1 引言

烧结矿主要组成相及其在还原过程中生成的相（如Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeO、Ca-Fe-O（钙铁氧化物相））的分布、形态、大小等微观结构特征，显著影响其在高炉内的还原行为（如还原速率与粉化现象）。为实现烧结矿“高还原性”与“抑制还原粉化”的双重目标，微观下观察其组织结构与铁的化学状态至关重要。

本文利用同步辐射X射线显微镜和实验室X-CT技术对烧结矿的微观结构与铁的化学状态进行了多层次的观察。此外，针对观测所得的多维数据，引入持久同调性数学方法进行信息提取。本文阐述了上述成果并探讨了未来发展方向。

2 实验过程和方法

在模拟高炉还原条件（温度与CO气氛）下加热烧结矿，制备不同还原阶段的样品。为进行多尺度观测，在高能加速器研究机构物质结构科学研究所的同步辐射Photon Factory 设施中，利用束线BL-15A1与AR-NW2A的X射线显微镜开展实验：在BL-15A1上，将约20μm的X射线束照射到样品上并进行扫描，通过测量透射X射线、荧光、衍射等信号，对铁元素的化学状态、元素浓度、晶体结构进行了成像。在AR-NW2A上，采用全视野成像测量方法，结合较大的X射线束和二维探测器快速获取化学状态图谱。此外，虽然观察视野被限制在约20μm见方，但也进行了高分辨率（50nm）的化学状态三维成像（XAFS-CT）。

3 实验结果

通过线性拟合各像素点的X射线吸收光谱与标准样品（Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeO、Fe）光谱，计算各相中铁的比例，并以SRGB（标准红绿蓝）可视化铁的化学状态（图1）。

由图1观察到高钙区域还原延迟（图1（b）箭头），裂纹附近还原加速（图1（c）箭头），清晰揭示了烧结矿内部还原反应的空间不均匀性。高温液相烧结形成的熔融层冷却过程中，气孔网络周边易发生还原；但也观察到即使远离数十微米以上的大孔，仍有还原速率较快的区域，表明CO气体扩散不仅受大孔隙网络的影响，也受到细微孔隙/缺陷和微观结构的影响。

X-CT三维观测显示，还原过程中产生了数百微米级裂纹（图3（b））。然而，仅凭裂纹形貌、微观结构和化学状态的对比，难以定位裂纹起始点。这是因为裂纹、微观组织、化学状态（相）等参数在三维空间中复杂关联，且随还原进行动态变化，人眼观察难以定量解析。

4 微观数据的数学解析

持久同调性是一种拓扑数据分析方法，可定量描述几何数据中的拓扑特征（如孔洞数量、形状、分布）。以图2为例，四组图形均含5个白色“孔洞”，传统拓扑学视其为等同，但持久同调性通过定量指标（持久图）可区分其分布、尺寸与形状差异。

对烧结矿中Fe₂O₃相进行持久同调性分析，发现其持久图特征随还原反应导致的化学状态不均匀性变化而显著改变，验证了持久同调性方法的有效性。

通过机器学习持久图中随还原进程增加的孔洞数量（条形码数量），识别出导致机械强度劣化的关键因子——化学状态的不均匀组织。具体包括两大类：“沙漏型钙铁氧化物相”及“岛型/沙漏型铁氧化物相”，共4种类型（图3（a），（c））。

本文的研究未依赖任何材料学知识，但也成功预测了4类裂纹起始点，与已报道的烧结矿还原反应机制一致。在还原过程中，钙铁氧化物形成还原反应中心，产生的Fe₂O₃区域会形成“岛型铁氧化物相”或“沙漏型钙铁氧化物相”成为应力集中点，进而发展为裂纹起点。这一过程通过持久同调性方法与材料科学知识相互验证，体现了数据驱动的新材料研究范式。

5 结论

本文确立了烧结矿微观尺度组织与铁化学状态观测技术，提出了基于X射线显微镜多维数据的持久同调性拓扑分析方法，实现裂纹起始点的精准预测。

本文通过X射线吸收法分析了铁的化学状态，但其他多种光谱技术（如红外或拉曼光谱）以及通过衍射法绘制晶体结构的技术也在不断发展。此外，如何综合运用信息科学和数学方法，从多尺度、多模态数据中最大限度地提取信息，仍是需要解决的课题。