600 工程科学学报，第42卷，第5期 其中，液-气相之间的表面能参考文献值为 触角随着渗碳反应进行而递减 1.73Jm22,固相和气相之间的表面能是基体中 石墨组分的表面能和气相的组合，可由公式(7)计 参考文献 算得到： [1]Chang Z Y,Wang P,Zhang J L,et al.Effect of COz and H2O on Ysv =YsVgraphite x(100-p)% (7) gasification dissolution and deep reaction of coke.Int J Miner Metall Mater,,2018,25(12):1402 式中，sv是固-气相之间的表面能，SVgraphite是固 [2]Wang X L.Metallurgy of Iron and Steel (Ironmaking).3rd Ed. 体石墨和气相间的表面能，取0.975Jm21p是 Beijing:Metallurgical Industry Press,2013 石墨基体孔隙率，%.假设为20.5% (王筱留.钢铁冶金学（炼铁部分）.3版.北京：治金工业出版社， 固-气相表面能的值，由公式(7)计算得到为 2013) 0.761Jm2.将固-气相表面能和液-气相表面能的 [3] Guo W T,Xue Q G,Ling C,et al.Influence of pore structure 值代入方程(6)得到固-液相表面能的数值见表2 features on the high temperature tensile strength of coke.Chin/ Eng,2016,38(7):930 表2Fe一C熔体与石墨基体的初始接触角及表面能 (郭文涛，薛庆国，凌超，等孔隙结构特征对焦炭高温抗拉强度 Table 2 Initial contact angle and surface energy of Fe-C melts 的影响.工程科学学报，2016,38(7)：930) and graphite substrate [4]Natsui S,Kikuchi T,Suzuki R O,et al.Characterization of liquid Mass fraction of initial Initial contact angle/ Surface energy/ trickle flow in poor-wetting packed bed.IS//Int,2015,55(6): carbon/% () (J-m) 1259 3.8 118.3 1.336 [5]Ichikawa K,Kashihara Y,Oyama N,et al.Evaluating effect of 4.3 122.7 1.386 coke layer thickness on permeability by pressure drop estimation 4.8 129.9 1.463 model.1SJu,2017,57(2):254 [6] Geleta DD,Lee J.Effects of particle diameter and coke layer 由表可知，Fe一C熔体中初始碳浓度越高，其界 thickness on solid flow and stress distribution in BF by 3D discrete 面接触角越大，增加了二者之间的表面能，导致石 element method.Metall Mater Trans B,2018,49(6):3594 墨基体的渗碳效果越差、因此，随着石墨基体中碳 [7] Sun MM,Zhang JL.Li K J,et al.Dissolution behaviors of 素溶解进入FeC熔体后，可以有效减小表面能， various carbonaceous materials in liquid iron:interaction between 使得表面张力减小，接触角在熔化期间递减. graphite and iron.JOM,2019,71(12):4305 [8] Mansuri I A,Khanna R,Rajarao R,et al.Recycling waste CDs as 3结论 a carbon resource:dissolution of carbon into molten iron at 1550℃.SU1m,2013,53(12):2259 (1)FeC熔体升温过程中界面接触角随着渗 [9]Zhang ZJ,Zhang JL Jiao K X,et al.Research progress of iron 碳时间的延长而减小，最后逐渐趋于稳定：且界面 carburization in blast furnace//6th International Symposium on 接触角随着Fe-C熔体中含碳量的增加而变大，含 High-Temperature Metallurgical Processing,Orlando,2015:627 碳量越高，Fe一C熔体与石墨基体的润湿性能越差 [10]Hua F B,Zhang W,Zhu L,et al.Carburizing behavior of molten (2)Fe-C熔体与石墨基体发生渗碳反应后，在 iron in coke bed.J Iron Steel Res,2019,31(7):612 界面形成球帽状的凹陷.随着含碳量的增大，铁液 (华福波，张伟，朱雷，等.