İçindekiler tablosu
Giriş
Demir cevherinin hidrojen ile doğrudan indirgenmesi, çelik endüstrisinin karbonsuzlaştırılması için merkezi bir öneme sahiptir. Hidrojen bazlı prosesler, karbon taşıyıcılarla yapılan geleneksel indirgemeye kıyasla CO₂ emisyonlarında önemli bir azalma sağlar. Gaz reaktivitesi, sıcaklık kontrolü, pelet özellikleri ve basınç koşulları ile ilgili büyük teknik zorluklar nedeniyle, deneysel olarak doğrulanmış kinetik veriler, endüstriyel H₂ doğrudan indirgeme reaktörlerinin geliştirilmesi için önemli bir kaynaktır. Linseis’in TGA ve STA sistemleri, reaksiyon yolları, ara fazlar ve atmosferik dinamikler hakkında yüksek hassasiyetli ölçüm verileri sağlar – hidrojen indirgemesinin optimizasyonu ve modellenmesi için önemli bilgiler (Kim et al., 2021; Ratzker et al., 2025).
Reaksiyon kimyası ve proses temelleri
Demir(III) oksidin (Fe₂O₃) hidrojen ile indirgenmesi, Fe₃O₄ ve FeO üzerinden metalik demire doğru adım adım ilerler. Bu dönüşümlerin hızı ve verimliliği, gözeneklilik, peletlerdeki kusurlar, difüzyon özellikleri ve atmosferdeki değişiklikler dahil olmak üzere çok sayıda faktörden etkilenir. Difüzyon süreçleri ve hidrojen kısmi basıncı büyük ölçüde reaksiyon hızlarını belirlerken, hidrojen indirgenmesi sırasında oluşan su buharı, yeniden oksidasyonu önlemek için bir reaksiyon ürünü olarak sürekli olarak uzaklaştırılmalıdır (Shankar vd., 2025; Fradet vd., 2023). Bu nedenle kütle değişimlerinin, termal etkilerin ve gaz fazlarının eşzamanlı analitik kaydı, sürecin tam olarak anlaşılması için gereklidir.
Ekipman kurulumu ve ölçüm metodolojisi
Bu Linseis TGA L87 MSB yüksek hassasiyeti nedeniyle özellikle toz numunelerin ve referans malzemelerin analizi için uygundur. Hızlıca değiştirilebilen atmosfer kontrolü (H₂, N₂, Ar ve karışımları dahil) kontrollü değişken koşullar sağlar. Bir kütle spektrometresi (MS) ile bağlantı, özellikle H₂O ve potansiyel yan ürünler olmak üzere oluşan gazların gerçek zamanlı analizini sağlar.
Bu Linseis STA L81 birleşik termogravimetri (TG) ve diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC)Böylece indirgeme reaksiyonu sırasında sadece ağırlık değişmez, aynı zamanda aşağıdaki gibi enerjik etkiler de oluşur endotermik veya ekzotermik reaksiyonları açıkça atanabilir. Özellikle Fe₃O₄’dan FeO’ya veya FeO’dan Fe’ye geçiş sırasında, reaksiyon kinetiğinin ve ara fazların yorumlanmasını destekleyen karakteristik termal imzalar ortaya çıkar.
Bu Linseis STA HP L85 yüksek hidrojen basıncına ve hassas bir şekilde kontrol edilebilen gaz akışlarına kadar gerçek proses koşulları altında ölçümler yapılmasını sağlar. Bu, komple peletler üzerindeki proseslerin simülasyonunu mümkün kılar; basınç ve gaz akışına bağlı kinetikler modellenebilir, yük altında gaz değişimleri gerçekleştirilebilir ve güvenlikle ilgili gaz kontrolleri test edilebilir. Esnek örnek tutucu seçimi (tozlar için platin kelepçeler veya peletler için seramik potalar) farklı test tasarımlarına uyarlanabilirliği tamamlar.
Test hedefleri ve değerlendirme stratejisi
Bu ölçüm platformları ile aşağıdaki bilimsel açıdan önemli sorular pratikte cevaplanabilir:
- Sıcaklığa bağlı indirgeme kinetiği: 600, 700 ve 900 °C’de araştırma, farklı pelet ve toz formları için reaksiyon hızlarının farklılaştırılması.
- Basınç bağımlılığı: 1, 10, 30 ve 50 bar’da bir dizi test; basıncın azalmayı tamamlama süresi üzerindeki etkisinin belirlenmesi.
- Ara fazlar ve enerjetik: Kütle kayıplarının adım adım analizi (Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe) ve DSC kullanılarak karakteristik termal etkilerin atanması.
- Gaz fazı analizi: Reaksiyon ürünlerinin gerçek zamanlı tespiti MSKütle kaybı ve hidrojen/su gazı evrimi arasındaki korelasyon.
- Mikroyapıdaki değişiklikler: Elektron mikroskobu kullanılarak önce/sonra gözlem (örneğin, basınç ve sıcaklığın bir fonksiyonu olarak gözenek yapısındaki ve tane büyümesindeki değişiklikler).
