磷生鐵含量超出控制范圍的原因分析及控制*

黃河榮，黃國宏，虞 青，宋韶峰，溫連柬，譚正富，劉興培

（云南云鋁海鑫鋁業有限公司，云南 昭通 657000）

目前鋁用陽極炭塊組裝采用磷生鐵與鋁導桿澆鑄連接，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元素。磷生鐵中碳、硅、錳、磷、硫元素含量比例對陽極炭塊澆鑄質量和電解生產指標控制有較大的影響，這些元素含量超出控制范圍直接影響鋁用陽極炭塊的澆鑄質量，易造成脫陽極、陽極炭塊壓降高、導電不好等不利因素[1]，因此控制好碳、硅、錳、磷、硫元素含量范圍非常關鍵。

1 磷生鐵中主要化學成分的作用

碳、硅、錳、磷、硫是磷生鐵主要的指標元素，化學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五大元素C、Si、Mn、P、S的作用。

1.1 磷生鐵中的碳

碳能促進石墨的析出，減小鑄鐵冷卻后的收縮，澆鑄后磷生鐵環不易松動和裂開。碳對石墨的形狀、大小有很大影響的元素，當含碳量在1.7%～2.0%之間時，石墨呈網狀分布；含碳量在2.0%～2.6%之間時，出現晶間石墨；含碳量在2.6%～3.5%之間時，石墨出現正常的細片狀；當含碳量超過3.5%后，出現粗片狀石墨。因此，含碳量在2.6%～3.5%之間時，石墨片細小且分布均勻，對生鐵來講，抗拉強度最高[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性，降低鑄件的收縮量。但含硅過多會使磷生鐵變硬、變脆，脫殘極時不易脫落。當硅含量小于1.5%或大于3.2%時，磷生鐵易出現白口，導致熔煉困難，機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合力，使金屬基體強度上升，提高機械強度。錳與硫形成固態的硫化錳（MnS）夾渣，其熔點高達1 600℃，影響了流動性，但同時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共晶，并壓低液相線的溫度，使磷生鐵水粘度降低，增加磷生鐵水對鑄型的潤濕能力，提高磷生鐵水的流動性，改善磷生鐵水的澆鑄性能。含磷高的磷生鐵，可以用來鑄造薄而復雜的藝術鑄件。為提供磷生鐵環壓脫性能及機械性能，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，硫基本不溶于磷生鐵，是強烈阻礙石墨化的元素，在900℃時會發生熱脆開裂現象[4]。在生產中應盡量把硫從磷生鐵水中除去，以利于降低壓降，同時它還降低磷生鐵水流動性，惡化澆鑄性能。含硫量過多，會引起磷生鐵環炸裂，當含S量超過0.20%以后，鐵水流動性變差，磷生鐵與碳接觸電阻增高，對電解工藝控制不利，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 磷生鐵主要含量現狀統計

從表1中可看出，按照行業標準控制，硫合格率最低，錳的合格率最高。

表1 磷生鐵主要含量現狀統計表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狀合格率統計

從表2中可看出，按照行業標準控制，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計表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

本次共分析統計樣品436個，從磷生鐵分析結果合格統計表中看出碳、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使用的磷生鐵，只是在配比時添加鑄鐵、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配比加入到循環使用磷生鐵中，在正常生產條件下磷生鐵含量超出范圍主要是由于鑄鐵、磷鐵、硅鐵、錳鐵質量不合格以及使用循環鐵磷生鐵量、磷生鐵含量超出分析設備和分析誤差造成的，下面逐一進行分析。

3.1 鑄鐵質量分析

從表3采購的鑄鐵含量分析結果統計表看出，廠商提供的鑄鐵含量碳含量偏低，有的廠商提供的質證書碳含量無數值，硫含量偏高。

表3 鑄鐵含量分析結果統計表Tab.3 Statistical table for analysis results of cast iron content%

3.2 磷鐵質量分析

從表4采購的磷鐵含量分析結果統計表看出，廠商提供的磷鐵含量符合要求。

表4 磷鐵含量分析結果統計表Tab.4 Statistical table for analysis results of phosphorus iron content %

3.3 錳鐵質量分析

從表5采購的錳鐵含量分析結果統計表看出，廠商提供的錳含量符合要求。

表5 錳鐵含量分析結果統計表Tab.5 Statistical table for analysis results of ferromanganese content %

3.4 硅鐵質量分析

從表6采購的硅鐵含量分析結果統計表看出，廠商提供的硅含量符合要求。

表6 硅鐵含量分析結果統計表Tab.6 Statistical table for analysis results of silicon iron content %

