금속 생산은 전 세계 CO의 10%를 차지합니다.₂철 생산으로 인해 2톤의 CO가 배출됩니다.₂생산된 금속 1톤당 14톤의 CO를 배출하는 니켈 생산₂사용된 광석에 따라 톤당 그 이상입니다.

이러한 금속은 Invar라고 불리는 낮은 열팽창을 갖는 합금의 기초를 형성합니다.이는 항공우주, 극저온 운송, 에너지 및 정밀 기기 분야에 매우 중요합니다.

Max Planck Institute for Sustainable Materials(MPI-SusMat)의 과학자들은 환경 피해를 인식하여 CO를 방출하지 않고 Invar 합금을 생산하는 새로운 방법을 개발했습니다.₂막대한 양의 에너지를 절약하는 동시에 금속 추출, 합금화, 열기계 처리를 단일 반응기와 공정 단계로 통합하는 단일 단계 공정으로 이를 달성합니다.

그들의 접근 방식은 추출 야금과 물리적 야금 간의 고전적인 경계 중 일부를 해소하여 단일 고체 작업에서 산화물을 응용 가치가 있는 제품으로 직접 전환하도록 영감을 줍니다.그들의 발견은출판됨일지에자연.

원스텝 야금으로 에너지와 CO를 절약합니다.₂

"우리는 스스로에게 질문했습니다. CO가 전혀 없는 광석이나 산화물에서 직접 거의 최적화된 미세 구조-특성 조합을 갖춘 합금을 생산할 수 있습니까?₂방출?" MPI-SusMat의 Humboldt 연구원이자 해당 출판물의 첫 번째 저자인 Shaolou Wei 박사는 말합니다.

기존 합금 생산은 일반적으로 3단계 공정으로 이루어집니다. 먼저 광석을 금속 형태로 환원한 다음, 액화된 원소를 혼합하여 합금을 만들고, 마지막으로 열역학적 처리를 적용하여 원하는 특성을 얻습니다.이러한 각 단계는 에너지 집약적이며 에너지 운반체이자 환원제로서 탄소에 의존하므로 상당한 CO가 발생합니다.₂방출.

"핵심 아이디어는 각 원소의 열역학과 동역학을 이해하고 약 700°C에서 유사한 환원성과 혼합성을 갖는 산화물을 사용하는 것입니다."라고 Wei 박사는 계속 말합니다. "이 온도는 벌크 융점보다 훨씬 낮기 때문에 여전히 우리는 다음을 수행할 수 있습니다.산화물 상태에서 금속을 추출하고 재가열 없이 단일 고체 공정 단계를 통해 합금으로 혼합합니다."

탄소를 사용해 광석을 환원해 탄소로 오염된 금속을 만드는 기존 방법과 달리, 연구팀이 개발한 새로운 방법은 수소를 환원제로 사용한다.MPI-SusMat의 전무 이사이자 해당 연구의 교신 저자인 Dierk Raabe 교수는 "탄소 대신 수소를 사용하면 네 가지 주요 이점을 얻을 수 있습니다."라고 설명합니다.

"첫째, 수소 기반 환원은 부산물로 물만 생성하므로 CO가 전혀 발생하지 않습니다.₂방출.둘째, 순수한 금속을 직접 생산하므로 최종 제품에서 탄소를 제거할 필요가 없으므로 시간과 에너지가 절약됩니다.셋째, 우리는 비교적 낮은 온도, 즉 고체 상태에서 공정을 수행합니다.넷째, 기존 야금 공정의 빈번한 냉각 및 재가열 특성을 피합니다."

이 기술을 사용하여 생산된 Invar 합금은 기존에 생산된 Invar 합금의 낮은 열팽창 특성과 일치할 뿐만 아니라 공정에서 자연적으로 상속된 정제된 입자 크기로 인해 우수한 기계적 강도를 제공합니다.

산업 규모로 확장

Max Planck 과학자들은 빠르고 탄소가 없으며 에너지 효율적인 공정을 통해 Invar 합금을 생산하는 것이 가능할 뿐만 아니라 매우 유망하다는 것을 입증했습니다.그러나 산업 요구 사항을 충족하기 위해 이 방법을 확장하려면 다음과 같은 세 가지 주요 과제가 있습니다.

첫째, 연구원들은 개념 증명 연구를 위해 순수 산화물을 사용했지만, 산업적 응용에는 불순물이 포함된 기존 산화물이 포함될 가능성이 높습니다.이는 합금 품질을 유지하면서 덜 정제된 재료를 처리하기 위해 공정을 조정할 필요성을 소개합니다.

둘째, 환원 과정에서 순수 수소를 사용하는 것은 효과적이지만 대규모 작업에는 비용이 많이 듭니다.연구팀은 현재 수소 사용과 에너지 비용 사이의 최적의 균형을 찾기 위해 고온에서 더 낮은 수소 농도로 실험을 수행하고 있으며, 이를 통해 이 공정을 산업에서 보다 경제적으로 실행 가능하게 만들고 있습니다.

셋째, 현재 방법은 무압력 소결을 사용하지만 산업 규모로 미세하게 조대화된 벌크 재료를 생산하려면 프레싱 단계를 추가해야 할 가능성이 높습니다.동일한 공정에 기계적 변형을 통합하면 생산을 간소화하면서 재료의 구조적 무결성을 더욱 향상시킬 수 있습니다.

앞으로 이 원스텝 프로세스의 다양성은 새로운 가능성을 열어줄 것입니다.철, 니켈, 구리 및 코발트는 모두 이러한 방식으로 처리될 수 있으므로 고엔트로피 합금이 다음 초점이 될 수 있습니다.광범위한 구성에 걸쳐 고유한 특성을 유지하는 능력으로 알려진 이러한 합금은 첨단 기술 응용 분야에 이상적인 연자성 합금과 같은 새로운 재료를 개발할 수 있는 잠재력을 보유하고 있습니다.

또 다른 유망한 방향은 순수 산화물 대신 야금 폐기물을 사용하는 것입니다.폐기물에서 불순물을 제거함으로써 이 접근 방식은 산업 부산물을 귀중한 공급원료로 변환하여 금속 생산의 지속 가능성을 더욱 향상시킬 수 있습니다.

고온의 필요성을 제거함으로써화석 연료, 이 원스텝 수소 기반 공정은 합금 생산의 환경 발자국을 대폭 줄여 야금 분야에서 보다 친환경적이고 지속 가능한 미래를 위한 길을 열 수 있습니다.