碳化铁 | 12011-67-5

• 物质功能分类: 无机化工 - 无机盐 - 碳化物及碳酸盐
• 分子结构分类: 有机化合物 - 有机盐 - 有机金属盐
• 中文名称: 碳化铁
• 英文名称: cementite
• 英文别名: iron carbide；iron;methane
• CAS: 12011-67-5
• 化学式: CFe₃
• 分子量: 179.552
• InChiKey: KSOKAHYVTMZFBJ-UHFFFAOYSA-N

物化性质

• 熔点：
  1250°C
• 密度：
  7.694 [CRC10]
• 物理描述：
  OtherSolid

计算性质

• 辛醇/水分配系数(LogP)：
  0.63
• 重原子数：
  4
• 可旋转键数：
  0
• 环数：
  0.0
• sp3杂化的碳原子比例：
  1.0
• 拓扑面积：
  0
• 氢给体数：
  0
• 氢受体数：
  0

安全信息

• 储存条件：
  室温下保存在惰性气体中，干燥且密封。

制备方法与用途

碳化铁概述

碳化铁，又称渗碳体，具有高化学稳定性、不自燃、对二次氧化不敏感、自身硫和磷等有害杂质含量低的优点。作为一种新型的直接还原产品，它不仅具备直接还原铁 (DRI) 的特点，还在产品存储、冶炼和环保等方面展现出DRI无法比拟的优势。相较于传统高炉炼铁，其生产减少了烧结、焦化等过程的投资及环境污染，因此广泛应用于电弧炉、转炉和钢包等领域，并作为催化剂用于石油化工、汽车尾气处理等领域。

理化性质

碳化铁呈灰色立方系晶体结构，熔点为1837℃，相对密度为7.694。莫氏硬度为6，烧结碳化铁的维氏硬度达到950公斤/毫米²。该物质不溶于冷水、热水和稀酸，但在热浓盐酸中会生成氢气、甲烷、乙烷、乙烯及其他较复杂的烃类混合物以及游离碳。它不会与干燥空气反应，在潮湿空气中则氧化成氧化铁和碳。

化学成分

碳化铁的主要成分为Fe3C，其余为脉石和铁氧化物。具体成分详见表1：

元素	含量
Fe	>90%
C	<6%
O	<4%

制备方法

生产碳化铁的基本原理是将铁矿石（Fe2O3）送入具有一定温度和压力的流化床反应器中，通入预热的工业气体（含CO、CO2、CH4、H2及H2O蒸汽），从而生成碳化铁。其化学反应方程式为：3Fe2O3+5H2+2C H4=2Fe3C+9H2O。

工艺流程

按还原铁矿所用气体种类，生产碳化铁的工艺分为CH4-H2、CO-H2和CO-CO2-H2三个系列：

1. CH4-H2系：在固定床或流化床内，在923～1223 K温度下通入以3.33×10-5m³/s流速的CH4-H2混合气体，其中H4/H2比值为40/60。在这个条件下，绝大部分还原铁在30分钟内转换成碳化铁(Fe3C)。

2. CO-H2系：利用低硫CO-H2混合气体，在常压下于直径为22 mm的流化床内还原粒度为0.15～0.21 mm的铁矿石，成功制备出碳化铁。

3. CO-CO2-H2系：将20g矿石装入钥制吊篮置于反应炉中，在N2气氛下升温至预定温度后恒温。根据所需配比将H2、CO及CO2按体积流量混合均匀，通过FG A-016C红外分析仪确认还原气体成分无误后，当矿石恒重后，以1.0 L/min的还原气体代替氮气通入反应炉即得。

用途

碳化铁可作为钢铁的重要组分，同时用于炼钢过程中的增碳剂和冷却剂。此外，它还广泛应用于石油化工、汽车尾气处理等领域。

上述内容由Chemicalbook的丁红编辑整理（2015-11-23）。

反应信息

• 作为反应物：
  描述：

  碳化铁 在 氯 作用下， 以 neat (no solvent) 为溶剂， 以>99的产率得到三氯化铁
  参考文献：
  名称：

  Koch, W.; Gautsch, O., Archiv fur das Eisenhuttenwesen, 1959, vol. 30, p. 723 - 730

