目前，全球資源消耗量達到900億噸/年，嚴重阻礙環境可持續發展。多數原料提取制造過程為能源密集型，排放大量溫室氣體。可持續發展的關鍵戰略是原料回收和再利用，有助于實現循環經濟。該領域缺乏技術創新，迫切需要開發新的創新回收技術，然而原料開發規模和復雜性給技術創新增加了難度。
在商品金屬中，鋼鐵的回收利用尤為重要。粗鋼年產量超過19億噸，煉鋼過程的二氧化碳排放量約占人類活動排放量的7%。在鋼鐵生產過程中，CO2大部分為直接排放，生產1t鋼排放2.1-2.6t CO2。小型鋼廠使用電弧爐回收廢鋼，生產1噸鋼僅排放0.4-1.0t CO2，大部分CO2是發電所產生的間接排放。因此，在達到循環利用的閉環，CO2排放量會大大減少。然而，這取決(jue)于所回收(shou)鋼(gang)材(cai)的質量是(shi)否(fou)符合(he)要求。
消費(fei)者要求鋼材高質量，這需嚴格控制碳(tan)等元素。例如，在高強度(du)鋼中(zhong)，孿晶誘導的(de)塑(su)性對碳(tan)特別敏感(gan)，對車輛安全很重(zhong)要。其他(ta)汽(qi)車應用(yong)需要超低(di)碳(tan)（<0.003wt.%）來實現(xian)深沖性和更薄的(de)車身板。不銹鋼中(zhong)的(de)碳(tan)應保持低(di)水平，以減少敏化(hua)作用(yong)。為實現(xian)循環經濟，二次精煉(lian)必須(xu)滿足(zu)這些(xie)要求，將低(di)值廢鋼轉化(hua)為高值鋼。
為滿(man)足要(yao)(yao)求，電(dian)弧爐生產的鐵水需在多個反應器中處理(li)。需通過(guo)氬氧脫碳、真空罐(guan)脫氣或再循環脫氣精(jing)煉，使碳達到(dao)較低水平。雖然(ran)該(gai)工藝(yi)技(ji)術(shu)上可以脫碳，但分批處理(li)消耗(hao)熔(rong)劑，金屬流失(shi)到(dao)爐渣中。原(yuan)(yuan)料的可變性也是挑戰(zhan)，廢鋼成分變化大，電(dian)弧爐裝有(you)直接(jie)還(huan)原(yuan)(yuan)鐵，碳含(han)量高達4wt.%。因此，需要(yao)(yao)新技(ji)術(shu)處理(li)各種原(yuan)(yuan)料，使用更少(shao)熔(rong)劑，生產高價值(zhi)產品。
在(zai)許多方面，電(dian)(dian)解(jie)精(jing)煉技術(shu)（Electrochemical Refining Technology）可克服(fu)傳統(tong)技術(shu)的(de)局限。當(dang)反應(ying)(ying)在(zai)熱力(li)學(xue)上(shang)受阻時，應(ying)(ying)用(yong)電(dian)(dian)勢會迫使反應(ying)(ying)繼續進行(xing)。另(ling)外，電(dian)(dian)力(li)相對便宜(yi)，應(ying)(ying)用(yong)電(dian)(dian)弧(hu)爐的(de)小(xiao)型鋼(gang)廠(chang)已建立電(dian)(dian)力(li)基礎設施。電(dian)(dian)解(jie)精(jing)煉的(de)重點是碳飽和(he)鐵(tie)(tie)反應(ying)(ying)機制。碳飽和(he)鐵(tie)(tie)也稱為鐵(tie)(tie)水，是綜合性鋼(gang)廠(chang)的(de)高爐產品。因此，電(dian)(dian)弧(hu)爐小(xiao)型鋼(gang)廠(chang)、脫(tuo)碳或(huo)下(xia)游低碳鋼(gang)生(sheng)產不存在(zai)電(dian)(dian)解(jie)精(jing)煉工(gong)藝。
