Índice
Introdução
A redução direta do minério de ferro com hidrogénio é central para a descarbonização da indústria siderúrgica. Os processos baseados em hidrogénio permitem uma redução significativa das emissões de CO₂ em comparação com a redução convencional com transportadores de carbono. Os elevados desafios técnicos relacionados com a reatividade do gás, o controlo da temperatura, as caraterísticas das pastilhas e as condições de pressão fazem com que os dados cinéticos validados experimentalmente sejam um recurso fundamental para o desenvolvimento de reactores industriais de redução direta de H₂. Os sistemas TGA e STA da Linseis fornecem dados de medição altamente precisos sobre as vias de reação, fases intermediárias e dinâmica da atmosfera – informações essenciais para otimizar e modelar a redução de hidrogénio (Kim et al., 2021; Ratzker et al., 2025).
Fundamentos da química das reacções e dos processos
A redução do óxido de ferro (III) (Fe₂O₃) com hidrogénio prossegue gradualmente através de Fe₃O₄ e FeO para ferro metálico. A taxa e a eficiência destas conversões são influenciadas por numerosos factores, incluindo a porosidade, defeitos nas pastilhas, propriedades de difusão e alterações da atmosfera. Os processos de difusão e a pressão parcial de hidrogénio determinam em grande parte as taxas de reação, enquanto o vapor de água formado durante a redução de hidrogénio deve ser continuamente removido como um produto de reação para evitar a re-oxidação (Shankar et al., 2025; Fradet et al., 2023). O registo analítico simultâneo das alterações de massa, dos efeitos térmicos e das fases gasosas é, portanto, essencial para uma compreensão completa do processo.
Configuração do equipamento e metodologia de medição
O teu Linseis TGA L87 MSB é particularmente adequado para a investigação de amostras de pó e materiais de referência devido à sua elevada sensibilidade. O controlo de atmosfera rapidamente comutável (incluindo H₂, N₂, Ar e as suas misturas) permite condições variáveis controladas. O acoplamento com um espetrómetro de massa (MS) permite a análise em tempo real dos gases formados, especialmente H₂O e potenciais subprodutos.
O Linseis STA L81 combina termogravimetria (TG) e calorimetria de varrimento diferencial (DSC)de modo a que, durante a reação de redução, não só as alterações de peso, mas também os efeitos energéticos, tais como endotérmicas ou exotérmicas reacções endotérmicas ou exotérmicas podem ser claramente atribuídas. Especialmente durante a transição de Fe₃O₄ para FeO ou FeO para Fe, ocorrem assinaturas térmicas caraterísticas que apoiam a interpretação da cinética da reação e das fases intermediárias.
O Linseis STA HP L85 permite medições em condições reais de processo até altas pressões de hidrogénio e fluxos de gás controláveis com precisão. Isto permite a simulação de processos em pastilhas completas; a cinética dependente da pressão e do fluxo de gás pode ser mapeada, as mudanças de gás realizadas sob carga e os controlos de gás relevantes para a segurança testados. A seleção flexível de suportes de amostras (estribo de platina para pó versus cadinho de cerâmica para pastilhas) complementa a adaptabilidade a diferentes concepções de investigação.
Objectivos experimentais e estratégia de avaliação
Com estas plataformas de medição, as seguintes questões cientificamente relevantes podem ser abordadas na prática:
- Cinética de redução dependente da temperatura: Investigação a 600, 700 e 900 °C, diferenciação das taxas de reação para diferentes formas de granulado e pó.
- Dependência da pressão: Série de experiências a 1, 10, 30 e 50 bar; identificação da influência da pressão no tempo para a redução completa.
- Fases intermédias e energética: Análise passo-a-passo das perdas de massa (Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe) e atribuição de efeitos térmicos caraterísticos via DSC.
- Análise em fase gasosa: Deteção em tempo real dos produtos da reação através de MScorrelação entre a perda de massa e a evolução do gás hidrogénio/água.
- Alterações da microestrutura: Observação antes/depois utilizando microscopia eletrónica (por exemplo, alterações na estrutura dos poros e crescimento dos grãos em função da pressão e da temperatura).
