鑄模工藝及澆鑄控制對(duì)銅模使用壽命的影響

李林山，趙宇娟，金澤志，曾慶康，鄭春雨

（銅陵有色金屬集團(tuán)控股有限公司，安徽 銅陵 244100）

陽(yáng)極板澆鑄作為銅電解精煉前的最后一道工序，主要負(fù)責(zé)澆鑄重量、物理規(guī)格、尺寸及成分符合電解需求的陽(yáng)極板。除此之外，銅模使用壽命是陽(yáng)極板澆鑄另一個(gè)重要的參數(shù)指標(biāo)。現(xiàn)代銅冶煉企業(yè)使用的模具有鑄鋼模和鑄銅模兩種，其中銅?？杉?xì)分為陽(yáng)極銅模和陰極銅模。鋼模因其低雜質(zhì)、低碳及高強(qiáng)度特性表現(xiàn)出良好的導(dǎo)熱性和抗熱沖擊性能，鋼模與銅水熔點(diǎn)差可有效避免銅水粘模現(xiàn)象，減少陽(yáng)極白板的出現(xiàn)。但鋼模中的Fe3C可與Cu2O發(fā)生反應(yīng)腐蝕鋼模，最終因內(nèi)應(yīng)力和熱應(yīng)力綜合作用使得銅模失效。這也是鋼模使用壽命低于銅模的主要原因。陽(yáng)極銅模和陰極銅模差別主要變現(xiàn)在純度上，陰極銅模含雜少，在澆鑄中晶粒大小均勻，熱量均勻地向各方向散失，因此陰極銅模使用壽命遠(yuǎn)大于陽(yáng)極銅模，但陰極銅模重達(dá)3～4噸，完全采用電解銅制作，制作成本明顯高于陽(yáng)極銅。因此在現(xiàn)代銅冶煉企業(yè)中，使用陽(yáng)極銅鑄模反而比陰極銅鑄模多。

黃智超[1]系統(tǒng)介紹了母膜材質(zhì)、澆注溫度、銅液中溶解的氣體及脫模劑四個(gè)方面對(duì)陽(yáng)極銅模壽命的影響。徐建兵[2]在澆鑄過程中添加鎂鉻氧化物與氧化鋁噴涂涂料，能有效延長(zhǎng)銅模使用壽命，同時(shí)可通過以磷酸鋁為黏結(jié)劑配比固化劑修補(bǔ)開裂的銅模。昆明理工大學(xué)的李楓[3]對(duì)陽(yáng)極銅模失效機(jī)理進(jìn)行了理論分析，胡忠衛(wèi)[4]對(duì)銅模使用壽命的影響因素進(jìn)行了闡述，另張文進(jìn)[5]對(duì)銅模的優(yōu)化改造提出了新的思路。本文主要從生產(chǎn)實(shí)踐出發(fā)，闡述現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐操作對(duì)銅模使用壽命的影響及應(yīng)對(duì)措施。

1 鑄模工藝控制對(duì)銅模使用壽命的影響

規(guī)范的澆鑄過程能有效提升銅模澆鑄成功率和使用壽命。鋼母膜首次鑄模前須進(jìn)行熱處理，一般采用烘烤方法，防止母膜在冷態(tài)時(shí)驟然接觸高溫熔體后局部變形造成澆鑄的銅模出現(xiàn)物理缺陷，澆鑄過程中盡量一次性完成，避免局部溫度過高或過低致使銅水分層，讓銅水始終保持良好的流動(dòng)性，同時(shí)盡可能選用包齡較長(zhǎng)的包具盛裝銅水，以確保包襯熱容量在澆鑄過程中保持穩(wěn)定，使得各處銅水自然均勻冷卻凝固，待銅水完全凝固后再將四周擋板及頂部蓋板去除，最終讓銅模在空氣中保持自然冷卻即可。

2 溫度控制對(duì)銅模使用壽命的影響

溫度控制主要涉及到銅水澆鑄溫度和澆鑄過程中銅模模面溫度。

2.1 銅水澆鑄溫度對(duì)銅模使用壽命的影響

適宜的銅水溫度不僅有利于澆鑄過程的控制，同時(shí)減少對(duì)銅模的損傷。由表1澆鑄廢模溫度分布統(tǒng)計(jì)可知，澆鑄廢模主要出現(xiàn)銅水溫度過低（低于1190℃）或過高（高于1210℃。因此為使銅模使用壽命得到提高，銅水溫度一般控制在1190℃～1210℃，隨季節(jié)變換若氣溫較低時(shí)可適當(dāng)提升10℃～20℃，銅水溫度過高時(shí)，流動(dòng)性好，易產(chǎn)生粘?，F(xiàn)象，銅液冷卻時(shí)易形成氣孔，影響銅模使用壽命；銅水溫度過低時(shí)，流動(dòng)性不佳，澆鑄過程控制難度加大，容易產(chǎn)生卷邊、飛邊和毛刺，致使?jié)茶T出的陽(yáng)極板物理規(guī)格偏差、外觀差，降低陽(yáng)極板合格率。

表1 澆鑄廢模溫度分布表

表2 澆鑄廢模塊數(shù)與銅水成分分布表

2.2 銅模模面溫度對(duì)銅模使用壽命的影響

為使銅模使用壽命得到提高，銅模模面溫度須保持在70℃以上，同時(shí)在澆鑄過程中，陽(yáng)極板澆鑄之前根據(jù)澆鑄間隔時(shí)長(zhǎng)提前對(duì)銅模進(jìn)行預(yù)熱處理，模面溫度應(yīng)保持在120℃～180℃。模溫低，銅水易產(chǎn)生氣泡影響陽(yáng)極板質(zhì)量，模溫高，易出現(xiàn)粘模現(xiàn)象，模溫驟冷驟熱使得模面開裂，影響銅模使用壽命，若模面開裂超過5mm即成為廢模。

3 銅水成分對(duì)銅模使用壽命的影響

銅水中Cu含量越高、雜質(zhì)含量越低，晶粒發(fā)生錯(cuò)位的概率越小，銅模發(fā)生熱裂紋的現(xiàn)象越少。為保證銅模澆鑄的成功率及后期銅模的使用壽命，其中主體Cu含量越高越好，由表2澆鑄廢模塊數(shù)與銅水成分分布統(tǒng)計(jì)可知，澆鑄過程中的廢模主要出現(xiàn)在銅水中O含量低于0.1%或者高于0.2%和S含量高于0.005%時(shí)，銅水中雜質(zhì)成分的合理控制能有效減少銅水分層及冒泡現(xiàn)象的發(fā)生。因此為使銅模使用壽命得到提高，銅水中O含量應(yīng)控制在0.1%～0.2%，S含量控制在0.005%以下時(shí)，可有效降低澆鑄廢模產(chǎn)生的機(jī)率。

4 冷卻水控制對(duì)銅模使用壽命的影響

圖1 底部冷卻水噴淋管圖

圓盤在澆鑄過程中，銅水從銅模中間部位向四周流動(dòng)，中間部位溫度最高，銅模上頂模兩側(cè)及頂、尾部溫度略低。為保證銅模整體溫度均衡，如圖1所示，采用正對(duì)銅模的中間區(qū)域設(shè)噴水點(diǎn)、兩端不設(shè)噴水點(diǎn)設(shè)計(jì)，且中間噴水點(diǎn)開孔直徑略大于外側(cè)噴水點(diǎn)，使銅模保持整體的溫度平衡，避免局部溫度過高或過低致使熱應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力分散不均，最終造成銅模失效。為使銅模使用壽命得到提高，圓盤開始澆鑄陽(yáng)極板前一兩圈一般不開啟底部噴淋水系統(tǒng)，待模面溫度提升后，逐步開啟底部噴淋水裝置，根據(jù)陽(yáng)極板面發(fā)紅發(fā)亮情況對(duì)冷卻水流量大小進(jìn)行適量調(diào)節(jié)，在保證陽(yáng)極板質(zhì)量下提升銅模使用壽命。為防止放炮現(xiàn)象一般不開啟頂部噴淋裝置。

5 噴涂液對(duì)銅模使用壽命的影響

噴涂液主要以硫酸鋇、水和玻璃水按照25kg：100L：1L比例配置，通過自動(dòng)噴淋系統(tǒng)噴灑在銅模表面，其主要起到隔熱與分離銅模、銅水的作用。銅模中心溫度較高，可通過修改程序延長(zhǎng)銅模中間部位噴淋時(shí)長(zhǎng)，良好的噴涂效果能有效保持模溫及模面平整，有利于陽(yáng)極板澆鑄過程控制并提高陽(yáng)極板合格率，同時(shí)降低銅水對(duì)銅模的機(jī)械沖刷和熱沖擊，減少粘模頻次，降低銅模表面開裂現(xiàn)象的發(fā)生，提升銅模使用壽命。

6 結(jié)論

本文從鑄模工藝控制和陽(yáng)極板澆鑄控制兩個(gè)方面闡述其對(duì)銅模使用壽命的影響。規(guī)范的鑄模工藝（澆鑄銅水溫度保持在1200±10℃）和高純度、低雜質(zhì)的陽(yáng)極銅水（O含量控制在0.1%～0.2%，S含量控制在0.005%以下）能有效降低澆鑄廢銅模的產(chǎn)生，靈活的冷卻水控制和正確的噴涂液配比（硫酸鋇：水：玻璃水=25kg：100L：1L）及噴涂效果能有效保證銅模溫度控制在120℃～180℃，降低粘模、裂?，F(xiàn)象的發(fā)生，提高陽(yáng)極板澆鑄合格率和銅模使用壽命。