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微波加热内配碳酸钙高碳铬铁粉固相脱碳显微结构研究

作　者: 王龙
导　师: 陈津
学　校: 太原理工大学
专　业: 有色金属冶金
关键词: 微波加热碳酸钙高碳铬铁粉固相脱碳显微结构
分类号: TF641
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

中低碳铬铁是生产不锈钢和铬系合金钢不可缺少的原料,由于生产过程中排出的脱碳精炼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。微波加热内配碳酸钙高碳铬铁粉可以实现高碳铬铁粉快速固相脱碳,获得一种含CaO的中低碳铬铁粉。该方法可避免有害铬渣的排放,是一种简捷的高碳铬铁固相脱碳方法。因此,对这种新型的冶金物料进行显微结构和物相组成研究具有重要意义。本文通过碳含量分析、金相分析、电子探针显微和成分分析、XRD物相分析等方法,研究了高碳铬铁及其微波加热内配碳酸钙高碳铬铁粉固相脱碳物料的显微结构和物相组成,探讨了微波加热内配碳酸钙高碳铬铁粉固相脱碳的规律,同时分析了脱碳物料的氧化程度及氧化物相,得出了微波加热内配碳酸钙高碳铬铁粉固相脱碳的工艺参数。研究的主要结论如下：(1)高碳铬铁金相组织主要由初生相(Cr,Fe)7C3、包晶才(Cr,Fe)23C6、铬铁素体相(CrFe)以及少量的石墨相组成；初生相(Cr,Fe)7C3以粗大的六方柱状自形、半自形晶粒状结构为主；包晶相(Cr,Fe)23C6以包裹、熔蚀(Cr,Fe)7C3的包晶结构(Cr,Fe)23C6-(Cr,Fe)7C3为主；共晶相(Cr,Fe)23C6-CrFe以细粒蠕虫状、桃仁状交织结构为主；石墨相以细片状充填结构为主。(2)高碳铬铁金相组织中初生相(Cr,Fe)7C3占75%,晶粒粗大,晶形完整,碳固相迁移需要较大的能量；包晶相(Cr,Fe)23C6占1.5%,晶粒较小,且不完整,呈胡须包裹状、熔蚀状分布在初生相(Cr,Fe)7C3周围,碳固相迁移需要的能量较小；共晶相(Cr,Fe)23C6-CrFe占23%,分布在初生相(Cr,Fe)7C3周围,晶粒细小,晶界复杂,碳的固相迁移相对容易；石墨相占0.5%,呈细片状充填在(Cr,Fe)23C6-CrFe共晶相的裂隙中,有利于碳的固相迁移。(3)初生相(Cr,Fe)7C3中铁、硅含量低,铬、碳含量高,碳活度低不易碳的固相迁移和扩散；包晶相(Cr,Fe)23C6中铁、硅含量高,铬、碳含量低,碳活度高有利于碳的固相迁移和扩散；共晶相(Cr,Fe)23C6-CrFe中铁、硅含量最高,铬、碳含量最低,硅含量高增加了碳的活度,碳的固相迁移扩散最容易；石墨相的出现有利于碳的扩散迁移。(4)液态高碳铬铁的冷却速度对高碳铬铁的组织结构影响很大。铸块内部由于冷却速度相对较慢,金相组织主要由初生相(Cr,Fe)7C3和包晶相(Cr,Fe)23C6组成,晶粒粗大,碳固相迁移需要较大的能量；铸块边缘区域由于冷却速度较快,金相组织主要由初生相(Cr,Fe)7C3、包晶相(Cr,Fe)23C6、共晶相(Cr,Fe)23C6-CrFe组成,晶粒相对细小,碳的固相迁移相对容易。冷却速度改变了液态高碳铬铁热力学平衡态结晶顺序,使结晶物相发生了变化,即由初生相/包晶相混晶区(Cr,Fe)7C3/(Cr,Fe)23C6-(Cr,Fe)7C3平衡态结晶顺序转变到初生相/包晶相/共晶相混晶区(Cr,Fe)7C3/(Cr,Fe)23C6/(Cr,Fe)23C6-CrFe非平衡态结晶顺序,在高碳铬铁铸块的边缘区域出现了低碳(Cr,Fe)23C6-CrFe共晶相,冷却速度造成的相选择为高碳铬铁粉固相脱碳奠定了有利的相结构条件。(5)微波加热内配碳酸钙高碳铬铁粉可以在短时间内实现高碳铬铁粉的深度脱碳,得到一种含有CaO的中低碳铬铁粉。微波加热内配碳酸钙高碳铬铁粉固相脱碳后脱碳物料的物相主要由富金属碳化物相、铬铁素体相、氧化钙以及少量的铬铁氧化物相组成。(6)当微波加热内配碳酸钙高碳铬铁粉为900℃时,碳酸钙粉颗粒开始分解为CaO和CO2,CO2首先与高碳铬铁粉颗粒边界处的(Cr,Fe)7C3发生反应,高碳铬铁粉颗粒内部的(Cr,Fe)7C3基本没有发生反应；当微波加热温度为1000℃时,高碳铬铁粉颗粒边界处的(Cr,Fe)23C6和CrFe向颗粒内扩展形核长大,部分粗大的(Cr,Fe)7C3晶粒分解为细小的碎晶残留在(Cr,Fe)23C6和CrFe新生相中；当微波加热温度为1100℃时,粗大的六方柱状(Cr,Fe)7C3几乎全部转化成细小的粒状(Cr,Fe)23C6禾CrFe;当微波加热温度为1200℃时,氧化程度严重,大量的CrFe被氧化,主要的氧化物相有铬铁氧化物相(Cr,Fe)203口铬钙氧化物相CaCr2O4、CaCr2O7。(7)高碳铬铁粉中的碳含量随微波加热内配碳酸钙高碳铬铁粉温度的提高而快速降低,在900℃、1000℃、1100℃、1200℃分别保温60min条件下,高碳铬铁粉的碳含量由初始的8.16%分别降至5.06%、2.24%、1.71%、1.39%。脱碳物料中的富碳碳化物相(Cr,Fe)7C3减少,富金属碳化物相(Cr,Fe)23C6和铬铁素体相(CrFe)增多；同时,铬铁氧化物和铬钙氧化物随温度的提高而增多。综合考虑,微波场中高碳铬铁粉固相脱碳的温度在1100℃时效果最好,铬铁粉碳含量为1.71%,且氧化程度不高。

