工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 高炉内铁焦界面的渗碳润湿行为研究 湛文龙朱浩斌何志军孙崇余盈昌庞清海张军红 Interface wetting behavior between iron and coke during the carbon dissolution process in a blast furnace ZHAN Wen-long.ZHU Hao-bin,HE Zhi-jun,SUN Chong.YU Ying-chang.PANG Qing-hai,ZHANG Jun-hong 引用本文： 湛文龙，朱浩斌，何志军，孙崇，余盈昌，庞清海，张军红.高炉内铁焦界面的渗碳润湿行为研究.工程科学学报，2020， 42(5:595-601.doi:10.13374.issn2095-9389.2019.09.18.003 ZHAN Wen-long.ZHU Hao-bin,HE Zhi-jun,SUN Chong,YU Ying-chang,PANG Qing-hai,ZHANG Jun-hong.Interface wetting behavior between iron and coke during the carbon dissolution process in a blast furnace[].Chinese Journal of Engineering,2020, 42(5:595-601.doi:10.13374.issn2095-9389.2019.09.18.003 在线阅读View online:https::/doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.09.18.003 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 高炉焦炭石墨化过程中的微观组织和冶金性能演变 Evolution of coke microstructure and metallurgical properties during graphitization in a blast furnace 工程科学学报.2018,40(6：690 https:1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2018.06.006 钢铁冶金过程中的界面润湿性的基础 Fundamentals of interfacial wettability in ironmaking and steelmaking 工程科学学报.2018.40(12：1434htps:1doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.12.002 考虑油膜阻力的直线滚动导轨副摩擦力建模与试验 Modeling and experimentation of the friction force of linear rolling guide pair considering oil film resistance 工程科学学报.2017,3911：1718htps:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2017.11.015 氟化改性硅树脂制备的超疏水涂层防覆冰性能 Anti-icing performance of superhydrophobic coating prepared by modified fluorinated silicone 工程科学学报.2018,40(7)：864 https::/1oi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.07.013 生物质替代焦粉铁矿石烧结过程中的碱金属迁移行为研究 Study on migration behavior of alkali metals in iron ore sintering process with substitution of biomass for coke breeze 工程科学学报.优先发表htps:/oi.org/10.13374.issn2095-9389.2020.01.20.002 基于里斯特操作线解析有害元素对高炉焦比的影响 Effect of harmful elements on the coke ratio of blast furnace based on the Rist operating diagram 工程科学学报.2018,40(9%：1058htps:1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2018.09.006
高炉内铁焦界面的渗碳润湿行为研究 湛文龙 朱浩斌 何志军 孙崇 余盈昌 庞清海 张军红 Interface wetting behavior between iron and coke during the carbon dissolution process in a blast furnace ZHAN Wen-long, ZHU Hao-bin, HE Zhi-jun, SUN Chong, YU Ying-chang, PANG Qing-hai, ZHANG Jun-hong 引用本文: 湛文龙, 朱浩斌, 何志军, 孙崇, 余盈昌, 庞清海, 张军红. 高炉内铁焦界面的渗碳润湿行为研究[J]. 工程科学学报, 2020, 42(5): 595-601. