D0I:10.13374/i.issnl00103.2007.09.028 第29卷第9期 北京科技大学学报 Vol.29 No.9 2007年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sep·2007 含碳铬铁矿粉在微波场中的升温特性 陈津李宁)王社斌)晏泓刘金营) 1)太原理工大学材料科学与工程学院，太原0300242)中国电子科技集团公司第十二研究所，北京100016 摘要采用微波加热法避免传统加热方式带来的粉状物料传热传质不均匀的现象。利用微波治金炉，针对含碳铬铁矿粉在 微波场中的升温特性进行了研究.结果表明，含碳铬铁矿粉在频率2.450G压的微波场中具有良好的升温特性.在微波加热 功率10kW、含碳铬铁矿粉1kg的条件下，含碳铬铁矿粉在7min内温度可升至1100℃，升温速率为157.1℃min-1:而含碳 磁铁矿粉在10min内温度升至1000℃，升温速率仅为100℃min-1.提高配碳比，可提高含碳铬铁矿粉的升温速率和降低轻 烧钙质石灰粉对物料升温速率的影响· 关键词铬铁矿粉：磁铁矿粉：微波加热：微波场：升温特性 分类号TF19;TF641 我国铬铁矿资源贫乏，进口依存度达95%，随 微波是一种特殊的电磁波，频率在0.3~ 着世界上铬铁矿资源的增量开采，适合冶金要求的 300Gz(波长在100~0.1cm),位于电磁波谱的红 块矿逐年减少，而粉矿逐年增加.据报道，目前世界 外辐射和无线电波之间，微波对粉矿具有明显的加 上铬铁矿年开采量已达1700万t山，其中粉矿（粒 热效应，其特点有：(1)可以快速加热粉状物料，缩短 度<8mm)占到3/42]，而块矿仅占1/4.因此，研 反应时间；(2)可以选择性加热粉状物料，使矿石矿 究用铬铁矿粉生产铬铁的低成本工艺流程具有重大 物和脉石矿物产生热离解：(3)可以用非接触方式加 意义陶 热粉状物料，避免物料的外界污染；(4)具有分子尺 目前，用粉状铬铁矿治炼铬铁的方法有直接入 度的搅拌作用，可创造有力的固一固相还原动力学 炉冶炼和预处理冶炼两大类。直接入炉冶炼有矿热 条件，微波能是一种新型的加热能源，其显著优点 炉冶炼和等离子炉冶炼两种工艺：预处理冶炼有烧 是可以实现对粉状物料的快速选择性加热和还 结、球团和压块三种工艺，等离子技术的优点是可 原10)，避免传统加热方式带来的粉状物料传热传质 以直接利用细粉原料和廉价的碳质还原剂生产高碳 不均匀的现象，采用微波加热法，可以有效地加热 铬铁，美国、南非、英国等相继研制出了各种等离子 含碳铬铁矿粉，进行碳热还原， 炉，有的已进入工业应用阶段向].但是，在工业上大 1 规模应用等离子炉还存在着诸如等离子枪寿命短、 原料与方法 能耗高等技术问题，且该工艺在生产中碳、低碳铬铁 原料为印度铬铁矿粉（见表1）、无烟煤粉（见 中受到限制，铬铁矿粉经过烧结、球团、压块等造块 表2)、轻烧钙质石灰粉（见表3）.此外，还选用磁铁 工艺预处理后，可用于传统的矿热炉或高炉冶炼铬 矿粉（见表4）作为加热效果的对比物料 铁[]，但造块规模和设备更新受到限制，直接还原 采用微波加热法，微波冶金炉的主要技术指标 合金化门，虽然可以大幅度降低成本，加快还原进 为：(1)微波炉加热物料范围为1~10kg;(2)最大微 程，但铬铁矿原料需要一定的粒度，治炼中无法使用 波加热功率为20kW:(3)最高温度为1500℃.该设 细粉矿，从20世纪80年代以来，我国学者对铬铁 备的内部结构及装置见图1，外接电源电压为220V 矿粉的利用技术进行了大量研究[8，但如何找到 交流电，经变压器产生的高电压供给磁控管工作，磁 一种较好的方法利用铬铁矿粉生产铬铁或含铬铁 控管产生微波导入炉腔，进行物料加热.该设备装 水，尤其是含碳低的铬铁，仍然是一项重要研究课 有功率选择器和定时器，测温采用热电偶装置，双 题 铂铑热电偶可连续测温。为保证测温的准确性，热 收稿日期.：2006-04-25修回日期：2006-10-28 电偶可插入到物料的内部.由于热电偶为金属制 基金项目：国家自然科学基金和上海宝钢集团公司联合资助项目 品，为防止在微波场中放电起弧而使测温受到影响， (No-50474083) 热电偶的刚玉保护管要外套不锈钢管山]. 作者简介：陈津(1955一)，男.教授，博士
含碳铬铁矿粉在微波场中的升温特性 陈 津1） 李 宁1） 王社斌1） 晏 泓1） 刘金营2） 1） 太原理工大学材料科学与工程学院太原030024 2） 中国电子科技集团公司第十二研究所北京100016 摘 要 采用微波加热法避免传统加热方式带来的粉状物料传热传质不均匀的现象．利用微波冶金炉针对含碳铬铁矿粉在 微波场中的升温特性进行了研究．结果表明含碳铬铁矿粉在频率2∙450GHz 的微波场中具有良好的升温特性．在微波加热 功率10kW、含碳铬铁矿粉1kg 的条件下含碳铬铁矿粉在7min 内温度可升至1100℃升温速率为157∙1℃·min －1；而含碳 磁铁矿粉在10min内温度升至1000℃升温速率仅为100℃·min －1．提高配碳比可提高含碳铬铁矿粉的升温速率和降低轻 烧钙质石灰粉对物料升温速率的影响． 关键词 铬铁矿粉；磁铁矿粉；微波加热；微波场；升温特性 分类号 TF19；TF641 收稿日期：2006-04-25 修回日期：2006-10-28 基金项目：国家自然科学基金和上海宝钢集团公司联合资助项目 （No．50474083） 作者简介：陈 津（1955－）男教授博士 我国铬铁矿资源贫乏进口依存度达95％．随 着世界上铬铁矿资源的增量开采适合冶金要求的 块矿逐年减少而粉矿逐年增加．据报道目前世界 上铬铁矿年开采量已达1700万 t ［1］其中粉矿（粒 度＜8mm）占到3／4［2－3］而块矿仅占1／4．因此研 究用铬铁矿粉生产铬铁的低成本工艺流程具有重大 意义［4］． 目前用粉状铬铁矿冶炼铬铁的方法有直接入 炉冶炼和预处理冶炼两大类．直接入炉冶炼有矿热 炉冶炼和等离子炉冶炼两种工艺；预处理冶炼有烧 结、球团和压块三种工艺．等离子技术的优点是可 以直接利用细粉原料和廉价的碳质还原剂生产高碳 铬铁美国、南非、英国等相继研制出了各种等离子 炉有的已进入工业应用阶段［5］．