目次
はじめに
水素による鉄鉱石の直接還元は、鉄鋼業の脱炭素化の中心である。水素ベースのプロセスは、炭素キャリアを用いた従来の還元と比較して、CO₂排出量の大幅な削減を可能にする。ガス反応性、温度制御、ペレット特性、圧力条件に関連する高い技術的課題により、実験的に検証された動力学データは、工業用H₂直接還元反応器の開発にとって重要なリソースとなっています。Linseis TGAとSTAシステムは、反応経路、中間相、雰囲気ダイナミクスに関する高精度の測定データを提供し、水素還元の最適化とモデリングに不可欠な情報である（Kimら、2021；Ratzkerら、2025）。
反応化学とプロセスの基礎
酸化鉄（III）（Fe₂O₃）の水素による還元は、Fe₃O₄、FeOを経て金属鉄へと段階的に進行する。これらの変換の速度と効率は、空隙率、ペレットの欠陥、拡散特性、雰囲気の変化など、多くの要因に影響される。拡散プロセスと水素分圧が反応速度を大きく左右する一方、水素還元中に形成される水蒸気は、再酸化を避けるために反応生成物として継続的に除去されなければならない（Shankarら、2025；Fradetら、2023）。したがって、質量変化、熱効果、気相の同時分析記録は、プロセスの完全な理解に不可欠である。
機器のセットアップと測定方法
リンジス リンゼスTGA L87 MSBは、高感度であるため、粉末試料や標準物質の調査に特に適しています。迅速に切り替え可能な雰囲気制御（H₂、N₂、Ar、およびそれらの混合を含む）により、制御された変化条件が可能。質量分析計（MS）との結合により、生成ガス、特にH₂Oおよび潜在的な副生成物のリアルタイム分析が可能。
リンジス リンゼイス STA L81組み合わせる 熱重量測定(TG)と 示差走査熱量測定(DSC)を組み合わせることにより、還元反応中に重量変化だけでなく、吸熱や発熱などのエネルギー効果も測定することができます。 発熱反応のようなエネルギー効果も明確に割り出すことができる。特に、Fe₃O₄からFeO、またはFeOからFeへの遷移の間に、反応速度論と中間相の解釈をサポートする特徴的な熱サインが発生する。
リンゼス Linseis STA HP L85は、高水素圧力と精密に制御可能なガスフローまでの実プロセス条件下での測定を可能にします。圧力とガスフローに依存する動力学マッピング、負荷下でのガス変化、安全関連ガス制御のテストが可能です。試料ホルダーの柔軟な選択（粉末用白金スターラップとペレット用セラミックるつぼ）は、さまざまな調査設計への適応性を補完します。
実験目的と評価戦略
これらの測定プラットフォームにより、以下のような科学的関連性のある疑問に実用的に対処することができる：
- 温度依存の還元速度論：600℃、700℃、900℃での調査、ペレットと粉末の形状による反応速度の違い。
- 圧力依存性：1,10,30,50barでの一連の実験；完全還元までの時間に対する圧力の影響の特定。
- 中間相とエネルギー論：質量損失の段階的分析（Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe）と、DSCによる特徴的な熱効果の割り当て。
- 気相分析反応生成物のリアルタイム検出 MS質量損失と水素/水ガス発生との相関性。
- 微細構造の変化：電子顕微鏡によるビフォーアフター観察（圧力や温度による細孔構造や結晶粒成長の変化など）。
- 複合モデリング：シミュレーションが支援するプロセスの最適化とスケールアップのためのデータベースとして機能する動力学パラメータの導出（Raabe, 2021; Fradet et al.）
アプリケーションと産業的視点
Linseisシステムによって生成されたデータセットは、プロセスシミュレーションとH₂ベースの直接還元プラントにおける制御戦略の開発に不可欠です。これらはペレットの品質保証の基礎を形成し、運転ウィンドウと安全限界を特定するのに役立ち、多種多様な産業アプリケーションにおける複雑なガス現象のモデリングを可能にする(Souza Filho et al., 2021; Ratzker et al., 2025)。
銅の酸化反応速度論に関する以下の例に加え、Forced-Flowのコンセプトは、圧力制御された環境と還元主導の反応経路にシームレスに拡張することができ、高度な気体-固体研究のための幅広い操作範囲を可能にする。
銅の酸化は酸化銅を生成し、反応速度は供給ガスに大きく依存します。強制フロー原理により、酸化剤（O₂）は最初から試料全体に迅速かつ均一に分布します。これにより、ガスが徐々にしかサンプルに到達しない従来の方法よりも、反応がはるかに速く行われます。
酸化銅の生成反応は次の通り：
2Cu + O₂ → 2 CuO
強制的なガスフローにより、酸素は銅と効率的に反応する。
マクロTG鉄鉱石空気酸化実験（Linseis TGA L83で実施）から得られた転化率対時間曲線（それぞれ灰色、黒色、赤色の線）。点は実験結果、連続線はモデル予測。
(a）TGAの時間依存質量シグナル
(b) 還元度（0e100%）の時間依存性
結論と展望
リンゼイのTGAおよびSTA装置は、感度、温度と圧力の安定性、迅速なガス交換制御、柔軟な雰囲気選択というユニークな組み合わせを可能にします。基本的な熱力学的研究にも、粉体やペレットのアプリケーション指向のプロセス試験にも同様に適しています。将来の展望としては、複雑なガス混合（例えば、H₂/CO/CO₂）の評価や、将来の完全に持続可能な鉄鋼プロセスのための水素サイクルの調査が含まれる（Maら、2022年）。
参考文献
Fradet, Q., Kurnatowska, M., & Riedel, U. (2023).酸化鉄粉末の水素による熱化学還元：熱分析研究のレビュー。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., & Raabe, D. (2021).鉄鉱石の 700 ℃での水素による直接還元における微細構造と原子スケール化学の影響。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., & Raabe, D. (2022).700℃における酸化鉄の水素ベース直接還元：Heterogeneity at pellet and microstructure scale.International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials,29(10), 1901-1907. https://doi.org/10.1007/s12613-022-2440-5
Raabe, D. (2021).水素による直接還元のシミュレーション。Dierk Raabe Research. https://www.dierk-raabe.com/simulation-of-hydrogen-based-direct-reduction/
Ratzker, B., Ruffino, M., Shankar, S., Raabe, D., & Ma, Y. (2025).単結晶ヘマタイトのケーススタディによる水素を用いた直接還元中の微細構造進化の解明。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., & Raabe, D. (2025).酸化物混合物における直接還元温度の低下の背後にある熱力学とメカニズムの解明。Acta Materialia,282, 120445. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.05358 (arXiv preprint arXiv:2504.12947 としても利用可能)
Souza Filho, I. R., Ma, Y., Kulse, M., Ponge, D., Gault, B., Springer, H., & Raabe, D. (2021).鉄鉱石の水素プラズマ還元による持続可能な鉄鋼：Process, kinetics, microstructure, chemistry.Acta Materialia,213, 116971. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116971
