新型磷生铁增碳脱硫的措施浅析

刘二宁，唐绪荣

（陕西有色榆林新材料集团有限责任公司，陕西 榆林 719000）

阳极组装是将合格的焙烧熟块同铝导杆通过高温磷生铁铁水浇铸后供铝电解导电消耗的工艺生产过程。磷生铁配方的优劣效果可直接影响阳极生产过程的浇铸、压脱及铝电解铁碳压降等，重点加强其中碳元素、硫元素的合理控制，可以有效促进其对阳极生产压脱过程的易脱性和降低其对铁碳压降、直流电耗的影响，实现经济性生产有着重要意义。

1 磷生铁配方优化的背景

阳极组装过程中，磷生铁将铝导杆钢爪同炭块连接起来，磷生铁是阳极组装的限制环节和工艺指标重点管控环节。磷生铁及界面上的压降占整个阳极铁碳压降的30%～50%。具体表现为：①磷生铁收缩性大，导致磷生铁铁环同钢爪之间界面电阻大、裂纹增多，易脱极；②磷生铁与钢爪分离不畅，铁环难以压脱，设备损伤大、人工二次砸除作业劳动强度加大等；③磷生铁长期循环，循环铁环钢性大、室外存放腐蚀严重，碳损失严重，质量分数已降至2.5%及以下水平。

其次，随着碳素、铝电解市场的持续饱和，而生产原辅材料（增碳剂）的价格逐年上涨，采用低耗材料取代传统或新型高价材料实现指标的有效管控，已势在必行。

2 磷生铁增碳脱硫的改善措施

为全面保持并进一步优化磷生铁理化性能，促进经济性生产投入，利用企业内部含较高固定碳含量、低水分、低挥发分、低灰分经1200℃～1350℃煅烧后的碳素原料——煅后石油焦，取代高价增碳剂、批量性生铁进行磷生铁的增碳。

磷生铁在熔炼过程中或熔炼后浇铸前，需将有害元素硫元素要消除或控制在限量以下。目前，同行业均使用的是直筒式中频电源感应炉，在熔炼过程中，硫元素的来源主要是酸性炉料固有的硫和循环磷生铁中的硫。而目前直筒式中频感应炉均采用的是市场炉衬材料品质较好、安全性较高的材料，均采用的是酸性炉料，故而脱硫均采用的是炉内或炉外脱硫。炉内脱硫通常采用加锰铁或废旧钢材（无油渍、无漆、无绣、非空心。粘附油渍、漆、绣易造成线圈打火、漏电及浮渣过多现象而非炉衬铁含量过高导致）。当原料中含硫量高且温度在600℃时，硫与铁化合形成低熔点的FeS，使得铁水流动性变差、电阻增加、导电性降低、导致铁碳压降高，反应式为：2S+Fe=FeS2。

根据金属元素的活动性，锰和铁在同等条件下与硫发生反应时，锰首先与硫反应。经过生产实践证明，在磷生铁熔化过程中，在磷生铁没有熔化之前加入的锰，通过锰与硫之间的反应吸收硫，从而达到脱硫效果，反应式为：

炉外脱硫采用工业纯碱脱硫，硫在铁水中主要以FeS形式存在。在高温条件下，纯碱在高温铁水中发生分解反应，分解生成的氧化钠与硫化铁反应，生成稳定且不溶于铁水的硫化钠，硫化钠比重小，易浮于铁水表面，浇包内进行除渣可除去，达到脱硫效果。

3 实验方案

在进行磷生铁元素含量及其品质调整前，需采用高碳低硫（C 3.5%、S＜0.1%）新磷生铁进行硫的稀释，将循环旧铁环中的硫进行全面稀释，控制在限量S＜0.15%。同时，为有效保证并促进磷生铁的石墨化，结合各元素平衡温度下的吸收率、烧损率，按照定量配比实时称量，在实验前P元素需保持在1.6%～1.8%、Si元素需保持在2.0%～2.2%。该实验采取为期三个月不低于48个批次送检样品，每包平均浇铸50组阳极，不低于2400组。

（1）首先，结合近10个炉次循环磷生铁理化指标结果，3T容量的中频感应炉内在铁水出空（炉底滞留不高于30Cm铁水）后加入20Kg煅后石油焦（粒度6mm～3mm、固定碳含量85%及以上、灰分≤0.5%、硫含量≤1.5），使其与铁水充分接触，保证其吸收率。而后再加入相应配量的锰铁、硅铁、磷铁及150Kg的废旧钢材（无油渍、无漆、无绣、非空心）。按照磷生铁熔炼操作规程进行送电熔化，铁水出炉温度须达到1450±50℃，出炉除渣作业结束后，观察并实时测量铁水出炉温度有无达到出炉温度；倾倒铁水值浇包内浇铸，观察其流动性是否良好、铁环饱满度、平整度、冷却到常温状态下后的收缩情况；其次，对实验浇铸下线后的阳极导杆进行导杆标注，跟踪周期结束后其压脱韧性有无消减、脆性有无改善；另外，结合实时出炉后效果取样，每台炉内取一个样品送检，化验理化指标是否达到正常指标要求范围内。

（2）在实验一进行煅后石油焦及其他配料添加不变的情况下，取消废旧钢材的使用，将炉内脱硫调整为炉外脱硫。浇包在接铁水前，每包内加入5Kg工业纯碱，将铁水炉内除渣结束后，铁水倾至浇包内，使其与纯碱熔合反应，除去浇包内铁水表面浮渣。进行浇铸后等同实验一的质量跟踪。

4 实验结果及其分析

对每个月16个批次送检样品进行理化指标统计及浇铸过程及后续质量跟踪，每个月实验一8个批次、实验二8个批次（表1、表2），同前期增碳剂增碳、炉内加锰脱硫生产进行对比分析。

表1 实验一样品平均理化指标对比（质量分数%）

表2 实验二样品平均理化指标对比（质量分数%）

通过上述两个表格数据显示，两种实验条件下，分别通过实验一采用煅后石油焦、废旧钢材和实验二采用煅后石油焦、炉外加工业纯碱同前期增碳剂（批次性C含量平均值75%）、炉内加锰脱硫进行增碳脱硫进行对比。随着生产推进，铁环循环周期的逐步延长，在酸性直筒感应电炉内的高温熔融反应条件下，加上高价增碳剂的质量不稳定、不达标及炉内单纯锰元素的脱硫反应，未达到高温炉内各元素的有效平衡与吸收，增碳脱硫效果差距明显，且经济投入成本较高。

5 结论

采取煅后石油焦、废旧钢材和煅后石油焦、炉外加工业纯碱进行增碳脱硫均可达到理化指标合理的标准范围内，并在生产过程中进行浇铸、压脱的质量跟踪，两种方式均已达到预期效果，符合磷生铁高温熔炼生产工艺标准及要求，有效保障磷生铁理化性能、机械性能的同时，降低了设备的故障率及人工的劳动强度。同时，通过煅后焦取代增碳剂的增碳，直接可实现年度成本节约70余万元。采用废旧钢材结合企业实际可将铸铁、型材边角料优先，如若能达到损耗补充量，每年可实现成本节约可达500余万元，但是因采用废旧钢材因其回收中易携带油渍、油漆、铁锈等杂物，对炉体损伤等切割准备、熔化前验收过程复杂，建议采用炉外加工业纯碱脱硫。另外，碳素行业本企业内原材料取用便捷，材料投入成本差距明显。故采用煅后石油焦、炉外加工业纯碱实施磷生铁增碳脱硫可实现批量性经济化生产，值得推广实施。