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소개
철광석을 수소로 직접 환원하는 것은 철강 산업 탈탄소화의 핵심입니다. 수소 기반 공정을 사용하면 탄소 운반체를 사용한 기존 환원 방식에 비해 CO₂ 배출량을 크게 줄일 수 있습니다. 가스 반응성, 온도 제어, 펠릿 특성 및 압력 조건과 관련된 높은 기술적 과제로 인해 실험적으로 검증된 동역학 데이터는 산업용 H₂ 직접 환원 반응기 개발의 핵심 리소스입니다. 린사이스의 TGA 및 STA 시스템은 수소 환원 최적화 및 모델링에 필수적인 정보인 반응 경로, 중간 단계 및 대기 역학에 대한 매우 정밀한 측정 데이터를 제공합니다(Kim et al., 2021; Ratzker et al., 2025).
반응 화학 및 공정 기초
철(III) 산화물(Fe₂O₃)의 수소 환원은 Fe₃O₄와 FeO를 거쳐 금속 철로 단계적으로 진행됩니다. 이러한 전환의 속도와 효율은 다공성, 펠릿의 결함, 확산 특성, 대기 변화 등 다양한 요인에 의해 영향을 받습니다. 확산 과정과 수소 분압이 반응 속도를 크게 결정하며, 수소 환원 과정에서 형성된 수증기는 재산화를 방지하기 위해 반응 생성물로 지속적으로 제거해야 합니다(Shankar 외, 2025; Fradet 외, 2023). 따라서 질량 변화, 열 효과 및 기체 상에 대한 동시 분석 기록은 프로세스를 완전히 이해하기 위해 필수적입니다.
장비 설정 및 측정 방법론
The 린사이스의 TGA L87 MSB 는 감도가 높아 분말 시료 및 기준 물질을 조사하는 데 특히 적합합니다. 빠르게 전환 가능한 대기 제어(H₂, N₂, Ar 및 이들의 혼합물 포함)를 통해 다양한 조건을 제어할 수 있습니다. 질량 분석기(MS)와 결합하면 형성된 가스, 특히 H₂O 및 잠재적 부산물을 실시간으로 분석할 수 있습니다.
The 린세이 STA L81 결합 열 중량 측정(TG) 와 차동 주사 열량 측정(DSC)를 결합하여 환원 반응 중에 무게 변화뿐만 아니라 다음과 같은 에너지 효과도 측정할 수 있습니다. 흡열 또는 발열 반응을 명확하게 할당할 수 있습니다. 특히 Fe₃O₄에서 FeO로 또는 FeO에서 Fe로 전환하는 동안 반응 동역학 및 중간 단계의 해석을 지원하는 특징적인 열 신호가 발생합니다.
The 린사이스의 STA HP L85 는 높은 수소 압력과 정밀하게 제어 가능한 가스 유량까지 실제 프로세스 조건에서 측정할 수 있습니다. 이를 통해 전체 펠릿에 대한 공정 시뮬레이션이 가능하며, 압력 및 가스 흐름에 따른 동역학을 매핑하고 부하 상태에서 가스 변경을 수행하며 안전 관련 가스 제어를 테스트할 수 있습니다. 시료 홀더를 유연하게 선택할 수 있어(분말용 백금 등자 및 펠릿용 세라믹 도가니) 다양한 조사 설계에 대한 적응성을 보완합니다.
실험 목표 및 평가 전략
이러한 측정 플랫폼을 사용하면 다음과 같은 과학적으로 관련된 질문을 실질적으로 해결할 수 있습니다:
- 온도에 따른 환원 동역학: 600, 700 및 900°C에서의 조사, 다양한 펠릿 및 분말 형태에 대한 반응 속도 차별화.
- 압력 의존성: 1, 10, 30, 50bar에서 일련의 실험을 통해 감소 완료 시간에 대한 압력의 영향을 파악합니다.
- 중간 단계 및 에너지학: 질량 손실의 단계별 분석(Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe) 및 DSC를 통한 특징적인 열 효과 할당.
- 기체 상 분석: 반응 생성물의 실시간 감지 MS를 통해 질량 손실과 수소/물 가스 진화 사이의 상관관계를 실시간으로 감지합니다.
- 미세 구조 변화: 전자 현미경을 사용한 관찰 전/후(예: 압력 및 온도에 따른 기공 구조 및 입자 성장의 변화).
