1 前言

在电炉精炼中，为了从氢直接还原铁（H-DRI）冶炼获得洁净钢，将直接还原铁中的杂质分离至关重要。本研究旨在明确电炉使用H-DRI时适合制造高品质钢的DRI条件，并调查还原条件与DRI内还原铁及氧化物赋存状态和组成的关系。

2 试验方法

本研究使用了三种碱度不同的铁矿石球团作为试样。球团中含有合计约3-6wt%的SiO₂和CaO，碱度（C/S比）分别为1.12（球团A）、0.96（球团B）和0.05（球团C）。所有球团的铁品位约为66wt%，呈直径约15mm的球形，重量约为5g。

还原试验使用设置在热天平上、内径为30mm的反应管，在H₂-9%N₂混合气体（H₂流量：500cm³/min）气氛下进行。反应温度设为700℃、800℃、950℃三个阶梯，将均热带分别保持在各温度后，导入球团进行还原反应。反应过程中，通过热天平连续测定试样的重量变化，当重量变化基本恒定时取出试样，并在水中急冷。使用SEM-EDX或EPMA对球团截面进行金属相和氧化物相的组成分析。

还原的进行程度根据试样重量率的变化导出。此时，还原率R定义为R=mr/mi×100（%）。其中，mr和mi分别代表通过还原去除的氧气质量（g）和还原前与铁结合的氧气质量（g）。

3 结果与讨论

在700-950℃、H₂流量=500cm³/min的条件下对球团A进行了还原。得到的还原曲线如图1所示。温度越高，初始还原速度越快。随着还原的进行，在800℃时还原顺利进行，而在700℃和950℃时，从还原率（R）≈90%左右开始还原速度下降。从还原进行的特点可以推断，800℃时主要是气体边界膜内扩散控制，700℃和950℃时主要是气孔内扩散控制。推测在700℃和950℃时，随着还原进行，气孔内扩散变得困难，导致还原速度下降，因此观察了还原后试样中组织的赋存状态。

图2展示了在700-950℃还原后球团的SEM。其中，白色、浅灰色、深灰色和黑色区域分别代表金属铁、FeO、氧化物相及空隙。在700℃时，可以清晰地确认FeO的残留，而在800℃和950℃时，还原进行得更充分，仅存在有限的细微FeO。此外，与700℃和800℃相比，950℃时金属铁晶粒内的细微气孔较少。另外，在高温下还原时，由于还原生成铁，金属组织会粗大化。致使950℃时气孔减少，气孔内扩散受到抑制，这被认为是导致图1中还原进程在最终阶段速度下降的原因。在700℃的情况下，虽然未观察到细微气孔减少，但由于温度低于800℃，有效扩散系数降低，导致气孔内气体扩散受到抑制，还原速度下降。在所进行的三个试验条件中，800℃是最适合还原的温度。

同样对球团B和球团C在800℃下进行了还原试验。图3展示了还原率达到97%的试样截面。白色和黑色部分分别代表铁相和孔隙。此外，FeO用粉色表示，其他氧化物用绿色表示。与球团A在800℃还原得到的组织（图2）相比，球团B的铁相中含有许多细微孔隙，而碱性球团C的孔隙较少。关于氧化物，碱性球团A和B之间的差异较小。在球团C中，可以观察到超过10μm的粗大氧化物，但细微氧化物的数量也比球团A和B多。

球团A和B中的氧化物主要由CaO-SiO₂系的高熔点氧化物构成。球团C主要是SiO₂-FeO系的氧化物。在电炉冶炼时，微细的固体氧化物难以浮起分离，可能会残留在铁中成为夹杂物。球团C中生成的2FeO·SiO₂熔点较低，但随着还原进行，会生成高熔点的SiO₂。因此，当还原不充分的球团C被熔融时，2FeO·SiO₂会残留，将促进液态氧化物的聚集和浮起分离。

4 结语

研究表明，800℃为铁矿石球团适宜的还原温度。碱性球团（A、B）相较于非碱性球团C，生成的氧化物熔点更高，且分布更均匀。为在电炉精炼中有效分离氧化物夹杂，应优先选择适宜碱度的球团并在最佳温度下进行氢还原。