微波加热配加碳酸钙高碳锰铁粉固相脱碳显微结构研究

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配加碳酸钙高碳锰铁粉在微波加热场中进行固相脱碳可以实现高碳锰铁的深度脱碳,其中残留的纯净氧化钙又可辅助脱碳锰铁在冶炼过程中对钢水进行脱硫脱磷。因此,对这种新型冶金物料进行物相组成和显微结构研究在冶金理论和实际应用中具有重要意义和参考价值。本文通过碳含量分析、金相分析、电子探针显微和成分分析、XRD物相分析等方法,并采用试验对比的方法,系统研究了微波加热和常规加热配加碳酸钙高碳锰铁粉固相脱碳物料的物相组成和显微结构,对物料在微波加热场和常规加热场中的升温特性、固相脱碳效果进行了对比分析,并探讨了微波加热场非热效应对固相脱碳反应的作用和机理。主要研究结论如下:(1)高碳锰铁合金的金相组织结构主要为镶嵌结构、蚕食结构和包裹结构,物相组成主要为富碳碳化物相(Mn0.86Fe0.14)7C3,占47%左右;中间碳化物相(Mn0.80Fe0.20)5C2,占32%左右;富金属碳化物相(Mn0.78Fe0.22)23C6,占21%左右。高碳锰铁除了主要的锰铁复合碳化物外,还存在有Fe3C、Fe3Si、Feo.4Mn3.6C、Mn15C4和游离石墨等物相。(2)配加碳酸钙高碳锰铁粉混合物料对微波具有良好的吸收性,根据物料脱碳摩尔配比(CO:碳酸钙粉:C高碳锰铁粉)的不同,微波加热物料的比升温速率为10℃/min.kg~50℃/min.kg;对于配比相同的物料,微波加热的平均比升温速率高于马弗炉加热的平均比升温速率。提高脱碳温度和增加脱碳时间有助于固相脱碳率的提高;在脱碳温度和脱碳时间相同的条件下,脱碳摩尔配比越高,脱碳物料的含碳量越低,脱碳效果越好。(3)在试验条件(脱碳温度为900℃、1000℃、1100℃、1200℃,保温脱碳时间为60min)相同的情况下,微波加热配加碳酸钙高碳锰铁粉的固相脱碳率分别为76.70%、82.90%、84.12%和85.78%,特别是在低温段均远高于马弗炉加热的固相脱碳率31.92%、57.19%、58.85%和88.05%。这种现象说明微波加热场较常规加热场存在着一种脱碳的非热效应,微波加热非热效应在较低的脱碳温度下能明显提高高碳锰铁粉中碳的扩散能力,改善低温固相脱碳反应的动力学条件;而常规加热脱碳的反应动力学条件明显受到温度的控制,固相脱碳的温度越高,高碳锰铁粉的脱碳率才会越高。(4)微波加热配加碳酸钙高碳锰铁粉可以实现高碳锰铁的固相脱碳,脱碳物料的金相组织结构主要为球形层状结构、球壳状结构和实心球形结构。物相组成主要为金属锰、金属锰铁相,占58%左右;富金属碳化物相,占19%左右;氧化钙相,占23%左右,无有害杂质,可辅助脱碳锰铁对钢水进行脱硫和脱磷。在微波加热固相脱碳条件下,微波加热场能够促进同种金属的聚合,异种金属的分离;在脱碳温度900℃时,固相脱碳的综合效果最好,脱碳锰铁物料中金属锰铁的实际碳含量为1.54%,金属锰铁的氧化率低,且无锰酸钙、硅酸钙等物相的产生,金属锰的挥发损失最低。(5)在常规加热的脱碳物料中,金属锰铁相呈不规则蝴蝶状结构和大小不一的实心球形结构,且脱碳物料中只存在金属锰铁相,而没有出现单一的金属锰相和金属铁相。常规加热场中没有出现类似于微波加热场所具有促进同种金属聚合、异种金属分离的现象。(6)在相同的脱碳温度下,微波加热脱碳物料的氧化程度明显低于常规加热脱碳物料的氧化程度,这表明在微波加热场中,高碳锰铁粉中碳的扩散速率大于氧化速率,故脱碳物料的氧化程度相对较低;而在常规加热场中,高碳锰铁粉中碳的扩散速率小于氧化速率,不仅物料的脱碳效果差,且脱碳物料的氧化程度相对较高。
摘要第3-6页
ABSTRACT第6-9页
第一章 绪论第14-34页
    1.1 课题研究背景及意义第14页
    1.2 微波加热的原理、特点及其发展第14-22页
        1.2.1 微波加热的原理第15-17页
        1.2.2 微波加热的特点与优势第17-20页
        1.2.3 微波加热技术在冶金领域中的应用第20-22页
    1.3 锰铁合金的分类及生产现状第22-25页
        1.3.1 锰铁合金的分类及其化学成分第22-24页
        1.3.2 中、低碳锰铁合金的冶炼及生产现状第24-25页
    1.4 高碳锰铁固相脱碳的优势及研究现状第25-27页
        1.4.1 固相脱碳的优势及其发展第25-26页
        1.4.2 高碳锰铁固相脱碳的研究现状第26-27页
