磷生鐵含量超出控制范圍的原因分析及控制*

黃河榮，黃國(guó)宏，虞 青，宋韶峰，溫連柬，譚正富，劉興培

（云南云鋁海鑫鋁業(yè)有限公司，云南 昭通 657000）

目前鋁用陽(yáng)極炭塊組裝采用磷生鐵與鋁導(dǎo)桿澆鑄連接，磷生鐵中的元素主要有碳、硅、錳、磷、硫、鋁、銅、鋅、鎂、鎳等，其中碳、硅、錳、磷、硫是磷生鐵主要的指標(biāo)元素。磷生鐵中碳、硅、錳、磷、硫元素含量比例對(duì)陽(yáng)極炭塊澆鑄質(zhì)量和電解生產(chǎn)指標(biāo)控制有較大的影響，這些元素含量超出控制范圍直接影響鋁用陽(yáng)極炭塊的澆鑄質(zhì)量，易造成脫陽(yáng)極、陽(yáng)極炭塊壓降高、導(dǎo)電不好等不利因素[1]，因此控制好碳、硅、錳、磷、硫元素含量范圍非常關(guān)鍵。

1 磷生鐵中主要化學(xué)成分的作用

碳、硅、錳、磷、硫是磷生鐵主要的指標(biāo)元素，化學(xué)成分在磷生鐵中的作用各不相同，下面分別介紹磷生鐵中常規(guī)五大元素C、Si、Mn、P、S的作用。

1.1 磷生鐵中的碳

碳能促進(jìn)石墨的析出，減小鑄鐵冷卻后的收縮，澆鑄后磷生鐵環(huán)不易松動(dòng)和裂開(kāi)。碳對(duì)石墨的形狀、大小有很大影響的元素，當(dāng)含碳量在1.7%～2.0%之間時(shí)，石墨呈網(wǎng)狀分布；含碳量在2.0%～2.6%之間時(shí)，出現(xiàn)晶間石墨；含碳量在2.6%～3.5%之間時(shí)，石墨出現(xiàn)正常的細(xì)片狀；當(dāng)含碳量超過(guò)3.5%后，出現(xiàn)粗片狀石墨。因此，含碳量在2.6%～3.5%之間時(shí)，石墨片細(xì)小且分布均勻，對(duì)生鐵來(lái)講，抗拉強(qiáng)度最高[2]。

1.2 磷生鐵中的硅

硅使磷生鐵中含碳分離為石墨狀，能去氧，減少鑄件的針孔，提高熔化磷生鐵的流動(dòng)性，降低鑄件的收縮量。但含硅過(guò)多會(huì)使磷生鐵變硬、變脆，脫殘極時(shí)不易脫落。當(dāng)硅含量小于1.5%或大于3.2%時(shí)，磷生鐵易出現(xiàn)白口，導(dǎo)致熔煉困難，機(jī)械性能及澆鑄性能差[2]。因此，磷生鐵水含硅量一般選擇在1.5%～3.2%之間。

1.3 磷生鐵中的錳

錳是阻礙石墨化的元素，能增加磷生鐵原子之間的結(jié)合力，使金屬基體強(qiáng)度上升，提高機(jī)械強(qiáng)度。錳與硫形成固態(tài)的硫化錳（MnS）夾渣，其熔點(diǎn)高達(dá)1 600℃，影響了流動(dòng)性，但同時(shí)也抵消了硫的有害作用。硫化錳（MnS）比重小，可以從鐵水中上浮扒渣時(shí)出排，一般磷生鐵中含錳量是含硫量的3.3倍[3]，綜合考慮，一般將錳控制在0.3%～1.0%之間。

1.4 磷生鐵中的磷

磷在磷生鐵中形成低熔點(diǎn)共晶，并壓低液相線(xiàn)的溫度，使磷生鐵水粘度降低，增加磷生鐵水對(duì)鑄型的潤(rùn)濕能力，提高磷生鐵水的流動(dòng)性，改善磷生鐵水的澆鑄性能。含磷高的磷生鐵，可以用來(lái)鑄造薄而復(fù)雜的藝術(shù)鑄件。為提供磷生鐵環(huán)壓脫性能及機(jī)械性能，一般磷含量控制在0.8%～1.3%之間。

