艾立群等：H,HO气氛下Fe-C合金薄带气固脱碳反应动力学 ·819… 将Fe-C合金薄带放在特制刚玉支架上并置 为保证脱碳的顺利进行的P2o/P2+o应小于反 于水平管式炉的加热区内，在脱碳前需要对管式 应(2)发生的临界Po/P2+H2o值.本文在3个反 炉进行抽真空处理，使真空度到达5Pa抽真空处 应温度下选择相同Po/P2+o为0.38，如图4中 理结束后设置升温程序，升温过程中通入体积比 的蓝点所示，此时，可实现快速脱碳且铁元素不发 98:2的Ar/H混合保护气体，氩气、氢气的比例 生氧化.为验证脱碳气氛的可行性，对厚度为1mm 通过质量流量计控制，达到脱碳温度后将混合气 的Fe-C合金薄带进行脱碳处理，脱碳温度分别 体切换至体积比4：1的Ar/H2(通过水浴装置进行 为1413、1353和1293K.脱碳气氛气体总流量为 加湿，混合气体含水量通过调节水浴温度控制，水 300 mL'min,水浴温度为333K,Ar的流量为240mL: 浴温度越高，混合气体的含水量越大，气体氧化性 min,H2的流量为60 mL'min.对脱碳后的薄带 越强，混合气体的含水量通过湿度传感器检测获 表面进行X射线衍射分析，其结果如图5所示 得.为防止水蒸气冷凝，人炉前管道设有加热装 1473 置，等脱碳完成后，将气体切换成体积比98：2的 1413,0.38。 ArH,混合保护气体，将Fe-C合金薄带移至冷却 1373 1353,0.38。 区，随炉冷却至室温后取出 1273 1293.0.38。 1.4试样检测 Fe,O 实验使用CS-800红外碳硫分析仪来检测脱碳 前后的平均碳含量.脱碳前后薄带经抛光处理后 Fe 用体积分数为2%硝酸溶液腐蚀2s,通过扫描电 (2) 1093-1103K 子显微镜对薄带横截面微观组织进行观察，通过 973 Fe,O X射线衍射设备，对薄带表面进行物相分析 (3) 873 2实验结果及分析 (4) 845K 1730 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 2.1脱碳气氛的确定 PudP FeC合金薄带在Ar-H2O-H2进行脱碳处理，其 图4H2-H20气氛下铁氧化物还原平衡 本质为Fe和C竞争氧化的过程，具体反应如下所示 Fig.4 Equilibrium for iron oxide reduction under Hz-H2O reducing gas C+H2O(g)=CO(g)+H2(g) (1) 通过对不同脱碳温度下薄带表面的X射线衍射 xFe(s)+H2O(g)=H2(g)+FexO(s) (2) 分析结果表明，当脱碳温度为1293、1353、1413K时， 在薄带的表面并未发现铁氧化物的存在，满足碳脱 3Fe+4H20(g)=4H2(g)+Fe304s) (3) 除且铁不氧化的要求，因此选择的实验气氛条件为 3FeO(s)+H2O(g)=H2(g)+Fe304(s) (4) 为气体总流量为300 mL'min,水浴温度为333K, 根据上述4个反应可知，其余条件一定时，气 Ar的流量为240 mL'min,H2的流量为60 mL'min 氛中的水蒸气含量越高越有助于脱碳的进行，但 2.2脱碳温度和脱碳时间对脱碳效果的影响 是过高的水蒸气含量又会导致铁的氧化，阻碍 为了探索脱碳温度和脱碳时间对脱碳效果的 脱碳反应的顺利进行.图4为H2-H,0气氛下铁氧 影响，对碳质量分数为4.2%的2mm的Fe-C合金薄 化物还原平衡，图中的曲线为反应(2)~(4)反应 带进行脱碳处理，气体总流量为300 mL'min,Ar的 温度与临界PH,o/PH,+H,O.PHo为HO的分压， 流量为240 mL'min,H2的流量为60 mL'min,水浴 PH2+0,为H2和H2O两种气体的分压之和.由图4 温度为333K,脱碳温度分别为1293、1353和1413K, 可知在H2-H0气氛下，反应温度在773~845K, 脱碳时间为10、30、50和60min.不同脱碳时间下脱 反应温度保持一定时，随着气氛中HO含量的提 碳后平均碳含量与脱碳温度的关系如下图6所示 高，Fe被氧化成Fe3O4;当反应温度在845~1473K 由图6可知，当脱碳温度一定时，脱碳时间越 时，反应温度保持一定时，当气氛中H2O含量的提 长，脱碳后的平均碳含量就越低.脱碳时间一定 高，Fe先被氧化成Fe,O,随着气氛中HO含量的 时，随着脱碳温度的升高，脱碳后平均碳含量逐渐 继续提高，FeO被氧化成FeO4,并且Fe发生氧化 降低.对于初始碳质量分数为4.2%的2mm的Fc-C 的临界水蒸气含量随着反应温度的升高而提高， 合金薄带，在1293K下脱碳60min后，薄带的平 为保证脱碳反应的顺利进行，当反应温度一定时， 均碳质量分数为2.8%，在1353和1413K下脱碳将 Fe‒C 合金薄带放在特制刚玉支架上并置 于水平管式炉的加热区内，在脱碳前需要对管式 炉进行抽真空处理，使真空度到达 5 Pa. 