1前言
自2015年《巴黎協(xié)定》通過(guò)以來(lái)，鋼鐵行業(yè)減排CO2的壓力有所增加。采用高爐-轉(zhuǎn)爐路線的鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)雖然成熟、工藝效率高，但與廢鋼-電弧爐或直接還原-電弧爐路線相比，高爐-轉(zhuǎn)爐路線的CO2排放量更高。采用其他低碳技術(shù)取代所有的高爐將需要大量的時(shí)間和資金成本，并且可能會(huì)因?yàn)楝F(xiàn)有高爐爐齡相對(duì)較短這一事實(shí)而放緩?？紤]到鋼鐵廠的實(shí)際情況，通常高爐的運(yùn)行壽命可達(dá)40年，預(yù)計(jì)到2050年，30%-50%的粗鋼生產(chǎn)仍將依賴包括富氫高爐在內(nèi)的高爐技術(shù)。
將由可再生電力產(chǎn)生的氫氣噴吹入高爐，具有顯著減排CO2的潛力。了解在噴吹H2條件下含鐵爐料的粉化行為是獲得最佳爐料質(zhì)量、確保高爐獲得穩(wěn)定生產(chǎn)率的必要條件。
還原粉化的根本原因是，在525-625℃還原過(guò)程中，赤鐵礦還原為磁鐵礦在晶體結(jié)構(gòu)上的變化導(dǎo)致體積膨脹大約25%，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)生應(yīng)力并形成裂紋。
Loo和Bristow提出，還原粉化起始于易接近赤鐵礦的還原，導(dǎo)致裂紋形成，隨后裂紋擴(kuò)展到周圍的基體中。隨著沿裂紋壁的新暴露的赤鐵礦被還原，促進(jìn)了裂紋的進(jìn)一步生長(zhǎng)和擴(kuò)展。雖然明顯的粉化是從裂紋形成開(kāi)始的，但斷裂韌性測(cè)量的相對(duì)裂紋擴(kuò)展阻力將影響粉化的程度。具有較高復(fù)合斷裂韌性的含鐵爐料，其還原粉化率較低。
以往對(duì)還原粉化的研究表明，燒結(jié)礦比塊礦和球團(tuán)礦具有更高的粉化率。粉化程度隨H2加入而開(kāi)始加劇，并隨H2加入量的進(jìn)一步增加而得到緩解。CO還原主要發(fā)生在顆粒表面，而H2還原發(fā)生在顆粒內(nèi)部，這是由于H2的擴(kuò)散速率高于CO，導(dǎo)致了粉化指數(shù)的差異。據(jù)報(bào)道，H2在球團(tuán)礦顆粒中的擴(kuò)散系數(shù)比CO高，且擴(kuò)散系數(shù)隨混合氣體中H2含量增加而增大。Loo和Bristow還提出了一種非局部化學(xué)還原方法，通過(guò)沿徑向產(chǎn)生裂紋來(lái)加劇粉化。但其他一些研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用H2部分取代CO時(shí)，加入H2會(huì)減緩粉化，并認(rèn)為在500℃下，還原能力低于CO，從而導(dǎo)致還原性和粉化率降低。
隨著H2加入，燒結(jié)礦和球團(tuán)礦的粉化率比塊礦的粉化率更高，這是由于燒結(jié)礦和球團(tuán)礦中硅-鐵酸鈣和硅-鐵酸鋁（SFCA）的含量高。當(dāng)SFCA在H2存在下減少時(shí)，其斷裂韌性值下降。另有研究人員發(fā)現(xiàn)，加入H2后塊礦的粉化率升高，這是因?yàn)镠2比燒結(jié)礦和球團(tuán)礦的孔隙度低、孔徑小，因此加速塊礦還原，導(dǎo)致粉化率升高。
由于與以往的發(fā)現(xiàn)不一致，H2對(duì)粉化率的影響似乎取決于H2含量和含鐵爐料的種類。此外，對(duì)不同含鐵爐料在常規(guī)高爐和噴吹H2高爐中粉化情況的研究有限。因此，本研究開(kāi)展了還原粉化試驗(yàn)，對(duì)比了燒結(jié)礦、塊礦和球團(tuán)礦在含有CO和H2的不同混合氣體條件下的粉化行為。通過(guò)對(duì)比還原樣品的顯微結(jié)構(gòu)，觀察不同種類的含鐵爐料在不同還原性混合氣體條件下的粉化特性。
