废铁屑如何变身纯铁屑？

“废铁屑”的来源很复杂,通常包含以下杂质：

• 氧化铁: 最常见的杂质，铁在空气中会生锈，形成Fe₂O₃、Fe₃O₄等。
• 油污和有机物: 来自机加工过程中的切削液、润滑油等。
• 非金属杂质: 混入的沙土、石块、塑料、橡胶等。
• 合金元素: 如果是合金钢屑，会含有碳、铬、镍、锰等元素，这也是一种“杂质”，如果想得到纯铁,需要去除。
• 其他金属杂质: 如铜、锡、铅等。

将废铁屑变成纯铁屑，需要一套或多套组合工艺，下面我将从简单到复杂,介绍几种主要的方法。

核心思路：分步去除杂质

整个过程可以分为四个主要步骤，根据最终纯度的要求,可以选择不同的组合。

第一步：预处理（物理方法）——去除大块杂质

这是最基础的一步，目的是通过物理方式分离那些不需要的、与铁屑物理性质不同的物质。

1. 分选与筛分:

   
   （图片来源网络，侵删）
   • 方法: 使用振动筛、磁选机等设备。
   • 目的: 磁选机可以快速吸走铁屑，而非金属杂质（如沙石、塑料）则被分离出去，筛分可以按大小将铁屑分类,为后续处理做准备。
   • 优点: 简单、成本低、处理量大。

2. 破碎:

   • 方法: 如果铁屑是大的块状或卷状（如冲压下来的料边），需要用破碎机将其打碎成较小的、均匀的颗粒。
   • 目的: 增加比表面积,便于后续的化学或物理化学处理。

3. 清洗:

   • 方法: 使用清洗剂、超声波清洗或高压水枪冲洗。
   • 目的: 去除表面的油污、泥土和部分松散的氧化层。
   • 优点: 去除有机物效果好,为后续除锈做准备。

第二步：除锈（化学方法）——去除氧化铁

这是将铁“还原”回来的关键一步,主要针对氧化铁。

1. 酸洗:

   
   （图片来源网络，侵删）
   • 方法: 将清洗后的铁屑浸泡在酸性溶液中（最常用的是盐酸或硫酸）。
     • 盐酸: 反应快，效率高，但会产生有毒的氯气,且对设备腐蚀性强。
     • 硫酸: 成本较低，但反应速度较慢,且需要较高温度。
   • 化学反应:
     • Fe₂O₃ + 6HCl → 2FeCl₃ + 3H₂O (氧化铁溶解)
     • Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑ (铁与酸反应产生氢气，注意安全！)
   • 后续处理: 酸洗后需要用大量的清水冲洗，去除残留的酸液，然后进行中和处理（如用碳酸钠溶液），最后再清洗一遍,防止铁屑再次生锈。
   • 优点: 除锈彻底,速度快。
   • 缺点: 产生酸性废液，需要环保处理；会消耗一部分基体铁。

2. 还原退火:

   • 方法: 将铁屑在隔绝空气或还原性气氛（如氢气、一氧化碳）的加热炉中进行高温处理。
   • 原理: 在高温下，氧化铁被还原成金属铁。
     • Fe₂O₃ + 3H₂ → 2Fe + 3H₂O (氢气还原)
     • Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ (一氧化碳还原)
   • 优点: 不会消耗基体铁，还能使铁屑晶粒变得致密,去除部分应力。
   • 缺点: 设备投资大，能耗高，适合处理量大、要求高的铁屑。

第三步：深度提纯（化学或物理化学方法）——去除合金元素和其他金属

如果废铁屑是合金钢屑，或者要求得到极高纯度的铁（如99.9%以上）,就需要这一步。

1. 电解精炼:

   • 原理: 这是目前工业上生产高纯度金属（如电解铜、电解锌）最常用的方法,同样可以用于提纯铁。
   • 方法:
     • 将经过预处理和除锈的铁屑制成阳极。
     • 用纯铁片或惰性电极（如石墨）作为阴极。
     • 放入含有铁盐（如硫酸亚铁）的电解液中。
     • 通入直流电。
   • 过程: 在阳极，铁原子失去电子变成离子进入溶液：Fe → Fe²⁺ + 2e⁻，合金元素（如碳、铬、镍）等杂质，由于其电位不同，要么不溶解，要么留在阳极泥中，在阴极，只有铁离子得到电子，沉积在阴极板上，形成高纯度的铁：Fe²⁺ + 2e⁻ → Fe。
   • 优点: 可以获得极高纯度（99.95%以上）的铁，是制备“纯铁”的终极方法。
   • 缺点: 工艺复杂，能耗高，成本昂贵,需要严格控制电解液成分和温度。

2. 区域熔炼:

   • 原理: 利用杂质在固相和液相中溶解度的不同，将铁制成一个细长的锭子，用一个狭窄的加热器（“熔区”）从一端缓慢移动到另一端。
   • 过程: 当熔区通过时，杂质会倾向于“排斥”在固化的纯铁之外，并被带到锭子的末端，重复这个过程，可以将杂质高度富集在锭子的一端,从而得到主体部分的高纯度铁。
   • 优点: 可以获得超纯铁（99.999%以上），是半导体、航空航天等尖端领域所需材料。
   • 缺点: 产量极低，成本极高,只用于实验室和特殊领域。

第四步：后处理与成型

1. 干燥: 将处理后的铁屑彻底干燥,防止储存和运输中再次氧化或受潮。
2. 压制: 将干燥的纯铁屑粉末在高压下压制成特定形状（如块状、棒状）,便于熔炼或直接使用。
3. 真空包装: 对于极高纯度的铁，需要在惰性气体保护下或真空包装,防止氧化。

如何选择？

没有一种“万能”的方法可以将废铁屑变成纯铁屑，最佳方案取决于铁屑的初始成分、杂质的种类和含量、以及最终产品所需的纯度。

对于绝大多数回收和再利用场景，“物理预处理 + 酸洗” 是最经济、最主流的路线，而对于需要高纯铁的特殊工业，则需要投入成本更高的“还原退火 + 电解精炼” 路线。