殘余元素對工藝及性能的影響

張胤彥

（靖江特殊鋼有限公司，江蘇 泰州 214500）

高鐵含量的鐵礦石資源枯竭極大地增加了對各種低鐵礦石資源的利用率。此外，為了環境保護和降低成本，廢品在工業生產中使用率也在逐年上升。這些影響因素都會造成鋼中其他殘余元素的含量有較大幅度地增加。鋼中殘留的有害元素是現代鋼鐵和冶金工藝中最為重要的一個技術問題。

1 殘余元素的基本情況

在目前的鋼鐵殘余元素問題中，殘余元素主要是指在鋼鐵生產中氧親和力低于鐵或氧化電位較低，難以去除，難以完全進入鋼鐵的元素。由于殘余元素在鋼鐵生產過程中不能有效去除，鋼鐵回收時會以很高的濃度聚集[1]。如果其含量達到一定程度，就會對鋼的某些性能產生重大影響，而其他元素則不在殘余元素的討論之列。

2 殘余元素的危害及控制策略

2.1 殘余元素對鋼質量和性能的危害

殘余元素Cu、Sn、Sb對鋼的質量和性能有很大的危害。①板坯凝固過程中，板坯內部由于產生了凝固探針，容易出現中心團聚等內部缺陷，從而減少了板坯內部致密度和軋制成型產品的動力學性能；②分離晶界減少了晶體的表面熱能，弱化了晶界，增加了沿著晶界發生脆性而導致斷裂的可能。這顯著地降低了鋼的耐沖擊強度，并且改善了中頻鋼的高阻力特點。并且惡化了中頻鋼的低阻力特性。③它在鋼材的基體和氧化層之間脫落并聚集，降低了棒材和鋼材的表面質量，增加了熱分散的趨勢，降低了擠壓盤管的熱生產率；④低合金鋼引起的溫度彌散和低溫的彌散；⑤研究結果顯示，在含氫的氣氛下發生拉伸腐蝕，⑥耐熱鋼的耐久性和熱塑性明顯降低。

2.2 減少和控制高溫下鋼中含有殘余金屬元素的措施與對策和方法

目前控制和減少鋼鐵中殘余元素的措施和方法包括固體廢物預處理、鐵礦床焙燒工藝、分批稀釋工藝、除鐵工藝、除鋼工藝、添加其他制動元素等。

2.2.1 固態廢鋼預處理技術

常用的含固態和銅廢鐵型鋼的熱預處理工藝技術主要方法包括采用機械化的挑選型鋼法、含鐵和銅廢鐵型鋼的熱冷凍法預處理、選擇性廢鋼熔化法、鉛浴或鍍鋅鋁浴熱水浴的浸入法、電化學法、氯化法、氨基酸浸出法、硫化渣法等多種[2]。這些脫除方法主要目的是可以用來直接脫除一些廢鋼材料中的錫和銅，少數邊遠地區的這種方法也就是可以改為用來直接脫除錫、鋅等其他鋼中殘余的重金屬。雖然它們都可以是有效降低或者有效消除對固體殘余物的有害物質和其他化學元素可能造成不利后果影響的有效處理手段，但其普遍使用投資資金量大，經濟上也不劃算，而且少數這些有效手段還是由于自身存在著雜質脫除率相對較低，處理過程周期相對較長等技術缺陷。

2.2.2 含鐵礦物焙燒處理工藝

所謂的還原和焙燒技術對其中包含鐵和碳的礦物氣體進行還原處理就是指通過在其還原的氣氛下（主要包括CO）將鐵和碳的礦石氣體加熱至一定的溫度，使得礦石與其他元素發生化學反應，形成富含殘留鐵和碳元素的揮發性氣體，從而減少和提高鐵和碳的礦石氣體中殘留鐵和碳元素的含量。此法對某個殘余元素在溶液中進行脫除時，具有很高的脫除效果，如還原和焙燒中脫砷時的凈化率一般為至少超過90%，而且該方法可以同時分別對砷、錫、鉛、鋅等多種殘余元素進行凈化和脫除。但由于這種制備工藝的前期投資比較大，能耗高，而且這些揮發性氣體都需要經過后續的相應處理，否則可能會給環境造成嚴重的污染以及對人們的健康帶來危害，故還很難在現代工業生產中得到廣泛地使用[3]。對于鐵礦石中的銅，可以考慮氯化烘烤處理，但這種方法需要一個氧化性的氣氛，且其脫銅率通常只有50%左右。