本(ben)文(wen)闡述了利用(yong)電(dian)(dian)解(jie)精煉工藝(yi)(yi)使(shi)鐵(tie)(tie)(tie)水(shui)直(zhi)接(jie)脫碳的(de)理念。通(tong)過在(zai)(zai)鐵(tie)(tie)(tie)水(shui)和(he)爐渣之間(jian)應用(yong)電(dian)(dian)動勢，可使(shi)鐵(tie)(tie)(tie)水(shui)直(zhi)接(jie)脫碳。本(ben)文(wen)證(zheng)明了爐渣中氧化物(wu)離子(zi)的(de)陽極放電(dian)(dian)直(zhi)接(jie)發生在(zai)(zai)鐵(tie)(tie)(tie)水(shui)中的(de)碳上，碳在(zai)(zai)溶解(jie)在(zai)(zai)鐵(tie)(tie)(tie)水(shui)中，并使(shi)用(yong)這種(zhong)技術生產(chan)超(chao)低(di)碳鋼(gang)。在(zai)(zai)鐵(tie)(tie)(tie)水(shui)脫碳的(de)同時(shi)，有價值(zhi)的(de)副(fu)產(chan)品(pin)——冶金級硅被(bei)收(shou)集(ji)在(zai)(zai)對(dui)電(dian)(dian)極上，供鋼(gang)鐵(tie)(tie)(tie)廠使(shi)用(yong)。該工藝(yi)(yi)能(neng)量(liang)輸入(ru)低(di)，無需熔劑。因此(ci)，本(ben)文(wen)預測電(dian)(dian)解(jie)精煉工藝(yi)(yi)可滿足二級鋼(gang)廠的(de)未來需求。
熔融電(dian)解精煉的概念和(he)應用(yong)
在(zai)實踐中(zhong)，碳對氧(yang)(yang)(yang)(yang)親和(he)力高，而且作(zuo)(zuo)為產物(wu)的(de)氣(qi)態CO很(hen)容(rong)易被去(qu)除。在(zai)工業轉爐中(zhong)，使用氣(qi)態氧(yang)(yang)(yang)(yang)及其稀釋(shi)后的(de)混合(he)物(wu)，通過(guo)噴槍(qiang)和(he)風(feng)口吹入，進行(xing)鐵水脫(tuo)碳。利(li)用這種方式，脫(tuo)碳不僅(jin)在(zai)撞擊熱點處進行(xing)，還間接地(di)通過(guo)溶解在(zai)鐵中(zhong)的(de)氧(yang)(yang)(yang)(yang)進行(xing)。本文中(zhong)的(de)鐵水脫(tuo)碳是通過(guo)煉鋼爐渣(zha)中(zhong)的(de)氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)物(wu)離子電(dian)化(hua)學放電(dian)，不依靠中(zhong)性氧(yang)(yang)(yang)(yang)原子，也不依靠分子與(yu)碳的(de)化(hua)學反應(ying)。脫(tuo)碳過(guo)程可通過(guo)釋(shi)放氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)物(wu)離子形成CO，無需氧(yang)(yang)(yang)(yang)氣(qi)作(zuo)(zuo)為中(zhong)間介質。
為(wei)研究(jiu)鐵(tie)(tie)水(shui)的電(dian)(dian)解(jie)精(jing)煉(lian)，設計了電(dian)(dian)化學(xue)電(dian)(dian)池，如圖1（a）所(suo)示。使(shi)用二硼化鋯作為(wei)惰性電(dian)(dian)極(ji)連接鐵(tie)(tie)水(shui)，使(shi)鐵(tie)(tie)自由極(ji)化。對電(dian)(dian)極(ji)在電(dian)(dian)池中(zhong)垂直定向，并偏離中(zhong)心(xin)，以保證氣體不間斷逸出，并目視觀察電(dian)(dian)池（圖1（b））。鐵(tie)(tie)碳中(zhong)間合金在氧化物基熔渣中(zhong)陽極(ji)極(ji)化，實現脫碳，熔渣起(qi)著電(dian)(dian)解(jie)液的作用。電(dian)(dian)池電(dian)(dian)勢(shi)為(wei)脫碳反(fan)應(ying)提供了熱力學(xue)驅(qu)動力，使(shi)碳水(shui)平(ping)降至極(ji)低。
來源：世界金屬導報 2022-04-09 11:32