سلوك أكسدة القضبان أثناء عملية الطحن

2024-12-25

أثناء تفاعل المواد الكاشطة مع القضبان، يُولّد التشوه اللدن للقضبان حرارة، كما يُولّد الاحتكاك بين المواد الكاشطة ومواد القضبان حرارة طحن. تتم عملية طحن قضبان الصلب في بيئة طبيعية، وخلال هذه العملية، تتأكسد مادة قضبان الصلب حتمًا بفعل حرارة الطحن. ثمة علاقة وثيقة بين أكسدة سطح قضبان الصلب واحتراقها. لذا، من الضروري دراسة سلوك أكسدة سطح القضبان أثناء عملية الطحن.

أُفيد بتحضير ثلاثة أنواع من أحجار التجليخ ذات قوى ضغط تبلغ 68.90 ميجا باسكال، و95.2 ميجا باسكال، و122.7 ميجا باسكال على التوالي. وبناءً على ترتيب قوة أحجار التجليخ، استُخدمت الرموز GS-10 وGS-12.5 وGS-15 لتمثيل هذه المجموعات الثلاث من أحجار التجليخ. أما عينات قضبان السكك الحديدية الفولاذية التي تم تجليخها باستخدام مجموعات أحجار التجليخ الثلاث GS-10 وGS-12.5 وGS-15، فقد مُثّلت على التوالي بالرموز RGS-10 وRGS-12.5 وRGS-15. أُجريت اختبارات التجليخ في ظروف تجليخ بلغت 700 نيوتن، و600 دورة في الدقيقة، و30 ثانية. وللحصول على نتائج تجريبية أكثر وضوحًا، اعتمد حجر تجليخ القضبان نمط تلامس القرص والدبوس. تم تحليل سلوك أكسدة سطح القضبان بعد التجليخ.

تمت دراسة وتحليل مورفولوجيا سطح قضيب السكة الفولاذي المطحون باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) والمجهر الضوئي (SM)، كما هو موضح في الشكل 1. تُظهر نتائج المجهر الضوئي لسطح القضيب المطحون أنه مع ازدياد قوة حجر التجليخ، يتغير لون سطح القضيب من الأزرق والبني المصفر إلى لونه الأصلي. وقد أظهرت دراسة لين وآخرون أنه عندما تكون درجة حرارة التجليخ أقل من 471 درجة مئوية، يظهر سطح القضيب بلونه الطبيعي. وعندما تتراوح درجة حرارة التجليخ بين 471 و600 درجة مئوية، يظهر على القضيب حروق صفراء باهتة، بينما عندما تتراوح درجة حرارة التجليخ بين 600 و735 درجة مئوية، يظهر على سطح القضيب حروق زرقاء. لذلك، وبناءً على تغير لون سطح القضيب المطحون، يمكن الاستنتاج أنه مع انخفاض قوة حجر التجليخ، ترتفع درجة حرارة التجليخ تدريجيًا وتزداد درجة احتراق القضيب. وقد استُخدم تحليل طيف الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDS) لتحليل التركيب العنصري لسطح قضيب السكة الفولاذي المطحون وسطح قاع الحطام. أظهرت النتائج أنه مع زيادة قوة حجر التجليخ، انخفض محتوى عنصر الأكسجين على سطح السكة، مما يشير إلى انخفاض ارتباط الحديد والأكسجين على سطح السكة، وانخفاض درجة أكسدتها، وهو ما يتوافق مع تغير لون سطحها. في الوقت نفسه، انخفض محتوى عنصر الأكسجين على السطح السفلي لمخلفات التجليخ مع زيادة قوة حجر التجليخ. ومن الجدير بالذكر أن محتوى عنصر الأكسجين على سطح السكة الفولاذية المطحونة بنفس حجر التجليخ، وعلى السطح السفلي لمخلفات التجليخ، كان أعلى منه على سطح السكة. أثناء تكوّن المخلفات، يحدث تشوه لدن وتتولد حرارة نتيجة ضغط المواد الكاشطة. أثناء عملية تدفق المخلفات، يحتك سطحها السفلي بالسطح الأمامي للمادة الكاشطة، مما يولد حرارة. لذلك، يؤدي التأثير المشترك لتشوه المخلفات وحرارة الاحتكاك إلى زيادة درجة الأكسدة على سطحها السفلي، وبالتالي زيادة محتوى عنصر الأكسجين.

