تخلخل گندله(مروری بر روش های سنجش )

تخلخل گندله به عنوان یکی از مهم‌ترین پارامترهای کیفی در صنایع فولادسازی شناخته می‌شود که تأثیر مستقیمی بر احیاپذیری، استحکام مکانیکی و کیفیت نهایی آهن اسفنجی دارد. در این مقاله به بررسی جامع روش‌های استاندارد اندازه‌گیری تخلخل گندله، مبانی علمی آنها و کاربردهای صنعتی می‌پردازیم.

مقدمه: اهمیت تخلخل در گندله‌سازی

تخلخل گندله به عنوان نسبت حجم حفره‌های خالی به حجم کل گندله تعریف می‌شود و نقش حیاتی در فرآیندهای متالورژیکی ایفا می‌کند. گندله‌های با تخلخل مناسب (معمولاً 20-30%) تعادل مطلوبی بین استحکام مکانیکی و احیاپذیری ایجاد می‌کنند. افزایش تخلخل باعث بهبود نفوذپذیری گازهای احیاکننده می‌شود اما از طرف دیگر استحکام گندله را کاهش می‌دهد . این پارامتر به عوامل متعددی از جمله اندازه ذرات کنسانتره سنگ آهن، نوع و مقدار مواد افزودنی (مانند بنتونیت)، روش گندله‌سازی و پارامترهای پخت بستگی دارد .

روش‌های مستقیم اندازه‌گیری تخلخل

    1. روش جابجایی مایع (روش پیرکنومتری)

این روش بر اساس اصل ارشمیدس و یکی از متداول‌ترین روش‌های اندازه‌گیری تخلخل در صنعت گندله محسوب می‌شود. در این روش:

• ابتدا وزن خشک گندله (Wdry) اندازه‌گیری می‌شود

• سپس گندله در یک مایع غیرمخرب (معمولاً آب یا روغن) غوطه‌ور شده و وزن آن در حالت اشباع (Wsat) ثبت می‌گردد

• وزن گندله هنگام غوطه‌وری در مایع (Wimm) نیز اندازه‌گیری می‌شود

تخلخل (φ) از رابطه زیر محاسبه می‌شود:

φ = (Wsat – Wdry) / (Wsat – Wimm)

مزایا: سادگی، هزینه پایین، تکرارپذیری مناسب
معایب: نیاز به اشباع کامل نمونه، امکان تخریب نمونه‌های ضعیف

    2. روش جابجایی جیوه

در این روش که برای نمونه‌های با تخلخل کم دقیق‌تر است:

• حجم کلی گندله با اندازه‌گیری میزان جیوه جابجا شده تعیین می‌شود

• سپس با استفاده از دانسیته واقعی مواد (معمولاً 2.65 g/cm3 برای کانی‌های آهن) ، حجم جامد محاسبه می‌گردد

• تخلخل از تفاوت حجم کل و حجم جامد به دست می‌آید

این روش در استاندارد ASTM D4404 تعریف شده و برای گندله‌های پخته شده کاربرد دارد 15.

روش‌های غیرمستقیم اندازه‌گیری تخلخل

    1. روش تخلخل‌سنجی گاز (هلیوم پیرکنومتری)

این روش بر اساس قانون بویل-ماریوت عمل می‌کند:

• گندله در محفظه‌ای با حجم مشخص (V1) قرار می‌گیرد

• گاز هلیوم به عنوان گاز ایده‌آل استفاده می‌شود

• با اندازه‌گیری تغییرات فشار در دو محفظه متصل به هم، حجم واقعی جامد محاسبه می‌شود

• تخلخل از نسبت تفاوت حجم کل و حجم جامد به حجم کل به دست می‌آید 15

مزیت: دقت بالا، اندازه‌گیری سریع، غیرمخرب بودن
کاربرد: بیشتر در تحقیقات آزمایشگاهی و کنترل کیفی پیشرفته

    2. روش آنالیز تصویری (Image Analysis)

در این روش پیشرفته:

• سطح مقطع گندله با میکروسکوپ نوری یا الکترونی تصویربرداری می‌شود

• نرم‌افزارهای تخصصی (مانند ImageJ) درصد سطح حفره‌ها را محاسبه می‌کنند

• با فرض تصادفی بودن توزیع حفره‌ها، تخلخل حجمی برابر با تخلخل سطحی در نظر گرفته می‌شود

