508 工程科学学报，第38卷，第4期 注).由于在制备中、低碳铬铁过程中产生大量的有 表1高碳铬铁的化学成分（质量分数） 毒铬渣，使得高碳铬铁(high-earbon ferrochrome, Table 1 Chemical composition of the HCFC % HCFC)液相脱碳工艺受到限制.高碳铬铁粉(high- Fe Si g Ca A其他 carbon ferrochrome powders,HCFCP)固相脱碳属于无 55.7932.768.162.340.0580.0480.0770.767 渣脱碳法，可降低能耗和减少环境污染，具有广阔的应 用前景5.由于传统加热方式在治金反应过程中较 却设备为SX,-12-16型电阻炉.高碳铬铁经重熔冷却 低的效率，因此具有升温快、体加热、选择性加热、易调 后进行分析测试，金相分析(OM)采用德国卡尔蔡司 控、对物料无污染等优点的微波加热技术逐渐受到科 公司Axio Scope.Al光学显微镜：物相分析(XRD)采用 研工作者的青睐.Hao等切将微波加热技术应用 德国BRUKER/AXS公司D8-ADVANCE型X射线衍 到高碳铬铁粉固相脱碳实验研究中，得到了较为理想 射仪(Cu靶，K40kV,40mA);显微成分分析采用日 的脱碳效果 本电子光学公司JXA-8800电子探针(EPMA).高碳 高碳铬铁粉在微波场中的吸波能力和升温特性与 铬铁粉电磁参数的测量采用网络参数法，测量仪器为 其电磁性能有很大关系，主要由相对复介电常数(8，= 北京航空材料研究院HP8722ES矢量网络分析仪，测 e-je)和相对复磁导率（μ，=u:-ju)来表征.相对 试频率为1~18GH. 复介电常数（磁导率）实部ε：(u,)表征物质通过极化 1.2实验方法 机制（磁偶极子重排）储存电能（磁能）的能力：相对复 将装有500g原始块状高碳铬铁的刚玉坩埚置于 介电常数（磁导率）虚部ε”()表示通过弛豫机制（铁 高频感应炉中，在氮气保护气氛下对物料进行加热重 熔.物料熔化后采用红外测温仪测定熔液温度并记录 磁共振、涡旋电流等机制)损耗电能（磁能）的能力四. 下来，而后保温3min,使熔液成分达到均一稳定.保 i等@研究高碳铬铁粉的电磁性能与其含碳量的关 温结束后从感应炉中取出坩埚并迅速放入事先调节好 系，指出随着碳含量的降低，介电性能减弱，但磁导性 的电阻炉中（此时炉内温度为1700℃，略高于记录的 却逐渐增强。根据先前的研究四，高碳铬铁主要由 熔液温度，以补偿熔液转移时的温降)，熔液随炉以10 (Cr,Fe),C,和CrFe组成，故高碳铬铁粉的电磁性能由 ℃·min的速率进行冷却凝固（炉冷）.在相同条件下 上述两种物相来决定.一些科研工作者对此进行相关 重复2组熔化实验.其中一组实验中取出坩埚后将其 的研究，Chen等a、Konyaeva和Medvedeva应用密 放在经过预热处理的砂模里，熔液随坩埚一起在空气 度泛函理论分别分析探讨碳化物(Cr,Fe),C,的微波介 中冷却（空冷）：另一组实验中取出坩埚后将其缓慢放 电性和磁性；Airiskallio等应用第一性原理计算方 入自制的水模中，熔液随坩埚一起在水浴中冷却（水 法对CFe及其多元素合金的磁性起源做了系统研究. 冷)，并记录两组熔液冷却至室温时所用时间.根据实 在实际工业生产中，熔融高碳铬铁由于不同部位 验所得数据定量分析三组样品的冷却速率，得到 冷却速率存在较大的差异使其固相显微结构呈现多样 t钟%=10℃·min,v室%=60℃·min,"*冷=300℃· 化，显微结构又是决定其电磁性能的主要因素，然而目 min.冷却结束后，从三组凝固样品中心部位取样进 前冷却速率、显微结构及电磁性能之间的关系尚未明 行光学显微分析、X射线衍射分析、电子探针显微分析 确.