1 前言

为实现钢铁行业减碳，铁矿石的氢直接还原工艺备受关注。现有直接还原工艺多采用高品位铁矿石球团，但未来面临供应不足的隐忧，因此有必要开发适用于低品位铁矿石球团的氢还原工艺。本研究采用H₂-（CO-CO₂）-N₂混合气体，对三种成分不同的低品位铁矿石球团进行还原试验，评价其还原速率并分析还原机理。

2 分析方法

试验样品为产地不同的三种低品位铁矿石球团（成分见表1）。还原试验采用热天平炉，选取平均粒径约为12.5mm和13.8mm、质量约为3.4-4.7g的近球形颗粒。将样品悬挂于热天平炉上部动应变计上，实时测量还原过程中的质量变化。通入N₂（0.1L/ min，标准状态），以10K/min升温至1073K后，切换为还原气体（4.0L/min，标准状态，成分见表2），恒温还原120min。还原结束后，将样品树脂包埋，沿中心切割、研磨，利用光学显微镜观察断面组织。

3 试验结果与分析

以样品质量变化与可还原氧量（由总铁T.Fe及FeO含量计算）之比计算还原率。在H₂-N₂还原条件下，球团A、球团B、球团C的还原率随时间变化如图1所示。还原40min时，各球团还原率均接近1.0。相同粒径下，还原速率依次为球团B＞球团C＞球团A，表明FeO含量越高，还原速率越低；同种球团中，粒径13.8mm的球团还原速率更小，且球团A、球团B的最终还原率均未达到1.0。

断面组织观察显示，粒径12.5mm的球团中心附近主要成分为Fe₂O₃，还原后内部呈多孔结构，表明还原已深入球团内部；而粒径13.8mm的球团中心部位则存在致密的未还原氧化铁组织。

进一步对球团A进行径向图像分析，还原前Fe₃O₄偏聚于中心向外2-3mm区域（占比70%-80%），还原后未还原组织偏聚于中心向外3-4mm范围，两者分布基本吻合。相关研究表明，以磁铁矿为主的球团在还原至方铁矿时，球团内部不会形成气孔而保持致密组织，因此还原会停滞而无法还原至Fe。可以推断，未还原的致密氧化铁源于焙烧时偏聚于球团中心的磁铁矿。此外，有研究指出，较大粒径球团在焙烧过程中中心部位氧分压较低，有利于磁铁矿的形成。

据此，粒径13.8mm的低品位铁矿石球团还原行为可归纳如下（图2）。焙烧后球团中心残留高比例Fe₃O₄组织；表面附近Fe₂O₃颗粒因Fe₂O₃→Fe₃O₄还原伴随的晶体结构变化而发生多孔化，中心附近Fe₃O₄颗粒则保持致密状态。多孔化结构使得颗粒内部可扩散还原气体，继续还原至金属铁；而致密Fe₃O₄颗粒使得Fe_1-yO→Fe还原过程发生停滞，导致最终还原率降低。

4 结语

在1073K条件下，使用H₂-N₂混合气体对三种低品位铁矿石球团进行还原试验，结果表明，球团中FeO含量越高、粒径越大，还原速率越低；粒径13.8mm的球团最终还原率未达到1.0。其机理在于焙烧后球团中心残留高比例Fe₃O₄组织，表层Fe₂O₃因还原过程发生多孔化而可迅速还原至金属铁，但中心致密Fe₃O₄颗粒的Fe_1-yO→Fe还原过程停滞，最终导致还原率降低。