2原料和方法
試驗(yàn)樣品為堿性燒結(jié)礦、塊礦和熔劑性球團(tuán)礦，其成分見(jiàn)表1，粒度在10-12.5mm之間。這些樣品是亞洲高爐的典型含鐵爐料。在每次試驗(yàn)前，將600g樣品放入烘干箱中在105℃下干燥2h以上。然后將樣品裝入還原管中，在N2氣氛下在電爐內(nèi)加熱至500℃。剛開(kāi)始時(shí)的N2流量為5L/min，當(dāng)溫度接近500℃時(shí)N2流量增加至20L/min。將樣品保溫30min以穩(wěn)定溫度，最后以同樣20L/min的總流量引入還原氣體。
使用表2示出的不同還原性混合氣體，在500℃溫度下進(jìn)行等溫還原60min。選擇了五種混合氣體，氣體-1和氣體-2采用ISO4696-2和ISO4696-1氣體成分，氣體-3和氣體-4取自Barrett等人模擬高爐氣體成分的建模研究，氣體-5僅代表H2還原（作為研究目的極端條件）。氣體-3和氣體-4的模擬氣體成分代表了基準(zhǔn)情況（常規(guī)高爐操作）和H2最大噴吹量的情況。
在Barrett等人的建模研究中，由于采用噴煤（PCI）和熱風(fēng)產(chǎn)生的水分被包括在計(jì)算之內(nèi)，因此基準(zhǔn)情況下的氣體已經(jīng)含有H2。據(jù)報(bào)道，全球近50%的高爐采用噴煤操作。實(shí)際高爐的爐頂氣體成分測(cè)量也含有接近4%的H2含量，表明即使在常規(guī)高爐中也存在H2。在H2最大噴吹量的情況下，噴吹H2正在取代某些噴煤。通過(guò)保持爐頂氣體的最低溫度為118℃及回旋區(qū)的最低絕熱火焰溫度（RAFT）為2050℃，可限制H2噴吹，在常規(guī)和H2最大噴吹量這兩種情況下，保持熱風(fēng)溫度和鐵水溫度恒定，以確保高爐順行。
待還原完成后，再次將氣體改為N2，將樣品冷卻至室溫。然后將整個(gè)樣品從還原管中取出，并提取50g子樣品進(jìn)行額外的顯微結(jié)構(gòu)和化學(xué)分析。使用一臺(tái)內(nèi)徑130mm的轉(zhuǎn)鼓（tumblingdrum），對(duì)剩余樣品以30r/min的轉(zhuǎn)速翻滾10min。然后使用一臺(tái)搖動(dòng)篩分機(jī)對(duì)樣品進(jìn)行1min的篩分，搖動(dòng)篩分機(jī)的篩孔尺寸為2.8mm和0.5mm。測(cè)量每個(gè)篩子中剩余量，并計(jì)算由RDI-2.8和RDI-0.5定義的還原粉化指數(shù)（RDI）。
將重約15g的燒結(jié)礦、塊礦和球團(tuán)礦（原始樣品和還原樣品）嵌入環(huán)氧樹(shù)脂中，研磨并拋光至鏡面光潔度，使用反射光顯微鏡獲取顯微結(jié)構(gòu)。對(duì)于還原樣品，在還原后和翻滾前，從材料中取出嵌入的樣品，以保持顆粒的原始形狀。為證實(shí)還原對(duì)粉化的影響，對(duì)比了還原樣品與未還原樣品的RDI。未還原樣品的RDI是根據(jù)原始樣品的翻滾試驗(yàn)結(jié)果及樣品在500℃溫度下的N2中加熱后的結(jié)果得出的。
3結(jié)果與討論
3.1原始樣品的顯微結(jié)構(gòu)及其粉化特性
顯微分析顯示，燒結(jié)礦含有硅-鐵酸鈣和硅-鐵酸鋁作為主要黏結(jié)相，其余為磁鐵礦、赤鐵礦（原生和次生）、硅酸二鈣和玻璃相。紐曼混合塊礦結(jié)構(gòu)多樣，主要相為赤鐵礦和針鐵礦，其結(jié)構(gòu)較燒結(jié)礦和球團(tuán)礦致密。熔劑性球團(tuán)礦顯示出十分均勻的赤鐵礦結(jié)構(gòu)，微孔遍布于整個(gè)顆粒中。
