提高铜模使用寿命生产实践

陈 勇 , 李文峰

（江西铜业集团有限公司 贵溪冶炼厂，江西 贵溪 335424）

1 引言

贵冶倾动炉是采用火法进行杂铜冶炼，采用双圆盘浇铸机浇铸阳极板，所用铜模为自制铜模。铜模在浇铸工艺中有着至关重要的作用，其使用寿命直接影响到铜冶炼加工成本，并对铜电解作业的指标产生影响。国内火法炼铜流程中，阳极铜浇铸通常使用的模具大致分为铸铁模、钢模、铜模［1］。铸铁模不稳定，易与铜水发生反应，在生产过程中，一般不使用；钢模性能稳定，抗冲击性及耐腐蚀性优异,不需用脱模剂，但是失效后修复和重铸的难度大；倾动炉采用自制铜模浇铸阳极板，铜模失效之后可回炉处理,但使用寿命偏短［2］，技术人员通过研究分析，采取一系列措施，使得铜模寿命延长。

2 倾动炉阳极板浇铸工艺及铜模报废原因

2.1 倾动炉阳极板浇铸工艺

杂铜原料加入倾动炉，经过氧化造渣、还原脱氧得到合格铜水后，便进行浇铸作业。铜水经铜口流入流槽，后经流槽进入中间包，待中间包内铜水达到一定量后，开始往放在电子称上的浇铸包灌注铜水，称量系统自动向圆盘上的铜模浇铸铜水，浇铸好的已成型未凝固阳极铜，依次进入喷淋冷却区。冷却水是来自上一炉浇铸时，经冷却沉淀存入冷水池的冷却水，冷却水被增压泵经管道输送至喷淋装置，依次对铜模进行冷却。经冷却的阳极板在圆盘预顶起顶出，若判断为废阳极板，则经电动葫芦吊出放入料斗，经加料车加入炉中再次冶炼，合格的阳极板则被提取机从圆盘铜模内提出，放入水槽内进一步冷却，冷却后的阳极板经叉车叉运至阳极板堆场。而被提取机取走阳极板后留下的空铜模则转至喷涂区，早已准备好的喷涂料按比例配入喷涂罐内搅拌均匀，经喷涂装置对铜模进行喷洒喷涂料(脱模剂)并冷却，产生的蒸汽被排风机排空，喷涂好的空模再次进入浇铸位置进行浇铸，如此循环作业，直至浇铸结束。倾动炉浇铸系统工艺流程见图1。

图1 倾动炉浇铸系统工艺流程

然而，为确保浇铸出高质量的阳极板，一经发现因铜模影响阳极板规格，则立即报废，更换新的铜模。如此，导致铜模更换频繁，提升生产成本。

2.2 铜模报废原因

2.2.1 铜模分层

在铜模浇铸过程中，因流量控制不稳定，以及浇铸铜模模具温度低，容易造成铜模较多的气孔，出现分层的缺陷。浇铸阳极板时，铜模经过反复的热胀冷缩，以及机械冲击产生材料疲劳，最终导致铜模产生开裂、起皮而报废。

2.2.2 铜模变形

在倾动炉双圆盘浇铸过程中，因铜模变形而产生的报废占据较大比例。在浇铸过程中，由于温度在高低变化，容易产生较大的内应力，铜模发生中间部分下凹、四周上翘。此外，铜的软化温度小于200℃，而铜模温度多在200℃以上，铜模材料发生蠕变造成铜模变形和强度下降。

2.2.3 铜模开裂

倾动炉双圆盘浇铸时，喷淋冷却系统对铜模冷却不充分、不均匀，铜模在不均衡的冷却情况下产生内应力，造成变形、开裂。此外，每炉出铜时间间隔较大，铜模在自然冷却到较低温度后，浇铸下一炉时，铜模受热温度急剧上升，在反复承受较大温差，造成铜模应力累积增加，产生较大的内应力，使得铜模开裂。

3 提高铜模寿命措施

3.1 提高铜模浇铸质量

铜模内模尺寸确定所浇铸阳极板形状，直接影响到阳极板物理规格，铜模浇铸质量影响铜模寿命。倾动炉双圆盘浇铸系统所使用的铜模，是经倾动炉冶炼合格的铜液浇铸而成，所用浇铸模具为钢模。为提高浇铸铜模质量，其流程优化如下。

（1）检查钢模。安装钢模前，检查钢模的各项尺寸是否符合要求，对损坏部件进行修复［3］，若无法修复则更换。

（2）钢模安装。对钢模进行清扫，清除钢模残留的冷铜及杂物，对浇铸阳极板的模面涂抹脱模剂。安装母模时尽可能确保水平，边框安装要求位置准确，并且夹牢，顶蕊要垂直安放在顶蕊孔内，盖板与边框不可有太大的缝隙，整个钢模要水平。

