Новая эра в производстве сплавов: экологически чистые металлы из руды в один шаг

Сравнение между классическим многоступенчатым производством сплавов и предлагаемым одношаговым подходом от оксидов к объемному сплаву. Источник: Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07932-w

Промышленность по производству металлов ответственна за 10% глобальных выбросов CO2. Производство железа выбрасывает две тонны CO2 на каждую тонну металла, а производство никеля — до 14 тонн CO2. Эти металлы являются основой для сплавов с низким коэффициентом теплового расширения, известных как Инвар, которые критически важны для аэрокосмической отрасли, криогенной транспортировки, энергетики и производства прецизионных инструментов. Однако ученые из Института Макса Планка по устойчивым материалам (MPI-SusMat) разработали метод, позволяющий производить сплавы Инвар без выбросов CO2 и сэкономить огромное количество энергии.

Новый подход к производству сплавов

Ученые из MPI-SusMat предложили инновационный метод производства сплавов Инвар, который интегрирует извлечение металлов, легирование и термомеханическую обработку в один процесс внутри одного реактора. Этот метод позволяет прямую конвертацию окислов в готовые продукты в твердом состоянии. Их результаты опубликованы в журнале Nature.

Преимущества использования водорода

Вместо углерода, который традиционно используется для восстановления руд, ученые применяют водород. Это дает несколько ключевых преимуществ:

1. Восстановление на основе водорода производит только воду как побочный продукт, что означает нулевые выбросы CO2.
2. Процесс позволяет получить чистые металлы, устраняя необходимость в удалении углерода из конечного продукта.
3. Процесс проводится при сравнительно низких температурах в твердом состоянии.
4. Избегается частое охлаждение и повторный нагрев, характерные для традиционных металлургических процессов.

Преимущества нового метода

Произведенные таким образом сплавы Инвар не только соответствуют низкому термическому расширению традиционных сплавов, но также обладают улучшенной механической прочностью благодаря более мелкому размеру зерен.

Масштабирование до промышленных размеров

Несмотря на перспективность метода, его масштабирование для удовлетворения промышленных нужд представляет собой три ключевые задачи:

1. Адаптация процесса к менее очищенным материалам, содержащим примеси.
2. Снижение затрат на использование чистого водорода.
3. Введение механической деформации для улучшения структурной целостности материала.

Синтез инварного сплава Fe-36Ni из оксидов железа и никеля. Источник: Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07932-w

Потенциал и будущее

Этот одношаговый процесс открывает новые возможности для разработки высокоэнтропийных сплавов, которые могут сохранить уникальные свойства в широком диапазоне составов. Разработка новых материалов, таких как мягкие магнитные сплавы, также возможна. Более того, использование металлургических отходов вместо чистых окислов может еще больше повысить устойчивость производства металлов.

Одношаговый процесс на основе водорода обещает значительно сократить экологический след производства сплавов, открывая путь к более экологически устойчивому будущему в металлургии. Это достижение демонстрирует, как инновации могут изменить производственные процессы и помочь в решении глобальных экологических проблем.

Источник: Журнал Nature

Понравилась статья, ставьте лайк и подписывайтесь на наш канал и Вы получите еще большей новостей из мира науки и техники.