對(duì)原始樣品的橫截面顯微圖像進(jìn)行分析，以對(duì)比燒結(jié)礦、塊礦和球團(tuán)礦的孔隙率和孔徑分布。利用ImageJ軟件對(duì)孔隙及其他固相進(jìn)行分割。通過(guò)調(diào)整灰度值對(duì)孔隙進(jìn)行分割，測(cè)量孔隙面積，以計(jì)算累積孔隙度和等效孔徑。假設(shè)孔隙呈圓形，以微米為單位計(jì)算等效孔徑。該方法僅依賴于樣品的二維橫截面，在獲取實(shí)際孔隙體積和孔隙形狀方面存在一定的局限性。但據(jù)報(bào)道，由利用光學(xué)顯微鏡（2D）獲得的顯微結(jié)構(gòu)計(jì)算得到的孔隙度，與采用壓汞孔隙度法+氮密度法（3D）計(jì)算得到的孔隙度基本相近。因此，在本研究中利用顯微結(jié)構(gòu)的圖像分析足以對(duì)比燒結(jié)礦、塊礦和球團(tuán)礦的孔隙度和孔徑分布。
累積孔隙度結(jié)果顯示，燒結(jié)礦的孔隙度最大，為43.6%，其次是球團(tuán)礦和塊礦，分別為34.5%和11.6%。燒結(jié)礦的孔徑范圍大，最大孔徑接近1.3mm。燒結(jié)礦中孔徑大于192μm的孔隙占孔隙面積的50%，而球團(tuán)礦和塊礦的孔徑分別為107μm和36μm。一般來(lái)說(shuō)，燒結(jié)礦不僅孔隙度最高，而且孔徑也比球團(tuán)礦和塊礦大。
對(duì)比未還原與還原（30%CO+70%N2氣氛）樣品的RDI-2.8和RDI-0.5發(fā)現(xiàn)，原始樣品（未加熱）的粉化主要是由于表面磨損，塊礦的RDI-2.8和RDI-0.5較高，這是由于塊礦表面含有一定比例的黏附細(xì)粉所致。在500℃溫度下的100%N2中加熱60min后，由于熱沖擊及針鐵礦向赤鐵礦發(fā)生轉(zhuǎn)變（這可能與爆裂有關(guān)），塊礦的粉化加劇，而經(jīng)過(guò)熱處理的燒結(jié)礦和球團(tuán)礦沒(méi)有變化。在試驗(yàn)期間觀察到，當(dāng)加熱至500℃時(shí)燒結(jié)礦和球團(tuán)礦的重量損失小于0.1%，而由于針鐵礦的脫羥基作用，使塊礦的重量損失高達(dá)4.6%。使用CO氣體還原后，RDI-2.8和RDI-0.5顯著增大，證實(shí)了試驗(yàn)過(guò)程中的粉化是由于赤鐵礦還原為磁鐵礦所致。在還原后的冷卻階段形成裂紋，但裂紋不會(huì)對(duì)粉化指數(shù)產(chǎn)生重大影響，可以從原始樣品與燒結(jié)礦和球團(tuán)礦在N2中加熱后樣品的RDI值相似得到證明。
3.2燒結(jié)礦、塊礦和球團(tuán)礦在不同混合氣體條件下的還原粉化
在所有混合氣體條件下，燒結(jié)礦的RDI-2.8均高于塊礦和球團(tuán)礦，這與前人的研究結(jié)果一致。一般來(lái)說(shuō)，燒結(jié)礦比塊礦和球團(tuán)礦具有更高的孔隙度和孔徑，這使得燒結(jié)礦一旦形成裂紋并擴(kuò)展，就更容易破裂。分布于燒結(jié)礦顆粒上的孔隙成為還原氣體的通道，促進(jìn)還原和裂紋擴(kuò)展。
燒結(jié)礦粉化程度高的另一個(gè)原因是燒結(jié)礦的結(jié)構(gòu)由具有不同斷裂韌性值的各種相組成。在這些相中，玻璃相的斷裂韌性值最低。玻璃相分布于燒結(jié)礦顆粒中，裂紋可能優(yōu)先穿過(guò)該相。
由于裂紋的形成主要是由于赤鐵礦被還原為磁鐵礦，因此能夠預(yù)測(cè)，赤鐵礦含量越高，鐵礦石的粉化程度就越嚴(yán)重。盡管燒結(jié)礦中赤鐵礦含量低于塊礦和球團(tuán)礦，但燒結(jié)礦的粉化程度較嚴(yán)重，說(shuō)明燒結(jié)礦的粉化不僅與赤鐵礦的含量有關(guān)，而且還與燒結(jié)礦的整體結(jié)構(gòu)和孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)。雖然一些研究人員強(qiáng)調(diào)了次生赤鐵礦的含量與粉化程度密切相關(guān)，但也有一些研究人員認(rèn)為，整體相的復(fù)合性能與粉化程度的相關(guān)性更大。