焦炭床内铁水渗碳行为，钢铁研究学 报，2019,31(7)：612) 与石墨基体接触面的半径依次为2.270、2.193、 [11]Hua F B.Zhang W,Xue Z L,et al.Kinetic experiment of 2.040mm,呈逐渐减小趋势，其凹陷的球帽状体积 dissolving coke in molten iron.J Iron Steel Res,2018,30(6):427 分别为2.76、2.36、1.46mm3,依次递减.良好的润 (华福波，张伟，薛正良，等.焦炭在铁水中溶解的动力学实验 湿性增大了铁水与石墨基体之间的接触面积，使 钢铁研究学报，2018,30(6)：427) 得润湿界面形成凹陷的体积越大.通过对渗碳反 [12]Deng Y,Zhang J L,Jiao K X.Economical and efficient protection 应界面形貌研究发现，石墨基体中碳原子溶解渗 for blast furnace hearth./SI/Int,2018,58(7):1198 透进人Fe-C熔体的量随着初始碳浓度的增大而 [13]Nguyen C S,Ohno K,Maeda T,et al.Effect of carbon dissolution 减小，渗碳效果随之变差.良好的润湿性可以促进 reaction on wetting behaviour of molten Fe-C alloy on graphite substrate in the initial contact period.IS//Int,2017,57(9):1491 碳的传质 [14]Tang K,Lo X W,Wu SS,et al.Measurement for contact angle of (3)在铁粒的熔化过程中，石墨基体中的碳原 iron ore particles and water.ISIJ Int,2018,58(3):379 子溶解进入Fe-C熔体，减小了熔体与基体间的表 [15]Cheng L M,Zhang L F,Shen P.Fundamentals of interfacial 面能，导致表面张力减小，熔体逐渐铺展，所以接 wettability in ironmaking and steelmaking.Chin J Eng,2018,其中，液−气相之间的表面能参考文献值为 1.73 J·m−2[24] ，固相和气相之间的表面能是基体中 石墨组分的表面能和气相的组合，可由公式（7）计 算得到： γSV = γSVgraphite ×(100− p)% （7） 式中，γSV 是固−气相之间的表面能，γSVgraphite 是固 体石墨和气相间的表面能，取 0.975 J·m−2[25] . p 是 石墨基体孔隙率，%，假设为 20.5%. 固−气相表面能的值，由公式（7）计算得到为 0.761 J·m−2 . 将固−气相表面能和液−气相表面能的 值代入方程（6）得到固−液相表面能的数值见表 2. 由表可知，Fe−C 熔体中初始碳浓度越高，其界 面接触角越大，增加了二者之间的表面能，导致石 墨基体的渗碳效果越差. 因此，随着石墨基体中碳 素溶解进入 Fe−C 熔体后，可以有效减小表面能， 使得表面张力减小，接触角在熔化期间递减. 3    结论 （1）Fe−C 熔体升温过程中界面接触角随着渗 碳时间的延长而减小，最后逐渐趋于稳定；且界面 接触角随着 Fe-C 熔体中含碳量的增加而变大，含 碳量越高，Fe−C 熔体与石墨基体的润湿性能越差. （2）Fe−C 熔体与石墨基体发生渗碳反应后，在 界面形成球帽状的凹陷. 随着含碳量的增大，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、1.46 mm3 ，依次递减. 良好的润 湿性增大了铁水与石墨基体之间的接触面积，使 得润湿界面形成凹陷的体积越大. 通过对渗碳反 应界面形貌研究发现，石墨基体中碳原子溶解渗 透进入 Fe−C 熔体的量随着初始碳浓度的增大而 减小，渗碳效果随之变差. 良好的润湿性可以促进 碳的传质. （3）在铁粒的熔化过程中，石墨基体中的碳原 子溶解进入 Fe−C 熔体，减小了熔体与基体间的表 面能，导致表面张力减小，熔体逐渐铺展，所以接 触角随着渗碳反应进行而递减. 参    考    文    献 Chang Z Y, Wang P, Zhang J L, et al. Effect of CO2 and H2O on gasification  dissolution  and  deep  reaction  of  coke. Int J Miner Metall Mater, 2018, 25（12）: 1402 [1] Wang  X  L. Metallurgy of Iron and Steel (Ironmaking).  3rd  Ed. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2013 （王筱留. 钢铁冶金学(炼铁部分). 3版. 北京: 冶金工业出版社, 2013） [2] Guo  W  T,  Xue  Q  G,  Ling  C,  et  al.  Influence  of  pore  structure features  on  the  high  temperature  tensile  strength  of  coke. Chin J Eng, 2016, 38（7）: 930 （郭文涛, 薛庆国, 凌超, 等. 