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Deciphering Temperature‐Dependent Synergistic Mechanisms in Ammonia‐Mediated Iron‐Ore Reduction: Kinetic Optimization for Carbon‐Neutral Steelmaking

炼钢 还原(数学) 碳纤维 铁矿石 动能 材料科学 氨生产 冶金 化学 复合材料 复合数 数学 有机化学 几何学 物理 量子力学
作者
Lanjie Li,Han Xing,Heng Ji,Renguo Li,Li Li,Xianchun Li
出处
期刊:Steel Research International [Wiley]
标识
DOI:10.1002/srin.202500255
摘要

This study examines the direct reduction of iron ore using ammonia as a low‐carbon alternative to coke‐dependent blast furnaces in steelmaking. Experimental and thermogravimetric analyses of goethite (H1) and vanadium‐titanium ore (H2) reveal temperature‐dependent NH 3 synergies. H1 undergoes complete reduction at 900 °C with 5% NH 3 , while reduction at 700 °C requires 30% NH 3 . High temperatures (>850 °C) favor direct formation of Fe over Fe 3 O 4 /Fe 4 N intermediates, while crystalline water removal at 500 °C impedes reduction through steam generation. Kinetic analysis shows that the reduction degree of H1 is 20% higher than that of H2 at 950 °C/60% NH 3 . This can be explained by the porous structure of H1, unlike the dense Ti–Fe lattice in H2, where TiO 2 induces steric hindrance. The R1 kinetic model [ G ( α ) = −ln(1 − α )] effectively describes the reduction process, demonstrating a linear relationship between the reaction degree and NH 3 partial pressure. Specifically, increasing NH 3 concentration from 40% to 60% boosts degree constants by 48.4–60.4%. The findings position ammonia as a viable candidate for decarbonizing ironmaking, providing critical insights for optimizing reduction parameters and promoting sustainable steel production through fossil fuel substitution. Overall, this work addresses a critical knowledge gap in low‐carbon metallurgy and suggests actionable strategies for industry implementation.
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