کاربرد ویژه: بررسی توزیع حفره‌ها و ارتباط آن با خواص مکانیکی

روش‌های صنعتی متداول در گندله‌سازی

    1. روش چگالی ظاهری و حقیقی

این روش که در بسیاری از کارخانه‌های گندله‌سازی مانند مجتمع چادرملو استفاده می‌شود شامل مراحل زیر است:

1. اندازه‌گیری چگالی ظاهری (ρbulk): وزن گندله تقسیم بر حجم کل (شامل حفره‌ها)

2. تعیین چگالی حقیقی (ρparticle): با خرد کردن گندله و اندازه‌گیری حجم واقعی مواد

3. محاسبه تخلخل از رابطه: φ = 1 – (ρbulk/ρparticle) 814

در صنعت، چگالی حقیقی گندله‌های آهنی معمولاً بین 4.5-5 g/cm³ و چگالی ظاهری 2.7-3.3 g/cm³ گزارش شده است 14.

    2. روش جذب آب

این روش که در کنترل‌های سریع کاربرد دارد:

• وزن خشک گندله اندازه‌گیری می‌شود (W1)

• گندله برای مدت مشخصی در آب غوطه‌ور می‌شود

• وزن گندله پس از اشباع (W2) ثبت می‌گردد

• تخلخل از رابطه φ = (W2 – W1)/(ρwater × Vtotal) محاسبه می‌شود

محدودیت: فقط تخلخل باز (متصل) را اندازه‌گیری می‌کند
تولید اولین دستگاه ساخته شده که این تست را به صورت اتوماتیک انجام میدهد توسط شرکت رادمان تجهیز اذین صورت گرفته است

استانداردهای بین‌المللی مرتبط

• ISO 15968: روش‌های تعیین خواص فیزیکی گندله‌های سنگ آهن شامل تخلخل

• ASTM D4404: استاندارد اندازه‌گیری تخلخل با استفاده از پیرکنومتری جیوه

• ISO 3852: روش تعیین چگالی ظاهری و تخلخل برای مواد معدنی

• ASTM C830: روش‌های آزمایش چگالی ظاهری و تخلخل دیرگدازها

عوامل مؤثر بر دقت اندازه‌گیری تخلخل

1. آماده‌سازی نمونه: نمونه باید نماینده کل باتچ تولید باشد

2. دمای آزمایش: تأثیر بر چگالی گازها و مایعات مورد استفاده

3. رطوبت نمونه: باید کاملاً خشک شود مگر در روش‌های خاص

4. اندازه ذرات: در روش‌های مبتنی بر خرد کردن نمونه

5. زمان اشباع: در روش‌های مایع‌نفوذی

کاربرد نتایج تخلخل‌سنجی در صنعت

1. بهینه‌سازی فرمولاسیون: تنظیم درصد مواد افزودنی مانند بنتونیت

2. کنترل فرآیند پخت: تنظیم دما و زمان پخت بر اساس تخلخل مطلوب

3. پیش‌بینی احیاپذیری: گندله‌های با تخلخل بالاتر معمولاً احیاپذیری بهتری دارند

4. تعیین استحکام مکانیکی: رابطه معکوس بین تخلخل و استحکام فشاری

نتیجه‌گیری

انتخاب روش مناسب سنجش تخلخل گندله به عوامل متعددی از جمله دقت مورد نیاز، امکانات آزمایشگاهی، سرعت اندازه‌گیری و هزینه بستگی دارد. در محیط‌های صنعتی معمولاً از روش‌های ساده‌تر مانند چگالی سنجی یا جذب آب استفاده می‌شود، در حالی که در تحقیقات دانشگاهی و کنترل‌های کیفی پیشرفته، روش‌هایی مانند پیرکنومتری گاز یا آنالیز تصویری کاربرد دارند. درک صحیح از تخلخل گندله و روش‌های اندازه‌گیری آن می‌تواند به بهبود کیفیت محصول نهایی و بهینه‌سازی فرآیند تولید آهن اسفنجی کمک شایانی کند.