目前，全球資源消耗量達(dá)到900億噸/年，嚴(yán)重阻礙環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。多數(shù)原料提取制造過程為能源密集型，排放大量溫室氣體。可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵戰(zhàn)略是原料回收和再利用，有助于實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)。該領(lǐng)域缺乏技術(shù)創(chuàng)新，迫切需要開發(fā)新的創(chuàng)新回收技術(shù)，然而原料開發(fā)規(guī)模和復(fù)雜性給技術(shù)創(chuàng)新增加了難度。
在商品金屬中，鋼鐵的回收利用尤為重要。粗鋼年產(chǎn)量超過19億噸，煉鋼過程的二氧化碳排放量約占人類活動(dòng)排放量的7%。在鋼鐵生產(chǎn)過程中，CO2大部分為直接排放，生產(chǎn)1t鋼排放2.1-2.6t CO2。小型鋼廠使用電弧爐回收廢鋼，生產(chǎn)1噸鋼僅排放0.4-1.0t CO2，大部分CO2是發(fā)電所產(chǎn)生的間接排放。因此，在達(dá)到循環(huán)利用的閉環(huán)，CO2排放量會(huì)大大減少。然而，這取決于所回收鋼材的質(zhì)量是否符合要求。
消費(fèi)者要求鋼材高質(zhì)量，這需嚴(yán)格控制碳等元素。例如，在高強(qiáng)度鋼中，孿晶誘導(dǎo)的塑性對(duì)碳特別敏感，對(duì)車輛安全很重要。其他汽車應(yīng)用需要超低碳（<0.003wt.%）來實(shí)現(xiàn)深沖性和更薄的車身板。不銹鋼中的碳應(yīng)保持低水平，以減少敏化作用。為實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)，二次精煉必須滿足這些要求，將低值廢鋼轉(zhuǎn)化為高值鋼。
為滿足要求，電弧爐生產(chǎn)的鐵水需在多個(gè)反應(yīng)器中處理。需通過氬氧脫碳、真空罐脫氣或再循環(huán)脫氣精煉，使碳達(dá)到較低水平。雖然該工藝技術(shù)上可以脫碳，但分批處理消耗熔劑，金屬流失到爐渣中。原料的可變性也是挑戰(zhàn)，廢鋼成分變化大，電弧爐裝有直接還原鐵，碳含量高達(dá)4wt.%。因此，需要新技術(shù)處理各種原料，使用更少熔劑，生產(chǎn)高價(jià)值產(chǎn)品。
在許多方面，電解精煉技術(shù)（Electrochemical Refining Technology）可克服傳統(tǒng)技術(shù)的局限。當(dāng)反應(yīng)在熱力學(xué)上受阻時(shí)，應(yīng)用電勢(shì)會(huì)迫使反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。另外，電力相對(duì)便宜，應(yīng)用電弧爐的小型鋼廠已建立電力基礎(chǔ)設(shè)施。電解精煉的重點(diǎn)是碳飽和鐵反應(yīng)機(jī)制。碳飽和鐵也稱為鐵水，是綜合性鋼廠的高爐產(chǎn)品。因此，電弧爐小型鋼廠、脫碳或下游低碳鋼生產(chǎn)不存在電解精煉工藝。
本文闡述了利用電解精煉工藝使鐵水直接脫碳的理念。通過在鐵水和爐渣之間應(yīng)用電動(dòng)勢(shì)，可使鐵水直接脫碳。本文證明了爐渣中氧化物離子的陽極放電直接發(fā)生在鐵水中的碳上，碳在溶解在鐵水中，并使用這種技術(shù)生產(chǎn)超低碳鋼。在鐵水脫碳的同時(shí)，有價(jià)值的副產(chǎn)品——冶金級(jí)硅被收集在對(duì)電極上，供鋼鐵廠使用。該工藝能量輸入低，無需熔劑。因此，本文預(yù)測(cè)電解精煉工藝可滿足二級(jí)鋼廠的未來需求。
熔融電解精煉的概念和應(yīng)用
在實(shí)踐中，碳對(duì)氧親和力高，而且作為產(chǎn)物的氣態(tài)CO很容易被去除。在工業(yè)轉(zhuǎn)爐中，使用氣態(tài)氧及其稀釋后的混合物，通過噴槍和風(fēng)口吹入，進(jìn)行鐵水脫碳。利用這種方式，脫碳不僅在撞擊熱點(diǎn)處進(jìn)行，還間接地通過溶解在鐵中的氧進(jìn)行。本文中的鐵水脫碳是通過煉鋼爐渣中的氧化物離子電化學(xué)放電，不依靠中性氧原子，也不依靠分子與碳的化學(xué)反應(yīng)。脫碳過程可通過釋放氧化物離子形成CO，無需氧氣作為中間介質(zhì)。
為研究鐵水的電解精煉，設(shè)計(jì)了電化學(xué)電池，如圖1（a）所示。使用二硼化鋯作為惰性電極連接鐵水，使鐵自由極化。對(duì)電極在電池中垂直定向，并偏離中心，以保證氣體不間斷逸出，并目視觀察電池（圖1（b））。鐵碳中間合金在氧化物基熔渣中陽極極化，實(shí)現(xiàn)脫碳，熔渣起著電解液的作用。電池電勢(shì)為脫碳反應(yīng)提供了熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力，使碳水平降至極低。
來源：世界金屬導(dǎo)報(bào) 2022-04-09 11:32