延長(zhǎng)銅冶煉陽(yáng)極模服役壽命的工業(yè)實(shí)踐

劉臻偉，程亞武，徐 琦，徐 暢

（大冶有色金屬集團(tuán)控股有限公司，湖北 黃石 435005）

1 引言

大冶有色金屬集團(tuán)控股有限公司（以下簡(jiǎn)稱大冶公司）冶煉廠轉(zhuǎn)爐車間陽(yáng)極銅澆鑄系統(tǒng)由TM18雙圓盤與TM16雙圓盤兩套系統(tǒng)組成，目前所用澆鑄陽(yáng)極模為鑄鐵材質(zhì)，在前期生產(chǎn)中平均使用壽命僅為240t·Cu/塊，陽(yáng)極銅生產(chǎn)成本偏高。因此，分析鑄模使用過程中影響壽命的問題點(diǎn)，并對(duì)此改進(jìn)模具使用的工藝配置，提高鑄模使用壽命，成為大冶公司轉(zhuǎn)爐車間降本增效的課題。

2 影響陽(yáng)極模服役壽命的因素

2.1 澆鑄過程銅水溫度的影響

生產(chǎn)過程中，在工況無重大波動(dòng)的條件下，對(duì)銅水溫度進(jìn)行調(diào)整試驗(yàn)，通過統(tǒng)計(jì)得出銅水溫度對(duì)應(yīng)的陽(yáng)極模平均壽命如圖1所示。

圖1 澆鑄銅水溫度對(duì)陽(yáng)極模使用壽命的影響

由圖1可知，澆鑄過程銅水溫度越高，生產(chǎn)過程陽(yáng)極模表面溫度越高，陽(yáng)極模使用壽命越低。因?yàn)檩^高的銅水溫度不僅易造成鑄鐵模具的高溫腐蝕，同時(shí)由于鑄鐵材質(zhì)導(dǎo)熱性相對(duì)較差，抗急冷急熱性能一般，模面溫度高，當(dāng)熱量無法及時(shí)釋放時(shí)，易出現(xiàn)裂紋而無法使用［1-2］。而大冶公司由于建廠年限較長(zhǎng)，前期的設(shè)計(jì)中精煉爐爐體與圓盤之間的高度差并不理想，造成固定溜槽坡度較緩，因此對(duì)銅水流動(dòng)性要求高，爐前常控制出銅溫度在1240℃左右，與同行業(yè)先進(jìn)企業(yè)1180℃的標(biāo)準(zhǔn)相差40～60℃，對(duì)鑄模壽命影響較大。

2.2 脫模劑噴涂效果的影響

目前大冶公司所用脫模劑為98.5%硫酸鋇，通過觀察現(xiàn)場(chǎng)噴涂情況，發(fā)現(xiàn)鑄模表面噴涂不均勻情況較多，特別是陽(yáng)極模耳部區(qū)域，常出現(xiàn)耳部未噴涂情況，其次是陽(yáng)極模邊緣區(qū)域。噴涂不均易造成澆鑄過程中發(fā)生粘模現(xiàn)象，前期各月陽(yáng)極板粘結(jié)率及陽(yáng)極模壽命如圖3所示。

圖2 2017年各月陽(yáng)極模粘結(jié)率及陽(yáng)極模壽命情況

由圖2可知，陽(yáng)極模粘結(jié)率越高，使用壽命越短，2017年平均粘結(jié)率為5.5%左右，而平均陽(yáng)極模使用壽命為251 t·Cu/塊。通過現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，噴涂不均勻的主要原因?yàn)閲娡繑嚢柰斑M(jìn)漿口及噴涂管易被編織袋、大顆粒物、塊狀物堵塞，硫酸鋇與水混合不均勻而造成噴涂不到位的現(xiàn)象，陽(yáng)極模未噴涂部位與陽(yáng)極板粘結(jié)，進(jìn)而影響陽(yáng)極模壽命及產(chǎn)品質(zhì)量。

