探討陽極組裝磷生鐵成份現(xiàn)狀及在節(jié)能降耗方面的重要作用

摘要：本文分析陽極組裝磷生鐵成分現(xiàn)狀及在節(jié)能降耗方面的重要作用，為陽極組裝磷生鐵在生產(chǎn)活動(dòng)中的有效利用積累理論經(jīng)驗(yàn)，供相關(guān)人員參考借鑒。

關(guān)鍵詞：陽極組裝;磷生鐵;脫硫技術(shù)

磷生鐵在陽極組裝過程中發(fā)揮“結(jié)合劑”作用，促使鋼爪與炭塊相結(jié)合。磷生鐵的含磷量較高，流動(dòng)性強(qiáng)，冷脆性優(yōu)良，可被重復(fù)使用，以上優(yōu)勢(shì)使其被廣泛應(yīng)用于預(yù)焙陽極電解槽中。為進(jìn)一步提高磷生鐵的使用效率，需對(duì)其成分現(xiàn)狀及在節(jié)能降耗方面的作用進(jìn)行分析。

一、陽極組裝磷生鐵成分現(xiàn)狀

（一）碳元素

生鐵中的碳元素以游離碳或化合碳的狀態(tài)存在。其中，游離碳指的是石墨，一般存在于鑄造鐵當(dāng)中;化合碳指的是碳化鐵，多存在于煉鋼生鐵中。碳化鐵硬度及脆性較高，可塑性低。生鐵中含有適量的石墨成分有利于其強(qiáng)度及硬度的提升，若含量過大，會(huì)導(dǎo)致生鐵難以削切。碳為典型的石墨化元素，物質(zhì)中含碳量越高，析出的石墨也越高，碳以石墨為穩(wěn)定存在狀態(tài)。

例如，當(dāng)硅元素的含量為2%時(shí)，若磷生鐵中碳元素含量低于1.7%，則石墨以團(tuán)聚形態(tài)存在;若碳元素含量在1.7%～2.6%，則石墨轉(zhuǎn)化為晶間石墨;若碳元素含量在2.6%～3.5%，則石墨表現(xiàn)為細(xì)片狀;若碳元素含量超過3.5%，則石墨為初片狀。可以看出，當(dāng)含碳量保持在2.6%～3.5%時(shí)，石墨細(xì)度適中、分布均勻，此時(shí)的生鐵抗拉性能達(dá)到最佳。同時(shí)，碳元素可促進(jìn)石墨析出，以減輕鑄鐵冷卻后的收縮程度，避免磷生鐵澆鑄后發(fā)生松動(dòng)。在工業(yè)生產(chǎn)中，鐵水中碳元素含量一般控制在2.6%～3.5%，質(zhì)檢標(biāo)準(zhǔn)一般擴(kuò)大至2.5%～3.6%。

（二）硅元素

硅元素能夠強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化，其結(jié)合鐵原子的能力極強(qiáng)，可促進(jìn)生鐵中的碳元素分離為石墨狀，降低含氧量以避免鐵鑄件內(nèi)部出現(xiàn)氣泡，提高熔化生鐵的流動(dòng)性，降低鑄件冷卻收縮程度。但若磷生鐵中硅元素含量過高，生鐵的硬度和脆度將增加。不同的碳、硅元素含量比例可帶來不同的金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，在陽極組裝流程中，磷生鐵環(huán)的強(qiáng)度及硬度適中即可。例如，當(dāng)鐵水中硅元素含量低于1.5%或碳元素含量高于4.3%時(shí)，生鐵易出現(xiàn)白口現(xiàn)象，給后期冶煉造成一定困難，主要是由于鐵水的機(jī)械性能及澆鑄性能降低。因此一般要求鐵水中硅元素含量控制在1.5%～3.0%，質(zhì)檢標(biāo)準(zhǔn)一般設(shè)計(jì)為2.5%～3.0%。

（三）錳元素

錳元素發(fā)揮阻礙石墨化的作用，可提高鐵原子之間的結(jié)合力，提高金屬機(jī)械強(qiáng)度。但當(dāng)錳元素與硫元素結(jié)合，生成固態(tài)硫化錳時(shí)，該物質(zhì)的熔點(diǎn)極高，達(dá)到1620℃，摻雜在鐵水中導(dǎo)致鐵水流動(dòng)性降低，且消除硫的危害性，此時(shí)錳元素又表現(xiàn)出促進(jìn)石墨化的屬性。陽極組裝過程中產(chǎn)生的硫化錳含量非常有限，可將其撈除。此外，在磷生鐵化學(xué)成分范圍內(nèi)的錳元素可形成穩(wěn)定的西化珠光體，合理調(diào)節(jié)磷生鐵環(huán)的強(qiáng)度及硬度。一般情況下，生鐵中含有的錳元素為硫元素的3.3倍，當(dāng)硫含量在0.2%時(shí)，錳含量在理論上要高于0.6%，因此一般將錳含量控制在0.5%～1.2%，質(zhì)檢標(biāo)準(zhǔn)一般設(shè)計(jì)為0.5%～0.8%。