但是在工业上大 规模应用等离子炉还存在着诸如等离子枪寿命短、 能耗高等技术问题且该工艺在生产中碳、低碳铬铁 中受到限制．铬铁矿粉经过烧结、球团、压块等造块 工艺预处理后可用于传统的矿热炉或高炉冶炼铬 铁［6］但造块规模和设备更新受到限制．直接还原 合金化［7］虽然可以大幅度降低成本加快还原进 程但铬铁矿原料需要一定的粒度冶炼中无法使用 细粉矿．从20世纪80年代以来我国学者对铬铁 矿粉的利用技术进行了大量研究［8－9］但如何找到 一种较好的方法利用铬铁矿粉生产铬铁或含铬铁 水尤其是含碳低的铬铁仍然是一项重要研究课 题． 微波 是 一 种 特 殊 的 电 磁 波频 率 在 0∙3～ 300GHz（波长在100～0∙1cm）位于电磁波谱的红 外辐射和无线电波之间．微波对粉矿具有明显的加 热效应其特点有：（1）可以快速加热粉状物料缩短 反应时间；（2）可以选择性加热粉状物料使矿石矿 物和脉石矿物产生热离解；（3）可以用非接触方式加 热粉状物料避免物料的外界污染；（4）具有分子尺 度的搅拌作用可创造有力的固－固相还原动力学 条件．微波能是一种新型的加热能源其显著优点 是可以实现对粉状物料的快速选择性加热和还 原［10］避免传统加热方式带来的粉状物料传热传质 不均匀的现象．采用微波加热法可以有效地加热 含碳铬铁矿粉进行碳热还原． 1 原料与方法 原料为印度铬铁矿粉（见表1）、无烟煤粉（见 表2）、轻烧钙质石灰粉（见表3）．此外还选用磁铁 矿粉（见表4）作为加热效果的对比物料． 采用微波加热法．微波冶金炉的主要技术指标 为：（1）微波炉加热物料范围为1～10kg；（2）最大微 波加热功率为20kW；（3）最高温度为1500℃．该设 备的内部结构及装置见图1．外接电源电压为220V 交流电经变压器产生的高电压供给磁控管工作磁 控管产生微波导入炉腔进行物料加热．该设备装 有功率选择器和定时器测温采用热电偶装置．双 铂铑热电偶可连续测温．为保证测温的准确性热 电偶可插入到物料的内部．由于热电偶为金属制 品为防止在微波场中放电起弧而使测温受到影响 热电偶的刚玉保护管要外套不锈钢管［11］． 第29卷 第9期 2007年 9月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．9 Sep．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．09．028
第9期 陈津等：含碳铬铁矿粉在微波场中的升温特性 .881 表1印度铬铁矿粉化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of Indian chromite ore fines % Cr203 Si02 A203 TiOz FeO Fe203 Cao K20 Na20 Mgo P205 烧失量 49.27 5.24 12.080.12 4.32 12.01 0.35 0.36 0.26 5.44 0.0180.029 3.32 表2无烟煤粉化学成分（质量分数） Table 2 Chemical composition of anthracite % Aad Vad Mad Stad Fcad SiO2 Al203 TiO2 Fe203 Ca0 Mgo 21.12 5.90 3.76 0.34 69.22 49.50 18.37 1.20 11.46 11.89 2.40 0.49 注：煤中的Aad.Vad、Mad,Stad和Fcad符号代表的是固定碳、水分、硫、挥发分、灰分 表3轻烧钙质石灰粉化学成分（质量分数） Table 3 Chemical composition of lime % SiO2 Al203 Fe203 CaO Mgo K20 Na20 P 烧失量 3.80 0.66 0.76 67.03 0.54 0.20 0.030 0.078 0.030 27.00 表4宣化磁铁矿粉化学成分（质量分数） Table 4 Chemical composition of Xuanhua magnetite ore fines % TFe FeO Fe203 FeS Ca0 Mgo SiO2 AL20 K20 Na20 MnO2 TiOz 64.1528.2260.290.0790.24 0.49 5.91 0.38 0.062 0.056 0.16 0.76 0.450.012 粉和轻烧钙质石灰粉用制样机分别制成粒度为一 200目的粉料，然后根据配比称重，制备成混合物 料.称取含碳铬铁矿粉1kg,自然装入轻质耐火砖 00 制成的坩锅内，然后整体放入微波冶金炉内，选择合 适的微波功率进行加热 2结果 220V 图2为含碳铬铁矿粉（配比为铬铁矿粉质量分 数80%，无烟煤粉15%，轻烧钙质石灰粉5%)与含 碳磁铁矿粉（配比为磁铁矿粉质量分数80%，无烟 1一磁控管：2一双铂能热电偶与测温表：3一交流电源：4一炉腔： 煤粉15%，轻烧钙质石灰粉5%)在微波场中的升温 5一物料与坩埚：6一支撑架：7一保护气体管道 特性对比曲线.在微波（频率2.450Gz)加热功率 图1微波冶金炉结构示意图 10kW、含张铬铁矿粉质量1kg的条件下，物料在 一■一含碳磁铁矿粉 Fig-1 Configuration sketch of a microwave metallurgy oven 1000上 一●一含碳铬铁矿粉 对坩锅和耐火保温材料的选择要求为：(1)耐高 800 温且保温性能好，同时具有较好的耐热冲击性，重复 600 使用率高；(2)能最大限度地透过微波，有利于粉状 400 物料吸收微波，提高微波加热效率；(3)来源广泛且 200 成本低廉12].由于轻质耐火砖介质损耗(tan6)相 46810 对甚小（频率为1M出时，相对介电常数e'= 时间min 11.003]),热导率相对较低，高温下的物理和化学 图2含碳铬铁矿粉与含碳磁铁矿粉微波加热升温速率对比·徽 性质比较稳定，价格远低于高纯氧化铝（频率为 波加热功率10kW,混合物料质量1kg 1M时，相对介电常数e'=12.6013),故选用轻 Fig.2 Comparison of temperature-rising rate between chromite ore 质耐火砖制成坩埚，直径为60mm,高为300mm, fines containing coal and magnetite ore fines containing coal heated 所用的含碳铬铁矿粉由印度铬铁矿粉、无烟煤 by microwave.Microwave power 10kW.the ore fines'mass 1kg