    1.5 物料显微结构与固相脱碳及微波加热的关系第27-28页
        1.5.1 物料显微结构与固相脱碳的关系第27页
        1.5.2 物料显微结构与微波加热的关系第27-28页
    1.6 本文的研究目的及主要内容第28-29页
    参考文献第29-34页
第二章 实验内容及方法第34-46页
    2.1 实验原材料的选择与制备第34-36页
        2.1.1 高碳锰铁第34页
        2.1.2 高碳锰铁粉的制备第34-35页
        2.1.3 脱碳剂的选择第35-36页
    2.2 实验设备与实验仪器第36-41页
        2.2.1 多功能微波冶金加热炉第36-38页
        2.2.2 碳硫联测分析仪第38-39页
        2.2.3 GX60型金相显微镜第39-40页
        2.2.4 微机差热天平第40页
        2.2.5 其它仪器设备及试剂第40-41页
    2.3 实验内容与步骤第41-46页
        2.3.1 高碳锰铁金相及显微结构分析第41-42页
        2.3.2 高碳锰铁粉及碳酸钙粉差热-热重分析第42页
        2.3.3 微波加热高碳锰铁粉及碳酸钙粉升温实验第42页
        2.3.4 微波加热配加碳酸钙高碳锰铁粉固相脱碳实验第42-44页
        2.3.5 马弗炉加热配加碳酸钙高碳锰铁粉固相脱碳实验第44页
        2.3.6 马弗炉加热高碳锰铁粉对比实验第44-46页
第三章 高碳锰铁显微结构研究第46-58页
    3.1 引言第46页
    3.2 相图分析与差热分析第46-49页
        3.2.1 相图分析第46-48页
        3.2.2 差热分析第48-49页
    3.3 金相分析第49-51页
    3.4 高碳锰铁电子探针分析第51-55页
        3.4.1 高碳锰铁的微观结构特征与碳化物成分第52-53页
        3.4.2 各主要元素在碳化物中的分布规律第53-55页
    3.5 高碳锰铁XRD物相分析第55页
    3.6 本章小结第55-57页
    参考文献第57-58页
第四章 微波加热配加碳酸钙高碳锰铁粉固相脱碳实验与显微结构研究第58-78页
    4.1 引言第58页
    4.2 升温特性与热重分析第58-60页
        4.2.1 混合物料升温特性分析第58-59页
        4.2.2 碳酸钙粉热重分析第59-60页
    4.3 微波加热配加碳酸钙高碳锰铁粉固相脱碳实验研究第60-65页
        4.3.1 脱碳摩尔配比与升温曲线第60-61页
        4.3.2 脱碳物料碳含量测定第61-65页
    4.4 微波加热脱碳物料扫描电镜分析第65-66页
    4.5 微波加热脱碳物料电子探针分析第66-74页
        4.5.1 微波加热脱碳物料显微结构与成分分析第66-71页
        4.5.2 微波加热脱碳物料显微结构的形成模型第71-72页
        4.5.3 微波加热脱碳物料中主要元素的分布规律第72-74页
    4.6 微波加热脱碳物料的XRD物相分析第74-76页
    4.7 本章小结第76-78页
第五章 马弗炉加热与微波加热配加碳酸钙高碳锰铁粉固相脱碳显微结构对比研究第78-90页
    5.1 引言第78页
    5.2 不同加热方式对物料升温特性与脱碳物料碳含量的影响第78-81页
        5.2.1 马弗炉加热与微波加热混合物料升温特性对比分析第78-79页
        5.2.2 不同加热方式对脱碳效果的影响第79-81页
    5.3 马弗炉加热脱碳物料扫描电镜分析第81-83页
    5.4 不同加热方式对脱碳物料显微结构的影响第83-86页
        5.4.1 金相显微结构对比研究第83-86页
        5.4.2 常规加热脱碳物料显微结构的形成模型第86页
    5.5 不同加热方式对脱碳物料物相组成的影响第86-89页
    5.6 本章小结第89-90页
第六章 结论第90-92页
致谢第92-94页
攻读硕士学位期间发表的学术论文及其它成果第94页
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