銅陽極板應力場對掛耳斷裂問題的影響

張芳萍，曹 宇，向 征，范 超

(太原科技大學 重型機械教育部工程研究中心，山西 太原 030024)

0 前言

銅在國民經濟中一直占有重要的地位，近年來，中國的精煉銅產量增速較高，銅市場消費穩定增長[1]。因此，掌握銅冶煉核心技術，持續提高精煉銅產量成了銅冶金研究的新目標和新方向。銅陽極板作為銅電解生產中的重要一環，其產量和質量直接決定精煉銅的品質。當今國內火法煉銅生產流程中，通常采用圓盤澆鑄機對銅陽極板進行澆鑄[2]，但是圓盤澆鑄機設備組成復雜，所需空間大，且澆鑄出的陽極板厚薄不均、板面容易變形，耳部質量較差，這些問題一直困擾著生產企業，因此研究更加先進的立模澆鑄機顯得尤為重要[3]。

在現有的銅立模澆鑄工藝中，根據實驗數據分析，生產出的銅陽極板存在掛耳斷裂問題，為了進一步尋求掛耳斷裂的機理和成因，本文對銅陽極板澆鑄過程進行了應力場模擬，通過分析模擬結果，得出熱應力的分布狀況及澆鑄溫度和冷卻水溫度對陽極板熱應力分布的影響規律，分析陽極板和立模的受力情況，得出減輕掛耳斷裂和延長立模使用壽命的措施。

1 模型建立

本文通過對銅陽極板生產現場的測繪和勘察，得到通用銅陽極板的形狀和尺寸，應用Solidwork繪制出銅陽極板三維示意圖[4]，如圖1所示。

圖1 陽極板示意圖

立模澆鑄機模具由固定端和移動端組成，它們整體結構基本相同，澆鑄機立模簡化示意圖如圖2所示。為了更有利于模擬，對立模實際模型進行了合理簡化：去除了對模擬影響細微的零件和側面吊裝結構；簡化了相應的倒角和圓角[5]。

圖2 澆鑄機立模簡化示意圖

2 銅立模溫度場分布數值模擬

在數值模擬中，為了提高模擬的精確度，需要與實際生產情況密切結合。而銅陽極板實際生產中，澆鑄時間短，完成一個周期大約需90 s，且生產過程為連續作業[6]。因此每次脫模后，澆鑄機不會完全冷卻。在短周期、長時間、連續作業的澆鑄生產中，在銅液和冷卻水的相互作用下，立模澆鑄機及冷卻水溫會保持穩定狀態，分析穩態溫度場可以得出立模澆鑄機的溫度分布，并作為瞬態溫度分析中立模澆鑄機的初始溫度。

水冷結構選擇時，在水冷空腔中增設橫向擋板，確保水流定向流動，本文中采用兩種水冷方式[7]，即單回旋式冷卻水道和雙回旋式冷卻水道，冷卻水流線模型如圖3所示。

圖3 單/雙回旋式冷卻水流線模型

2.1 穩態溫度場數值模擬

為了對立模澆鑄機穩態溫度進行模擬，并且比較A、B兩點的溫度和應力狀態，A點位于立模外部，B點位于立模內部掛耳處，A、B取點如圖4所示，為進行比較，本文設置6種工況，如表1所示。

表1 六種工況溫度設置表 ℃

圖4 A、B取點示意圖

工況一～工況三澆鑄溫度維持在1 100 ℃，將其分為一個對比組[8]，把單回旋式及雙回旋式立模溫度場進行對比，數據如表2所示。

工況四～工況六為一個對比組，保持冷卻水溫度50 ℃不變，將單回旋式和雙回旋式立模溫度場進行對比，數據如表3所示。

由表2和表3可以看出， A點和B點處雙回旋式比單回旋式溫度高20～30 ℃，澆鑄溫度和冷卻水溫度升高都會使立模整體溫度升高。

表2 澆鑄溫度1 100℃陽極立模穩態溫度分布 ℃

表3 冷卻水50℃時陽極立模穩態溫度分布 ℃

2.2 瞬態溫度場數值模擬

瞬態溫度場是在穩態溫度場的基礎上進行分析的，以穩態溫度場的溫度作為瞬態溫度分析的初始條件，輸入邊界條件，測定其在50 s內的溫度變化過程，得到銅陽極板的溫度場分布[9-11]。

根據國家標準，銅陽極板厚度為48 mm，其軟化溫度在600 ℃以上，以穩態溫度分布作為起始條件，在溫度下降過程中，銅陽極板硬度降到一定要求時，由小液壓缸推出，進入下一個工序[12-13]。 通過瞬態溫度場數值模擬，可以清晰的看到每一時刻，銅陽極板的溫度變化過程，銅陽極板在不同工況下的最高溫度初始值和終點值如表4和表5所示[14-17]。

表4 澆鑄溫度 1 100℃時銅陽極板的最高溫度 ℃

表5 冷卻水溫度50℃時銅陽極板的最高溫度 ℃

由表4和表5可以看出，立模澆鑄機雙回旋式的冷卻效果要遠大于單回旋式的冷卻效果。

3 立模熱應力場數值模擬

鑄模熱應力場數值模擬是在本文六種工況下進行的，熱應力場的耦合是在鑄模穩態溫度場和瞬態溫度場的數據基礎上進行的，通過計算結構力和熱應力的分析，得到基于溫度場數據的熱應力分布圖[18]。熱應力分布圖直觀地反映了鑄模在高溫銅液和冷卻水作用下的應力分布，并可找到灼傷和損傷部位，分析澆鑄溫度、冷卻水溫度和鑄模熱應力之間的相關關系。