本文主要研究不同冷却速率下得到的高碳铬铁粉 及电磁性能测试.这里需要指出进行高碳铬铁重熔一 的电磁性能并加以比较，确定出最佳的微波加热原料， 冷却实验主要是因为原始样品冷却速率未知，不能用 这对微波加热高碳铬铁粉固相脱碳工艺的发展有着重 于探究冷却速率与电磁性能的关系，而通过重熔一冷 要的指导意义.考虑到变频加热潜在的应用，本文对 却实验能使物料获得较为准确的冷却速率，以满足实 常规微波加热频率2.45GHz以外的其余频率下高碳 验研究的要求. 铬铁粉的电磁性能也进行研究 高碳铬铁粉电磁性能的测试方法：将上述重熔冷 1实验 却样品破碎后，取样品中心部位的物料进行研磨得到 粉末颗粒（粒度≤75μm),并与黏结剂石蜡以4：1的质 1.1实验原料与设备 量比混合，放在80℃的电热板上烘烤，待石蜡熔化并 实验原料为广西中信大锰矿业有限责任公司提供 浸润样品后取出：将样品与石蜡的混合物填充入铜质 的块状高碳铬铁.化学成分分析表明，高碳铬铁中除 模具(22.86mm×10.16mm×2.00mm)中并压实，最 含有Cr、Fe和C主要元素外，还掺杂有少量的Si、Mg、 后将多余物料刮去.吸波剂制备完成后，使用矢量网 Ca、Al、Mn等杂质元素（见表I). 络分析仪进行测试.测量的参数分别为相对复介电常 块状高碳铬铁原料加热重熔设备为TX-25高频 数实部￡：和虚部ε”，以及相对复磁导率实部μ：和虚 感应加热炉，最大输入功率为15kW:实验所用缓慢冷 部”工程科学学报，第 38 卷，第 4 期 注［1--3］． 由于在制备中、低碳铬铁过程中产生大量的有 毒 铬 渣，使 得 高 碳 铬 铁 ( high-carbon ferrochrome， HCFC) 液相脱碳工艺受到限制［4］． 高碳铬铁粉( high￾carbon ferrochrome powders，HCFCP) 固相脱碳属于无 渣脱碳法，可降低能耗和减少环境污染，具有广阔的应 用前景［5--6］． 由于传统加热方式在冶金反应过程中较 低的效率，因此具有升温快、体加热、选择性加热、易调 控、对物料无污染等优点的微波加热技术逐渐受到科 研工作者的青睐［7--8］． Hao 等［7］将微波加热技术应用 到高碳铬铁粉固相脱碳实验研究中，得到了较为理想 的脱碳效果． 高碳铬铁粉在微波场中的吸波能力和升温特性与 其电磁性能有很大关系，主要由相对复介电常数( εr = ε' r － jε″r ) 和相对复磁导率( μr = μ' r － jμ″r ) 来表征． 相对 复介电常数( 磁导率) 实部 ε' r ( μ' r ) 表征物质通过极化 机制( 磁偶极子重排) 储存电能( 磁能) 的能力; 相对复 介电常数( 磁导率) 虚部 ε″r ( μ″r ) 表示通过弛豫机制( 铁 磁共振、涡旋电流等机制) 损耗电能( 磁能) 的能力［9］． Li 等［10］研究高碳铬铁粉的电磁性能与其含碳量的关 系，指出随着碳含量的降低，介电性能减弱，但磁导性 却逐渐增强． 根据先前的研究［11］，高碳铬铁主要由 ( Cr，Fe) 7C3和 CrFe 组成，故高碳铬铁粉的电磁性能由 上述两种物相来决定． 一些科研工作者对此进行相关 的研究，Chen 等［12］、Konyaeva 和 Medvedeva［13］ 应用密 度泛函理论分别分析探讨碳化物( Cr，Fe) 7C3的微波介 电性和磁性; Airiskallio 等［14］应用第一性原理计算方 法对 CrFe 及其多元素合金的磁性起源做了系统研究． 在实际工业生产中，熔融高碳铬铁由于不同部位 冷却速率存在较大的差异使其固相显微结构呈现多样 化，显微结构又是决定其电磁性能的主要因素，然而目 前冷却速率、显微结构及电磁性能之间的关系尚未明 确． 