Eng
Ukr
  1. Видавничий дім
  2. Журнали
  3. Сучасна електрометалургія
  4. 2026

Сучасна електрометалургія, 2026, №03

Триває друк
2026 №03 (03) DOI of Article
10.37434/sem2026.03.04 		2026 №03 (05)

Сучасна електрометалургія 2026 №03


Сучасна електрометалургія, 2026, #3, 24-31 pages

Перспективи застосування плазмових технологій при відновленні заліза воднем

В.О. Шаповалов1, Д.М. Жиров1, В.Г. Могилатенко1,2, Ф.К. Біктагіров1, В.Р. Бурнашев1

1ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАН України. 03150, м. Київ, вул. Казимира Малевича, 11. E-mail: vmogilatenko@gmail.com
2НТУУ «КПІ імені Ігоря Сікорського». 03056, м. Київ, Берестейський просп., 37

Реферат
Розглянуто перспективи застосування плазмових технологій при відновленні заліза воднем у контексті декарбонізації чорної металургії. Проаналізовано термодинамічні та кінетичні особливості водневого відновлення оксидів заліза на основі фазових діаграм системи Fe–O–H та температурних залежностей вільної енергії Гіббса. Показано, що стадія переходу вюститу в металеве залізо є найбільш енергетично та кінетично несприятливою в умовах класичного твердофазного відновлення. Обгрунтовано переваги використання водневої плазми, яка завдяки формуванню активованих форм водню істотно інтенсифікує відновні реакції та знижує дифузійні обмеження. Розглянуто рідиннофазні воднево-плазмові процеси та проблеми їх масштабування, пов’язані з ерозією електродів, деградацією футеровки й стабільністю електричної дуги. Запропоновано гібридну технологічну схему, що поєднує твердофазне водневе відновлення з плазмовим довідновленням, як найбільш енергоефективний і технологічно доцільний шлях впровадження водневої металургії в промислових масштабах. Бібліогр. 30, рис. 3.
Ключові слова: залізо, декарбонізація металургії, водневе і воднево-плазмове відновлення, оксиди заліза, гібридні технологічні схеми, термодинаміка системи Fe–O–H, кінетика відновлення заліза

Отримано 11.05.2026
Отримано у переглянутому вигляді 17.06.2026
Затверджено до друку 14.07.2026
Розміщено онлайн 24.07.2026

