微波场中锰矿粉碳热还原行为与机理研究

发布时间：2020-05-29 09:47

【摘要】：现有铁合金生产流程冶炼周期长,生产效率低,耗能高和污染严重,因此有必要研究铁合金生产新工艺,实现节能降耗和提高生产效率。本文以国内某铁合金厂生产原料南非锰矿粉和焦炭为研究对象,开展了微波加热含碳锰矿粉还原行为与基础研究。目前关于此工艺的基础理论研究报道稀缺。本文主要研究了四个方面:(1)微波场中物料升温特性研究;(2)微波加热还原过程矿相显微形貌研究;(3)微波电磁场作用下热力学分析;(4)微波加热含碳锰矿粉动力学研究。通过以上研究,得出如下结论:(1)工业冶炼锰铁所用南非锰矿粉和焦炭在微波场中均可短时间内快速升温,说明采用微波加热铁合金原料可行;混合物料的升温速率与微波功率、物料质量、辐射面积关系密切。测试了单一物料和混合物料介电常数、介电损耗因子和损耗角正切在室温至1000℃的变化,表明单一原料和混合物料具有良好的吸收储存微波能力,和较高介电损耗能力。微波穿透混合物料深度在10.4-84cm之间,大于实验所用坩埚直径,实验研究中物料能够很好吸收微波达到温度场分布的均一性,达到实现整体加热效果。(2)常规加热含碳锰矿粉在700-1100℃时,无金属相析出;而微波加热时,700℃保温10分钟即出现金属相。说明微波加热降低碳热还原反应温度,常规热力学计算难以圆满进行微波场下的热力学分析,需要完善和发展微波场下热力学理论。微波场中锰矿粉—焦炭界面发生直接还原反应,产生CO和CO_2气体,CO_2气体与焦炭发生气化反应生产CO,CO与氧化物相发生气固相反应;微波加热中氧化物相处出现热撕裂裂纹,为还原性气体CO传输和还原氧化物提供了便利。微波加热时渣相中存在的碳成为热中心,为碳在渣中扩散和气化还原反应创造了良好的热力学和动力学条件,使渣中残余锰氧化物得到进一步还原,极大提高金属化率。(3)建立微波场作用下热力学理论。将经典热力学理论分别与电场和磁场结合,推导出单一场作用时热力学;将微波作用时电磁复合场与经典热力学理论结合,推导出在微波电磁场作用下热力学。通过比较有无电磁场作用时化学平衡常数,可评判微波电磁场对化学反应促进或抑制作用。(4)在微波加热时,提高碳氧比和温度,微波加热碳热还原反应速率加快。减小锰矿粉粒度可以提高反应速率,但当粒度减小到150目时,进一步减小粒度后,反应速率不会有明显的提高。相同的温度和保温时间下,微波加热失重率远大于常规加热;在700-1100℃之间,速率增加因子Q值均大于1,说明微波加热对碳热还原化学反应均有促进作用;在低温和低温反应后期时微波加热的促进作用更为显著。(5)基于矿相显微结构分析和热失重分析,建立微波场作用下动力学模型,并将微波体加热、体还原和热撕裂结构等引入动力学模型。微波加热反应控速环节是CO气体内扩散,微波加热可以促进界面化学反应,计算反应表观活化能为29.68 kJ·mol_(-1);常规加热反应控速环节是界面化学反应,表观活化能为119.35 kJ·mol_(-1)。微波加热不仅加快反应速率,还能降低化学反应活化能,改善气固反应动力学条件,从动力学角度表明微波加热含碳锰矿粉反应存在非热效应。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TF64

【参考文献】

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本文编号：2686752