Table des matières
Introduction
La réduction directe du minerai de fer avec de l’hydrogène est essentielle à la décarbonisation de l’industrie sidérurgique. Les procédés à base d’hydrogène permettent une réduction significative des émissions de CO₂ par rapport à la réduction conventionnelle avec des porteurs de carbone. Les défis techniques importants liés à la réactivité du gaz, au contrôle de la température, aux caractéristiques des granulés et aux conditions de pression font des données cinétiques validées expérimentalement une ressource clé pour le développement de réacteurs industriels de réduction directe à l’H₂. Les systèmes TGA et STA de Linseis fournissent des données de mesure très précises sur les voies de réaction, les phases intermédiaires et la dynamique de l’atmosphère – des informations essentielles pour optimiser et modéliser la réduction de l’hydrogène (Kim et al., 2021 ; Ratzker et al., 2025).
Chimie des réactions et principes de base des procédés
La réduction de l’oxyde de fer(III) (Fe₂O₃) par l’hydrogène se fait par étapes, via Fe₃O₄ et FeO, pour aboutir au fer métallique. La vitesse et l’efficacité de ces conversions sont influencées par de nombreux facteurs, notamment la porosité, les défauts dans les granulés, les propriétés de diffusion et les changements d’atmosphère. Les processus de diffusion et la pression partielle de l’hydrogène déterminent en grande partie les vitesses de réaction, tandis que la vapeur d’eau formée pendant la réduction de l’hydrogène doit être continuellement éliminée en tant que produit de réaction pour éviter une réoxydation (Shankar et al., 2025 ; Fradet et al., 2023). L’enregistrement analytique simultané des changements de masse, des effets thermiques et des phases gazeuses est donc essentiel pour une compréhension complète du processus.
Installation de l'équipement et méthodologie de mesure
Les Linseis TGA L87 MSB est particulièrement adapté à l’étude des échantillons de poudre et des matériaux de référence en raison de sa grande sensibilité. Le contrôle de l’atmosphère rapidement commutable (y compris H₂, N₂, Ar, et leurs mélanges) permet des conditions variables contrôlées. Le couplage avec un spectromètre de masse (MS) permet l’analyse en temps réel des gaz formés, en particulier H₂O et les sous-produits potentiels.
Le Linseis STA L81 combine thermogravimétrie (TG) et calorimétrie différentielle à balayage (DSC)Ainsi, au cours de la réaction de réduction, non seulement les changements de poids mais aussi les effets énergétiques tels que l’endothermie ou l’exothermie sont pris en compte. réactions endothermiques ou exothermiques réactions endothermiques ou exothermiques. En particulier lors de la transition de Fe₃O₄ à FeO ou de FeO à Fe, des signatures thermiques caractéristiques apparaissent et soutiennent l’interprétation de la cinétique de la réaction et des phases intermédiaires.
Le Linseis STA HP L85 permet d’effectuer des mesures dans des conditions réelles de processus, jusqu’à une pression d’hydrogène élevée et des débits de gaz contrôlables avec précision. Cela permet de simuler des processus sur des pastilles complètes ; la cinétique dépendant de la pression et du débit de gaz peut être cartographiée, les changements de gaz effectués sous charge et les contrôles de gaz pertinents pour la sécurité testés. Le choix flexible des porte-échantillons (étrier en platine pour les poudres et creuset en céramique pour les pastilles) complète l’adaptabilité aux différentes conceptions d’étude.
Objectifs expérimentaux et stratégie d'évaluation
Ces plates-formes de mesure permettent de répondre concrètement aux questions scientifiques suivantes :
- Cinétique de réduction en fonction de la température : Étude à 600, 700 et 900 °C, différenciation des taux de réaction pour différentes formes de pastilles et de poudres.
- Dépendance à la pression : Série d’expériences à 1, 10, 30 et 50 bars ; identification de l’influence de la pression sur le temps nécessaire à la réduction complète.
- Phases intermédiaires et énergétique : Analyse étape par étape des pertes de masse (Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe) et attribution des effets thermiques caractéristiques par DSC.
- Analyse en phase gazeuse : Détection en temps réel des produits de réaction par MSAnalyse de la phase gazeuse : corrélation entre la perte de masse et l’évolution de l’hydrogène et de l’eau dans le gaz.
- Modifications de la microstructure : Observation avant/après à l’aide de la microscopie électronique (par exemple, changements dans la structure des pores et la croissance des grains en fonction de la pression et de la température).
- Modélisation combinée : Dérivation de paramètres cinétiques qui servent de base de données pour l’optimisation et la mise à l’échelle des processus assistés par simulation (Raabe, 2021 ; Fradet et al., 2023).
Application et perspective industrielle
Les ensembles de données générés par les systèmes Linseis sont essentiels pour la simulation des processus et pour le développement de stratégies de contrôle dans les usines de réduction directe à base de H₂. Ils constituent la base de l’assurance qualité des granulés, aident à identifier les fenêtres de fonctionnement et les limites de sécurité, et permettent de modéliser des phénomènes gazeux complexes dans une grande variété d’applications industrielles (Souza Filho et al., 2021 ; Ratzker et al., 2025).