隨著還原氣體成分發(fā)生改變，所有含鐵爐料在CO和H2混合氣體中的RDI-2.8均高于僅在CO和僅在H2的氣體環(huán)境下。即使向CO中加入很小比例的H2（氣體-2為2%），RDI-2.8也會(huì)大幅增加，尤其是燒結(jié)礦和球團(tuán)礦的RDI-2.8分別增加了50%和137%。結(jié)果表明，燒結(jié)礦和球團(tuán)礦中SFCA含量的增加是導(dǎo)致粉化程度加劇的主要原因。進(jìn)一步增加H2含量會(huì)導(dǎo)致粉化程度的變化減緩。隨著向CO中加入H2，粉化程度開(kāi)始加劇，但當(dāng)進(jìn)一步增加H2含量時(shí)，粉化程度反而降低。這些結(jié)果與Murakami等人和Mizutani等人對(duì)比氣體-1和氣體-2（來(lái)自ISO4696-2和ISO4696-1的氣體成分）的結(jié)果一致，氣體-2中占很小比例的H2（2%）使RDI-2.8增加。與塊礦相比，燒結(jié)礦和球團(tuán)礦的粉化程度較高，這與以前的研究結(jié)果一致。
在代表常規(guī)高爐和噴吹H2高爐的氣體成分為氣體-3和氣體-4條件下，燒結(jié)礦和塊礦的RDI-2.8值相似。噴吹H2情況下的RDI-2.8低于常規(guī)情況，說(shuō)明使用燒結(jié)礦和塊礦時(shí)增加高爐H2含量是有益的。另一方面，在混合氣體相同的條件下，噴吹H2情況下，球團(tuán)礦的RDI-2.8高于常規(guī)情況，與塊礦的RDI-2.8值相近。當(dāng)氣體成分轉(zhuǎn)變?yōu)閮H有H2（氣體-5）時(shí)，所有爐料的RDI-2.8均下降。
與CO氣體的還原相比，CO和H2的混合氣體能夠更深入到顆粒中心，因?yàn)镠2比CO的孔隙擴(kuò)散速率高。Wu等人提出，在赤鐵礦還原為磁鐵礦過(guò)程中，體積膨脹和碳沉積反應(yīng)共同作用下導(dǎo)致粉化。隨著H2的加入，還原作用到達(dá)顆粒內(nèi)部，產(chǎn)生內(nèi)部裂紋，隨后成為CO向內(nèi)部擴(kuò)散的通道。CO在內(nèi)部繼續(xù)還原，然后在內(nèi)部裂紋中出現(xiàn)碳沉積，產(chǎn)生更多裂紋，導(dǎo)致嚴(yán)重粉化。
但隨著H2進(jìn)一步增加，碳沉積反應(yīng)受到限制，系統(tǒng)中CO和CO2的比例下降，導(dǎo)致粉化程度降低。隨著H2濃度進(jìn)一步增加，粉化程度降低的另一種可能性是形成的磁鐵礦晶體中的應(yīng)變程度。據(jù)報(bào)道，H2還原形成的磁鐵礦晶體中的應(yīng)變程度低于CO還原形成的磁鐵礦晶體，導(dǎo)致表面無(wú)應(yīng)力集中，H2-H2O還原后的膨脹程度比CO-CO2還原后的膨脹程度小。
一般來(lái)說(shuō)，球團(tuán)礦的RDI-0.5最高（氣體-1除外）。盡管球團(tuán)礦的RDI-2.8低于燒結(jié)礦，但球團(tuán)礦的RDI-0.5較高意味著球團(tuán)礦在粉化過(guò)程中產(chǎn)生的超細(xì)顆粒占據(jù)主導(dǎo)。結(jié)果表明，球團(tuán)礦的粉化主要表現(xiàn)為表面開(kāi)裂，而燒結(jié)礦的粉化主要表現(xiàn)為內(nèi)部開(kāi)裂，塊礦的粉化主要表現(xiàn)為表面和內(nèi)部開(kāi)裂的結(jié)合。球團(tuán)礦的RDI-0.5/RDI-2.8比值為85%-98%，塊礦的RDI-0.5/RDI-2.8比值為41%-49%，燒結(jié)礦的RDI-0.5/RDI-2.8比值為22%-27%。結(jié)果表明，球團(tuán)礦的粉化主要以超細(xì)顆粒的形式存在，這與使用超細(xì)鐵礦原料生產(chǎn)球團(tuán)礦有關(guān)。而且，燒結(jié)礦是使用比生產(chǎn)球團(tuán)礦的原料相對(duì)較大粒度的鐵礦石混合料生產(chǎn)的。當(dāng)燒結(jié)過(guò)程結(jié)束后，一部分較大的鐵礦石顆粒保持其形狀，并在粉化過(guò)程中破碎成比球團(tuán)礦相對(duì)較大的粒度。
