CN110791699B - 铝用阳极浇铸铁水及其熔炼工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了铝用阳极浇铸铁水及其熔炼工艺，属于铝电解生产技术领域。本发明针对现有磷生铁的生产通过补充生铁或磷生铁导致成本高，提供铝用阳极浇铸磷生铁及其熔炼工艺，采用废钢铁、回炉铁、增碳剂、硅铁、磷铁、元素吸收稳固剂作为原料按一定质量比例进行熔炼得到，其中元素吸收稳固剂的成分包括增碳剂、硅铁、锰铁、磷铁、稀土元素以及含有镁、钇、硅铁孕育剂的复合材料。本发明磷生铁符合铝用阳极浇铸性能要求，不需另外补充生铁或磷生铁，也不需进行磷生铁报废置换，可节约大量生铁或磷生铁原料的耗用，从而达到降低物耗的目的。

Description

铝用阳极浇铸铁水及其熔炼工艺

技术领域

本发明属于铝电解生产技术领域，具体涉及铝用阳极浇铸铁水及其熔炼工艺。

背景技术

铝电解阳极生产中的磷生铁水，其质量好坏，直接关系阳极在电解铝生产的使用效果。由于磷生铁在生产过程中，需重复多次循环使用，经多个周期后，铁水成分发生极大改变，杂质元素越积越多，配方调整较为困难，从而导致铁水质量较差，流动性不佳，浇铸困难，浇铸后磷铁环裂纹较多，磷铁环与炭碗接触不牢，使用中铁-碳压降较高等情况。

针对磷生铁在循环使用中出现的情况，为改善磷生铁水配方，各铝电解企业相继采取不同的措施，如国外在循环使用多个周期后，由于杂质元素过多，逐渐分批次淘汰多次使用的磷生铁，通过新生铁来逐步置换质量下降的磷生铁，以保证阳极浇铸质量。这种方法简单、见效快，效果明显，缺点是生产成本较高。国内企业根据自身情况，通过补充生铁或磷生铁也是其中的解决途径之一，但无论国内还是国外，磷生铁的生产损耗都是靠通过补充生铁或磷生铁来达到循环使用目的的。共同的缺点就是生产成本过高，同时也没有较好的解决办法。

发明内容

本发明解决的技术问题是现有磷生铁的生产通过补充生铁或磷生铁导致成本高。

本发明铝用阳极浇铸铁水采用废钢铁、回炉铁、增碳剂、硅铁、磷铁、元素吸收稳固剂作为原料按一定质量比例进行熔炼得到，所述元素吸收稳固剂的成分包括增碳剂、硅铁、锰铁、磷铁、稀土元素以及含有镁、钇、硅铁孕育剂的复合材料，其中废钢铁为钢材的边角料，包括碳素钢、低合金钢。

其中，以质量百分数计，铁水碳含量为2.8-3.5％，硅含量为2.0-2.6％，锰含量0.4-0.8％，磷含量0.8-1.3％

其中，以质量百分数计，元素吸收稳固剂包括增碳剂25-30％；硅铁15-20％；锰铁10-15％；磷铁15-20％；稀土0.10-0.20％；复合材料25.0-28.0％。

其中，硅铁孕育剂为75硅铁。

其中，元素吸收稳固剂的制备方法为硅铁孕育剂熔化后添加一量的镁、钇，冷却后进行破碎还原得到复合材料，同时对硅铁、锰铁、磷铁进行破碎筛选，最后与增碳剂、稀土混合。

本发明还公开上述铝用阳极浇铸铁水的熔炼工艺，包括如下步骤：

中频炉中依次加入回炉铁、元素吸收稳固剂、部分增碳剂、废钢铁、磷铁、锰铁进行熔炼，熔炼温度控制在1250～1350℃，一次打渣后加入硅铁，二次打渣后停止升温，加入剩余增碳剂，出炉浇铸，浇铸温度控制在1400～1500℃。

