymi do oceny jakości surowców mineralnych i paliw stałych. Dzięki niej można określić zawartość wody niezwiązanej i związanej, części lotnych, popiołu z węgla, a przy sprzężeniu z analizatorem QMS można zaobserwować wydzielanie się gazów. Dzięki badaniom w mikroskali można dobierać temperatury procesów i optymalizować skład atmosfery. Analizator termiczny wykorzystywany jest także do oznaczania temperatury topnienia i krzepnięcia stopów metali. Określono za jego pomocą temperatury przemian struktury krystalicznej stopu amorficznego. Metoda ta pomaga w ustalaniu optymalnych parametrów procesów, takich jak redukcja materiałów metalonośnych czy utleniania zanieczyszczeń, np. wypalanie siarki. Należy zaznaczyć, że w artykule przedstawiono tylko fragment możliwości badawczych analizy termicznej. Istnieje spore zainteresowanie analizą termiczną różnych materiałów, jak na przykład biomasa, tworzywa sztuczne, materiały ogniotrwałe i komponenty do ich wytwarzania, zgłaszane przez zewnętrzne jednostki naukowe, jak również przez przedsiębiorstwa produkcyjne. LITERATURA 1. M. Niesler, P. Różański, J. Stecko i inni: Rozwój metodyki badań i wyposażenia badawczego zespołu procesów surowcowych., Sprawozdanie IMŻ nr S0 0705/BS z grudnia 2009 r. 2. E. Gutkowska, M. Kowalewski, J. Żebrok: Próby zastąpienia dolomitu serpentynitem w procesie spiekania rud żelaza. Prace Instytutu Metalurgii Żelaza, nr 3-4, D. Schultze: Termiczna analiza różnicowa. PWN, Warszawa Recenzent: Prof. dr Tadeusz Bołd