提高銅模使用壽命生產實踐

陳 勇 , 李文峰

（江西銅業集團有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

貴冶傾動爐是采用火法進行雜銅冶煉，采用雙圓盤澆鑄機澆鑄陽極板，所用銅模為自制銅模。銅模在澆鑄工藝中有著至關重要的作用，其使用壽命直接影響到銅冶煉加工成本，并對銅電解作業的指標產生影響。國內火法煉銅流程中，陽極銅澆鑄通常使用的模具大致分為鑄鐵模、鋼模、銅模［1］。鑄鐵模不穩定，易與銅水發生反應，在生產過程中，一般不使用；鋼模性能穩定，抗沖擊性及耐腐蝕性優異,不需用脫模劑，但是失效后修復和重鑄的難度大；傾動爐采用自制銅模澆鑄陽極板，銅模失效之后可回爐處理,但使用壽命偏短［2］，技術人員通過研究分析，采取一系列措施，使得銅模壽命延長。

2 傾動爐陽極板澆鑄工藝及銅模報廢原因

2.1 傾動爐陽極板澆鑄工藝

雜銅原料加入傾動爐，經過氧化造渣、還原脫氧得到合格銅水后，便進行澆鑄作業。銅水經銅口流入流槽，后經流槽進入中間包，待中間包內銅水達到一定量后，開始往放在電子稱上的澆鑄包灌注銅水，稱量系統自動向圓盤上的銅模澆鑄銅水，澆鑄好的已成型未凝固陽極銅，依次進入噴淋冷卻區。冷卻水是來自上一爐澆鑄時，經冷卻沉淀存入冷水池的冷卻水，冷卻水被增壓泵經管道輸送至噴淋裝置，依次對銅模進行冷卻。經冷卻的陽極板在圓盤預頂起頂出，若判斷為廢陽極板，則經電動葫蘆吊出放入料斗，經加料車加入爐中再次冶煉，合格的陽極板則被提取機從圓盤銅模內提出，放入水槽內進一步冷卻，冷卻后的陽極板經叉車叉運至陽極板堆場。而被提取機取走陽極板后留下的空銅模則轉至噴涂區，早已準備好的噴涂料按比例配入噴涂罐內攪拌均勻，經噴涂裝置對銅模進行噴灑噴涂料(脫模劑)并冷卻，產生的蒸汽被排風機排空，噴涂好的空模再次進入澆鑄位置進行澆鑄，如此循環作業，直至澆鑄結束。傾動爐澆鑄系統工藝流程見圖1。

圖1 傾動爐澆鑄系統工藝流程

然而，為確保澆鑄出高質量的陽極板，一經發現因銅模影響陽極板規格，則立即報廢，更換新的銅模。如此，導致銅模更換頻繁，提升生產成本。

2.2 銅模報廢原因

2.2.1 銅模分層

在銅模澆鑄過程中，因流量控制不穩定，以及澆鑄銅模模具溫度低，容易造成銅模較多的氣孔，出現分層的缺陷。澆鑄陽極板時，銅模經過反復的熱脹冷縮，以及機械沖擊產生材料疲勞，最終導致銅模產生開裂、起皮而報廢。

2.2.2 銅模變形

在傾動爐雙圓盤澆鑄過程中，因銅模變形而產生的報廢占據較大比例。在澆鑄過程中，由于溫度在高低變化，容易產生較大的內應力，銅模發生中間部分下凹、四周上翹。此外，銅的軟化溫度小于200℃，而銅模溫度多在200℃以上，銅模材料發生蠕變造成銅模變形和強度下降。

2.2.3 銅模開裂

傾動爐雙圓盤澆鑄時，噴淋冷卻系統對銅模冷卻不充分、不均勻，銅模在不均衡的冷卻情況下產生內應力，造成變形、開裂。此外，每爐出銅時間間隔較大，銅模在自然冷卻到較低溫度后，澆鑄下一爐時，銅模受熱溫度急劇上升，在反復承受較大溫差，造成銅模應力累積增加，產生較大的內應力，使得銅模開裂。

3 提高銅模壽命措施

3.1 提高銅模澆鑄質量

銅模內模尺寸確定所澆鑄陽極板形狀，直接影響到陽極板物理規格，銅模澆鑄質量影響銅模壽命。傾動爐雙圓盤澆鑄系統所使用的銅模，是經傾動爐冶煉合格的銅液澆鑄而成，所用澆鑄模具為鋼模。為提高澆鑄銅模質量，其流程優化如下。

（1）檢查鋼模。安裝鋼模前，檢查鋼模的各項尺寸是否符合要求，對損壞部件進行修復［3］，若無法修復則更換。

（2）鋼模安裝。對鋼模進行清掃，清除鋼模殘留的冷銅及雜物，對澆鑄陽極板的模面涂抹脫模劑。安裝母模時盡可能確保水平，邊框安裝要求位置準確，并且夾牢，頂蕊要垂直安放在頂蕊孔內，蓋板與邊框不可有太大的縫隙，整個鋼模要水平。

