微波场中高碳铬铁粉固相脱碳机理及关键技术研究

中低碳铬铁是生产不锈钢和铬系合金钢不可缺少的原料，由于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，而无渣法制备中低碳铬铁的理论和技术日益受到重视。微波加热场具有加热冶金粉状物料和增强固相反应离子扩散的作用，从而提高粉料固相反应的速率。高碳铬铁易于加工制粉，且具有较好微波加热特性。采用微波加热固相无渣脱碳方法，既可获得中低碳铬铁，又可避免有毒铬渣的排放，解决脱碳工艺的环境污染问题。本工作重点是研究微波加热场中高碳铬铁粉固相脱碳机理及关键技术，包括高碳铬铁粉制备特性、微波加热特性、脱碳温度和时间、脱碳剂的选择以及脱碳铬铁的氧化条件。微波可在封闭体系中快速加热高碳铬铁粉，对物料无外来污染，加之固体脱碳剂产生的脱碳气体在微波加热场中极易极化和吸附，可大幅度提高固相脱碳反应速率，实现在较短的时间内达到物料的深度脱碳。

微波加热场具有加热冶金粉状物料和增强固相反应离子扩散的作用，从而可提高粉料的固相反应速率。采用碳酸钙粉进行高碳铬铁粉的固相脱碳，具有脱碳速度快、效率高、工艺简捷、氧化程度低、微波加热能耗低等优点。以碳酸钙粉为固体脱碳剂，脱碳摩尔比（nC:nCO2）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。实验结果表明：(1)提高脱碳摩尔比，混合物料的脱碳率会相应提高，但微波加热的升温速率会变小，故合理配加碳酸钙粉是微波加热固相脱碳的重要动力学因素；(2)对于脱碳摩尔比为1:1和1:1.4的两种混合物料，微波加热1200℃并分别保温60min，脱碳率分别为65.56%和82.96%，脱碳后物料中铬铁粉的含碳量由8.16%分别为可降到2.81%和1.39%。对于相同脱碳摩尔比的混合物料，随着脱碳温度升高、保温时间延长，脱碳物料的脱碳率越高，但同时也会伴随脱碳物料的氧化程度加大，因此需要选择合适的脱碳温度与保温时间。综合考虑，1100℃为微波加热高碳铬铁粉固相脱碳的最佳温度；（3）微波场能有效促进高碳铬铁粉中碳的活化扩散，使碳固相扩散不再是速控环节，而CO2内扩散成为反应的速控环节。因此，在保证高碳铬铁粉不氧化的前提下尽量使用细物料。由于微波加热和常规加热的机理不同，在一定程度上影响着化学反应的动力学条件和活化能。实验结果表明，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68.43 kJ·mol-1；而常规加热场中固相脱碳反应的表观活化能为169.65 kJ·mol-1。微波加热场固相脱碳反应的表观活化能比常规加热场低，说明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，促进碳的固相扩散，降低脱碳反应的化学位能。随着脱碳温度的升高和脱碳保温时间的延长，微波加热场和常规加热场中的脱碳物料的脱碳率均随之提高，且在相同的脱碳温度和脱碳保温时间下，微波加热场中脱碳物料的脱碳率远高于常规加热场。微波加热的最高脱碳率为82.97%，而马弗炉加热的最高脱碳率为79.78%，微波加热能促进内配碳酸钙高碳铬铁粉在温度相对较低的情况下发生反应，且微波加热可以提高固相脱碳的脱碳率。