非對(duì)稱耳銅模生產(chǎn)工藝改造實(shí)踐*

管桂生，呂文帥，李正超，陳立寬

（云南銅業(yè)股份有限公司西南銅業(yè)分公司，云南 昆明 650102）

銅陽極模的作用是：陽極爐內(nèi)的陽極銅液經(jīng)溜槽、中間包、澆包流入到銅模中，然后在銅模中緩慢凝固成型成為陽極板，陽極板從模中取出后，被輸送至電解車間進(jìn)行再次提純形成純度更高的電解銅。兩邊耳部形狀大小不一致的銅陽極模稱為非對(duì)稱耳銅陽極模，兩邊耳部形狀大小一致的銅陽極模則稱為對(duì)稱耳銅陽極模。根據(jù)其生產(chǎn)材料進(jìn)行分類，目前陽極銅模主要有鑄鐵模、鑄鋼模以及銅模三類[1]，一般采用澆鑄工藝進(jìn)行生產(chǎn)。銅模澆鑄原料采用陽極銅[2]，也有些生產(chǎn)企業(yè)采用熔融態(tài)粗銅澆鑄銅模[3]。本文所闡述的非對(duì)稱耳銅模是采用陽極銅澆鑄而成，經(jīng)大批量使用后，發(fā)現(xiàn)其使用壽命（能夠澆鑄的陽極板量）比較低，對(duì)生產(chǎn)經(jīng)營產(chǎn)生了一定不利影響。為了提高非對(duì)稱耳銅陽極模的使用壽命降低其使用成本，對(duì)其生產(chǎn)工藝進(jìn)行了改造，并實(shí)踐驗(yàn)證效果。

1 非對(duì)稱耳銅模生產(chǎn)工藝及使用壽命

1.1 非對(duì)稱耳陽極銅模生產(chǎn)工藝

非對(duì)稱耳陽極銅模采用的材料為陽極銅，生產(chǎn)工藝為鐵模澆鑄，即金屬型鑄造方法[4]：將金屬液澆進(jìn)金屬材料制成的鑄型中以獲得鑄件的方法，如圖1所示。非對(duì)稱耳陽極銅模澆鑄工藝流程為：陽極銅液從陽極爐出銅口流出→陽極銅液經(jīng)溜槽→澆包→澆入鐵模中緩慢冷卻凝固成型→冷卻后脫模，銅液澆入鐵模時(shí)溫度為（1 115～1 130）℃。其基本尺寸為：上底寬度1 327 mm，下底寬度1 030 mm，長度為1 197 mm，厚度為230 mm，重量約2.5 t，其形狀如圖4、圖5所示。

圖1 采用澆鑄工藝生產(chǎn)非對(duì)稱耳陽極銅模Fig.1 The asymmetrical ear copper mould is produced by casting process

1.2 非對(duì)稱耳銅陽極模凹面質(zhì)量及使用壽命情況

采用陽極銅澆鑄工藝生產(chǎn)的銅模凹面（陽極板澆鑄面，直接與澆鑄的陽極銅接觸）存在大量縮孔、縮松，并且表層材料內(nèi)部存在較多的氧化銅夾渣物、氣孔及冷隔等缺陷[5]，如圖4所示，在一定程度上降低了銅模的使用壽命。其次，陽極銅中的氧（含量接近0.2%）及其他雜質(zhì)元素（約0.6%），氧與銅反應(yīng)形成Cu2O分布與晶界[6]，這些氧化物與雜質(zhì)元素在一定程度上改變了鑄件的組織結(jié)構(gòu)，即在較大程度上影響了銅模的使用壽命。

表1所示為連續(xù)3年采用陽極銅澆鑄的非對(duì)稱耳陽極銅模月平均使用壽命，全年平均使用壽命分別為 140.10 t、149.63 t、173.76 t，3 年總體平均壽命為154.50 t。非對(duì)稱耳陽極銅模下盤報(bào)廢不再使用的原因是：①銅模整體變形。由其澆鑄成型的陽極板面彎曲，無法滿足下有電解工序的要求；②銅模澆鑄面開裂。陽極銅澆鑄到開裂的陽模內(nèi)，凝固冷卻成型的陽極板底面形成大量的凸凹背筋，不能滿足下游工序的要求；③澆鑄面粘銅。銅模凹面開裂到一定程度時(shí)，澆鑄過程中銅液進(jìn)入到縫隙中，凝固成型的陽極板與銅模澆鑄面緊密結(jié)合在一起，致使陽極板無法被頂出，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率；④澆鑄面分層。主要是銅模澆鑄過程中，一些夾雜物進(jìn)入到銅模表層材料中。在澆鑄一定量的陽極銅后，夾雜物與銅模基體材料分離，形成分層現(xiàn)象，在銅模澆鑄面形成較大的凹坑，使其無法再繼續(xù)使用。

