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 ·