表1 印度铬铁矿粉化学成分（质量分数） Table1 Chemical composition of Indian chromite ore fines ％ Cr2O3 SiO2 Al2O3 TiO2 FeO Fe2O3 CaO K2O Na2O MgO P2O5 S 烧失量 49∙27 5∙24 12∙08 0∙12 4∙32 12∙01 0∙35 0∙36 0∙26 5∙44 0∙018 0∙029 3∙32 表2 无烟煤粉化学成分（质量分数） Table2 Chemical composition of anthracite ％ Aad Vad Mad Stad Fcad SiO2 Al2O3 TiO2 Fe2O3 CaO MgO P 21∙12 5∙90 3∙76 0∙34 69∙22 49∙50 18∙37 1∙20 11∙46 11∙89 2∙40 0∙49 注：煤中的 Aad、Vad、Mad、Stad 和 Fcad 符号代表的是固定碳、水分、硫、挥发分、灰分． 表3 轻烧钙质石灰粉化学成分（质量分数） Table3 Chemical composition of lime ％ SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O S P 烧失量 3∙80 0∙66 0∙76 67∙03 0∙54 0∙20 0∙030 0∙078 0∙030 27∙00 表4 宣化磁铁矿粉化学成分（质量分数） Table4 Chemical composition of Xuanhua magnetite ore fines ％ TFe FeO Fe2O3 FeS CaO MgO SiO2 AL2O K2O Na2O MnO2 TiO2 S P 64∙15 28∙22 60∙29 0∙079 0∙24 0∙49 5∙91 0∙38 0∙062 0∙056 0∙16 0∙76 0∙45 0∙012 图1 微波冶金炉结构示意图 Fig．1 Configuration sketch of a microwave metallurgy oven 对坩锅和耐火保温材料的选择要求为：（1）耐高 温且保温性能好同时具有较好的耐热冲击性重复 使用率高；（2）能最大限度地透过微波有利于粉状 物料吸收微波提高微波加热效率；（3）来源广泛且 成本低廉［12］．由于轻质耐火砖介质损耗（tanδ）相 对甚 小 （频 率 为1MHz 时相 对 介 电 常 数 ε′＝ 11∙00［13］ ）热导率相对较低高温下的物理和化学 性质比较稳定价格远低于高纯氧化铝（频率为 1MHz时相对介电常数 ε′＝12∙60［13］ ）故选用轻 质耐火砖制成坩埚直径为60mm高为300mm． 所用的含碳铬铁矿粉由印度铬铁矿粉、无烟煤 粉和轻烧钙质石灰粉用制样机分别制成粒度为－ 200目的粉料然后根据配比称重制备成混合物 料．称取含碳铬铁矿粉1kg自然装入轻质耐火砖 制成的坩锅内然后整体放入微波冶金炉内选择合 适的微波功率进行加热． 图2 含碳铬铁矿粉与含碳磁铁矿粉微波加热升温速率对比．微 波加热功率10kW混合物料质量1kg Fig．2 Comparison of temperature-rising rate between chromite ore fines containing coal and magnetite ore fines containing coal heated by microwave．Microwave power10kWthe ore fines’mass1kg 2 结果 图2为含碳铬铁矿粉（配比为铬铁矿粉质量分 数80％无烟煤粉15％轻烧钙质石灰粉5％）与含 碳磁铁矿粉（配比为磁铁矿粉质量分数80％无烟 煤粉15％轻烧钙质石灰粉5％）在微波场中的升温 特性对比曲线．在微波（频率2∙450GHz）加热功率 10kW、含碳铬铁矿粉质量1kg 的条件下物料在 第9期 陈 津等： 含碳铬铁矿粉在微波场中的升温特性 ·881·
.882 北京科技大学学报 第29卷 7min内温度可升至1100℃，升温速率为157.1 铁矿的介电损耗因子（ε）小于磁铁矿所致（见 ℃min-1;而含碳磁铁矿粉在l0min内温度仅升至 表5)；当温度高于350℃以上时，含碳铬铁矿粉升 1000℃，升温速率为100℃min1.结果表明，在 温速率明显高于含碳磁铁矿粉，说明铬铁矿的介电 微波场中，含碳铬铁矿粉的微波加热升温特性明显 性质发生了显著变化，为其介电损耗因子(e")迅速 优于含碳磁铁矿粉.在温度低于350℃时，含碳铬 增加所致 铁矿粉的升温速率小于含碳磁铁矿粉，这是由于铬 表5在2.450G业微波频率下铬铁矿和磁铁矿电磁参数对比 Table 5 Comparison of electromagnetic parameters between chromite ore fines and magnetite ore fines in a microwave frequency of 2.450GH 矿粉种类 e" tan Og tan Oy al(Q-1.cm-1) 铬铁矿粉 4.55 0.005 0.0011 1.055 -0.02 -0.01895 7.225×10-6 磁铁矿粉 9.92 0.11 0.0111 1.55 0.31 0.20005 1.540X10-4 铬铁矿主要成分为Fe0CrzO3([Fe,Mg]O· 在同样的条件下，配加5%的轻烧钙质石灰粉， [Cr,Al,Fe]203),磁铁矿主要成分为Fe0Fe203,它 然后变化含碳铬铁矿粉的配碳比(C:0物质的量比 们在微波场中的升温特性与其氧化物分子的性质有 近似为0.84,1.15,1.60).