1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия физическая
  4. T. 83, № 12, 2019

Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 12, стр. 1718-1721

Микроволновый нагрев композитных материалов на основе оксидов железа

Д. А. Калганов 1, *, И. В. Бычков 1, 2, А. П. Анзулевич 1, А. А. Федий 1, Дж. Пенг 3, Ю. А. Лупицкая 1

1 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “Челябинский государственный университет”
Челябинск, Россия

2 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования “Южноуральский государственный университет (национальный исследовательский университет)”
Челябинск, Россия

3 Центральный Южный Университет
Чаньша, Китай

* E-mail: kalganov@csu.ru

Поступила в редакцию 07.09.2018
После доработки 31.01.2019
Принята к публикации 27.06.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

Теоретически и экспериментально исследован процесс микроволнового нагрева гранулированного материала, состоящего из смеси оксидов железа (Fe2O3/Fe3O4), связующего (бентонит) и углеродсодержащего порошка (лигнин). В приближении эффективной среды по формуле Бруггемана найдены значения комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей исследуемых образцов. Получено пространственное распределение температуры в грануле материала при нагреве электромагнитным полем с частотой 2.45 ГГц, а также временные зависимости температуры поверхности образца.

ВВЕДЕНИЕ

Повышение эксплуатационных характеристик изделий, а также экологических требований к процессам порошковой металлургии ограничивает возможности использования традиционных методов, таких как высокотемпературное спекание в печах и горячее прессование. Применение микроволнового процесса обработки позволяет добиться быстрого, равномерного и контролируемого с высокой точностью нагрева, а также исключить возможное влияние материала муфеля на состав синтезируемых веществ [1]. В настоящей работе исследован микроволновый нагрев гранулированного материала, представляющего собой смесь железной руды, углеродсодержащего порошка (лигнин) и связующего вещества (бентонит). Изучение механизмов взаимовлияния электродинамических и термохимических процессов в таком материале необходимо для решения проблемы оптимизации технологий восстановления оксидов в производстве металлического железа. Для подготовки углеродсодержащих гранул в большинстве предыдущих исследований основное внимание уделялось использованию мелкодисперсного каменного угля и кокса [2]. При таком подходе недостаточно эффективно изменяется структура и свойства конечного материала, что все еще приводит к большим выбросам SO2, NOx и CO2 в процессе производства чугуна. Лигнин формируется путем пиролиза возобновляемой биомассы при высокой температуре и обладает уникальной характеристикой нейтральности углерода в сравнении с другими видами топлива [3, 4]. Также лигнин имеет высокое фиксированное содержание углерода (30–90%), низкое содержание примесей (S и P) [5] и большую площадь поверхности (в 60–350 раз больше, чем у каменного угля [6] и в 10 раз больше, чем у кокса с одинаковым размером частиц [7]), что положительно влияет на процесс восстановления железа из оксидов в исходной руде [8].

Исследование распределения электромагнитного поля в композитном материале на основе лигнина и железной руды при микроволновом нагреве позволит повысить энергоэффективность существующих технологий при производстве чистого железа. Получение экспериментальных результатов микроволнового нагрева при различных конфигурациях поля, а также численное моделирование объемного нагрева гранул необходимо для управления скоростью их нагрева и температурой спекания. При изменении параметров микроволнового нагрева появляется возможность управлять порядком фазовых превращений, соотношением CO/CO2 и остаточным содержанием в образцах OH–-групп. В частности, объемный равномерный нагрев исключает образование стабильных при высоких температуре и давлении примесных фаз ряда оливина MgxFe2 – xSiO4 [9, 10].

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исходные композитные гранулы были подготовлены с учетом требований к их качественным механическим свойствам и согласования поверхностного импеданса для эффективного микроволнового нагрева путем подбора их состава, структуры и различных параметров гранулирования [9, 11]. Фазовый состав образцов определяли методом рентгендифракционного анализа при CuKα-излучении (ДРОН-3М, Россия). Также был проведен термогравиметрический анализ фазовых превращений в исходном материале при конвекционном нагреве в атмосфере аргона (NETZSCH “Jupiter F5”). Микроволновый нагрев исследуемых образцов осуществляли в установке по типу прямоугольного волновода (мода H10) с сечением 45 × 95 мм. Экспериментальные исследования проводили в режиме бегущей волны с частотой 2.45 ГГц, температуру образца в зависимости от времени нагрева регистрировали бесконтактным методом при помощи модифицированного пирометра АКИП-9311.

