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生產超低碳鋼!鐵水直接脫碳工藝:電解精煉
2022-04-09

  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??沙掷m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 


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