發(fā)布時(shí)間：2020-05-29 09:47

【摘要】：現(xiàn)有鐵合金生產(chǎn)流程冶煉周期長(zhǎng),生產(chǎn)效率低,耗能高和污染嚴(yán)重,因此有必要研究鐵合金生產(chǎn)新工藝,實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗和提高生產(chǎn)效率。本文以國(guó)內(nèi)某鐵合金廠生產(chǎn)原料南非錳礦粉和焦炭為研究對(duì)象,開(kāi)展了微波加熱含碳錳礦粉還原行為與基礎(chǔ)研究。目前關(guān)于此工藝的基礎(chǔ)理論研究報(bào)道稀缺。本文主要研究了四個(gè)方面:(1)微波場(chǎng)中物料升溫特性研究;(2)微波加熱還原過(guò)程礦相顯微形貌研究;(3)微波電磁場(chǎng)作用下熱力學(xué)分析;(4)微波加熱含碳錳礦粉動(dòng)力學(xué)研究。通過(guò)以上研究,得出如下結(jié)論:(1)工業(yè)冶煉錳鐵所用南非錳礦粉和焦炭在微波場(chǎng)中均可短時(shí)間內(nèi)快速升溫,說(shuō)明采用微波加熱鐵合金原料可行;混合物料的升溫速率與微波功率、物料質(zhì)量、輻射面積關(guān)系密切。測(cè)試了單一物料和混合物料介電常數(shù)、介電損耗因子和損耗角正切在室溫至1000℃的變化,表明單一原料和混合物料具有良好的吸收儲(chǔ)存微波能力,和較高介電損耗能力。微波穿透混合物料深度在10.4-84cm之間,大于實(shí)驗(yàn)所用坩堝直徑,實(shí)驗(yàn)研究中物料能夠很好吸收微波達(dá)到溫度場(chǎng)分布的均一性,達(dá)到實(shí)現(xiàn)整體加熱效果。(2)常規(guī)加熱含碳錳礦粉在700-1100℃時(shí),無(wú)金屬相析出;而微波加熱時(shí),700℃保溫10分鐘即出現(xiàn)金屬相。說(shuō)明微波加熱降低碳熱還原反應(yīng)溫度,常規(guī)熱力學(xué)計(jì)算難以圓滿進(jìn)行微波場(chǎng)下的熱力學(xué)分析,需要完善和發(fā)展微波場(chǎng)下熱力學(xué)理論。微波場(chǎng)中錳礦粉—焦炭界面發(fā)生直接還原反應(yīng),產(chǎn)生CO和CO_2氣體,CO_2氣體與焦炭發(fā)生氣化反應(yīng)生產(chǎn)CO,CO與氧化物相發(fā)生氣固相反應(yīng);微波加熱中氧化物相處出現(xiàn)熱撕裂裂紋,為還原性氣體CO傳輸和還原氧化物提供了便利。微波加熱時(shí)渣相中存在的碳成為熱中心,為碳在渣中擴(kuò)散和氣化還原反應(yīng)創(chuàng)造了良好的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件,使渣中殘余錳氧化物得到進(jìn)一步還原,極大提高金屬化率。(3)建立微波場(chǎng)作用下熱力學(xué)理論。將經(jīng)典熱力學(xué)理論分別與電場(chǎng)和磁場(chǎng)結(jié)合,推導(dǎo)出單一場(chǎng)作用時(shí)熱力學(xué);將微波作用時(shí)電磁復(fù)合場(chǎng)與經(jīng)典熱力學(xué)理論結(jié)合,推導(dǎo)出在微波電磁場(chǎng)作用下熱力學(xué)。通過(guò)比較有無(wú)電磁場(chǎng)作用時(shí)化學(xué)平衡常數(shù),可評(píng)判微波電磁場(chǎng)對(duì)化學(xué)反應(yīng)促進(jìn)或抑制作用。(4)在微波加熱時(shí),提高碳氧比和溫度,微波加熱碳熱還原反應(yīng)速率加快。減小錳礦粉粒度可以提高反應(yīng)速率,但當(dāng)粒度減小到150目時(shí),進(jìn)一步減小粒度后,反應(yīng)速率不會(huì)有明顯的提高。相同的溫度和保溫時(shí)間下,微波加熱失重率遠(yuǎn)大于常規(guī)加熱;在700-1100℃之間,速率增加因子Q值均大于1,說(shuō)明微波加熱對(duì)碳熱還原化學(xué)反應(yīng)均有促進(jìn)作用;在低溫和低溫反應(yīng)后期時(shí)微波加熱的促進(jìn)作用更為顯著。(5)基于礦相顯微結(jié)構(gòu)分析和熱失重分析,建立微波場(chǎng)作用下動(dòng)力學(xué)模型,并將微波體加熱、體還原和熱撕裂結(jié)構(gòu)等引入動(dòng)力學(xué)模型。微波加熱反應(yīng)控速環(huán)節(jié)是CO氣體內(nèi)擴(kuò)散,微波加熱可以促進(jìn)界面化學(xué)反應(yīng),計(jì)算反應(yīng)表觀活化能為29.68 kJ·mol_(-1);常規(guī)加熱反應(yīng)控速環(huán)節(jié)是界面化學(xué)反應(yīng),表觀活化能為119.35 kJ·mol_(-1)。微波加熱不僅加快反應(yīng)速率,還能降低化學(xué)反應(yīng)活化能,改善氣固反應(yīng)動(dòng)力學(xué)條件,從動(dòng)力學(xué)角度表明微波加熱含碳錳礦粉反應(yīng)存在非熱效應(yīng)。
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TF64

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2686752