我国铁矿资源以贫矿为主,富矿极少,在打响资源攻坚战的今天,依靠进口铁矿石实非长久之计。低品位铁矿石开采多进行磨粉处理,铁精粉一般经烧结制成烧结矿或制球后氧化焙烧成球团矿。由于用铁精粉制备的烧结矿常具有强度差,FeO含量高,含粉率高,还原粉化严重,产量低等问题,故而铁矿粉不适合进行烧结生产;但球团矿具有固相固结,能耗小,粒度小而均匀,强度高,FeO含量低,适于长途运输,生产污染小等优势,因而铁矿粉更适于造球。在当代高炉生产中,球团因其诸多优势在高炉内用量逐渐加大。随着球团入炉比增加,高炉生产顺行面临新的挑战,也对提高球团矿的质量提出了更高的要求。至此,关于球团矿各项性能和品质的研究层出不穷,多的是从配矿和二维显微矿相角度对球团矿的性能和质量进行分析和研究,至于球团矿内部各种显微矿相的三维形貌和空间分布情况则无法得知。因此,本文就球团矿内部不同矿相组织的三维形貌、空间分布、各矿相组织的统计分析和显微力学性能及其对球团强度的影响开展了深入的研究,首次探明了球团内主要矿物的三维形貌和空间分布情况,从而为更好的研究球团矿的成矿机理和提高球团内部质量打下坚实的基础。首先,基于序列切片法和现代三维重建软件,本文分别对具有较大强度差异的两种普通球团矿内主要矿相的显微结构进行了三维重构。每种球团各选取样品的外部带、中间带和中心带三个区域进行三维重建,结果表明:氧化球团矿从外部带→中间带→中心带,赤铁矿的形态按照互连良好的块状赤铁矿→互连疏松的块状赤铁矿→互连较差的小颗粒赤铁矿顺序变化;磁铁矿形态按照小颗粒交织→网格状交织→层片状交织变化;硅酸盐则是外部带和中心带呈小颗粒状,中间带多呈大颗粒状。矿物的空间分布则规律为:从外部带到中心带赤铁矿由多变少,由致密到疏松;磁铁矿则由外部带到内部带逐渐增多,由小颗粒残存到块状互相连接;硅酸盐则是中间带分布较集中,外部带和中心带分布较少。同时,对比两种球团矿发现:1#球团三个环带区域内残存的磁铁矿明显比2#球团多,1#球团三个环带区域内赤铁矿互连较2#球团差;2#球团内赤铁矿颗粒尺寸较1#球团大,硅酸盐尺寸较1#球团小,磁铁矿尺寸比1#球团小;综合对比,2#球团的显微矿相可能具有比1#球团更好的显微力学结构。接着,基于面积法基本原理,结合计算机图像处理技术,对两种球团矿内各显微矿相的百分含量进行了统计和对比分析。通过统计发现:2#球团内赤铁矿含量比1#球团更多,孔隙则比1#球团少,磁铁矿和硅酸盐含量也比1#球团少。通过电镜打点和面扫,得到了两种球团主要矿相的元素组成和分布,发现赤铁矿、磁铁矿交织结构中的磁铁矿内富集了少量的镁元素;正是这些Mg²⁺填补了氧化转变过程中Fe²⁺的空位,阻止了磁铁矿的氧化,最终形成少量残存磁铁矿与赤铁矿的交织结构;面扫发现,1#球团内镁元素含量高于2#球团,这是1#球团内赤、磁铁矿交织结构较多的一个重要原因。综合对比分析得出,2#球团具有比1#球团更好的显微矿相组成。最后,通过对两种球团矿内三种不同形态的赤铁矿组织进行显微硬度测试和断裂韧性计算,来研究球团内不同赤铁矿组织形态的显微力学性能差异及对球团矿宏观强度的影响。结果发现,大颗粒赤铁矿的显微硬度最高,赤、磁铁矿交织结构次之,小颗粒互连状赤铁矿显微硬度最低;球团矿中赤、磁铁矿交织结构断裂韧性最好,互连状小颗粒赤铁矿次之,大颗粒赤铁矿稍差。2#球团矿中三种形态的赤铁矿显微力学性能均比1#球团矿好,这是由于2#球团中赤铁矿互连程度更好,大颗粒赤铁矿较多,赤铁矿晶间结合方式多为赤铁矿和少量磁铁矿,1#球团由于赤铁矿互连较差,赤铁矿晶间连接多为硅酸铁等液相粘结,进而导致2#球团矿整体宏观抗压强度较1#球团矿好。