论文摘要
铬是特钢的主要合金元素，我国铬铁矿主要依靠进口，依存度已达95％以上，且细粉矿数量逐年增加，这给冶金造块工艺带来困难。本文在铬铁矿粉利用的各种方法中，提出了微波加热法直接利用铬铁矿粉的新方法。采用微波加热含碳铬铁矿粉进行体还原，可以充分利用日益增多的铬铁矿粉，简化铬铁合金冶炼的工艺流程，对可持续经济地利用铬铁矿资源具有重大意义。微波冶金技术的发展离不开微波加热技术的发展，微波加热过程中的数值模拟是微波冶金研究中最核心的内容。数值模拟与仿真技术替代部分实验工作，一方面可以减少实验物耗，降低实验成本，提高研究精度，另一方面可以控制工艺过程，减少环境污染。微波加热腔体中的微波场分布及物料内部和边界的热分布，不但会影响含碳铬铁矿粉的还原效果，而且直接影响能耗。本文以微波冶金试验炉中物料的温度场为中心，将实验数据与数值模拟相结合，展开了相关研究。本文首先探讨了冶金物料在微波场中的升温特性，通过分析微波冶金试验炉加热谐振腔体的几何结构，耦合方式以及物料的位置等来推测微波场在物料中的分布特点，并通过实验验证了结论。冶金物料的介电性能对微波加热有着决定性的作用，针对物料的介电物理性质随温度变化性，采用了实验和分段拟合的方法。通过分析物料升温过程和冶金化学反应过程中物料的吸波特点，结合含碳铬铁矿粉在微波场中的相关热物理参数及介电性质的变化，依据物料在两个不同阶段的等效损耗因子，根据能量守恒关系得出了微波耗散功率与物料升温的关系，拟合出了含碳铬铁矿粉的升温曲线，为研究不同配比物料的升温过程提供了较好的方法。含碳铬铁矿粉在微波冶金试验炉内的升温速度很快，完全可以满足冶金需要。基于微波加热的特点和含碳铬铁矿粉在微波场中的升温特性研究建立了计算模型，确定了模拟计算所需的边界条件、网格划分及材料特性，给出了微波加热数值模拟的基本过程及微波-温度场相互耦合的实现方法。本文用有限元分析方法对微波加热过程中物料内部的温度场进行了模拟及分析计算，主要包括有：微波加热过程中热流密度及温度场分布规律；物料配比对加热效果的影响；坩埚温度场的模拟预测。研究表明，数值模拟的结果与实验值基本一致，表明了本次数值模拟方法的正确性，可以为今后的研究提供参考。