微波加热与常规加热高碳铬铁粉固相脱碳显微结构对比研究

作     者：王超 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈津

授予年度：2014年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：微波加热 常规加热 高碳铬铁粉 固相脱碳 显微结构 碳扩散 

摘      要：中低碳铬铁广泛应用在不锈钢和铬系合金钢的制造,由于生产过程中排出的冶金铬渣是一种有害的固体废弃物,使得高碳铬铁液相脱碳受到环境的限制。因此,高碳铬铁固相脱碳技术日益受到人们的关注。 探究不同加热场对物料的显微结构产生的影响,为微波加热场的特殊效应提供佐证。本文以内配碳酸钙高碳铬铁粉为研究对象,采用微波加热法和常规加热法进行固相脱碳对比试验,通过含碳量对比分析、金相组织对比分析、电子探针显微对比分析及XRD物相对比分析等研究方法,比较了两种加热方式下高碳铬铁粉脱碳后的物相组成与显微结构,分析了微波加热场与常规加热场高碳铬铁粉固相脱碳的差异性,探究了微波加热高碳铬铁粉的机理及其优越性,并证明了微波场对高碳铬铁粉中碳的扩散能力具有明显的增强作用,能够大大改善固相脱碳反应的热力学及动力学条件。研究的主要结论如下： (1)高碳铬铁粉的金相组织结构主要以粗大的白色块状物相(Cr,Fe)7C3为基体相,占据了总物相的80%以上,同时还有少量灰色不规则形状的物相(Cr,Fe)23C6填充在(Cr,Fe)7C3基体相中间。由于(Cr,Fe)7C3晶粒较大,含碳较多,碳固相迁移需要更大的能量。 (2)Cr7C3晶格常数：a=0.452nm,b=0.695,c=1.212,晶胞体积为0.3807nm3。在Cr7C3晶体中,碳原子的位置在铬原子组成的三棱柱中,Cr7C3键强度及密度都较高,属于热力学稳定结构,同时具有很高的硬度。Cr23C6晶格常数：a=1.058nm,晶胞体积为0.2935nm3。在Cr23C6晶体中,碳原子的位置在铬原子组成的四方反棱柱中,Cr-C键强度明显小于Cr7C3,相对密度同样小于Cr7C3,理论硬度也小于Cr7C3,热力学稳定性自然低于Cr7C3。 (3)微波加热内配碳酸钙高碳铬铁粉在900℃.1000℃.1100℃.1200℃时并保温脱碳60min的条件下,其脱碳率都远高于马弗炉加热下的脱碳率。可见,微波加热下,不需要很高的温度及很长的保温时间就能达到很好的脱碳效果。 (4)在常规加热下,脱碳反应要求的温度高,高碳铬铁粉中的(Cr,Fe)23C6-CrFe生成量少,长大速度慢且偏析严重,分布极不均匀;而在微波场作用下,(Cr,Fe)23C6-CrFe生成温度低,反应速度快,分布较均匀,体现出了微波加热的优越性。 (5)通过计算可知：Cr7C3的化学键为共价键、离子键和金属键组成的混合键,而Cr7C3整体呈现金属性,且电子的极化驰豫是Cr7C3损耗电磁波的主要原因。同时分析得到碳原子的活性及其扩散的难易程度是影响固相脱碳速率的关键因素,而微波加热下碳原子的扩散能力得到显著提高,大大改善了固相脱碳反应的热力学及动力学条件。 (6)脱碳物料随脱碳温度的提高,其氧化程度随之增加,高碳铬铁粉颗粒越细小,氧化程度越高,但物料在微波加热场中氧化物相的尺寸更小,氧化速度也明显低于常规加热方式,从而说明微波加热场中高碳铬铁中碳的扩散速度比氧化速度要快,具有良好的脱碳抗氧化作用。 (7)微波加热到900℃后CaC03几乎完全分解,而常规加热到此温度时,还有大量CaC03残留,直到1000℃后才完全分解;常规加热到900℃时氧化物不但有Cr203,同时还存在少量CaCr204;而微波加热到1000℃时,才出现此类氧化物。常规加热到1100℃时,出现了较多的氧化物相：CaCr207及Ca(Cr02)2;微波加热到此温度时没有出现新的氧化物,而是在1200℃时才出现CaCr207.进一步证明了微波加热下高碳铬铁粉中碳的扩散速度确实远高于常规加热,大大降低了脱碳物料的氧化程度。