1 前言

近年来，为实现碳中和目标，降低炼铁过程中的二氧化碳排放已成为一项紧迫课题。作为替代传统煤炭还原剂的手段之一，氢冶金正受到广泛关注。在氢能炼铁过程中，还原反应引起的铁矿石球团粉化以及球团间的粘结被公认为技术难题。这些现象对还原反应的进程以及炉内的热流与物质传输影响巨大，并直接关系到操作的稳定性和生产效率，因此有必要理解其机理并采取相应的控制措施。

本研究旨在开发用于阐明及控制球团粉化和粘结现象机理的模拟模型。在此，为了掌握各现象的基础力学性质，研究进行了通过压缩试验观察球团粉化行为，以及在高温还原条件下通过拉伸试验评价球团粘结强度的研究。

2 试验方法

压缩试验及拉伸试验使用了气氛控制高温压缩拉伸试验装置（CATY-T3V-2KN）。试验对象为三种组成不同的球团（分别为高碱度球团A、低碱度球团B和酸性球团C。试验所用的球团如图1所示。粉化试验中，通过单轴压缩测定球团强度特性并观察球团粉化行为。针对还原前及还原后的试样，在各条件下进行了60次压缩试验，测定了冷态下的强度。对于还原后试样，通过中断还原处理制备了不同还原率的试样供试验使用。在用于测定粘结强度的拉伸试验中，将球团纵向排列配置，在施加一定压缩载荷的状态下，于Ar气氛中升温至指定温度，经等温保持后切换气体进行还原，还原一定时间后对球团进行拉伸，测定粘结强度。图2和图3分别展示了压缩试验和拉伸试验的情况。

3 试验结果及分析

3.1 压缩强度与粉化行为

试验对比了还原前后的球团强度，还原后球团的强度显著劣化。

从还原率对强度的影响来看，强度随还原率的增加呈现先降低后升高，随后再次降低的复杂变化趋势。

试验对所得压缩强度数据进行统计学分析，考察了不同还原阶段强度分布的离散度，结果表明低还原率试样的强度离散度较大。原因为还原初期，球团内部原有的宏观裂纹对强度起主导作用，导致强度数据波动剧烈。

随着还原反应的进行，强度数据离散度逐渐减小。这暗示了随着金属铁（Fe）的生成，球团内部结构趋于均质化，强度得到提升且数据分布更为集中，表明氢还原反应在球团内部已较为均匀地进行。

然而，当还原反应继续进行，球团强度再次降低且离散度重新增大。这归因于试样内部孔隙率的显著增加，导致球团结构疏松化，从而引发了球团强度的劣化和数据的不稳定性。

3.2 拉伸强度与粘结行为

拉伸试验结果证实，还原过程中球团接触面发生了明显的粘结（结块）现象。

分析表明，粘结强度受多种还原条件的显著影响，包括球团的化学组成、反应温度以及气氛环境等。

本试验成功实现了对还原过程中粘结强度的直接定量测定。这一关键数据为评估球团的力学性能提供了直接依据，以便于将球团还原粘结强度与转鼓指数（DI）等工业实用强度指标进行关联分析成为可能，从而构建了更全面的评价体系。

4 结论

本研究通过高温压缩与拉伸试验，系统阐明了氢还原过程中球团的粉化与粘结机理。结果表明，球团压缩强度随还原率呈非线性变化，其强度数据离散度受内部裂纹、金属铁生成及孔隙率演变的共同影响；同时实现了球团还原粘结强度的测定，证实了化学组成与温度对粘结行为的关键作用。研究成果为理解球团内部反应进程、优化氢冶金工艺提供了重要的力学依据。