冶煉鋼鐵的火焰也會使地球升溫，但研究人員正在研究生產更高質量、更少溫室氣體排放金屬的方法，這可能會使美國鋼鐵製造商在全球競爭激烈的市場中獲得優勢。
昨天在《自然》雜誌上釋出的一份報告強調了朝著這個方向邁出的一步，即使用電力而不是熱來提取鐵。
經過數千年的發展和兩個世紀的工業化，鋼鐵製造已成為全球一項成熟的工藝。2011年，全球製造商生產了約1000億公噸的鐵。
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從礦石開採到冶煉再到合金回火，這個過程都是能源密集型的，而且自從鋼鐵被用於斧頭、盔甲和驅動機械以來，工程師們一直在追求改進。
“這意味著大多數容易實現的改進都已完成，我們製造[金屬]的工藝正接近物理上可能的極限，”鋼鐵市場發展協會主席勞倫斯·卡瓦納夫解釋說。
雖然鐵是地殼中最常見的元素，但它通常以礦石的形式存在。傳統的加工方法使用高溫鼓風爐加熱鐵礦石和其他化合物以去除氧氣併產生所需的合金，根據美國環保署去年關於鋼鐵行業溫室氣體排放的報告，這種方法會產生大量二氧化碳。
廉價陽極的發現
報告稱：“對於聯合鍊鋼，溫室氣體排放的主要來源是鼓風爐爐 (43%)、燃燒天然氣和工藝氣體的其他燃燒源 (30%)、其他工藝單元 (15%) 以及電力使用產生的間接排放 (12%)”，並估計美國鋼鐵行業在 2010 年產生了 1.17 億噸二氧化碳。
但是還有其他從岩石中提取鐵的方法。將礦石溶解在熔融電解質中並通電流可以透過電解還原氧化鐵，使其成為更可用的形式，並同時產生氧氣。“這裡的真正問題是找到一種可以維持這個過程的非消耗性陽極，”麻省理工學院材料化學教授、新報告的合著者唐納德·薩多威說。
以前嘗試電解礦石的方法使用由昂貴元素（如鉑和銥）製成的陽極，或者這些元件在維持液態金屬氧化物電解質所需的 1600 攝氏度高溫下會分解。
薩多威和他的團隊發現，由鉻基合金製成的陽極可以承受這個過程。這些材料也很便宜。“如果你最終得到的東西質量更好但成本高得多，沒有人會想要它，”薩多威說。
與鼓風爐相比，使用電解法制造金屬有幾個優點。得到的金屬更純淨，因為在這個過程中引入的汙染物更少。“電解路線實際上消耗更少的能量，”薩多威指出，並補充說它可以比傳統方法效率高 30%。
美國工業的成本優勢
這些方法可以幫助美國製造商開闢一條通往更節能鍊鋼的道路，從更高質量、更小碳足跡的金屬中創造市場優勢。電解也有助於降低價格。
“能源是鋼鐵生產中的一大成本，”卡瓦納夫說。他還觀察到，40% 的鋼鐵最終會被交易，因此生產上的任何變化都將產生全球性的影響。
然而，卡瓦納夫指出，電解的清潔程度取決於為其供電的電網，因此如果能源來自燃煤發電廠，則可能不會節省任何碳排放。
“如果你的電力來源是可再生能源，它將減少 10% 的二氧化碳排放，”劍橋大學材料化學榮譽教授德里克·弗雷說。弗雷昨天在《自然》雜誌上發表了一篇文章，評論了薩多威的工作。
另一個問題是重新設計鋼廠以適應電解。弗雷說，鼓風爐反應發生在三維空間中，而電解槽反應實際上發生在二維空間中。因此，挑戰在於設計一個不比傳統工廠大多少的電解鋼廠。
弗雷在他的文章中還建議，金屬電解可以用於在其他星球上生產氧氣，“使人類殖民太陽系更可行。”
研究人員目前正在致力於擴大電力金屬生產規模。薩多威說，示範工廠還需要大約三年時間才能建成，但這些系統將類似於用於提取鋁的電解槽。
他承認，要將這些根本性的變化帶到這個建立在數百年知識基礎上的世界上最具標誌性的行業之一，將是困難且耗時的，並指出他自己在液態金屬領域進行了二十年的研究。“想要立即獲得滿足感的人，他們不會在這個領域工作，”他說。
更正： 全球 40% 的鋼鐵最終被交易，而不是出口，這更正了本報道的早期版本。
經 Environment & Energy Publishing, LLC. 許可，轉載自 Climatewire。 www.eenews.net, 202-628-6500