微波场中高碳锰铁粉固相脱碳电磁性能研究

来源 :太原理工大学 | 被引量 : 4次 | 上传用户:gliu0307
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分析材料的电磁性能是研究其微波吸收性能的基础。相对复介电常数εr及相对复磁导率μr是表征材料电磁性能的主要物理参量,它们反映了材料损耗电磁能量的能力。材料对微波的损耗机理主要包括电损耗和磁损耗,在此基础上也有绝缘壳层、柱体电容等新理论的提出。在微波加热场中,高碳锰铁粉通过吸收微波进行固相脱碳反应,碳酸钙粉热分解产生的CO2对高碳锰铁粉固相脱碳具有很好的脱碳作用;但脱碳过程中物料的物相发生了变化,其电磁性能也会发生相应的变化,这些变化影响着微波加热场与物料的作用关系。因此,在微波加热高碳锰铁粉.固相脱碳过程中,研究高碳锰铁粉及其脱碳物料的电磁性能变化规律以及微波加热场与物料的作用关系具有十分重要的意义。碳酸钙粉与高碳锰铁粉按摩尔脱碳比C02碳酸钙粉:C高碳锰铁粉=1.80:1.00均匀混合,在微波加热场和常规加热场中分别进行固相脱碳反应,微波加热和常规加热的脱碳温度分别为900℃、1000℃、1100℃、1200℃,且各保温脱碳60分钟。用矢量网络分析法测试了高碳锰铁粉原始样、微波加热高碳锰铁粉的脱碳物料及常规加热高碳锰铁粉的脱碳物料的电磁性能。分析测试表明,高碳锰铁粉脱碳前后的电磁性能变化很大,具体变化规律和研究结果如下:(1)在微波加热场中,高碳锰铁粉具有一定的频散效应。高碳锰铁粉中的碳是电导损耗型材料,碳原子通过电导损耗吸收微波。高碳锰铁粉物相主要为锰铁碳化物,在微波频率2-18GHz之间,其相对介电常数εr’在323.75-9.5之间变化;且随微波频率的提高,εr’趋于变小;在微波加热频率2.45GHz时,高碳锰铁粉的εr’为252.12,说明高碳锰铁粉为电导损耗型材料。(2)对于微波加热温度900℃、1000℃、1100℃、1200℃且分别保温60min的物料,在微波频率2-18GHz之间,除1100℃保温60min的物料外,其他各温度物料的电磁性能相近,εr’值在7.60-8.58之间变化,相对磁导率μr’值在0.91-1.04之间变化;而微波加热温度1100℃保温60min的脱碳物料的介电性能变化较大,在微波频率2-18GHz之间,εr’值较高,在8.18-10.00之间变化,μr’值变化不大,在0.88-1.04之间变化。1100℃保温60min物料介电性能变化大的原因是,原始高碳锰铁粉主要以(Mn,Fe)7C3为主要物相,属于富碳锰铁碳化物相,即Mn原子密堆积成八面体结构,碳原子扩散到密堆积的八面体间隙中;微波加热温度1100℃保温60min时,碳酸钙分解大量的CO2与高碳锰铁粉中(Mn,Fe)7C3反应,八面体结构变形程度最大,碳原子析出与CO2结合,产生大量的阳离子空位,偶极矩重排,导致电导损耗增加,εr’值增高。对微波加热温度1200℃保温60min的物料,由于物料的氧化程度增大(Mn304增多),使得电导损耗减小,εr’值降低;而微波加热温度900℃、1000℃且分别保温60min的物料,由于脱碳物料中出现大量的中间碳化物相(Mn,Fe)5C2,也使得脱碳物料的电导损耗减小,εr’值变小。(3)对于常规加热温度900℃、1000℃、1100℃、1200℃且分别保温60min的物料,在微波频率2-18GHz之间,物料电磁性能随温度升高先降低后升高,εr’值在6.51-8.61之间变化,μr’值在0.91-1.04之间变化。其中,常规加热温度1200℃保温60min的物料,εr’值较高,在7.80-8.61之间变化,这主要是因为常规加热脱碳物料中锰氧化程度增多(主要是Mn02增多),物料的极化损耗增强,εr’值增高;而常规加热温度900℃、1000℃、1100℃分别保温60min的物料,由于表面形成较多的MnO、Mn304壳层,使得物料的电导损耗减少,εr’值降低。(4)微波加热温度为900℃、1000℃、1100℃、1200℃分别保温60min的物料,在微波频率2.45GHz时,物料的εr’值分别为7.58、7.44、8.39、7.51,总体上物料的εr’值随温度升高呈波动性变化,与微波频率在2-18GHz之间物料的εr’值变化趋势相同;其中微波加热温度为1100℃保温60min的物料,εr’有最大值8.39,这主要是因为脱碳物料中出现大量的富金属碳化物相(Mn,Fe)23C6,使得脱碳物料的电导损耗增加,εr’值增大。常规加热温度为900℃、1000℃、1100℃、1200℃分别保温60min的物料,在微波频率2.45GHz时,物料的εr’值分别为7.76、6.72、7.39、8.48,物料的εr’值随温度升高先降低后升高,与微波频率在2-18GHz之间常规加热物料的εr’值变化趋势相同;其中常规加热温度为1200℃保温60min的物料,εr’有最大值8.48,这主要是因为脱碳物料中锰氧化程度增多(主要是Mn02增多),物料的极化损耗增加,εr’值增高。
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