影響陽極銅澆鑄模使用壽命的因素探討

李楓，沈強華，馬濤，孫安平，陳雯(昆明理工大學，云南昆明 650093)

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影響陽極銅澆鑄模使用壽命的因素探討

李楓，沈強華，馬濤，孫安平，陳雯
(昆明理工大學，云南昆明 650093)

摘要：介紹了陽極銅模失效的基本形式和機理，對影響銅模使用壽命的主要因素進行了分析，指出陽極銅里雜質的存在、澆鑄氣孔的產生、模溫控制及脫模劑性能的單一是影響銅模使用壽命的主要因素，并探討了提高模具使用壽命的措施。

關鍵詞：銅陽極板；模具壽命；失效；澆鑄

0　前言

國內火法煉銅流程中的陽極銅澆鑄通常采用圓盤澆鑄機，使用的模具大致分為鋼模、陰極銅壓鑄銅模、陽極銅澆鑄銅模。鋼模性能穩定，抗沖擊性及耐腐蝕性優異，不需用脫模劑，但是失效后修復和重鑄的難度大；采用陰極銅通過壓鑄方式制成的銅模，表面平整光滑，質地均勻，使用壽命長，但是陰極銅壓鑄成本高[1]；采用陽極銅澆鑄銅模有設備簡單、澆鑄成本低、銅模失效之后回爐方便的優點，盡管陽極銅模使用壽命偏短，還是為大多數煉銅企業采用。

銅模的使用壽命直接影響到模具的維修和加工成本，關系到其所澆鑄的陽極板物理規格，對電解作業的技術經濟指標也產生重要影響。提高銅模質量、延長銅模的使用壽命是煉銅企業關注的問題。本文以陽極銅澆鑄銅模為研究對象，重點討論陽極銅模失效的原因、分析影響其使用壽命的因素。

1　陽極銅模失效的形式與原因

1.1陽極銅模失效的形式

1.2陽極銅模失效的原因

1.2.1陽極銅模變形的原因

（1）銅模材料軟化：銅的軟化溫度小于200 ℃，澆鑄過程中，銅模溫度多在200 ℃以上，由于銅模冷卻、散熱較差，銅模材料會發生軟化，強度下降[2]。

傳熱受溫差、材料導熱率、材料厚度共同影響。對于厚度為b、面積為S、溫差為Δ t的平壁傳熱，有導熱速率：

式中，λ為Cu銅的熱導率，取值383.8 W/m·K。同樣條件下，材料（陽極銅模）越厚，熱阻越大，導熱速率越小，銅模越易軟化。

（2）銅模材料蠕變：金屬材料的另一失效形式為蠕變，它發生在溫度大于0.3Tm（熔點溫度）的條件下。因為Cu的熔點溫度Tm=1 356 K，所以在高于407 K時蠕變已經非常顯著。而已經實測到澆鑄時銅模的外延已經達到473 ℃。銅模材料發生蠕變造成銅模變形和強度下降。

（3）熱應力：現有冷卻系統對銅模冷卻不充分、不均勻，每個圓盤設有底部冷卻噴頭，但不能調節其個數、水量、位置，銅模內、外側溫度差大，銅模在不均衡受熱情況下產生內應力不均造成變形、開裂。而且銅模無系統的預熱處理，每爐出料時間間隔較大，銅模在此周期間溫度變化也較大，造成銅模應力累積增加，產生較大的內應力，造成模具的斷裂。

1.2.2陽極銅模的粘連原因

1.2 方法 所有入選者均于清晨空腹采血6 mL，分裝入兩個無熱源及內毒素的清凈試管，一管送生化檢驗室用免疫比濁法測定肝功、空腹血糖、血甘油三酯、血尿酸，并用酶聯免疫吸附法檢測肝炎血清標志物，另一管選用EDTAK2管，抽血2 h內送流式細胞術檢驗室檢測CD4+CD25+T細胞百分率（檢測試劑購自貝克曼庫爾特公司，CD4-FITC編號YZB/FRC 0773-2011，CD25-PE編號YZB/FRC 0041-2011，均為100測試/瓶）。嚴格按照說明書進行操作。

銅模與銅液（陽極板）發生粘連的部位基本都在以銅液與銅模初始接觸點開始沿最大流動方向（縱向）長約100～150 mm、寬50～80 mm的范圍內，發生粘連的原因：（1）相似者相溶造成銅模與銅液相溶；（2）脫模劑隔離效果欠佳。

1.2.3銅模分層、開裂的主要原因

如果澆鑄銅模時不能一次完成一個銅模的澆鑄（澆銅模包子容積小于銅模），則容易造成銅模氣孔較多和分層的缺陷。銅模經過反復的熱沖擊（熱脹冷縮）以及機械沖擊產生材料疲勞，最后導致銅模產生開裂、起皮，進而失效。

陽極銅里雜質的影響。用陽極銅澆鑄出的銅模與陰極銅澆鑄出的銅模本質差異在于銅的結晶組織。陽極銅里含有雜質較高，由于銅液里鉛和鉍的溶解度很小，固態時鉛在銅中的溶解度不超過0.10%[3]，所以兩者是機械混合物。銅鉛結晶溫差大，銅在960～1 000 ℃開始結晶，而鉛要降溫到326 ℃才結晶，銅凝固時產生的收縮力將液態鉛向結晶順序方向驅趕，形成順序偏析。如果鉛呈連續的網狀或枝晶狀組織，而不是球狀或點塊狀組織，則鉛將銅晶體分割成許多碎塊，在陽極板連續澆鑄過程中陽極母模反復溫變，母模上部的銅晶體界面容易出現熱脆，加速母模損壞。陽極銅里的鉍產生的危害與鉛一樣。陰極銅里鉛鉍雜質極少，用陰極銅制備的母模銅結晶組織完整，使用壽命更長。