进一步的，本发明还公开上述铝用阳极浇铸铁水的熔炼工艺，包括如下步骤：

1)炉子在冷态时，加入回炉铁开始升温，当炉室温度到600～700℃时加入元素吸收稳固剂、部分增碳剂、回炉铁；

2)继续升温至950～1150℃时，加废钢铁、磷铁、锰铁；

3)保温一定时间后将回炉铁加满，升温至1250～1350℃时，开始打渣作业，渣打干净后加入硅铁，当温度达到1400～1500℃时，再次打渣作业；

4)升温停止，加入增碳剂，搅均后开始浇铸作业，铁水浇铸温度为1400～1500℃。

其中，步骤1)和2)所述升温速率控制在300～350℃/h，步骤3)所述升温速率控制在 150～200℃/h。

其中，铁水采用3吨中频炉熔炼，每炉补充废钢铁360kg～400kg、回炉铁2.6～2.8t、增碳剂15kg～25kg、硅铁10kg～20kg、锰铁0～2kg、磷铁10kg～20kg、元素吸收稳固剂15～ 30kg。

本发明的有益效果是：

本发明在铁水配上通过补充元素吸收稳固剂和废钢铁的方式，同时对熔炼工艺的相关参数进行优化，可实现在不需补充新生铁或新磷生铁的情况下，达到中频炉所熔炼铁水物料与损耗平衡，从而形成回炉铁自循环状态，每炉铁水不需另外补充生铁或磷生铁，也不需进行磷生铁报废置换，可节约大量生铁或磷生铁原料的耗用，从而达到降低物耗的目的，同时对废钢铁进行了回收利用。

具体实施方式

本发明公开铝用阳极浇铸铁水，该铁水采用废钢铁、回炉铁、增碳剂、硅铁、磷铁、元素吸收稳固剂作为原料按一定质量比例进行熔炼得到，所述元素吸收稳固剂的成分包括增碳剂、硅铁、锰铁、磷铁、稀土元素以及含有镁、钇、硅铁孕育剂的复合材料，其中废钢铁为钢材的边角料，包括碳素钢、低合金钢。

通过冶炼，以质量百分数计，本发明将铁水中碳含量控制在2.8-3.5％，硅含量控制在 2.0-2.6％，锰含量控制在0.4-0.8％，磷含量控制在0.8-1.3％。

由于各化学成分在铁水中作用各不相同，下面分别介绍本发明铁水中五大元素C、Si、 Mn、P、S的控制原理：

碳是促进石墨化并对石墨的形状、大小有很大影响的元素，含碳量在2.6-3.5％之间时，石墨片细小且分布均匀，对生铁来讲，抗拉强度最高，而且导电能力好，压降低。同时，碳因能促进石墨的析出，因此它能减小铸铁冷却后的收缩，从而保证浇铸后磷铁环不易松动。实际控制时，考虑生铁的压降一般将含碳量控制在2.8-3.5％，优选3.0％-3.5％。

硅是强烈促进石墨化的元素，当硅含量小于1.5％，或碳当量大于4.3％时，生铁易出现白口，导致熔炼困难，机械性能及浇铸性能差。因此，铁水含硅量一般选择在2.0-3.0％之间，优选2.0-2.6％。

锰是阻碍石墨化的元素，增加铁原子之间的结合力，使金属基体强度上升，提高机械强度，与硫形成固态的MnS,，其熔点高达1620℃，影响了流动性，但同时也抵消了硫的有害作用，从这一点来讲，锰又是促进石墨化的元素。MnS比重小，可以从铁水中浮出排入渣中，一般生铁中含锰量是含硫量的3.3倍，如硫含量为0.2％，则锰含量原则上不低于0.6％。综合考虑，一般将锰控制在0.5-0.8％之间，优选0.4-0.8％。

