目前，全球资源消耗量达到900亿吨/年，严重阻碍环境可持续发展。多数原料提取制造过程为能源密集型，排放大量温室气体。可持续发展的关键战略是原料回收和再利用，有助于实现循环经济。该领域缺乏技术创新，迫切需要开发新的创新回收技术，然而原料开发规模和复杂性给技术创新增加了难度。

　　在商品金属中，钢铁的回收利用尤为重要。粗钢年产量超过19亿吨，炼钢过程的二氧化碳排放量约占人类活动排放量的7%。在钢铁生产过程中，CO₂大部分为直接排放，生产1t钢排放2.1-2.6t CO₂。小型钢厂使用电弧炉回收废钢，生产1吨钢仅排放0.4-1.0t CO₂，大部分CO₂是发电所产生的间接排放。因此，在达到循环利用的闭环，CO₂排放量会大大减少。然而，这取决于所回收钢材的质量是否符合要求。

　　消费者要求钢材高质量，这需严格控制碳等元素。例如，在高强度钢中，孪晶诱导的塑性对碳特别敏感，对车辆安全很重要。其他汽车应用需要超低碳（<0.003wt.%）来实现深冲性和更薄的车身板。不锈钢中的碳应保持低水平，以减少敏化作用。为实现循环经济，二次精炼必须满足这些要求，将低值废钢转化为高值钢。

　　为满足要求，电弧炉生产的铁水需在多个反应器中处理。需通过氩氧脱碳、真空罐脱气或再循环脱气精炼，使碳达到较低水平。虽然该工艺技术上可以脱碳，但分批处理消耗熔剂，金属流失到炉渣中。原料的可变性也是挑战，废钢成分变化大，电弧炉装有直接还原铁，碳含量高达4wt.%。因此，需要新技术处理各种原料，使用更少熔剂，生产高价值产品。

　　在许多方面，电解精炼技术（Electrochemical Refining Technology）可克服传统技术的局限。当反应在热力学上受阻时，应用电势会迫使反应继续进行。另外，电力相对便宜，应用电弧炉的小型钢厂已建立电力基础设施。电解精炼的重点是碳饱和铁反应机制。碳饱和铁也称为铁水，是综合性钢厂的高炉产品。因此，电弧炉小型钢厂、脱碳或下游低碳钢生产不存在电解精炼工艺。

　　本文阐述了利用电解精炼工艺使铁水直接脱碳的理念。通过在铁水和炉渣之间应用电动势，可使铁水直接脱碳。本文证明了炉渣中氧化物离子的阳极放电直接发生在铁水中的碳上，碳在溶解在铁水中，并使用这种技术生产超低碳钢。在铁水脱碳的同时，有价值的副产品——冶金级硅被收集在对电极上，供钢铁厂使用。该工艺能量输入低，无需熔剂。因此，本文预测电解精炼工艺可满足二级钢厂的未来需求。

　　熔融电解精炼的概念和应用

　　在实践中，碳对氧亲和力高，而且作为产物的气态CO很容易被去除。在工业转炉中，使用气态氧及其稀释后的混合物，通过喷枪和风口吹入，进行铁水脱碳。利用这种方式，脱碳不仅在撞击热点处进行，还间接地通过溶解在铁中的氧进行。本文中的铁水脱碳是通过炼钢炉渣中的氧化物离子电化学放电，不依靠中性氧原子，也不依靠分子与碳的化学反应。脱碳过程可通过释放氧化物离子形成CO，无需氧气作为中间介质。

　　为研究铁水的电解精炼，设计了电化学电池，如图1（a）所示。使用二硼化锆作为惰性电极连接铁水，使铁自由极化。对电极在电池中垂直定向，并偏离中心，以保证气体不间断逸出，并目视观察电池（图1（b））。铁碳中间合金在氧化物基熔渣中阳极极化，实现脱碳，熔渣起着电解液的作用。电池电势为脱碳反应提供了热力学驱动力，使碳水平降至极低。

　　来源：世界金属导报 2023-09-09 11:32