- Kombine modelleme: Simülasyon destekli süreç optimizasyonu ve ölçek büyütme için bir veri tabanı görevi gören kinetik parametrelerin türetilmesi (Raabe, 2021; Fradet vd., 2023).
Uygulama ve endüstri perspektifi
Linseis sistemleri tarafından üretilen veri setleri, proses simülasyonu ve H₂ bazlı doğrudan indirgeme tesislerinde kontrol stratejilerinin geliştirilmesi için gereklidir. Peletlerin kalite güvencesi için temel oluşturur, çalışma pencerelerinin ve güvenlik sınırlarının belirlenmesine yardımcı olur ve çeşitli endüstriyel uygulamalarda karmaşık gaz olaylarının modellenmesini sağlar (Souza Filho vd., 2021; Ratzker vd., 2025).
Aşağıdaki bakır oksidasyon kinetiği örneğine ek olarak, zorunlu akış konsepti basınç kontrollü ortamlara ve indirgeme odaklı reaksiyon yollarına sorunsuz bir şekilde genişletilebilir ve gelişmiş gaz-katı çalışmaları için daha geniş bir uygulama yelpazesi sağlar.
Bakırın oksidasyonu bakır oksit üretir, bu nedenle reaksiyon hızı büyük ölçüde gaz beslemesine bağlıdır. Zorlanmış akış prensibi, oksitleyici maddenin (O₂) başlangıçtan itibaren tüm numune malzemesine hızlı ve eşit bir şekilde dağıtılmasını sağlar. Bu, reaksiyonun, gazın numuneye yalnızca kademeli olarak ulaştığı geleneksel yöntemlere göre çok daha hızlı gerçekleşmesini sağlar.
Bakır oksit oluşumu için reaksiyon şöyledir:
2Cu + O₂ → 2 CuO
Zorlanmış gaz akışı, gerçekçi koşullar altında hızlandırılmış reaksiyonlar ve daha hassas analizler için oksijenin bakır ile verimli bir şekilde reaksiyona girmesine neden olur.
Makro-TG demir cevheri hava oksidasyon deneylerinden (Linseis TGA L83’te gerçekleştirilmiştir) 500, 800 ve 1000 ◦C’de (sırasıyla gri, siyah ve kırmızı çizgiler), tüm durumlarda delikli alümina kapakla (0,10 gözeneklilik) kapatılmış potalar kullanılarak elde edilen devir süresi eğrileri. Noktalar deneysel sonuçlara, düz çizgiler ise model tahminlerine karşılık gelmektedir.
(a) TGA’nın zamana bağlı kütle sinyali
(b) Zamanın bir fonksiyonu olarak azalma derecesi (%0e100)
Sonuç ve genel bakış
Linseis’in TGA ve STA cihazları, hassasiyet, sıcaklık ve basınç kararlılığı, hızlı gaz değişimi kontrolü ve esnek atmosfer seçiminin benzersiz bir kombinasyonunu sunar. Temel termodinamik çalışmalar ve tozlar ve peletler üzerinde uygulama odaklı proses testleri için eşit derecede uygundurlar. Gelecekteki perspektifler arasında karmaşık gaz karışımlarının (örn. H₂/CO/CO₂) değerlendirilmesi ve gelecekte tamamen sürdürülebilir çelik prosesleri için hidrojen döngülerinin araştırılması yer almaktadır (Ma vd., 2022).
Referanslar
Fradet, Q., Kurnatowska, M., & Riedel, U. (2023). Demir oksit tozlarının hidrojen ile termokimyasal indirgenmesi: Seçilmiş termal analiz çalışmalarının gözden geçirilmesi. 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). Demir cevherinin 700 °C’de hidrojen ile doğrudan indirgenmesinde mikroyapı ve atomik ölçekli kimyanın etkisi. 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). Demir oksidin 700 °C’de hidrojen bazlı doğrudan indirgenmesi: Pelet ve mikroyapı düzeyinde heterojenlik. Uluslararası Mineraller, Metalurji ve Malzeme Dergisi, 29(10), 1901-1907. https://doi.org/10.1007/s12613-022-2440-5
Raabe, D. (2021). Hidrojen bazlı doğrudan indirgeme simülasyonu. Dierk Raabe Araştırma. https://www.dierk-raabe.com/simulation-of-hydrogen-based-direct-reduction/
Ratzker, B., Ruffino, M., Shankar, S., Raabe, D., & Ma, Y. (2025). Tek kristalli hematit örneği kullanılarak hidrojen bazlı doğrudan indirgeme sırasında mikroyapı evriminin aydınlatılması. 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). Oksit karışımlarında doğrudan indirgeme sıcaklıklarının azalmasının arkasındaki termodinamik ve mekanizmanın deşifre edilmesi.
Souza Filho, I. R., Ma, Y., Kulse, M., Ponge, D., Gault, B., Springer, H., & Raabe, D. (2021). Demir cevherinin hidrojen plazma indirgemesi ile sürdürülebilir çelik: proses, kinetik, mikroyapı, kimya. Acta Materialia, 213, 116971. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116971