磷在固溶体的溶解度很小，并随含碳量的增加而降低，当含磷量超过溶解度极限，出现 Fe₃P，它一般以磷共晶形式存在，磷共晶硬而脆，尤其是在低温时更为显著，铝用阳极组装正是利用磷的这一特性(冷脆)。由于P在铸铁中由于能形成低熔点共晶并压低液相线的温度，使铁水粘度降低，增加铁水对铸型的润湿能力.提高铁水的流动性，所以P能很明显地提高铁水的流动性.从而改善铁水的浇铸性能。为保证磷铁环压脱性能及机械性能，一般P含量在0.8－1.3％之间。

硫是强烈阻碍石墨化的元素，属有害物质，硫基本不溶于铁，以FeS形式存在，会发生热脆现象，在900℃时发生开裂，如含硫量过多，则会引起磷铁环炸裂，使铁炭接触电阻增高。在生产中应尽量把硫从铁水中除去，以利于降低压降。同时它还降低铁水流动性，恶化浇铸性能。一般含硫量控制在0.15％以下，当含S量超过0.18％以后，铁水流动性变差。

考虑到磷生铁水中的含碳量与硅及磷元素的相互作用关系，一般用碳当量来衡量磷生铁水的熔炼质量。

4.2＝C+(Si+P)·1/3

也就是说，当磷生铁水的碳当量在4.2左右时，此时的磷生铁水不管是在流动性，冷脆性还是在铁炭压降上都是最佳的。但有一个前提，就是铁水的各种杂质含量必须要比较低，效果才能得到最大体现。这也是为什么，不管是国内还是国外的铝电解阳极组装企业生铁单耗比较高的原因，当然生产成本也比较高。因为由于磷生铁在不断循环使用过程中，铁水中的杂质不断累计，造成要么对旧磷生铁进行置换，要么干脆直接淘汰掉。但是在一般情况下，生产企业在发现磷生铁杂质含量比较高需补充或更换时，这时的磷生铁水已经对铝用阳极浇铸质量造成的影响已经比较长了。更为严重的是，由于磷生铁杂质含量高，会导致铁炭压降大幅增加，造成电解铝电耗加大，成本当然会更高，也会对铝电解工艺质量造成比较大的影响。

基于上述原因，本发明采用杂质含量远低于回炉铁的废钢铁。本发明废钢铁的使用主要考虑杂质含量对铁水性能及导电性能的影响，只要铁锈比不过大、杂质不过多就可以，主要包括碳素钢和低合金钢，但铁皮、带油漆等杂物的厚度低于20毫米的薄钢板，以及中高合金钢(合金元素的总含量>5％的钢)及杂质过多的生铁铸铁，不能使用。本发明实施例采用的废钢铁为本公司生产废料，如Q235、45#或其它废旧钢材。

本发明在使用废旧钢铁的同时，还采用了元素吸收稳固剂，该产品的成分包括增碳剂、硅铁、锰铁、磷铁、稀土元素以及含有镁、钇、硅铁孕育剂的复合材料。为了更好的实现本发明，以质量百分数计，元素吸收稳固剂包括增碳剂25-30％，硅铁15-20％，锰铁10-15％，磷铁15-20％，稀土0.10-0.20％，复合材料25.0-28.0％。

