微波加热高碳铬铁粉固相脱碳电磁性能及升温机理研究

摘要

微波加热作为人类的第二团火焰，因具有体加热和选择性加热等特点而有可能成为未来冶金工业中矿物处理和金属冶炼的重要手段之一。微波和物料的相互作用以及微波能转化为热能的能力皆与物料的电磁性能密切相关。在固相脱碳过程中，冶金物料电磁性能的变化不仅反映物料组分的变化程度，还影响微波加热的总体过程。然而，有关冶金物料电磁性能和固相脱碳的综合研究甚少。
　　本研究以碳酸钙粉作为高碳铬铁粉的固体脱碳剂，在微波加热的条件下控制微波加热温度和脱碳保温时间对高碳铬铁粉进行固相脱碳。采用矢量网络分析仪和碳硫联测分析仪，系统研究该脱碳物料电磁性能和固相脱碳过程的内在关系;通过微波加热升温特性实验和理论的对比研究，具体分析该粉体物料微波加热过程的内在规律以及电磁性能变化对该过程的影响;借助量子力学及相关理论，深入探究过渡金属碳化物的微波加热微观机制以及其态密度与微波加热的内在关系。
　　研究结果表明，当高碳铬铁的粒径减小至介观尺寸时，该粉体物料在微波场中受到极化弛豫和共振响应的共同作用。在介观尺寸时，铬铁复合碳化物的4s和4p态电子因量子限域效应而减弱其离域性，故有利于微波加热。与块状高碳铬铁对比，高碳铬铁粉吸收微波的能力明显增强，其最大微波吸收率为53.89％。在固相脱碳过程中，介电损耗和磁损耗可以相互转化，并与该粉体物料的碳含量、碳空位和晶体结构等诸多因素密切相关。另外，该介观尺寸粉体物料的微波加热过程是体加热过程，其包含微波吸收和能量转化两个基元反应。若考虑侧面和底面边缘较大的能量损失，该粉体物料的温度场分布是轴对称分布，并且轴中心的温度高于侧面和底面边缘的温度，故径向粉体物料的电磁性能存在差异，进而影响微波加热的总体过程。
　　随着微波加热温度的提高，脱碳物料的相对介电常数具有先增高后降低的特点，而相对磁导率的变化趋势恰好相反。随着微波加热温度的提高和脱碳保温时间的延长，相对复介电常数趋于稳定，说明铬铁复合碳化物相最终向铬铁素体相转变。当相对介电常数和相对介电损耗因子趋于减小，而相对磁导率和相对磁损耗因子趋于增大时，脱碳物料的平均脱碳速率最大。在微波加热过程中，无论化学反应热是否存在，该粉体物料的升温曲线均符合三次函数;若无化学反应热，其升温速率够较好地符合相应三次函数的导函数。微波和该粉体物料相互作用实际上是微波光子增加了该微观粒子体系的混乱程度，在分子水平上表现为振动。在该碳化物中，3d态电子很容易在微波场作用下发生带间跃迁，从而加剧了原子的热振动。
　　本研究结果将有利于进一步理解微波与粉体物料相互作用，揭示过渡金属碳化物微波加热机理，并为微波冶金以及量子冶金的广泛应用奠定理论基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 高碳铬铁固相脱碳研究背景

1．1．1 碳化物M7C3和M23C6的结构与性质

1．1．2 高碳铬铁固相脱碳的研究进展

1．2 微波加热技术

1．2．1 微波加热特点

1．2．2 微波加热机理及模型

1．2．3 微波加热在冶金工程中的应用

1．3 电磁性能理论基础

1．3．1 介电性能及其微观机制

1．3．2 磁性能及磁损耗机制

1．3．3 微波吸收性能及微波能损耗功率

1．4 课题研究内容及意义

第二章 实验过程及理论计算

2．1 实验原料及仪器

2．2 实验方法及步骤

2．3 理论计算方法

第三章 高碳铬铁粉电磁性能研究

3．1 高碳铬铁粉介电性能研究

3．2 高碳铬铁粉磁性能研究

3．3 高碳铬铁粉吸波性能研究

3．4 本章小结

第四章 微波加热高碳铬铁粉固相脱碳电磁性能研究

4．1 微波加热温度和脱碳保温时间对固相脱碳的影响

4．2 脱碳物料电磁性能研究

4．2．1 脱碳物料介电性能研究

4．2．2 脱碳物料磁性能研究

4．2．3 脱碳物吸波性能研究

4．3 脱碳物料电磁性能和脱碳过程的内在关系

4．3．1 脱碳物料电磁性能与脱碳条件的内在关系

4．3．2 脱碳物料电磁性能与铬铁粉碳含量的内在关系

4．4 本章小结

第五章 微波加热高碳铬铁粉固相脱碳升温机理研究

5．1 微波加热高碳铬铁粉及其脱碳物料升温特性研究

5．1．1 微波加热升温特性实验和理论对比研究

5．1．2 微波加热升温特性与电磁性能的内在关系

5．2 微波加热过渡金属碳化物升温机理研究

5．2．1 碳化物M7C3和M23C6的微波加热微观机理

5．2．2 态密度与微波加热的内在联系

5．3 本章小结

第六章 结论

参考文献

附录

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文