白垩纪铁矿石孔隙结构的低场核磁共振表征及其在鼓风炉热流优化中的应用

本研究针对尼日利亚东部达荷美盆地Yewa白垩纪铁矿石的孔隙结构特性，采用低场核磁共振(NMR)与水浸孔隙度(WIP)技术，系统分析了18个样本的孔隙分布与连通性。研究发现铁矿石平均含铁量达55%，孔隙度22.06 p.u.，且NMR-T2谱显示微孔(0.3162-0.5012 ms)、中孔(19.95-84.28 ms)和大孔(199.5-2117 ms)的三峰分布，证实了高度连通的孔隙网络。该成果为优化鼓风炉/回转窑的热流分布与能耗效率提供了关键数据支撑。

　　

铁矿石作为钢铁工业的核心原料，其孔隙结构直接影响鼓风炉的还原效率与能耗。然而，传统技术难以精准表征铁矿石的微观孔隙特征，尤其在非洲地区缺乏系统性研究。尼日利亚Yewa地区的白垩纪铁矿石虽已用于水泥添加剂，但其在高温冶金过程中的热流响应机制尚不明确。

为解决这一问题，尼日利亚拉各斯大学（University of Lagos, Nigeria）物理系的研究团队联合国际专家，采用低场核磁共振(NMR)与水浸孔隙度(WIP)技术，对18个铁矿石样本展开多尺度分析。研究发现，这些矿石具有独特的孔隙分级结构：通过CPMG脉冲序列获得的NMR-T₂谱显示，微孔(0.3-0.5 μm)、中孔(33.6 μm)和大孔(733.3 μm)形成连续的三峰分布，且孔隙连通性高达97%。该成果发表于《Geomorphology》，为热带地区铁矿石的工业应用提供了首个定量孔隙模型。

研究采用三大关键技术：1) X射线荧光光谱(XRF)测定铁含量(55%均值)；2) 水浸法(WIP)测量体密度与骨架密度；3) 2D NMR校准(GeoSpec2仪器)结合表面弛豫率(ρ_sr=338 μm/s)计算孔径分布。样本来自尼日利亚奥贡州Eka社区的露天矿层，经真空干燥与去离子水饱和处理以消除铁离子干扰。

孔隙类型与分布

NMR-T₂谱揭示所有样本均存在P₁(微孔)、P₂(中孔)、P₃(大孔)三峰结构，其中YE-01/03/05/08组呈现典型0.35-1778 ms弛豫时间跨度。值得注意的是，YE-17/18在中孔区出现双峰(14.13-63.10 ms)，反映局部矿物异质性。

孔隙度验证

WIP与NMR的孔隙度测量值高度吻合(R²=0.79)，平均孔隙度分别为21.96 p.u.和22.06 p.u.。水含量测量误差仅0.6 mL，证实NMR在含水介质中的精确性。

孔径计算

基于圆柱形孔隙模型，利用公式r_p=2ρ_srT₂推算的孔径对数均值显示：微孔(0.3098 μm)占孔隙总体积的12%，而大孔(733.3 μm)主导了气体扩散路径。

这项研究首次证实西非铁矿石的孔隙网络具备优异的传热与还原潜力。其22%的孔隙度与多级连通结构，可显著降低鼓风炉的焦炭消耗。未来研究可进一步探索孔隙-矿物耦合效应对烧结工艺的影响，为发展中国家低品位铁矿的高效利用提供范式。