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生產(chǎn)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(dá)到900億噸/年,嚴(yán)重阻礙環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。多數(shù)原料提取制造過(guò)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(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)。該領(lǐng)域缺乏技術(shù)創(chuàng)新,迫切需要開(kāi)發(fā)新的創(chuàng)新回收技術(shù),然而原料開(kāi)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(guò)19億噸,煉鋼過(guò)程的二氧化碳排放量約占人類(lèi)活動(dòng)排放量的7%。在鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中,CO2大部分為直接排放,生產(chǎn)1t鋼排放2.1-2.6t CO2。小型鋼廠使用電弧爐回收廢鋼,生產(chǎn)1噸鋼僅排放0.4-1.0t CO2,大部分CO2是發(fā)電所產(chǎn)生的間接排放。因此,在達(dá)到循環(huán)利用的閉環(huán),CO2排放量會(huì)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(fèi)者要求鋼材高質(zhì)量,這需嚴(yán)格控制碳等元素。例如,在高強(qiáng)度鋼中,孿晶誘導(dǎo)的塑性對(duì)碳特別敏感,對(duì)車(chē)輛安全很重要。其他汽車(chē)應(yīng)用需要超低碳(<0.003wt.%)來(lái)實(shí)現(xiàn)深沖性和更薄的車(chē)身板。不銹鋼中的碳應(yīng)保持低水平,以減少敏化作用。為實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì),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(gè)反應(yīng)器中處理。需通過(guò)氬氧脫碳、真空罐脫氣或再循環(huán)脫氣精煉,使碳達(dá)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(dá)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(jià)值產(chǎn)品。

  在許多方面,電解精煉技術(shù)(Electrochemical Refining Technology)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(shí),應(yīng)用電勢(shì)會(huì)迫使反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。另外,電力相對(duì)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(diǎn)是碳飽和鐵反應(yīng)機(jī)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(guò)在鐵水和爐渣之間應(yīng)用電動(dòng)勢(shì),可使鐵水直接脫碳。本文證明了爐渣中氧化物離子的陽(yáng)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(shí),有價(jià)值的副產(chǎn)品——冶金級(jí)硅被收集在對(duì)電極上,供鋼鐵廠使用。該工藝能量輸入低,無(wú)需熔劑。因此,本文預(yù)測(cè)電解精煉工藝可滿足二級(jí)鋼廠的未來(lái)需求。

  熔融電解精煉的概念和應(yīng)用

  在實(shí)踐中,碳對(duì)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(guò)噴槍和風(fēng)口吹入,進(jìn)行鐵水脫碳。利用這種方式,脫碳不僅在撞擊熱點(diǎn)處進(jìn)行,還間接地通過(guò)溶解在鐵中的氧進(jìn)行。本文中的鐵水脫碳是通過(guò)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(guò)程可通過(guò)釋放氧化物離子形成CO,無(wú)需氧氣作為中間介質(zhì)。

  為研究鐵水的電解精煉,設(shè)計(jì)了電化學(xué)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(duì)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(yáng)極極化,實(shí)現(xiàn)脫碳,熔渣起著電解液的作用。電池電勢(shì)為脫碳反應(yīng)提供了熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力,使碳水平降至極低。

  來(lái)源:世界金屬導(dǎo)報(bào) 2022-04-09 11:32