微波加热高碳猛铁粉固相脱碳理论与试验研究

发布时间：2017-09-01 10:23

  本文关键词：微波加热高碳猛铁粉固相脱碳理论与试验研究

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【摘要】：随着铬锰系不锈钢等低碳合金钢的快速发展,对中、低碳锰铁的需求日益增大。用高碳锰铁为原料生产中、低锰铁的研究工作虽已取得了长足的进展,但目前高碳锰铁脱碳都是在液相条件下进行,众所周知,由于高碳锰铁液相脱碳温度较高,锰的蒸气压相对较高,锰与氧的结合能较大,因此,液相条件下的脱碳反应表现出很高的锰挥发损失、严重氧化以及金属回收率较低的现象。针对以上问题,本文对微波加热高碳锰铁固相脱碳进行了一系列研究。进行了高碳锰铁脱碳反应的热力学计算,研究了微波加热场中高碳锰铁粉和碳酸钙粉混合物料的吸波特性,研究了高碳锰铁粉固相脱碳脱碳条件对脱碳效果的影响,利用碳硫分析仪、电子探针、扫描电子显微镜和X射线衍射仪研究了脱碳前后物料的成分及组织结构变化,利用矢量网络分析仪研究了微波加热高碳锰铁固相脱碳物料的电磁性能,研究了微波加热高碳锰铁粉固相脱碳反应的动力学规律。研究结果表明：(1)以02、C02或H20(g)作为高碳锰铁脱碳剂在热力学上均是可行的,其中,C02作为脱碳剂脱碳效果好。(2)高碳锰铁粉的微波吸收性优于碳酸钙粉,其混合物料表现出良好的微波吸波性,为微波加热高碳锰铁粉固相脱碳奠定了基础。(3)微波加热高碳锰铁粉的比加热速率为2.07 ℃·kg-1·kW-1·min-1～ 2.22 ℃·kg-1·kW-1·min-1,而常规加热高碳锰铁粉的比加热速率仅为1.54 ℃·kg-1·kW-1·min-1～1.78 ℃·kg-1·kW-1·min-1,高碳锰铁粉在微波加热场中具有优异的升温特性,微波加热方式明显优于常规加热方式。(4)微波加热高碳锰铁粉固相脱碳物料的碳含量随脱碳温度的升高、保温时间的延长、摩尔比的增高而降低；高碳锰铁粉在微波加热场中进行固相脱碳,适宜的脱碳条件：脱碳温度1000℃,脱碳摩尔比1：1.18,保温时间60min。(5)微波加热高碳锰铁粉到900℃、1000℃、1100℃、1200℃时分别保温脱碳60min,其脱碳率分别为76.69%、82.90%、84.11%、85.75%,远高于常规加热条件下的脱碳率(31.94%、57.23%、58.84%、88.02%)；在相同的脱碳条件下,微波加热高碳锰铁粉脱碳后脱碳物料的氧化程度、锰的损失率均低于常规加热脱碳后脱碳物料的氧化程度、锰的损失率。(6)微波加热较常规加热高碳锰铁粉不同温度固相脱碳的脱碳物料颗粒尺寸小；随脱碳温度的升高,物料出现烧结现象,颗粒聚集,颗粒粒径增大；常规加热脱碳物料的烧结现象高于微波加热脱碳物料的烧结现象,说明微波加热减缓了物料的烧结作用。(7)频率在2～18GHz范围内,高碳锰铁粉和脱碳物料的极化弛豫主要来源于偶极子极化和界面极化,其抗磁性来源于碳原子；微波加热频率为2.45 GHz时,高碳锰铁粉良好的的微波升温特性归因于磁损耗和介电损耗的共同作用。随着微波加热温度的提高,脱碳物料的相对复介电常数趋于稳定,表明碳化物相最终脱碳向锰、铁相转变。(8)微波加热高碳锰铁粉固相脱碳反应为界面反应速控,近似为一级反应；微波加热场中高碳锰铁粉固相脱碳反应的活化能为57.64 kJ·mol-1,常规加热场中高碳锰铁粉固相脱碳反应的活化能为107.77 kJ·mol-1;微波加热固相脱碳反应的活化能远低于常规加热场固相脱碳的活化能。
【关键词】：高碳锰铁粉 微波加热 常规加热 碳酸钙 固相脱碳
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TF642
【目录】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-15
• 第一章 绪论15-37
• 1.1 中、低碳锰铁合金的生产现状15-18
• 1.1.1 中、低碳锰铁的用途与需求现状15
• 1.1.2 中、低碳锰铁合金的生产方法15-16
• 1.1.3 中、低碳锰铁合金生产存在的问题16-18
• 1.2 国内外高碳锰铁固相脱碳研究现状18-21
• 1.2.1 固相脱碳技术的发展18-20
• 1.2.2 高碳锰铁固相脱碳研究现状20-21
• 1.3 微波加热技术21-28
• 1.3.1 微波的特性21-22
• 1.3.2 微波加热技术的发展22-23
• 1.3.3 微波加热技术在冶金领域上的应用23-27
• 1.3.4 微波加热技术在冶金生产中的问题27-28
• 1.4 本课题的研究意义及内容28-29
• 1.4.1 研究意义28-29
• 1.4.2 研究内容29
• 参考文献29-37
• 第二章 试验过程及方法37-44
• 2.1 试验原料37-38
• 2.1.1 高碳锰铁37
• 2.1.2 碳酸钙粉37-38
• 2.2 试验设备38-40
• 2.2.1 微波冶金试验炉38-40
