基于X射线显微CT与CFD的铁矿石球团各向异性还原行为研究

为揭示铁矿石球团在氢气(H2)氛围中的复杂还原机制，上海大学团队通过中断还原实验结合X射线显微CT(micro-CT)与计算流体动力学(CFD)技术，构建真实三维球团模型，首次阐明球团形态与孔隙结构对H2扩散的异质性影响。研究发现1273?K高温下孔隙率提升38%，显著加速核心区还原，为工业级直接还原铁(DRI)工艺优化提供理论依据。

　　

钢铁工业作为全球制造业的基石，目前70%的产量仍依赖高碳排放的高炉-转炉(BF-BOF)工艺。随着碳中和目标的推进，以氢气(H₂)为还原剂的直接还原铁(DRI)技术成为转型关键。然而，作为DRI核心原料的铁矿石球团，其还原过程存在显著的空间异质性——传统研究将球团简化为均匀球体，忽略了真实形态与孔隙结构对气体扩散的复杂影响，导致模型预测与工业实践存在巨大偏差。

上海大学的研究团队在《Powder Technology》发表的最新工作中，创新性地采用"实验-成像-模拟"三位一体策略：通过分阶段中断还原实验捕获动态还原过程，利用X射线显微CT(micro-CT)解析孔隙演化规律，结合计算流体动力学(CFD)对真实三维重构球团模型进行数值模拟。关键技术包括：(1)从中国钢厂获取8-10mm球团样本进行分温区(973-1273?K)H₂还原实验；(2)采用micro-CT扫描获得亚微米级孔隙结构数据；(3)基于图像处理算法构建保留表面粗糙度的真实球团CFD模型。

【Materials preparation】
选用含赤铁矿(hematite)为主的工业球团，汞孔隙率测定显示初始孔隙率为18-23%，为后续异质性分析奠定物质基础。

【Model reconstruction & meshing】
通过micro-CT图像降采样、中值滤波去噪和阈值分割，重构出保留表面缺陷的三维球团模型，网格划分时采用边界层加密技术以捕捉表面气体边界层效应。

【Validation of the model】
模拟结果与实验数据高度吻合，1273?K时绝对误差低于5%。温度场分析显示球团外层在10秒内即完成H₂浓度均质化，而核心区需100秒，证实传统均匀模型存在严重局限性。

【Conclusions】
研究首次揭示温度对孔隙演变的阶段性影响：在α₂-α₃相变阶段，1273?K高温下新生孔隙使孔隙率激增38%，较973?K(8.45%)显著促进H₂扩散。微观尺度上，表面粗糙度会扰动气体流场，宏观上则形成由表及里的梯度还原模式。该成果为DRI反应器设计提供两点关键启示：(1)优化球团粒径分布可缓解"核心延迟效应"；(2)在α相变温区(约1200?K)强化供热能大幅提升还原效率。

这项由Dejin Qiu等学者完成的研究，通过多尺度表征与仿真技术的深度融合，建立了首个考虑真实几何特征的球团还原动力学模型。其价值不仅在于纠正了传统USCM(未反应核模型)的理论偏差，更重要的是为开发新一代低碳冶金工艺提供了精准的数字孪生工具。研究获得国家自然科学基金(51974182)等项目的支持，相关方法学框架可扩展至多颗粒系统模拟，对实现钢铁工业碳中和目标具有战略意义。