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2.1-2.6tCO2。小型鋼廠使用電弧爐回收廢鋼，生產1噸鋼僅排放0.4-1.0tCO2，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（ElectrochemicalRefiningTechnology）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。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。
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變化，在電流停止后恢復到基值水平，有力證明了電化學脫碳效果。此外，在設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品——金屬硅，在煉鋼廠中使用。將爐渣設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。可能因為使用了低電流密度和高純度氧化物，陰極相應電流效率接近90%。
在鐵水和爐渣之間施加電動勢，可利用電能實現鐵水脫碳。該工藝為直接氧化脫碳，可通過優化電流或電位調制，進一步提高效率。
電解精煉基礎測試
經概念驗證和電化學的試驗結果，探索了電解精煉的可能性，對該技術進行基礎測試。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。通過優化電池電流或電勢，提高電流效率。
密切監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平衡的值。因為交換的電子數量未知，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，它們根據熔渣中的局部電位梯度達到復雜的平衡。考慮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，即氬氧脫碳，需在精煉后使用昂貴的硅鐵還原。而通過電化學回收，可節省熔劑，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脫碳工藝形成鮮明對比。總氧量隨爐渣中鐵總量變化，因為兩者之間的熱力學關系，是可以預期的。
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。總體而言，電解精煉的能耗較低，產品碳含量低，附加值高。為了探索電解精煉工藝對工業用途的重要性，對電解精煉電池成本進行分析。雖然結果很難準確，但結果說明，電解精煉工藝在高價值低碳范圍內具有競爭優勢，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，來自熔渣電解質的氧化物離子，經一系列單電子轉移步驟，直接釋放到碳上，氣態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，可生產超低碳鋼，具有諸多優點，如能耗低、不需添加熔劑、自混合、自爐渣回收金屬。該工藝除滿足當前優質鋼需求之外，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約成本。
電解精煉工藝除了作為獨立工藝運行，可與現有技術結合使用，加強精煉。可以設想電解精煉工藝在小型鋼廠的電弧爐中應用，以現有電氣基礎設施，生產高價值鋼材產品。電解精煉通過提高再生鋼質量，有利于形成原料循環的閉環，減少資源消耗，減少煉鋼過程中的碳排放。
免責聲明：tiegu發布的原創及轉載內容，僅供客戶參考，不作為決策建議。原創內容版權與歸tiegu所有，轉載需取得tiegu書面授權，且tiegu保留對任何侵權行為和有悖原創內容原意的引用行為進行追究的權利。轉載內容來源于網絡，目的在于傳遞更多信息，方便學習交流，并不代表tiegu贊同其觀點及對其真實性、完整性負責。如無意中侵犯了您的版權，敬請告之，核實后，將根據著作權人的要求，立即更正或者刪除有關內容。申請授權及投訴，請聯系tiegu（400-8533-369）處理。