2.3 噴淋冷卻系統(tǒng)的影響

噴淋系統(tǒng)的冷卻能力決定了澆鑄過程的陽(yáng)極模溫度，當(dāng)冷卻強(qiáng)度達(dá)不到要求時(shí)，鑄模表面溫度較高，模具易過度熱膨脹而出現(xiàn)裂痕，使用壽命降低［3-6］。大冶公司前期圓盤冷卻噴頭為10個(gè)，但2016年經(jīng)過循環(huán)水泵改造，循環(huán)水壓力由原來2至3kg增加至現(xiàn)在的4kg，導(dǎo)致噴淋水經(jīng)常出現(xiàn)水量過大而發(fā)生水泵跳車、失壓現(xiàn)象。另一方面由于廠區(qū)生產(chǎn)用水雜質(zhì)較多，噴淋管易堵塞，一定程度上也影響了噴淋冷卻效果。通過標(biāo)記陽(yáng)極模進(jìn)行試驗(yàn)，得出陽(yáng)極模表面溫度與使用壽命關(guān)聯(lián)如圖3所示。

由圖3可看出，陽(yáng)極模表面溫度越高，使用壽命越低。就大冶公司工況而言，當(dāng)鑄模溫度低于330℃時(shí)，模壽能達(dá)到300t·Cu/塊左右，指標(biāo)相對(duì)較好，而在正常生產(chǎn)條件下，平均模溫約為360℃左右，此溫度條件下，陽(yáng)極模使用壽命在260t·Cu/塊以下。

3 改進(jìn)實(shí)踐及效果

3.1 陽(yáng)極模結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1.1 陽(yáng)極模外形優(yōu)化

鑄件外形結(jié)構(gòu)改進(jìn)，模體的頂部中段開有兩個(gè)左右對(duì)稱布置的凹槽，構(gòu)成山字形圍邊結(jié)構(gòu)，如圖4所示。未改進(jìn)前，改進(jìn)點(diǎn)部位經(jīng)常因?yàn)閼?yīng)力集中導(dǎo)致陽(yáng)極模發(fā)生穿透性裂紋，影響鑄模壽命［7-9］。

圖4 陽(yáng)極模結(jié)構(gòu)改進(jìn)對(duì)比示意圖

改進(jìn)點(diǎn)1：此處原結(jié)構(gòu)明顯比周圍厚大，因此無論是鑄造還是澆注工作狀態(tài)，均易產(chǎn)生應(yīng)力集中。改成如圖4所示結(jié)構(gòu)不但節(jié)省鐵水，不影響“山”字頭壓緊定位，而且整個(gè)壁厚均勻、協(xié)調(diào)，有利于減輕或者避免應(yīng)力集中。

改進(jìn)點(diǎn)2：原設(shè)計(jì)過渡圓角均較小，基本按照結(jié)構(gòu)功能性鑄件設(shè)計(jì)，改進(jìn)是按照滿足耐熱鑄件減少應(yīng)力集中盡可能加大圓角過渡。

改進(jìn)點(diǎn)3、4：在此加上一個(gè)鑄肋有兩個(gè)作用：一個(gè)是擋住對(duì)面來的銅水防溢出，另外就是起到抗拉和變形的作用。

3.1.2 陽(yáng)極模雙頂針改造為單頂針

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，在澆鑄作業(yè)中，陽(yáng)極模頂針孔處極易出現(xiàn)裂紋，為陽(yáng)極模的脆弱區(qū)域之一，兩個(gè)頂針孔的設(shè)計(jì)降低了模具的強(qiáng)度，在保證不影響使用的前提下，將頂針孔縮減為1個(gè)，提高陽(yáng)極模的強(qiáng)度，如圖5所示，同時(shí)也可以降低頂針消耗量。

圖5 改造前后的陽(yáng)極模

3.2 控制澆鑄過程銅水溫度

精煉爐爐前加裝熱電偶，用于出銅前銅水溫度測(cè)量，便于溫度控制；另一方面，為了使?jié)茶T過程銅水溫度降低后的仍然具有良好的流動(dòng)性，在固定溜槽處加裝保溫蓋板裝置，用以澆鑄過程保溫，如圖6所示。通過生產(chǎn)試驗(yàn)對(duì)比，得出在不影響陽(yáng)極板質(zhì)量的前提下（改造前陽(yáng)極板外觀合格率為98.60%），銅水溫度可由之前的1260℃降低至1180～1200℃，如圖7所示。