（3）鋼模預熱。在澆鑄銅模前，需要對鋼模預熱，排除鋼模內水分，確保澆鑄時不放炮，銅模不產生氣孔。

（4）澆鑄銅模。澆鑄銅模前需要做擋渣處理，避免銅液表面的浮渣進入澆鑄銅模，澆鑄時控制好速度，流量穩定，切不可斷流。

（5）脫模及時。銅模澆鑄結束，等待10～20min，銅液凝固需及時脫模，避免冷卻時長模難脫，強制脫模影響銅模質量。

（6）時效處理。剛澆鑄好的銅模，需自然冷卻，放置2～3 個月，待結晶組織重組穩定后才可使用。

3.2 銅模溫度控制

澆鑄陽極板時，與銅液直接接觸的模面溫度急劇上升，銅的導熱性好，熱量向銅模底部傳遞，再通過底部噴冷卻水帶走熱量。水量過大，銅模降溫過快，經過噴灑脫模劑后，銅模自熱無法將水分蒸干，澆鑄下一塊陽極板時放炮，影響陽極板物理規格和生產安全；水量過小，銅模溫度過高，陽極板與銅模分離困難，容易粘模，銅模開裂。因此，冷卻水控制的好壞成為銅模使用壽命長短的最重要因素。

（1）溫度控制。通過長期生產實踐，總結出銅模各部位的最佳控制溫度。銅模耳部溫度設定在100～120℃，銅模底部溫度設定在160～180℃。

（2）水量控制。澆鑄好一塊陽極板后，圓盤逐一轉動模位，澆有陽極板的銅模大約在1分鐘左右便進入噴淋冷卻區域，這時陽極板表面尚未完全凝固，沒有成形的陽極板內部大約有1000～1100℃左右。噴淋水冷卻系統在銅模底部不同位置分別安裝有底部水、中部水，在銅模上部安裝有上部水，每根冷卻水管安裝了一個手動控制球閥和氣動控制柱塞閥，手動控制閥用于氣動閥故障時用，氣動控制柱塞閥可通過計算機自動控制，計算機能夠按照預先設置好的程序，對每塊進入冷卻區域的銅模，根據其溫度的不同及輸入信號的不同進行閥門開啟或關閉。上部水用于冷卻陽極板板面，防止頂穿，若氣動控制柱塞閥控制的冷卻水全開，銅模溫度仍然較高，還可手動打開應急冷卻水，將銅模溫度控制住。通過水量的控制，對銅模、陽極板進行冷卻，經過噴淋冷卻區冷卻后的陽極板，一般控制在800～900℃左右。

3.3 脫模劑的合理使用

脫模劑［4］是能在銅水和銅模之間形成一種有效的隔離膜，可優化澆鑄生產工藝，使陽極板不粘模，是一種用在兩個彼此易于粘結的物體表面的一個界面涂層，它可使陽極板與銅模表面易于脫離，提高陽極板的物理合格率。脫模劑應在與銅水接觸時不發生化學反應，還應有耐熱性，不易分解。

傾動爐雙圓盤澆鑄采用的脫模劑，有效成分為硫酸鋇粉，硫酸鋇粉溶于水為乳白色混合物，通過自動噴涂系統［5］均勻將其噴灑在熱銅模上，熱銅模快速將混合料水分蒸發，大部分硫酸鋇留存于銅模內，少量隨蒸汽被排風機抽走，熱銅模快速降溫進入下一塊陽極板澆鑄。為讓硫酸鋇更好地起到脫模效果，需向噴涂罐內配入一定量水玻璃。

噴灑硫酸鋇過量，陽極板雖容易脫模，但帶來的影響是：不僅阻隔熱量向銅模底部傳遞，陽極板難以凝固成型，還增加生產成本；硫酸鋇偏少，不僅容易粘模，銅模更容易開裂，壽命縮短。因此，銅模劑量的控制及合理使用，對延長銅模壽命有重要影響。

4 效果

在采取以上措施后，陽極板物理合格率得到提高（見圖2），銅模壽命逐年提升（見圖3）。

圖2 2017-2019 年1-12 月陽極板物理合格率平均值/%

圖3 2017-2019年1-12月每塊銅模澆鑄陽極銅量平均值/ （t /塊）

5 結語

通過提高銅模澆鑄質量，澆鑄陽極板過程中銅模溫度控制，脫模劑的合理使用等方式，銅模的使用壽命得到提高，生產成本降低。若在澆鑄銅模時采用壓模成型的方式，它能有效地減少銅模表面氣孔，降低銅模表面粗糙度，使銅模的使用壽命更長，進一步摸索銅模的壽命達到最佳效果。