王彥俐

（山西兆豐鋁電有限責任公司，山西陽泉 045000）

·試驗研究·

復合改性劑對磷生鐵組織和性能的影響

王彥俐

（山西兆豐鋁電有限責任公司，山西陽泉 045000）

在電解鋁行業(yè)中，磷生鐵在循環(huán)過程中磷生鐵5大元素成分發(fā)生變化，導致磷生鐵澆鑄陽極時發(fā)生質(zhì)量問題。本文通過添加復合增碳脫硫劑，從成分、金相組織及鐵炭壓降進行分析。結(jié)果表明，復合增碳脫硫劑可以將磷生鐵成分回歸到指標要求，且減少碳化物數(shù)量的析出，析出更多的石墨，凝固收縮減少，接觸電阻減小，磷生鐵自身電阻減小，最終使鐵炭壓降降低。

電解鋁；磷生鐵；鐵碳壓降

在電解鋁行業(yè)中，組裝陽極是將磷生鐵熔煉后澆鑄于預焙炭塊碳碗與鋼爪縫隙內(nèi)，使鋼爪與炭塊連接，其中磷生鐵的成分、組織、性能對整個陽極質(zhì)量具有十分重要的影響。在磷生鐵的循環(huán)使用過程中，磷生鐵從殘疾脫落后，將磷生鐵經(jīng)過重新熔煉，由于磷生鐵中各元素在l 500℃的高溫下各元素燒損量不同，且廢舊磷生鐵表層有NaF、AlF3等物質(zhì)，使得每次磷生鐵熔煉，其中的五大元素碳、硅、磷、硫、錳不斷的發(fā)生變化。碳和硅元素燒損量一般在0.4%～0.7%；磷和錳元素一般在0.1%～0.3%；由于陽極炭塊中硫元素逐漸富集于磷生鐵表面，被帶入到廢舊磷生鐵中，各個廠脫硫工藝不同，指標差異也比較大，一般在0.3%～1.0%[l].磷生鐵的成分決定了磷生鐵的金相組織，其組織決定了使用性能。本文基于在中頻爐內(nèi)調(diào)整成分，提出一種應用新冶金材料配制成的磷生鐵改性劑進行實驗設(shè)計，從成分、金相、電導率分析，從而得出結(jié)論，為將來降低磷生鐵電阻、鐵炭壓降做鋪墊。

l 磷生鐵目前存在的問題

磷生鐵將陽極鋼爪和炭塊連接起來，磷生鐵是陽極的限制環(huán)節(jié)，磷生鐵及界面上的壓降占整個陽極壓降的l/3～l/2[2].具體表現(xiàn)為：磷生鐵成分不達標，收縮系數(shù)增大，導致磷生鐵環(huán)與陽極鋼爪之間界面電阻較大、裂紋增多，易脫極；磷生鐵與鋼爪分離不暢，加重勞動強度等。表l為磷生鐵成分指標。其五大元素的作用及變化如下：

表l 磷生鐵成分指標（質(zhì)量分數(shù)，%）

碳，是促進石墨化最重要的元素，其形狀、大小對磷生鐵的性能有很大影響。只有在保證碳元素充足的情況下，才能有石墨的析出，進一步減少鑄鐵冷卻后的收縮及其電阻，使用時以保證澆鑄后磷鐵環(huán)不易松動。因此，碳質(zhì)量分數(shù)一般選擇在2.6～3.5%之間。

硅，Si為強石墨化元素，是生產(chǎn)現(xiàn)場調(diào)節(jié)組織的一個活躍元素。Si優(yōu)先溶于固溶體，降低了C在固溶體中的溶解度，從而促使C析出；Si使共晶點向左上方移動，即向溫度較高、C含量較低方向移動。在較高溫度下轉(zhuǎn)變，有利于C原子和Fe原子的擴散，降低過冷度，也有利于Fe3C分解，促進石墨化。

錳，是阻礙石墨化的元素，減少珠光體片距，從而使金屬基體強度上升，提高機械強度。從磷生鐵角度看，珠光體片距減少會增大磷生鐵電阻。錳與硫形成的MnS夾渣，熔點高達l 620℃，影響了流動性，且富集在晶界，影響導電性。但同時抵消了硫的有害作用，從這一點上講，錳又是促進石墨化的元素。一般將錳質(zhì)量分數(shù)控制在0.5%～1.2%之間。不建議過高，過高Mn元素還會引起成分偏析，影響磷生鐵的機械性能。

