冶炼钢铁的火焰也会使地球升温，但研究人员正在研究生产更高质量、更少温室气体排放金属的方法，这可能会使美国钢铁制造商在全球竞争激烈的市场中获得优势。
昨天在《自然》杂志上发布的一份报告强调了朝着这个方向迈出的一步，即使用电力而不是热来提取铁。
经过数千年的发展和两个世纪的工业化，钢铁制造已成为全球一项成熟的工艺。2011年，全球制造商生产了约1000亿公吨的铁。
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从矿石开采到冶炼再到合金回火，这个过程都是能源密集型的，而且自从钢铁被用于斧头、盔甲和驱动机械以来，工程师们一直在追求改进。
“这意味着大多数容易实现的改进都已完成，我们制造[金属]的工艺正接近物理上可能的极限，”钢铁市场发展协会主席劳伦斯·卡瓦纳夫解释说。
虽然铁是地壳中最常见的元素，但它通常以矿石的形式存在。传统的加工方法使用高温鼓风炉加热铁矿石和其他化合物以去除氧气并产生所需的合金，根据美国环保署去年关于钢铁行业温室气体排放的报告，这种方法会产生大量二氧化碳。
廉价阳极的发现
报告称：“对于联合炼钢，温室气体排放的主要来源是鼓风炉炉 (43%)、燃烧天然气和工艺气体的其他燃烧源 (30%)、其他工艺单元 (15%) 以及电力使用产生的间接排放 (12%)”，并估计美国钢铁行业在 2010 年产生了 1.17 亿吨二氧化碳。
但是还有其他从岩石中提取铁的方法。将矿石溶解在熔融电解质中并通电流可以通过电解还原氧化铁，使其成为更可用的形式，并同时产生氧气。“这里的真正问题是找到一种可以维持这个过程的非消耗性阳极，”麻省理工学院材料化学教授、新报告的合著者唐纳德·萨多威说。
以前尝试电解矿石的方法使用由昂贵元素（如铂和铱）制成的阳极，或者这些组件在维持液态金属氧化物电解质所需的 1600 摄氏度高温下会分解。
萨多威和他的团队发现，由铬基合金制成的阳极可以承受这个过程。这些材料也很便宜。“如果你最终得到的东西质量更好但成本高得多，没有人会想要它，”萨多威说。
与鼓风炉相比，使用电解法制造金属有几个优点。得到的金属更纯净，因为在这个过程中引入的污染物更少。“电解路线实际上消耗更少的能量，”萨多威指出，并补充说它可以比传统方法效率高 30%。
美国工业的成本优势
这些方法可以帮助美国制造商开辟一条通往更节能炼钢的道路，从更高质量、更小碳足迹的金属中创造市场优势。电解也有助于降低价格。
“能源是钢铁生产中的一大成本，”卡瓦纳夫说。他还观察到，40% 的钢铁最终会被交易，因此生产上的任何变化都将产生全球性的影响。
然而，卡瓦纳夫指出，电解的清洁程度取决于为其供电的电网，因此如果能源来自燃煤发电厂，则可能不会节省任何碳排放。
“如果你的电力来源是可再生能源，它将减少 10% 的二氧化碳排放，”剑桥大学材料化学荣誉教授德里克·弗雷说。弗雷昨天在《自然》杂志上发表了一篇文章，评论了萨多威的工作。
另一个问题是重新设计钢厂以适应电解。弗雷说，鼓风炉反应发生在三维空间中，而电解槽反应实际上发生在二维空间中。因此，挑战在于设计一个不比传统工厂大多少的电解钢厂。
弗雷在他的文章中还建议，金属电解可以用于在其他星球上生产氧气，“使人类殖民太阳系更可行。”
研究人员目前正在致力于扩大电力金属生产规模。萨多威说，示范工厂还需要大约三年时间才能建成，但这些系统将类似于用于提取铝的电解槽。
他承认，要将这些根本性的变化带到这个建立在数百年知识基础上的世界上最具标志性的行业之一，将是困难且耗时的，并指出他自己在液态金属领域进行了二十年的研究。“想要立即获得满足感的人，他们不会在这个领域工作，”他说。
更正： 全球 40% 的钢铁最终被交易，而不是出口，这更正了本报道的早期版本。
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