探讨阳极组装磷生铁成份现状及在节能降耗方面的重要作用

摘要：本文分析阳极组装磷生铁成分现状及在节能降耗方面的重要作用，为阳极组装磷生铁在生产活动中的有效利用积累理论经验，供相关人员参考借鉴。

关键词：阳极组装;磷生铁;脱硫技术

磷生铁在阳极组装过程中发挥“结合剂”作用，促使钢爪与炭块相结合。磷生铁的含磷量较高，流动性强，冷脆性优良，可被重复使用，以上优势使其被广泛应用于预焙阳极电解槽中。为进一步提高磷生铁的使用效率，需对其成分现状及在节能降耗方面的作用进行分析。

一、阳极组装磷生铁成分现状

（一）碳元素

生铁中的碳元素以游离碳或化合碳的状态存在。其中，游离碳指的是石墨，一般存在于铸造铁当中;化合碳指的是碳化铁，多存在于炼钢生铁中。碳化铁硬度及脆性较高，可塑性低。生铁中含有适量的石墨成分有利于其强度及硬度的提升，若含量过大，会导致生铁难以削切。碳为典型的石墨化元素，物质中含碳量越高，析出的石墨也越高，碳以石墨为稳定存在状态。

例如，当硅元素的含量为2%时，若磷生铁中碳元素含量低于1.7%，则石墨以团聚形态存在;若碳元素含量在1.7%～2.6%，则石墨转化为晶间石墨;若碳元素含量在2.6%～3.5%，则石墨表现为细片状;若碳元素含量超过3.5%，则石墨为初片状。可以看出，当含碳量保持在2.6%～3.5%时，石墨细度适中、分布均匀，此时的生铁抗拉性能达到最佳。同时，碳元素可促进石墨析出，以减轻铸铁冷却后的收缩程度，避免磷生铁浇铸后发生松动。在工业生产中，铁水中碳元素含量一般控制在2.6%～3.5%，质检标准一般扩大至2.5%～3.6%。

（二）硅元素

硅元素能够强烈促进石墨化，其结合铁原子的能力极强，可促进生铁中的碳元素分离为石墨状，降低含氧量以避免铁铸件内部出现气泡，提高熔化生铁的流动性，降低铸件冷却收缩程度。但若磷生铁中硅元素含量过高，生铁的硬度和脆度将增加。不同的碳、硅元素含量比例可带来不同的金属内部组织结构，在阳极组装流程中，磷生铁环的强度及硬度适中即可。例如，当铁水中硅元素含量低于1.5%或碳元素含量高于4.3%时，生铁易出现白口现象，给后期冶炼造成一定困难，主要是由于铁水的机械性能及浇铸性能降低。因此一般要求铁水中硅元素含量控制在1.5%～3.0%，质检标准一般设计为2.5%～3.0%。

（三）锰元素

锰元素发挥阻碍石墨化的作用，可提高铁原子之间的结合力，提高金属机械强度。但当锰元素与硫元素结合，生成固态硫化锰时，该物质的熔点极高，达到1620℃，掺杂在铁水中导致铁水流动性降低，且消除硫的危害性，此时锰元素又表现出促进石墨化的属性。阳极组装过程中产生的硫化锰含量非常有限，可将其捞除。此外，在磷生铁化学成分范围内的锰元素可形成稳定的西化珠光体，合理调节磷生铁环的强度及硬度。一般情况下，生铁中含有的锰元素为硫元素的3.3倍，当硫含量在0.2%时，锰含量在理论上要高于0.6%，因此一般将锰含量控制在0.5%～1.2%，质检标准一般设计为0.5%～0.8%。

（四）硫元素

硫元素为一种有害元素，也是节能降耗工作关注的重点，带有阻碍石墨化的属性。铁水中的硫会降低其流动性，导致浇铸性能降低。铁水处于熔融状态时，硫发生无限溶解，且其在固态铁中的溶解度非常低，几乎可被忽略，因此在铁水冷却过程中会产生硫化铁晶体。硫化铁的熔点较低，导致铸铁发生热脆现象。当温度达到900℃时，还会引发断裂。由于硫元素阻碍石墨化，因此磷生铁环的收缩性提高。若含硫量达到一定限度，甚至会引发磷生铁环炸裂的现象，导致铁碳的接触电阻提高。因此在阳极组装过程中，要尽可能降低铁水中硫的含量，促进压降降低，一般要求硫元素含量不超过0.15%。