2.2.3 配料稀釋法

配料化學稀釋處理法認為是目前在不銹鋼鐵產品制造中最為廣泛通用和普遍廣泛使用的一種用于處理不銹配料的一種方法，也認為是目前減少不銹鋼中配料剩余物和其他金屬元素的化學含量最為簡單有效的處理措施。例如在使用高爐加熱煉鐵時期就需要定期進行合適的鐵水配礦以及及時調整提煉鐵水中可能殘留的鐵元素的一定含量，電弧爐在后期煉鋼生產過程中往往通常會選擇使用制造DRI、碳化鐵、制造氧化鐵塊或提煉鐵水等材料作為冶煉廢鋼的一種替代處理用品，以便于稀釋出廢鋼液。但其不僅需要同時具備質量足夠的和數量的優質的豐富鐵金屬礦物和水資源和清潔的銅礦鐵源，且很容易就會造成體內殘余的鐵金屬元素在惡劣大氣環境中的惡性循環和大量富集，不能真正從根本上有效解決這個環境問題。

2.2.4 鐵水脫除技術

目前鐵水脫除工藝主要有兩種方法，一是采取CaO或CaC2與CaF2渣體關系，二是利用硅鈣合金來去除鐵水中的大量殘留元素磷和銻。和CaO相比，CaC2的二次脫砷處理效率更好[4]。而如果使用硅鈣合金進行脫砷，其效率也就比較高，但是成本可能還會比較低。

2.2.5 鋼液脫除技術

鋼液脫除工藝目前主要有兩種方式采用真空揮發處理、CaC2-CaF2渣體系、硅鈣合金、喂鈣線與造（CaOAl2O3SiO2）頂渣復合等工藝來脫除鋼水中的大量殘余元素砷或錫，以及通過熔體濾波法和反過篩方法、銨鹽等方式來脫除大量殘余元素銅[5]。其中在該方法中采用Ca-C2-CaF2渣體體系對鋼液中的大量物質進行脫砷作為氧化劑時的效果最佳，但是容易造成鋼中碳的含量增加很多。

2.2.6 添加其它抑制元素

增加殘余抑制電阻元件的使用方法主要是通過適量增加鋁和銅等其他金屬殘余抑制元件對影響鋼鐵產品性能的不利因素影響系數來使其實現較為有效[6]。如在高溫鋼中直接加熱添加了一定濃度數量的類似銅和銅或鎳，可以直接使鋼在晶間結合生成一種化學熔點相對較高的類似銅和銅或鎳有機化合物，還因此使鋼可以有效阻礙鎳和銅向其他奧氏體晶界的直接滲透，提高了鎳和銅在進入奧氏體晶界過程中的化學溶解度，防止了銅的鋼坯在其他高溫鋼中加熱的同時會在其晶體表面腐蝕形成類似銅與鎳的As、Sn、Sb等的合金相，但含有Sn、Sb等其他元素殘余的鎳元素的大量存在可能會因此大大降低其對鎳的氧化抑制效應。但是現在添加這樣的一種抗氧化和免疫抑制性化學元素后卻并非對于能夠徹底解決不銹鋼和鐵中的一些殘余化學元素而言，并非可說是一條非常基礎性的解決出路。

3 結語

隨著廢品在工業生產中使用率也在逐年上升。這些影響因素都會造成鋼中其他殘余元素的含量有較大幅度地增加。鋼中殘留的有害元素是現代鋼鐵和冶金工藝中最為重要的一個技術問題。目前控制和減少鋼鐵中殘余元素的措施和方法包括固體廢物預處理、鐵礦床焙燒工藝、分批稀釋工藝、除鐵工藝、除鋼工藝、添加其他制動元素等。