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.18.003 ZHAN Wen-long, ZHU Hao-bin, HE Zhi-jun, SUN Chong, YU Ying-chang, PANG Qing-hai, ZHANG Jun-hong. Interface wetting behavior between iron and coke during the carbon dissolution process in a blast furnace[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(5): 595-601. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.18.003 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.18.003 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 高炉焦炭石墨化过程中的微观组织和冶金性能演变 Evolution of coke microstructure and metallurgical properties during graphitization in a blast furnace 工程科学学报. 2018, 40(6): 690 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.06.006 钢铁冶金过程中的界面润湿性的基础 Fundamentals of interfacial wettability in ironmaking and steelmaking 工程科学学报. 2018, 40(12): 1434 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.002 考虑油膜阻力的直线滚动导轨副摩擦力建模与试验 Modeling and experimentation of the friction force of linear rolling guide pair considering oil film resistance 工程科学学报. 2017, 39(11): 1718 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.11.015 氟化改性硅树脂制备的超疏水涂层防覆冰性能 Anti-icing performance of superhydrophobic coating prepared by modified fluorinated silicone 工程科学学报. 2018, 40(7): 864 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.07.013 生物质替代焦粉铁矿石烧结过程中的碱金属迁移行为研究 Study on migration behavior of alkali metals in iron ore sintering process with substitution of biomass for coke breeze 工程科学学报.优先发表 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.01.20.002 基于里斯特操作线解析有害元素对高炉焦比的影响 Effect of harmful elements on the coke ratio of blast furnace based on the Rist operating diagram 工程科学学报. 2018, 40(9): 1058 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.09.006
工程科学学报.第42卷，第5期：595-601.2020年5月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,No.5:595-601,May 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.18.003;http://cje.ustb.edu.cn 高炉内铁一焦界面的渗碳润湿行为研究 湛文龙，朱浩斌)，何志军)四，孙崇，余盈昌)，庞清海，张军红) 1)辽宁科技大学材料与治金学院，鞍山1140512)鞍钢集团工程技术有限公司，鞍山114021 ☒通信作者，E-mail:hzhj2002@126.com 摘要高炉内铁水渗碳过程是影响冶炼效率及未饱和铁水对炉缸炉衬侵蚀的重要因素.本文通过高温真空润湿性测试装 置模拟了高炉炉缸区的铁水渗碳反应，分析了不同碳质量分数(3.8%、4.3%、4.8%)的F-C熔体与质量分数为99.9%的石墨 基体在高温下界面间的润湿反应，同时利用扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)研究了渗碳界面的微观形貌及渗碳距离.结果表 明：界面接触角随着F©-C熔体中碳含量的增加而变大；熔化过程中，接触角随着反应时间延长而减小，并最终趋于稳定； 4.8%碳质量分数的FC熔体中由于含碳量已至饱和.处于不润湿状态.扫描电镜分析显示，Fe-C熔体与石墨基体的接触界 面形成了“球帽状”凹陷，凹陷半径与体积随碳含量的增加而减小.能谱线扫描分析显示，随着F一C熔体中初始碳含量的增 加，石墨基体中的碳素溶解量减少.渗碳效果变差，良好的润湿性有利于碳的传质.通过计算表面能发现.