微波加热流化复合场高碳锰铁粉固相脱碳机理研究

随着铬锰系不锈钢等低碳合金钢的快速发展，锰铁的脱碳问题日益受到冶金界的关注。由于锰的蒸气压相对较高，锰与氧的结合能较大，使得液相锰铁脱碳受到严重影响。鉴于固相锰铁脱碳能避免高温下金属锰的蒸发，近年来成为研究的热点。微波加热场具有增强固相反应离子扩散的作用，提高固相反应的速率。高碳锰铁易于加工成粉，且具有较好的流化和吸波特性。采用微波加热复合流化床，把微波体加热场、微波电磁场和气-固相流化场结合起来，可以改善和强化传统流化床传热－脱碳的动力学条件。本工作重点是研究微波加热复合场中高碳锰铁粉固相脱碳机理及关键技术，包括制粉特性、微波加热流化特性、脱碳温度和时间、脱碳介质（CO2或/和水蒸气）选择以及脱碳产物的粘结与氧化条件。微波可在封闭体系中快速加热高碳锰铁粉，对物料无外来污染，加之脱碳气体在微波加热流化复合场中极易被极化和吸附，可提高固相脱碳反应速度，实现在较短的时间内达到物料的深度脱碳。

根据研究课题和试验要求，设计并制造了一台微波加热（搅拌）喷动流化试验装置，并进行了供气系统和气体加热系统的配套，对高碳锰铁粉进行了冷态流化试验研究，在此基础上进行了微波加热高碳锰铁粉（搅拌）喷动流化脱碳试验研究，解决了高碳锰铁粉高温状态下（800℃～900℃）喷动流化的粘结失流问题，探讨了微波加热（搅拌）喷动流化床的反应工程学规律；进行了内配碳酸钙高碳锰铁粉固相脱碳试验研究以及和常规加热固相脱碳的对比研究，研究了微波加热内配碳酸钙高碳锰铁粉固相脱碳过程中介电常数、介电损耗、导磁系数、磁损耗之间的变化关系以及对物料升温、脱碳过程的影响规律，研究了微波非热效应对固相脱碳反应的促进作用，探讨了微波加热高碳锰铁粉固相脱碳机理及固相脱碳动力学模型，建立微波加热高碳锰铁粉固相脱碳反应模型和宏观动力学方程，测算宏观脱碳动力学参数，研究脱碳速率的影响因素和控制条件。课题主要研究成果有：（1）块状高碳锰铁易于球磨制粉，且高碳锰铁粉具有良好的微波加热特性和喷动流化性能；（2）微波加热场具有增强固相脱碳反应离子扩散的作用，提高高碳锰铁粉固相反应的脱碳速率；（3）微波加热喷动搅拌流化床可以减弱高碳锰铁粉在高温喷动流化脱碳过程中的粘结失流现象。采用微波加热搅拌喷动流化床，可以避免传统喷动流化床传热不均匀－脱碳速率慢－易粘结失流的缺点，实现在较短的时间内高碳锰铁粉的深度脱碳；（4）采用微波加热搅拌喷动流化床，压缩空气作为高碳锰铁粉的脱碳气体，可以克服高碳锰铁粉在气－固流化脱碳过程中的粘结失流现象。试验表明，高碳锰铁粉在微波加热搅拌喷动流化床中900℃保温流化脱碳10min，搅拌喷动流化床腔内未粘结物料和底部粘结物料的脱碳率分别为38.28%和62.93%，搅拌喷动流化床腔外底部粘结物料的脱碳率为82.45%；（5）理论研究和试验表明，微波加热搅拌喷动流化床是一种较常规喷动流化床更为有效的强化固相脱碳的反应器。微波加热搅拌喷动流化床的应用，不仅可以补充和完善冶金反应工程学理论，还可以发展成为一种新技术新工艺，在冶金、材料、化工及其废气处理利用等相关行业中得到广泛应用。