1 前言
使用氢气制备还原铁的工艺仍存在诸多技术难题，铁矿石球团还原过程中粉化加剧便是核心问题之一。此前研究表明，碱性球团氢还原时，会生成微细粉末与中间粒度颗粒，进而引发粉化，金属铁相的生成会诱发微裂纹（产生细粉）与宏观裂纹（产生中间粒度颗粒），其粉化机理与传统高炉体系存在显著差异。本研究使用多种理化特性不同的球团开展还原粉化试验，探究球团初始物性对还原粉化行为的影响规律。
2 试验方法
试验原料采用工业生产的三种球团（表1）：球团A、球团B粒径范围位于9.5-11.1mm，球团C粒径范围位于11.1-13.2mm。每种球团取约100颗，分3-4批次进行X射线CT扫描，统计内部存在缺陷的球团数量，除以总观测数量得到初始缺陷率。称取100±1g球团装入带孔坩埚，置于试验装置内。先通入氮气气氛，将试样分别升温至550℃、650℃，随后切换还原气体（90%H2+10%N2），气体流速6.99cm/s，最长还原时长60min。根据还原前后试样质量变化计算还原度。还原粉化指数（RDI）依据日本工业标准JIS-M8720滚筒转鼓试验测定：转速30r/min、转鼓时长300min，以2.8mm筛下粉末质量占比作为RDI指标。还原后粉末过筛分级，得到粒度分布；借助光学显微镜、扫描电镜（SEM）观测断面组织，采用X射线衍射（XRD）开展物相鉴定。同步辐射光源SPring-8的BL28B2光束线、X射线CT设备（管电压150kV、管电流40μA）用于扫描还原前后球团，解析内部裂纹与气孔结构。
3 结果与讨论
图1为550 ℃还原、转鼓试验后三种球团的粒度分布，数据为多次试验平均值，括号内为还原度波动范围。所有球团粉化均由两类颗粒生成导致：粒径0.25mm以下细粉、2.8-8.0mm中间颗粒。即便还原度相近（球团A为25%±2%、球团C为22%±1%），二者细粉产生量差异显著；球团B还原度为29%±2%，细粉产出量最高。
图2为550℃条件下，球团RDI随还原度的变化曲线。所有球团还原度超过11%后，RDI持续上升，说明无论球团种类，金属铁相生成均会加剧粉化。球团A、球团B的RDI值变化趋势相近，最大值约15%；球团C随着还原进行RDI仅小幅上升，峰值仅5%左右，抗粉化性能更优。SEM观测结果显示：相较于球团A和球团B，球团C表层微裂纹密度更低。由此推断，球团物性差异会改变微裂纹生成难易程度，直接影响细粉生成量。
图3为650℃还原30min后球团A（还原度39.4%）、球团C（还原度34.6%）的CT扫描图像。白色箭头标注还原过程新生宏观裂纹，红色箭头标注原生初始缺陷经还原扩张形成的宏观裂纹。与此前球团B试验结论一致，球团A、球团C的宏观裂纹均从球团表面向内部芯部延伸。两类裂纹起裂机制存在区别，球团A：裂纹由表面凹陷处起始扩展。该位置因金属铁相析出产生收缩应力分布不均，应力集中诱发开裂；球团C：部分宏观裂纹以表层原生初始缺陷为起裂点，缺陷处易积聚还原产生的收缩应力。
球团初始外形、内部原生缺陷会大幅改变宏观裂纹的萌生位置与开裂倾向。尤其球团C中，大量宏观裂纹与初始缺陷相互连通，证明初始缺陷占比越高，越易生成中间粒度颗粒。
4 结论
球团的氢还原粉化主要由粒径0.25mm以下的细粉和2.8-8.0mm的中间粒度颗粒构成。金属铁相的生成是加剧粉化的关键因素。所有类型球团的RDI随着还原度增加均呈持续上升趋势。
宏观裂纹主要起裂于球团表面并向内部芯部延伸，其萌生位置受初始外形与内部缺陷控制。裂纹产生源于还原收缩引起的应力集中，具体表现为由表面凹陷处起裂或由表层原生缺陷扩展形成。初始缺陷占比越高的球团，裂纹越易与缺陷连通并扩展，从而导致更多中间粒度颗粒的生成。
