Innowacyjna produkcja stopów: jeden krok od rud do zrównoważonych metali

Produkcja metali odpowiada za 10% globalnej emisji CO₂ emisje, przy czym produkcja żelaza powoduje emisję dwóch ton CO₂ na każdą tonę wyprodukowanego metalu i produkcję niklu emitującą 14 ton CO₂ na tonę, a nawet więcej, w zależności od użytej rudy. Metale te stanowią podstawę stopów o niskiej rozszerzalności cieplnej, zwanych Inwar. Są one krytyczne dla sektora lotnictwa, transportu kriogenicznego, energetyki i precyzyjnych instrumentów. Zdając sobie sprawę z wpływu na środowisko, naukowcy z Instytutu Maxa Plancka ds. Zrównoważonych Materiałów (MPI-SusMat) opracowali nową metodę produkcji stopów inwarowych bez emisji CO₂ oszczędzając przy tym ogromne ilości energii — osiągając to w jednoetapowym procesie, który integruje ekstrakcję metalu, stopowanie i obróbkę termo-mechaniczną w jednym reaktorze i etapie procesu.

Ich podejście rozpuszcza niektóre klasyczne granice między metalurgią ekstrakcyjną i fizyczną, inspirując bezpośrednią konwersję tlenków do produktów nadających się do zastosowania w jednej operacji w stanie stałym. Ich odkrycia zostały opublikowane w czasopiśmie Natura.

Metalurgia jednoetapowa pozwala oszczędzać energię i CO₂

„Zadaliśmy sobie pytanie: czy możemy wyprodukować stop o niemal optymalnej kombinacji mikrostruktury i właściwości bezpośrednio z rud lub tlenków o zerowej emisji CO₂emisja?” mówi dr Shaolou Wei, pracownik naukowy Humboldt w MPI-SusMat i pierwszy autor publikacji. Produkcja konwencjonalnych stopów to zazwyczaj proces trzyetapowy: najpierw redukcja rud do ich metalicznej formy, następnie mieszanie upłynnionych pierwiastków w celu utworzenia stopu, a na końcu zastosowanie obróbki termomechanicznej w celu uzyskania pożądanych właściwości. Każdy z tych etapów jest energochłonny i opiera się na węglu jako nośniku energii i środku redukującym, co skutkuje znaczną emisją CO₂ emisji. „Kluczowym pomysłem jest zrozumienie termodynamiki i kinetyki każdego pierwiastka i wykorzystanie tlenków o podobnej redukowalności i mieszalności w temperaturze około 700°C”, kontynuuje Shaolou, „Ta temperatura jest znacznie niższa od temperatury topnienia masy, co nadal pozwala nam wyodrębniać metale z ich stanów tlenkowych i mieszać je ze stopami za pomocą jednego etapu procesu w stanie stałym bez ponownego podgrzewania”. W przeciwieństwie do konwencjonalnych metod, w których rudy są redukowane za pomocą węgla, co skutkuje metalami zanieczyszczonymi węglem, nowa metoda zespołu wykorzystuje wodór jako środek redukujący. „Używanie wodoru zamiast węgla przynosi cztery kluczowe korzyści”, wyjaśnia profesor Dierk Raabe, dyrektor zarządzający w MPI-SusMat i autor korespondencyjny badania. „Po pierwsze, redukcja oparta na wodorze wytwarza tylko wodę jako produkt uboczny, co oznacza zerową emisję CO₂ emisje. Po drugie, daje czyste metale bezpośrednio, eliminując potrzebę usuwania węgla z produktu końcowego, oszczędzając w ten sposób czas i energię. Po trzecie, wykonujemy proces w porównywalnie niskich temperaturach, w stanie stałym. Po czwarte, unikamy częstego chłodzenia i ponownego podgrzewania charakterystycznego dla konwencjonalnych procesów metalurgicznych.”

Stopy inwarowe uzyskane tą techniką nie tylko charakteryzują się niskim współczynnikiem rozszerzalności cieplnej, jaki wykazują konwencjonalnie produkowane stopy inwarowe, ale także oferują wyższą wytrzymałość mechaniczną dzięki drobniejszemu rozmiarowi ziarna, który jest naturalnym efektem tego procesu.

Skalowanie do wymiarów przemysłowych

Naukowcy z Max Planck wykazali, że produkcja stopów inwarowych za pomocą szybkiego, bezwęglowego i energooszczędnego procesu jest nie tylko możliwa, ale i bardzo obiecująca. Jednak skalowanie tej metody w celu spełnienia wymagań przemysłowych wiąże się z trzema kluczowymi wyzwaniami:

Po pierwsze, podczas gdy naukowcy użyli czystych tlenków do badania koncepcyjnego, zastosowania przemysłowe prawdopodobnie obejmowałyby konwencjonalne tlenki obciążone zanieczyszczeniami. Wprowadza to potrzebę dostosowania procesu do obsługi mniej rafinowanych materiałów przy jednoczesnym zachowaniu jakości stopu. Po drugie, stosowanie czystego wodoru w procesie redukcji, chociaż skuteczne, jest kosztowne w przypadku operacji na dużą skalę. Zespół prowadzi obecnie eksperymenty z niższymi stężeniami wodoru w podwyższonych temperaturach, aby znaleźć optymalną równowagę między wykorzystaniem wodoru a kosztami energii, czyniąc proces bardziej opłacalnym ekonomicznie dla przemysłu. Po trzecie, podczas gdy obecna metoda wykorzystuje spiekanie bezciśnieniowe, produkcja drobno zgrubnych materiałów masowych na skalę przemysłową prawdopodobnie wymagałaby dodania etapów prasowania. Włączenie odkształceń mechanicznych do tego samego procesu mogłoby dodatkowo poprawić integralność strukturalną materiału przy jednoczesnym zachowaniu usprawnienia produkcji.

Patrząc w przyszłość, wszechstronność tego jednoetapowego procesu otwiera nowe możliwości. Ponieważ żelazo, nikiel, miedź i kobalt mogą być przetwarzane w ten sposób, stopy o wysokiej entropii mogą być kolejnym celem. Te stopy, znane ze swojej zdolności do utrzymywania unikalnych właściwości w szerokim zakresie składów, mają potencjał do opracowywania nowych materiałów, takich jak miękkie stopy magnetyczne, idealne do zastosowań high-tech. Innym obiecującym kierunkiem może być wykorzystanie odpadów metalurgicznych zamiast czystych tlenków. Poprzez usuwanie zanieczyszczeń z materiałów odpadowych, to podejście może przekształcić przemysłowe produkty uboczne w wartościowy surowiec, co jeszcze bardziej zwiększy zrównoważoność produkcji metali.

Eliminując potrzebę stosowania wysokich temperatur i paliw kopalnych, ten jednoetapowy proces oparty na wodorze może radykalnie zmniejszyć wpływ produkcji stopów na środowisko, torując drogę ku bardziej ekologicznej i zrównoważonej przyszłości w metalurgii.

Badania zostały sfinansowane ze stypendium Fundacji Alexandra von Humboldta dla Shaolou Wei oraz ze środków Europejskiego Grantu Badawczego Dierka Raabe.