Согласно данным рентгенофазового анализа (рис. 1а), железно-рудный концентрат, используемый для изготовления гранул, на 87% (массовая доля) состоит из оксидов железа, оксида кремния ~6.5% и оксидов других металлов (CaO, MgO, Al2O3, K2O, Na2O) в малых количествах. Рентгендифракционная картина, полученная для готового композитного материала, качественно не отличается от приведенной ввиду малого количества связующего и слабого взаимодействия рентгеновского излучения с лигнином. Данные по элементному составу бентонита, лигнина и композитного материала в целом приведены в работе [11]. Исходя из данных термогравиметрического анализа (при конвекционном нагреве в атмосфере аргона) было выявлено две возможных стадии фазовых превращений (рис. 1б) соответствующих общим процессам дегидратации исходного материала и восстановления железа из оксидов.

Рис. 1.

а – Данные термогравиметрического (ТГ), дифференциального термогравиметрического (ДТГ) анализа; б – рентгендифракционная кривая исходного материала.

Для расчета свойств материала на разных стадиях использовали приближение эффективной среды. Характерные размеры частиц исходных порошков составляют порядка 10–50 мкм [11], что значительно меньше длины волны используемого в работе СВЧ излучения. Следовательно, выполняются условия квазистационарного приближения и применение теории эффективной среды здесь обосновано. Значения эффективных диэлектрической ${{\varepsilon }_{{eff}}}$ и магнитной ${{\mu }_{{eff}}}$ проницаемостей в случае высокой проводимости лигнина в составе исходной смеси были получены исходя из формулы Бруггемана для модели материала, состоящего из сферических частиц в оболочке (рис. 2а) (для$~~{{\mu }_{{eff}}}$ идентично):

(1)
$\begin{gathered} \left( {1 - \sum\limits_{i = 1}^N {{{p}_{i}}} {{\zeta }_{i}}} \right)\left( {{{\varepsilon }_{g}} - {{\varepsilon }_{{eff}}}} \right)\mathop \prod \limits_{i = 1}^N \left( {2{{\alpha }_{i}}{{\varepsilon }_{{eff}}} + {{\beta }_{i}}{{\varepsilon }_{{shell}}}} \right) + ~ \\ + \,\,\left( {{{\varepsilon }_{g}} - 2{{\varepsilon }_{{eff}}}} \right) \times \\ \times \,\,\mathop \sum \limits_{i = 1}^N \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{{p}_{i}}{{\zeta }_{i}}\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} {\left( {{{\zeta }_{i}} - 1} \right)\left( {{{\varepsilon }_{i}} + 2{{\varepsilon }_{{shell}}}} \right)\left( {{{\varepsilon }_{{shell}}} - {{\varepsilon }_{{eff}}}} \right) + } \\ { + 3{{\varepsilon }_{{shell}}}\left( {{{\varepsilon }_{i}} - {{\varepsilon }_{{eff}}}} \right)} \end{array}} \right\} \times } \\ { \times \,\,\mathop \prod \limits_{j = 1,j \ne i}^N \left( {2{{\alpha }_{j}}{{\varepsilon }_{{eff}}} + {{\beta }_{j}}{{\varepsilon }_{{shell}}}} \right)} \end{array}} \right] - \\ - \,\,\left( {{{\varepsilon }_{g}} - 2{{\varepsilon }_{{eff}}}} \right) \times \\ \times \,\,\mathop \sum \limits_{i = 1}^N \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {\frac{9}{2}{{p}_{i}}{{\zeta }_{i}}{{\varepsilon }_{{shell}}}\left( {{{\varepsilon }_{i}} - {{\varepsilon }_{{shell}}}} \right)\ln \left( {1 + {{l}_{i}}} \right) \times } \\ { \times \mathop \prod \limits_{j = 1,j \ne i}^N \left( {2{{\alpha }_{j}}{{\varepsilon }_{{eff}}} + {{\beta }_{j}}{{\varepsilon }_{{shell}}}} \right)} \end{array}} \right] = 0. \\ \end{gathered} $
Рис. 2.