磷，是磷生鐵中最關(guān)鍵的一個元素。一方面影響磷生鐵的重復利用當中其脫落性能，一方面P元素可以提示磷生鐵的抗腐蝕性能。P在固溶體的溶解度很小，并隨含碳量的增加而降低，當含磷量超過溶解度極限，出現(xiàn)磷共晶Fe3P，其機械性能硬而脆，尤其是在低溫時更加明顯，鋁用陽極組裝正是利用磷的這一特性。由于磷在鑄鐵中能形成低熔點共晶并壓低液相線的溫度，使鐵水黏度降低，增加鐵水對鑄型的潤濕能力，提高鐵水的流動性，所以P能很明顯地提高鐵水的流動性，從而改善鐵水的澆鑄性能。為保證磷鐵環(huán)壓脫性能及機械性能，一般P質(zhì)量分數(shù)在0.8%～1.6%之間。

圖l 磷生鐵金相組織

硫，是強烈阻礙石墨化的元素，是有害物質(zhì)，硫基本不溶于鐵，以FeS形式存在，會發(fā)生熱脆現(xiàn)象，在900℃時發(fā)生開裂，會引起磷鐵環(huán)炸裂，使鐵碳接觸電阻增高。在生產(chǎn)中應盡量把硫從鐵水中除去，以利于降低壓降。同時還降低鐵水流動性，惡化澆鑄性能。一般硫質(zhì)量分數(shù)控制在0.l5%以下[3]。

2 改善成分的措施

磷生鐵在熔煉過程中碳、硅元素燒損，硫元素富集。針對這種情況，提出將SiC、CaC2、CaO、鈍化Mg粒等混合，在保證安全的條件下，混合制成復合改性劑，其原理如下：

SiC的熔點為2 700℃，SiC進入鐵水后，不能及時溶化，而是慢慢溶解于鐵水中：

其中C為活性石墨，在凝固過程中，鐵水中的C很容易富集到活性石墨表面，且Si元素溶解于鐵水中，既增了C也增Si，同時增加C的活性。式（l）中生成的非平衡成為了析出石墨的核心，而且也起到了孕育作用[4]。

CaC2是鐵水預處理的一種脫硫劑，其脫硫反應見式（2）:

CaC2脫硫反應是在固相表面進行的，進行脫硫反應時，在電石表面形成疏松多孔的CaS，提高了脫硫效率。式（2）中的C進入鐵水后，富集于石墨表面，促進了石墨的析出，該反應既增了碳也脫了硫[5]。

具體的脫硫配方及添加方式，已申報國家專利。

3 實驗方案

根據(jù)上述分析，設(shè)計出新型復合添加劑由CaC2、SiC、CaO、碳粉等混合配制而成。為了驗證復合改性劑在工業(yè)實驗的效果，考慮到生產(chǎn)的實際情況，將實驗分為三組進行對比分析，三組實驗在同一個中頻爐內(nèi)進行熔煉，編號為A、B、C，如表2所示。熔煉結(jié)束后，取樣澆注于模擬陽極炭塊的石墨炭碗內(nèi)，每組澆鑄4個小樣，如圖2所示。

表2 分組實驗配方工藝表

將澆注好的試樣分別進行編號A-l、A-2、A-3、A-4、B-l、B-2、B-3、B-4、C-l、C-2、C-3、C-4，然 后進行金相組織分析、磷生鐵電阻測量等數(shù)據(jù)的測試等步驟。

將試樣經(jīng)線切割加工且打磨為l0mm×l0mm×l0mm寸的試樣，然后測試其電導率，其原理如圖3所

圖2 石墨模具

圖3 電導率測試原理

4 實驗結(jié)果分析

4.1 成分分析

對澆注的試樣進行成分分析，將測到的成分取平均值，其成分結(jié)果如表3所示。

表3 A，B，C試樣成分表（質(zhì)量分數(shù)，%）

根據(jù)化驗的結(jié)果，分別將A、B、C關(guān)注的C、Si、P、S、Mn在熔煉后的結(jié)果做柱狀圖，如圖4所示。

圖4 試樣成分對比圖

通過圖4可知，廢舊磷生鐵+復合改性劑的B實驗組比A組實驗組增碳質(zhì)量分數(shù)0.28%，C實驗組比A實驗組增碳質(zhì)量分數(shù)0.36%；說明廢舊磷生鐵加復合改性劑的增碳效果稍遜于Z22生鐵加復合改性劑，增碳效果差距不大。就Si元素而言，由于Z22生鐵、復合改性劑里含有大量的Si元素等，B、C實驗組Si均有增加。對比Mn元素，B實驗組由于均使用廢舊磷生鐵，Mn元素稍有燒損。對比P元素，三組實驗組無明顯變化。就S元素而言，B、C實驗組均有很明顯的脫硫效果，添加生鐵組要優(yōu)于廢舊磷生鐵組。