- Modelação combinada: Derivação de parâmetros cinéticos que servem de base de dados para a otimização e aumento de escala de processos apoiados por simulação (Raabe, 2021; Fradet et al., 2023).
Aplicação e perspetiva industrial
Os conjuntos de dados gerados pelos sistemas Linseis são essenciais para a simulação de processos e para o desenvolvimento de estratégias de controlo em instalações de redução direta baseadas em H₂. Eles formam a base para a garantia de qualidade dos pellets, ajudam a identificar janelas de operação e limites de segurança, e permitem a modelagem de fenômenos complexos de gás em uma ampla variedade de aplicações industriais (Souza Filho et al., 2021; Ratzker et al., 2025).
Para além do exemplo seguinte sobre a cinética da oxidação do cobre, o conceito de fluxo forçado pode ser facilmente alargado a ambientes com pressão controlada e a vias de reação orientadas para a redução, permitindo um envelope operacional mais amplo para estudos avançados de gás-sólido.
A oxidação do cobre produz óxido de cobre, sendo que a velocidade de reação depende muito da alimentação de gás. O princípio do fluxo forçado assegura que o agente oxidante (O₂) é distribuído rápida e uniformemente por todo o material da amostra desde o início. Isto permite que a reação ocorra muito mais rapidamente do que nos métodos convencionais, em que o gás só atinge a amostra gradualmente.
A reação de formação do óxido de cobre é:
2Cu + O₂ → 2 CuO
Devido ao fluxo forçado de gás, o oxigénio reage eficazmente com o cobre – para reacções aceleradas e análises mais precisas em condições realistas.
Curvas de conversão versus tempo obtidas a partir de experiências de oxidação ao ar de minério de ferro macro TG (realizadas num Linseis TGA L83) a 500, 800 e 1000 ◦C (linhas cinzentas, pretas e vermelhas, respetivamente), utilizando cadinhos selados com uma tampa perfurada de alumina (0,10 porosidade) em todos os casos. Os pontos correspondem aos resultados experimentais e as linhas contínuas representam as previsões do modelo.
(a) Sinal de massa dependente do tempo da TGA
(b) Grau de redução (0e100%) em função do tempo
Conclusão e perspectivas
Os dispositivos TGA e STA da Linseis permitem uma combinação única de sensibilidade, estabilidade de temperatura e pressão, controlo rápido da mudança de gás e seleção flexível da atmosfera. São igualmente adequados para estudos termodinâmicos básicos e para testes de processos orientados para aplicações em pós e pellets. A perspetiva futura inclui a avaliação de misturas de gases complexas (por exemplo, H₂/CO/CO₂) e a investigação de ciclos de hidrogénio para futuros processos de aço totalmente sustentáveis (Ma et al., 2022).
Referências
Fradet, Q., Kurnatowska, M., & Riedel, U. (2023). Redução termoquímica de pós de óxido de ferro com hidrogénio: Revisão de estudos de análise térmica selecionados. Thermochimica Ata, 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). Influência da microestrutura e da química à escala atómica na redução direta do minério de ferro com hidrogénio a 700 °C. Ata 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). Redução direta de óxido de ferro à base de hidrogénio a 700 °C: Heterogeneidade nas escalas de pelotas e microestrutura. Jornal Internacional de Minerais, Metalurgia e Materiais, 29(10), 1901-1907. https://doi.org/10.1007/s12613-022-2440-5
Raabe, D. (2021). Simulação de redução direta baseada em hidrogénio. Pesquisa de Dierk Raabe. https://www.dierk-raabe.com/simulation-of-hydrogen-based-direct-reduction/
Ratzker, B., Ruffino, M., Shankar, S., Raabe, D., & Ma, Y. (2025). Elucidando a evolução da microestrutura durante a redução direta baseada em hidrogênio através de um estudo de caso de hematita de cristal único. Ata 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). Desvendando a termodinâmica e o mecanismo por trás da redução das temperaturas de redução direta em misturas de óxidos.
Souza Filho, I. R., Ma, Y., Kulse, M., Ponge, D., Gault, B., Springer, H., & Raabe, D. (2021). Aço sustentável através da redução do minério de ferro por plasma de hidrogénio: Processo, cinética, microestrutura, química. Ata Materialia, 213, 116971. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116971