Расчет параметров эффективной среды: а – модель частиц в оболочке связующего; б – трех типов частиц; в – зависимость поверхностного импеданса исследуемого материала от объемной доли железной руды и проводимости лигнина для этих моделей; г – зависимость проводимости лигнина для этих моделей.

Данная формула носит обобщенный характер и записана для случая N частиц с оболочкой. В случае двух типов частиц: m – частицы оксидов железа и c – частицы лигнина. Каждый из типов частиц покрыт оболочкой бентонита b, соответственно, ${{\varepsilon }_{{shell}}} = {{\varepsilon }_{b}},$ и параметры, зависящие от геометрических размеров частиц в образце (рис. 2а) могут быть записаны в виде:

(2)
$\begin{gathered} {{\zeta }_{{m,c}}} = {{\left( {{{{{R}_{{2m,2c}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{R}_{{2m,2c}}}} {{{R}_{{1m,1c}}}}}} \right. \kern-0em} {{{R}_{{1m,1c}}}}}} \right)}^{3}} = {{\left( {1 + {{l}_{{m,c}}}} \right)}^{3}}, \\ {{l}_{{m,c}}} = {{\left( {{{R}_{{2m,2c}}} - {{R}_{{1m,1c}}}} \right)} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left( {{{R}_{{2m,2c}}} - {{R}_{{1m,1c}}}} \right)} {{{R}_{{1m,1c}}}}}} \right. \kern-0em} {{{R}_{{1m,1c}}}}}, \\ {{\alpha }_{{m,c}}} = \left( {{{\zeta }_{{m,c}}} - 1} \right){{\varepsilon }_{{m,c}}} + 2\left( {{{\zeta }_{{m,c}}} + 1} \right){{\varepsilon }_{b}}, \\ {{\beta }_{{m,c}}} = \left( {2 + {{\zeta }_{{m,c}}}} \right){{\varepsilon }_{{m,c}}} + 2\left( {{{\zeta }_{{m,c}}} - 1} \right){{\varepsilon }_{b}}, \\ \end{gathered} $
где параметры частиц оксида железа: εm = 14.2 ± 0.2i, ${{\mu }_{m}} = 1.8 + 0.9i,$ углерода: εc = $3 + \frac{{4\pi {{\sigma }_{c}}}}{\omega }i,$ ${{\mu }_{c}} = 1,$ бентонита: ${{\varepsilon }_{b}} = 1.2,$ ${{\mu }_{b}} = 1$ [12] и воздушного зазора между частицами ${{\varepsilon }_{g}} = 1,$ ${{\mu }_{g}} = 1,$ объемные доли: бентонита ${{p}_{b}} = 0.023$ и лигнина ${{p}_{c}} = 0.9 - {{p}_{b}} - {{p}_{{m~}}}.$

Свойства исследуемого материала, соответствующие случаю низкой проводимости лигнина в составе исходной смеси, рассчитывали также в модели смеси трех типов частиц (рис. 2б) используя соотношение:

(3)
$\begin{gathered} \left( {1 - {{p}_{m}} - {{p}_{c}} - {{p}_{b}}} \right)\frac{{{{\varepsilon }_{g}} - {{\varepsilon }_{{eff}}}}}{{{{\varepsilon }_{g}} + 2{{\varepsilon }_{{eff}}}}} + {{p}_{m}}\frac{{{{\varepsilon }_{m}} - {{\varepsilon }_{{eff}}}}}{{{{\varepsilon }_{m}} + 2{{\varepsilon }_{{eff}}}}} + \\ + \,\,{{p}_{c}}\frac{{{{\varepsilon }_{c}} - {{\varepsilon }_{{eff}}}}}{{{{\varepsilon }_{c}} + 2{{\varepsilon }_{{eff}}}}} + {{p}_{b}}\frac{{{{\varepsilon }_{b}} - {{\varepsilon }_{{eff}}}}}{{{{\varepsilon }_{b}} + 2{{\varepsilon }_{{eff}}}}} = 0. \\ \end{gathered} $