本发明元素吸收稳固剂基本生产过程：

1)硅铁孕育剂在电炉中低温熔化后添加一量的镁、钇，冷却后进行破碎还原成小颗粒状，硅铁、锰铁、磷铁也进行破碎筛选，规格达到3～5毫米；

2)根据提前采集好的回炉铁数据及用户需添加的废钢铁重量进行计算分析；

3)根据用户对碳、硅、锰、磷元素的烧损量计算出合金元素增碳剂、硅铁、锰铁、磷铁、稀土元素及复合材料的配入量，然后混合；

稀土的作用：铁水中的硫化物是造成夹渣、缩松、皮下气孔等铸造缺陷的主要原因之一。硫是铸铁生产中要严格控制的杂质元素，硫降低碳在液态铸铁中的溶解度，有力地阻止石墨化，促使共晶的过冷度增大。本发明稀土元素优选采用铈，铈的作用作用是促进石墨化，造渣，促进渣的析出。加入铈对铸铁结晶凝固特性有重要影响，使初生石墨析出与共晶石墨析出有明显的分界，这是由于铈在显著降低石墨析出和生长速度的同时，抑制石墨从熔体中析出，并创造了奥氏体枝晶生长的条件，使得铸铁的共晶转变。当温度降低到共晶转变开始温度后，首先是碳在铁中的固溶体(奥氏体)以枝晶的形式析出，到温度才会发生共晶石墨的析出和形成石墨-固溶体的共晶体。硫提高初生石墨析出温度，在含硫铸铁中加入铈可提高初生石墨析出温度，扩大结晶凝固温度间隔。

复合材料的作用是净化铁水，脱硫，减少气孔缺陷，促进碳和其他元素吸收，提高吸收率。其中，硅铁孕育剂是一种可促进石墨化，减少白口倾向，改善石墨形态和分布，增加共晶团数量，对细化基体组织有良好的效果。并且脱氧效果强，能改善铁水的流动性。与镁合金混合使用，对反应稳定性上有很好的促进作用。钇与氧和硫有很强的亲合力，能显著降低铁水中有害的氧和硫的溶解量，并有效地改善硫化物和氧化物的形态，在铁水中的脱氧、脱硫效果显著。

其中，本发明硅铁孕育剂可采用75硅铁，也就是含硅量在72％～75％的硅铁，也可根据需要采用含锶、钡、铋、锆或某种稀土元素的孕育剂。硅铁孕育剂能较好地控制薄壁处的白口倾向，含锶硅铁消除白口的能力很强，特别有利于改善薄壁铸件中石墨的形态和分布状况，使不同厚度处组织的差别更小，过冷组织只见于铸件的表层。锶含量有0.6～1.0％和1.0～2.0％两种。含钡硅铁也具有很强的促进石墨化的能力，可改善薄壁铸件中石墨的形态和分布状况，而且还有减缓孕育衰退的作用，钡含量一般为4～6％。含铋的硅铁也具有与含钡硅铁类似的效果。含锆硅铁，锆有脱氧作用，有利于提高铁液的流动性，能减轻铸铁的白口倾向，促成均匀、细小的A型石墨，而且还有减缓孕育衰退的作用。

关于回炉铁的说明，中频炉熔炼好的铁水将导杆与阳极碳块浇铸连接在一起，形成铁环，浇铸好的阳极送到电解车间使用，用于电解铝，当阳极消耗完后，带铁环的导杆送回，导杆上的铁环压下来后返回中频炉重复使用的铁叫回炉铁。

基于上述铝用阳极浇铸铁水的配方设计，本发明还提供铝用阳极浇铸铁水的熔炼工艺，采用3吨中频炉熔炼，具体可按如下步骤进行：

1)炉子在冷态时，加入300～400公斤回炉铁开始用300～350℃/h速度升温，到大约炉室温度到600～700℃时加入25公斤元素吸收稳固剂，及12公斤左右的增碳剂，再加150～200 公斤回炉铁；

2)炉室继续升温至1100度时，加废钢铁300～400公斤，同时加入15公斤左右磷铁及 1～2公斤锰铁；

3)保温两小时后将回炉铁加满，以150～200℃/h的升温速度升温至1300度时，开始打渣作业，当铁水内的渣打干净后加入15公斤左右的硅铁，当温度达到接近1500度左右时，再次打渣作业；

