結構改進在提高陽極模品質中的應用

朱宏學，施曉峰，黃 斌，劉正耀，陳進軍

（大冶有色機電設備修造有限公司，湖北黃石 435000）

結構改進在提高陽極模品質中的應用

朱宏學，施曉峰，黃 斌，劉正耀，陳進軍

（大冶有色機電設備修造有限公司，湖北黃石 435000）

在提高陽極模品質（即澆銅量）的系列改進活動中，對陽極模的使用工況、失效形式和鑄件結構進行了分析，并且對鑄件結構進行了改進。兩階段的改進過程中出現了確認無效措施，待定深入措施和確認有效措施等三類情況。最終，鑄件結構改進配合陽極模品質提升的其它措施，一起促成每塊陽極模澆銅量穩定達到260～280 t的創紀錄成果。

陽極模；失效分析；結構改進；澆銅量

0　前言

陽極模是安裝在圓盤澆注機工作平臺上將陽極爐熔融銅澆鑄成重量規格一致的陽極板的鑄模(此后送電解車間電解，電解產品是陰極銅)。“十二五”以來，大冶有色金屬集團的奧斯麥特爐投產、“大江”牌陰極銅在倫敦上市、30萬噸銅加工清潔生產示范項目等跨越式發展具體項目實施，促使集團公司給我們下達科研課題，通過提高陽極模品質推動整個銅冶煉環節降低成本、提高質量和達成產能。

機電修造公司從1989年就開始使用沖天爐生產鑄鐵陽極模，在長期實踐中積累了豐富的經驗，經研究認為以此方式為基礎進行生產符合公司實際，但必須對結構改進在內的多個領域進行創新突破。通過2010年至今的努力，鑄鐵陽極模的澆銅量持續提高，課題通過大冶有色金屬集團公司合格驗收，公司和用戶均取得良好經濟和社會效益，結構改進獲得一項國家實用新型專利[1]。

1　陽極模失效模式分析

1.1陽極模技術參數

我們公司的陽極模的材質為共晶灰鑄鐵，最大外形尺寸為1 410×1 355×225（mm），鑄件毛坯質量為2 000 kg，壁厚在50～200 mm。

1.2質量要求

1.2.1外觀質量要求

通過其澆注的陽極板要求澆鑄厚度一致、表面平整、無飛邊、毛刺，工作面的平面度控制在2 mm之內。對應的陽極模工作面不能滿足脫模劑平敷的要求，澆注的陽極板達不到驗收標準，陽極模即失效。

1.2.2功能質量要求

在滿足上述外觀質量要求和在200～1 200 ℃的長期交變溫度作用的前提下，陽極模能夠達到合同約定的全年平均澆銅量。

1.3主要失效模式及數據統計

通過長期對用戶返回的失效報廢陽極模的觀察，發現陽極模的失效模式主要有兩類。一類是工作面在較長時間使用后整體的熱龜裂或侵蝕剝離；二是短時間使用后不久就很快出現或者持續擴展的穿透性裂紋。其中這種穿透性裂紋導致陽極模失效報廢的比例大致占總數的20%～30%，穿透性裂紋出現的主要區域走向及其概率進行了統計分析見圖1和表1。

1.4失效模式淺析及處理思路

針對上述主要失效模式，我們認為：對第一類失效模式主要通過材質研究予以改善；對于第二類失效模式，主要從結構改進達到減少或者延遲穿透性裂紋的產生，這是本文的研究內容。

圖1　陽極模失效穿透性裂紋出現的主要區域及走向

表1　陽極模失效穿透性裂紋出現的主要區域及走向統計

2　改進歷程

2.1第一階段

2.1.1改進方案設計

(1)我們從圖1可以注意到出現1、2的兩個區域和走向的裂紋基本都是由頂針孔邊沿開始的，這是因為頂針孔接近工作面的錐形將通過加工達到與頂針的配合精度要求。使用過程中頂針孔既在落水點附近，又反復受到頂針的機械沖擊，加工后形成的銳角讓這個部位的應力集中和應力敏感性更加突出，所以考慮在此處鑲鑄一個預先加工的頂針孔部件。

(2)為達到陽極板在到達頂板機部位降低到塑形變形溫度以下和整體模溫降低，在銅液澆注后就會對陽極模工作面的背面進行水冷，但在數小時連續作業的夏天要達到這個效果就有困難，往往就會在頂起前和頂起過程中對赤紅的陽極板直接打水冷卻，冷卻水就可能通過陽極模和陽極板接觸面分離后形成的間隙直接急冷陽極模工作面，這樣會加劇陽極模工作面裂紋的形成，所以我們考慮通過在陽極模背部挖出凹槽并形成散熱肋，設想在陽極模制造和使用過程中均能既提高陽極模結構強度又能加強陽極模散熱能力。