4.2 金相分析

圖5、圖6、圖7分別為A、B、C三組試樣腐蝕前后的金相圖，腐蝕前可以辨別石墨的形狀、數(shù)量及大小，腐蝕后可以辨別磷共晶、珠光體數(shù)量及多少。

圖5為原配方金相組織，由a）、b）可知，其金相組織有石墨+磷共晶+珠光體組成。a）圖中，黑色部分為石墨組織，其石墨組織細而長，b）圖中，白色部分為磷共晶，黑色部分為珠光體。圖6為廢舊磷生鐵+復合改性劑熔煉后的金相組織。較圖5相比，圖6出現(xiàn)較多粗而短的石墨組織，且有小部分鐵素體出現(xiàn)。圖7中出現(xiàn)的石墨更為粗大，說明Z22號生鐵的添加，使Z22號生鐵中粗大石墨遺留到磷生鐵當中，且腐蝕后金相組織出現(xiàn)更多鐵素體組織。

圖5、6、7中石墨數(shù)量的變化說明復合改性劑中的成分導致磷生鐵的組織發(fā)生變化，變質(zhì)劑有孕育效果。經(jīng)變質(zhì)處理使鐵水中石墨核心的數(shù)量增加，在凝固時有利于石墨析出，石墨數(shù)量增加，珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，磷生鐵本身電阻減??；由于石墨數(shù)量增加，鑄鐵凝固體積膨脹增加，磷鐵環(huán)與炭陽極、磷鐵環(huán)與鋼爪之間的間隙減小，接觸電阻減小，鐵炭壓降降低；碳含量低時只有促進石墨化的元素達到一定量時才能達到良好的孕育效果，而在碳含量高時以及促進石墨化且易氧化的元素含量高時，壓降降低的幅度減?。?］。

圖5 A組試樣腐蝕前后金相圖

圖6 B組試樣腐蝕前后金相圖

圖7 C組試樣腐蝕前后金相圖

圖8 A、B、C三組試樣電導率

4.3 電導率分析

圖8為A、B、C三組試樣25℃測試的電導率的平均值。由圖可知，隨著更多石墨的析出，鐵素體的數(shù)量也在增多，在磷生鐵中石墨電阻率較小，其次為鐵素體，其次是滲碳體。所以磷生鐵的電導率C＞B＞A[7].

5 結(jié)論

l）在磷生鐵熔煉過程中采用新型復合改性劑后，可以有效地改善磷生鐵的成分，在磷生鐵凝固過程中析出更多的石墨，從而使磷生鐵具有高導電性、低膨脹率，從而降低鐵炭壓降，起到降壓節(jié)能的作用；

2）在磷生鐵回爐的過程中，加生鐵可以保證磷生鐵整個流通的數(shù)量，也可以將生鐵中粗大的石墨組織遺留到磷生鐵中，提高了磷生鐵的電導率，從其他方面提高了磷生鐵的使用性能。

［l］張勝全，許建華，張偉，等.磷生鐵碳硅變化分析及對策［J］.輕金屬，2009（3）：29-30.

［2］黃涌波，袁朝暉.鋁電解用磷生鐵組成研究［J］.輕金屬，l998（2）：37-39.

［3］嚴青松，劉為作.感應爐熔煉鑄鐵增碳工藝研究［J］.現(xiàn)代鑄鐵，l999（3）：28-32.

［4］莫德格.鋁電解陽極組裝磷生鐵脫硫技術(shù)分析及實踐［J］.內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟，20l4（2）：l00-l0l.

［5］劉偉，李劼，賴延清，等.采用電接觸模型的鋁電解槽陰極電壓降分析［J］.材料與冶金學報，2008，7（2）：99-l02.

［6］馮建國.鋁用陽極組裝磷生鐵配方探討［J］.四川有色金屬，20l0（3）：27-29.

［7］趙卓非，王晧，范曉龍，等. 新型添加劑對電解鋁用磷生鐵脫硫增碳效果的影響［J］.鑄造技術(shù)，20l4（ll）：2640-2643.

Effect of Compound Modifier on Microstructure and Properties of Phosphorus Pig Iron

WANG Yan-li
（Shanxi Zhaofeng Aluminum&Electricity CO.，LTD.，Yangquan Shanxi 045000，China）

In the electrolytic aluminum industry，the composition of the five elements in phosphorus pig iron can change during the cyclic process，which leads to the quality problem when the positive electrode is cast.In this paper，the problem was resolved by adding compound carburant and desulfurizer.The results showed that the composite agent can make the composition meet the standard requirement，and reduce the precipitation of the carbide，promote the precipitation of more graphite，reduce the shrinkage of the solidification，reduce the contact resistance，reduce the resistance of the phosphorus pig iron itself，which reduce iron carbon pressure drop.

electrolytic aluminum，phosphorus iron，iron carbon pressure drop

TF82l

A

l674-6694（20l7）05-0034-04

20l7-09-03

王彥俐（l977-），男，工程師，本科，主要從事電解鋁工作。

l0.l6666/j.cnki.issnl004-6l78.20l7.05.008