表1 采用陽極銅澆鑄工藝生產(chǎn)的非對(duì)稱耳陽極銅模使用壽命統(tǒng)計(jì)表Fig.1 Life time statistical table of the asymmetrical ear copper mould produced by casting process of anode copper t

2 工藝改進(jìn)及設(shè)備改造

為了提高非對(duì)稱耳陽極銅模的使用壽命，從澆鑄工藝和采用的材料兩方面進(jìn)行改造優(yōu)化。具體措施為：根據(jù)對(duì)一些鑄造方法的比較[7]最后確定將金屬型鑄造工藝改為壓力鑄造工藝，并采用電解銅（陰極銅）代替陽極銅作為陽極銅模的生產(chǎn)材料。

2.1 壓鑄工藝流程

本文所述的壓力鑄造其實(shí)是一種擠壓鑄造[8]，即對(duì)澆入鑄型型腔中的液態(tài)金屬施加較大機(jī)械壓力，使其成形、結(jié)晶凝固而獲得零件毛坯的一種工藝方法。擠壓鑄造特點(diǎn)及工藝過程為[9]：鑄件組織致密，晶粒細(xì)化，可消除鑄件內(nèi)部的縮孔、縮松、裂紋等缺陷。工藝過程分為鑄型準(zhǔn)備、澆鑄、合型加壓和開型取出鑄件四個(gè)步驟。

根據(jù)現(xiàn)場特點(diǎn)及操作要求，非對(duì)稱耳陽極銅模擠壓鑄造工藝流程為：電解銅在中頻爐中熔化→銅液從中頻爐中流出→流經(jīng)溜槽→銅水澆注底模→壓鑄系統(tǒng)壓鑄成型→冷卻→脫模→再次冷卻。銅液澆注完成后，被送至合型加壓成型位置，上頂模往下移動(dòng)下壓銅液，同時(shí)通過上頂模冷卻銅液成型，當(dāng)銅液冷卻到規(guī)定溫度時(shí)拔出上頂模，再將已成型的銅模拉出壓鑄位置拆除邊框，最后再將其送至冷卻點(diǎn)再次冷卻。電解銅純度為：99.99%，采用中頻爐熔化，在熔化電解銅過程中，為防止銅液氧化，定時(shí)向銅液表面覆蓋木炭（或還原劑），確保銅液中的氧含量低于0.03%以下；澆鑄溫度為1 200℃左右，底模（鑄型）由底板和邊框拼裝而成，合型加壓由上頂模下移對(duì)銅液產(chǎn)生機(jī)械壓力壓入到銅液中，在銅液中形成陽極板形狀的凹面，壓下后在上頂模中迅速通入冷卻水，使銅液迅速冷卻，冷卻時(shí)間約7 min，拔模溫度約800℃左右。非對(duì)稱耳陽極銅模壓鑄，如圖2所示。

圖2 采用壓鑄工藝生產(chǎn)非對(duì)稱耳銅模Fig.2 The asymmetrical ear copper mould is produced by squeeze casting process

2.2 非對(duì)稱耳陽極銅模壓鑄關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

壓鑄系統(tǒng)主要由上頂模、上頂模底板、上頂模耳部活動(dòng)塊、冷卻水管、下底模（底板、邊框）、移動(dòng)小車、冷卻系統(tǒng)等組成，其關(guān)鍵部件為上頂模。

1）上頂模設(shè)計(jì)。上頂模功能為：壓入高溫銅液中，使其凹陷形成陽極板的形狀，如圖3所示。上頂模主要由5部分組成，包括：1上頂模底板，其主要作用是連接固定上頂模水套和耳部活動(dòng)塊；2上頂模冷卻水套，其主要作用是壓入銅液中形成凹面，采用T2銅制作，在其內(nèi)部加工出通水道，持續(xù)通入冷卻水；3冷卻水套中的冷卻水管，其主要作用是向水套中持續(xù)不斷地通入冷卻水防止水套溫度過高損壞，同時(shí)冷卻銅液；4上頂模大耳活動(dòng)塊、5上頂模小耳活動(dòng)塊，其作用是與水套拼接一起同時(shí)壓入銅液中形成陽極板的耳部形狀，活動(dòng)塊可以單獨(dú)拆裝更換，考慮到其接觸高溫銅液，無法通水冷卻，因此采用耐熱合金鋼制作。

