銅陽極板應(yīng)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(xué) 重型機(jī)械教育部工程研究中心，山西 太原 030024)

0 前言

銅在國民經(jīng)濟(jì)中一直占有重要的地位，近年來，中國的精煉銅產(chǎn)量增速較高，銅市場消費(fèi)穩(wěn)定增長[1]。因此，掌握銅冶煉核心技術(shù)，持續(xù)提高精煉銅產(chǎn)量成了銅冶金研究的新目標(biāo)和新方向。銅陽極板作為銅電解生產(chǎn)中的重要一環(huán)，其產(chǎn)量和質(zhì)量直接決定精煉銅的品質(zhì)。當(dāng)今國內(nèi)火法煉銅生產(chǎn)流程中，通常采用圓盤澆鑄機(jī)對銅陽極板進(jìn)行澆鑄[2]，但是圓盤澆鑄機(jī)設(shè)備組成復(fù)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(zhì)量較差，這些問題一直困擾著生產(chǎn)企業(yè)，因此研究更加先進(jìn)的立模澆鑄機(jī)顯得尤為重要[3]。

在現(xiàn)有的銅立模澆鑄工藝中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，生產(chǎn)出的銅陽極板存在掛耳斷裂問題，為了進(jìn)一步尋求掛耳斷裂的機(jī)理和成因，本文對銅陽極板澆鑄過程進(jìn)行了應(yīng)力場模擬，通過分析模擬結(jié)果，得出熱應(yīng)力的分布狀況及澆鑄溫度和冷卻水溫度對陽極板熱應(yīng)力分布的影響規(guī)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(chǎn)現(xiàn)場的測繪和勘察，得到通用銅陽極板的形狀和尺寸，應(yīng)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(jī)模具由固定端和移動(dòng)端組成，它們整體結(jié)構(gòu)基本相同，澆鑄機(jī)立模簡化示意圖如圖2所示。為了更有利于模擬，對立模實(shí)際模型進(jìn)行了合理簡化：去除了對模擬影響細(xì)微的零件和側(cè)面吊裝結(jié)構(gòu)；簡化了相應(yīng)的倒角和圓角[5]。

圖2 澆鑄機(jī)立模簡化示意圖

2 銅立模溫度場分布數(shù)值模擬

在數(shù)值模擬中，為了提高模擬的精確度，需要與實(shí)際生產(chǎn)情況密切結(jié)合。而銅陽極板實(shí)際生產(chǎn)中，澆鑄時(shí)間短，完成一個(gè)周期大約需90 s，且生產(chǎn)過程為連續(xù)作業(yè)[6]。因此每次脫模后，澆鑄機(jī)不會(huì)完全冷卻。在短周期、長時(shí)間、連續(xù)作業(yè)的澆鑄生產(chǎn)中，在銅液和冷卻水的相互作用下，立模澆鑄機(jī)及冷卻水溫會(huì)保持穩(wěn)定狀態(tài)，分析穩(wěn)態(tài)溫度場可以得出立模澆鑄機(jī)的溫度分布，并作為瞬態(tài)溫度分析中立模澆鑄機(jī)的初始溫度。

水冷結(jié)構(gòu)選擇時(shí)，在水冷空腔中增設(shè)橫向擋板，確保水流定向流動(dòng)，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(wěn)態(tài)溫度場數(shù)值模擬

為了對立模澆鑄機(jī)穩(wěn)態(tài)溫度進(jìn)行模擬，并且比較A、B兩點(diǎn)的溫度和應(yīng)力狀態(tài)，A點(diǎn)位于立模外部，B點(diǎn)位于立模內(nèi)部掛耳處，A、B取點(diǎn)如圖4所示，為進(jìn)行比較，本文設(shè)置6種工況，如表1所示。

表1 六種工況溫度設(shè)置表 ℃

圖4 A、B取點(diǎn)示意圖

工況一～工況三澆鑄溫度維持在1 100 ℃，將其分為一個(gè)對比組[8]，把單回旋式及雙回旋式立模溫度場進(jìn)行對比，數(shù)據(jù)如表2所示。

工況四～工況六為一個(gè)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(jìn)行對比，數(shù)據(jù)如表3所示。

由表2和表3可以看出， A點(diǎn)和B點(diǎn)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(huì)使立模整體溫度升高。

表2 澆鑄溫度1 100℃陽極立模穩(wěn)態(tài)溫度分布 ℃

表3 冷卻水50℃時(shí)陽極立模穩(wěn)態(tài)溫度分布 ℃

2.2 瞬態(tài)溫度場數(shù)值模擬

瞬態(tài)溫度場是在穩(wěn)態(tài)溫度場的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析的，以穩(wěn)態(tài)溫度場的溫度作為瞬態(tài)溫度分析的初始條件，輸入邊界條件，測定其在50 s內(nèi)的溫度變化過程，得到銅陽極板的溫度場分布[9-11]。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，銅陽極板厚度為48 mm，其軟化溫度在600 ℃以上，以穩(wěn)態(tài)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(shí)，由小液壓缸推出，進(jìn)入下一個(gè)工序[12-13]。 通過瞬態(tài)溫度場數(shù)值模擬，可以清晰的看到每一時(shí)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(diǎn)值如表4和表5所示[14-17]。