  摘要：

  DOI：
• 作为产物：
  描述：

  二茂铁 在 双氧水 作用下， 以 丙酮 为溶剂， 反应 49.0h， 生成 碳化铁
  参考文献：
  名称：

  Effect of annealing temperature on the structure of carbon encapsulated Fe₃O₄ nanospheres

  摘要：

  在600°C下获得了核壳结构的Fe3O4@C。阐述了核壳向核壳结构Fe3O4@C的可能演化机制。

  DOI：

  10.1039/c5ra19326e
• 作为试剂：
  描述：

  甲醇 在 碳化铁 作用下， 以 neat (no solvent) 为溶剂， 生成 水 、 氢气 、 二氧化碳 、 一氧化碳 、 methane
  参考文献：
  名称：

  A family of oxide–carbide–carbon and oxide–nitride–carbon nanocomposites

  摘要：

  本文描述了一种强大而多用途的方法，该方法将溶胶-凝胶处理的优点与受控相分离相结合，以获得氧化物-碳化物-碳或氧化物-氮化物-碳纳米复合材料。

  DOI：

  10.1039/c3cc47480a

文献信息

• Conversion of ferrous compounds in a flameless combustion wave of hexogen-based systems filled with iron formate and other additives
  作者：Yu. M. Mikhailov、V. V. Aleshin、A. M. Kolesnikova、L. V. Zhemchugova、Yu. V. Maksimov

  DOI：10.1007/s11172-017-1841-5

  日期：2017.6

  and chemical reactions occurring at elevated temperatures in a flameless combustion wave of systems based on hexogen (filled with iron(II) formate and polyisocyanurate binding agent) afford a mixture of iron oxides and iron nitride as nanosized particles. The purposeful change in the ratio of the indicated basis components can provide individual Fe2O3, Fe3O4, or FeO in the conversion products. Additives

  在基于 hexogen（填充有甲酸铁（II）和聚异氰脲酸酯粘合剂）的系统的无焰燃烧波中，在高温下发生的高能组分的热分解和化学反应提供了作为纳米尺寸颗粒的氧化铁和氮化铁的混合物。指示基础组分比率的有目的地变化可以在转化产物中提供单独的 Fe2O3、Fe3O4 或 FeO。将蒽和氢醌添加到初始组合物中可导致产品中主要形成碳化铁，而加入硝酸胍或 5-氨基四唑后主要形成氮化铁。
• Operando Spectroscopic Study of Dynamic Structure of Iron Oxide Catalysts during CO₂ Hydrogenation
  作者：Yulong Zhang、Donglong Fu、Xianglin Liu、Zhengpai Zhang、Chao Zhang、Bianfang Shi、Jing Xu、Yi-Fan Han

  DOI：10.1002/cctc.201701779

  日期：2018.3.21

  work revealed the structure evolution of iron active phases for CO2 hydrogenation over iron‐based catalysts. With a combination of operando Raman spectroscopy and X‐ray Diffraction coupled with online gas chromatography, the panoramic structure evolution of iron oxides (α‐Fe2O3 and γ‐Fe2O3) during activation and CO2 hydrogenation were elaborated, that is, α‐Fe2O3 (γ‐Fe2O3)→α‐Fe3O4 (γ‐Fe3O4)→α‐Fe (γ‐Fe)→χ‐Fe5C2

  了解活性位点的动态结构对于合理设计工业催化剂至关重要。这项工作揭示了铁基催化剂上用于CO 2加氢的铁活性相的结构演变。与operando拉曼光谱和X-射线衍射的组合加上在线气相色谱法，铁的氧化物的全景结构演进（的α-Fe 2 ö 3和γ-的Fe 2 ö 3）激活期间和CO 2加氢进行了阐述，该是，的α-Fe 2 ö 3（γ-的Fe 2 ö 3）→α -铁3 ö 4（γ-的Fe 3Ò 4）→α -铁（γ-Fe）的→χ -铁5 Ç 2（θ-的Fe 3 C）。两个铁碳化物表现出较高的催化活性，而χ -铁5 c ^ 2表现出更高的选择性为低级烯烃而较弱的链增长概率比θ-的Fe 3 C.
• High saturation magnetization of Fe 3 C nanoparticles synthesized by a simple route
  作者：Xiang Lei、Wei Wang、Zhantong Ye、Nan Zhao、Hua Yang

