提高熔鑄銀陽極板的坩堝使用壽命研究

鐘 璠

（江西銅業(yè)股份有限公司貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

銀在自然界中很少量以游離態(tài)單質(zhì)存在，主要以含銀化合物礦石存在。銀的化學性質(zhì)穩(wěn)定，活躍性低，具有良好的抗腐蝕性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，質(zhì)軟且富有延展性，在現(xiàn)代科學技術(shù)領(lǐng)域起到關(guān)鍵的作用。

白銀的主要原料是銅陽極泥，通過從銅陽極泥中提取出其它貴金屬和除雜，經(jīng)過銀還原得到粗銀粉—澆鑄成銀陽極板—銀電解精煉—熔煉鑄型［1］，得到純度99.995%的銀錠。

銀陽極板的澆鑄在整個銀錠生產(chǎn)流程中非常關(guān)鍵，國內(nèi)銀陽極板澆鑄常用的坩堝主要有粘土坩堝、石墨坩堝和碳化硅坩堝［2］，行業(yè)內(nèi)也曾多次試用國外進口坩堝，由于澆鑄銀陽極板的原料粗銀粉具有鈉鹽高和堿度大的特點，導(dǎo)致坩堝易腐蝕受損且更換頻繁，坩堝使用壽命普遍較短。坩堝的使用壽命將直接影響著產(chǎn)品質(zhì)量和冶煉成本，該問題一直困擾著貴金屬冶煉行業(yè)內(nèi)銀陽極板的高質(zhì)量生產(chǎn)。

1 現(xiàn) 狀

本車間金銀工段澆鑄銀陽極板時使用的熔銀坩堝為粘土石墨坩堝，在堿性、密閉條件下熔化顆粒較細、鈉鹽含量高的粗銀物料時，成分見表1，坩堝內(nèi)壁容易受堿金屬和高溫氧化侵蝕，且坩堝與爐襯之間的填充材料石英砂受熱粘結(jié)、膨脹擠壓坩堝外壁，最終導(dǎo)致坩堝變薄破裂，縮短了使用壽命［3］。

表1 粗銀粉化驗分析表 %

在生產(chǎn)高峰期頻繁更換坩堝，給生產(chǎn)操作帶來一定的負擔。貴金屬冶煉行業(yè)關(guān)于改變?nèi)坭T銀陽極板坩堝的材質(zhì)以及提升坩堝性能的研究相對較少。因此，如何改變銀粉結(jié)構(gòu)、研制出一種耐堿抗氧化坩堝新配方以提高熔鑄銀陽極板的坩堝使用壽命并降低生產(chǎn)成本、減少勞動強度成為本車間及國內(nèi)貴金屬冶煉領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)難題。

2 影響坩堝使用壽命的主要因素

銀陽極板澆鑄過程中，影響坩堝使用壽命的因素主要有坩堝材質(zhì)、粗銀粉呈堿性、粗銀粉鈉鹽含量、粗銀粉顆粒大小、內(nèi)填材料等［4］。

2.1 坩堝材質(zhì)

坩堝的主要成分有石墨、碳化硅、氧化鋁和二氧化硅，由于碳化硅材料具有化學穩(wěn)定性好、耐腐蝕性能強的特點，它在坩堝中的含量對坩堝性能的影響較大［5］。目前市面上兩種常用的坩堝類型為石墨坩堝和碳化硅坩堝，它們的理化性能參數(shù)見表2。

表2 不同材質(zhì)坩堝的理化性能參數(shù)對比

其中石墨坩堝的導(dǎo)熱性能較好，但是其容易被氧化，導(dǎo)致破損率大，而碳化硅坩堝比較石墨坩堝具有體積密度大、耐高溫強度大、抗氧化性能高等特點。目前，銀陽極板澆鑄過程中，使用的坩堝碳化硅的含量比較低，導(dǎo)致坩堝穩(wěn)定性不好，容易被腐蝕。

2.2 粗銀粉呈堿性、鈉鹽含量高

濕法工序銀還原工藝原理為：在堿性條件下，以甲醛為還原劑，將氯化銀還原，得到的粗銀粉呈堿性，鈉鹽含量偏高。在銀陽極板熔鑄過程中，由于目前使用的坩堝材質(zhì)耐腐蝕性差，容易受堿性物質(zhì)和高溫熔融的鈉鹽侵蝕，在內(nèi)壁產(chǎn)生縱向裂紋，局部損壞嚴重導(dǎo)致變薄，在坩堝壁渣線處形成“大肚子”的形狀，存在嚴重的安全隱患。研究發(fā)現(xiàn)，粗銀物料鈉鹽含量與坩堝壁厚度呈負相關(guān)關(guān)系，如圖1所示。

圖1 鈉鹽含量與坩堝壁厚關(guān)系

2.3 粗銀粉顆粒細

目前銀陽極板澆鑄使用的粗銀粉呈細顆粒粉末狀，目數(shù)較大，導(dǎo)致在投料時揚塵大。在粗銀粉熔化過程中，坩堝下部銀液不斷升溫、上部因物料粘結(jié)導(dǎo)致爐料密實無法下熔，在坩堝口處容易形成拱形物料橋，出現(xiàn)“架橋”現(xiàn)象，導(dǎo)致爐內(nèi)氣體無法排出，爐內(nèi)溫度急劇升高，坩堝內(nèi)部受到高溫氧化腐蝕，容易縮短使用壽命，且整個過程熔化效率低、電能消耗較高。