配加轻烧钙质石灰粉后， 关.铬的价电子层构型为3d下4s',由于s亚层和d亚 在低配碳比下，物料总体的升温速率有所下降：但随 层能量很接近，因此铬的最外层s电子和次外层d 着配碳比的提高，物料总体的升温速率随之提高（见 电子均可参与构成化学键，故铬呈现出多种氧化态： 图4)，物料加热到1100℃，升温速率分别为 +1,十2，十3，十4，十5和十6.铁的价电子层构型 68.75,73.33,91.66℃min-1 为3d42,氧化态较少，仅为十2和十3.随着温度的 1200 升高，铬铁矿中众多的铬离子价态易发生变化，导致 1000 其介电损耗因子(e)发生较大的变化；而铁离子的 800 价态相对较少，其介电损耗因子(”)的变化也相对 600 较小. 400 -■-C:0=0.842 ◆-C0=1.153 在微波（频率2.450GH业）加热功率10kW、含碳 200 -4-C0=1.595 铬铁矿粉质量1kg的条件下，变化物料的配碳比 46101214161820 (C:0物质的量比近似为0.86,0.95,1.12).随着配 加热时间min 碳比的提高，物料的升温速率随之有所提高（见图 图4不同配碳比（物质的量比）含碳铬铁矿粉微波加热升温速 3).加热到1200℃，升温速率分别为66.67,80.00， 率对比·微波加热功率10kW,混合物料质量1kg,配加5%轻烧 85.71℃min 钙质石灰 1400r Fig.4 Comparison of temperature-rising rate among chromite ore 1200 fines containing coal with different C:O mole ratios heated by mi- 1000 crowave when5%of lime was added.Microwave power 10kW.the 800 ore fines'mass 1kg 型 600 -■-C:0=0.8561 400 0-C:0=0.9527 从表6有关物质的相对介电常数测定值分析， -▲-C:0=1.1213 200 氧化钙的介电常数略大于铬铁矿的介电常数，由于 轻烧钙质石灰含有少量的碳酸根，其分解需要吸热， 8 12 16 20 加热时间min 对含碳铬铁矿粉的整体加热升温速率会产生一定影 响，但随着配碳比的提高，会减小其影响， 图3不同配碳比（物质的量比）含碳铬铁矿粉微波加热升温速 据金钦汉等3]研究的结果，用微波单独加热氧 率对比·微波加热功率10kW,混合物料质量1kg,未加入轻烧钙 化物，根据升温曲线可分为三种基本类型：(1)强极 质石灰 Fig.3 Comparison of temperature-rising rate among chromite ore 性物质，如MnO2、Ni203、CrO3、V205等，它们对微 fines containing coal with different C:O mole ratios heated by mi- 波的吸收能力极强，是一种高损耗物质；(2)中极性 crowave.Microwave power 10kW,the ore fines'mass Ikg 物质，初始时吸收微波的能力较弱，但经微波作用一
7min内温度可升至1100℃升温速率为157∙1 ℃·min －1 ；而含碳磁铁矿粉在10min 内温度仅升至 1000℃升温速率为100℃·min －1．结果表明在 微波场中含碳铬铁矿粉的微波加热升温特性明显 优于含碳磁铁矿粉．在温度低于350℃时含碳铬 铁矿粉的升温速率小于含碳磁铁矿粉这是由于铬 铁矿的介电损耗因子 （ε″） 小于磁铁矿所致 （见 表5）；当温度高于350℃以上时含碳铬铁矿粉升 温速率明显高于含碳磁铁矿粉说明铬铁矿的介电 性质发生了显著变化为其介电损耗因子（ε″）迅速 增加所致． 表5 在2∙450GHz 微波频率下铬铁矿和磁铁矿电磁参数对比 Table5 Comparison of electromagnetic parameters between chromite ore fines and magnetite ore fines in a microwave frequency of2∙450GHz 矿粉种类 ε′ ε″ tanδE μ′ μ″ tanδM σ／（Ω－1·cm －1） 铬铁矿粉 4∙55 0∙005 0∙0011 1∙055 －0∙02 －0∙01895 7∙225×10－6 磁铁矿粉 9∙92 0∙11 0∙0111 1∙55 0∙31 0∙20005 1∙540×10－4 铬铁矿主要成分为 FeO·Cr2O3（［FeMg ］ O· ［CrAlFe］2O3）磁铁矿主要成分为 FeO·Fe2O3它 们在微波场中的升温特性与其氧化物分子的性质有 关．铬的价电子层构型为3d 54s 1由于 s 亚层和 d 亚 层能量很接近因此铬的最外层 s 电子和次外层 d 电子均可参与构成化学键故铬呈现出多种氧化态： ＋1＋2＋3＋4＋5和＋6．铁的价电子层构型 为3d 64s 2氧化态较少仅为＋2和＋3．随着温度的 升高铬铁矿中众多的铬离子价态易发生变化导致 其介电损耗因子（ε″）发生较大的变化；而铁离子的 价态相对较少其介电损耗因子（ε″）的变化也相对 较小． 在微波（频率2∙450GHz）加热功率10kW、含碳 铬铁矿粉质量1kg 的条件下变化物料的配碳比 （C∶O物质的量比近似为0∙860∙951∙12）．随着配 碳比的提高物料的升温速率随之有所提高（见图 3）．加热到1200℃升温速率分别为66∙6780∙00 85∙71℃·min －1． 图3 不同配碳比（物质的量比）含碳铬铁矿粉微波加热升温速 率对比．微波加热功率10kW混合物料质量1kg未加入轻烧钙 质石灰 Fig．