Vätgasplasma minskade återoxidationen, men stora hinder återstår
Australiska forskare har testat vätgasplasma som ett sista reduktionssteg för finmalm och förreducerat järn. Pulvret blev mindre benäget att återoxidera, men den aktuella reaktorn förlorade över 90 procent av materialet, nådde under 10 procents metalliseringsgrad och använde mycket energi. Resultaten pekar mot ett möjligt komplement snarare än en genväg till storskalig fossilfri järnproduktion.
Vätgasbaserad direktreduktion är en av de viktigaste teknikvägarna när stålindustrin ska lämna kolet. I en konventionell direktreduktionsprocess reagerar vätgas med järnoxid i fast form och bildar järn och vattenånga. Processen kräver emellertid att malmen har rätt egenskaper och ofta har förädlats till pellets.
Vätgasplasma erbjuder en annan väg. Vid mycket höga temperaturer bildas reaktiva vätearter som kan påskynda reduktionen. Om finmalet järnmalmspulver förs direkt genom plasman skulle pelletisering eller sintring i teorin kunna undvikas, samtidigt som den snabba reaktionen kan minska behovet av stora reaktorer.
En studie från Australian National University, Swinburne University of Technology och den statliga forskningsorganisationen CSIRO visar emellertid hur svårt det är att omsätta principen i en fungerande process.
Malmpulver genom en plasmareaktor
Forskarna testade en ny laboratoriereaktor med namnet SwinH₂+ som använder en likströmsdriven plasmabrännare och matar kontinuerligt in järnmalmspulver i en ström av argon och vätgas.
När partiklarna passerar genom plasman värms de snabbt, smälter eller förångas delvis och reduceras. Därefter kyls de och stelnar på nytt längre ned i reaktorn. Processen kallas in-flight-reduktion eftersom reaktionen ska äga rum medan partiklarna färdas genom plasmaströmmen.
Reaktorn kördes med en elektrisk effekt på mellan 36 och 41 kilowatt och med upp till 9 procent vätgas i plasmagasen. Pulvret matades in med en nominell hastighet på mellan 10 och 15 gram per minut. Varje försök pågick i högst två minuter.
Två australiska järnmalmer undersöktes. Den ena var en hematit- och goethitmalm från Pilbararegionen med 57,8 procent järn. Den andra var en mer högvärdig magnetitmalm från Tasmanien med 66,8 procent järn. Delar av den förstnämnda malmen reducerades i förväg med vätgas för att forskarna skulle kunna undersöka om plasman lämpade sig som ett avslutande reduktionssteg.
Partiklarna passerade för snabbt
Den största svårigheten var att styra hur länge partiklarna befann sig i den heta och reaktiva delen av plasman. Malmpulvret och den reducerande gasen rörde sig i samma riktning, vilket gjorde det svårt att förlänga partiklarnas uppehållstid utan att samtidigt förändra gasflödet.
När plasmagasen innehöll 9 procent vätgas tillfördes omkring 1,6 gånger så mycket vätgas som teoretiskt behövdes för att reducera den torkade hematitmalmen till järn. Trots det uppgick metalliseringsgraden till endast 8,3 procent.
Reduktionen blev dessutom ojämn. Vissa partiklar innehöll mycket metalliskt järn, medan andra bara hade reducerats i begränsad omfattning. Forskarna bedömer att partiklarna passerade genom olika delar av plasman och därför utsattes för olika temperaturer och reaktionstider.
Magnetitmalmen reducerades mer än hematitmalmen under motsvarande förhållanden. Ökningen av reduktionsgraden var omkring 3,5 gånger större. Forskarna kan dock inte slå fast att skillnaden berodde på själva mineralet, eftersom magnetitpulvret också bestod av mindre partiklar och hade en annan kemisk sammansättning.
Mer än 90 procent kunde inte samlas in
Ett ännu större problem var materialutbytet. Mindre än 10 procent av det inmatade hematitbaserade pulvret kunde samlas in som färdig produkt i reaktorns uppsamlingsdel.
En stor del av materialet fastnade på plasmabrännaren eller reaktorväggarna. Annat material kan ha förångats och sedan lämnat reaktorn som mycket små partiklar som uppsamlingsfiltret inte kunde fånga. Forskarna beskriver därför materialförlusten som större än 90 procent.