2.1.2改進結果

(1)穿透性裂紋導致陽極模失效報廢的比例以及裂紋的走向、部位沒有沒有明顯變化，而且失效時平均澆銅量下降10～20 t/塊。

圖2　陽極模第一階段結構改進前后的對比圖

(2)部位和走向為1、2的裂紋在頂針孔處的裂紋起始位置由原來頂針加工面移出至頂針孔鑲件與陽極模本體在工作面上的結合位置。

2.1.3結果分析

(1)在使用過程中，在高溫下鑄鋼鑲件的收縮比例與鑄鐵陽極模不能達到一致性，是設想從頂針孔止住裂紋源產生不能實現的原因。

(2)支撐面的凹槽及散熱肋的結構、尺寸以經驗確定，對鑄件的結構加強、應力釋放，特別是達到散熱與蓄熱的平衡缺乏確切的數據支撐。我們認為該措施需要今后深入研究。

2.2第二階段

2.2.1結構再分析

第一階段結構改進沒取得預期效果，我們改變了思路，對陽極模結構重新進行了分析和總結。

(1)首先我們認為除工作面以外，其余鑄造圓角未明確適應本鑄件作為耐熱鑄件（最高承受短時1 200 ℃）的要求，應針對性予以設計。

(2)上端部的壁厚在三維方向上都明顯超過周圍區域，這樣該部位在鑄件冷卻過程將明顯慢于其它部位，給附近部位的附加拉應力，而在使用過程該處的結構強度明顯大于周圍，應力的釋放將通過周圍以前述1、2部位裂紋出現進行［5］。

(3)兩側壓塊主要功能有兩個。一個是將陽極模在圓盤上壓住固定，另一個是起到加強肋的作用。但是該壓塊與陽極模本體連接的圓弧都較小，而且用戶后來使用放棄了此處壓塊第一個功能，這樣此處結構可以在保持第二個功能的同時，盡可能以大的圓角過渡以減少和釋放應力。

(4)下端面貫穿而出的裂紋主要有3、4兩種形式，分析此處強度應加強，也應加大下端面與兩側面的圓角過渡，兼顧避免澆注銅液過程中有從上端面方向過來的銅液漫過下端面的現象的發生。

(5)其余部位：鑄造分型面不以圓角過渡外，其余部位都盡可能以較大圓角過渡。

(6)所有鑄造內外圓角和鑄造斜度均按照機械工業部頒標準［3］～［5］中的R≥（1/12～1/6）(a+b)等公式作為計算依據,并且實體UG建模無誤，在此前提下向上限具體取值。

2.2.2具體改進方案（如圖3所示）

圖3　陽極模第二階段結構改進的效果圖

(1)根據上端面工作面內輪廓形狀按照壁厚均勻性本可設計成“ㄩ”字形狀，但是考慮此處是陽極模在澆注圓盤上的定位壓緊點，所以設計成“山”字形狀。

(2)“兩側壓塊”的鑄造圓角除R1=100 mm外，其余均取R=50 mm，R1處取值不以相關公式為限定，以盡可能大的圓角平滑過渡釋放應力克服出現部位為2的裂紋。

(3)在下端部及兩側下部設置一道40×30（mm）的隨形擋水墻結構，工作面上沿內外側及擋水墻各處取R=10 mm。

(4)除前述外，鑄件外側除R1=100 mm外，其余為R30～50 mm。

2.3改進效果

(1)穿透性裂紋導致陽極模失效報廢的比例大致由原來占總數的20%～30%下降到10%～15%。

(2)出現穿透性裂紋的時段由原來的50～60 t/塊延緩至120～130 t/塊。

(3)穿透性裂紋導致陽極模最終失效的時段由原來的150～170 t/塊延緩至240～260 t/塊。

(4)穿透性裂紋的走向和部位由前述的規律性轉變為無明顯規律。

3　結論

作為耐熱鑄件的陽極模的結構改進，在充分分析鑄件結構的前提下，盡可能使鑄件壁厚均勻、較大圓角過渡，可以很好減少和釋放鑄造和使用過程中的應力集中，遲滯穿透性裂紋的產生，對提高陽極模澆銅量效果明顯。

［1］ 一種山字頂鑄鐵陽極模［P］.中國.B22C9/06ZL.CN 203711770U. 2014.07.16

［2］ 劉云峰，沈丙振.大型輪帶鑄造中的應力預測［J］.鑄造工程，2011（6）：26-27.

［3］ JB/ZQ4255-86，鑄造內圓角［S］.

［4］ JB/ZQ4256-86，鑄造外圓角［S］.

［5］ JB/ZQ4256-86，鑄造斜度［S］.

［6］ 李輝，李志強.鑄造過程中的應力場數值模擬［J］.中國鑄造裝備與技術, 2007（6）.

［7］ 譚雁清,李日,王斌,等.鋁合金壓鑄模具溫度場模擬與節點熱應力分析［J］.中國鑄造裝備與技術, 2009（6）.

Application of structural improvement in improving the quality of anodic mold

ZHU HongXue,SHI XiaoFeng,HUANG Bin,LIU ZhengYao,CHEN JinJun
（Daye nonferrous electromechanical Manufacturing Co., Ltd.,Huangshi 435005,Hubei, China)

Improving the quality of anode mold (ie pouring copper content) series of improvement activities, use of anode mold conditions, failure modes and casting structure is analyzed, and the casting structure has been improved.In the two phase of the improvement process， there are three kinds of cases， such as the confrmation of invalid measures， the pending further measures and the confrmation of effective measures. In the end， the casting structure improved with other measures to improve the quality of the anode mold, together with the results of the average 260 ～ 280 t/P. of the copper content in the anode.

Anode mold;Failure Analysis;Structure Improvement;Pouring of copper content

TG24；

A；

1006-9658（2015）06-0030-03

10.3969/j.issn.1006-9658.2015.06.009

2015-07-29

稿件編號:1507-1012

朱宏學（1974—），男，高級工程師，研究方向：產品研發、技術改進、項目和質量管理.