1.5 磷生鐵中的硫

硫在磷生鐵中屬于有害物質(zhì)，硫基本不溶于磷生鐵，是強(qiáng)烈阻礙石墨化的元素，在900℃時(shí)會(huì)發(fā)生熱脆開(kāi)裂現(xiàn)象[4]。在生產(chǎn)中應(yīng)盡量把硫從磷生鐵水中除去，以利于降低壓降，同時(shí)它還降低磷生鐵水流動(dòng)性，惡化澆鑄性能。含硫量過(guò)多，會(huì)引起磷生鐵環(huán)炸裂，當(dāng)含S量超過(guò)0.20%以后，鐵水流動(dòng)性變差，磷生鐵與碳接觸電阻增高，對(duì)電解工藝控制不利，一般含硫量控制在0.20%以下[4]。

2 磷生鐵主要含量分析

2.1 磷生鐵主要含量現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)

從表1中可看出，按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)控制，硫合格率最低，錳的合格率最高。

表1 磷生鐵主要含量現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistical table for current situation of main content's composition of phosphorus pig iron %

2.2 磷生鐵主要含量成分現(xiàn)狀合格率統(tǒng)計(jì)

從表2中可看出，按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)控制，碳合格率為40.13%，硅的合格率54.82%，錳的合格率94.50%，磷合格率為37.84%，硫的合格率為40.14%。

表2 磷生鐵含量分析合格率統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistical table for qualified rate of content analysis of phosphorus pig iron

3 磷生鐵含量超出控制范圍的原因分析

本次共分析統(tǒng)計(jì)樣品436個(gè)，從磷生鐵分析結(jié)果合格統(tǒng)計(jì)表中看出碳、磷、硫合格率約40%左右，硅的合格率54.52%，錳的合格率最高。澆鑄用的磷生鐵大量是從電解返回后循環(huán)使用的磷生鐵，只是在配比時(shí)添加鑄鐵、磷鐵、硅鐵、錳鐵，由于組裝后的炭塊在電解槽中使用消耗了磷生鐵中的碳、磷、硅、錳，吸收了炭塊中排除的硫化物，硫的含量不斷富集增加[5]，而鑄鐵、磷鐵、硅鐵、錳鐵都是按照一定的調(diào)配比加入到循環(huán)使用磷生鐵中，在正常生產(chǎn)條件下磷生鐵含量超出范圍主要是由于鑄鐵、磷鐵、硅鐵、錳鐵質(zhì)量不合格以及使用循環(huán)鐵磷生鐵量、磷生鐵含量超出分析設(shè)備和分析誤差造成的，下面逐一進(jìn)行分析。

3.1 鑄鐵質(zhì)量分析

從表3采購(gòu)的鑄鐵含量分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)表看出，廠(chǎng)商提供的鑄鐵含量碳含量偏低，有的廠(chǎng)商提供的質(zhì)證書(shū)碳含量無(wú)數(shù)值，硫含量偏高。

表3 鑄鐵含量分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Statistical table for analysis results of cast iron content%

3.2 磷鐵質(zhì)量分析

從表4采購(gòu)的磷鐵含量分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)表看出，廠(chǎng)商提供的磷鐵含量符合要求。

表4 磷鐵含量分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Tab.4 Statistical table for analysis results of phosphorus iron content %

3.3 錳鐵質(zhì)量分析

從表5采購(gòu)的錳鐵含量分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)表看出，廠(chǎng)商提供的錳含量符合要求。

表5 錳鐵含量分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Tab.5 Statistical table for analysis results of ferromanganese content %

3.4 硅鐵質(zhì)量分析

從表6采購(gòu)的硅鐵含量分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)表看出，廠(chǎng)商提供的硅含量符合要求。

表6 硅鐵含量分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Tab.6 Statistical table for analysis results of silicon iron content %