Även energianvändningen var hög. Vid 40 kilowatts effekt och en pulvermatning på 10 gram i minuten använde reaktorn omkring 67 kilowattimmar per kilogram malm, motsvarande 67 megawattimmar per ton. Beräkningen omfattar endast den el som tillfördes plasmabrännaren och tar inte hänsyn till möjlig framtida värmeåtervinning.
Det är lägre än i flera tidigare försök med flygande plasmareduktion, men fortfarande högre än de 40–41,7 kilowattimmar per kilogram som har rapporterats för plasmareaktorer med smältbad. Dessa har samtidigt nått en reduktionsgrad över 95 procent.
Forskarna konstaterar därför att reaktorer där partiklar och gas färdas i samma riktning sannolikt får svårt att konkurrera med smältbadsteknik vid storskalig järnproduktion.
Pulvret tålde luft bättre
Försöken gav samtidigt ett resultat som kan vara användbart i mer avgränsade tillämpningar. Det plasmabehandlade pulvret var mindre benäget att återoxidera än järn som enbart hade direktreducerats med vätgas.
När partiklarna smälte och stelnade på nytt slöts porerna. Metalliskt järn kapslades dessutom delvis in av slagg eller järnoxid. Det skyddade materialet mot kontakt med syre och bromsade återoxidationen vid temperaturer under 800 grader.
Återoxidation är ett praktiskt problem vid hantering av direktreducerat järn. Poröst järn kan reagera med luft, utveckla värme och i vissa fall innebära brandrisk vid lagring och transport. Järnsvamp pressas därför ofta till briketter för att bli stabilare.
Forskarna ser en möjlig nisch där finmalm först reduceras långt i en fluidiserad bädd och därefter passerar genom en plasmareaktor för den sista reduktionen och en samtidig passivering. Plasmabehandlingen skulle då inte ersätta direktreduktionen utan komplettera den.
Innan en sådan process kan bedömas krävs emellertid försök med betydligt mer förreducerat material. I den aktuella studien var förreduktionen för begränsad för att visa att plasmasteget faktiskt kan framställa järn med hög metalliseringsgrad.
Ingen konkurrent till dagens nordiska projekt
Resultaten ska inte jämföras direkt med Hybrits eller Stegras planerade processer. De bygger på vätgasbaserad direktreduktion i schaktugn och arbetar med pellets, medan den australiska forskningen gäller finmalm som passerar genom en plasmareaktor under mycket kort tid.
Studien visar inte heller att plasmatekniken kan minska investeringskostnaden eller energianvändningen i en industriell anläggning. Någon fullständig teknoekonomisk jämförelse har inte gjorts.
Reaktorn saknade dessutom möjlighet att direkt mäta plasmans temperatur, partiklarnas banor och deras uppehållstid i reaktionszonen. Resultaten beskriver därför främst den aktuella laboratoriereaktorn och kan inte utan vidare överföras till andra konstruktioner.
Möjliga förbättringar är bland annat en annan pulverinmatning, förändrade gasflöden eller en reaktor där gas och partiklar rör sig i motsatta riktningar. Det skulle kunna öka uppehållstiden och utnyttja vätgasen bättre, men någon sådan plasmareaktor har enligt forskarna ännu inte demonstrerats.
Studiens värde ligger därför mindre i den metall som producerades än i att den identifierar teknikens avgörande hinder. Snabb reaktionskemi räcker inte om partiklarna lämnar reaktionszonen för tidigt, fastnar i utrustningen eller kräver så mycket el att processen saknar industriell konkurrenskraft.
Vätgasplasma kan fortfarande få en roll i framtidens metallurgi. Den aktuella reaktorn visar däremot att rollen i första hand kan finnas i specialiserade processteg, inte som en färdig genväg till storskaligt fossilfritt järn.
Referens
Christopher Cooper, Bima Satritama, M. Akbar Rhamdhani, Duy Quang Pham, Andrew S. M. Ang, Dian Fellicia, Reiza Mukhlis, Christopher C. Berndt, Geoff Brooks, John Pye och Alireza Rahbari: ”Process Evaluation of Ironmaking Using In-Flight Hydrogen Plasma Reduction of Partially Pre-reduced Iron Ore”. Journal of Sustainable Metallurgy, volym 12, sidorna 5448–5462, 2026. Publicerad den 24 augusti 2026. DOI: 10.1007/s40831-026-01624-7