在CO（氣體-1）、H2（氣體-5）和CO-H2（氣體-3）作為還原氣體條件下，根據(jù)還原期間的重量損失及從樣品中脫氧的總量計(jì)算還原度。對(duì)于所有爐料，在H2（氣體-5）作為還原氣體條件下的還原度比在CO（氣體-1）和CO-H2（氣體-3）作為還原氣體條件下的還原度高。在同樣氣體成分條件下，塊礦的還原度最高，其次是球團(tuán)礦和燒結(jié)礦。雖然燒結(jié)礦的孔隙度比球團(tuán)礦和塊礦高，但燒結(jié)礦的還原度較低，說(shuō)明礦物性對(duì)還原的影響。燒結(jié)礦中磁鐵礦和SFCA（其還原性不如赤鐵礦）占比較高，導(dǎo)致燒結(jié)礦的還原性比塊礦和球團(tuán)礦低。根據(jù)子樣品的化學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)在所有還原樣品中均含有金屬鐵，金屬鐵的含量為1.2%-11.6%。金屬鐵是由磁鐵礦代替方鐵礦在低于570℃溫度下還原生成的，從熱力學(xué)角度來(lái)說(shuō)方鐵礦相是不好的，還原也以非均相反應(yīng)進(jìn)行，導(dǎo)致在相對(duì)低還原度下生成金屬鐵和磁鐵礦。
關(guān)于RDI-2.8和還原度，總體而言，其相關(guān)性不明顯，而RDI-2.8在還原度≤10%范圍內(nèi)隨還原度的增大而呈下降趨勢(shì)。當(dāng)還原度值相近（9%-12%）時(shí)，RDI-2.8存在顯著差異，這意味著粉化程度不但取決于還原度，而且取決于原料的特性，包括還原過(guò)程中裂紋的形成。從以往的研究中也得到了類似的觀察結(jié)果，表明還原度與粉化程度之間沒(méi)有直接關(guān)系。當(dāng)保持其他參數(shù)（相同的原料、還原溫度和氣體成分）不變時(shí)，通過(guò)延長(zhǎng)還原時(shí)間可增強(qiáng)還原度與粉化程度之間的相關(guān)性。
有研究表明，在低溫還原過(guò)程中碳沉積反應(yīng)會(huì)加劇粉化。但在目前的研究中，碳沉積反應(yīng)對(duì)加劇粉化沒(méi)有明顯的促進(jìn)作用。測(cè)定還原子樣品的碳含量，見(jiàn)表3。使用CO-H2作為還原氣體，還原氣體的碳含量比僅使用CO的碳含量低，而RDI-2.8明顯高于僅使用CO的RDI-2.8。這表明，在本研究中，碳沉積對(duì)加劇粉化的影響并不顯著。此外，考慮到樣品的碳量相對(duì)較小，這意味著由于碳沉積而增加的重量不會(huì)對(duì)還原度的計(jì)算產(chǎn)生顯著影響。以氣體-1條件下使用塊礦為例，碳的還原度當(dāng)量?jī)H為1.6%左右，與16%的還原度相比要小得多。
3.3CO和CO-H2還原氣體條件下還原后樣品的顯微結(jié)構(gòu)分析
圖1示出了僅使用CO（氣體-1）和CO-H2（氣體-3）還原氣體還原后燒結(jié)礦的顯微結(jié)構(gòu)。由于本研究的樣品是工業(yè)鐵礦石，因此顆粒的粒度和形狀的變化是不可避免的。裂紋在孔隙之間連接，并存在于各相中。由于赤鐵礦還原導(dǎo)致裂紋萌生，裂紋萌生可能從孔隙附近區(qū)域開(kāi)始，因?yàn)榭紫冻蔀闅怏w到達(dá)氧化鐵的通道。一旦裂紋萌生，裂紋就會(huì)通過(guò)周圍的相傳播，直到到達(dá)鄰近的孔隙。從定性上說(shuō)，使用CO-H2還原后形成的裂紋比僅使用CO還原后形成的裂紋多，特別是在顆粒的中心部分，這一觀點(diǎn)支持了以前使用CO-H2還原更深入顆粒中心的假設(shè)。
