第2期 刘洋等：FeCr0体系碳还原产物的形态 ·175· Equilib模块计算所得到的最终产物中含Fe、Cr和C ■1350℃ 0.9 0.1 ■1450℃ 的液相（笔者认为此液相凝固后即为本文所提到的 m1550℃ 0.8 0.2 Fe-Cr-C的合金相)与Cr碳化物质量的比值，也即 > 0.3 图15中显示的“理论值” 0.6 0.4 05 0.5 3.0 0.4 0.6 -估算值Fe,0,-C0) 0.34 0.7 -o-.估算值FeCr0) 出2.5 理论值Fe,0,C,0, 0.2 0.8 ◆-理论值便eCr,O） 0.1 0.9 20 C ∠090307060i0400立0ic 质量分数 1.5 图141350、1450和1550℃时Fe-CrC系液相区分布图 Fig.14 Liquid phase maps of the Fe-Cr-C system at 1350,1450 and 0 1550℃ 1350 140014501500 1550 温度℃ w [cd 'x +wc'y=a, (9) 图15反应趋于平衡时产物中合金与碳化物质量比随温度变化 的关系 b+c-wc*y =1-10[ca· (10) Fig.15 Relations between alloy-o-earbide mass ratio in the final re- duced products and temperature 式(9)表示还原产物中Cr的物料平衡，式(10)表示 合金中Fe和C的质量分数之和.a为产物中被还 由图15可以看出，产物中合金与碳化物质量之 原的Cr的总量，b为残余碳含量，c为原料中Fe的 比的估算值和理论值基本吻合，可见此估算方法是 总质量，单位均为g;心c为合金中Cr的质量分数， 合理的，且二者的变化趋势和变化速率都是随着温 wc为Cr,C,中Cr的质量分数，wc为Cr,C3中C的质 度的升高而不断增大，说明高温条件下产物中Fe一 量分数，以上均为已知值 CrC合金含量较多，而低温条件下Cr更倾向于以 由此估算出不同温度下各样品最终还原产物中 碳化物的形式存在，这与前面热力学分析结果相吻 合金与碳化物含量如表5和表6所示. 合.结合表5、表6及图15发现，在本实验条件下两 表5C还原F203Cr203最终产物中合金与碳化物的含量（质量 种FeCr-0体系样品被C还原后，Cr碳化物含量 分数) 都比较高，即便是1550℃下所获得的Cr碳化物的 Table 5 Alloy and carbide contents in the final products of Fe2 O,- 质量分数仍高达26%以上.这主要是因为本实验条 Cr2O;reduced by carbon 件下所使用C含量偏高（占体系组成的20%，碳氧 温度/℃ 合金 碳化物(CrC) 摩尔比约为1.1)，后续研究中降低C的用量，有可 1350 53.78 46.22 能会提高产物中Fe-Cr一C合金的比例而降低所获 1450 61.67 38.33 得的Cr碳化物的量.前文热力学计算（图1~3）结 1550 72.07 27.93 果也显示了这一趋势，即随着体系中碳氧比的增加， 金属碳化物所存在的温度区间明显增大，当碳氧比 表6C还原FC204最终产物中合金与碳化物的含量（质量分数） 较低时（图1）碳化物在高温条件下分解，Cr、Fe等 Table 6 Alloy and carbide contents in the final products of FeCr2O re- duced by carbon % 更容易以液相形式存在，即生成Fe-Cr-C合金 温度/℃ 合金 碳化物(CrC,) 4结论 1350 52.58 47.42 1450 60.80 39.20 (1)C还原FeCr,04及Fe03Cr,03两种样品 1550 73.76 26.24 的还原率均随温度升高而升高，且最终还原率均能 达到90%以上. 根据表5和表6中的数据可以进一步绘制出各 (2)根据对不同反应时间下所获得的产物分析 样品最终还原产物中合金与碳化物质量比值与温度 可知，C还原FeCr,0,的反应过程可以分为以下两 的关系图，如图15所示，其中虚线代表利用本方法 个阶段：(1)FeCr,0,被C还原生成Cr,03、Fe以及 估算后得到的数值，实线代表由FactSage中的 C0:(2)反应生成的Cr,0与C继续反应生成金属第 2 期 刘 洋等: Fe--Cr--O 体系碳还原产物的形态 图 14 1350、1450 和 1550 ℃时 Fe--Cr--C 系液相区分布图 Fig． 