Такой подход был обусловлен сравнительно меньшей локализацией поля вблизи поверхностного слоя частиц и позволял существенно снизить расчетную сложность при учете различного фазового состава.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Полученные зависимости поверхностного импеданса исследуемого материала от объемной доли железной руды и проводимости лигнина (рис. 2в, 2г) позволяют решать задачу оптимизации проникновения микроволнового излучения в исследуемые гранулы. Так, на их основе можно сделать вывод, что для наиболее эффективного нагрева исходной гранулы рекомендуется использовать лигнин с проводимостью ${{\sigma }_{c}} = {{10}^{{11}}}\,\,{{{\text{с}}}^{{ - 1}}}$ и обеспечить плавное уменьшение доли железы руды в объеме гранулы от поверхности к центру для наилучшего согласования поверхностного импеданса.

С учетом полученных данных, методом конечных элементов было проведено моделирование нагрева образцов исследуемого материала в виде гранулы в прямоугольном волноводе с расчетом температуры и коэффициента отражения (рис. 3а). Распределение температуры внутри гранулы существенно изменяется при согласовании импеданса описанным выше способом (рис. 3б, 3в), при этом возможно создание условий для объемного равномерного нагрева СВЧ-излучением с частотой 2.45 ГГц.

Рис. 3.

а – Моделирование микроволнового нагрева в прямоугольном волноводе; б – температура внутри гранулы для равномерного распределения железной руды в объеме; в – с уменьшением к поверхности. Сравнение временных зависимостей нагрева гранулы материала, полученных численно (г, 1) и экспериментально (г, 2).

Полученные экспериментальные данные о временной зависимости температуры поверхности образца качественно соотносятся с расчетными значениями при приближенном учете теплопроводности держателя образца и окружающей газовой среды (аргон) (рис. 3г).

ВЫВОДЫ

В рамках данной работы проведено исследование микроволнового нагрева гранулированного материала на основе железной руды и лигнина. Представлены экспериментальные данные и теоретические подходы, позволяющие провести расчет электродинамических свойств материалов и моделирование нагрева.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 18-58-53055), и при поддержке в рамках научного проекта, утвержденного Постановлением Правительства РФ (соглашение № 02.A03.21.0011).

Список литературы

  1. Rybakov K.I., Buyanov M.N. // Scr. Mater. 2018. V. 149. P. 108.

  2. Srinivasan N.S. // Powd. Technol. 2002. V. 124. P. 28.

  3. Norgate T., Haque N., Somerville M., Jahanshahi S. // ISIJ Int. 2012. V. 52. P. 1472.

  4. Yuan P., Shen B., Duan D. et al. // Energy. 2017. V. 141. P. 472.

  5. Konishi H., Ichikawa K., Usui T. // ISIJ Int. 2010. V. 50. P. 386.

  6. Babich A., Senk D., Fernandez M. // ISIJ Int. 2010. V. 50. P. 81.

  7. Gan M., Fan X., Chen X. et al. // ISIJ Int. 2012. V. 52. P. 1574.

  8. Yuan S., Zhao L., Meng H., Shen Y. // Plant Nutrit. Fertilizer Sci. 2016. V. 22. P. 1402.

  9. Peng Z., Li Z., Lin X. et al. // JOM. 2017. V. 69. № 2. P. 178.

  10. Горяйнов С. В., Мадюков И. А. // Изв. РАН. Сер. физ. 2008. Т. 72. № 8. С. 1152; Goryainov S.V., Madyukov I.A. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2008. V. 72. № 8. Р. 1086.

  11. Ye L., Peng Z., Wang L. et al. // Powd. Technol. 2018. V. 338. P. 365.

  12. Gabhi R.S., Kirk D.W., Jia Ch.Q. // Carbon. 2017. V. 116. P. 435.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Серия физическая

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал