中文摘要：

为彻底解决目前基于碳还原的钢铁工业排放二氧化碳的问题，本项目依据可控氧流冶金新理念，提出可控氧流电解还原短流程绿色炼钢新概念，并主要围绕可控氧流还原涉及的基础物理化学问题开展研究利用氧离子传导的氧化锆基固体电解质与经优化的含有铁氧化物等电活性物质的熔渣电解质构建可控氧流电池体系，采用循环伏安法、交流阻抗法等电化学实验技术研究氧离子的传递行为以及熔渣中单种或多种电活性离子的电极过程，揭示电活性离子的放电规律；在可控氧流还原条件下，研究外加电势、电活性物质浓度以及操作温度等因素对还原电流的影响，查明可控氧流还原过程的限速环节，提高还原速率；结合扫描电镜等的观察，探明可控氧流还原条件下熔渣对固体电解质的侵蚀机理，提出阻止或减弱固体电解质侵蚀的适宜措施。本项目的研究结果将为相关电化学基础研究以及后续可控氧流还原绿色冶金技术的开发提供科学依据，进一步丰富和发展可控氧流还原理论。

结论摘要：

电解含有铁矿石的熔融氧化物炼钢有望彻底解决目前基于碳还原的钢铁工业排放CO2的问题。本项目依据可控氧流冶金新理念，提出可控氧流电解还原短流程绿色炼钢新概念，主要围绕可控氧流还原涉及的熔渣电解质物理性质、熔渣中电活性铁或镍离子电化学行为、含有铁氧化物熔渣的可控氧流还原以及熔渣对氧化锆管的侵蚀等基础物理化学问题开展研究，以期为高温电化学基础研究以及后续绿色冶金技术的开发提供科学依据，进一步丰富和发展可控氧流还原理论。经过理论计算和实验研究，本工作提出了适合于可控氧流还原研究的较合适的母渣组成为47% SiO2-28% CaO-9% Al2O3-16% MgO；建立了在由氧离子传导的氧化锆基固体电解质管集成构建的带有ZrO2|O2(air), Pt参比电极的新型可控氧流电解池，并在该电解池中首次采用交流阻抗谱、循环伏安法、计时电位法、方波伏安法等多种电化学测试技术多角度系统地研究熔渣中氧离子的传递行为以及铁或镍等电活性离子的电极过程，分别获得了熔渣中Fe2+、Ni2+的扩散系数及扩散活化能，提出的EC还原机制很好地解释了有关涉及电位、电流的电化学公式的适用问题；在可控氧流还原条件下，推导了氧离子电流表达式，实验研究外加电位、熔渣碱度、电极材料等因素对熔渣中铁氧化物还原的影响；结合扫描电镜等的观察，研究了还原过程中外加电位、熔渣碱度等对熔渣侵蚀氧化锆管的影响，分析了侵蚀机理。