钢铁行业对大幅减少二氧化碳排放提出了强烈要求。尤其是炼铁过程中的CO₂排放量巨大，因此采取相应对策已成为一项紧迫课题。目前已有许多关于减少高炉（BF）二氧化碳排放的报道。通过缩短氧化铁与碳质颗粒之间的距离来降低高炉内储热区的温度，可能是其中一种有效的方法。将铁矿石与焦炭混合装入高炉，以及使用高反应性焦炭和铁矿石-碳复合材料，已引起广泛关注。从高炉条件下的还原与熔融行为角度出发，针对含氧化铁和碳材的复合材料的还原行为已进行了若干研究。然而，这些方法所能实现的CO₂减排量有限，减排率不足10%，尚不能满足需求。

大量利用氢气作为还原气体是另一种极具前景的减少二氧化碳排放的方法。当还原气体中的氢气浓度升高时，含铁炉料的还原行为会与传统条件下的情况有所不同，因为氢气的还原速率比一氧化碳（CO）气体更快。此外，由于氢气对铁橄榄石的还原是一个吸热反应，因此高炉内的温度分布也将发生显著变化。氢气浓度的升高会导致高炉炉身区域的温度下降，并使得低温炉身区域的范围扩大。因此，在高氢浓度条件下，要求铁矿石炉料在较低温度下具有更高还原性。

烧结矿、球团矿和块矿是高炉典型的炉料，其中烧结矿在东亚国家使用尤为普遍。烧结矿的主要矿物相包括原生和次生赤铁矿、磁铁矿、多组分铁酸钙以及渣相。根据共存相的不同，多组分铁酸钙可以分为四种类型，分别为：1H-ACF、2H-CF、M-FCF和M-CCF。1H-ACF是指粒度小于10μm的针状铁酸钙，与原生赤铁矿共存；2H-CF是指与次生赤铁矿共存的柱状铁酸钙；M-FCF和M-CCF分别是指与磁铁矿共存的细粒和粗粒铁酸钙相。当氢气浓度升高时，会导致高炉炉身区域赤铁矿、1H-ACF和2H-CF的还原反应增强。

此外，低温还原会加剧烧结矿的粉化。一般认为，烧结矿的还原性越高，其粉化性就越差。这些结论主要是基于在高炉中使用一氧化碳作为还原剂对烧结矿进行还原的研究结果。而高炉内氢气浓度的升高也会加剧烧结矿的粉化，这是因为烧结矿的还原加快。烧结矿粉化的主要原因是在还原过程中（从赤铁矿还原为磁铁矿时）发生了体积膨胀。特别是次生赤铁矿对烧结矿的粉化（或称碎裂/分解）影响很大，尽管次生赤铁矿本身具有较高的还原性。这些结果表明，在高炉的高氢浓度条件下，要同时实现烧结矿具有较高的还原性和较低的还原粉化性是非常困难的。

澳大利亚矿石中诸如Al₂O₃和SiO₂等脉石含量的升高将不可避免。因此，预计将增加粉矿经选矿所得精矿的利用量。在烧结原料中，如精矿等粉矿配比的增加，会导致烧结料层的透气性下降，从而降低烧结生产率。为了保持烧结料层的气道畅通，提出了“嵌入式烧结法”（简称MEBIOS工艺）的概念。在该工艺中，将粒度10-15mm的预制粒生球（GP）散布于烧结料层中。生球的表面起到类似“墙壁”的作用，有助于促进气体在烧结料层中的流通。

本研究聚焦由使用粉矿和烧结原料制成的生球所构成的MEBIOS烧结料层结构，如图1所示。在烧结过程中，通过降低生球中的CaO含量，可以保持生球的形状，因此它除了能够保持料层的透气性外，还具有防止烧结料层收缩的功能。而通过提高CaO含量，可以促使周围原料熔融，这使得生球被视为生成针状铁酸钙（1H-ACF）的起始点。生球的粒度以及焦粉用量，可能会影响烧结矿成品的显微结构和所形成的矿物相。然而，目前尚未查到有关MEBIOS烧结矿在这方面的相关研究报告。

