摘要：铝电解工艺属于能源消耗较大的工艺技术，因此需要通过各种有效措施使其生产系统效率和企业经济效益提高，同时还要保证能耗的降低，满意现在节能减排的社会需要。不少企业通过相关试验，对磷生铁配方研究，以寻求最佳的解决方案，本文就此进行了分析和探讨。
关键词：新型；磷生铁配方；电解铝工艺
引言
铝电解槽在生产过程中，需要对铁碳压降进行有效降低，才能对能源消耗予以控制，在用磷生铁容易出现碳碗壁与磷生铁环之间的热胀冷缩不匹配，阳极压降出现增加；同时室温脆性表现较差，因此必须加强对新型磷生铁配方的研究和优化，使电解铝工艺中铁碳压降得到有效降低，使节能降耗的目标得以实现。
一、磷生铁的影响
预焙阳级碳块和导杆通过铁水进行烧铸，进行铝用阳极组装的施工工艺，主要是通过磷生铁进行连接，其铁水熔化质量对于组装使用效果有着直接的影响作用，并对生产作业造成一定的影响。对于磷生铁的最佳配方，也是使组装生产效率得到提高的重要手段和途径，对生产成本的节约有着至关重要的意义[1]。
其配方主要影响的方面有：铁水的质量影响的浇铸性能，质量好的铁水能使浇铸产能提高，同时提高熔化炉的有效功率；铁碳压降，合理的配方能使压降得到降低；机械强度，电解过程中如果机构强度不够，阳极容易出现脱落的情况；易破碎度，磷生铁可循环重复利用，对于阳极组装时，钢爪上的磷铁环需具备易碎性能。根据磷生铁的相关使用要求，其配方主要针对五大元素，从脆性、流动性、强度、膨胀性以及导电压降等方面进行优化，使其符合相关规范和要求。
二、磷生铁化学成分及功用
磷生铁中的五大常规元素的作用各不相同，其中常规的五大元素以及其主要的作用如下：
对石墨的大小、形状起到影响和促进作用的元素为碳，当硅在铸铁中的含量控制在2%范围内时，1.7－2.0%的含碳量使石墨呈现网状分布的形态，低于范围时，呈现团聚状，若高于此数值，则会出现晶间石墨，达到2.6－3.5%范围时，会呈现出细片状，超过3.5%之后，呈现出初片状的石墨。所以应保待其含量在2.6－3.5%范围内，此时细小的石墨片呈现细片化均匀分布，生铁的抗拉强度也会最佳。石墨析出得到促过的同时，对铸铁冷却后的收缩予以减少，避免磷铁环出现松动的情况[2]。
硅可以极好地对石墨化予以促进，当碳当量值高于4.3%或硅含量低于1.5%时，生铁会出现熔炼困难、浇铸性能差以及机械性能较低的问题，所以硅的含量应保持在1.5－3.0%的范围内。
对石墨化产生阻碍的元素为锰，可提升金属基体强度，使铁原子之间的结合力增强，机械强度提高。硫和锰结合会形成固态的夹渣，在熔点温度升高后会对流动性造成影响，根据各方面因素的综合分析，其含量应保持在0.5－1.2%范围内。
磷的含量随着含碳量的增加而减少，并呈现出较小的溶解度，当超过极限后，会出现硬且脆的磷共晶，组装时利用磷这一特点，在低熔点时形成磷共晶，并对液相线的温度进行压低，降低铁水的粘度，使铸型的润湿能力提高，同时流动性也得到了提升，因此磷对于提高铁水的流动性以及浇铸性能的改善有效明显的效果和作用。
硫属于铁水中阻碍石墨化的有害元素，不溶解于铁而且极易发生热脆开裂现象，如果硫的含量过高，当温度上升后，磷铁环会出现开裂，增加接触电阻值。所以在生产过程中，需要将铁水中的硫含量尽可能的排除，使压降降低，另外还会使流动性降低，使浇铸性能变差。因此，其含量应控制在0.15以下，当其超过0.18%的范围，会对流动性造成不利的影响[3]。
三、铁水流动性的影响
铁液的充填铸型能力不仅与铸型特性有关，还受到铁水的化学性质的影响，对其流动性造成最大影响的因素有化学成分、浇铸温度、液态金属状态等。从化学成分的角度来分析，影响的最显著的有Si、C、P，可以通过铸铁碳当量CE来进行流动性的衡量，当其保持在4，3%左右时，铁水因结晶温度间隔较小，其流动性较好，越接近这个数值，流动性越好。各元素含量的控制范围如图三所示。