圖6 固定溜槽加裝保溫蓋板

圖7 澆鑄銅水溫度對(duì)陽(yáng)極板外觀合格率的影響

3.3 噴涂管道結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對(duì)噴涂管道系統(tǒng)易混入雜物問題，車間通過在噴涂槍進(jìn)漿口加裝過濾網(wǎng)，并及時(shí)清理，避免雜物堵塞攪拌桶進(jìn)漿口，鑄模噴涂效果提升，陽(yáng)極板粘結(jié)率明顯降低，如圖8所示，陽(yáng)極模平均壽命也提高到320t·Cu/塊，同時(shí)陽(yáng)極板產(chǎn)生飛邊毛刺概率降低，質(zhì)量得到提升。

圖8 噴涂管優(yōu)化后陽(yáng)極模壽命及粘結(jié)率情況

3.4 圓盤冷卻系統(tǒng)優(yōu)化

（1）合理分配降溫點(diǎn)。陽(yáng)極板澆鑄過程中，澆鑄點(diǎn)位置后三個(gè)模位是陽(yáng)極銅冷凝區(qū)域，該位置禁止水冷降溫，否則急冷急熱易導(dǎo)致陽(yáng)極模出現(xiàn)裂紋，陽(yáng)極板也易發(fā)生變形。根據(jù)前期經(jīng)驗(yàn)，水冷區(qū)域第一個(gè)噴淋罩下方的噴淋點(diǎn)容易使陽(yáng)極模出現(xiàn)大幅降溫而產(chǎn)生裂紋，停用此噴淋點(diǎn)后，延長(zhǎng)了陽(yáng)極模的自然冷卻時(shí)間，陽(yáng)極板鼓包率也進(jìn)一步降低，因此在此次改造中，取消第一個(gè)噴淋點(diǎn)。

（2）管道管徑疏通。噴淋系統(tǒng)主管規(guī)格為DN150，分管為DN50，但在實(shí)際運(yùn)行中，加裝的氣動(dòng)控制閥規(guī)格為DN25，在日常拆卸更換過程中發(fā)現(xiàn)，該部位極易堵塞，且使用次數(shù)極少，因此在管道改造時(shí)，將氣動(dòng)閥取消。

改造完成后，圓盤噴淋系統(tǒng)在操作性、調(diào)控性及通暢性方面均明顯優(yōu)于改造前，以陽(yáng)極模溫度控制為例，如圖9所示，平均模溫由340～370℃降低至 280～310℃。

圖9 噴淋冷卻系統(tǒng)優(yōu)化后模溫控制對(duì)比

3.5 改進(jìn)效果

以上四項(xiàng)改進(jìn)措施完成后，陽(yáng)極模結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，澆鑄銅水溫度控制在1180～1200℃，噴涂效果改善，陽(yáng)極模粘結(jié)率降低至2.8%，陽(yáng)極模表面溫度控制在280～310℃，6個(gè)月后平均陽(yáng)極模壽命由240t·Cu/塊提高到350t·Cu/塊左右，陽(yáng)極板外觀質(zhì)量也得到提高。

4 結(jié)論

（1）影響大冶公司陽(yáng)極模使用壽命的主要生產(chǎn)因素為澆鑄過程銅水溫度、脫模劑噴涂效果、噴淋系統(tǒng)冷卻能力三點(diǎn)；改造前澆鑄銅水溫度約為1240℃，陽(yáng)極模粘結(jié)率為5.5%，陽(yáng)極模表面溫度約360℃。

（2）針對(duì)延長(zhǎng)陽(yáng)極模使用壽命課題，大冶公司做了四方面改進(jìn)，分別為陽(yáng)極模結(jié)構(gòu)優(yōu)化、控制澆鑄銅水溫度、噴涂管結(jié)構(gòu)優(yōu)化、冷卻水系統(tǒng)優(yōu)化。改造完成后銅水溫度調(diào)整為1180℃，陽(yáng)極模粘結(jié)率降低至2.8%，陽(yáng)極模表面溫度降低至310℃；調(diào)整后陽(yáng)極模平均使用壽命提高至350t·Cu/塊，成效明顯。