尽管已有研究报道了MEBIOS烧结矿在一氧化碳气体还原条件下的还原性，但目前尚未有关于MEBIOS烧结矿的矿物结构及其在含有大量氢气的还原气体条件下还原性的研究报道。在本研究中，利用实验室规模的小型烧结炉和试验高炉，研究了生球粒度和焦粉配比对MEBIOS烧结矿的显微结构以及其在N₂-CO-CO₂-H₂-H₂O气体体系中还原性的影响。

2.1 烧结杯的生产与评价

使用烧结杯制备MEBIOS烧结矿样品。试验所用原料包括两种铁矿石、生石灰、石灰石、硅砂、返矿和焦粉，其化学成分列于表1中。各原料的配比及其实际粒度列于表2。按照该配比设计的烧结矿成品的化学成分为：10%CaO-4.6%SiO₂-1.4%Al₂O₃-0.5%MgO。焦粉配比设定为4.5%、4.7%和5.0%。GP的粒度分别设为5-8 mm、8-10mm和10-15mm，GP的碱度（CaO/SiO₂）为2.0，GP与外裹原料之比设定为30%。为了比较，还制备了与MEBIOS烧结矿具有相同成分的均匀制粒（UG）样品，UG样品的焦粉配比为4.7%。此外，还制备了具有日本钢铁厂典型化学成分的标准烧结矿（STD）样品，其化学成分列于表3。

图2示出了原料造球工艺流程。首先将原料放入搅拌混合机中充分混匀，随后使用圆盘造球机并加水6%制成GP。外裹原料的处理流程为：先使用混凝土搅拌机以20r/min的转速搅拌混合180s，再送入圆筒混合机以7.5r/min的转速滚动造球360s。然后，将GP按照3：7的重量配比加入圆筒混合机内的外裹原料中，继续以7.5r/min的转速混合30s。最终，将GP与外裹原料的混合料装入烧结杯，制备烧结矿样品。

对烧结矿样品的JIS-RI（还原性指数）、JIS-RDI（还原粉化指数）和JIS-TI值分别依据JIS-8713、JIS-8720和JIS-M8712标准进行评估。采用X射线衍射（XRD）内部标准方法测定烧结矿中赤铁矿与磁铁矿的矿物相比例，使用氟化钠（NaF）试剂作为标准物质。铁酸钙与渣相的比例则通过对若干烧结颗粒中生球与基体区域（使用50倍物镜拍摄）获得的20多张显微结构图像进行图像分析得出。此外，采用BET法测定烧结矿样品的比表面积。

2.2 烧结矿样品还原试验

将重量约100g粒度为6.7-9.5mm的烧结矿样品装入一个内径为53mm的坩埚内，该坩埚底部设有多个小孔，便于还原气体穿过。坩埚底部填充有直径为10mm的氧化铝球。然后，将坩埚置于炉内，并在氮气流量为13.1NL/min的条件下预热至200℃。之后，以相同流量向炉腔充入还原气体，并以10℃/min的升温速率将样品加热至700℃。接着，再以4℃/min的升温速率将样品加热至1000℃。试验中使用了两种不同成分的还原气体：低浓度H₂（N₂-48%（CO+CO₂）-5.8%（H₂+H₂O））和高浓度H₂（N₂-48%（CO+CO₂）-13%（H₂+H₂O））。CO/CO₂和H₂/H₂O的比例随温度升高而发生改变，以此模拟高炉内的还原气体成分。测量还原过程中烧结矿样品的重量变化，以计算其还原率。还原率是根据加热过程中烧结矿样品的净重变化，按照下式计算得出。

还原率=（∆W₁+∆W₂+）/W₃₊×100 （1）

式中，ΔW₁表示样品的净重变化；ΔW₂₊是假设原烧结矿中的Fe²⁺全部被氧化为Fe³⁺时所引起的重量变化；W₃₊则是当所有氧化铁均以Fe³⁺形式存在时，烧结矿中所含氧元素的重量。净重变化是通过样品与空白试验之间的重量差计算得出的。空白试验是在仅装有氧化铝球的MgO坩埚内，采用与样品相同的还原气体和加热条件进行的。

