目前，全球資源消耗量達到900億噸/年，嚴重阻礙環(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?？沙掷m(xù)發(fā)展的關(guān)鍵戰(zhàn)略是原料回收和再利用，有助于實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟。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2.1-2.6tCO2。小型鋼廠使用電弧爐回收廢鋼，生產(chǎn)1噸鋼僅排放0.4-1.0tCO2，大部分CO2是發(fā)電所產(chǎn)生的間接排放。因此，在達到循環(huán)利用的閉環(huán)，CO2排放量會大大減少。然而，這取決于所回收鋼材的質(zhì)量是否符合要求。
消費者要求鋼材高質(zhì)量，這需嚴格控制碳等元素。例如，在高強度鋼中，孿晶誘導(dǎo)的塑性對碳特別敏感，對車輛安全很重要。其他汽車應(yīng)用需要超低碳（<0.003wt.%）來實現(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。為實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟，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)高價值產(chǎn)品。
在許多方面，電解精煉技術(shù)（ElectrochemicalRefiningTechnology）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，應(yīng)用電勢會迫使反應(yīng)繼續(xù)進行。另外，電力相對便宜，應(yīng)用電弧爐的小型鋼廠已建立電力基礎(chǔ)設(shè)施。電解精煉的重點是碳飽和鐵反應(yīng)機制。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(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，有價值的副產(chǎn)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(yù)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(yīng)用
在實踐中，碳對氧親和力高，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(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)計了電化學(xué)電池。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。鐵碳中間合金在氧化物基熔渣中陽極極化，實現(xiàn)脫碳，熔渣起著電解液的作用。電池電勢為脫碳反應(yīng)提供了熱力學(xué)驅(qū)動力，使碳水平降至極低。
可以觀察到，陽極極化時，從鐵水-碳電極釋放出了氣體。在恒流模式下，跟蹤廢氣成分隨時間的變化，在極化開始時檢測到CO釋放。定期降低電池電流，觀察其對氣體釋放的影響。CO濃度隨電流密度反復(fù)變化，在電流停止后恢復(fù)到基值水平，有力證明了電化學(xué)脫碳效果。此外，在設(shè)置中未使用任何石墨或碳，爐中唯一的碳源為工作電極。
對工作電極進行檢索和燃燒分析，證實發(fā)生了脫碳。電解精煉后，中間合金中的碳濃度從3.78wt.%降低到0.84wt.%，電流效率高達76%。精煉后鐵水中的總氧含量僅為0.0054wt.%，表明鋼清潔度很高，并突出了氧化物直接排放到碳上，未進入鐵浴。爐渣中氧化鐵含量增加的少，估計會造成5%-8%的損失。我們假設(shè)氧化物離子直接在碳原子上放電。
