铁在熔盐电脱氧过程中的电化学行为研究

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钢铁材料是目前为止使用最为广泛的结构材料之一,2018年全球粗钢产量18.086亿吨,比2017年增长4.6%。钢铁的获得大都基于碳热还原铁氧化物,这一过程工序冗长且会释放大量的CO2并引发温室效应。2000年剑桥大学Fray等在Nature报道的FFC工艺克服了氧化物在熔盐中溶解度低的问题,该技术流程短且具有良好的环境友好特性。利用FFC法由固体铁氧化物在熔盐中通过电脱氧的方式直接制备金属铁,并对其电化学行为进行分析,结果如下:
  通过热力学理论分析及动力学研究,根据熔盐电化学的理论和方法在摩尔比为0.48∶0.52=NaCl∶CaCl2的熔盐中,分别以金属孔洞电极(MCE-Fe2O3/Fe3O4)和涂覆电极(FCE-Fe2O3/Fe3O4)为工作电极,得出Fe2O3/Fe3O4的还原过程是分步进行的,且每次转移2个电子,还原顺序为:Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe,其中O2-脱除过程为受扩散控制的不可逆过程。
  对Fe2O3试样烧结结果显示,在800~1100℃发生了αFe2O3向γFe2O3的晶型转变且随温度的升高,开气孔率降低。在800℃时,Fe2O3在NaCl-CaCl2熔盐中的恒槽压电解结果显示:反应时间充足的情况下,铁氧化物的还原过程是随槽电压由小到大的顺序逐级进行的,对应的过程为:Fe2O3→Fe3O4→FexO→FeO→Fe;而在研究不同时间的还原产物时发现,在较低电压0.5V电解时间30min之后出现Ca2+的影响,形成铁酸钙。随电压的增加,铁酸钙的形成对产物的形貌产生影响。通过不同恒槽压脱氧过程的I-t曲线分析,槽压的增加影响能耗,当添加造孔剂20%NH4HCO3时,在恒槽压1.3V,电解5h可以得到金属铁,电解效率达到95.8%,电解能耗为2.88kW·h·kg-1。
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