微波加热内配碳酸钙高碳铬铁粉固相脱碳及其动力学研究

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中低碳铬铁是生产中低碳合金结构钢、齿轮、高压鼓风机叶片和阀板不可缺少的原料,但制备过程中产生的冶金铬渣是一种严重污染环境的固体废弃物,使得高碳铬铁液相脱碳工艺受到环保的限制。而高碳铬铁无渣脱碳法可避免有毒铬渣的排放,利用微波场快速加热粉状物料的特性,把微波快速加热高碳铬铁粉的特性和碳酸钙粉受热分解产生C02类流化气体的特性结合起来,可以在封闭系统中实现高碳铬铁粉的快速脱碳。采用微波加热法进行高碳铬铁粉固相脱碳,具有脱碳速度快、脱碳效率高、工艺过程简捷、无有毒铬渣排放等优点。获得的中低碳铬铁粉中由于含有较纯净的CaO,还具有很好的脱硫和净化钢水的作用。因此,研究微波加热内配碳酸钙高碳铬铁粉固相脱碳工艺理论具有很好的应用基础。本试验以碳酸钙粉为固体脱碳剂,脱碳摩尔比选为1:1和1:1.4,在微波场中分别对内配碳酸钙高碳铬铁粉加热到900℃、1000℃、1100℃、1200℃并保温脱碳一定时间。研究物料在微波加热场中的升温特性,并通过脱碳物料中铬铁粉的碳含量变化情况,计算固相脱碳反应的表观活化能,研究并探讨了各工艺参数对固相脱碳的影响和微波非热效应的存在。主要研究成果有:(1)在高碳铬铁粉中内配一定比例的碳酸钙粉,对微波加热高碳铬铁粉升温影响不大。配加一定量的碳酸钙提高了高碳铬铁粉的分散度,体积增大,改善内配碳酸钙高碳铬铁粉对微波的吸收范围。对于脱碳摩尔比(nC:nCO2)1:1和1:1.4的两种混合物料,微波加热的升温过程可分为三个阶段:0℃~890℃阶段物料基本上呈线性升温,平均升温速率为25℃·min-1;890℃~950℃阶段升温曲线相对平缓,这是由于碳酸钙粉分解吸收大量热量,物料升温速率受到限制,升温曲线相对平缓,平均升温速率仅为5℃·min-1;950℃以上阶段物料升温速率增大,这是由于CaO比CaCO3对微波具有相对较好的吸收性,可提高混合物料的升温速率。(2)微波加热内配碳酸钙高碳铬铁粉固相脱碳,提高固相脱碳摩尔比、微波加热温度和脱碳保温时间,有利于高碳铬铁粉的固相脱碳,但同时伴随着脱碳物料氧化程度的加深。最佳脱碳条件为,固相脱碳摩尔比nC:nCO2为1:1.0-1:1.4,微波加热温度为1100℃且保温脱碳60min,脱碳物料中铬铁粉的含碳量可以达到3.91%-1.71%,脱碳率为52.08%~79.04%。(3)微波加热内配碳酸钙高碳铬铁粉固相脱碳动力学分析采用未反应核模型,计算分析可知:微波加热高碳铬铁粉固相脱碳反应为一级反应,其表观活化能68.43kJ·mol-1。提高脱碳摩尔比对固相脱碳反应指前因子的影响较大,脱碳摩尔比为1:1和1:1.4的混合物料脱碳反应的指前因子分别为0.04s-1和0.14s-1。(4)微波加热内配碳酸钙高碳铬铁粉固相脱碳反应的表观活化能明显低于普通高温快速碳气化反应活化能,说明微波加热场对于固相脱碳反应不仅仅是存在着微波热效应,同时还存在着微波非热效应。
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