現行的用陽極銅澆鑄銅模工藝會在銅模中產生明顯的氣孔，銅模里的這些缺陷在以后澆鑄陽極板過程中，隨著熱應力及內應力的變化而擴大，最終導致銅模開裂、變形而失效。

另外，銅液溫度過高、澆包與銅?？臻g位置不合理出現銅液沖擊力大和沖擊點集中也是導致銅模使用壽命短的因素。

2　提高陽極銅澆鑄銅模壽命的措施探討

2.1陽極銅有害雜質的行為控制

提高陽極銅模的壽命，生產實踐中要關注母模及陽極板澆鑄過程中影響銅結晶組織的關鍵因素，力爭降低陽極銅里的鉛鉍含量，并對陽極銅里的殘留鉛在澆鑄時的結晶行為進行控制，得到球狀、點塊狀的鉛結晶組織，提高母模質量，也能降低陽極板耳部脆斷現象。

2.2陽極銅澆鑄氣孔率的控制

一般情況下，金屬銅液中能溶解一部分的氣體，如氫氣、氧氣、二氧化硫等。在銅液冷卻成型時，溶解在銅液中的氣體則會從銅液內部往金屬結晶界面的邊界大量富集，最后在銅固液兩相界面之間的合適的位置聚集長大形成氣泡[4]。根據冷凝條件的不同，一部分氣體在形成氣泡之后會逐漸聚集形成大氣泡然后從液體表面逸出造成鑄件表面有氣孔；另一部分氣體在形成氣泡之后沒能及時從液相面逸出則會停留在成型的鑄件內部造成內部空洞。當氣泡附著在逐步向液體推進的固體表面而長大時，如果長大的速度與界面向前推進的速度相等，將會形成長軸與界面相垂直的柱狀氣孔；當界面推進速度快于氣泡的成長速度時，氣泡將被固體封閉而形成球形氣孔造成球形空洞[5]，銅模表面的氣孔直接影響到陽極板的表面物理規格[6]。

目前在金屬液中除去氣體的方法主要有惰性氣體法、氧化除氣法、真空除氣法。

惰性氣體法主要使用的是氮氣（N2）和氬氣（Ar），這類氣體既不溶于銅，也不與銅發生化學反應。以氮氣為例，使用不銹鋼鋼管以一定的壓力將純凈氮氣吹入熔體深處，使銅熔體內氣泡中的氫氣分壓趨近于零，而溶于氣泡附近熔體中的氫氣分壓遠大于零，基于氫氣在氣泡內外分壓之差，這樣就會使氣泡周圍溶于熔體中的氫不斷向氣泡內擴散，而后隨著氣泡的上升、逸出排除到大氣中，達到除氣的目的[7]。這種方法還有助于銅液中氧化雜質的上浮。

2.3脫模劑性能的優化

在選擇脫模劑時要求脫模劑熱穩定性好高溫下不易分解；要求其附著力強，脫模劑只有扎實的附著在銅模上才經得住高溫銅液的沖刷從而發揮隔離作用；另外還要求其化學性質穩定不與高溫銅液發生反應。改進現行脫模劑性能，澆鑄過程中在銅模表面形成適宜的脫模劑涂層，涂層與銅模附著牢固，不易被銅液沖散，在銅液高溫的作用下，能燒結形成平整致密的燒結層（陶瓷化燒結膜），附著于銅模表面，既能保護銅模，又能在銅模與陽極板間起到完全的隔離效果，使陽極板與銅模易于分離，降低陽極板粘膜情況的發生，保護銅模，延長銅模使用壽命，提高陽極板外形質量。

2.4重視新銅模表面修復

對新母模進行表面修復，采用耐高溫、耐酸蝕、不與熔融銅起反應的塑性料處理母模，彌補澆鑄過程中氣孔帶來的缺陷。

3　結論

用陽極銅澆鑄出來的銅模使用壽命偏短，原因是多方面的，為了延長其使用壽命和提高陽極板質量，加強粗銅火法精煉的脫雜深度包括脫氣是很有必要的；脫模劑功能的強化、新銅模表面缺陷的修復以及對銅模進行降溫的頂水和底水噴淋要創造出合理的冷卻場，均有助于延長銅模壽命；銅液溫度控制、銅模結構設計和銅模三點式支撐力矩優化也會對銅模使用壽命有影響。煉銅企業火法精煉車間在現有流程的基礎上，進行適當的技術提升，有望將陽極銅澆鑄銅模的使用壽命明顯延長。

參考文獻

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Factors discussion of affecting anode copper mould working lifetime

LI Feng，SHEN QiangHua，MA Tao，SUN AnPing，CHEN Wen
（Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，Yunnan，China)

Abstract:The basic froms and mechanisms of the anode copper mould failure are introduced in this paper, also, the main factors in affecting the copper mould working lifetime are analyzed. It illustrates that the exist of anode copper impurity, the generation of the casting porosity, the control of the mould temperature and the single performance of the release agent are the key factor to affect the copper mould lifetime. Furthermore, the approach of improving the mould working lifetime are discussed.

Keywords:copper anode sheet;mould life;failure;casting

作者簡介：李楓（1990—），男，碩士研究生，研究方向為冶金能源工程.

收稿日期:2015- 08- 10

DOI：10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.01 .002

中圖分類號：TG241；

文獻標識碼：A；

文章編號:1 006- 9658（201 6）01 - 0005- 03

稿件編號:1508- 1032