3.1 熱應力場數值模擬流程

由溫度場的模擬分析可知，立模澆鑄機雙回旋冷卻水道設計較為合理，因此本文以雙回旋水道設計的立模澆鑄機為模擬對象，以穩態溫度場數據和瞬態溫度場數據為數值分析和熱應力分析的基礎，對熱立模的力耦合進行運算分析[19]。由于立模在工作中只受到重力和機架支撐力的作用，而重力對熱應力分析影響較小，所以模擬過程中忽略重力影響[20]。熱應力數值模擬基本流程為

(1)打開 ANSYS Workbench，拖拽結構分析模塊到溫度場分析下方，并將溫度場分布最終數據結果導入結構分析模塊中；

(2)設置相關的材料和支撐力等參數；

(3)選擇模擬分析所需要的算法和精度，設置參數和邊界條件；

(4)設置要求得到的最終結果(如鑄模的熱應力，熱應變云圖等)；

(5)求解，設置監視器和求解精度；

(6)顯示求解結果。

3.2 鑄模熱應力場數值模擬結果

鑄模熱應力場數值模擬結果如圖5所示。

根據圖5所得模擬結果，將模擬數據列入表6中，并對數據進行比較分析，繪制相應的折線圖，如圖6所示。

圖5 不同工況下鑄模熱應力場分布圖

圖6 不同工況下鑄模熱應力場

表6 不同工況下鑄模的熱應力

由表6和圖6可以看出，當澆鑄溫度保持不變的情況下，隨著冷卻水溫度的升高，立模澆鑄機的最高熱應力也隨之升高。同樣，當保持冷卻水溫度不變時，隨著澆鑄溫度的升高，立模澆鑄機的最高應力也隨之升高。因此，最大限度降低澆鑄溫度和冷卻水溫度，是保證立模澆鑄機受到較小應力的前提，也是延長鑄機使用壽命的必要條件。

從不同工況下的熱應力分析可知，熱應力主要集中在銅陽極板立模澆鑄機的兩側，水冷系統與鑄模相連接的部位、立模澆鑄機的各個角部，這些位置為熱量傳遞劇烈的交界位置及距離冷卻系統較遠的位置。在這些位置上，熱量輻射和交換較為緩慢，且無法被冷卻水所冷卻，因此容易產生應力集中，受到的沖擊作用更大。

4 陽極板熱應力場數值模擬

在生產現場，發現銅陽極板存在板面不平整、掛耳斷裂等問題。為尋找斷裂原因及解決斷裂問題，提高產品質量，滿足銅電解生產線需求，在本文的六種工況下，對澆鑄過程中銅陽極板的熱應力進行數值模擬。通過模擬分析陽極板的熱應力分布，得出陽極板的受力情況，為銅陽極板的實際生產提供參考。

圖7和圖8分別為單回旋和雙回旋水冷情況下銅陽極板在六種工況下的熱應力分布圖。

圖7 單回旋下銅陽極板熱應力分布

圖8 雙回旋下銅陽極板熱應力分布

由圖7和圖8可知，在不同水冷系統下，銅陽極板呈現出了迥然不同的兩種熱應力分布。根據數值模擬結果，可以得到在六種工況下銅陽極板的最大熱應力和最小熱應力值，以及掛耳處的應力分布情況[21-22]。將相應的應力數值列于表 7和表 8中，并繪制相應的折線圖，如圖9和圖10所示。

表7 澆鑄溫度1 100 ℃時各工況下銅陽極板的熱應力

表8 冷卻水溫度50 ℃時各工況下銅陽極板的熱應力

圖9 澆鑄溫度不變各工況下最高熱應力分布和掛耳處熱應力分布

圖10 冷卻水溫度不變各工況下最高熱應力分布和掛耳處熱應力分布

由圖表7、表8和圖9、圖10可以看出，銅陽極板熱應力和冷卻水溫度、澆鑄溫度成正相關關系，熱應力隨冷卻水溫度和銅液澆鑄溫度的升高而增大；掛耳處的熱應力越大，其斷裂程度和裂紋越大。

5 結論

(1)在銅立模澆鑄過程中，立模澆鑄機和銅陽極板的最高應力值隨著冷卻水溫度和澆鑄溫度的升高而增大，要想延長澆鑄機的使用壽命，需最大限度地降低澆鑄溫度和冷卻水溫度，使立模澆鑄機受到較小的熱應力。

(2)立模澆鑄過程中，熱應力主要集中在銅陽極板立模澆鑄機的兩側、水冷系統與鑄模相連接的部位、立模澆鑄機的各個角部，這些部位為熱量傳遞劇烈的交界位置及距離冷卻系統較遠的位置。在這些位置上，熱量輻射和交換較為緩慢，且無法被冷卻水所冷卻，因此容易產生應力集中，受到更大的沖擊作用。

(3)在立模澆鑄過程中，雙回旋冷卻水道比單回旋冷卻水道生產的銅陽極板熱應力值大大減小。由于冷卻等因素使陽極板各部位受到的熱量不均勻，導致各部位溫度不同，從而使陽極板各部分的膨脹、收縮變形不同，因此產生熱應力。雙回旋式的冷卻方式使銅陽極板的冷卻更為均勻，熱應力更小，因此更適合實際生產。

(4)掛耳處的熱應力大小對其斷裂程度起到了至關重要的作用。熱應力越大，其斷裂程度和裂紋越大。因此通過對鑄機結構和冷卻系統等進行合理設計，減小銅陽極板的熱應力，可有效避免掛耳斷裂。