石墨基体中碳素溶 解进入F-C熔体后，有效减小了两者之间的表面能.使得表面张力减小，接触角在熔化期间递减 关键词焦炭：润湿行为：接触角：渗碳：表面能 分类号TF526.1 Interface wetting behavior between iron and coke during the carbon dissolution process in a blast furnace ZHAN Wen-long,ZHU Hao-bin,HE Zhi-jun.SUN Chong,YU Ying-chang?,PANG Qing-hai,ZHANG Jun-hong 1)School of Materials and Metallurgy,University of Science and Technology Liaoning,Anshan 114051,China 2)Ansteel Engineering Technology Corporation Limited,Anshan 114021,China Corresponding author,E-mail:hzhj2002@126.com ABSTRACT Good gas permeability is an essential factor for the smooth operation and high performance in the lower part of the blast furnace.Under the present low carbon blast furnace smelting conditions,the coke layer is thinner,and the proportion of the molten metal in the coke layer is significantly higher,resulting in a major reduction in gas permeability,which seriously affects blast furnace operations.Also,the lower thickness of the coke layer weakens the process of solid-liquid carbon dissolution when the molten iron passes through the coke layer,which reduces the carbon content of the molten iron and further deepens the erosion of the refractory by the unsaturated molten iron.The carbon dissolution in the molten iron in a blast furnace core was measured by a high-temperature vacuum wettability test tool that analyzed the interface wetting activity between Fe-C melts with specific carbon mass fraction(3.8%, 4.3%,4.8%)and 99.%of high temperatures graphite plates.Besides,the scanning electron microscope (SEM)and energy dispersive spectroscopy (EDS)were used to analyze the graphite substrate's carburizing morphology and carburizing distances.The results show that,with the increase of carbon content,the interface contact angle becomes bigger.The contact angle decreases with time,and eventually reaches a steady-state during the melting process,and the Fe-C melt with saturated carbon cannot be wet.The scanning electron microscopy analysis shows that a spherical cap-like depression is created by a cross-section of the Fe-C melt and the graphite 收稿日期：2019-09-18 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51604148.51874171,51974154)：辽宁科技大学优秀人才资助项目(2019RC11)
