林啟明 / 中興大學循環經濟研究學院；張育恩、羅紹峰、吳威德 / 中興大學材料系
本研究開發出一種高氧化鋁液態造渣劑配方，並導入鋁渣與精煉渣等廢棄物當再生原料，最終透過100公噸電弧爐進行節能效益評估。由高溫黏度與發泡壽命結果證實，高氧化鋁造渣劑(含12~18% Al2O3)擁有較高的液態黏度(約為36~64 cP)與優越之發泡壽命(約為6.3~10.3 min)，比傳統造渣劑(Al2O3 <10%)高出1.5~3倍。由FactSage模擬結果可知，富Al2O3之新型造渣劑可在1,450~1,650˚C間，形成100%穩定且高黏度的液態，且不受電弧爐製程中最難控制的FeO含量影響，可大幅增加電弧爐冶煉過程中造出優越發泡渣的時間。由100公噸電弧爐節能數據顯示，低Al2O3造渣劑所需的電力成本為370~390 kWh/ton，透過利用廢鋼中的Al氧化或添加鋁渣來當Al2O3來源，且利用熱精煉渣當CaO的來源，而形成富Al2O3之新型造渣劑，所需的電力成本為300~340 kWh/ton，證實可達到約15.8%的節能效果。
【內文精選】
電弧爐製程特性與碳中和路徑
EAF製程是以廢鋼當原料，並利用碳棒當電極通電產生電弧來對廢鋼原料進行加熱而熔化，因此擁有高資源循環再利用與低CO2排放等優勢。但由於廢鋼中存在著許多不同特性的雜質元素，一類是比鐵(Fe)容易氧化的元素，如：鋁(Al)、鈦(Ti)、矽(Si)、錳(Mn)、鉻(Cr)等，可利用氧化方式移除到爐渣中；另一類為比鐵(Fe)不容易氧化的元素，如：鈷(Co)、鎳(Ni)、銅(Cu)等，無法在冶煉過程中移除，因此若要達到取代BF-BOF進行高品鋼生產，則會成為一大難題。然而在許多文獻中已提及，透過綠色製程所產出的直接還原鐵(DRI/HBI)來取代廢鋼原料，可以顯著降低較難氧化之雜質元素比例，進而開發出高品鋼，將成為未來主流的低碳冶煉技術。
在吳開宇與何長慶的報告中指出，EAF製程的CO2e排放占比分別為：12.3%製程排放、63.2%電力排放與24.5%非電力排放，由此證實如何有效降低EAF的電力用量將是最關鍵的技術所在。而在Andrei等人的文章中提及，EAF的能量來源為70%電力與30%化學能，其中17%冷卻損失、20%產生廢氣、10%爐渣吸收、53%熔化廢鋼，由此證實如何有效提升熔化廢鋼比例亦將是一項重要任務。
實驗方法
2. 高溫發泡壽命量測
本研究利用自行建立之高溫發泡壽命(Foaming Life)量測儀進行不同造渣劑的發泡壽命評估。發泡壽命量測儀之設備示意圖如圖七(a)所示，利用B-type的熱電偶來偵測溫度，偵測位置為試樣表面處，所使用之加熱來源為利用週波感應爐加熱石墨坩堝而傳導至Pure-Mo坩堝上。本儀器之偵測原理如圖七(b)所示，利用空氣(約1.0 V)與爐渣(約3.0~5.0 V)之不同電壓原理，偵測出不同時間下爐渣發泡前的高度，取4點高度平均求得精準之發泡前高度。本研究之評估方法是將約35克的造渣劑放入Pure-Mo坩堝內，然後加熱至1,550˚C，量測發泡前的爐渣液面高度，如圖七(b)所示，之後將碳粉添加至Pure-Mo坩堝內，並開始進行不同時間下之高度與電壓偵測，如圖七(c)所示，偵測時間直至高度回復至原始高度後1分鐘後停止，最終建立出時間與高度變化關係圖，即可以得知發泡壽命特性。
圖七、高溫發泡壽命 (a)量測設備示意圖；(b)偵測原理；(c)量測方法
結果與討論
1. 高溫發泡壽命量測結果
本研究利用自行建立之高溫發泡壽命量測設備，建立不同造渣劑在溫度為1,550˚C下之時間隨發泡高度的變化關係圖，如圖九(a)所示。由圖中顯示，當固定碳粉量投入高溫熔渣中時，碳會與環境中的氧產生快速反應而生成大量CO氣體並開始產生發泡現象，隨著時間增加發泡高度亦隨之增加，之後待CO氣體生成量達到穩定後，則會隨著時間增加使發泡高度呈現穩定狀態，待碳粉完全耗盡後就不再產生CO氣體，因此發泡高度會隨時間增加而下降，最終發泡高度會回到原始位置，此時就可以評估出不同造渣劑的發泡壽命特性。
圖九、造渣劑特性 (a)發泡高度隨時間的變化關係圖；(b)發泡壽命與黏度的關係圖
圖九(b)為造渣劑之發泡壽命與黏度的關係圖，由圖中證實台灣鋼廠利用大量CO氣體來製造發泡渣的造渣劑(EAF Steel Plant)，其發泡壽命僅達2.6分鐘，起因於黏度太低(25 cP)所導致，證實若未來要透過降低噴碳與吹氧來達到CO減排的效果，便需要開發出黏度較高的造渣劑。若是以C2S相析出的組別，則發泡壽命可達6.1分鐘，起因於在1,550˚C下擁有約445 cP的黏度；而在MgO相析出的組別上，其發泡壽命可達14.7分鐘，是因為在1,550˚C下擁有約394 cP的黏度 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》446期，更多資料請見下方附檔。