3.5 循環(huán)磷生鐵質(zhì)量分析

從表7統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，由于磷生鐵循環(huán)使用，導(dǎo)致每一次循環(huán)磷生鐵中的碳、硅、錳、磷四種元素不斷消耗，硫元素含量不斷上升，含硫量過(guò)多，則會(huì)引起磷鐵環(huán)炸裂，使鐵碳接觸電阻增高。

表7 循環(huán)磷生鐵含量分析結(jié)果對(duì)比值統(tǒng)計(jì)表Tab.7 Statistical table for contrast values of analysis results of recycled phosphorus pig iron content

3.6 分析誤差對(duì)磷生鐵的影響

磷生鐵分析由于受設(shè)備、分析條件、分析環(huán)境等影響，如果分析過(guò)程控制不好，分析結(jié)果偏差很大，對(duì)磷生鐵配比影響較大。磷生鐵取樣、制樣、分析時(shí)激發(fā)臺(tái)更換、標(biāo)準(zhǔn)選擇、標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)控制都會(huì)影響分析結(jié)果[6]。

3.7 蘸石墨及其他環(huán)節(jié)對(duì)磷生鐵澆鑄的影響

蘸石墨是為了防止?jié)茶T炭塊時(shí)發(fā)生爆炸及脫磷生鐵時(shí)鐵環(huán)容易脫落，通過(guò)試驗(yàn)，蘸收塵石墨及含硫量偏高是導(dǎo)致磷生鐵環(huán)表面產(chǎn)生鐵銹（保護(hù)膜）的主要因素，其次受磷生鐵主要元素含量配比、熔煉、澆鑄時(shí)參入其它雜質(zhì)的影響，比如添加劑帶進(jìn)去的鐵渣、中頻爐熔煉時(shí)爐壁損壞、澆鑄時(shí)碳碗中存在雜質(zhì)和澆鑄時(shí)蘸的石墨達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求等，都可能對(duì)陽(yáng)極炭塊澆鑄質(zhì)量造成影響。

4 對(duì)策措施

4.1 降低磷生鐵主要元素含量分析誤差

為了符合磷生鐵配比質(zhì)量要求，必須降低磷生鐵主要元素含量分析誤差，主要改變?nèi)幽Ｊ?，將取磷生鐵圓柱型樣改為取蘑菇樣，目的是為了增加樣品激發(fā)的表面積和提高樣品含量的均勻性；改變制樣方式，制樣由砂輪機(jī)磨樣改為磷生鐵專(zhuān)用制樣機(jī)磨樣，提高樣品分析面的平整度，減少分析漏氣；采用專(zhuān)用激發(fā)臺(tái)對(duì)鐵樣進(jìn)行分析，分析激發(fā)臺(tái)由原來(lái)的鋁用激發(fā)臺(tái)改為專(zhuān)業(yè)鐵分析激發(fā)臺(tái)，并購(gòu)買(mǎi)了磷生鐵標(biāo)準(zhǔn)樣品，建立專(zhuān)用分析曲線(xiàn)對(duì)分析磷生鐵進(jìn)行控制[7]。

4.2 加強(qiáng)添加鑄鐵、硅鐵、錳鐵、磷鐵質(zhì)量控制

制定《陽(yáng)極炭塊組裝質(zhì)量生產(chǎn)檢驗(yàn)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》，將磷生鐵原控制的主要成份：C 3%～4%；Si 2.8%～3.4%；Mn≤0.9%；P 0.8%～1.2%；S≤0.2%，調(diào)整為C 2.6%～3.5%；Si 1.5%～3.2%；Mn 0.3%～1.0%；P 0.8%～1.3%；S≤0.2%，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)鑄鐵、硅鐵、錳鐵、磷鐵抽樣分析檢驗(yàn)，嚴(yán)格按照制定的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鑄鐵、硅鐵、錳鐵、磷鐵及澆鑄鐵水進(jìn)行控制。

