新型磷生鐵增碳脫硫的措施淺析

劉二寧，唐緒榮

（陜西有色榆林新材料集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000）

陽極組裝是將合格的焙燒熟塊同鋁導(dǎo)桿通過高溫磷生鐵鐵水澆鑄后供鋁電解導(dǎo)電消耗的工藝生產(chǎn)過程。磷生鐵配方的優(yōu)劣效果可直接影響陽極生產(chǎn)過程的澆鑄、壓脫及鋁電解鐵碳壓降等，重點(diǎn)加強(qiáng)其中碳元素、硫元素的合理控制，可以有效促進(jìn)其對陽極生產(chǎn)壓脫過程的易脫性和降低其對鐵碳壓降、直流電耗的影響，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性生產(chǎn)有著重要意義。

1 磷生鐵配方優(yōu)化的背景

陽極組裝過程中，磷生鐵將鋁導(dǎo)桿鋼爪同炭塊連接起來，磷生鐵是陽極組裝的限制環(huán)節(jié)和工藝指標(biāo)重點(diǎn)管控環(huán)節(jié)。磷生鐵及界面上的壓降占整個(gè)陽極鐵碳壓降的30%～50%。具體表現(xiàn)為：①磷生鐵收縮性大，導(dǎo)致磷生鐵鐵環(huán)同鋼爪之間界面電阻大、裂紋增多，易脫極；②磷生鐵與鋼爪分離不暢，鐵環(huán)難以壓脫，設(shè)備損傷大、人工二次砸除作業(yè)勞動強(qiáng)度加大等；③磷生鐵長期循環(huán)，循環(huán)鐵環(huán)鋼性大、室外存放腐蝕嚴(yán)重，碳損失嚴(yán)重，質(zhì)量分?jǐn)?shù)已降至2.5%及以下水平。

其次，隨著碳素、鋁電解市場的持續(xù)飽和，而生產(chǎn)原輔材料（增碳劑）的價(jià)格逐年上漲，采用低耗材料取代傳統(tǒng)或新型高價(jià)材料實(shí)現(xiàn)指標(biāo)的有效管控，已勢在必行。

2 磷生鐵增碳脫硫的改善措施

為全面保持并進(jìn)一步優(yōu)化磷生鐵理化性能，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)性生產(chǎn)投入，利用企業(yè)內(nèi)部含較高固定碳含量、低水分、低揮發(fā)分、低灰分經(jīng)1200℃～1350℃煅燒后的碳素原料——煅后石油焦，取代高價(jià)增碳劑、批量性生鐵進(jìn)行磷生鐵的增碳。

磷生鐵在熔煉過程中或熔煉后澆鑄前，需將有害元素硫元素要消除或控制在限量以下。目前，同行業(yè)均使用的是直筒式中頻電源感應(yīng)爐，在熔煉過程中，硫元素的來源主要是酸性爐料固有的硫和循環(huán)磷生鐵中的硫。而目前直筒式中頻感應(yīng)爐均采用的是市場爐襯材料品質(zhì)較好、安全性較高的材料，均采用的是酸性爐料，故而脫硫均采用的是爐內(nèi)或爐外脫硫。爐內(nèi)脫硫通常采用加錳鐵或廢舊鋼材（無油漬、無漆、無繡、非空心。粘附油漬、漆、繡易造成線圈打火、漏電及浮渣過多現(xiàn)象而非爐襯鐵含量過高導(dǎo)致）。當(dāng)原料中含硫量高且溫度在600℃時(shí)，硫與鐵化合形成低熔點(diǎn)的FeS，使得鐵水流動性變差、電阻增加、導(dǎo)電性降低、導(dǎo)致鐵碳壓降高，反應(yīng)式為：2S+Fe=FeS2。

根據(jù)金屬元素的活動性，錳和鐵在同等條件下與硫發(fā)生反應(yīng)時(shí)，錳首先與硫反應(yīng)。經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐證明，在磷生鐵熔化過程中，在磷生鐵沒有熔化之前加入的錳，通過錳與硫之間的反應(yīng)吸收硫，從而達(dá)到脫硫效果，反應(yīng)式為：

爐外脫硫采用工業(yè)純堿脫硫，硫在鐵水中主要以FeS形式存在。在高溫條件下，純堿在高溫鐵水中發(fā)生分解反應(yīng)，分解生成的氧化鈉與硫化鐵反應(yīng)，生成穩(wěn)定且不溶于鐵水的硫化鈉，硫化鈉比重小，易浮于鐵水表面，澆包內(nèi)進(jìn)行除渣可除去，達(dá)到脫硫效果。

3 實(shí)驗(yàn)方案

在進(jìn)行磷生鐵元素含量及其品質(zhì)調(diào)整前，需采用高碳低硫（C 3.5%、S＜0.1%）新磷生鐵進(jìn)行硫的稀釋，將循環(huán)舊鐵環(huán)中的硫進(jìn)行全面稀釋，控制在限量S＜0.15%。同時(shí)，為有效保證并促進(jìn)磷生鐵的石墨化，結(jié)合各元素平衡溫度下的吸收率、燒損率，按照定量配比實(shí)時(shí)稱量，在實(shí)驗(yàn)前P元素需保持在1.6%～1.8%、Si元素需保持在2.0%～2.2%。該實(shí)驗(yàn)采取為期三個(gè)月不低于48個(gè)批次送檢樣品，每包平均澆鑄50組陽極，不低于2400組。