2.3 试验高炉的料篮装料

将STD和MP47M（4.7%焦炭，GP：8-10mm）的样品（粒度为10-25mm）装入直径为60mm、长度为150mm的篮子内，并将这些篮子装入试验高炉内，并处于烧结矿层和焦炭层之间。篮子内放置了两个由氧化物制成的温度传感器（L和L1），L和L1传感器的可测温度范围分别为1050-1300℃和800-1150℃。在高炉停炉前4h30min开始向篮子装料。高炉停炉后，吹入氮气对炉体进行冷却。冷却后从炉内取出样品。

试验高炉从风口算起的高度为6.5m，最大直径和顶部直径分别为1.6m和1.0m。进行篮子装料时的操作条件如下：鼓风气体流量为1013Nm³/h，鼓风温度为1080℃，喷煤比（PCI）为150kg/t生铁，焦比为390kg/t生铁，焦炉煤气（COG）用量为95Nm³/t生铁，富氧率为15.6%，产量为34t/d，焦炉煤气中的氢气浓度为50%-55%。

收集篮子后，对样品进行了粒度分布测定。利用该粒度分布，计算了粒度小于2.8mm样品的粉化率。还原率由总Fe含量和Fe³⁺含量来评估，并利用光学显微镜观察样品的显微结构。

3.1 烧结矿的显微结构和强度

9种烧结矿样品的外观形貌显示，增大生球粒度并降低焦粉配比会导致未熔化棕色颗粒数量增加。特别是在使用粒度为10-15mm的生球样品中，观察到许多裸露的生球。这表明生球与周围材料之间未能有效连接，说明样品的强度较低。表4显示，UG样品的转鼓强度（TI）值为65.2%。TI值随生球粒度的增大而降低，这一结果与外观形貌观察的结果一致。TI值随焦粉配比降低而升高。在使用粒度小于10mm且焦粉配比低于4.7%的样品中，其TI值高于UG样品。此外，使用大粒度生球（L）的样品TI值则低于UG样品。在本研究中，没有向生球中添加焦粉。这意味着由于生球内部烧结不充分，导致生球强度较低。

MP47M样品的横截面图显示，生球内部可观察到粒核。其余区域为由外裹原料构成的基体。由于这些原料相互反应，因此生球与基体之间的界面并不清晰。基体中可见粒度为数毫米的大孔，这些孔隙有可能成为破碎的起因，而生球内部几乎没有大孔。

9个烧结样品中生球与基体的矿物相比例采用2.1节所述方法计算得到。在生球中检测到赤铁矿、1H-ACF、2H-CF、磁铁矿及少量渣相。其中，赤铁矿、1H-ACF和2H-CF属于在高氢浓度条件下促进还原的矿物相（还原加速相比例，RAPR），其比例较高。在基体中，磁铁矿、M-CCF、M-FCF等被归类为“不促进还原”的矿物相。原因在于原料里面包裹焦粉，导致原料的最高温度高于生球内部的最高温度。随着焦粉配比增加，磁铁矿的矿物相比例也随之升高。根据原料配比3：7（生球与基体的比例）计算得出的矿物相比例总和结果显示，UG样品中磁铁矿的矿物相比例高于MP样品，而其铁酸钙相的比例则低于MP样品。在MP样品中，磁铁矿的比例低于UG样品，而还原加速相比例（RAPR）则高于UG样品。特别是当焦粉配比为4.7%时，RAPR达到最高值。

3.2 烧结矿的还原性

JIS-RI值随生球的平均粒度和焦粉配比的变化情况表明，在焦粉配比为4.7%、生球粒度为M的情况下，JIS-RI值较高；而UG的JIS-RI值最低。众所周知，传统烧结矿含有30%-40%磁铁矿，磁铁矿含量的升高会导致还原性降低。在本研究中，UG的磁铁矿含量最高，所以UG的JIS-RI值最低。