4)升温停止，加入8公斤左右的增碳剂，搅均后大约十几分钟后开始浇铸作业，此时铁水浇铸温度大约1450度左右。

以下通过实施例以及抽样分析检测对本发明作进一步的说明。

本发明采用3吨中频炉，按照上述熔炼工艺进行冶炼，所用元素吸收稳固剂的组成为增碳剂28％，硅铁17％，锰铁12％，磷铁16％，稀土铈0.15％，复合材料26.85％(75硅铁26.5％、镁0.3、钇0.05％)。实际生产过程各原料的添加量可根据需要进行调整，每炉补充回炉铁2.6～2.8t、废钢铁360kg～400kg、增碳剂15kg斤～25kg、硅铁10kg～20kg、锰铁0～2kg、磷铁 10kg～20kg、元素吸收稳固剂15～30kg，浇铸前取样分析铁水各元素含量如表1所示。

铝用阳极浇铸铁水首期投产由于没有回炉铁，全部用生铁或磷生铁进行，操作如下：

1)炉子在冷态时，加入400公斤左右生铁或磷生铁开始升温，当炉室温度到600～700℃时加入部份增碳剂，再加入300公斤左右生铁或磷生铁；

2)继续升温至950～1150℃时，加400公斤左右生铁或磷生铁、磷铁、锰铁；

3)保温一定时间后将生铁或磷生铁加满，升温至1250～1350℃时，开始打渣作业，渣打干净后加入硅铁，当温度达到1450～1600℃时，再次打渣作业；

4)升温停止，加入增碳剂，搅均后开始浇铸作业，铁水浇铸温度为1400～1600℃。

在公司质量管理当中，要求每班次熔炼铁水必须至少取一个样进行分析化验，公司质量部每周随机到现场抽查取样进行质量管控工作，并建立质量管理数据库进行浇铸铁水质量跟踪。表1是在实际生产中2018年12月15日至2018年12月19日一个生产周期的熔炼铁水的取样分析数据，如2018年12月17日包括了公司质量部到车间现场抽查的六组数据。在实际生产中每班次用两台中频根据生产情况进行交替熔炼生产作业。从表1中的数据可以看出，各大元素的配比非常稳定，都控制在指标范围内，且铁水流动性都比较好。

表1

取样日期	碳含量/％	硫含量/％	锰含量/％	磷含量/％	硅含量/％
						2018.12.15	3.12214	0.16554	0.68567	1.226	2.51211
2018.12.15	3.1303	0.15444	0.6725	1.23054	2.49088
						2018.12.16	2.98576	0.17543	0.58765	1.228	2.44132
2018.12.16	3.17199	0.13274	0.64947	1.16728	2.35915
						2018.12.17	3.18009	0.12619	0.65257	1.08343	2.33139
2018.12.17	3.1862	0.12771	0.63916	1.13762	2.32528
						2018.12.17	3.19408	0.12783	0.64127	1.12171	2.33853
2018.12.17	3.18291	0.13101	0.64075	1.15235	2.33495
						2018.12.17	3.16822	0.1202	0.63975	1.08147	2.31627
2018.12.17	3.16025	0.12049	0.64317	1.10459	2.31627
						2018.12.18	3.18365	0.13812	0.63995	1.13928	2.32803
2018.12.18	3.12518	0.16922	0.62542	1.2053	2.41168
						2018.12.18	3.09027	0.14253	0.61019	1.21702	2.36548
2018.12.19	3.10633	0.14907	0.6151	1.27739	2.41092
						2018.12.19	3.19775	0.13795	0.65629	1.08029	2.39158
2018.12.19	3.11309	0.14492	0.62113	1.23875	2.45766
						2018.12.19	3.14385	0.14857	0.62098	1.1575	2.47154
平均值	3.14365	0.14188	0.63771	1.16756	2.38841

铁水按上述工艺熔炼后进行阳极浇铸，充分冷却以后用铁炭压降测量仪测量铝电解阳极冷态铁炭压降，即用铁炭测量仪一端在铝导杆上，另一端接在阳极炭块上经通电后得到压降值，结果如表2所示，压降平均值在54.2mv，远低于优化铁水配方前的平均压降75mv，效果十分显著。