本文主要研究不同冷却速率下得到的高碳铬铁粉 的电磁性能并加以比较，确定出最佳的微波加热原料， 这对微波加热高碳铬铁粉固相脱碳工艺的发展有着重 要的指导意义． 考虑到变频加热潜在的应用，本文对 常规微波加热频率 2. 45 GHz 以外的其余频率下高碳 铬铁粉的电磁性能也进行研究． 1 实验 1. 1 实验原料与设备 实验原料为广西中信大锰矿业有限责任公司提供 的块状高碳铬铁． 化学成分分析表明，高碳铬铁中除 含有 Cr、Fe 和 C 主要元素外，还掺杂有少量的 Si、Mg、 Ca、Al、Mn 等杂质元素( 见表 1) ． 块状高碳铬铁原料加热重熔设备为 TX--25 高频 感应加热炉，最大输入功率为15kW; 实验所用缓慢冷 表 1 高碳铬铁的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of the HCFC % Cr Fe C Si Mg Ca Al 其他 55. 79 32. 76 8. 16 2. 34 0. 058 0. 048 0. 077 0. 767 却设备为 SX3--12--16 型电阻炉． 高碳铬铁经重熔冷却 后进行分析测试，金相分析( OM) 采用德国卡尔蔡司 公司 Axio Scope. Al 光学显微镜; 物相分析( XＲD) 采用 德国 BＲUKEＲ /AXS 公司 D8--ADVANCE 型 X 射线衍 射仪( Cu 靶，Kα 40 kV，40 mA) ; 显微成分分析采用日 本电子光学公司 JXA--8800 电子探针( EPMA) ． 高碳 铬铁粉电磁参数的测量采用网络参数法，测量仪器为 北京航空材料研究院 HP8722ES 矢量网络分析仪，测 试频率为 1 ～ 18 GH． 1. 2 实验方法 将装有 500 g 原始块状高碳铬铁的刚玉坩埚置于 高频感应炉中，在氮气保护气氛下对物料进行加热重 熔． 物料熔化后采用红外测温仪测定熔液温度并记录 下来，而后保温 3 min，使熔液成分达到均一稳定． 保 温结束后从感应炉中取出坩埚并迅速放入事先调节好 的电阻炉中( 此时炉内温度为 1700 ℃，略高于记录的 熔液温度，以补偿熔液转移时的温降) ，熔液随炉以 10 ℃·min － 1的速率进行冷却凝固( 炉冷) ． 在相同条件下 重复 2 组熔化实验． 其中一组实验中取出坩埚后将其 放在经过预热处理的砂模里，熔液随坩埚一起在空气 中冷却( 空冷) ; 另一组实验中取出坩埚后将其缓慢放 入自制的水模中，熔液随坩埚一起在水浴中冷却( 水 冷) ，并记录两组熔液冷却至室温时所用时间． 根据实 验所得 数 据 定 量 分 析 三 组 样 品 的 冷 却 速 率，得 到 v炉冷 = 10 ℃·min － 1，v空冷 = 60 ℃·min － 1，v水冷 = 300 ℃· min － 1 ． 冷却结束后，从三组凝固样品中心部位取样进 行光学显微分析、X 射线衍射分析、电子探针显微分析 及电磁性能测试． 这里需要指出进行高碳铬铁重熔-- 冷却实验主要是因为原始样品冷却速率未知，不能用 于探究冷却速率与电磁性能的关系，而通过重熔--冷 却实验能使物料获得较为准确的冷却速率，以满足实 验研究的要求． 高碳铬铁粉电磁性能的测试方法: 将上述重熔冷 却样品破碎后，取样品中心部位的物料进行研磨得到 粉末颗粒( 粒度≤75 μm) ，并与黏结剂石蜡以 4∶ 1的质 量比混合，放在 80 ℃ 的电热板上烘烤，待石蜡熔化并 浸润样品后取出; 将样品与石蜡的混合物填充入铜质 模具( 22. 86 mm × 10. 16 mm × 2. 00 mm) 中并压实，最 后将多余物料刮去． 吸波剂制备完成后，使用矢量网 络分析仪进行测试． 测量的参数分别为相对复介电常 数实部 ε' r 和虚部 ε″r，以及相对复磁导率实部 μ' r 和虚 部 μ″r ． · 805 ·