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2.1-2.6tCO2。小型钢厂使用电弧炉回收废钢，生产1吨钢仅排放0.4-1.0tCO2，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（ElectrochemicalRefiningTechnology）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。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。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。
可以观察到，阳极极化时，从铁水-碳电极释放出了气体。在恒流模式下，跟踪废气成分随时间的变化，在极化开始时检测到CO释放。定期降低电池电流，观察其对气体释放的影响。CO浓度随电流密度反复变化，在电流停止后恢复到基值水平，有力证明了电化学脱碳效果。此外，在设置中未使用任何石墨或碳，炉中唯一的碳源为工作电极。
对工作电极进行检索和燃烧分析，证实发生了脱碳。电解精炼后，中间合金中的碳浓度从3.78wt.%降低到0.84wt.%，电流效率高达76%。精炼后铁水中的总氧含量仅为0.0054wt.%，表明钢清洁度很高，并突出了氧化物直接排放到碳上，未进入铁浴。炉渣中氧化铁含量增加的少，估计会造成5%-8%的损失。我们假设氧化物离子直接在碳原子上放电。
在电解精炼过程中，对电极起阴极作用。在对电极处回收副产品——金属硅，在炼钢厂中使用。将炉渣设计为含有二氧化硅和其他更负电的金属氧化物，促进硅的回收。检索电极表征，证实金属硅沉积，与钼基材形成合金。可能因为使用了低电流密度和高纯度氧化物，阴极相应电流效率接近90%。
在铁水和炉渣之间施加电动势，可利用电能实现铁水脱碳。该工艺为直接氧化脱碳，可通过优化电流或电位调制，进一步提高效率。
电解精炼基础测试
经概念验证和电化学的试验结果，探索了电解精炼的可能性，对该技术进行基础测试。用较低电流密度，电解精炼逐渐稀释的合金。如图4（a）所示，碳浓度随着脱碳电流效率的降低而降低。但电流效率永远不会达到零，在任何碳浓度下均可进行熔融电解精炼。对含碳量仅为0.005wt.%的铁水进行电解精炼脱碳，脱碳后的碳含量低于0.001wt.%，引入电解精炼工艺制造超低碳钢。尽管此处的电流效率仅为1%-2%，但由于电池电流低，充电和能量损失幅度很小。通过优化电池电流或电势，提高电流效率。
密切监测炉渣中的总铁含量，该含量保持在低水平，略增加到接近热动态平衡的值。因为交换的电子数量未知，没有量化铁氧化引起的电流效率的损失。在试验中检测到熔渣中的FeO和Fe2O3，它们根据熔渣中的局部电位梯度达到复杂的平衡。考虑每单位电荷损失的铁量，铁损失量往往在低碳水平时增加。虽然低碳水平下的铁损失似乎很高，但实际上，由于电池电流很小，损失量很小。
为减少铁损，改变电池的极性，研究精炼后炉渣的电化学回收率。将铁水作为阴极，铁从炉渣中沉积出来，在炉渣中的浓度显着降低。因此，可从炉渣中回收损失的铁，提高工艺回收率。因为不锈钢制造技术，即氩氧脱碳，需在精炼后使用昂贵的硅铁还原。而通过电化学回收，可节省熔剂，降成本的潜力很大。
为评估钢的清洁度，测量铁水中总氧量，即铁水中溶解的氧与夹杂物中氧的总和。尽管碳含量低，但电解精炼后铁水的总氧含量非常低，可能接近溶解氧，表明钢的清洁度很高。低氧水平低于碳的平衡溶解度极限，进一步证明氧化物离子直接释放在界面处的碳表面，而不是进入铁水中，这与增加钢氧化的传统脱碳工艺形成鲜明对比。总氧量随炉渣中铁总量变化，因为两者之间的热力学关系，是可以预期的。
为了解能量需求，使用平均电池电位和电流效率确定能量消耗。单位能耗大多保持在10-20kWh/kg碳左右，理论能耗范围为2-8kWh/kg碳。总体而言，电解精炼的能耗较低，产品碳含量低，附加值高。为了探索电解精炼工艺对工业用途的重要性，对电解精炼电池成本进行分析。虽然结果很难准确，但结果说明，电解精炼工艺在高价值低碳范围内具有竞争优势，值得大范围试验推广。
本文阐述了利用电解精炼工艺使铁水脱碳的理念。在铁水阳极极化时，来自熔渣电解质的氧化物离子，经一系列单电子转移步骤，直接释放到碳上，气态CO解吸。阳极释放出CO，冶金级硅在阴极被回收，在钢铁厂中使用。
电解精炼工艺适用于任何含碳量的铁水，可生产超低碳钢，具有诸多优点，如能耗低、不需添加熔剂、自混合、自炉渣回收金属。该工艺除满足当前优质钢需求之外，还通过简单的工艺控制和降低气体、脱氧剂和耐火原料的消耗量来节约成本。
电解精炼工艺除了作为独立工艺运行，可与现有技术结合使用，加强精炼。可以设想电解精炼工艺在小型钢厂的电弧炉中应用，以现有电气基础设施，生产高价值钢材产品。电解精炼通过提高再生钢质量，有利于形成原料循环的闭环，减少资源消耗，减少炼钢过程中的碳排放。
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