高炉内铁−焦界面的渗碳润湿行为研究 湛文龙1)，朱浩斌1)，何志军1) 苣，孙 崇1)，余盈昌2)，庞清海1)，张军红1) 1) 辽宁科技大学材料与冶金学院，鞍山 114051 2) 鞍钢集团工程技术有限公司，鞍山 114021 苣通信作者，E-mail：hzhj2002@126.com 摘 要 高炉内铁水渗碳过程是影响冶炼效率及未饱和铁水对炉缸炉衬侵蚀的重要因素. 本文通过高温真空润湿性测试装 置模拟了高炉炉缸区的铁水渗碳反应，分析了不同碳质量分数（3.8%、4.3%、4.8%）的 Fe−C 熔体与质量分数为 99.9% 的石墨 基体在高温下界面间的润湿反应，同时利用扫描电镜（SEM）和能谱仪（EDS）研究了渗碳界面的微观形貌及渗碳距离. 结果表 明：界面接触角随着 Fe−C 熔体中碳含量的增加而变大；熔化过程中，接触角随着反应时间延长而减小，并最终趋于稳定； 4.8% 碳质量分数的 Fe−C 熔体中由于含碳量已至饱和，处于不润湿状态. 扫描电镜分析显示，Fe−C 熔体与石墨基体的接触界 面形成了“球帽状”凹陷，凹陷半径与体积随碳含量的增加而减小. 能谱线扫描分析显示，随着 Fe−C 熔体中初始碳含量的增 加，石墨基体中的碳素溶解量减少，渗碳效果变差，良好的润湿性有利于碳的传质. 通过计算表面能发现，石墨基体中碳素溶 解进入 Fe−C 熔体后，有效减小了两者之间的表面能，使得表面张力减小，接触角在熔化期间递减. 关键词 焦炭；润湿行为；接触角；渗碳；表面能 分类号 TF526.1 Interface wetting behavior between iron and coke during the carbon dissolution process in a blast furnace ZHAN Wen-long1) ，ZHU Hao-bin1) ，HE Zhi-jun1) 苣 ，SUN Chong1) ，YU Ying-chang2) ，PANG Qing-hai1) ，ZHANG Jun-hong1) 1) School of Materials and Metallurgy, University of Science and Technology Liaoning, Anshan 114051, China 2) Ansteel Engineering Technology Corporation Limited, Anshan 114021, China 苣 Corresponding author, E-mail: hzhj2002@126.com ABSTRACT Good gas permeability is an essential factor for the smooth operation and high performance in the lower part of the blast furnace. Under the present low carbon blast furnace smelting conditions, the coke layer is thinner, and the proportion of the molten metal in the coke layer is significantly higher, resulting in a major reduction in gas permeability, which seriously affects blast furnace operations. Also, the lower thickness of the coke layer weakens the process of solid-liquid carbon dissolution when the molten iron passes through the coke layer, which reduces the carbon content of the molten iron and further deepens the erosion of the refractory by the unsaturated molten iron. The carbon dissolution in the molten iron in a blast furnace core was measured by a high-temperature vacuum wettability test tool that analyzed the interface wetting activity between Fe−C melts with specific carbon mass fraction (3.8%, 4.3%, 4.8%) and 99.9% of high temperatures graphite plates. Besides, the scanning electron microscope (SEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS) were used to analyze the graphite substrate’s carburizing morphology and carburizing distances. The results show that, with the increase of carbon content, the interface contact angle becomes bigger. The contact angle decreases with time, and eventually reaches a steady-state during the melting process, and the Fe−C melt with saturated carbon cannot be wet. The scanning electron microscopy analysis shows that a spherical cap-like depression is created by a cross-section of the Fe−C melt and the graphite 收稿日期: 2019−09−18 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51604148，51874171，51974154）；辽宁科技大学优秀人才资助项目（2019RC11） 工程科学学报，第 42 卷，第 5 期：595−601，2020 年 5 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 5: 595−601, May 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.18.003; http://cje.ustb.edu.cn