- 결합 모델링: 시뮬레이션 지원 프로세스 최적화 및 스케일업을 위한 데이터베이스 역할을 하는 동역학 매개변수 도출(Raabe, 2021; Fradet et al., 2023).
애플리케이션 및 산업적 관점
린시스 시스템에서 생성된 데이터 세트는 공정 시뮬레이션과 H₂ 기반 직접 환원 플랜트의 제어 전략 개발에 필수적입니다. 이러한 데이터 세트는 펠릿의 품질 보증을 위한 기반을 형성하고, 작동 창과 안전 한계를 식별하는 데 도움이 되며, 다양한 산업 응용 분야에서 복잡한 가스 현상을 모델링할 수 있습니다(Souza Filho 외., 2021; Ratzker 외., 2025).
구리 산화 동역학에 대한 다음 예 외에도 강제 흐름 개념은 압력 제어 환경 및 환원 중심 반응 경로로 원활하게 확장할 수 있으므로 고급 기체-고체 연구를 위한 더 넓은 작동 범위가 가능합니다.
구리의 산화는 구리 산화물을 생성하며, 반응 속도는 가스 공급에 따라 크게 달라집니다. 강제 흐름 원리는 산화제(O₂)가 처음부터 시료 물질 전체에 빠르고 균일하게 분포되도록 합니다. 따라서 가스가 시료에 서서히 도달하는 기존 방법보다 훨씬 빠르게 반응이 진행됩니다.
산화구리 형성 반응:
2Cu + O₂ → 2 CuO
강제 가스 흐름으로 인해 산소가 구리와 효율적으로 반응하여 실제 조건에서 반응이 가속화되고 보다 정밀한 분석이 가능합니다.
모든 경우에 알루미나 천공 뚜껑(0.10 다공성)으로 밀봉된 도가니를 사용하여 500, 800 및 1000 ◦C(각각 회색, 검은색 및 빨간색 선)에서 매크로 TG 철광석 공기 산화 실험(Linseis TGA L83에서 수행)에서 얻은 변환 대 시간 곡선입니다. 점은 실험 결과에 해당하고 연속선은 모델 예측을 나타냅니다.
(a) TGA의 시간 의존적 질량 신호
(b) 시간의 함수로서의 감소 정도(0~100%)
결론 및 전망
린자이스의 TGA 및 STA 장치는 감도, 온도 및 압력 안정성, 빠른 가스 변화 제어, 유연한 대기 선택의 고유한 조합을 지원합니다. 기본적인 열역학 연구와 분말 및 펠릿에 대한 응용 분야 중심의 공정 테스트에 똑같이 적합합니다. 미래의 관점에는 복잡한 가스 혼합물(예: H₂/CO/CO₂)의 평가와 미래의 완전히 지속 가능한 철강 공정을 위한 수소 주기 조사도 포함됩니다(Ma et al., 2022).
참조
Fradet, Q., Kurnatowska, M., & Riedel, U. (2023). 수소를 이용한 산화철 분말의 열화학적 환원: 선택된 열 분석 연구 검토. 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). 700°C에서 철광석을 수소로 직접 환원하는 데 미세 구조 및 원자 규모 화학의 영향. 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°C에서 산화철의 수소 기반 직접 환원: 펠릿 및 미세 구조 스케일에서의 이질성. 국제 광물, 야금 및 재료 저널, 29(10), 1901-1907. https://doi.org/10.1007/s12613-022-2440-5
Raabe, D. (2021). 수소 기반 직접 환원 시뮬레이션. 디르크 라베 연구. https://www.dierk-raabe.com/simulation-of-hydrogen-based-direct-reduction/
라츠커, B., 루피노, M., 샨카르, S., 라베, D., & 마, Y. (2025). 단결정 적철광의 사례 연구를 통해 수소 기반 직접 환원 중 미세 구조 진화를 규명합니다. 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). 산화물 혼합물에서 직접 환원 온도를 낮추는 열역학 및 메커니즘을 밝힙니다.
Souza Filho, I. R., Ma, Y., Kulse, M., Ponge, D., Gault, B., Springer, H., & Raabe, D. (2021). 철광석의 수소 플라즈마 환원을 통한 지속 가능한 철강: 공정, 동역학, 미세 구조, 화학. Acta Materialia, 213, 116971. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116971
