1 前言
近年来研究的氢直接还原技术，其炉内最高温度仅约1000℃，因此氢直接还原铁（H-DRI）需经由额外的熔化工序以实现渣铁分离，其中H-DRI-EAF（电弧炉）工艺路线被视为潜在的解决方案之一。鉴于当前电弧炉炼钢的主要原料为废钢，若在该工艺路线中投入含有脉石成分的H-DRI，为实现工艺节能，必须通过渗碳反应降低铁的熔点。此外，从脱磷及脱氮的角度考量，向钢水增碳亦不可或缺。基于此背景，增碳材料的碳中和化已成必然趋势，生物质炭的利用正成为研究热点。
既往研究表明，生物质炭的碳结晶度较低，且低灰分碳材料有利于渗碳反应。本研究着眼于生物质炭作为增碳材料的应用潜力，通过观察生物质炭与纯铁接触条件下的初期熔体生成行为，旨在探究碳材料中灰分、挥发分及结晶性对渗碳及熔化过程的具体影响。
2 试验方法
本研究采用配备红外线图像加热炉的激光显微镜进行高温原位观察，并结合差热分析（DTA）技术，以考察渗碳反应伴随的初期熔液生成温度。试验选用木炭（分为未处理、去除挥发分、去除灰分、同时去除灰分和挥发分四种状态）及石墨试剂作为碳材料，粒径均控制在45μm以下。木炭样品首先在120℃下干燥24h以去除水分，随后测定其固定碳、灰分及挥发分含量；其中灰分含量依据JISM8812标准测定，挥发分含量则通过在1450℃下煅烧30min测得。灰分去除处理是将碳材料分别浸入18%的盐酸（HCl）水溶液和46%的氢氟酸（HF）水溶液中浸泡24h，以降低其灰分含量。此外，通过拉曼光谱仪获取光谱数据，计算Iv/IG值，以此作为表征碳晶体结构缺陷程度的指标。
在激光显微镜试验中，将碳材料粉末置于铁片（3mm×3mm×0.1mm）之上，在高纯氩气（流速0.3NL/min）气氛保护下，先以1000℃/ min的速率快速升温至800℃，再以100℃/min的速率升温至1400℃，随后进行急冷处理。通过录制的高温观察视频分析熔化行为，并对试验后的样品表面进行光学显微镜观察。DTA测定则是将纯铁粉与碳材料粉按1：2的体积比混合，先以100℃/min的速率升温至900℃，再以20℃/min的速率升温至1250℃，通过热分析曲线上的吸热峰确定初期熔液生成温度。
3 试验结果与分析
图1展示了由高温观察视频确定的各样品表观初期熔液生成温度与灰分含量的关系。结果显示，灰分含量越高，初期熔液生成温度也越高，这表明灰分抑制了渗碳反应。对碳材料侧的观察发现，约500℃时碳材料开始移动，推测此时固-固渗碳反应已开始。在900℃附近，观察到铁片表面发生变化，推测为向奥氏体的相变，随后碳材料的消耗变得显著。这被认为与奥氏体组织相比铁素体组织更易于碳扩散，以及碳固溶源的增加有关。
在碳材料与铁片接触较少的区域，观察到细长的铁生成。而在碳材料接触量较少的区域，熔液生成更为显著，形成了范围较广的熔化层。对于去除了灰分的样品，由于熔液对铁片的润湿性更好，促进了熔化铁层的生成和铁片表面的塌陷，因此形成了更大范围的熔化层。
图2展示了试验后样品表面熔化区域的显微组织。反应后的样品中，熔化层内部分区域析出了针状组织，这可能是由于熔化层与灰分混合，导致局部成分变化所致。未处理样品在冷却凝固后观察到化合物析出，而去除灰分的样品则未观察到。
DTA测定结果显示（图3），各样品的初期熔液生成温度均高于激光显微镜观察结果，温差在5-8℃之间。DTA测得的温度较高，可能是因为样品为铁与碳材料的混合粉末，纯铁颗粒间的接触点和碳材料的供给路径不如激光显微镜试验充分，且低温下的浸润反应也可能产生了影响。
4 结论
本研究明确了在生物质炭等各类碳材料与纯铁的接触条件下，灰分对初期渗碳及熔体生成行为的影响。研究结果表明，灰分含量越高，初期熔液生成温度越高，这表明灰分会阻碍碳的供给以及铁熔体对铁基体的润湿性。此外，通过结合拉曼光谱对碳结构的评估与热分析、高温观察，本研究定量地揭示了碳材料物性对渗碳和熔化行为的复合影响。