596 工程科学学报，第42卷，第5期 substrate,and the radius and volume of the depression decrease with increasing carbon content.The study of the EDS scanning analysis shows that the amount of dissolved carbon atoms in the graphite substrate penetrates the Fe-C melt and decreases with increasing initial carbon concentration.The smaller the carburizing effect,the better the wetting is conducive to carbon mass transfer.It is found that by measuring carburizing of the carbon atoms in the graphite substrate into the Fe-C melt by calculating the surface energy reduces the surface energy between the two.Thus,the surface tension decreases and the melt spreads slowly with contact angle gradually decreasing during melting KEY WORDS coke:wetting behavior;contact angle;carbon dissolution;surface energy 焦炭是炼铁过程中物质流和能量流的主要载 Specimen Fexible connector 体，是高炉炉缸区唯一以固态存在的物料，也是支 Stainless-steel Thermo-couple 撑着上部几十米料柱的碳骨架-]随着高炉低碳 tube 操作与喷煤技术的广泛推广，炉内焦炭层逐渐变 Molten droplet Alumina tube 薄，导致高炉下部液态渣铁比例相对增加，使得高 炉下部熔体流动困难，恶化炉内透气透液性，进而 Mo reflector He-Ne laser High-resolution 导致高炉顺行困难铁水在高炉炉缸的流动行 digital cameras 为与其在焦炭层之间的润湿性密切相关-例，在当 前大型高炉高冶炼强度的条件下，加快焦炭在铁 Tantalum Band-pass 水中的溶解速率，提高高炉炉缸铁水的碳饱和度， heater filter 是削弱碳未饱和铁水对炉缸炉衬侵蚀、保证炉缸 正常工作及延长高炉寿命的重要措施？以，而目前 Evacuating Ar gas 对焦炭在铁水中的溶解行为尚不明晰，因此深入 pump system Lifting ystem Substrate Computer 研究铁水渗碳过程中的界面润湿行为具有重要意 图1超高温真空润湿性测试系统 义.Nguyen等1采用熔滴进样法研究了液态铁在 Fig.I Ultra-high temperature vacuum wetting test system 碳质基体材料上的润湿行为，认为反应初期的碳 溶反应和界面形态是影响铁水与基体润湿行为的 侧高分辨率数码相机将图像显示在计算机上 主要原因.本文采用高温真空润湿性测试装置模 目前测定接触角的方法较多-6，本实验使用 拟了高炉炉缸区的铁水渗碳反应，借助座滴法、扫 的方法为座滴法，即在适当大小的基体上放上试 描电镜及能谱仪重点研究了Fe-C熔体渗碳反应 样，加热使其熔化变成珠状的液滴，然后通过对该 过程中接触角、界面形貌、元素分布等的变化规 液滴几何尺寸的测量来计算接触角和表面能- 律，以解析铁水渗碳过程中的界面润湿行为 此方法可以在固态到液态的变化期间内进行连续 测量，更适合于在真空和惰性气氛下进行.实验过 1实验 程中试样仅与基体接触，减少了表面活性物质对 1.1实验原料 样品的污染，进而可以保证测定的准确性 本实验选用的原料是碳质量分数为2.5%的生 2结果与讨论 铁粉与纯度为99.9%的纯石墨粉，通过配制得到 不同碳质量分数(3.8%，4.3%，4.8%)的Fe-C混合 2.1Fe-C熔体渗碳反应过程中接触角的测定分析 物：将混合后的铁粉预熔为铁粒，置于石墨基体上 实验过程中，对不同碳含量的F-C熔体升温 进行渗碳反应实验 过程进行了定时拍照，观测到其渗碳溶解过程中 1.2实验方法 的润湿现象，如图2~图4所示，其中，Fe-3.8%C 本实验使用的设备为超高温真空润湿性测试 熔体表示碳质量分数为3.8%的Fe-C熔体，后文 系统，如图1所示.实验开始前首先通入氩气洗 类似形式同样 炉，抽真空至真空度<5×I0Pa,通过升降系统调整 实验结束后，利用相关软件计算测定得到升 样品位置，启动程序加热升温使试样熔化，设定升 温过程中Fe-C熔体与基体界面的接触角，如图5 温速率10℃min,升温至1400℃后自然冷却，实 所示 验过程中左侧通入一束He-Ne激光光源，同时右 根据表观接触角的计算结果，可以推测升温
