In situ valorization of impurities enabling energy efficient meltless high-strength steel production from ore
本文提出了一种无熔融、高能效的炼钢方法，该方法利用原位碳热还原作用，将氢还原铁矿中的有害二氧化硅杂质转化为有益的硅合金元素，从而实现无需熔融即可直接合成高强度钢。
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钢铁工业是世界上最大的温室气体排放源之一，这一问题促使科学家们寻找更清洁的方法来制造这些构建城市和桥梁的金属。几个世纪以来，标准方法一直是利用燃烧煤炭加热的熔炉来熔化铁矿石，这一过程会释放出大量的二氧化碳。为了解决这个问题，研究人员转向了氢气——一种可以从铁矿石中剥离氧而不产生碳排放的清洁燃料。然而，这种绿色方法面临着一个顽固的障碍：真实的铁矿石从来都不是纯净的。它含有岩石杂质，主要是二氧化硅，而氢气无法将其去除。在传统的炼钢过程中，这些杂质会被熔化并作为废渣分离出来，但在避免熔化的固态工艺中，这些杂质会残留在金属内部，导致金属变得脆弱且易碎。挑战在于如何处理这些岩石残余物，而不必回归到那种肮脏且高能耗的熔化一切的做法。
一支研究团队现在展示了一种将这一问题转化为解决方案的新方法。他们并没有试图去除二氧化硅杂质，而是发现了一种方法，能在金属内部直接将其转化为一种有用的成分。该过程始于铁矿精粉，这是一种仍含有大量二氧化硅的破碎岩石细粉。研究人员首先使用氢气从铁中剥离氧，留下多孔的金属铁粉。在这个阶段，二氧化硅杂质仍然以微小、脆弱颗粒的形式存在，会破坏最终产品的强度。为了解决这个问题，团队在铁粉中加入少量的固体碳（以石墨形式），并对其进行加热。
接下来的过程是一场完全在固态下进行的、经过精心编排的化学舞步，金属从未变成液体。碳并不直接攻击二氧化硅。相反，它首先溶解到铁粉中，像染料渗入海绵一样在金属中扩散。一旦碳溶解在铁中，它就会通过金属基体移动以到达二氧化硅颗粒。在那里，它进行还原反应，从二氧化硅中剥离氧，并将有害的岩石转化为溶解的硅。这种新形成的硅并不是废物；它是一种强大的增强剂，能使钢材变得更硬、更耐用。从二氧化硅中被移除的氧则以气体的形式逸出，留下洁净且强韧的合金。
研究人员通过实时观察证实了这一机制。利用一种可以在加热样本的同时进行拍摄的特殊显微镜，他们观察到石墨颗粒首先消失在铁中，随后二氧化硅颗粒也逐渐消失。这证实了铁本身充当了运输介质，携带碳去完成这项工作。团队还发现，这一过程的成功需要一种微妙的平衡。如果加热过慢或碳含量过高，反应产生的气体可能会被困在金属内的微小口袋中，阻碍杂质被完全去除，并导致材料出现孔隙。通过找到合适的温度和碳水平，他们能够生产出抗拉强度超过800兆帕的钢材，这一强度水平适用于汽车零部件等高要求应用领域。
这种方法为“无熔炼”炼钢提供了一条潜在路径，这一概念可以通过消除目前所需的庞大、高能耗熔炉来彻底改变工业。该工艺直接利用从地下开采出的矿石（仅经过基础清洗），而不需要昂贵的高纯度原材料。虽然目前的结果显示该钢材强度很高且该方法在实验室环境下可行，但研究人员指出，该工艺对气体移除的时机和矿石的具体化学成分非常敏感。他们已经证明，将一种有害杂质转化为有益的合金元素是可能的，证明了固态路线可以在不熔化金属的情况下生产出高质量的钢材。这一发现表明，长期以来认为熔化是制造优质钢材必经之路的观点可能终于过时了，为迈向一个能以更低能耗和更少排放量制造金属的未来打开了大门。
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