• 2.2.2 常规加热试验炉40
• 2.3 试验方法40-41
• 2.3.1 微波加热场中高碳锰铁粉及碳酸钙粉升温特性试验40-41
• 2.3.2 微波加热场中高碳锰铁粉固相脱碳试验41
• 2.3.3 常规加热场中高碳锰铁粉固相脱碳试验41
• 2.3.4 微波加热高碳锰铁粉固相脱碳电磁性能研究41
• 2.4 分析方法41-44
• 2.4.1 差热-热重分析42
• 2.4.2 碳含量分析42
• 2.4.3 SEM分析42
• 2.4.4 EPMA分析42-43
• 2.4.5 XRD分析43
• 2.4.6 电磁性能分析43-44
• 第三章 高碳锰铁固相脱碳热力学分析44-67
• 3.1 引言44
• 3.2 高碳锰铁物相分析44-47
• 3.2.1 电子探针分析45-46
• 3.2.2 XRD分析46-47
• 3.3 高碳锰铁粉与O_2脱碳剂的脱碳反应热力学47-50
• 3.3.1 脱碳反应热力学计算47-49
• 3.3.2 脱碳反应的△G~φ-T关系49-50
• 3.4 高碳锰铁粉与CO_2脱碳剂的脱碳反应热力学50-55
• 3.4.1 脱碳反应热力学计算50-54
• 3.4.2 脱碳反应的△G~φ-T关系54-55
• 3.5 高碳锰铁粉与H_2O(g)脱碳剂的脱碳反应热力学55-60
• 3.5.1 脱碳反应热力学计算55-59
• 3.5.2 脱碳反应的△G~φ-T关系59-60
• 3.6 锰碳化物和锰氧化物之间的固-固相脱碳反应60-63
• 3.7 脱碳剂的选择63-64
• 3.8 本章小结64-65
• 参考文献65-67
• 第四章 微波加热场中高碳锰铁粉和碳酸钙粉升温特性研究67-78
• 4.1 引言67
• 4.2 高碳锰铁粉和碳酸钙粉升温特性67-69
• 4.2.1 升温特性67-68
• 4.2.2 升温速率方程68-69
• 4.3 高碳锰铁粉和碳酸钙粉混合物料的升温特性69-72
• 4.3.1 摩尔比为1：1的升温特性69-70
• 4.3.2 摩尔比为1：1.18的升温特性70-71
• 4.3.3 不同摩尔比的升温特性对比71-72
• 4.4 微波与常规加热升温特性比较72-74
• 4.5 微波加热高碳锰铁粉固相脱碳温度预测74-76
• 4.6 本章小结76
• 参考文献76-78
• 第五章 高碳锰铁粉固相脱碳试验研究78-104
• 5.1 引言78
• 5.2 微波加热场中高碳锰铁粉固相脱碳率分析78-82
• 5.2.1 温度对脱碳物料碳含量的影响78-79
• 5.2.2 保温时间对脱碳物料碳含量的影响79-80
• 5.2.3 不同摩尔比对脱碳物料碳含量的影响80-82
• 5.3 微波加热场中高碳锰铁粉固相脱碳物料成分及组织结构分析82-91
• 5.3.1 SEM分析82-84
• 5.3.2 EPMA分析84-90
• 5.3.3 XRD分析90-91
• 5.4 常规加热场中高碳锰铁粉固相脱碳脱碳率分析91-93
• 5.4.1 保温时间对脱碳物料碳含量的影响91-92
• 5.4.2 脱碳温度对脱碳后脱碳物料的碳含量的影响92-93
• 5.5 常规加热场中高碳锰铁粉固相脱碳物料成分及组织结构分析93-96
• 5.5.1 SEM分析93-95
• 5.5.2 XRD分析95-96
• 5.6 微波与常规加热场中高碳锰铁粉脱碳对比分析96-101
• 5.6.1 脱碳率96-98
• 5.6.2 金属损失率98-100
• 5.6.3 氧化程度100-101
• 5.7 本章小结101-102
• 参考文献102-104
• 第六章 微波场中高碳锰铁粉固相脱碳电磁性能研究104-118
• 6.1 引言104
• 6.2 高碳锰铁粉的电磁性能104-107
• 6.2.1 介电性能104-106
• 6.2.2 磁性能106-107
• 6.3 脱碳物料的电磁性能107-114
• 6.3.1 介电性能107-110
• 6.3.2 磁性能110-111
• 6.3.3 反射损耗111-112
• 6.3.4 损耗机制112-114
• 6.4 本章小结114-115
• 参考文献115-118
• 第七章 微波加热场中高碳锰铁粉固相脱碳动力学研究118-132
• 7.1 引言118
• 7.2 微波加热场中高碳锰铁粉固相脱碳的动力学模型118-123
• 7.2.1 速控环节的确定119-120
• 7.2.2 动力学参数的确定120-123
• 7.3 常规加热高碳锰铁粉固相脱碳动力学模型123-126
• 7.4 微波加热非热效应分析126-129
• 7.5 本章小结129-130
• 参考文献130-132
• 第八章 结论132-135
• 博士论文创新性说明135-137
• 攻读学位期间发表的学术论文和成果137-139
• 致谢139

【参考文献】

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