substrate, and the radius and volume of the depression decrease with increasing carbon content. The study of the EDS scanning analysis shows that the amount of dissolved carbon atoms in the graphite substrate penetrates the Fe−C melt and decreases with increasing initial carbon concentration. The smaller the carburizing effect, the better the wetting is conducive to carbon mass transfer. It is found that by measuring carburizing of the carbon atoms in the graphite substrate into the Fe−C melt by calculating the surface energy reduces the surface energy between the two. Thus, the surface tension decreases and the melt spreads slowly with contact angle gradually decreasing during melting. KEY WORDS coke；wetting behavior；contact angle；carbon dissolution；surface energy 焦炭是炼铁过程中物质流和能量流的主要载 体，是高炉炉缸区唯一以固态存在的物料，也是支 撑着上部几十米料柱的碳骨架[1−3] . 随着高炉低碳 操作与喷煤技术的广泛推广，炉内焦炭层逐渐变 薄，导致高炉下部液态渣铁比例相对增加，使得高 炉下部熔体流动困难，恶化炉内透气透液性，进而 导致高炉顺行困难[4−6] . 铁水在高炉炉缸的流动行 为与其在焦炭层之间的润湿性密切相关[7−8] ，在当 前大型高炉高冶炼强度的条件下，加快焦炭在铁 水中的溶解速率，提高高炉炉缸铁水的碳饱和度， 是削弱碳未饱和铁水对炉缸炉衬侵蚀、保证炉缸 正常工作及延长高炉寿命的重要措施[9−12] ，而目前 对焦炭在铁水中的溶解行为尚不明晰，因此深入 研究铁水渗碳过程中的界面润湿行为具有重要意 义. Nguyen 等[13] 采用熔滴进样法研究了液态铁在 碳质基体材料上的润湿行为，认为反应初期的碳 溶反应和界面形态是影响铁水与基体润湿行为的 主要原因. 本文采用高温真空润湿性测试装置模 拟了高炉炉缸区的铁水渗碳反应，借助座滴法、扫 描电镜及能谱仪重点研究了 Fe−C 熔体渗碳反应 过程中接触角、界面形貌、元素分布等的变化规 律，以解析铁水渗碳过程中的界面润湿行为. 1 实验 1.1 实验原料 本实验选用的原料是碳质量分数为 2.5% 的生 铁粉与纯度为 99.9% 的纯石墨粉，通过配制得到 不同碳质量分数（3.8%，4.3%，4.8%）的 Fe−C 混合 物；将混合后的铁粉预熔为铁粒，置于石墨基体上 进行渗碳反应实验. 1.2 实验方法 本实验使用的设备为超高温真空润湿性测试 系统，如图 1 所示. 实验开始前首先通入氩气洗 炉，抽真空至真空度<5×10−4 Pa，通过升降系统调整 样品位置，启动程序加热升温使试样熔化，设定升 温速率 10 ℃·min−1 ，升温至 1400 ℃ 后自然冷却，实 验过程中左侧通入一束 He−Ne 激光光源，同时右 侧高分辨率数码相机将图像显示在计算机上. 目前测定接触角的方法较多[14−16] ，本实验使用 的方法为座滴法，即在适当大小的基体上放上试 样，加热使其熔化变成珠状的液滴，然后通过对该 液滴几何尺寸的测量来计算接触角和表面能[17−19] . 此方法可以在固态到液态的变化期间内进行连续 测量，更适合于在真空和惰性气氛下进行. 实验过 程中试样仅与基体接触，减少了表面活性物质对 样品的污染，进而可以保证测定的准确性. 2 结果与讨论 2.1 Fe−C 熔体渗碳反应过程中接触角的测定分析 实验过程中，对不同碳含量的 Fe−C 熔体升温 过程进行了定时拍照，观测到其渗碳溶解过程中 的润湿现象，如图 2～图 4 所示，其中，Fe−3.8%C 熔体表示碳质量分数为 3.8% 的 Fe−C 熔体，后文 类似形式同样. 实验结束后，利用相关软件计算测定得到升 温过程中 Fe−C 熔体与基体界面的接触角，如图 5 所示. 根据表观接触角的计算结果，可以推测升温 Specimen Fexible connector Thermo-couple Stainless-steel tube Molten droplet Alumina tube He-Ne laser Tantalum heater Evacuating pump system Mo reflector Band-pass filter Ar gas Substrate Computer Lifting system High-resolution digital cameras 图 1 超高温真空润湿性测试系统 Fig.1 Ultra-high temperature vacuum wetting test system · 596 · 工程科学学报，第 42 卷，第 5 期