(أ) سطح سكة حديدية فولاذية مصقولة بحجر طحن منخفض القوة (RGS-10)

(ب) سطح قضيب فولاذي مصقول بحجر طحن متوسط القوة (RGS-12.5)

(ج) سطح سكة حديدية فولاذية مصقولة بحجر طحن عالي القوة (RGS-15)

الشكل 1. مورفولوجيا السطح، ومورفولوجيا الحطام، وتحليل EDS لقضبان الصلب بعد التجليخ بأحجار تجليخ ذات شدات مختلفة

بهدف دراسة نواتج الأكسدة على سطح قضبان السكك الحديدية الفولاذية وتغيرها تبعًا لدرجة احتراق سطح القضيب، استُخدمت تقنية مطيافية الإلكترونات الضوئية بالأشعة السينية (XPS) للكشف عن الحالة الكيميائية للعناصر في الطبقة السطحية القريبة من قضبان السكك الحديدية الفولاذية المصقولة. تُظهر النتائج في الشكل 2. وتُبين نتائج تحليل الطيف الكامل لسطح القضيب بعد صقله بأحجار صقل مختلفة الشدة (الشكل 2 (أ)) وجود قمم C1s وO1s وFe2p على سطح القضيب المصقول، حيث تنخفض نسبة ذرات الأكسجين مع ازدياد درجة الاحتراق، وهو ما يتوافق مع نمط نتائج تحليل EDS على سطح القضيب. ونظرًا لأن تقنية XPS تكشف عن الحالات العنصرية بالقرب من الطبقة السطحية (حوالي 5 نانومتر) للمادة، توجد بعض الاختلافات في أنواع ومحتويات العناصر التي يكشف عنها طيف XPS الكامل مقارنةً بركيزة قضيب السكك الحديدية الفولاذية. وتُستخدم قمة C1s (284.6 إلكترون فولت) بشكل أساسي لمعايرة طاقات الربط للعناصر الأخرى. يُعدّ أكسيد الحديد الناتج الرئيسي للأكسدة على سطح قضبان السكك الحديدية، لذا تم تحليل الطيف الضيق لـ Fe2p بالتفصيل. يوضح الشكل 2 (ب) إلى (د) تحليل الطيف الضيق لـ Fe2p على سطح قضبان السكك الحديدية RGS-10 وRGS-12.5 وRGS-15 على التوالي. تشير النتائج إلى وجود قمتين لطاقة الربط عند 710.1 إلكترون فولت و712.4 إلكترون فولت، تُعزى إلى Fe2p3/2؛ كما توجد قمتان لطاقة الربط لـ Fe2p1/2 عند 723.7 إلكترون فولت و726.1 إلكترون فولت. تقع القمة الثانوية لـ Fe2p3/2 عند 718.2 إلكترون فولت. قد تُعزى الذروتان عند 710.1 إلكترون فولت و723.7 إلكترون فولت إلى طاقة الربط بين الحديد والأكسجين في Fe₂O₃، بينما قد تُعزى الذروتان عند 712.4 إلكترون فولت و726.1 إلكترون فولت إلى طاقة الربط بين الحديد والأكسجين في FeO. تشير النتائج إلى أن Fe₃O₄ هو Fe₂O₃. في الوقت نفسه، لم يتم الكشف عن أي ذروة تحليلية عند 706.8 إلكترون فولت، مما يدل على عدم وجود الحديد العنصري على سطح السكة الأرضية.

(أ) تحليل الطيف الكامل

(ب) RGS-10 (أزرق)

(ج) RGS-12.5 (أصفر فاتح)

(د) RGS-15 (اللون الأصلي لقضيب السكة الفولاذية)

الشكل 2. تحليل XPS لأسطح السكك الحديدية بدرجات احتراق مختلفة

تُظهر نسب مساحة الذروة في طيف Fe2p الضيق أنه من RGS-10 إلى RGS-12.5 ثم إلى RGS-15، تزداد نسب مساحة ذروة Fe2+2p3/2 وFe2+2p1/2، بينما تنخفض نسب مساحة ذروة Fe3+2p3/2 وFe3+2p1/2. يشير هذا إلى أنه مع انخفاض درجة احتراق سطح السكة، يزداد محتوى Fe2+ في نواتج الأكسدة السطحية، بينما ينخفض محتوى Fe3+. وتؤدي المكونات المختلفة لنواتج الأكسدة إلى ألوان مختلفة للسكة الأرضية. فكلما زادت درجة احتراق السطح (اللون الأزرق)، زاد محتوى منتجات Fe2O3 في الأكسيد؛ وكلما انخفضت درجة احتراق السطح، زاد محتوى منتجات FeO.