氢气可持续预还原铁锰氧化物：加热速率依赖的还原路径与微结构演化
材料科学
2025-07-15 v1
摘要
将铁锰矿石还原为金属材料是一个能耗高、碳排放大的工艺，亟需可持续的替代方案。氢气基预还原富锰矿石提供了一条低排放路径，以增强后续热工锰铁合金生产的效率。然而，随着热条件变化，还原动力学和微结构演化仍知之甚少。本研究探讨了加热速率对天然Nchwaning铁锰矿及其合成模拟品进行氢气直接还原的影响。非等温热重分析揭示了复杂的多阶段还原过程及重叠的动力学区间。等转化动力学分析显示，还原程度增加时活化能升高，表明从表面反应向扩散控制还原机制的转变。中断式X射线衍射实验表明，慢加热可实现对MnO和金属Fe的完全转化，而快速加热则促进Fe-和Mn-氧化物的混合。针对Fe-Mn-O体系的热力学计算预测了平衡相演化，表明Mn稳定的Fe含锰卤石相和卤石相。微结构分析显示，慢加热速率下Fe颗粒细小且分布均匀，嵌入多孔MnO基质中；而快速加热则导致Fe富集的不规则颗粒团聚。上述发现表明，加热速率是支配还原路径、相分布及微结构演化的关键参数，为提升氢气基预还原策略的效率与可持续性提供了关键洞见。
引用
@article{arxiv.2507.10451,
title = {Sustainable Pre-reduction of Ferromanganese Oxides with Hydrogen: Heating Rate-Dependent Reduction Pathways and Microstructure Evolution},
author = {Anurag Bajpai and Barak Ratzker and Shiv Shankar and Dierk Raabe and Yan Ma},
journal= {arXiv preprint arXiv:2507.10451},
year = {2025}
}