Die Europäische Union (EU) hat das Ziel, bis 2050 Klimaneutralität (Netto-Null-Treibhausgasemissionen) zu erreichen. Derzeit wird in EU etwa 60 % des Rohstahls im Hochofen-LD Konverter Verfahren (BF-BOF) hergestellt. Obwohl das BF-BOF Verfahren eine hohe Produktionseffizienz aufweist, erzeugt es mehr CO2 pro Tonne Rohstahl als alternative Stahlerzeugungsmethoden. Ein vielversprechendes Konzept für die zukünftige Rohstahlerzeugung ist die Verwendung einer wasserstoffbasierten Wirbelschicht zur Herstellung von wasserstoffdirektreduziertem Eisen (HDRI), gefolgt von einem Elektrolichtbogenofenprozess (EAF). Um das Fluidisierungs- und Reduktionsverhalten von Magnetit-Eisenerzfeinteilen während der wasserstoffinduzierten Wirbelschichtreduktion zu verbessern, werden verschiedene Vorbehandlungen des Materials untersucht. Darüber hinaus werden das Oxidationsverhalten und der Mechanismus von Magnetit-Eisenerzen untersucht, um die Voroxidationsbehandlung zu optimieren.
In dieser Studie werden Vorbehandlungen wie Voroxidation und MgO-Beschichtung von Magnetit-Feinerz getestet, um den gewünschten Fluidisierungszustand zu erreichen. Der Einfluss der Voroxidationstemperatur, des Oxidationsgrades und der Menge an MgO auf das Fluidisierungs- und Reduktionsverhalten der Magnetit-Eisenerzfeinstoffe wird analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass das unbehandelte Magnetit-Eisenerz im untersuchten Temperaturbereich zwischen 600 °C und 800 °C nicht erfolgreich fluidisiert werden kann. Bei einer Reduktionstemperatur von 600 °C kann die Entfluidisierung jedoch durch eine vorherige Oxidationsbehandlung vermieden werden. Bei höheren Reduktionstemperaturen kann das Fluidisierungsverhalten durch Zugabe von 0,5 Gew.-% MgO weiter verbessert werden. Proben mit einer höheren Oxidationstemperatur des Magnetit-Eisenerzes zeigen ein besseres Fluidisierungsverhalten, während eine niedrigere Oxidationstemperatur die Reduktionsrate begünstigt, insbesondere in der späteren Reduktionsphase. Der Oxidationsgrad der Magnetitproben zeigt keinen deutlichen Einfluss auf das Fluidisierungs- und Reduktionsverhalten. Die wichtigsten Einflussfaktoren sind die Oxidationstemperatur, der Oxidationsgrad, die Zugabemenge von MgO und die Gasgeschwindigkeit. Die optimale Bedingung besteht darin, das Magnetit-Eisenerz bei 800 °C stark zu oxidieren, mit 1,5 Gew.-% MgO-Pulver zu mischen und in der Wirbelschicht bei einer Gasgeschwindigkeit von 0,45 m/s zu reduzieren.
Bei der Oxidation der Magnetitproben zeigen sich deutliche Spitzenwerte der Oxidationsrate bei etwa 330 °C und 550 °C, was auf die Bildung von γ-Fe2O3 und α-Fe2O3 hinweist. Besonders interessant ist die Wachstumsform der Hämatitphase. Theoretisch gesehen sind die Oberflächenenergien der (104)- und (110)-Kristalloberflächen größer als die der (113)-Kristalloberfläche. Daher neigen die Hämatitkristalle dazu, sich bevorzugt entlang der (104)- oder (110)-Kristallflächen auszurichten. Die Oxidation beginnt zunächst an der Oberfläche, wodurch gitterartige Hämatitstrukturen entstehen, und breitet sich dann im Inneren aus, was zur Bildung von Hämatitnadeln führt. Während des Oxidationsprozesses nimmt die spezifische Oberfläche und das Porenvolumen aufgrund des Sinterungseffekts erheblich ab. In-situ-Hochtemperatur-Röntgenbeugungsanalysen (HT-XRD) zeigen, dass die Gitterkonstanten von Fe3O4 und α-Fe2O3 mit steigender Temperatur aufgrund der Wärmeausdehnung zunehmen und erfolgreich durch Polynome zweiter Ordnung an die Temperatur angepasst werden können. Beim Übergang von Fe3O4 zu α-Fe2O3 erfolgt ein Wachstum der α-Fe2O3-Kristallite.