詳細(xì)觀察燒結(jié)礦顆粒的表面和中心處裂紋發(fā)現(xiàn)，在所有相中都發(fā)現(xiàn)了裂紋，并與孔隙相連。裂紋的分支和裂紋厚度的變化也清晰可見(jiàn)。大部分赤鐵礦被還原為磁鐵礦，在孔隙附近還觀察到微量金屬鐵，表明在孔隙附近利于赤鐵礦的還原。由于孔隙為還原氣體提供通道，因此孔隙不僅能夠作為裂紋萌生的起始點(diǎn)，而且還阻止裂紋擴(kuò)展。但是，利用現(xiàn)有的顯微結(jié)構(gòu)分析方法無(wú)法評(píng)價(jià)裂紋的作用，必須對(duì)裂紋進(jìn)行復(fù)位觀察。
對(duì)比僅使用CO和CO-H2還原后的顯微結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，不僅在選定的相上存在裂紋，而且在所有相上都遍布裂紋，包括以SFCA為主要黏結(jié)相、玻璃相以及在燒結(jié)和還原過(guò)程中形成的磁鐵礦。在僅使用CO還原的情況下，在表面形成的金屬鐵比在中心形成的金屬鐵多，這表明CO氣體向顆粒中心的擴(kuò)散受到了限制。這種情況可能導(dǎo)致表面和中心處的還原和粉化程度不同。在CO-H2還原的情況下，由于存在H2，使氣體的擴(kuò)散速率提高，表面和中心處的顯微結(jié)構(gòu)十分相似。如前所述，這種情況導(dǎo)致遍及整個(gè)顆粒的還原及裂紋形成。
觀察僅使用CO（氣體-1）和CO-H2（氣體-3）還原氣體還原后塊礦的顯微結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，在僅使用CO還原的條件下，由于CO氣體的擴(kuò)散速率受到了限制，導(dǎo)致塊礦中心部位殘留的部分赤鐵礦（白色）未被還原，而在使用CO-H2還原的條件下，大部分赤鐵礦被還原為磁鐵礦。這種情況導(dǎo)致在使用CO-H2還原的條件下，整個(gè)顆粒形成更多的裂紋，粉化程度加劇。
在僅使用CO還原的條件下，塊礦的表面區(qū)域顯示，大部分赤鐵礦被還原為磁鐵礦，并發(fā)現(xiàn)了微量的金屬鐵。在由赤鐵礦或針鐵礦還原的磁鐵礦上都發(fā)現(xiàn)了裂紋。在中心區(qū)域，還原區(qū)域比未還原區(qū)域（赤鐵礦和針鐵礦）發(fā)現(xiàn)的裂紋多。裂紋似乎是沿著還原路徑擴(kuò)展的。隨著H2的加入，大部分赤鐵礦被還原為磁鐵礦，表面和中心部位的顯微結(jié)構(gòu)十分相似。與燒結(jié)礦的情況類似，隨著H2的加入，氣體的擴(kuò)散速率加快，導(dǎo)致整個(gè)顆粒的還原和裂紋形成，從而導(dǎo)致粉化程度加劇。
僅使用CO（氣體-1）和CO-H2（氣體-3）還原氣體還原后球團(tuán)礦的顯微結(jié)構(gòu)和裂紋的詳細(xì)觀察結(jié)果顯示，球團(tuán)礦在還原后的裂紋比燒結(jié)礦和塊礦少，與RDI-2.8的結(jié)果較好吻合。球團(tuán)礦在翻滾過(guò)程中能夠保持其原有的顆粒形狀，結(jié)構(gòu)裂紋較少，通過(guò)表面磨損發(fā)生粉化，生成的顆粒多為細(xì)粒。在僅使用CO氣體還原的情況下，在中心區(qū)域有部分赤鐵礦未還原，在表面有微量的金屬鐵。在磁鐵礦上形成的大多數(shù)裂紋是薄裂紋（裂隙），在未還原的赤鐵礦上未見(jiàn)裂紋。在使用CO-H2氣體還原的情況下，球團(tuán)礦表面和中心處的結(jié)構(gòu)相似，大部分赤鐵礦被還原為磁鐵礦，未觀察到金屬鐵的痕跡。