全文目录

摘要  3-6
ABSTRACT  6-14
第一章绪论  14-30
  1.1 课题研究背景及意义  14
  1.2 微波加热技术  14-20
    1.2.1 微波加热技术的原理  15-17
    1.2.2 微波加热技术的特点  17-19
    1.2.3 微波加热技术的发展及应用  19-20
  1.3 铬铁合金  20-23
    1.3.1 铬铁合金分类  20-21
    1.3.2 中低碳铬铁合金的冶炼  21-23
  1.4 铬铁碳化物显微结构的研究现状  23-27
    1.4.1 (Cr,Fe)_7C_3显微结构的研究  24-26
    1.4.2 (Cr,Fe)_(23)C_6显微结构的研究  26-27
  1.5 固相脱碳的研究现状  27-28
  1.6 本文研究目的及主要内容  28-30
第二章试验方法与分析方法  30-38
  2.1 试验原料  30-31
    2.1.1 高碳铬铁  30-31
    2.1.2 脱碳剂  31
  2.2 试验设备  31-34
    2.2.1 多功能微波冶金加热炉  31-32
    2.2.2 碳硫联测分析仪  32-33
    2.2.3 Axio Scope.A1金相显微镜  33-34
    2.2.4 其它仪器设备及试剂  34
  2.3 试验内容与步骤  34-38
    2.3.1 高碳铬铁金相制备与分析  34-35
    2.3.2 微波加热内配碳酸钙高碳铬铁粉固相脱碳试验  35-36
    2.3.3 微波加热内配碳酸钙高碳铬铁粉固相脱碳物料碳含量的测定  36-38
第三章高碳铬铁显微结构研究  38-50
  3.1 引言  38
  3.2 金相分析  38-45
    3.2.1 初生相的形成和特点  39-40
    3.2.2 包晶相的形成和特点  40-41
    3.2.3 共晶相的形成和特点  41-43
    3.2.4 石墨相的形成和特点  43
    3.2.5 冷却速度对高碳铬铁显微结构的影响  43-45
  3.3 电子探针分析  45-47
    3.3.1 高碳铬铁的微观结构特征与碳化物成分  45-46
    3.3.2 各主要元素在碳化物中的分布规律  46-47
  3.4 XRD分析  47-48
  3.5 本章小结  48-50
第四章微波加热内配碳酸钙高碳铬铁粉固相脱碳显微结构研究  50-64
  4.1 引言  50
  4.2 脱碳物料碳含量分析  50-52
  4.3 微波加热脱碳物料金相图片分析  52-57
    4.3.1 900℃脱碳物料的金相图  52-53
    4.3.2 1000℃脱碳物料的金相图  53-54
    4.3.3 1100℃脱碳物料的金相图  54-56
    4.3.4 1200℃脱碳物料的金相图  56-57
  4.4 微波加热脱碳物料电子探针分析  57-61
    4.4.1 900℃脱碳物料的电子探针图  57-58
    4.4.2 1000℃脱碳物料的电子探针图  58-59
    4.4.3 1100℃脱碳物料的电子探针图  59-60
    4.4.4 1200℃脱碳物料的电子探针图  60-61
  4.5 微波加热脱碳物料的XRD物相分析  61-62
  4.6 本章小结  62-64
第五章微波加热内配碳酸钙高碳铬铁粉固相脱碳与氧化程度关系的研究  64-76
  5.1 引言  64-65
  5.2 脱碳物料氧化物相金相分析  65-69
    5.2.1 900℃脱碳物料氧化物相的金相图  65-66
    5.2.2 1000℃脱碳物料氧化物相的金相图  66-67
    5.2.3 1100℃脱碳物料氧化物相的金相图  67-68
    5.2.4 1200℃脱碳物料氧化物相的金相图  68-69
  5.3 脱碳物料氧化物相电子探针分析  69-73
    5.3.1 900℃脱碳物料氧化物相的电子探针图  69-70
    5.3.2 1000℃脱碳物料氧化物相的电子探针图  70-71
    5.3.3 1100℃脱碳物料氧化物相的电子探针图  71-72
    5.3.4 1200℃脱碳物料氧化物相的电子探针图  72-73
  5.4 脱碳物料氧化物相的XRD分析  73-75
  5.5 本章小结  75-76
第六章全文结论  76-78
参考文献  78-84
致谢  84-86
攻读硕士学位期间发表的学术论文  86

微波加热内配碳酸钙高碳铬铁粉固相脱碳显微结构研究

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