3 Comparison of temperature-rising rate among chromite ore fines containing coal with different C∶O mole ratios heated by microwave．Microwave power10kWthe ore fines’mass1kg 在同样的条件下配加5％的轻烧钙质石灰粉 然后变化含碳铬铁矿粉的配碳比（C∶O 物质的量比 近似为0∙841∙151∙60）．配加轻烧钙质石灰粉后 在低配碳比下物料总体的升温速率有所下降；但随 着配碳比的提高物料总体的升温速率随之提高（见 图4）．物 料 加 热 到 1100℃升 温 速 率 分 别 为 68∙7573∙3391∙66℃·min －1． 图4 不同配碳比（物质的量比）含碳铬铁矿粉微波加热升温速 率对比．微波加热功率10kW混合物料质量1kg配加5％轻烧 钙质石灰 Fig．4 Comparison of temperature-rising rate among chromite ore fines containing coal with different C∶O mole ratios heated by microwave when5％ of lime was added．Microwave power10kWthe ore fines’mass1kg 从表6有关物质的相对介电常数测定值分析 氧化钙的介电常数略大于铬铁矿的介电常数由于 轻烧钙质石灰含有少量的碳酸根其分解需要吸热 对含碳铬铁矿粉的整体加热升温速率会产生一定影 响但随着配碳比的提高会减小其影响． 据金钦汉等［13］研究的结果用微波单独加热氧 化物根据升温曲线可分为三种基本类型：（1）强极 性物质如 MnO2、Ni2O3、CrO3、V2O5 等它们对微 波的吸收能力极强是一种高损耗物质；（2）中极性 物质初始时吸收微波的能力较弱但经微波作用一 ·882· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第9期 陈津等：含碳铬铁矿粉在微波场中的升温特性 .883 表6有关矿物的真密度、电导率和介电常数对比 Table 6 Comparison of real density,electrical conductivity and dielectric constant of ore materials 密度/ 直流电导率/ 相对介电常数e' 矿物 主要化学成分 (g'cm-3) (S'm-1) 1 MHz 0.05-50Mk 铬铁矿 FeCr204 5.086 6.2×10-8 11.421 绿铬矿 Cr203 5.225 11.904) 赤铁矿 Fe203 5.275 1.0×10-2 25.0014 磁铁矿 Fe304 5.200 1.0×103 方铁矿 FeO 5.722 14.204 氧化钙 Ca0 3.345 11.804y 石墨 C 2.267 7.0×103 煤 C 9.07[1 段时间后，表现出很快的升温特性，如Fs04、 参考文献 Cr203SnO2、Cu0等；(3)弱极性物质，它们对微波 [1】王维德.世界铬矿石和铬铁合金生产综述.矿业工程，2003 是透明的，在微波场中升温很慢，如A203、Ti02、 (6):10 MoOz、Zn0、Ph0等，由于工业用的铬铁矿粉中常 [2]贾振海.粉矿铬铁矿的预处理技术.铁合金，1989(3)：39 [3]朱德庆，李建，范晓慧，等.铬铁矿粉造块方法综述.烧结球 含有一些杂质成分，诸如Mn02、Niz03、V205等高 团，2004,29(2)：27 损耗的物质，它们有利于促进含碳铬铁矿粉的微波 [4]张友平，李正邦，薛正良，生产不锈钢母液的铬矿粉利用技 加热速率的提高， 术.特殊钢，2003,24(1)：29 [5]杨双平.粉状铬矿的等离子还原法研究.铁合金，2000(6)： 3结论 17 [6]李鹏辉.烧结铬矿冶炼高碳铬铁的探索，铁合金，2002(4)：8 (1)含碳铬铁矿粉在微波场中具有较好的升温 [7]张奉山，倪红卫.铬矿直接还原合金化冶炼不锈钢的研究.特 特性，在微波（频率2.450G五）加热功率10kW、混 殊钢，2001,22(3)：5 合物料质量1kg的条件下，含碳铬铁矿粉在7min [8]李人泰，贾振海，李聪览，等.粉矿铬矿球团预还原冶炼高碳 内温度可升至1100℃，升温速率为157.1℃· 铬铁的研究.浙江冶金，1996(2)：2 min;而含碳磁铁矿粉在10min内温度可升至 [9]程包进.高炉冶炼铬铁的理论探讨，铁合金，1989(3)：7 [10]陈津.微波加热还原自熔性含碳球团的应用基础研究[学位 1000℃，升温速率仅为100℃min1. 论文]北京：钢铁研究总院，2003：62 (2)在同样的条件下，变化含碳铬铁矿粉的配 [11]白向钰，吴苏，张世昌，等.新型加工陶瓷材料的微波加热系 碳比(C:0物质的量比为0.86,0.95,1.12).随着 统.微波学报，1999,15(2)：174 配碳比的提高，物料的升温速率随之提高，加热到1 [1]陈津，赵晶，冯秀梅，等，微波治金耐火材料研究.工业加 200℃，升温速率分别为66.67,80.00,85.71℃· 热，2006,35(3)：56 min-1, [13]金钦汉，戴树珊，黄卡玛.微波化学.北京：科学出版社， 1999:7 (3)在同样的条件下，配加5%的轻烧钙质石灰 [l4]Touloukian Y S,Judd W R,Roy R F,等.岩石与矿物的物理 粉，然后变化含碳铬铁矿粉的配碳比(C:0物质的 性质.单家曾，李继亮，译.北京：石油出版社，1990：210 量比为0.84,1.15,1.60).在低配碳比下，物料总 [15]吕绍林，何继善.瓦斯突出煤体的介电性质研究，世界地质， 体的升温速率有所下降；但随着配碳比的提高，物料 1997,16(4):43 总体的升温速率随之提高·物料加热到1100℃，升 (下转第906页) 温速率分别为68.75,73.33,91.66℃min1
