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Ein wesentlicher Umweltaspekt in der Stahlproduktion ist die Reduktion von CO₂ Emissionen [1]. Eine vielversprechende Strategie zur Bewältigung dieser Herausforderung besteht darin, Erdgas teilweise durch Wasserstoff als zusätzlichen Brennstoff in Industrieöfen zu ersetzen. Daher ist es entscheidend, den Einfluss unterschiedlicher Verbrennungsatmosphären auf Stahl und dessen Oxidationsverhalten zu verstehen. Obwohl die Phasenanalyse von Oxidschichten mittels Röntgendiffraktometrie in früheren Studien bereits behandelt wurde, konzentrierten sich diese meist auf die äußere Oberfläche oder stützten sich auf Querschnitte [2, 3]. Diese bestehen jedoch oftmals aus sehr dünnen Schichten, was sowohl die verfügbare Messfläche einschränkt als auch das Risiko einer Nichtdetektion von Minderphasen erhöht. Aus diesem Grund wurde eine schichtweise Analyse mittels Röntgendiffraktometrie durchgeführt, die einen neuartigen Ansatz zur detaillierten Untersuchung von Oxidschichten darstellt.
Mit diesem Ansatz wird der Einfluss verschiedener Verbrennungsatmosphären – Erdgas/Luft im Vergleich zu Wasserstoff/Luft – auf die Phasenbildung innerhalb der auf einem Federstahl entstandenen Oxidschichten untersucht. Die Proben werden bei 1100 °C für 90 Minuten in einem semi-industriellen Ofen oxidiert. In beiden Verbrennungsatmosphären zeigen sich keine signifikanten Unterschiede in der Phasenzusammensetzung der Oxidschichten. Ergänzende mikrostrukturelle und chemische Analysen mittels Rasterelektronenmikroskopie und energiedispersiver Röntgenspektroskopie liefern detaillierte Einblicke in die Zusammensetzung und Elementverteilungen, insbesondere an der Grenzfläche zwischen Metall und Oxidschicht.
Trotz der unterschiedlichen Verbrennungsbedingungen bleiben das chemische Verhalten und die Phasenverteilung innerhalb der Oxidschicht sowohl bei Erdgas- als auch bei Wasserstoffbefeuerung konsistent. Diese Ergebnisse bestätigen, dass die Wasserstoffverbrennung weder die Zusammensetzung noch die chemischen Eigenschaften der Oxidschicht negativ beeinflusst. Die beobachtete Stabilität der Phasenbildung sowie der Grenzflächenchemie unterstreicht die Eignung von Wasserstoff als nachhaltigen alternativen Brennstoff in der Stahlproduktion, ohne die Integrität oder Eigenschaften der Oxidschicht zu beeinträchtigen.
[1] International-Energy-Agency, Global energy review 2025: CO2 emissions (2025).
url: https://www.iea.org/reports/global-energy-review-2025/co2-emissions
[2] D. Zhang et al., High-temperature oxidation mechanism of Fe-3.0 wt% Si electrical steel with hybrid atmosphere, Journal of Alloys and Compounds 913 (2022) 165247.
[3] R. Y. Chen et al., Oxide-scale structures formed on commercial hot-rolled steel strip and their formation mechanisms, Oxidation of Metals 56 (2001) 89–118.