微波加热与常规加热内配碳酸钙高碳铬铁粉固相脱碳动力学对比研究

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中低碳铬铁主要用于生产中低碳结构钢、铬钢、合金结构钢。近年来,随着钢铁产品在种类上的细化,对中低碳铬铁的需求也越来越大。采用固相反应使高碳铬铁脱碳,反应的温度要求相对较低,工艺流程简便,铬的回收率高,对环境污染小,因此高碳铬铁粉的固相脱碳日益受到关注。微波加热和常规加热的加热机理不同,在一定程度上影响着化学反应的动力学条件和活化能。本文以内配碳酸钙高碳铬铁粉为研究对象,对不同加热方式下固相脱碳的动力学行为和活化能进行了对比研究。内配碳酸钙高碳铬铁粉用微波加热炉和马弗炉分别加热到900℃、1000℃、1100℃、1200℃并分别保温脱碳0min、20min、40min和60min,在加热过程中,记录下每分钟物料温度的变化,以掌握其升温特性。加热结束后,待物料自然冷却到室温,取出物料,观察其外观,并取一小部分物料进行碳含量的测定,对加热过程中物料发生的变化及其脱碳情况进行分析。试验所得的主要结论如下:(1)微波加热下内配碳酸钙高碳铬铁粉在被加热到1200℃的过程中升温分为三个阶段:从室温加热到880℃,升温速率没有太大的变动,温度基本呈直线上升;从880℃加热到950℃,由于碳酸钙粉在较短的时间内大量分解,吸收热量,使物料的升温速率逐渐减小,随着碳酸钙粉分解趋于完全,吸热减少,升温速率又逐渐增大,从950℃加热到1200℃,碳酸钙分解后生成的氧化钙对微波的吸收性要比碳酸钙粉好,所以物料的升温速率相对于第一阶段有小幅增加。常规加热下内配碳酸钙高碳铬铁粉的升温过程分为两个阶段:从室温到1000℃左右,物料的升温速率保持恒定不变,温度呈直线上升,当温度超过1000℃以后,混合物料升温速率逐渐下降。在功率相同的条件下,微波加热的升温速率要明显快于常规加热的升温速率。(2)内配碳酸钙高碳铬铁粉在脱碳摩尔比相同且加热温度和保温时间相同的条件下,微波加热场中高碳铬铁粉的脱碳率明显要高于常规加热场,加热方式相同的条件下,脱碳摩尔比为1:1.4的混合物料高碳铬铁粉的脱碳率要高于脱碳摩尔比为1:1的混合物料。微波加热场的反应速率要快于常规加热场,随着加热温度的升高和保温时间的延长,微波加热场和常规加热场的脱碳率都随之提高。加热到1200℃保温脱碳60mmin,微波加热脱碳摩尔比为1:1的高碳铬铁粉脱碳率为65.56%,脱碳摩尔比为1:1.4的高碳铬铁粉的脱碳率为82.97%;常规加热脱碳摩尔比为1:1的高碳铬铁粉脱碳率为58.21%,脱碳摩尔比为1:1.4的高碳铬铁粉的脱碳率为71.32%。(3)在微波加热场中不同脱碳摩尔比的固相脱碳反应的控速环节是CO2气体内扩散,脱碳摩尔比1:1的反应的表观活化能为106.31kJ·mol-1,脱碳摩尔比1:1.4的反应的表观活化能为109.76kJ·mol-1。常规加热场中不同脱碳摩尔比的固相脱碳反应控速环节为界面化学反应,脱碳摩尔比1:1的反应的表观活化能为159.06kJ·mol-1,脱碳摩尔比为1:1.4的反应的表观活化能为169.65kJ·mol-1。(4)微波加热场能改善固相脱碳的动力学条件,提高内配碳酸钙高碳铬铁粉固相脱碳反应速率,促进碳在高碳铬铁粉中的扩散,降低脱碳反应的活化能。
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