表6 有关矿物的真密度、电导率和介电常数对比 Table6 Comparison of real densityelectrical conductivity and dielectric constant of ore materials 矿物 主要化学成分 密度／ （g·cm －3） 直流电导率／ （S·m －1） 相对介电常数 ε′ 1MHz 0∙05～50MHz 铬铁矿 FeCr2O4 5∙086 6∙2×10－8 11∙42［14］ － 绿铬矿 Cr2O3 5∙225 － 11∙90［14］ － 赤铁矿 Fe2O3 5∙275 1∙0×10－2 25∙00［14］ － 磁铁矿 Fe3O4 5∙200 1∙0×104 － － 方铁矿 FeO 5∙722 － 14∙20［14］ － 氧化钙 CaO 3∙345 － 11∙80［14］ － 石墨 C 2∙267 7∙0×104 － － 煤 C － － － 9∙07［15］ 段时 间 后表 现 出 很 快 的 升 温 特 性如 Fe3O4、 Cr2O3、SnO2、CuO 等；（3）弱极性物质它们对微波 是透明的在微波场中升温很慢如 Al2O3、TiO2、 MoO2、ZnO、PbO 等．由于工业用的铬铁矿粉中常 含有一些杂质成分诸如 MnO2、Ni2O3、V2O5 等高 损耗的物质它们有利于促进含碳铬铁矿粉的微波 加热速率的提高． 3 结论 （1） 含碳铬铁矿粉在微波场中具有较好的升温 特性在微波（频率2∙450GHz）加热功率10kW、混 合物料质量1kg 的条件下含碳铬铁矿粉在7min 内温度可升至 1100℃升温速率为 157∙1℃· min －1 ；而含碳磁铁矿粉在10min 内温度可升至 1000℃升温速率仅为100℃·min －1． （2） 在同样的条件下变化含碳铬铁矿粉的配 碳比（C∶O 物质的量比为0∙860∙951∙12）．随着 配碳比的提高物料的升温速率随之提高加热到1 200℃升温速率分别为66∙6780∙0085∙71℃· min －1． （3） 在同样的条件下配加5％的轻烧钙质石灰 粉然后变化含碳铬铁矿粉的配碳比（C∶O 物质的 量比为0∙841∙151∙60）．在低配碳比下物料总 体的升温速率有所下降；但随着配碳比的提高物料 总体的升温速率随之提高．物料加热到1100℃升 温速率分别为68∙7573∙3391∙66℃·min －1． 参 考 文 献 ［1］ 王维德．世界铬矿石和铬铁合金生产综述．矿业工程2003 （6）：10 ［2］ 贾振海．粉矿铬铁矿的预处理技术．铁合金1989（3）：39 ［3］ 朱德庆李建范晓慧等．铬铁矿粉造块方法综述．烧结球 团200429（2）：27 ［4］ 张友平李正邦薛正良．生产不锈钢母液的铬矿粉利用技 术．特殊钢200324（1）：29 ［5］ 杨双平．粉状铬矿的等离子还原法研究．铁合金2000（6）： 17 ［6］ 李鹏辉．烧结铬矿冶炼高碳铬铁的探索铁合金2002（4）：8 ［7］ 张奉山倪红卫．铬矿直接还原合金化冶炼不锈钢的研究．特 殊钢200122（3）：5 ［8］ 李人泰贾振海李聪览等．粉矿铬矿球团预还原冶炼高碳 铬铁的研究．浙江冶金1996（2）：2 ［9］ 程包进．高炉冶炼铬铁的理论探讨．铁合金1989（3）：7 ［10］ 陈津．微波加热还原自熔性含碳球团的应用基础研究 ［学位 论文］．北京：钢铁研究总院2003：62 ［11］ 白向钰吴苏张世昌等．新型加工陶瓷材料的微波加热系 统．微波学报199915（2）：174 ［12］ 陈津赵晶冯秀梅等．微波冶金耐火材料研究．工业加 热200635（3）：56 ［13］ 金钦汉戴树珊黄卡玛．微波化学．北京：科学出版社 1999：7 ［14］ Touloukian Y SJudd W RRoy R F等．岩石与矿物的物理 性质．单家曾李继亮译．北京：石油出版社1990：210 ［15］ 吕绍林何继善．瓦斯突出煤体的介电性质研究．世界地质 199716（4）：43 （下转第906页） 第9期 陈 津等： 含碳铬铁矿粉在微波场中的升温特性 ·883·
.906. 北京科技大学学报 第29卷 Effect of deformation on the temper process of lath martensite XU Shilong,LI Longfei),YANG Wangyue),SUN Zuqing) 1)State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083.China 2)Materials Science and Engineering School.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACI The microstructure evolution during multi pass warm deformation at 550C and subsequent an- nealing process of lath martensite was investigated and compared with that of SPD (severe plastic deformation) cold-rolled lath martensite during annealing at 550C.In comparison with tempered martensite at the same tem- perature,the effects of warm and cold deformation on ferrite grain size and cementite precipitation were dis- cussed.The results showed that both warm and cold deformation significantly promoted the precipitation of ce- mentite as well as recovery and recrystallization