探討陽極組裝磷生鐵成份現狀及在節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狀及在節能降耗方面的重要作用，為陽極組裝磷生鐵在生產活動中的有效利用積累理論經驗，供相關人員參考借鑒。

關鍵詞：陽極組裝;磷生鐵;脫硫技術

磷生鐵在陽極組裝過程中發揮“結合劑”作用，促使鋼爪與炭塊相結合。磷生鐵的含磷量較高，流動性強，冷脆性優良，可被重復使用，以上優勢使其被廣泛應用于預焙陽極電解槽中。為進一步提高磷生鐵的使用效率，需對其成分現狀及在節能降耗方面的作用進行分析。

一、陽極組裝磷生鐵成分現狀

（一）碳元素

生鐵中的碳元素以游離碳或化合碳的狀態存在。其中，游離碳指的是石墨，一般存在于鑄造鐵當中;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度及硬度的提升，若含量過大，會導致生鐵難以削切。碳為典型的石墨化元素，物質中含碳量越高，析出的石墨也越高，碳以石墨為穩定存在狀態。

例如，當硅元素的含量為2%時，若磷生鐵中碳元素含量低于1.7%，則石墨以團聚形態存在;若碳元素含量在1.7%～2.6%，則石墨轉化為晶間石墨;若碳元素含量在2.6%～3.5%，則石墨表現為細片狀;若碳元素含量超過3.5%，則石墨為初片狀。可以看出，當含碳量保持在2.6%～3.5%時，石墨細度適中、分布均勻，此時的生鐵抗拉性能達到最佳。同時，碳元素可促進石墨析出，以減輕鑄鐵冷卻后的收縮程度，避免磷生鐵澆鑄后發生松動。在工業生產中，鐵水中碳元素含量一般控制在2.6%～3.5%，質檢標準一般擴大至2.5%～3.6%。

（二）硅元素

硅元素能夠強烈促進石墨化，其結合鐵原子的能力極強，可促進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部出現氣泡，提高熔化生鐵的流動性，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部組織結構，在陽極組裝流程中，磷生鐵環的強度及硬度適中即可。例如，當鐵水中硅元素含量低于1.5%或碳元素含量高于4.3%時，生鐵易出現白口現象，給后期冶煉造成一定困難，主要是由于鐵水的機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%，質檢標準一般設計為2.5%～3.0%。

（三）錳元素

錳元素發揮阻礙石墨化的作用，可提高鐵原子之間的結合力，提高金屬機械強度。但當錳元素與硫元素結合，生成固態硫化錳時，該物質的熔點極高，達到1620℃，摻雜在鐵水中導致鐵水流動性降低，且消除硫的危害性，此時錳元素又表現出促進石墨化的屬性。陽極組裝過程中產生的硫化錳含量非常有限，可將其撈除。此外，在磷生鐵化學成分范圍內的錳元素可形成穩定的西化珠光體，合理調節磷生鐵環的強度及硬度。一般情況下，生鐵中含有的錳元素為硫元素的3.3倍，當硫含量在0.2%時，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%，質檢標準一般設計為0.5%～0.8%。

（四）硫元素

硫元素為一種有害元素，也是節能降耗工作關注的重點，帶有阻礙石墨化的屬性。鐵水中的硫會降低其流動性，導致澆鑄性能降低。鐵水處于熔融狀態時，硫發生無限溶解，且其在固態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產生硫化鐵晶體。硫化鐵的熔點較低，導致鑄鐵發生熱脆現象。當溫度達到900℃時，還會引發斷裂。由于硫元素阻礙石墨化，因此磷生鐵環的收縮性提高。若含硫量達到一定限度，甚至會引發磷生鐵環炸裂的現象，導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，其溶解度進一步降低，若磷含量達到臨界值，會產生磷化亞鐵，以磷共晶體的狀態存在。該物質的脆性大，在低溫狀態下更易出現冷脆現象。陽極組裝利用此特性，共晶體的熔點在1050℃ ，可降低液相線溫度，促使鐵水降溫，提高鐵水流動性及澆鑄性能。當含磷量達到1.0%時，鐵水可用來澆鑄精細的工藝品，工業生產中為保證磷生鐵環易于剝脫，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，若含量過高，反而會導致磷生鐵環冷脆性上升而產生裂紋，因此建議選用0.8%～1.2%的質檢標準。

二、陽極組裝磷生鐵在節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能降耗工作關注的重點，因此以磷生鐵脫硫技術為例，對陽極組裝磷生鐵在節能降耗方面的重要作用進行介紹。

（一）碳酸鈉脫硫粉脫硫

當碳酸鈉為脫硫粉的主要原料時，發生如下化學反應：（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，降低其含量促進反應發生。若其他雜質與脫硫粉中的氧化鈉發生反應，會阻礙脫硫反應進行。由于總反應為吸熱反應，反應發生后鐵水溫度會降低30～50℃。及時排出反應中的二氧化碳也有利于脫硫反應進行。

碳酸鈉脫硫操作簡單，可直接將脫硫粉添加到鐵水中，其脫硫作用發揮受鐵水硫含量、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會與爐體結構中的石英砂發生反應，加速設備腐蝕，并引發“回硫”現象，因此在脫硫完畢后需及時清理爐渣。

（二）錳元素脫硫

利用磷生鐵中錳元素進行脫硫主要發生如下反應：FeS+Mn→Fe+MnS。該反應為放熱反應，若溫度降低，反應朝生成硫化錳的方向移動，同時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、爐內反應時間越長脫硫效果越好。

三、結論

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，并選取適當方案利用磷生鐵進行脫硫處理，可有效優化陽極的澆筑質量，提高企業競爭力的同時，提升節能降耗效果，創造更高的循環經濟效益。

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作者簡介：云磊（1986-），男，蒙古族，內蒙古呼和浩特人，學歷：本科，畢業于北京工業大學，現有職稱：助理工程師，研究方向：電力工程技術陽極組裝。