14 Liquid phase maps of the Fe-Cr-C system at 1350，1450 and 1550 ℃ w［Cr］·x + wCr·y = a， ( 9) b + c － wC ·y x { = 1 － w［Cr］． ( 10) 式( 9) 表示还原产物中 Cr 的物料平衡，式( 10) 表示 合金中 Fe 和 C 的质量分数之和． a 为产物中被还 原的 Cr 的总量，b 为残余碳含量，c 为原料中 Fe 的 总质量，单位均为 g; w［Cr］为合金中 Cr 的质量分数， wCr为 Cr7C3 中 Cr 的质量分数，wC为 Cr7C3 中 C 的质 量分数，以上均为已知值． 由此估算出不同温度下各样品最终还原产物中 合金与碳化物含量如表 5 和表 6 所示． 表 5 C 还原 Fe2O3 --Cr2O3 最终产物中合金与碳化物的含量( 质量 分数) Table 5 Alloy and carbide contents in the final products of Fe2O3 - Cr2O3 reduced by carbon % 温度/℃ 合金 碳化物( Cr7C3 ) 1350 53. 78 46. 22 1450 61. 67 38. 33 1550 72. 07 27. 93 表 6 C 还原 FeCr2O4 最终产物中合金与碳化物的含量( 质量分数) Table 6 Alloy and carbide contents in the final products of FeCr2O4 re￾duced by carbon % 温度/℃ 合金 碳化物( Cr7C3 ) 1350 52. 58 47. 42 1450 60. 80 39. 20 1550 73. 76 26. 24 根据表 5 和表 6 中的数据可以进一步绘制出各 样品最终还原产物中合金与碳化物质量比值与温度 的关系图，如图 15 所示，其中虚线代表利用本方法 估算后得到的数值，实 线 代 表 由 FactSage 中 的 Equilib 模块计算所得到的最终产物中含 Fe、Cr 和 C 的液相( 笔者认为此液相凝固后即为本文所提到的 Fe--Cr--C 的合金相) 与 Cr 碳化物质量的比值，也即 图 15 中显示的“理论值”． 图 15 反应趋于平衡时产物中合金与碳化物质量比随温度变化 的关系 Fig． 15 Ｒelations between alloy-to-carbide mass ratio in the final re￾duced products and temperature 由图 15 可以看出，产物中合金与碳化物质量之 比的估算值和理论值基本吻合，可见此估算方法是 合理的，且二者的变化趋势和变化速率都是随着温 度的升高而不断增大，说明高温条件下产物中 Fe-- Cr--C 合金含量较多，而低温条件下 Cr 更倾向于以 碳化物的形式存在，这与前面热力学分析结果相吻 合． 结合表 5、表 6 及图 15 发现，在本实验条件下两 种 Fe--Cr--O 体系样品被 C 还原后，Cr 碳化物含量 都比较高，即便是 1550 ℃ 下所获得的 Cr 碳化物的 质量分数仍高达 26% 以上． 这主要是因为本实验条 件下所使用 C 含量偏高( 占体系组成的 20% ，碳氧 摩尔比约为 1. 1) ，后续研究中降低 C 的用量，有可 能会提高产物中 Fe--Cr--C 合金的比例而降低所获 得的 Cr 碳化物的量． 前文热力学计算( 图 1 ～ 3) 结 果也显示了这一趋势，即随着体系中碳氧比的增加， 金属碳化物所存在的温度区间明显增大，当碳氧比 较低时( 图 1) 碳化物在高温条件下分解，Cr、Fe 等 更容易以液相形式存在，即生成 Fe--Cr--C 合金． 4 结论 ( 1) C 还原 FeCr2O4 及Fe2O3 --Cr2O3 两种样品 的还原率均随温度升高而升高，且最终还原率均能 达到 90% 以上． ( 2) 根据对不同反应时间下所获得的产物分析 可知，C 还原 FeCr2O4 的反应过程可以分为以下两 个阶段: ( 1) FeCr2O4 被 C 还原生成 Cr2O3、Fe 以及 CO; ( 2) 反应生成的 Cr2O3 与 C 继续反应生成金属 · 571 ·