  DOI：10.1016/j.dyepig.2016.12.046

  日期：2017.4

  The Fe3C nanoparticles were synthesized via a facile synthesis method. The structures, morphology and magnetic properties were investigated by X-ray diffraction, Raman spectra, X-ray photoelectron spectroscopy, transmission electron microscopy and vibrating sample magnetometer. It was found that the prepared nanoparticles possess the admirable magnetic moment, approaching to the theoretical value.

  通过简便的合成方法合成了Fe 3 C纳米粒子。通过X射线衍射，拉曼光谱，X射线光电子能谱，透射电子显微镜和振动样品磁强计研究了其结构，形态和磁性能。发现所制备的纳米颗粒具有令人敬佩的磁矩，接近理论值。更重要的是，我们简要提出综合机制。这种简单而通用的方法提供了一种合成金属碳化物的新颖方法。
• Fe3C nanoparticles for magnetic hyperthermia application
  作者：A. Gangwar、S.S. Varghese、Sher Singh Meena、C.L. Prajapat、Nidhi Gupta、N.K. Prasad

  DOI：10.1016/j.jmmm.2019.03.028

  日期：2019.7

  of 6 Am2/kg. The oleic acid based ferrofluid of this carbide nanoparticles exhibited good heating ability in the presence of external alternating current (AC) magnetic fields. The optimum specific absorption rate and intrinsic loss power values were 85 W/g and 0.97 nHm2/kg at 23 mT and 261 kHz. Due to lack of reports on magnetic hyperthermia response for iron carbides, the values were compared with iron

  摘要 采用溶剂热辅助技术合成了Fe3C磁性纳米粒子。X 射线和电子衍射证实了单相碳化铁 (Fe3C) 纳米粒子的形成。透射电子显微镜分析证实颗粒的大小约为 19-34 nm。X 射线光电子能谱 (XPS) 断言 Fe3C 中仅存在 Fe 和 C。室温穆斯堡尔光谱也证实了只有这种碳化物相的存在。在 ±2 T 和 300 K 下获得的饱和磁化强度约为 88 Am2/kg，矫顽力为 17.3 mT，剩磁为 6 Am2/kg。这种碳化物纳米粒子的油酸基铁磁流体在外部交流 (AC) 磁场存在下表现出良好的加热能力。在 23 mT 和 261 kHz 下，最佳比吸收率和固有损耗功率值为 85 W/g 和 0.97 nHm2/kg。由于缺乏关于碳化铁磁热反应的报告，将这些值与氧化铁进行了比较。发现这些值具有可比性。
• Chemical state of a supported iron–cobalt catalyst during co disproportionation
  作者：J.P. Pinheiro、P. Gadelle、C. Jeandey、J.L. Oddou

  DOI：10.1016/s0022-3697(00)00270-5

  日期：2001.6

  the chemical state of a supported iron–cobalt catalyst during the disproportionation of carbon monoxide at 800 K. The results of this study have demonstrated a strong implication of cementite Fe 3 C (may be in association with a cobalt carbide) in the alloy deactivation process. The deactivation due to the carburization is apparently reversible. The catalyst was, indeed, shown to partially recover its

  摘要 X 射线衍射和穆斯堡尔光谱已被用于研究一氧化碳在 800 K 歧化过程中负载铁钴催化剂的化学状态。这项研究的结果表明渗碳体 Fe 3 C（可能在合金钝化过程中与碳化钴相关）。由渗碳引起的失活显然是可逆的。当处于热力学上不可能形成碳化物的条件下时，该催化剂确实显示出部分恢复其活性。然而，这项研究的结果似乎表明，合金失活不是单一现象的结果，而是两个不同过程结合的结果。