（3）钢模预热。在浇铸铜模前，需要对钢模预热，排除钢模内水分，确保浇铸时不放炮，铜模不产生气孔。

（4）浇铸铜模。浇铸铜模前需要做挡渣处理，避免铜液表面的浮渣进入浇铸铜模，浇铸时控制好速度，流量稳定，切不可断流。

（5）脱模及时。铜模浇铸结束，等待10～20min，铜液凝固需及时脱模，避免冷却时长模难脱，强制脱模影响铜模质量。

（6）时效处理。刚浇铸好的铜模，需自然冷却，放置2～3 个月，待结晶组织重组稳定后才可使用。

3.2 铜模温度控制

浇铸阳极板时，与铜液直接接触的模面温度急剧上升，铜的导热性好，热量向铜模底部传递，再通过底部喷冷却水带走热量。水量过大，铜模降温过快，经过喷洒脱模剂后，铜模自热无法将水分蒸干，浇铸下一块阳极板时放炮，影响阳极板物理规格和生产安全；水量过小，铜模温度过高，阳极板与铜模分离困难，容易粘模，铜模开裂。因此，冷却水控制的好坏成为铜模使用寿命长短的最重要因素。

（1）温度控制。通过长期生产实践，总结出铜模各部位的最佳控制温度。铜模耳部温度设定在100～120℃，铜模底部温度设定在160～180℃。

（2）水量控制。浇铸好一块阳极板后，圆盘逐一转动模位，浇有阳极板的铜模大约在1分钟左右便进入喷淋冷却区域，这时阳极板表面尚未完全凝固，没有成形的阳极板内部大约有1000～1100℃左右。喷淋水冷却系统在铜模底部不同位置分别安装有底部水、中部水，在铜模上部安装有上部水，每根冷却水管安装了一个手动控制球阀和气动控制柱塞阀，手动控制阀用于气动阀故障时用，气动控制柱塞阀可通过计算机自动控制，计算机能够按照预先设置好的程序，对每块进入冷却区域的铜模，根据其温度的不同及输入信号的不同进行阀门开启或关闭。上部水用于冷却阳极板板面，防止顶穿，若气动控制柱塞阀控制的冷却水全开，铜模温度仍然较高，还可手动打开应急冷却水，将铜模温度控制住。通过水量的控制，对铜模、阳极板进行冷却，经过喷淋冷却区冷却后的阳极板，一般控制在800～900℃左右。

3.3 脱模剂的合理使用

脱模剂［4］是能在铜水和铜模之间形成一种有效的隔离膜，可优化浇铸生产工艺，使阳极板不粘模，是一种用在两个彼此易于粘结的物体表面的一个界面涂层，它可使阳极板与铜模表面易于脱离，提高阳极板的物理合格率。脱模剂应在与铜水接触时不发生化学反应，还应有耐热性，不易分解。

倾动炉双圆盘浇铸采用的脱模剂，有效成分为硫酸钡粉，硫酸钡粉溶于水为乳白色混合物，通过自动喷涂系统［5］均匀将其喷洒在热铜模上，热铜模快速将混合料水分蒸发，大部分硫酸钡留存于铜模内，少量随蒸汽被排风机抽走，热铜模快速降温进入下一块阳极板浇铸。为让硫酸钡更好地起到脱模效果，需向喷涂罐内配入一定量水玻璃。

喷洒硫酸钡过量，阳极板虽容易脱模，但带来的影响是：不仅阻隔热量向铜模底部传递，阳极板难以凝固成型，还增加生产成本；硫酸钡偏少，不仅容易粘模，铜模更容易开裂，寿命缩短。因此，铜模剂量的控制及合理使用，对延长铜模寿命有重要影响。

4 效果

在采取以上措施后，阳极板物理合格率得到提高（见图2），铜模寿命逐年提升（见图3）。

图2 2017-2019 年1-12 月阳极板物理合格率平均值/%

图3 2017-2019年1-12月每块铜模浇铸阳极铜量平均值/ （t /块）

5 结语

通过提高铜模浇铸质量，浇铸阳极板过程中铜模温度控制，脱模剂的合理使用等方式，铜模的使用寿命得到提高，生产成本降低。若在浇铸铜模时采用压模成型的方式，它能有效地减少铜模表面气孔，降低铜模表面粗糙度，使铜模的使用寿命更长，进一步摸索铜模的寿命达到最佳效果。