（四）硫元素

硫元素為一種有害元素，也是節(jié)能降耗工作關(guān)注的重點(diǎn)，帶有阻礙石墨化的屬性。鐵水中的硫會(huì)降低其流動(dòng)性，導(dǎo)致澆鑄性能降低。鐵水處于熔融狀態(tài)時(shí)，硫發(fā)生無限溶解，且其在固態(tài)鐵中的溶解度非常低，幾乎可被忽略，因此在鐵水冷卻過程中會(huì)產(chǎn)生硫化鐵晶體。硫化鐵的熔點(diǎn)較低，導(dǎo)致鑄鐵發(fā)生熱脆現(xiàn)象。當(dāng)溫度達(dá)到900℃時(shí)，還會(huì)引發(fā)斷裂。由于硫元素阻礙石墨化，因此磷生鐵環(huán)的收縮性提高。若含硫量達(dá)到一定限度，甚至?xí)l(fā)磷生鐵環(huán)炸裂的現(xiàn)象，導(dǎo)致鐵碳的接觸電阻提高。因此在陽極組裝過程中，要盡可能降低鐵水中硫的含量，促進(jìn)壓降降低，一般要求硫元素含量不超過0.15%。

（五）磷元素

磷在固體中的溶解度非常小，隨著碳含量的增加，其溶解度進(jìn)一步降低，若磷含量達(dá)到臨界值，會(huì)產(chǎn)生磷化亞鐵，以磷共晶體的狀態(tài)存在。該物質(zhì)的脆性大，在低溫狀態(tài)下更易出現(xiàn)冷脆現(xiàn)象。陽極組裝利用此特性，共晶體的熔點(diǎn)在1050℃ ，可降低液相線溫度，促使鐵水降溫，提高鐵水流動(dòng)性及澆鑄性能。當(dāng)含磷量達(dá)到1.0%時(shí)，鐵水可用來澆鑄精細(xì)的工藝品，工業(yè)生產(chǎn)中為保證磷生鐵環(huán)易于剝脫，一般將磷含量控制在0.8%～1.6%。注意磷含量需保持在合理范圍內(nèi)，若含量過高，反而會(huì)導(dǎo)致磷生鐵環(huán)冷脆性上升而產(chǎn)生裂紋，因此建議選用0.8%～1.2%的質(zhì)檢標(biāo)準(zhǔn)。

二、陽極組裝磷生鐵在節(jié)能降耗方面的重要作用

前文提到，硫元素的回收處理被作為節(jié)能降耗工作關(guān)注的重點(diǎn)，因此以磷生鐵脫硫技術(shù)為例，對(duì)陽極組裝磷生鐵在節(jié)能降耗方面的重要作用進(jìn)行介紹。

（一）碳酸鈉脫硫粉脫硫

當(dāng)碳酸鈉為脫硫粉的主要原料時(shí)，發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：（1）Na2CO3→Na2O+CO2;（2）Na2O+FeS→Na2S+FeO;（3）Na2CO3+FeS→Na2S+FeO+CO2。該過程中生成的氧化亞鐵不溶于鐵水，進(jìn)入到爐渣中，氧化亞鐵被磷生鐵中碳、硅或錳元素還原，降低其含量促進(jìn)反應(yīng)發(fā)生。若其他雜質(zhì)與脫硫粉中的氧化鈉發(fā)生反應(yīng)，會(huì)阻礙脫硫反應(yīng)進(jìn)行。由于總反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，反應(yīng)發(fā)生后鐵水溫度會(huì)降低30～50℃。及時(shí)排出反應(yīng)中的二氧化碳也有利于脫硫反應(yīng)進(jìn)行。

碳酸鈉脫硫操作簡(jiǎn)單，可直接將脫硫粉添加到鐵水中，其脫硫作用發(fā)揮受鐵水硫含量、溫度、添加方式、接觸面積等因素的影響，硫含量越高、溫度越低、接觸面越大脫硫效果越好。但Na2S會(huì)與爐體結(jié)構(gòu)中的石英砂發(fā)生反應(yīng)，加速設(shè)備腐蝕，并引發(fā)“回硫”現(xiàn)象，因此在脫硫完畢后需及時(shí)清理爐渣。

（二）錳元素脫硫

利用磷生鐵中錳元素進(jìn)行脫硫主要發(fā)生如下反應(yīng)：FeS+Mn→Fe+MnS。該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，若溫度降低，反應(yīng)朝生成硫化錳的方向移動(dòng)，同時(shí)硫化錳在鐵水中的溶解度降低，漂浮于鐵水表面，可撈除。

該脫硫過程影響因素較多，一般情況下，磷生鐵中錳含量越高、鐵水溫度越低、爐內(nèi)反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)脫硫效果越好。

三、結(jié)論

合理控制陽極組裝磷生鐵中碳、硅、錳、硫、磷等五種元素的含量，并選取適當(dāng)方案利用磷生鐵進(jìn)行脫硫處理，可有效優(yōu)化陽極的澆筑質(zhì)量，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的同時(shí)，提升節(jié)能降耗效果，創(chuàng)造更高的循環(huán)經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙鵬.鋁電解澆注用磷生鐵脫硫劑及爐外脫硫工藝[J].山東冶金，2016，38（01）：76-77.

[2]齊華棟，李賢，周嗣東.陽極組裝用磷鑄鐵的脫硫增碳措施探討[J].有色冶金節(jié)能，2015，31（01）：10-13+26.

[3]趙卓非.電解鋁用磷生鐵脫硫增碳效果及其對(duì)鐵—碳?jí)航档挠绊慬D].太原理工大學(xué)，2014.

[4]莫德格.鋁電解陽極組裝磷生鐵脫硫技術(shù)分析及實(shí)踐[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2014（02）：100-101.

[5]王亞妮，郭明霞.磷生鐵增碳脫硫的措施淺析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013（25）：143.

作者簡(jiǎn)介：云磊（1986-），男，蒙古族，內(nèi)蒙古呼和浩特人，學(xué)歷：本科，畢業(yè)于北京工業(yè)大學(xué)，現(xiàn)有職稱：助理工程師，研究方向：電力工程技術(shù)陽極組裝。