表4 澆鑄溫度 1 100℃時(shí)銅陽極板的最高溫度 ℃

表5 冷卻水溫度50℃時(shí)銅陽極板的最高溫度 ℃

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

3 立模熱應(yīng)力場數(shù)值模擬

鑄模熱應(yīng)力場數(shù)值模擬是在本文六種工況下進(jìn)行的，熱應(yīng)力場的耦合是在鑄模穩(wěn)態(tài)溫度場和瞬態(tài)溫度場的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行的，通過計(jì)算結(jié)構(gòu)力和熱應(yīng)力的分析，得到基于溫度場數(shù)據(jù)的熱應(yīng)力分布圖[18]。熱應(yīng)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(yīng)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(yīng)力之間的相關(guān)關(guān)系。

3.1 熱應(yīng)力場數(shù)值模擬流程

由溫度場的模擬分析可知，立模澆鑄機(jī)雙回旋冷卻水道設(shè)計(jì)較為合理，因此本文以雙回旋水道設(shè)計(jì)的立模澆鑄機(jī)為模擬對象，以穩(wěn)態(tài)溫度場數(shù)據(jù)和瞬態(tài)溫度場數(shù)據(jù)為數(shù)值分析和熱應(yīng)力分析的基礎(chǔ)，對熱立模的力耦合進(jìn)行運(yùn)算分析[19]。由于立模在工作中只受到重力和機(jī)架支撐力的作用，而重力對熱應(yīng)力分析影響較小，所以模擬過程中忽略重力影響[20]。熱應(yīng)力數(shù)值模擬基本流程為

(1)打開 ANSYS Workbench，拖拽結(jié)構(gòu)分析模塊到溫度場分析下方，并將溫度場分布最終數(shù)據(jù)結(jié)果導(dǎo)入結(jié)構(gòu)分析模塊中；

(2)設(shè)置相關(guān)的材料和支撐力等參數(shù)；

(3)選擇模擬分析所需要的算法和精度，設(shè)置參數(shù)和邊界條件；

(4)設(shè)置要求得到的最終結(jié)果(如鑄模的熱應(yīng)力，熱應(yīng)變云圖等)；

(5)求解，設(shè)置監(jiān)視器和求解精度；

(6)顯示求解結(jié)果。

3.2 鑄模熱應(yīng)力場數(shù)值模擬結(jié)果

鑄模熱應(yīng)力場數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)圖5所得模擬結(jié)果，將模擬數(shù)據(jù)列入表6中，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，繪制相應(yīng)的折線圖，如圖6所示。

圖5 不同工況下鑄模熱應(yīng)力場分布圖

圖6 不同工況下鑄模熱應(yīng)力場

表6 不同工況下鑄模的熱應(yīng)力

由表6和圖6可以看出，當(dāng)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(jī)的最高熱應(yīng)力也隨之升高。同樣，當(dāng)保持冷卻水溫度不變時(shí)，隨著澆鑄溫度的升高，立模澆鑄機(jī)的最高應(yīng)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(jī)受到較小應(yīng)力的前提，也是延長鑄機(jī)使用壽命的必要條件。

從不同工況下的熱應(yīng)力分析可知，熱應(yīng)力主要集中在銅陽極板立模澆鑄機(jī)的兩側(cè)，水冷系統(tǒng)與鑄模相連接的部位、立模澆鑄機(jī)的各個(gè)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(tǒng)較遠(yuǎn)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(chǎn)生應(yīng)力集中，受到的沖擊作用更大。

4 陽極板熱應(yīng)力場數(shù)值模擬

在生產(chǎn)現(xiàn)場，發(fā)現(xiàn)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(chǎn)品質(zhì)量，滿足銅電解生產(chǎn)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(yīng)力進(jìn)行數(shù)值模擬。通過模擬分析陽極板的熱應(yīng)力分布，得出陽極板的受力情況，為銅陽極板的實(shí)際生產(chǎn)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(yīng)力分布圖。

圖7 單回旋下銅陽極板熱應(yīng)力分布

圖8 雙回旋下銅陽極板熱應(yīng)力分布

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

表7 澆鑄溫度1 100 ℃時(shí)各工況下銅陽極板的熱應(yīng)力

表8 冷卻水溫度50 ℃時(shí)各工況下銅陽極板的熱應(yīng)力

圖9 澆鑄溫度不變各工況下最高熱應(yīng)力分布和掛耳處熱應(yīng)力分布

圖10 冷卻水溫度不變各工況下最高熱應(yīng)力分布和掛耳處熱應(yīng)力分布

由圖表7、表8和圖9、圖10可以看出，銅陽極板熱應(yīng)力和冷卻水溫度、澆鑄溫度成正相關(guān)關(guān)系，熱應(yīng)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(yīng)力越大，其斷裂程度和裂紋越大。

5 結(jié)論

(1)在銅立模澆鑄過程中，立模澆鑄機(jī)和銅陽極板的最高應(yīng)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(jī)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(jī)受到較小的熱應(yīng)力。

(2)立模澆鑄過程中，熱應(yīng)力主要集中在銅陽極板立模澆鑄機(jī)的兩側(cè)、水冷系統(tǒng)與鑄模相連接的部位、立模澆鑄機(jī)的各個(gè)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(tǒng)較遠(yuǎn)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(chǎn)生應(yīng)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(chǎn)的銅陽極板熱應(yīng)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(dǎo)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(chǎn)生熱應(yīng)力。雙回旋式的冷卻方式使銅陽極板的冷卻更為均勻，熱應(yīng)力更小，因此更適合實(shí)際生產(chǎn)。

(4)掛耳處的熱應(yīng)力大小對其斷裂程度起到了至關(guān)重要的作用。熱應(yīng)力越大，其斷裂程度和裂紋越大。因此通過對鑄機(jī)結(jié)構(gòu)和冷卻系統(tǒng)等進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，減小銅陽極板的熱應(yīng)力，可有效避免掛耳斷裂。