通过氢等离子体还原铁矿石实现可持续钢铁生产：工艺、动力学、微观结构、化学
材料科学
2022-08-02 v1
摘要
铁与钢铁制造是最大的单一工业 CO2 排放源，占全球所有 CO2 排放的 6.5%。这一事实对现有技术提出挑战，要求其实现低碳钢生产，并符合约 2050 年前所有 CO2 排放大幅削减 80% 的要求。因此，必须采用替代还原技术从矿石中提取铁。氢基直接还原已被探索作为减缓 CO2 排放的可持续路径，其中中间氧化物产物浮士体 FexO 还原为 Fe 的动力学是该过程的限速步骤。总反应具有吸热净能量平衡。基于氢等离子体的还原或可提供一种有吸引力的替代方案。本文给出关于使用 H 等离子体还原赤铁矿的研究。我们考察了若干中间态下化学组成与相变的演化。我们发现赤铁矿还原动力学取决于初始输入质量与电弧功率之间的平衡。在优化的输入质量-电弧功率比下，暴露于 H 等离子体 15 min 内即实现完全还原。浮士体还原同样是完全还原的限速步骤。尽管如此，该还原反应为放热，且其速率与氢基直接还原中所见相当。化学与微观结构分析（通过能量色散谱与原子探针层析成像探测）表明，脉石元素偏聚于残余氧化物区域。在枝晶间铁橄榄石域、浮士体/Fe 异质界面以及 Fe 内部初凝氧化物颗粒中均观察到 Si 富集。然而随着还原进行，此类元素逐渐从样品中脱除，使最终铁产品几乎不含脉石相关杂质。
引用
@article{arxiv.2208.00661,
title = {Sustainable steel through hydrogen plasma reduction of iron ore: process, kinetics, microstructure, chemistry},
author = {I. R. Souza Filho and Y. Ma and M. Kulse and D. Ponge and B. Gault and H. Springer and D. Raabe},
journal= {arXiv preprint arXiv:2208.00661},
year = {2022}
}