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，這取決于所回收鋼材的質量是否符合要求。

　　消費者要求鋼材高質量，這需嚴格控制碳等元素。例如，在高強度鋼中，孿晶誘導的塑性對碳特別敏感，對車輛安全很重要。其他汽車應用需要超低碳（<0.003wt.%）來實現深沖性和更薄的車身板。不銹鋼中的碳應保持低水平，以減少敏化作用。為實現循環經濟，二次精煉必須滿足這些要求，將低值廢鋼轉化為高值鋼。

　　為滿足要求，電弧爐生產的鐵水需在多個反應器中處理。需通過氬氧脫碳、真空罐脫氣或再循環脫氣精煉，使碳達到較低水平。雖然該工藝技術上可以脫碳，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，廢鋼成分變化大，電弧爐裝有直接還原鐵，碳含量高達4wt.%。因此，需要新技術處理各種原料，使用更少熔劑，生產高價值產品。

　　在許多方面，電解精煉技術（Electrochemical Refining Technology）可克服傳統技術的局限。當反應在熱力學上受阻時，應用電勢會迫使反應繼續進行。另外，電力相對便宜，應用電弧爐的小型鋼廠已建立電力基礎設施。電解精煉的重點是碳飽和鐵反應機制。碳飽和鐵也稱為鐵水，是綜合性鋼廠的高爐產品。因此，電弧爐小型鋼廠、脫碳或下游低碳鋼生產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用電動勢，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生在鐵水中的碳上，碳在溶解在鐵水中，并使用這種技術生產超低碳鋼。在鐵水脫碳的同時，有價值的副產品——冶金級硅被收集在對電極上，供鋼鐵廠使用。該工藝能量輸入低，無需熔劑。因此，本文預測電解精煉工藝可滿足二級鋼廠的未來需求。

　　熔融電解精煉的概念和應用

　　在實踐中，碳對氧親和力高，而且作為產物的氣態CO很容易被去除。在工業轉爐中，使用氣態氧及其稀釋后的混合物，通過噴槍和風口吹入，進行鐵水脫碳。利用這種方式，脫碳不僅在撞擊熱點處進行，還間接地通過溶解在鐵中的氧進行。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放電，不依靠中性氧原子，也不依靠分子與碳的化學反應。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。

　　為研究鐵水的電解精煉，設計了電化學電池，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，實現脫碳，熔渣起著電解液的作用。電池電勢為脫碳反應提供了熱力學驅動力，使碳水平降至極低。

　　來源：世界金屬導報 2022-04-09 11:32