圖3 上頂模組裝示意圖Fig.3 Installation schematic diagram of top die

2）下底模設(shè)計(jì)。下底模（鑄型）的作用為承裝銅液進(jìn)行壓鑄，使銅液壓鑄過程中不溢出、不泄露，由底板和邊框拼裝組成。底板采用陽極銅澆鑄而成，邊框采用鑄鋼制作。為了便于組裝拆卸，邊框由4小塊拼裝起來后再用活動(dòng)銷子進(jìn)行固定。

3 試生產(chǎn)及效果

在完成工藝、設(shè)備設(shè)計(jì)及設(shè)備準(zhǔn)備工作后，開展實(shí)踐驗(yàn)證。采用電解銅壓鑄試生產(chǎn)了一批非對(duì)稱耳陽極銅模，并用其澆鑄陽極板，效果比較明顯。與采用陽極銅澆鑄工藝相比，采用高純電解銅壓鑄工藝生產(chǎn)的非對(duì)稱耳陽極銅模陽極銅澆鑄面質(zhì)量和銅模的使用壽命均得到了大幅度提高。

3.1 澆鑄面質(zhì)量改善情況

如圖4、圖5所示，圖4為采用陽極銅澆鑄工藝生產(chǎn)的非對(duì)稱耳陽極銅模。從圖4中可以看出，其澆鑄表面非常粗糙，縮孔、縮松及氣孔較多，并且表面伴有很多氧化銅夾渣，這種銅模在使用過程中很容易出現(xiàn)分層、開裂及粘銅現(xiàn)象，嚴(yán)重影響其使用壽命；圖5為采用高純電解銅壓鑄工藝生產(chǎn)的非對(duì)稱耳陽極銅模。從圖5中可以看出，其澆鑄面質(zhì)量明顯改善，縮松、縮孔、氣孔、夾雜等全部得以消除。

圖4 采用陽極銅澆鑄工藝生產(chǎn)的非對(duì)稱耳銅模Fig.4 The asymmetrical ear copper mould is produced by casting process of anode copper

圖5 采用電解銅壓鑄工藝生產(chǎn)的非對(duì)稱耳銅模Fig.5 The asymmetrical ear copper mould is produced by squeeze casting process of electrolytic copper

3.2 使用壽命情況

為了驗(yàn)證采用高純電解銅壓鑄工藝生產(chǎn)的非對(duì)稱耳陽極銅模使用壽命是否得到相應(yīng)的提高，將采用新工藝試生產(chǎn)出的銅模進(jìn)行澆鑄陽極板試用。表2為采用合格的電解銅擠壓鑄造工藝生產(chǎn)的銅模連續(xù)12個(gè)月平均使用壽命統(tǒng)計(jì)情況。從表2中看出，銅模平均壽命為248.08 t，與采用原工藝生產(chǎn)的非對(duì)稱耳陽極銅模使用壽命（154.5 t）相比，提高了近61%。

表2 采用電解銅壓鑄工藝生產(chǎn)的非對(duì)稱耳銅模使用壽命統(tǒng)計(jì)Tab.2 Life time statistical table of the asymmetrical ear copper mould produced by squeeze casting process of electrolytic copper t

4 結(jié)語

針對(duì)原非對(duì)稱耳陽極銅模所存在的問題，將生產(chǎn)工藝改為電解銅擠壓鑄造工藝，并根據(jù)工藝要求進(jìn)行了鑄造模具及相應(yīng)設(shè)備的設(shè)計(jì)改造，取得的效果如下：

1）采用電解銅擠壓鑄造工藝生產(chǎn)的銅模的澆鑄面質(zhì)量得到大幅度提高，其表面光滑、無縮孔縮松、無氣孔、無氧化銅以及其它夾渣物；

2）采用電解銅壓鑄工藝生產(chǎn)的非對(duì)稱耳陽極銅模與采用陽極銅澆鑄工藝生產(chǎn)的非對(duì)稱耳陽極銅模相比，其使用壽命提高近61%。