在本研究的焦粉配比范围内，尽管焦粉配比对JIS-RDI值的影响取决于生球的平均粒度，但生球的平均粒度对JIS-RDI值的影响大于焦粉配比对JIS-RDI值的影响。使用小粒度生球制备的MP-S样品的JIS-RDI值高于UG样品。MP-S样品的磁铁矿含量低于UG样品，而MP-S样品的2H-CF含量则高于UG样品。因此，可以预计次生赤铁矿的生成量更大，这似乎是MP-S样品JIS-RDI值较高的原因。对于使用中等粒度生球制备的MP-M样品，其JIS-RDI值随焦粉配比的增加而升高。MP50M样品中磁铁矿、M-FCF和M-CCF等矿物相的比例高于其他MP-M样品，而这些矿物相能够迟滞还原粉化行为。然而，如前所述，增加焦粉配比使样品温度升高，从而导致次生赤铁矿的生成量增加。这可能是焦粉配比对MP-M样品RDI值产生影响所致。而对于MP-L样品，其RDI值与焦粉配比的关系不大。

对比本研究中样品的JIS-RDI值随JIS-RI值的变化情况，以及与日本实际钢铁厂生产的烧结矿（实际烧结矿），可以看出，实际烧结矿的JIS-RDI值随JIS-RI值的提高而呈现上升趋势。UG的值也位于该趋势区域内。对于MP样品而言，JIS-RDI值随JIS-RI值的提高而下降。这种趋势与传统烧结矿不一致，可能是由于添加了生球所致，因为生球的加入改变了矿物相的比例。这表明，通过优化烧结料层中生球的排列方式，可生产出既具有较高还原性、又具有较低还原粉化率的烧结矿。

研究各种烧结矿样品（如UG、MP47M和8种实际烧结矿）的比表面积（SSA）。MP47M样品的SSA测量是在将其破碎至几毫米后，通过目视分拣将生球与基体分离后进行的。UG和MP47M中基体的SSA与实际烧结矿的数值相近。然而，MP47M中生球的SSA是其他样品的两倍，因为生球中含有许多细小的孔隙。可以预期，由于生球中的主要矿物相为赤铁矿和1H-ACF，因此生成的次生赤铁矿数量较少。这是实现更高RI和更低RDI的关键点。

在高氢浓度条件下MP47M和UG样品的还原率随温度变化，在1000℃下，MP47M在MP样品中的还原率最高。各样品的初始还原率不同，是因为该数值是由式（1）计算得出的。所有样品的还原率均随温度升高而提高。不过，在600℃以上时，MP47M的还原速率高于UG，且在1000℃下的还原速率也更高。

为了探讨还原速率的差异，不仅对MP47M进行了还原试验，而且还单独对生球和基体部分开展了还原试验。MP47M中生球的初始还原速率最低，原因是生球中Fe²⁺的比例较低。然而，生球的还原速率却最高——这是因为生球的主要矿物相为赤铁矿，且生球具有较大的SSA。与MP47M的还原率相比，MP47M中基体部分在800℃和1000℃下的还原率更低。

还原率计算基于生球和基体在各自温度下的值，按3：7的比例求和得出的。对比MP47M样品的计算还原率与实测还原率随温度的变化情况发现，计算结果与实测结果基本吻合，这意味着可根据生球与基体的配比来估算还原率。

探究了1000℃、低氢和高氢浓度条件下生球的平均粒度和焦粉配比对还原率的影响。在所有样品中，高氢浓度条件下的还原率均高于低氢浓度条件。一些MP样品的还原率低于UG样品。在所有样品中，MP47L样品的还原率最高。然而，该样品在试验前被破碎至6.7-9.5mm的粒度，而生球的平均粒度为10-15mm。因此，样品表面的快速升温反应区（RAPR）受到了影响。对于其他样品，如MP47M，其生球表面被基体所覆盖，所以MP47L的还原率较高。可以得出结论：MP47M为最佳条件。