湛文龙等：高炉内铁-焦界面的渗碳润湿行为研究 597· a (b) (c) (d) 图2Fe-3.8%C熔体的渗碳过程.(a)1100℃：(b)1200℃：(c)1300℃：(d)1400℃ Fig2 Carburization process of Fe-C sample with3.8%carbon content:(a)1100℃；(b)1200℃；(c)1300℃：(d1400℃ (b) (c) (d) mm 图3Fe-4.3%C密体的渗碳过程.(a)1100℃：(b)1200℃：(c)1300℃：(d)1400℃ Ffig3 Carburization process of Fe-C sample with4.3%carbon content:(a)1100℃；(b)l200℃；(c)1300℃：(d1400℃ (a) (b) (c) (d) 图4Fe-4.8%C熔体的渗碳过程.(a)1100℃：(b)1200℃：(c)1300℃：(d)1400℃ Fig4 Carburization process of Fe-C sample with4.8%carbon content:(a1100℃，(b)1200℃；(c)1300℃，(d1400℃ 130 ■Fe-3.8% 量已处于过饱和状态，熔化后的界面接触角呈钝 ·Fe-4.3% 华 ▲Fe-4.8% 角，说明铁水与焦炭完成渗碳过程至饱和状态后， 120 与焦炭不润湿，可削弱未饱和铁水对炉缸炉衬的 侵蚀 100 2.2扫描电镜形貌结果分析 将实验结束后的样品纵切抛光，用酒精清洗 90 后在电热恒温干燥箱中烘干.得到试样如图6所 单量n■00g 80 1100115012001250130013501400 示，在扫描电镜下观察其形貌，如图7所示 Temperture/℃ 由图可知，FeC熔体与底物石墨基体之间的 图5Fe-C熔体接触角在升温过程中的变化规律 界面呈凹陷形态，主要由碳素溶解反应导致.为了 Fig.5 Variation of contact angle of Fe-C sample with temperature 测定凹陷的体积，假设凹陷形态为球帽形，如图8 rising 所示，其体积可用公式(1)求出： 过程中石墨基体与Fe一C熔体间的润湿行为.结果 V=TH(3R2+H) (1) 表明，碳质量分数依次为3.8%，4.3%，4.8%的 6 Fe-C熔体随着升温过程逐渐熔化，接触角大小从 式中：V是球帽的体积，m3;H是盖子的高度，m: 开始熔化时的118.3°、122.7°、129.9°逐渐减小到 R是基座的半径，m 83.3°、87.1°、109.1°，并最终趋于稳定，样品的初始 计算得到球帽状凹陷的具体尺寸如表1所示 表观接触角随着含碳量的增加而增加，熔化过程 高温使得Fe一C熔体与石墨基体界面处发生 中，接触角随着渗碳过程进行而逐渐减小，最后逐 渗碳反应，导致凹陷体积形成.由表可知，随着 渐在1300℃左右达到稳定.同一条件下，含碳量 FeC熔体中含碳量的增加，铁液与石墨基体接触 较低的样品接触角较小，润湿性能相对较好 面的半径依次为2.270、2.193、2.040mm,呈逐渐减 对于含碳量4.8%的Fe-C熔体，由于其含碳 小趋势，其凹陷的球帽状体积分别为2.76、2.36
过程中石墨基体与 Fe−C 熔体间的润湿行为. 结果 表 明 ， 碳 质 量 分 数 依 次 为 3.8%， 4.3%， 4.8% 的 Fe−C 熔体随着升温过程逐渐熔化，接触角大小从 开始熔化时的 118.3°、 122.7°、 129.9°逐渐减小到 83.3°、87.1°、109.1°，并最终趋于稳定，样品的初始 表观接触角随着含碳量的增加而增加，熔化过程 中，接触角随着渗碳过程进行而逐渐减小，最后逐 渐在 1300 ℃ 左右达到稳定. 同一条件下，含碳量 较低的样品接触角较小，润湿性能相对较好. 对于含碳量 4.8% 的 Fe−C 熔体，由于其含碳 量已处于过饱和状态，熔化后的界面接触角呈钝 角，说明铁水与焦炭完成渗碳过程至饱和状态后， 与焦炭不润湿，可削弱未饱和铁水对炉缸炉衬的 侵蚀. 2.2 扫描电镜形貌结果分析 将实验结束后的样品纵切抛光，用酒精清洗 后在电热恒温干燥箱中烘干. 得到试样如图 6 所 示，在扫描电镜下观察其形貌，如图 7 所示. 由图可知，Fe−C 熔体与底物石墨基体之间的 界面呈凹陷形态，主要由碳素溶解反应导致. 为了 测定凹陷的体积，假设凹陷形态为球帽形，如图 8 所示，其体积可用公式（1）求出： V = π 6 H ( 3R 2 + H 2 ) （1） 式中：V 是球帽的体积，m 3 ；H 是盖子的高度，m； R 是基座的半径，m. 计算得到球帽状凹陷的具体尺寸如表 1 所示. 高温使得 Fe−C 熔体与石墨基体界面处发生 渗碳反应，导致凹陷体积形成. 由表可知，随着 Fe−C 熔体中含碳量的增加，铁液与石墨基体接触 面的半径依次为 2.270、2.193、2.040 mm，呈逐渐减 小趋势，其凹陷的球帽状体积分别为 2.76、2.36、 (a) 1 mm (b) 1 mm (c) 1 mm (d) 1 mm 图 2 Fe−3.8%C 熔体的渗碳过程. （a）1100 ℃；（b）1200 ℃；（c）1300 ℃；（d）1400 ℃ Fig.2 Carburization process of Fe−C sample with 3.8% carbon content: (a) 1100 ℃; (b) 1200 ℃; (c) 1300 ℃; (d) 1400 ℃ (a) 1 mm (b) 1 mm (c) 1 mm (d) 1 mm 图 3 Fe−4.3%C 熔体的渗碳过程. （a）1100 ℃；（b）1200 ℃；（c）1300 ℃；（d）1400 ℃ Fig.3 Carburization process of