of ferrite.The grain size of recrystallized ferrite after warm de- formation was 0.5m,meanwhile rod-type cementite particles changed to spherical-type,the size of cementite grew along with the increase of deformation reduction.Then ferrite grains grew up to 1/m when subsequently annealed at 550C for 60min,and Ostwald ripening occurred during annealing process.In cold-rolled specimens which annealed at 550C for 30min,0.3-0.4m ferrite grains and dispersed cementite particles with the size below 150nm formed.The mean sizes of ferrite grains and cementite particles grew up to 1.9m and 160nm during subsequent annealing. KEY WORDS martensite:deformation:tempering treatment;ferrite;cementite (上接第883页) Temperature rising characteristic of chromite ore fines containing coal in a mi- crowave field CHEN Jin),LI Ning),WANG Shebin),YAN Hong).LIU Jinying?) 1)College of Materials Science and Engineering.Taiyuan University of Technology.Taiyuan 030024.China 2)No-12 Research Institute.China Electronics Technology Group Company,Beijing 100016.China ABSTRACI The microwave heating technique can avoid the non-homogeneous phenomenon of transferring heat and mass in pulverous ore materials by conventional heating.The temperature rising characteristic of chromite ore fines containing coal in a microwave field was experimentally investigated with a microwave metal- lurgy oven.The results showed that chromite ore fines containing coal had a better temperature-rising character- istic in the microwave field of 2.45GHz in frequency.Under the condition of the microwave power of 10k W and the ore fines'mass of lkg,chromite ore fines containing coal reached 1100C in7min with a temperature rising rate of 157.1C.min,whereas magnetite ore fines containing coal reached 1000C in 10min with a tempera ture-rising rate of only 100Cmin.Increasing the carbon-oxygen mole ratio can enhance the heating effect of chromite ore fines containing coal and reduce the effect of lime addition on the temperature rising rate. KEY WORDS chromite ore fines;magnetite ore fines;microwave heating;microwave field;temperature ris- ing characteristic
Effect of deformation on the temper process of lath martensite XU Shilong 1）LI Longfei 1）Y A NG Wangyue 2）SUN Zuqing 1） 1） State Key Laboratory for Advanced Metals and MaterialsUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） Materials Science and Engineering SchoolUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT The microstructure evolution during mult-i pass warm deformation at 550℃ and subsequent annealing process of lath martensite was investigated and compared with that of SPD （severe plastic deformation） cold-rolled lath martensite during annealing at550℃．