抽真空处 理结束后设置升温程序，升温过程中通入体积比 98∶2 的 Ar/H2 混合保护气体，氩气、氢气的比例 通过质量流量计控制，达到脱碳温度后将混合气 体切换至体积比 4∶1 的 Ar/H2（通过水浴装置进行 加湿，混合气体含水量通过调节水浴温度控制，水 浴温度越高，混合气体的含水量越大，气体氧化性 越强，混合气体的含水量通过湿度传感器检测获 得. 为防止水蒸气冷凝，入炉前管道设有加热装 置，等脱碳完成后，将气体切换成体积比 98∶2 的 Ar/H2 混合保护气体，将 Fe‒C 合金薄带移至冷却 区，随炉冷却至室温后取出. 1.4    试样检测 实验使用 CS-800 红外碳硫分析仪来检测脱碳 前后的平均碳含量. 脱碳前后薄带经抛光处理后， 用体积分数为 2% 硝酸溶液腐蚀 2 s，通过扫描电 子显微镜对薄带横截面微观组织进行观察，通过 X 射线衍射设备，对薄带表面进行物相分析. 2    实验结果及分析 2.1    脱碳气氛的确定 Fe‒C 合金薄带在 Ar‒H2O‒H2 进行脱碳处理，其 本质为 Fe 和 C 竞争氧化的过程，具体反应如下所示. C+H2O(g) = CO(g) +H2(g) （1） xFe(s) +H2O(g) = H2(g) +FexO(s) （2） 3Fe(s) +4H2O(g) = 4H2(g) +Fe3O4(s) （3） 3FeO(s) +H2O(g) = H2(g) +Fe3O4(s) （4） PH2O P(H2+H2O) PH2O P(H2+H2O) 根据上述 4 个反应可知，其余条件一定时，气 氛中的水蒸气含量越高越有助于脱碳的进行，但 是过高的水蒸气含量又会导致铁的氧化，阻碍 脱碳反应的顺利进行. 图 4 为 H2‒H2O 气氛下铁氧 化物还原平衡，图中的曲线为反应（2）～（4）反应 温度与临界 / . 为 H2O 的分压 ， 为 H2 和 H2O 两种气体的分压之和. 由图 4 可知在 H2‒H2O 气氛下，反应温度在 773～845 K， 反应温度保持一定时，随着气氛中 H2O 含量的提 高，Fe 被氧化成 Fe3O4；当反应温度在 845～1473 K 时，反应温度保持一定时，当气氛中 H2O 含量的提 高 ，Fe 先被氧化成 FexO，随着气氛中 H2O 含量的 继续提高，FexO 被氧化成 Fe3O4，并且 Fe 发生氧化 的临界水蒸气含量随着反应温度的升高而提高， 为保证脱碳反应的顺利进行，当反应温度一定时， PH2O P(H2+H2O) PH2O P(H2+H2O) PH2O P(H2+H2O) 为保证脱碳的顺利进行的 / 应小于反 应（2）发生的临界 / 值. 本文在 3 个反 应温度下选择相同 / 为 0.38，如图 4 中 的蓝点所示，此时，可实现快速脱碳且铁元素不发 生氧化. 为验证脱碳气氛的可行性，对厚度为 1 mm 的 Fe‒C 合金薄带进行脱碳处理，脱碳温度分别 为 1413、1353 和 1293 K. 脱碳气氛气体总流量为 300 mL·min−1，水浴温度为333 K，Ar 的流量为240 mL· min−1 ，H2 的流量为 60 mL·min−1 . 对脱碳后的薄带 表面进行 X 射线衍射分析，其结果如图 5 所示. 1473 1373 1273 1173 1073 973 873 7730 0.2 0.4 (4) 845 K (3) 1093−1103 K Fe3O4 FexO 1413, 0.38 1353, 0.38 1293, 0.38 Fe (2) PH2O/P(H2+H2O) Reaction temperature/K 0.6 0.8 1.0 图 4 H2–H2O 气氛下铁氧化物还原平衡 Fig.4 Equilibrium for iron oxide reduction under H2–H2O reducing gas 通过对不同脱碳温度下薄带表面的 X 射线衍射 分析结果表明，当脱碳温度为 1293、1353、1413 K 时， 在薄带的表面并未发现铁氧化物的存在，满足碳脱 除且铁不氧化的要求，因此选择的实验气氛条件为 为气体总流量为 300 mL·min−1，水浴温度为 333 K， Ar 的流量为 240 mL·min−1 ，H2 的流量为 60 mL·min−1 . 2.2    脱碳温度和脱碳时间对脱碳效果的影响 为了探索脱碳温度和脱碳时间对脱碳效果的 影响，对碳质量分数为 4.2% 的 2 mm 的 Fe‒C 合金薄 带进行脱碳处理，气体总流量为 300 mL·min−1 ，Ar 的 流量为 240 mL·min−1 ，H2 的流量为 60 mL·min−1，水浴 温度为 333 K，脱碳温度分别为 1293、1353 和 1413 K， 脱碳时间为 10、30、50 和 60 min. 不同脱碳时间下脱 碳后平均碳含量与脱碳温度的关系如下图 6 所示. 由图 6 可知，当脱碳温度一定时，脱碳时间越 长，脱碳后的平均碳含量就越低. 脱碳时间一定 时，随着脱碳温度的升高，脱碳后平均碳含量逐渐 降低. 对于初始碳质量分数为 4.2% 的 2 mm 的 Fe‒C 合金薄带，在 1293 K 下脱碳 60 min 后，薄带的平 均碳质量分数为 2.8%，在 1353 和 1413 K 下脱碳 艾立群等： H2 /H2O 气氛下 Fe‒C 合金薄带气固脱碳反应动力学 · 819 ·