3.5 循環磷生鐵質量分析

從表7統計結果可以看出，由于磷生鐵循環使用，導致每一次循環磷生鐵中的碳、硅、錳、磷四種元素不斷消耗，硫元素含量不斷上升，含硫量過多，則會引起磷鐵環炸裂，使鐵碳接觸電阻增高。

表7 循環磷生鐵含量分析結果對比值統計表Tab.7 Statistical table for contrast values of analysis results of recycled phosphorus pig iron content

3.6 分析誤差對磷生鐵的影響

磷生鐵分析由于受設備、分析條件、分析環境等影響，如果分析過程控制不好，分析結果偏差很大，對磷生鐵配比影響較大。磷生鐵取樣、制樣、分析時激發臺更換、標準選擇、標準曲線控制都會影響分析結果[6]。

3.7 蘸石墨及其他環節對磷生鐵澆鑄的影響

蘸石墨是為了防止澆鑄炭塊時發生爆炸及脫磷生鐵時鐵環容易脫落，通過試驗，蘸收塵石墨及含硫量偏高是導致磷生鐵環表面產生鐵銹（保護膜）的主要因素，其次受磷生鐵主要元素含量配比、熔煉、澆鑄時參入其它雜質的影響，比如添加劑帶進去的鐵渣、中頻爐熔煉時爐壁損壞、澆鑄時碳碗中存在雜質和澆鑄時蘸的石墨達不到標準要求等，都可能對陽極炭塊澆鑄質量造成影響。

4 對策措施

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量要求，必須降低磷生鐵主要元素含量分析誤差，主要改變取樣模式，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，制樣由砂輪機磨樣改為磷生鐵專用制樣機磨樣，提高樣品分析面的平整度，減少分析漏氣；采用專用激發臺對鐵樣進行分析，分析激發臺由原來的鋁用激發臺改為專業鐵分析激發臺，并購買了磷生鐵標準樣品，建立專用分析曲線對分析磷生鐵進行控制[7]。

4.2 加強添加鑄鐵、硅鐵、錳鐵、磷鐵質量控制

制定《陽極炭塊組裝質量生產檢驗企業標準》，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%，同時加強對鑄鐵、硅鐵、錳鐵、磷鐵抽樣分析檢驗，嚴格按照制定的標準對鑄鐵、硅鐵、錳鐵、磷鐵及澆鑄鐵水進行控制。

4.3 加強循環使用磷生鐵質量控制

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

4.4 控制好其他雜質含量

由于磷生鐵在空氣中被腐蝕產生鐵銹，添加的生鐵表面會存在一些雜質和灰塵，添加前應將其清除干凈，陽極炭塊存放在車間碳碗內有積塵，澆鑄時應將碳碗內回存在碳灰用風吹干凈，蘸石墨環節不能用收塵石墨，要用新石墨。

5 應用效果分析

按照新制定的《陽極炭塊組裝質量生產檢驗企業標準》要求，從采購的鑄鐵、硅鐵、錳鐵、磷鐵控制質量，嚴格按照配比使用從電解槽循環使用的磷生鐵，同時添加增碳降硫添加劑，并嚴格遵守生產操作規程及分析析檢驗操作規程，磷生鐵的控制范圍合格率得到了大幅提升，杜絕了脫陽極的情況，提升了電解生產效率。

5.1 改進后磷生鐵主要含量成分統計

從表8中可看出磷生鐵碳、硅、錳、磷、硫的合格率比改進之前大幅提升。

表8 改進后磷生鐵主要含量成分統計表Tab.8 Statistical table for main content's composition of improved phosphorus pig iron %

5.3 改進后磷生鐵主要含量成分合格率統計

從表9中可看出，共分析樣品磷生鐵524個樣品，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 改進后磷生鐵主要含量成分合格率統計表Tab.9 Statistical table for qualified rate of main content's composition of improved phosphorus pig iron

6 結語

1）磷生鐵主要元素控制是鋁電解行業的一個難題，磷生鐵循環使用中不斷銷耗碳、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重偏差；

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

3）根據磷生鐵生產澆鑄過程、分析檢驗過程原因分析，制定了磷生鐵澆鑄生產檢驗企業標準，優化調整了生產澆鑄過程控制要求及分析檢驗要求；

4）嚴格按照配比使用多次從電解槽循環使用的磷生鐵，同時添加增碳降硫添加劑，實現了生產中控制碳、硅、錳、磷、硫元素在標準范圍的合格率為88.17%～96.95%，降低了陽極炭塊壓降，提高了陽極炭塊導電率，杜絕了陽極炭塊在使用中脫極的情況。