Outre l’exemple suivant sur la cinétique d’oxydation du cuivre, le concept de flux forcé peut être étendu de manière transparente aux environnements à pression contrôlée et aux voies de réaction induites par la réduction, ce qui permet d’élargir l’enveloppe opérationnelle pour les études avancées sur les gaz et les solides.
L’oxydation du cuivre produit de l’oxyde de cuivre, la vitesse de réaction dépendant fortement de l’alimentation en gaz. Le principe du flux forcé garantit que l’agent oxydant (O₂) est distribué rapidement et uniformément sur l’ensemble de l’échantillon dès le début. La réaction se produit ainsi beaucoup plus rapidement qu’avec les méthodes conventionnelles, où le gaz n’atteint l’échantillon que progressivement.
La réaction de formation de l’oxyde de cuivre est la suivante :
2Cu + O₂ → 2 CuO
Grâce au flux de gaz forcé, l’oxygène réagit efficacement avec le cuivre – pour des réactions accélérées et des analyses plus précises dans des conditions réalistes.
Courbes de conversion en fonction du temps obtenues à partir d’expériences d’oxydation à l’air de minerai de fer en macro TG (réalisées dans un Linseis TGA L83) à 500, 800 et 1000 ◦C (lignes grises, noires et rouges, respectivement), en utilisant dans tous les cas des creusets scellés par un couvercle perforé en alumine (porosité de 0,10). Les points correspondent aux résultats expérimentaux et les lignes continues représentent les prévisions du modèle.
(a) Signal de masse dépendant du temps de la TGA
(b) Degré de réduction (0e100%) en fonction du temps
Conclusion et perspectives
Les appareils TGA et STA de Linseis offrent une combinaison unique de sensibilité, de stabilité de la température et de la pression, de contrôle rapide du changement de gaz et de sélection flexible de l’atmosphère. Ils conviennent aussi bien aux études thermodynamiques de base qu’aux tests de processus orientés vers les applications sur les poudres et les granulés. Les perspectives d’avenir comprennent l’évaluation de mélanges gazeux complexes (par exemple, H₂/CO/CO₂) et l’étude des cycles de l’hydrogène pour les futurs procédés sidérurgiques entièrement durables (Ma et al., 2022).
Références
Fradet, Q., Kurnatowska, M. et Riedel, U. (2023). Réduction thermochimique des poudres d’oxyde de fer avec de l’hydrogène : Review of selected thermal analysis studies. Thermochimica Acta, 725, 179552. https://doi.org/10.1016/j.tca.2023.179552
Kim, S.-H., Zhang, X., Ma, Y., Souza Filho, I. R., Schweinar, K., Angenendt, K., Vogel, D., Stephenson, L., El-Zoka, A., Mianroodi, J. R., Rohwerder, M., Gault, B. et Raabe, D. (2021). Influence de la microstructure et de la chimie à l’échelle atomique sur la réduction directe du minerai de fer avec de l’hydrogène à 700 °C. Acta Materialia, 212, 116933. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116933
Ma, Y., Souza Filho, I. R., Zhang, X., Nandy, S., Barriobero-Vila, P., Requena, G., Vogel, D., Rohwerder, M., Ponge, D., Springer, H. et Raabe, D. (2022). Réduction directe de l’oxyde de fer par l’hydrogène à 700 °C : Heterogeneity at pellet and microstructure scales. International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials, 29(10), 1901-1907. https://doi.org/10.1007/s12613-022-2440-5
Raabe, D. (2021). Simulation de la réduction directe à base d’hydrogène. Recherche de Dierk Raabe. https://www.dierk-raabe.com/simulation-of-hydrogen-based-direct-reduction/
Ratzker, B., Ruffino, M., Shankar, S., Raabe, D. et Ma, Y. (2025). Elucidating the microstructure evolution during hydrogen-based direct reduction via a case study of single crystal hematite. Acta Materialia, 294, 121174. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121174
Shankar, S., Ratzker, B., da Silva, A. K., Schwarz, T. M., Brouwer, H., Gault, B., Ma, Y. et Raabe, D. (2025). Unraveling the thermodynamics and mechanism behind the lowering of direct reduction temperatures in oxide mixtures (Décryptage de la thermodynamique et du mécanisme derrière l’abaissement des températures de réduction directe dans les mélanges d’oxydes). Acta Materialia, 282, 120445. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.05358 (également disponible comme arXiv preprint arXiv:2504.12947)
Souza Filho, I. R., Ma, Y., Kulse, M., Ponge, D., Gault, B., Springer, H. et Raabe, D. (2021). Acier durable par réduction du minerai de fer par plasma d’hydrogène : Processus, cinétique, microstructure, chimie. Acta Materialia, 213, 116971. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116971