表2

通过补充废钢铁及添加元素吸收稳固剂后，铝用阳极组装熔炼铁水工艺的损耗直按降低了30％，由以前的每吨组装阳极生铁或磷生铁单耗7公斤降低到5公斤以内。需要说明的是，每吨组装阳极单耗5公斤补充的是废钢铁，与生铁或磷生铁还有价差效益。生铁或磷生铁单耗从每吨组装阳极7公斤下降到每吨组装阳极0.45公斤以下。由于出炉温度降低，每吨组装阳极节约电耗10度以上，除去废钢铁及改性元素的费用，每吨组装阳极降低费用可观，经济效益非常显著，降本增效明显。

从2016年12月份开始至今，通过补充元素吸收稳固剂和废钢铁的方式，以及相关工艺参数的不断优化，回炉生铁的质量已处于稳定状态，中频炉所化铁水流动性情况得到明显改善，在浇包预热后的出铁水温度控制在1500℃内，同时，中频炉炉子的使用寿命得到大幅提高，由平均使用120炉次提升到220炉次以上，最高已达到了298炉次，生铁用量从约800 吨/年控制降低到<100吨/年，基本达到磷生铁水自循环的目的，有效降低了公司生产成本。

Claims (6)

1.铝用阳极浇铸铁水，其特征在于：所述铁水由以下重量比的原料进行熔炼得到：废钢铁360kg～400kg、回炉铁2.6～2.8t、增碳剂15kg～25kg、硅铁10kg～20kg、锰铁0～2kg、磷铁10kg～20kg、元素吸收稳固剂15kg～30kg；

所述元素吸收稳固剂由以下质量百分比的原料组成：增碳剂25-30％；硅铁15-20％；锰铁10-15％；磷铁15-20％；稀土元素0.10-0.20％；复合材料25.0-28.0％；复合材料由镁、钇和硅铁孕育剂组成；

其中废钢铁为钢材的边角料，包括碳素钢、低合金钢。

2.根据权利要求1所述的铝用阳极浇铸铁水，其特征在于：以质量百分数计，所述铁水碳含量为2.8-3.5％，硅含量为2.0-2.6％，锰含量0.4-0.8％，磷含量0.8-1.3％。

3.根据权利要求1所述的铝用阳极浇铸铁水，其特征在于：所述硅铁孕育剂为75硅铁。

4.根据权利要求1所述的铝用阳极浇铸铁水，其特征在于：所述元素吸收稳固剂的制备方法为硅铁孕育剂熔化后添加镁、钇，冷却后进行破碎还原得到复合材料，同时对硅铁、锰铁、磷铁进行破碎筛选，最后与增碳剂、稀土元素混合。

5.权利要求1所述的铝用阳极浇铸铁水的熔炼工艺，其特征在于，所述铁水采用3吨中频炉熔炼，每炉补充废钢铁360kg～400kg、回炉铁2.6～2.8t、增碳剂15kg～25kg、硅铁10kg～20kg、锰铁0～2kg、磷铁10kg～20kg、元素吸收稳固剂15kg～30kg；

具体包括如下步骤：

1)炉子在冷态时，加入300～400kg回炉铁开始升温，当炉室温度到600～700℃时加入元素吸收稳固剂、2/3增碳剂、150～200kg回炉铁；

2)继续升温至950～1150℃度时，加入废钢铁、磷铁、锰铁；

3)保温一定时间后将回炉铁加满，升温至1250～1350℃时，开始打渣作业，渣打干净后加入硅铁，当温度达到1400～1500℃时，再次打渣作业；

4)升温停止，加入剩余增碳剂，搅均后开始浇铸作业，铁水浇铸温度为1400～1500℃。

6.权利要求5所述的铝用阳极浇铸铁水的熔炼工艺，其特征在于：步骤1)和2)所述升温速率控制在300～350℃/h，步骤3)所述升温速率控制在150～200℃/h。