氢富集高炉球团矿还原行为与动力学机制：迈向低碳炼铁的关键路径

为应对高炉炼铁过程中的高碳排放问题，研究人员系统研究了传统高炉与氢富集高炉中氧化球团的还原行为差异，重点关注低温还原粉化指数(RDI+3.15)、还原膨胀指数(RSImax/RSI60min)和还原度(RI)。结果表明，当H2含量提升至30%时，RI显著提高至98.64%，揭示了氢在Fe2O3→Fe3O4→FexO阶段的高效扩散机制，为氢冶金技术提供了理论支撑。

　　

在全球碳中和背景下，钢铁行业作为碳排放"大户"正面临严峻挑战。中国作为世界最大粗钢生产国，高炉-转炉长流程工艺贡献了全国12.21%的CO₂排放量，其中90%来自高炉炼铁环节。尽管氢能冶金被视为突破性解决方案，但关于氢富集高炉中球团矿还原行为的系统性研究仍属空白。

来自国内研究机构的研究人员在《Powder Technology》发表的研究，首次对比了传统CO还原与氢富集条件下氧化球团的动态演变规律。通过调控还原气体中H₂比例（0-30%），结合RDI、RSI和RI多指标评价体系，同步采用Jander和Ginstling-Brounstein三维扩散模型解析动力学机制。研究特别关注750-950°C温度区间内孔隙演变与晶界转变的关联性，揭示了氢分子尺寸效应对还原过程的独特影响。

关键技术方法
实验选用TFe含量65.11%的典型酸性氧化球团，通过模拟高炉各区域温度梯度，采用等体积替换法调控H₂/CO比例。结合X射线衍射追踪Fe₂O₃→Fe₃O₄→Fe_xO→Fe相变路径，利用扫描电镜定量分析孔隙率变化，建立还原动力学方程。

主要研究结果

1. 低温还原粉化行为：当H₂含量增至20%时，RDI_+3.15从97.98%降至94.84%，归因于赤铁矿→磁铁矿相变引发的晶格畸变加剧。
2. 还原膨胀特性：30%H₂条件下RSI_max降低1.49个百分点，早期孔隙发育促进气体扩散但抑制过度膨胀。
3. 还原动力学差异：CO气氛符合Jander模型，氢富集环境更符合Ginstling-Brounstein模型，证实H₂在小尺寸致密铁层中的穿透优势。

结论与意义
该研究阐明了氢富集高炉中"窄区间快速还原"的新机制：在Fe₂O₃→Fe_xO阶段，H₂的高扩散性促使还原反应温度窗口收窄；而在Fe_xO→Fe阶段，其2.7?分子直径可穿透传统CO难以逾越的铁层障碍。Wenzhuo Ma等通过多尺度表征证实，氢冶金可使球团矿还原度提升63.7%，为实现中国钢铁业年减排2.26亿吨CO₂的目标提供了关键技术参数。这些发现不仅解释了宝武集团氢循环高炉的工业化成功案例，更为全球高炉氢能改造奠定了理论基础。