在電解精煉過程中，對電極起陰極作用。在對電極處回收副產(chǎn)品——金屬硅，在煉鋼廠中使用。將爐渣設(shè)計為含有二氧化硅和其他更負電的金屬氧化物，促進硅的回收。檢索電極表征，證實金屬硅沉積，與鉬基材形成合金?？赡芤驗槭褂昧说碗娏髅芏群透呒兌妊趸?，陰極相應(yīng)電流效率接近90%。
在鐵水和爐渣之間施加電動勢，可利用電能實現(xiàn)鐵水脫碳。該工藝為直接氧化脫碳，可通過優(yōu)化電流或電位調(diào)制，進一步提高效率。
電解精煉基礎(chǔ)測試
經(jīng)概念驗證和電化學(xué)的試驗結(jié)果，探索了電解精煉的可能性，對該技術(shù)進行基礎(chǔ)測試。用較低電流密度，電解精煉逐漸稀釋的合金。如圖4（a）所示，碳濃度隨著脫碳電流效率的降低而降低。但電流效率永遠不會達到零，在任何碳濃度下均可進行熔融電解精煉。對含碳量僅為0.005wt.%的鐵水進行電解精煉脫碳，脫碳后的碳含量低于0.001wt.%，引入電解精煉工藝制造超低碳鋼。盡管此處的電流效率僅為1%-2%，但由于電池電流低，充電和能量損失幅度很小。通過優(yōu)化電池電流或電勢，提高電流效率。
密切監(jiān)測爐渣中的總鐵含量，該含量保持在低水平，略增加到接近熱動態(tài)平衡的值。因為交換的電子數(shù)量未知，沒有量化鐵氧化引起的電流效率的損失。在試驗中檢測到熔渣中的FeO和Fe2O3，它們根據(jù)熔渣中的局部電位梯度達到復(fù)雜的平衡?？紤]每單位電荷損失的鐵量，鐵損失量往往在低碳水平時增加。雖然低碳水平下的鐵損失似乎很高，但實際上，由于電池電流很小，損失量很小。
為減少鐵損，改變電池的極性，研究精煉后爐渣的電化學(xué)回收率。將鐵水作為陰極，鐵從爐渣中沉積出來，在爐渣中的濃度顯著降低。因此，可從爐渣中回收損失的鐵，提高工藝回收率。因為不銹鋼制造技術(shù)，即氬氧脫碳，需在精煉后使用昂貴的硅鐵還原。而通過電化學(xué)回收，可節(jié)省熔劑，降成本的潛力很大。
為評估鋼的清潔度，測量鐵水中總氧量，即鐵水中溶解的氧與夾雜物中氧的總和。盡管碳含量低，但電解精煉后鐵水的總氧含量非常低，可能接近溶解氧，表明鋼的清潔度很高。低氧水平低于碳的平衡溶解度極限，進一步證明氧化物離子直接釋放在界面處的碳表面，而不是進入鐵水中，這與增加鋼氧化的傳統(tǒng)脫碳工藝形成鮮明對比?？傃趿侩S爐渣中鐵總量變化，因為兩者之間的熱力學(xué)關(guān)系，是可以預(yù)期的。
為了解能量需求，使用平均電池電位和電流效率確定能量消耗。單位能耗大多保持在10-20kWh/kg碳左右，理論能耗范圍為2-8kWh/kg碳?？傮w而言，電解精煉的能耗較低，產(chǎn)品碳含量低，附加值高。為了探索電解精煉工藝對工業(yè)用途的重要性，對電解精煉電池成本進行分析。雖然結(jié)果很難準確，但結(jié)果說明，電解精煉工藝在高價值低碳范圍內(nèi)具有競爭優(yōu)勢，值得大范圍試驗推廣。
本文闡述了利用電解精煉工藝使鐵水脫碳的理念。在鐵水陽極極化時，來自熔渣電解質(zhì)的氧化物離子，經(jīng)一系列單電子轉(zhuǎn)移步驟，直接釋放到碳上，氣態(tài)CO解吸。陽極釋放出CO，冶金級硅在陰極被回收，在鋼鐵廠中使用。
電解精煉工藝適用于任何含碳量的鐵水，可生產(chǎn)超低碳鋼，具有諸多優(yōu)點，如能耗低、不需添加熔劑、自混合、自爐渣回收金屬。該工藝除滿足當(dāng)前優(yōu)質(zhì)鋼需求之外，還通過簡單的工藝控制和降低氣體、脫氧劑和耐火原料的消耗量來節(jié)約成本。
電解精煉工藝除了作為獨立工藝運行，可與現(xiàn)有技術(shù)結(jié)合使用，加強精煉?？梢栽O(shè)想電解精煉工藝在小型鋼廠的電弧爐中應(yīng)用，以現(xiàn)有電氣基礎(chǔ)設(shè)施，生產(chǎn)高價值鋼材產(chǎn)品。電解精煉通過提高再生鋼質(zhì)量，有利于形成原料循環(huán)的閉環(huán)，減少資源消耗，減少煉鋼過程中的碳排放。
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