孔隙结构特征对焦炭高温抗拉强度 的影响. 工程科学学报, 2016, 38（7）：930） [3] Natsui S, Kikuchi T, Suzuki R O, et al. Characterization of liquid trickle  flow  in  poor-wetting  packed  bed. ISIJ Int,  2015,  55（6）: 1259 [4] Ichikawa  K,  Kashihara  Y,  Oyama  N,  et  al.  Evaluating  effect  of coke layer thickness on permeability by pressure drop estimation model. ISIJ Int, 2017, 57（2）: 254 [5] Geleta  D  D,  Lee  J.  Effects  of  particle  diameter  and  coke  layer thickness on solid flow and stress distribution in BF by 3D discrete element method. Metall Mater Trans B, 2018, 49（6）: 3594 [6] Sun  M  M,  Zhang  J  L,  Li  K  J,  et  al.  Dissolution  behaviors  of various carbonaceous materials in liquid iron: interaction between graphite and iron. JOM, 2019, 71（12）: 4305 [7] Mansuri I A, Khanna R, Rajarao R, et al. Recycling waste CDs as a  carbon  resource:  dissolution  of  carbon  into  molten  iron  at 1550 ℃. ISIJ Int, 2013, 53（12）: 2259 [8] Zhang Z J, Zhang J L, Jiao K X, et al. Research progress of iron carburization  in  blast  furnace//6th International Symposium on High–Temperature Metallurgical Processing, Orlando, 2015: 627 [9] Hua F B, Zhang W, Zhu L, et al. Carburizing behavior of molten iron in coke bed. J Iron Steel Res, 2019, 31（7）: 612 （华福波, 张伟, 朱雷, 等. 焦炭床内铁水渗碳行为. 钢铁研究学 报, 2019, 31（7）：612） [10] Hua  F  B.  Zhang  W,  Xue  Z  L,  et  al.  Kinetic  experiment  of dissolving coke in molten iron. J Iron Steel Res, 2018, 30（6）: 427 （华福波, 张伟, 薛正良, 等. 焦炭在铁水中溶解的动力学实验. 钢铁研究学报, 2018, 30（6）：427） [11] Deng Y, Zhang J L, Jiao K X. Economical and efficient protection for blast furnace hearth. ISIJ Int, 2018, 58（7）: 1198 [12] Nguyen C S, Ohno K, Maeda T, et al. Effect of carbon dissolution reaction  on  wetting  behaviour  of  molten  Fe−C  alloy  on  graphite substrate in the initial contact period. ISIJ Int, 2017, 57（9）: 1491 [13] Tang K, Lü X W, Wu S S, et al. Measurement for contact angle of iron ore particles and water. ISIJ Int, 2018, 58（3）: 379 [14] Cheng  L  M,  Zhang  L  F,  Shen  P.  Fundamentals  of  interfacial wettability  in  ironmaking  and  steelmaking. Chin J Eng,  2018, [15] 表 2    Fe−C 熔体与石墨基体的初始接触角及表面能 Table 2    Initial  contact  angle  and  surface  energy  of  Fe−C  melts and graphite substrate Mass fraction of initial carbon/% Initial contact angle/ (°) Surface energy/ (J·m−2) 3.8 118.3 1.336 4.3 122.7 1.386 4.8 129.9 1.463 · 600 · 工程科学学报，第 42 卷，第 5 期