据报道，在1000℃、高氢和低氢浓度条件下的还原率差异与RARP呈比例关系。在本研究中，RAPR值包含了渣相的比例，而先前的报告中并未包括渣相。对于UG和几种MP样品，其RAPR值与先前研究的趋势线一致。然而，大多数MP样品则呈现出不同的趋势。造成这一现象的原因可能是烧结矿中存在生球，因为生球与烧结矿具有不同的孔隙结构。烧结矿拥有大量尺寸各异的孔隙，从几毫米到微米级不等；而生球的孔隙尺寸则较为均匀一致。孔隙结构对还原行为有很大影响。

3.3 试验高炉的料篮装料方式

使用篮子将MP47M和STD样品装入试验高炉内。从同一高度（距离风口2.8m）回收的还原后MP47M和STD样品的显微结构结果显示，在MP47M和STD的生球及基体表面均形成了金属铁，其显微结构几乎相似。然而，在MP47M颗粒基体的中心部位，没有形成金属铁，而生球中有少量金属铁形成。生球中形成的金属铁量少于STD。大多数MP47M样品位于比STD更靠高炉外侧的位置。由于高炉外侧的温度低于中心区域，因此MP47M样品的最高温度有可能与STD不同。利用传感器测得的最高温度下的样品还原率变化情况显示，MP47M和STD的还原率均随温度升高而提高。在某一特定温度下，这些数值迅速上升，随后还原反应结束。MP47M的这一温度比STD低50℃，表明MP47M样品具有较高的还原性。

粒度小于2.8mm样品的粉化率随回收样品还原率的变化情况显示，当还原率低于60%时，两个样品之间没有显著差异。这意味着两者的还原粉化行为相似；然而，由于该试验高炉的运行条件中氢气浓度高于传统高炉，氢气浓度升高会加速高炉内的粉化。当还原率高于60%时，粉化率随还原率的升高而上升。然而，在此还原率范围内，由于当温度升高至超过1200℃时，被还原的烧结矿部分熔融。因此，粉化率的这种上升并不明显。

本文将MEBIOS烧结工艺的原理应用于制备在高氢气浓度的还原性气体条件下具有高还原性的烧结矿样品。对烧结矿样品的性能指标如TI、RI和RDI等进行了检测。此外，还对选定的烧结矿样品在试验高炉内进行吊篮装料试验时的还原性和粉化行为进行了研究。

1）在制备MEBIOS烧结矿过程中，当焦粉配比减小时，由于生球的烧结不充分，造成烧结矿样品的强度下降。若焦粉配比过高，则会抑制针状铁酸钙与原生赤铁矿（1H-ACF）的生成，有助于在高氢气浓度的气体条件下促进还原。

2）MEBIOS烧结矿中的生球由原生赤铁矿和1H-ACF组成，这些矿物相能够促进还原。而基体则由含次生赤铁矿的铁酸钙、磁铁矿以及细粒和柱状结构的含磁铁矿的铁酸钙组成。

3）MEBIOS烧结矿中促进还原的矿物相比例（RAPR）高于采用均匀造球法生产的烧结矿，这是因为在MEBIOS烧结矿中有30%的原料是生球。RAPR随生球粒度的减小而会增大，这是因为生球与基体之间的界面面积增大。从这个比例的角度来看，存在一个焦粉配比的最佳值。

4）MEBIOS烧结矿的JIS-RDI随JIS-RI的提高而降低，这与传统烧结矿的变化趋势相反。RAPR与在还原气体中高氢、低氢浓度下MEBIOS烧结矿的还原性差异之间不存在比例关系。

5）MEBIOS烧结矿中的生球部分具有较高的还原性，这正是MEBIOS烧结矿具有高还原性的原因。通过在试验高炉内进行的吊篮装料试验确认，MEBIOS烧结矿的还原性高于传统烧结矿，两者的粉化行为则相似。