1 前言
日本钢铁业CO2排放量占全国CO2排放量的14%之多。为了减排CO2，进行了提高高炉中氢的还原比率。有文献指出，高炉内气体的氢浓度升高会促进烧结矿的低温还原粉化。过去，对高氢浓度条件下烧结矿的还原粉化机制进行了许多研究。其中虽然有关于球团矿的氢还原粉化的研究，但对球团矿氢还原粉化的机制尚不明了。本文使用被还原性优良的碱性球团，调查了高氢高炉条件下碱性球团还原粉化对温度的依存性，基于调查结果提出了球团低温还原粉化的机制。
2 试验方法
将100±1g的碱性球团试料（Fe66.90%、SiO21.71%、CaO1.64%、直径9.5-11.1mm）装入底部开口的MgO坩埚。将坩埚装入球团还原试验装置内。在N2的流动下将试料升温到500-700℃后，切换为线速度6.99Ncm/s的还原气体，对试料开始还原。还原气体的组成是N2-20%CO-20%CO2（0%H2)和N2-12% CO-8%H2-x%CO2-y%H2O（8%H2)。x、y的设定应使试验温度下的水性气体变换反应达到平衡。最大还原时间是60min。根据还原前后球团重量变化计算出还原度。还原粉化指数（RDI）按照JIS-M8720求出（转鼓试验：30r/min、900转、根据2.8mm筛下重量率算出）。对得到的粉末进行筛分，获得粒度分布。利用光学显微镜和SEM进行球团试样断面组织观察，利用XRD对球团试样进行相鉴定。利用Spring-8射线BL28B2对还原前后球团进行CT摄影，检测球团内部的裂纹和气孔。
3 试验结果及分析
3.1 球团500℃的还原粉化行为
图1是球团RDI值随500℃还原度的变化。还原终了时，还原度为11%的RDI在0%H2和8%H2还原气氛下分别为11%和28%。这表明，还原气氛中添加H2，使RDI大幅增加。图2是粉化试验后试料的粒度分布。在上述两种还原气氛下，原始球团尺寸无大变化。球团分为8.0mm以上的中间粒子和0.5mm以下的微粉。这个结果不同于主要是体积破坏的烧结矿的粉化现象。可以认为，球团的粉化主要是粒子从球团表面剥离发生的粉化。此外，粉化球团产生了一部分2.8-8.0mm以下的粒子，0%H2气氛下该粒子的比率较大。可以认为，这些粒子起因于球团的体积破坏。求出每10min中断粉化试验的粒度分布的结果是，在粉化试验初期，生成了中间粒子，而微粉则是连续生成。特别是，8%H2气氛下粉化时间增大时，中间粒子减少。这说明中间粒子有助于微粉的产生。原因是，中间粒子产生增大了粒子的表面积，从而增大了中间粒子引起的微粉发生量。
对同一球团试料还原前后的CT图像进行比较确认，在0%H2气氛下还原的球团内产生很多的数毫米长的裂纹（宏观裂纹）。在8%H2气氛下还原的球团表面有许多数微米宽的裂纹（微观裂纹）。可以认为，这种微观裂纹促进了0.5mm以下微粉的产生，并增大了8%H2气氛下还原球团的RDI。此外，通过球团断面观察，对球团表面到中心的还原率分布调查结果表明，0%H2气氛下，球团发生局部化学反应的还原，8%H2气氛下，球团发生均匀的还原。
根据以上结果可知，在0%H2气氛下，球团发生局部化学反应的还原，还原反应界面的应力差变大，裂纹以强度小的部位为起点产生。8%H2气氛下，球团发生均匀的还原，所以球团内不易产生应力差，因此只有微观裂纹产生。此外在8%H2气氛还原的球团也有宏观裂纹，这种宏观裂纹是微观裂纹连结的结果。
3.2团粉化行为对温度的依存性
图3是600℃和700℃还原球团试料的还原率与RDI的关系。0%H2气氛还原球团的RDI波动大，但在0%H2气氛各温度下都发生球团的还原，使RDI增大。在同一还原率下，600℃0%H2气氛还原球团的RDI值小于500℃0%H2气氛还原球团的RDI值。但两者随还原率的变化趋势相同。700℃0%H2气氛还原球团的RDI值与700℃8%H2气氛还原球团的RDI值变化都呈直线形，说明氢添加对RDI增大的贡献度很小。
与500℃相比，在600℃还原下发生应力下降。因此，可认为与500℃还原相比，600℃0%H2、8%H2气氛还原使RDI的增大受到抑制。此外，在8%H2气氛还原时，由于还原温度升高，球团还原转变为局部化学反应的还原，导致宏观裂纹易于发生。但是，600℃还原球团的中间粒子表面微观裂纹少于500℃8%H2气氛还原的中间粒子表面微观裂纹，所以可以认为，虽然600℃还原球团的中间粒子多于500℃8%H2气氛还原的中间粒子，但600℃还原球团中间粒子促进微粉发生的效果小于500℃8%H2气氛还原的中间粒子。
700℃8%H2气氛还原后球团试样中的2.8-8.0mm粒子的比率大于其他温度还原后的球团试样。原因是，还原温度升高，不仅球团粉化产生微粉，而且发生体积破坏。因此，可以认为，700℃还原球团是以不同于低温区域还原机制，进行粉化。对同一球团试料还原前后的CT图像进行比较确认，700℃0%H2、8%H2还原球团试料中产生许多宏观裂纹，对粉化试验后的球团体积破坏产生影响。此外，还原温度越高，还原分布率越呈局部化学反应的趋势。
如上所述，在各个还原温度下，还原球团的微观裂纹都引起微粉产生，宏观裂纹都引起中间粒子产生。利用微粉和中间粒子的产生因子，可以阐明球团的还原粉化过程。