图三 元素含量控制范围
碳含量在铁水中的配比与上下限关系相对应，含量较高时，按低限对磷、硅含量进行控制，碳含量的相关计算分析公式如下：
碳当量CE＝{C+0.4S+0.3(P+Si)-0.03Mn}，因Mn和S的影响较小、含量较低，所以也可设定为：CE＝C+0.3(P+Si)。
根据含量配比，碳含量取上限时，硅含量设定为下限，CE越靠近4.3%，证明流动性越好；相反碳含量取下限时，硅含量设定为上限，同样越靠近4.3%，流动性表现越好[4]。
在对电解使用地了解，主要是对铁碳压降造成的影响，其影响大小排序为：si<P<C，因此使压降降低得到保证的配方为：Si2.0%、P1.2%、C3.2%，也为最佳配方方案。
四、配方试验
此次采用分阶段的试验，对其配方进行研究，寻找出最优的方案，并测试其节能效果。
在第一阶段，将生铁、炉铁、磷铁、锰铁、硅铁交替放入熔炉中进行熔炼，待全部融化后再加入改性元素，其物料配比的百分比如图一所示。在1300－1350℃温度下，保持两个小时以上，并运用增碳技术分批加入石墨粉。
图一 磷生铁配料比例
优化配方A中加入了85%的回炉铁，现有的生产配方按原有的配比加入回炉铁作为配方B，配方C中不添加回炉铁，另外还有不加回炉铁的配方D。这四种配方严格按照操作流程，在熔炼过程中，将炉内物料通过电磁进行搅拌，便其充分熔化，并送样进行化验分析，磷生铁的分析表告如图二所示。
通过增碳、配料、浇铸、熔炼、试样、对比等，按照在线测试的方法对节能效果进行测试。对比极选用现用的磷生铁配方以及优化后的配方进行阳极浇铸，在任意8块碳块表面适当位置进行钻孔，并将钢比接头插入，做好相应地编号。
按照相关工艺设置进行操作，根据试验要求的情况，保证各物料含量符合要求，并在保温2小时后进行浇铸作业。完成后，便要尽量选择同一极号或同一位置进行电解槽上使用，经过27次的测试后可以得出：根据两种配方的试验跟踪，优化后的配方实现压降降低53mV,取得了较好的节能效果。
图二 磷生铁元素配方分析
五、模型解析
借助于有限元的分析软件，通过计算阳极的热应力场，利用数值模拟的方式进行研究，对磷生铁的膨胀系数进行计算，从而对最佳配方进行确定。针对铝电解槽的阳极，在正常工作状态下，温差不会太大的情况下，进行稳态分析，其主要的导热计算公式为：
+qvol=0
公式中，在三个方向上的导热系数，随着温度的变化而产生变化，其中温度为T，单位体积的生热率用qvol表示。
结合相关的试验数据，通过有限元的分析平台进行大量的仿真计算，通过对膨胀系数的调整和改变，得到接触压降和最大应力等的变化情况，磷生铁的膨胀性提高以及接触电阻降低过程中，对炭块的许用应力应进行优先考虑，当应力小于许用时，电解槽中的工作稳定性才能得以有效保证。
结束语
通过上述的分析和试验结果以及模拟研究的运用，可以得出各元素的最佳配比范围，通过这个配方，可以使铁水的流动性保持良好，碳块之间的紧密度较高，外观光滑平整，磷铁环的正常压脱率可实现百分之里，并且无松动的现象出现。
参考文献
[1]曾健.电解铝生产中优化磷生铁配方的试验研究[J].有色冶金节能, 2006,23(3):21-22.
[2]王云强.新型磷生铁配方电解铝工艺[J].中国新技术新产品,2013(17): 6-7.
[3]张思源,胡俊杰,李贺松,etal.电解铝生产中磷生铁配方优化模型及试验[J].金属材料与冶金工程,2014(2):31-35.
[4]李贺松,脱鹏,王森,etal.铝电解槽阳极组装用磷生铁复合添加剂工业试验研究[J].轻金属,2011(4):31-32.
论文作者:莫海荣
论文发表刊物:《基层建设》2019年第14期
论文发表时间:2019/7/29
标签：生铁论文; 配方论文; 铁水论文; 含量论文; 流动性论文; 石墨论文; 阳极论文; 《基层建设》2019年第14期论文;