这是一个非常好的问题,也是废铁回收再利用过程中的核心环节，废铁中的杂质会严重影响最终钢材的质量、生产效率和成本，处理杂质的方法贯穿于整个回收流程，可以分为预处理、熔炼过程和精炼三个主要阶段。
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下面我将详细解释在每个阶段如何处理不同类型的杂质。
第一阶段：预处理阶段（熔炉之外）
这是在废铁进入熔炉之前进行的处理,目标是“去粗取精”，从源头上减少杂质含量。
分选
这是最基本也是最重要的一步,根据杂质的物理特性进行分离。
- 人工分选：
- 去除非金属杂质： 拣出橡胶、塑料、木头、布料、玻璃等，这些物质在高温下会形成炉渣，消耗能量，甚至产生有害气体。
- 去除有色金属： 拣出铜、铝、铅、锌等，这些是“恶性杂质”（Tramp Elements），铜会降低钢的韧性和焊接性能；铅和锡会在钢锭中形成偏析，导致热脆性，使得钢材在热加工时容易开裂。
- 机械分选：
- 磁选： 利用磁铁将废铁（铁磁性物质）与大部分非磁性杂质（如有色金属、石块、沙土）分离，这是钢铁厂最常用的方法。
- 风选/浮选： 利用气流或液体密度差，分离密度小的杂质（如塑料、泡沫）和密度大的废铁。
- 涡流分选： 利用涡电流效应，可以高效地分离有色金属（如铝、铜）。
- 传感器分选：
- X射线分选/激光诱导击穿光谱： 先进的分选技术，可以识别出不同种类的金属和合金，实现高精度的分离，尤其适合处理成分复杂的工业废料。
清洗
去除废铁表面的污染物。
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- 物理清洗： 通过喷丸、打磨、高压水枪冲洗等方式，去除表面的油污、锈垢、泥沙和涂层（如油漆）。
- 化学清洗： 使用酸、碱或有机溶剂去除顽固的油污和氧化物，这种方法成本较高，且可能产生废液，需要环保处理，通常用于处理高价值或要求极高的废料。
压块与打包
将松散的轻薄废铁（如废钢屑、废钢丝、轻薄板材）进行压缩，形成密度较高的“料块”或“包”。
- 目的：
- 提高运输和装载效率。
- 减少炉内氧化： 密实的料块减少了与空气的接触面积，在熔化过程中氧化损失更少。
- 稳定加料： 使炉料更容易、更稳定地加入熔炉，避免“搭桥”现象。
第二阶段：熔炼过程（熔炉之内）
当预处理后的废铁进入熔炉（如电弧炉、转炉）后，杂质主要通过形成炉渣被去除。
形成炉渣
这是去除杂质的核心化学方法,炉渣是熔融状态下，由杂质、熔剂和氧化物组成的混合物，它密度比钢水小，会浮在钢水表面，从而被分离出去。
- 造渣原理：
- 酸性和碱性杂质： 废铁中的杂质如硅、磷、硫等，在高温下会与氧化合，为了形成流动性好、易于分离的炉渣，需要加入熔剂。
- 碱性熔剂： 主要使用石灰石 和 萤石，石灰石（主要成分CaCO₃）分解后生成氧化钙，可以与酸性氧化物（如SiO₂, P₂O₅）反应，形成稳定的钙基炉渣。
CaO + SiO₂ → CaSiO₃(硅酸钙，炉渣主要成分)3CaO + P₂O₅ → Ca₃(PO₄)₂(磷酸钙，有效脱磷)
- 酸性熔剂： 如果炉料中碱性杂质（如CaO, MgO）过多，会加入石英砂（主要成分SiO₂）来调节炉渣酸碱度。
脱磷 和脱硫
磷和硫是钢中有害元素,必须严格控制。
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- 脱磷：
- 条件： 需要在碱性炉渣和较低温度下进行，在电弧炉的氧化期，会通过吹氧或加入铁矿石来氧化钢水中的磷，然后迅速形成磷酸钙进入炉渣。
- 关键： 快速扒渣，防止磷被炉渣中的氧化钙重新还原回钢水。
- 脱硫：
- 条件： 需要在碱性炉渣和较高温度下进行，硫在钢水中以FeS形式存在，它不溶于钢水，会与CaO反应生成CaS进入炉渣。
- 关键： 保证炉渣有足够的碱度和流动性，并加强钢水搅拌，让硫元素充分扩散到渣钢界面。
第三阶段：精炼阶段（出炉之后）
钢水从熔炉出来后,还需要进行最后的精炼，以去除溶解在钢水中的微量气体和杂质。
炉外精炼
这是现代炼钢不可或缺的环节,通过“钢包”进行。
- 氩气搅拌： 向钢包中吹入惰性气体氩气，氩气泡上浮时，会像“小真空室”一样，吸附钢水中的氢、氮等气体，并将其带出（气泡冶金原理），搅拌使钢水和炉渣充分接触，加速脱硫等反应。
- 真空处理： 将钢包置于真空罐中，通过抽真空降低压力，使溶解在钢水中的气体（H, N）析出并被抽走，这对于生产高品质、无缺陷的钢材（如轴承钢、硅钢）至关重要。
- 喂线技术： 将含有特定元素的金属丝（如硅钙丝、铝丝）通过喂线机精确地插入到钢水中，这种方法可以高效、均匀地调整钢水成分，并进行脱氧和变性处理。
- 脱氧： 加入铝、硅、锰等脱氧剂，与钢水中溶解的氧反应，形成氧化物并进入炉渣，常用的脱氧产物是Al₂O₃，它会形成固态的夹杂物，需要后续去除。
连铸过程中的夹杂物控制
精炼后,钢水会被连铸成钢坯，在这个过程中，要采取措施防止二次氧化和卷入炉渣，确保最终钢材的纯净度。
不同杂质的处理策略
| 杂质类型 | 主要来源 | 处理方法 | 关键点 |
|---|---|---|---|
| 非金属杂质 (橡胶、塑料、土石) | 生活垃圾、工业废料 | 预处理阶段： 人工/机械分选、清洗 | 源头控制，防止污染和能量浪费 |
| 有色金属 (Cu, Al, Pb, Sn) | 混合废料、旧电器 | 预处理阶段： 磁选、涡流分选 | “恶性杂质”，严重影响钢的性能，必须彻底分离 |
| 硅、锰 | 废钢本身、合金 | 熔炼阶段： 氧化形成SiO₂、MnO进入炉渣 | 作为有益元素或造渣成分，需控制其含量 |
| 磷 | 矿石、废钢 | 熔炼阶段： 碱性氧化法脱磷 | 在氧化期低温下快速去除 |
| 硫 | 燃料、废钢 | 熔炼/精炼阶段： 碱性炉渣脱硫、炉外精炼 | 需要高温和良好的搅拌条件 |
| 氧、氢、氮 | 空气、炉渣、原料 | 精炼阶段： 脱氧剂、氩气搅拌、真空处理 | 决定钢材的纯净度和机械性能 |
| 夹杂物 | 脱氧产物、卷入炉渣 | 精炼阶段： 喂线变性、氩气上浮、LF炉处理 | 控制其形态、大小和分布，减少钢材缺陷 |
处理废铁中的杂质是一个系统性工程，需要“预处理为主，熔炼精炼为辅”，通过精细的预处理，可以最大程度地去除物理杂质，降低后续熔炼的负担和成本，在熔炼和精炼阶段，则利用化学和物理原理，将有害元素转化为炉渣或气体排出，最终得到纯净合格的钢水，每一个环节的优化，都直接关系到最终产品的质量和经济效益。