Список літератури

1. Azimi, A., Van der Spek, M. (2025) Prospective life cycle assessment suggests direct reduced iron is the most sustainable pathway to net-zero steelmaking. Industrial and Engineering Chemistry Research, 64(7), 3871-3885. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.4c03321
2. Pauna, H., Ernst, D., Zarl, M. et al. (2022) Hydrogen plasma smelting reduction process monitoring with optical emission spectroscopy - establishing the basis for the method. J. of Cleaner Production, 372, 133755. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.133755
3. Yu, S., Shao, L., Zou, Z. (2024) A numerical study on the process of the H2 shaft furnace equipped with a center gas distributor. Processes, 12(3), 444. https://doi.org/10.3390/pr12030444
4. Markotić, A., Dolić, N., Trujić, V. (2002) State of the direct reduction and reduction smelting processes. J. of Mining and Metallurgy, Section B: Metallurgy, 38(3-4), 123-141. https://doi.org/10.2298/JMMB0204123M
5. Shurkhal, V.Ya., Larin, V.K., Chernega, D.F. et al. (2000) Physics-chemistry of metallurgical systems and process: Manual. Kyiv, Vyshcha Shkola [in Ukrainian].
6. Tang, Q., Huang, K. (2022) Determining the kinetic rate constants of Fe3O4-to-Fe and FeO-to-Fe reduction by H2. Chemical Engineering J., 434, 134771. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.134771
7. Spreitzer, D., Schenk, J. (2019) Reduction of iron oxides with hydrogen - A review. Steel Research Inter., 90(10), 1900108. https://doi.org/10.1002/srin.201900108
8. Miškovičová, Z., Legemza, J., Demeter, P. et al. (2024) An overview analysis of current research status in iron oxides reduction by hydrogen. Metals. 14, 589. https://doi.org/10.3390/met14050589
9. Shapovalov, V.O., Mogylatenko, V.G., Biktagirov, F.K., Kozin, R.V. (2023) Analysis of direct reduction of iron by hydrogen. In: Proc. of 15th Inter. Sci.-Techn. Conf. on New Materials and Technologies in Mechanical Engineering, 27-28 April 2023, Kyiv, 33-40. https://foundry.kpi.ua/wp-content/uploads/2023/06/conferenziya_2023.pdf
10. Ranzani da Costa, A., Wagner Wagner, D., Patisson, F. (2013) Modelling a new, low CO2 emissions, hydrogen steelmaking process. J. of Cleaner Production, 46, 27-35. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2012.07.045
11. Zuo, H.B., Wang, C., Dong, J.J. et al. (2015) Reduction kinetics of iron oxide pellets with H2 and CO mixtures. Inter. J. of Minerals, Metallurgy and Materials, 22(7), 688-696. https://doi.org/10.1007/s12613-015-1123-x
12. Liu, D., Wang, X., Zhang, J. et al. (2017) Study on the controlling steps and reduction kinetics of iron oxide briquettes with CO-H2 mixtures. Metallurgical Research & Technology, 114(6), 611. https://doi.org/10.1051/metal/2017072
13. Heidari, A., Niknahad, N., Iljana, M., Fabritius, T. (2021) A review on the kinetics of iron ore reduction by hydrogen. Materials, 14(24), 7540. https://doi.org/10.3390/ma14247540
14. Patisson, F., Mirgaux, O., Birat, J.-P. (2021) Hydrogen steelmaking. Pt 1: Physical chemistry and process metallurgy. Matériaux&Techniques, 109(3-4), 303-313. https://doi.org/10.1051/mattech/2021025
15. El-Hussiny, N.A., Rafi, M., Abd El-Gawad, H.H., Shalabi, M.E.H. (2016) Pelletization of El-Dekhila iron oxide waste and reduced it by hydrogen gas. Inter. J. of Scientific&Engineering Research, 7(2), 575-581. https://www.researchgate.net/publication/299308916
16. Kuila, S.K., Chatterjee, R., Ghosh, D. (2016) Kinetics of hydrogen reduction of magnetite ore fines. Inter. J. of Hydrogen Energy, 41(22), 9256-9266. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.04.075
17. Satritama, B., Cooper, C., Fellicia, D. et al. (2024) Hydrogen plasma for low-carbon extractive metallurgy: oxides reduction, metals refining and wastes processing. J. of Sustainable Metallurgy, 10, 1845-1894. https://doi.org/10.1007/s40831-024-00915-1
18. Zhang, J., Peng, Z., Zhang, T. et al. (2025) Hydrogen plasma reduction of iron oxides. Inter. J. of Hydrogen Energy, 105, 910-920. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2025.01.322
19. Sabat, K.C., Murphy, A.B. (2017) Hydrogen plasma processing of iron ore. Metallurgical and Materials Transactions B, 48(3), 1561-1594. https://doi.org/10.1007/s11663-017-0957-1
20. Naseri Seftejani, M., Schenk, J. (2018) Thermodynamic of liquid iron ore reduction by hydrogen thermal plasma. Metals, 8, 1051. https://doi.org/10.3390/met8121051
21. Souza Filho, I.R., Ma, Y., Kulse, M. et al. (2021) Sustainable steel through hydrogen plasma reduction of iron ore: process, kinetics, microstructure, chemistry. Acta Materialia, 213, 116971. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116971
22. Boulos, M.I., Fauchais, P., Pfender, E. (1994) Thermal plasmas: Fundamentals and applications. New York, Springer. https://doi.org/10.1007/978-1-4899-1337-1
23. Hiebler, H., Plaul, J.F. (2004) Hydrogen plasma smelting reduction - an option for steelmaking in the future. Metalurgija, 43(3), 155-162. https://hrcak.srce.hr/file/189387
24. Shelyug, A., Pauna, H., Springer, H., Souza Filho, I.R. (2025) Puppet strings of hydrogen plasma reduction of iron ores: the impact of process parameters on plasma properties and reduction kinetics. Metallurgical and Materials Transactions B, 56, 5232-5245. https://doi.org/10.1007/s11663-025-03698-2
25. Figueiredo, J.N., Dally, B.B., Lacoste, D.A. (2025) From pure H2 to H2-CO2 mixtures: A study of reductant strategies in plasma iron smelting reduction. Applications in Energy and Combustion Science, 24, 100401. https://doi.org/10.1016/j.jaecs.2025.100401
26. Sabat, K.C. (2021) Physics and chemistry of solid state direct reduction of iron ore by hydrogen plasma. Physics and Chemistry of Solid State, 22(2), 292-300. https://doi.org/10.15330/pcss.22.2.292-300
27. Adami, B., Hoffelner, F., Zarl, M.A., Schenk, J. (2025) Strategic selection of a pre-reduction reactor for increased hydrogen utilization in hydrogen plasma smelting reduction. Processes, 13, 420. https://doi.org/10.3390/pr13020420
28. Ernst, D., Manzoor, U., Souza Filho, I.R. et al. (2023) Impact of iron ore pre-reduction degree on the hydrogen plasma smelting reduction process. Metals, 13, 558. https://doi.org/10.3390/met13030558
29. Zhyrov, D.M. (2011) Features of process of plasma-arc liquid-phase reduction of iron by gases: PhD thesis abstract, specialty 05.16.02. Kyiv, E.O. Paton Electric Welding Institute, NASU.
30. Putaala, H.-R., Pauna, H., Javed, A. et al. (2025) Effect of furnace parameters on optical emission spectra of hematite reduction by hydrogen plasma. Metallurgical and Materials Transactions B, 56, 3381-3397. https://doi.org/10.1007/s11663-025-03552-5
Ця стаття у відкритому доступі за Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Рекомендоване цитування

В.О. Шаповалов, Д.М. Жиров, В.Г. Могилатенко, Ф.К. Біктагіров, В.Р. Бурнашев (2026) Перспективи застосування плазмових технологій при відновленні заліза воднем. Сучасна електрометалургія, 03, 24-31. https://doi.org/10.37434/sem2026.03.04