2.4 內(nèi)填材料

在實際生產(chǎn)中，同行業(yè)通常在坩堝與爐襯的間隙中填充石英砂固定，避免其倒料時松動。在高溫下，石英砂容易受熱熔化與坩堝外壁粘結(jié)，導(dǎo)致坩堝更換時需人工敲打砸碎才能取出，并且由于受熱膨脹的石英砂粘結(jié)在坩堝外壁與爐襯之間，容易擠壓坩堝產(chǎn)生裂紋，銀液易通過裂紋滲透燒壞爐襯及感應(yīng)線圈，嚴重影響坩堝及其它部件的使用壽命。

3 提高銀陽極板坩堝使用壽命的措施

3.1 改變坩堝材質(zhì)的配方

3.1.1 制作坩堝試樣，物理性能測試

化學穩(wěn)定性好、耐腐蝕性能強的碳化硅材料是坩堝的主要成分，它的占比是影響坩堝性能的主要因素。但從經(jīng)濟性角度考慮，碳化硅的占比過高容易導(dǎo)致坩堝成本過高，且石墨的導(dǎo)熱性更強，設(shè)計碳化硅含量較低的配方嘗試在增加坩堝耐熱性能的同時節(jié)約成本。經(jīng)過數(shù)據(jù)參考及結(jié)合生產(chǎn)實際［6］，設(shè)計出三種符合生產(chǎn)實際的不同的坩堝材質(zhì)配方，見表3，并制作成圓柱體坩堝試樣。對三種坩堝試樣分別從體積密度、顯氣孔率、耐壓強度、抗折強度、耐火度等多方面進行等靜壓物理性能試驗，試驗發(fā)現(xiàn)按照配方三制作的坩堝試樣物理性能最優(yōu)。

表3 坩堝材質(zhì)配方表

3.1.2 失重率試驗

在高溫條件下，銀陽極板澆鑄時坩堝耐腐蝕性能可以用失重率表示，即是耐腐蝕性能與失重率成反比。因此，通過觀察試樣的燒蝕程度研究碳化硅含量、燒成溫度對失重率的影響來反映它們對坩堝耐腐蝕性能的影響。為保證生產(chǎn)中的實用性，將三種不同材質(zhì)的圓柱體坩堝試樣隨鈉鹽含量相同的同批次粗銀粉一同加入中頻爐熔化，觀察試樣的腐蝕情況。在同等條件下，三個配方的坩堝試樣經(jīng)過35爐同批次粗銀粉熔化試驗，計算出在不同熔化溫度下的平均失重率，如圖2所示，配方三的失重率最小，燒蝕程度最小，耐腐蝕性能最好。

圖2 試樣失重率與溫度關(guān)系

3.2 改變銀粉結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

現(xiàn)有銀還原工藝是在堿性條件下通過添加甲醛將銀還原出來。為了探究pH對粗銀粉的影響，通過在過濾洗滌過程中添加新型酸性試劑調(diào)節(jié)粗銀粉的pH值［7］，不同pH條件下粗銀粉的鈉鹽含量及目數(shù)見表4，從表4中我們發(fā)現(xiàn)，當pH值由10變?yōu)?時，可以有效降低產(chǎn)出粗銀粉的鈉鹽含量，而試劑加入過量到pH為6時，鈉鹽含量降低效果不明顯，銀粉目數(shù)改變不多，且酸性銀粉容易腐蝕坩堝，因此銀粉過濾洗滌過程中pH調(diào)節(jié)為7最佳。在pH為7時，產(chǎn)出的粗銀粉結(jié)構(gòu)得到了改變，由粉末狀轉(zhuǎn)型為顆粒狀，如圖3所示。顆粒狀的銀粉有效解決了銀陽極板澆鑄現(xiàn)場揚塵大的問題，同時消除了銀粉熔化時在坩堝口處產(chǎn)生的“架橋”現(xiàn)象，減少坩堝發(fā)生高溫氧化腐蝕，坩堝的使用壽命得到有效提高［8］。

圖3 實施前后粗銀粉對比圖

表4 不同pH條件下粗銀粉的鈉鹽含量及目數(shù)

3.3 改變內(nèi)填材料、用整體澆灌法代替外購爐襯

采用《夏興旺銀錠澆鑄機整體澆灌筑爐操作法》，通過自主設(shè)計筑爐模具，將特殊配方的高溫材料整體澆灌制作爐襯，坩堝與爐襯之間保護填充材料由高鋁纖維棉取代石英砂［8］，利用耐高溫莫來使耐火磚固定坩堝［10］，由耐高溫澆注料封頂。其中高鋁纖維棉可保護坩堝表面抗氧化釉層，同時避免爐襯損壞［11］，燒結(jié)成型后使坩堝得以整體吊裝，坩堝更換時間縮短近10 h，坩堝使用壽命得到大幅提高。

4 效 果

在采取以上措施后，不僅提高了銀陽極板熔化坩堝的耐酸性、耐堿性和抗氧化性，而且導(dǎo)磁性能大幅提升，坩堝升溫加快，使得整個中頻爐運行功率下降60%，粗銀粉的熔化時間縮短了20%，坩堝的更換時間縮短將近10 h，不僅提高了工作效率，而且降低了電能消耗，坩堝使用壽命提升為原來的4倍。

5 結(jié) 語

通過改變坩堝材質(zhì)的配方、粗銀粉的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)、內(nèi)填材料等方式，銀陽極板熔化坩堝的使用壽命提升了4倍，每年創(chuàng)造的經(jīng)濟效益非?？捎^，同時降低了員工的勞動強度，提高了員工的創(chuàng)新與團隊合作能力，提升我國貴金屬冶煉技術(shù)與裝備水平，有力地推動了我國貴金屬冶煉技術(shù)走向國際前沿。