（1）首先，結(jié)合近10個(gè)爐次循環(huán)磷生鐵理化指標(biāo)結(jié)果，3T容量的中頻感應(yīng)爐內(nèi)在鐵水出空（爐底滯留不高于30Cm鐵水）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），使其與鐵水充分接觸，保證其吸收率。而后再加入相應(yīng)配量的錳鐵、硅鐵、磷鐵及150Kg的廢舊鋼材（無油漬、無漆、無繡、非空心）。按照磷生鐵熔煉操作規(guī)程進(jìn)行送電熔化，鐵水出爐溫度須達(dá)到1450±50℃，出爐除渣作業(yè)結(jié)束后，觀察并實(shí)時(shí)測量鐵水出爐溫度有無達(dá)到出爐溫度；傾倒鐵水值澆包內(nèi)澆鑄，觀察其流動性是否良好、鐵環(huán)飽滿度、平整度、冷卻到常溫狀態(tài)下后的收縮情況；其次，對實(shí)驗(yàn)澆鑄下線后的陽極導(dǎo)桿進(jìn)行導(dǎo)桿標(biāo)注，跟蹤周期結(jié)束后其壓脫韌性有無消減、脆性有無改善；另外，結(jié)合實(shí)時(shí)出爐后效果取樣，每臺爐內(nèi)取一個(gè)樣品送檢，化驗(yàn)理化指標(biāo)是否達(dá)到正常指標(biāo)要求范圍內(nèi)。

（2）在實(shí)驗(yàn)一進(jìn)行煅后石油焦及其他配料添加不變的情況下，取消廢舊鋼材的使用，將爐內(nèi)脫硫調(diào)整為爐外脫硫。澆包在接鐵水前，每包內(nèi)加入5Kg工業(yè)純堿，將鐵水爐內(nèi)除渣結(jié)束后，鐵水傾至澆包內(nèi)，使其與純堿熔合反應(yīng)，除去澆包內(nèi)鐵水表面浮渣。進(jìn)行澆鑄后等同實(shí)驗(yàn)一的質(zhì)量跟蹤。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

對每個(gè)月16個(gè)批次送檢樣品進(jìn)行理化指標(biāo)統(tǒng)計(jì)及澆鑄過程及后續(xù)質(zhì)量跟蹤，每個(gè)月實(shí)驗(yàn)一8個(gè)批次、實(shí)驗(yàn)二8個(gè)批次（表1、表2），同前期增碳劑增碳、爐內(nèi)加錳脫硫生產(chǎn)進(jìn)行對比分析。

表1 實(shí)驗(yàn)一樣品平均理化指標(biāo)對比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

表2 實(shí)驗(yàn)二樣品平均理化指標(biāo)對比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

通過上述兩個(gè)表格數(shù)據(jù)顯示，兩種實(shí)驗(yàn)條件下，分別通過實(shí)驗(yàn)一采用煅后石油焦、廢舊鋼材和實(shí)驗(yàn)二采用煅后石油焦、爐外加工業(yè)純堿同前期增碳劑（批次性C含量平均值75%）、爐內(nèi)加錳脫硫進(jìn)行增碳脫硫進(jìn)行對比。隨著生產(chǎn)推進(jìn)，鐵環(huán)循環(huán)周期的逐步延長，在酸性直筒感應(yīng)電爐內(nèi)的高溫熔融反應(yīng)條件下，加上高價(jià)增碳劑的質(zhì)量不穩(wěn)定、不達(dá)標(biāo)及爐內(nèi)單純錳元素的脫硫反應(yīng)，未達(dá)到高溫爐內(nèi)各元素的有效平衡與吸收，增碳脫硫效果差距明顯，且經(jīng)濟(jì)投入成本較高。

5 結(jié)論

采取煅后石油焦、廢舊鋼材和煅后石油焦、爐外加工業(yè)純堿進(jìn)行增碳脫硫均可達(dá)到理化指標(biāo)合理的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，并在生產(chǎn)過程中進(jìn)行澆鑄、壓脫的質(zhì)量跟蹤，兩種方式均已達(dá)到預(yù)期效果，符合磷生鐵高溫熔煉生產(chǎn)工藝標(biāo)準(zhǔn)及要求，有效保障磷生鐵理化性能、機(jī)械性能的同時(shí)，降低了設(shè)備的故障率及人工的勞動強(qiáng)度。同時(shí)，通過煅后焦取代增碳劑的增碳，直接可實(shí)現(xiàn)年度成本節(jié)約70余萬元。采用廢舊鋼材結(jié)合企業(yè)實(shí)際可將鑄鐵、型材邊角料優(yōu)先，如若能達(dá)到損耗補(bǔ)充量，每年可實(shí)現(xiàn)成本節(jié)約可達(dá)500余萬元，但是因采用廢舊鋼材因其回收中易攜帶油漬、油漆、鐵銹等雜物，對爐體損傷等切割準(zhǔn)備、熔化前驗(yàn)收過程復(fù)雜，建議采用爐外加工業(yè)純堿脫硫。另外，碳素行業(yè)本企業(yè)內(nèi)原材料取用便捷，材料投入成本差距明顯。故采用煅后石油焦、爐外加工業(yè)純堿實(shí)施磷生鐵增碳脫硫可實(shí)現(xiàn)批量性經(jīng)濟(jì)化生產(chǎn)，值得推廣實(shí)施。