Fe−C sample with 4.3% carbon content: (a) 1100 ℃; (b) 1200 ℃; (c) 1300 ℃; (d) 1400 ℃ (a) 1 mm (b) 1 mm (c) 1 mm (d) 1 mm 图 4 Fe−4.8%C 熔体的渗碳过程. （a）1100 ℃；（b）1200 ℃；（c）1300 ℃；（d）1400 ℃ Fig.4 Carburization process of Fe−C sample with 4.8% carbon content: (a) 1100 ℃; (b) 1200 ℃; (c) 1300 ℃; (d) 1400 ℃ 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 80 90 100 110 120 130 Fe−3.8% Fe−4.3% Fe−4.8% Contact angle/(°) Temperture/℃ 图 5 Fe−C 熔体接触角在升温过程中的变化规律 Fig.5 Variation of contact angle of Fe−C sample with temperature rising 湛文龙等： 高炉内铁−焦界面的渗碳润湿行为研究 · 597 ·
598 工程科学学报，第42卷.第5期 (a) (b) 5 mm 5 mm 图6切制前后的Fe-C熔体形状.(a)切割前：(b)切割后 Fig.6 Fe-C sample shape before and after cutting:(a)before cutting,(b)after cutting (a) (b) 2.270mm 2.193mm 338.7m 311.1m 20- 200m 2.040mm 223.3um 图7扫描电镜下不同Fe-C熔体的微观形貌.(a)Fe-3.8%C熔体：(b)Fe-4.3%C熔体：(c)Fe-4.8%C熔体 Fig.7 Morphology of different Fe-C samples using SEM:(a)Fe-3.8%C melt;(b)Fe-4.3%C melt(c)Fe-4.8%C melt 由图可知，石墨基体中的碳原子在渗碳反应 结束后均不同程度的迁移至Fe-C熔体中，碳素迁 移渗透量随着Fe一C熔体中初始碳浓度的增加而 降低；且Fe-3.8%C熔体中石墨基体向铁粒中的渗 碳效果最佳，初始碳浓度越高，润湿性越差，渗碳 效果越差.良好的润湿性可以促进碳向Fe-C熔体 R 中的传质，随着Fe-C熔体中碳含量的增加，石墨 基体中的碳原子渗透进入铁粒样品中的距离也越 图8球帽形状示意图 短.F©-C熔体与石墨基体间的碳浓度差是润湿的 Fig.8 Spherical cap shape 驱动力，初始碳浓度的不同是导致在相同条件下 在石墨基体上润湿FeC熔体中碳溶解渗透距离 1.46mm3,依次递减.碳含量较低的Fe-C熔体润 差异的主要因素 湿性较好，增大了样品与石墨基体之间的接触面 2.4Fe-C熔体与石墨基体界面表面能的计算 积，使得润湿界面形成的凹陷的体积较大 实验过程中，Fe-C熔体随温度升高会在石墨 2.3电子能谱元素结果分析 基体表面熔化铺展，由表1可知，其形成的球帽状 对接触界面进行能谱线扫描，得到结果如图9 凹陷体积较小，约2mm3,可以忽略不计.石墨基 所示. 体中碳原子溶解进入Fe-C熔体中的量较少，足以
1.46 mm3 ，依次递减. 碳含量较低的 Fe−C 熔体润 湿性较好，增大了样品与石墨基体之间的接触面 积，使得润湿界面形成的凹陷的体积较大. 2.3 电子能谱元素结果分析 对接触界面进行能谱线扫描，得到结果如图 9 所示. 由图可知，石墨基体中的碳原子在渗碳反应 结束后均不同程度的迁移至 Fe−C 熔体中，碳素迁 移渗透量随着 Fe−C 熔体中初始碳浓度的增加而 降低；且 Fe−3.8%C 熔体中石墨基体向铁粒中的渗 碳效果最佳，初始碳浓度越高，润湿性越差，渗碳 效果越差. 良好的润湿性可以促进碳向 Fe−C 熔体 中的传质，随着 Fe−C 熔体中碳含量的增加，石墨 基体中的碳原子渗透进入铁粒样品中的距离也越 短. Fe−C 熔体与石墨基体间的碳浓度差是润湿的 驱动力，初始碳浓度的不同是导致在相同条件下 在石墨基体上润湿 Fe−C 熔体中碳溶解渗透距离 差异的主要因素. 2.4 Fe−C 熔体与石墨基体界面表面能的计算 实验过程中，Fe−C 熔体随温度升高会在石墨 基体表面熔化铺展，由表 1 可知，其形成的球帽状 凹陷体积较小，约 2 mm3 ，可以忽略不计. 石墨基 体中碳原子溶解进入 Fe−C 熔体中的量较少，足以 (a) (b) 5 mm 5 mm 图 6 切割前后的 Fe−C 熔体形状. （a） 切割前；（b） 切割后 Fig.6 Fe−C sample shape before and after cutting: (a) before cutting; (b) after cutting (a) (c) (b) 200 μm 200 μm 200 μm 2.270 mm 338.7 μm 2.040 mm 2.193 mm 311.1 μm 223.3 μm 图 7 扫描电镜下不同 Fe−C 熔体的微观形貌. （a） Fe−3.8%C 熔体；（b） Fe−4.3%C 熔体；（c） Fe−4.8%C 熔体 Fig.7 Morphology of different Fe−C samples using SEM: (a) Fe−3.8%C melt; (b) Fe−4.3%C melt (c) Fe−4.8%C melt H R 图 8 球帽形状示意图 Fig.8 Spherical cap shape · 598 · 工程科学学报，第 42 卷，第 5 期