[논문 리뷰] A Laboratory Study of the Reduction of Iron Oxides by Hydrogen

Darcy E. Wagner, O. Devisme외 2명|ArXiv.org|2008. 03. 19.

Iron and Steelmaking Processes참고 문헌 9인용 수 48

한 줄 요약

이 실험실 연구는 열중량계, X선 회절(XRD), 주사 및 투과형 전자현미경(SEM/TEM), 그리고 모스바우어 스펙트로스코피를 활용하여 헴아리트를 직접환철(DRI)로 수소 기반 환원을 조사한다. 연구는 900 °C까지 동안 속도 감소 없이 세 단계의 명확한 환원 단계(헤마티트 → 마그네티트 → 유크시트 → 철)를 확인하였으며, 일반 분말이 나노분말이나 소결된 샘플보다 더 높은 반응성을 보였는데, 이는 더 다공성인 최종 구조 덕분이었다.

ABSTRACT

To reduce the emission of greenhouse gases by the steel industry, particularly for ironmaking, the production of DRI (Direct Reduced Iron) using hydrogen as the reducing gas instead of carbon monoxide is being considered. In this context, the reduction of pure hematite by hydrogen was studied at the laboratory scale, varying the experimental conditions and observing the rate and the course of the reaction. All the reduction experiments were performed in a thermobalance and supplementary characterization methods were used like scanning and transmission electron microscopy, X-ray diffraction, and Mössbauer spectrometry. The influence of rising temperature in the range 550-900 degrees C is to accelerate the reaction; no slowing down was observed, contrary to some literature conclusions. A series of experiments consisted in interrupting the runs before complete conversion, thus enabling the characterization of partially reduced samples. Interpretation confirms the occurrence of three successive and rather separate reduction steps, through magnetite and wustite to iron, and illustrates a clear structural evolution of the samples. Finally, the influence of the sample type was revealed comparing a regular powder, a nanopowder and a sintered sample. The regular powder proved to be the most reactive despite its larger grain size, due to a more porous final structure.

연구 동기 및 목표

• 온실가스 배출을 줄이기 위해 철강 제련에서 수소를 청정한 대체 환원제로 평가하기 위해.
• 통제된 실험실 조건에서 헴아리트의 수소 기반 환원 동역학 및 메커니즘을 이해하기 위해.
• 다양한 분석 기법을 활용하여 단계적 환원 중 구조적 및 상 변화를 특성화하기 위해.
• 일반 분말, 나노분말, 소결된 샘플 등의 다양한 산화철 형태의 반응성 비교하기 위해.

제안 방법

• 550–900 °C에서 수소 환원 중 무게 감량을 모니터링하기 위해 열중량계에서 실험을 수행하였다.
• 중간 상을 식별하기 위해 X선 회절(XRD) 및 모스바우어 분광법을 활용하여 상 변화를 추적하였다.
• 주사 및 투과형 전자현미경(SEM/TEM)을 사용하여 미세구조 변화를 분석하였다.
• 부분 환원 상태를 특성화하기 위해 환원 과정을 부분적으로 중단한 실험을 실시하였다.
• 일반 분말, 나노분말, 소결된 샘플의 세 가지 샘플 유형을 비교하여 형태에 따른 반응성 영향을 평가하였다.
• 반응 속도의 온도 의존성을 평가하기 위해 550 °C에서 900 °C로 온도를 점차 상승시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 헤마티트의 수소 환원은 명확하고 순차적인 상으로 진행되며, 그 상들은 무엇인가?
• RQ2 550–900 °C 범위에서 온도는 속도 감소 없이 환원 속도와 정도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 샘플 형태(분말, 나노분말, 소결)가 반응성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 환원 과정 중 구조적 및 미세구조적 변화는 상 전이와 어떻게 관련되는가?
• RQ5 일반 분말이 입자 크기가 더 크음에도 불구하고 나노분말보다 더 높은 반응성을 보이는 이유는 무엇인가?

주요 결과

• 환원은 헴아리트 → 마그네티트 → 유크시트 → 금속 철로 이르는 세 단계의 명확한 과정을 거치며, 상 간의 중첩은 최소한이었다.
• 550–900 °C 범위에서 속도 감소 현상이 관찰되지 않았으며, 이는 일부 이전 문헌과 정반대되는 결과였다.
• 일반 분말가 가장 높은 반응성을 보였으며, 이는 더 다공성인 최종 구조 덕분이었다.
• 나노분말과 소결 샘플은 낮은 반응성을 보였으며, 특히 소결 샘플이 가장 느린 환원 속도를 보였다.
• 모스바우어 및 XRD 분석을 통해 마그네티트와 유크시트가 중간 상으로 형성되었음을 확인하였다.
• 현미경 분석을 통해 기공 형성과 입자 응집 등의 현저한 구조적 변화가 환원 과정 중 발생한 것으로 나타났다.