资源短缺和环境恶化使得对物质流动和能量流动的追踪越来越受到重视,尤其是与能源消耗和全球变暖密切相关的碳。自2000年以来,全球钢铁产量和需求急剧增加,碳质材料作为能源和排放的载体被剧烈消耗,铁和碳的相互作用成为高炉炼铁长期以来技术进步的关键。铁碳相互作用出现在不同的钢铁冶金过程中,如铁矿石的熔化、铁水中焦炭的溶解、铁水对炉缸碳砖的侵蚀等。深入了解各种碳质材料在铁液中的溶解行为,对优化炼铁工艺具有重要意义,同时也是提高资源利用率和减少环境负荷的关键。本论文采用实验室模拟及高炉内部取样的方法,对高炉内部渣-铁-焦多相行为、铁碳界面行为及渗碳过程进行了详细研究。首先,通过风口钻芯取样及高炉解剖的方式,对风口区域焦炭及铁口下方死料柱内部渣铁焦样品的物理化学行为进行分析。25～20 mm风口焦的石墨化程度较高,而气孔尺寸分布范围较广。焦炭中仍有大量体积小于1 mm3的微孔。5～1 mm风口焦的气孔率明显较低,其中含有相当量的Fe2O3,会对气化反应起到正催化作用,焦炭内部发生复杂反应产生SiC,也加快了气化反应的进行。焦炭内部孔隙填充部分熔渣及少量铁水,铁碳界面被渣层覆盖,熔渣与焦炭中的灰分反应生成具有复杂结构的新物相。死料柱中存在大于60mm的焦炭（超过1%）,表明焦炭在高炉中反应的不均匀性。焦炭在死料柱中停留的时间足够长以进行石墨化过程,炉缸中焦炭脱灰分后碳结构参数d002和LC分别为3.368 A和587 A,透射电镜晶面间距测量即傅里叶转换也证明存在层间交错的多层石墨片。其次,借助静滴法和铁覆盖法对石墨向铁水中的溶解行为进行了分析,同时通过研究不同碳素材料渗碳反应界面行为差异,对比了焦炭气孔、碳结构、灰分组成对渗碳行为的影响。碳的溶解使得铁的熔点显著降低。渗碳完成后,从石墨中溶解的C会形成尺寸较小的不规则的层片状结构,与铁样中原有的C发生相互作用并聚集形成尺寸较大的树枝状晶体。由于Fe-Fe键间的排斥力更大,铁原子向石墨碳中移动更加困难,最终在铁碳间形成了 Fe-C界面层,铁碳间界面层的厚度不随铁样中初始碳含量的变化而改变。界面处形成的矿物层能够降低高温时铁碳接触,阻碍渗碳反应的进一步进行。尽管焦炭的碳结构无序化程度高,灰分含量多,但焦炭中气孔的存在既避免了界面矿物质的积累,也为铁碳反应提供了有效的接触面积,造成气孔对渗碳反应的促进作用超过碳结构和灰分的抑制作用。然后,制备了新型焦炭类似物用于实验室代替冶金焦炭,同时利用高温管式炉及高温共聚焦对碳的溶解过程进行了等温和非等温监测,对比分析了四种不同碳素材料的溶解速率及碳溶解极限差异。酸洗脱灰的冶金焦粉制备的焦炭类似物对工业焦炭的模拟性更强,主要优势为从母煤中得到的相对简单且无序的结构,有利于矿物质和金属的添加。非等温实验结果表明,石墨渗碳的发生加速了铁的相变及熔化,碳达到饱和状态后继续加入则无明显的渗碳。铁液中C活度a[c]和碳质材料的活度ac是造成不同碳素材料出现碳溶解极限差异的主要原因。石墨的碳结构有序性高,层内碳原子的解离能低ac升高;矿物质的存在造成界面层内杂质元素的增多,对ac的影响加重。气孔使得界面处矿物质含量减少,减弱了杂质元素对ac的影响。平衡常数不变时多种因素的共同作用对a[c]产生了影响,最终造成了溶解极限的差异。最后,为明确渗碳反应对铁矿石还原及高炉内不同区域的影响,分析了纯FeO对石墨碳向铁液中溶解速率的影响及含FeO熔渣-铁水-焦炭间的复杂多相反应,明确了 FeO存在对焦炭在铁水及熔渣中劣化的影响机理。焦炭参与溶解反应的速率要快于参与渣中FeO直接还原的速率,焦炭在渣铁界面的溶解劣化程度要明显强于浸渣层和浸铁层,FeO含量的增加也加速了焦炭的溶解劣化。渣系成分中FeO含量的变化对碳向铁液中溶解的影响较小,渣铁界面处焦炭的严重劣化主要是碳溶解反应、还原反应和焦炭气化反应的综合效果。提高焦炭向铁水中的溶解速率,避免降低界面处未溶解碳颗粒的积累是铁氧化物还原和渣相形成的关键,同时对控制软熔带的位置及其厚度也十分重要。焦炭发生剧烈的液固溶损反应是高炉中下部焦炭质量下降,影响炉缸透液性的主要原因。因此焦炭的溶解性能应控制在合理的范围内,既要保证一定的渗碳能力,又要保证液固溶损反应后的强度。