4.3 加強(qiáng)循環(huán)使用磷生鐵質(zhì)量控制

由于磷生鐵循環(huán)使用，導(dǎo)致在熔化過(guò)程中碳、硅、錳、磷四種元素不斷燒毀或消耗，炭塊中的硫化物不斷轉(zhuǎn)移到磷生鐵上，含量不斷富集，從而造成主要成分嚴(yán)重偏差[8]。因此，根據(jù)循環(huán)電解槽返回的磷生鐵主要元素含量，按照配比再添加適當(dāng)鑄鐵、硅鐵、錳鐵、磷鐵進(jìn)行混合使用，并添加增碳降硫添加劑。

4.4 控制好其他雜質(zhì)含量

由于磷生鐵在空氣中被腐蝕產(chǎn)生鐵銹，添加的生鐵表面會(huì)存在一些雜質(zhì)和灰塵，添加前應(yīng)將其清除干凈，陽(yáng)極炭塊存放在車(chē)間碳碗內(nèi)有積塵，澆鑄時(shí)應(yīng)將碳碗內(nèi)回存在碳灰用風(fēng)吹干凈，蘸石墨環(huán)節(jié)不能用收塵石墨，要用新石墨。

5 應(yīng)用效果分析

按照新制定的《陽(yáng)極炭塊組裝質(zhì)量生產(chǎn)檢驗(yàn)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》要求，從采購(gòu)的鑄鐵、硅鐵、錳鐵、磷鐵控制質(zhì)量，嚴(yán)格按照配比使用從電解槽循環(huán)使用的磷生鐵，同時(shí)添加增碳降硫添加劑，并嚴(yán)格遵守生產(chǎn)操作規(guī)程及分析析檢驗(yàn)操作規(guī)程，磷生鐵的控制范圍合格率得到了大幅提升，杜絕了脫陽(yáng)極的情況，提升了電解生產(chǎn)效率。

5.1 改進(jìn)后磷生鐵主要含量成分統(tǒng)計(jì)

從表8中可看出磷生鐵碳、硅、錳、磷、硫的合格率比改進(jìn)之前大幅提升。

表8 改進(jìn)后磷生鐵主要含量成分統(tǒng)計(jì)表Tab.8 Statistical table for main content's composition of improved phosphorus pig iron %

5.3 改進(jìn)后磷生鐵主要含量成分合格率統(tǒng)計(jì)

從表9中可看出，共分析樣品磷生鐵524個(gè)樣品，碳合格率為94.08%，硅的合格率95.61%，錳的合格率96.95%，磷合格率為94.47%，硫的合格率為88.17%。

表9 改進(jìn)后磷生鐵主要含量成分合格率統(tǒng)計(jì)表Tab.9 Statistical table for qualified rate of main content's composition of improved phosphorus pig iron

6 結(jié)語(yǔ)

1）磷生鐵主要元素控制是鋁電解行業(yè)的一個(gè)難題，磷生鐵循環(huán)使用中不斷銷(xiāo)耗碳、硅、錳、磷四種元素，硫元素含量不斷富集，從而造成主要成分嚴(yán)重偏差；

2）通過(guò)磷生鐵五種元素在澆鑄過(guò)程的作用及性能分析，將磷生鐵控制范圍調(diào)整為C 2.6%～3.5%；Si 1.5%～3.2%；Mn 0.3%～1.0%；P 0.8%～1.3%；

3）根據(jù)磷生鐵生產(chǎn)澆鑄過(guò)程、分析檢驗(yàn)過(guò)程原因分析，制定了磷生鐵澆鑄生產(chǎn)檢驗(yàn)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化調(diào)整了生產(chǎn)澆鑄過(guò)程控制要求及分析檢驗(yàn)要求；

4）嚴(yán)格按照配比使用多次從電解槽循環(huán)使用的磷生鐵，同時(shí)添加增碳降硫添加劑，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)中控制碳、硅、錳、磷、硫元素在標(biāo)準(zhǔn)范圍的合格率為88.17%～96.95%，降低了陽(yáng)極炭塊壓降，提高了陽(yáng)極炭塊導(dǎo)電率，杜絕了陽(yáng)極炭塊在使用中脫極的情況。