目前的發(fā)現(xiàn)對(duì)工業(yè)實(shí)踐的影響是，使用接近實(shí)際氣體成分的混合氣體來(lái)比較還原粉化行為是必要的，因?yàn)镠2的存在明顯改變了粉化指數(shù)值。雖然在本次研究中，當(dāng)氣體成分從常規(guī)高爐轉(zhuǎn)向噴吹H2高爐時(shí)，燒結(jié)礦和塊礦的粉化程度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但球團(tuán)礦的粉化程度則呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，應(yīng)重新審查整體爐料設(shè)計(jì)，以優(yōu)化噴吹H2操作。當(dāng)對(duì)高爐噴吹H2操作進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，燒結(jié)礦和球團(tuán)礦的質(zhì)量目標(biāo)也可能發(fā)生變化。
在當(dāng)前的研究范圍內(nèi)，還無(wú)法確定H2的存在是否會(huì)影響裂紋的萌生部位或裂紋的擴(kuò)展路徑。CO和H2對(duì)裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展影響的基礎(chǔ)理論尚不清楚，需要在今后的工作中進(jìn)一步研究。采用Kim等人研究出來(lái)的復(fù)位方法觀察還原過(guò)程中的裂紋形成，可為上述基礎(chǔ)研究提供有價(jià)值的信息。另一種替代方法是采用無(wú)損方法，例如電腦斷層掃描，允許對(duì)同一樣品還原前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。
4結(jié)論
采用含有CO和H2的多種還原性混合氣體，研究了塊礦、燒結(jié)礦和球團(tuán)礦的還原粉化。計(jì)算了還原粉化指數(shù)（RDI），并用RDI-2.8對(duì)比了不同含鐵爐料的粉化情況。對(duì)原始樣品和還原樣品進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)分析，觀察裂紋形成和粉化特征。獲得的結(jié)論如下：
1）在全部氣體成分試驗(yàn)中，塊礦和球團(tuán)礦的RDI-2.8均低于燒結(jié)礦。研究認(rèn)為，燒結(jié)礦的高孔隙率和存在低斷裂韌性相是造成粉化程度較高的原因。
2）與僅含有CO或H2的還原性混合氣體相比，含有CO和H2的全部爐料的RDI-2.8值都更高。向CO中加入H2會(huì)提高孔隙擴(kuò)散速率，使還原氣體到達(dá)顆粒的中心部分，導(dǎo)致整個(gè)顆粒還原及裂紋形成。
3）在燒結(jié)礦和塊礦的情況下，加入2%的H2使粉化程度達(dá)到最高，在模擬當(dāng)前高爐操作或H2噴吹量最大的情況下，進(jìn)一步增加H2導(dǎo)致RDI-2.8值降低。
4）在H2噴吹量最大的情況下，球團(tuán)礦的粉化程度達(dá)到最高，這表明將高爐操作轉(zhuǎn)向高H2含量能夠降低塊礦和燒結(jié)礦的粉化程度，同時(shí)使球團(tuán)礦的粉化程度升高。為了優(yōu)化噴吹H2的操作，應(yīng)重新審查整體爐料的設(shè)計(jì)。
5）與破碎成較大顆粒的燒結(jié)礦和塊礦相比，球團(tuán)礦的粉化一般表現(xiàn)為還原后表面開(kāi)裂，超細(xì)粉占比較高，RDI-0.5值較高。
6）還原度與RDI-2.8之間無(wú)明顯關(guān)聯(lián)，這表明粉化程度不僅取決于還原量，而且還取決于還原過(guò)程中裂紋的特征。未來(lái)還需要對(duì)不同氣體成分下還原過(guò)程中的裂紋形成進(jìn)行更多基礎(chǔ)性研究。