（五）磷元素

磷在固体中的溶解度非常小，随着碳含量的增加，其溶解度进一步降低，若磷含量达到临界值，会产生磷化亚铁，以磷共晶体的状态存在。该物质的脆性大，在低温状态下更易出现冷脆现象。阳极组装利用此特性，共晶体的熔点在1050℃ ，可降低液相线温度，促使铁水降温，提高铁水流动性及浇铸性能。当含磷量达到1.0%时，铁水可用来浇铸精细的工艺品，工业生产中为保证磷生铁环易于剥脱，一般将磷含量控制在0.8%～1.6%。注意磷含量需保持在合理范围内，若含量过高，反而会导致磷生铁环冷脆性上升而产生裂纹，因此建议选用0.8%～1.2%的质检标准。

二、阳极组装磷生铁在节能降耗方面的重要作用

前文提到，硫元素的回收处理被作为节能降耗工作关注的重点，因此以磷生铁脱硫技术为例，对阳极组装磷生铁在节能降耗方面的重要作用进行介绍。

（一）碳酸钠脱硫粉脱硫

当碳酸钠为脱硫粉的主要原料时，发生如下化学反应：（1）Na2CO3→Na2O+CO2;（2）Na2O+FeS→Na2S+FeO;（3）Na2CO3+FeS→Na2S+FeO+CO2。该过程中生成的氧化亚铁不溶于铁水，进入到炉渣中，氧化亚铁被磷生铁中碳、硅或锰元素还原，降低其含量促进反应发生。若其他杂质与脱硫粉中的氧化钠发生反应，会阻碍脱硫反应进行。由于总反应为吸热反应，反应发生后铁水温度会降低30～50℃。及时排出反应中的二氧化碳也有利于脱硫反应进行。

碳酸钠脱硫操作简单，可直接将脱硫粉添加到铁水中，其脱硫作用发挥受铁水硫含量、温度、添加方式、接触面积等因素的影响，硫含量越高、温度越低、接触面越大脱硫效果越好。但Na2S会与炉体结构中的石英砂发生反应，加速设备腐蚀，并引发“回硫”现象，因此在脱硫完毕后需及时清理炉渣。

（二）锰元素脱硫

利用磷生铁中锰元素进行脱硫主要发生如下反应：FeS+Mn→Fe+MnS。该反应为放热反应，若温度降低，反应朝生成硫化锰的方向移动，同时硫化锰在铁水中的溶解度降低，漂浮于铁水表面，可捞除。

该脱硫过程影响因素较多，一般情况下，磷生铁中锰含量越高、铁水温度越低、炉内反应时间越长脱硫效果越好。

三、结论

合理控制阳极组装磷生铁中碳、硅、锰、硫、磷等五种元素的含量，并选取适当方案利用磷生铁进行脱硫处理，可有效优化阳极的浇筑质量，提高企业竞争力的同时，提升节能降耗效果，创造更高的循环经济效益。

参考文献：

[1]赵鹏.铝电解浇注用磷生铁脱硫剂及炉外脱硫工艺[J].山东冶金，2016，38（01）：76-77.

[2]齐华栋，李贤，周嗣东.阳极组装用磷铸铁的脱硫增碳措施探讨[J].有色冶金节能，2015，31（01）：10-13+26.

[3]赵卓非.电解铝用磷生铁脱硫增碳效果及其对铁—碳压降的影响[D].太原理工大学，2014.

[4]莫德格.铝电解阳极组装磷生铁脫硫技术分析及实践[J].内蒙古科技与经济，2014（02）：100-101.

[5]王亚妮，郭明霞.磷生铁增碳脱硫的措施浅析[J].科技创新与应用，2013（25）：143.

作者简介：云磊（1986-），男，蒙古族，内蒙古呼和浩特人，学历：本科，毕业于北京工业大学，现有职称：助理工程师，研究方向：电力工程技术阳极组装。