In comparison with tempered martensite at the same temperaturethe effects of warm and cold deformation on ferrite grain size and cementite precipitation were discussed．The results showed that both warm and cold deformation significantly promoted the precipitation of cementite as well as recovery and recrystallization of ferrite．The grain size of recrystallized ferrite after warm deformation was0∙5μmmeanwhile rod-type cementite particles changed to spherica-l typethe size of cementite grew along with the increase of deformation reduction．Then ferrite grains grew up to1μm when subsequently annealed at 550℃ for60minand Ostwald ripening occurred during annealing process．In cold-rolled specimens which annealed at 550℃ for30min0∙3－0∙4μm ferrite grains and dispersed cementite particles with the size below 150nm formed．The mean sizes of ferrite grains and cementite particles grew up to 1∙9μm and160nm during subsequent annealing． KEY WORDS martensite；deformation；tempering treatment；ferrite；cementite （上接第883页） Temperature-rising characteristic of chromite ore fines containing coal in a microwave field CHEN Jin 1）LI Ning 1）WA NG Shebin 1）Y A N Hong 1）LIU Jinying 2） 1） College of Materials Science and EngineeringTaiyuan University of TechnologyTaiyuan030024China 2） No．12Research InstituteChina Electronics Technology Group CompanyBeijing100016China ABSTRACT The microwave heating technique can avoid the non-homogeneous phenomenon of transferring heat and mass in pulverous ore materials by conventional heating．The temperature-rising characteristic of chromite ore fines containing coal in a microwave field was experimentally investigated with a microwave metallurgy oven．The results showed that chromite ore fines containing coal had a better temperature-rising characteristic in the microwave field of2∙45GHz in frequency．Under the condition of the microwave power of10kW and the ore fines’mass of1kgchromite ore fines containing coal reached1100℃ in7min with a temperature-rising rate of 157·1℃·min －1whereas magnetite ore fines containing coal reached1000℃ in10min with a temperature-rising rate of only100℃·min －1．Increasing the carbon-oxygen mole ratio can enhance the heating effect of chromite ore fines containing coal and reduce the effect of lime addition on the temperature-rising rate． KEY WORDS chromite ore fines；magnetite ore fines；microwave heating；microwave field；temperature-rising characteristic ·906· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