【摘要】：現(xiàn)有鐵合金生產(chǎn)流程冶煉周期長,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,實現(xiàn)節(jié)能降耗和提高生產(chǎn)效率。本文以國內(nèi)某鐵合金廠生產(chǎn)原料南非錳礦粉和焦炭為研究對象,開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)理論研究報道稀缺。本文主要研究了四個方面:(1)微波場中物料升溫特性研究;(2)微波加熱還原過程礦相顯微形貌研究;(3)微波電磁場作用下熱力學(xué)分析;(4)微波加熱含碳錳礦粉動力學(xué)研究。通過以上研究,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中均可短時間內(nèi)快速升溫,說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,大于實驗所用坩堝直徑,實驗研究中物料能夠很好吸收微波達到溫度場分布的均一性,達到實現(xiàn)整體加熱效果。(2)常規(guī)加熱含碳錳礦粉在700-1100℃時,無金屬相析出;而微波加熱時,700℃保溫10分鐘即出現(xiàn)金屬相。說明微波加熱降低碳熱還原反應(yīng)溫度,常規(guī)熱力學(xué)計算難以圓滿進行微波場下的熱力學(xué)分析,需要完善和發(fā)展微波場下熱力學(xué)理論。微波場中錳礦粉—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。微波加熱時渣相中存在的碳成為熱中心,為碳在渣中擴散和氣化還原反應(yīng)創(chuàng)造了良好的熱力學(xué)和動力學(xué)條件,使渣中殘余錳氧化物得到進一步還原,極大提高金屬化率。(3)建立微波場作用下熱力學(xué)理論。將經(jīng)典熱力學(xué)理論分別與電場和磁場結(jié)合,推導(dǎo)出單一場作用時熱力學(xué);將微波作用時電磁復(fù)合場與經(jīng)典熱力學(xué)理論結(jié)合,推導(dǎo)出在微波電磁場作用下熱力學(xué)。通過比較有無電磁場作用時化學(xué)平衡常數(shù),可評判微波電磁場對化學(xué)反應(yīng)促進或抑制作用。(4)在微波加熱時,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,進一步減小粒度后,反應(yīng)速率不會有明顯的提高。相同的溫度和保溫時間下,微波加熱失重率遠大于常規(guī)加熱;在700-1100℃之間,速率增加因子Q值均大于1,說明微波加熱對碳熱還原化學(xué)反應(yīng)均有促進作用;在低溫和低溫反應(yīng)后期時微波加熱的促進作用更為顯著。(5)基于礦相顯微結(jié)構(gòu)分析和熱失重分析,建立微波場作用下動力學(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)擴散,微波加熱可以促進界面化學(xué)反應(yīng),計算反應(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)動力學(xué)條件,從動力學(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)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TF64

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 韓光澤;馬樂晗;;靜電場作用下電介質(zhì)系統(tǒng)的平衡態(tài)及其穩(wěn)定性[J];化工學(xué)報;2017年07期

2 吳冬宇;羅永江;彭枧明;張鑫鑫;;微波加熱輔助多孔介質(zhì)水合物制樣方法與裝置[J];國防科技大學(xué)學(xué)報;2016年02期

3 韓培偉;儲少軍;;錳系鐵合金爐外精煉綜述[J];鋼鐵研究;2015年05期

4 陳洪飛;彭鋒;;提高鐵合金工藝技術(shù)水平 推動鐵合金工業(yè)科學(xué)發(fā)展[J];鐵合金;2014年06期

5 李曉光;陳津;郝赳赳;韓培德;劉金營;;微波加熱與常規(guī)加熱時高碳鉻鐵粉固相脫碳動力學(xué)對比研究[J];中國有色金屬學(xué)報;2014年08期

6 郭軍;聞昕舒;趙一鵬;徐江;鄒繪真;;中國鐵合金行業(yè)技術(shù)進步現(xiàn)狀及預(yù)測[J];鐵合金;2014年02期

7 楊坤;朱紅波;彭金輝;張利波;陳冇;鄭孝英;譚向東;張世敏;;微波焙燒高鈦渣中試研究[J];礦冶工程;2014年02期

8 王晨亮;陳津;郝赳赳;郭麗娜;韓培德;;微波加熱高碳鉻鐵粉固相脫碳動力學(xué)[J];北京科技大學(xué)學(xué)報;2013年12期

9 李闖;彭鋒;李曉;;我國錳系鐵合金發(fā)展對策研究[J];冶金經(jīng)濟與管理;2013年06期

10 艾立群;張彥龍;朱yNY，

本文編號：2686752