鑄模工藝及澆鑄控制對銅模使用壽命的影響

李林山，趙宇娟，金澤志，曾慶康，鄭春雨

（銅陵有色金屬集團控股有限公司，安徽 銅陵 244100）

陽極板澆鑄作為銅電解精煉前的最后一道工序，主要負責澆鑄重量、物理規格、尺寸及成分符合電解需求的陽極板。除此之外，銅模使用壽命是陽極板澆鑄另一個重要的參數指標?，F代銅冶煉企業使用的模具有鑄鋼模和鑄銅模兩種，其中銅?？杉毞譃殛枠O銅模和陰極銅模。鋼模因其低雜質、低碳及高強度特性表現出良好的導熱性和抗熱沖擊性能，鋼模與銅水熔點差可有效避免銅水粘?，F象，減少陽極白板的出現。但鋼模中的Fe3C可與Cu2O發生反應腐蝕鋼模，最終因內應力和熱應力綜合作用使得銅模失效。這也是鋼模使用壽命低于銅模的主要原因。陽極銅模和陰極銅模差別主要變現在純度上，陰極銅模含雜少，在澆鑄中晶粒大小均勻，熱量均勻地向各方向散失，因此陰極銅模使用壽命遠大于陽極銅模，但陰極銅模重達3～4噸，完全采用電解銅制作，制作成本明顯高于陽極銅。因此在現代銅冶煉企業中，使用陽極銅鑄模反而比陰極銅鑄模多。

黃智超[1]系統介紹了母膜材質、澆注溫度、銅液中溶解的氣體及脫模劑四個方面對陽極銅模壽命的影響。徐建兵[2]在澆鑄過程中添加鎂鉻氧化物與氧化鋁噴涂涂料，能有效延長銅模使用壽命，同時可通過以磷酸鋁為黏結劑配比固化劑修補開裂的銅模。昆明理工大學的李楓[3]對陽極銅模失效機理進行了理論分析，胡忠衛[4]對銅模使用壽命的影響因素進行了闡述，另張文進[5]對銅模的優化改造提出了新的思路。本文主要從生產實踐出發，闡述現場實踐操作對銅模使用壽命的影響及應對措施。

1 鑄模工藝控制對銅模使用壽命的影響

規范的澆鑄過程能有效提升銅模澆鑄成功率和使用壽命。鋼母膜首次鑄模前須進行熱處理，一般采用烘烤方法，防止母膜在冷態時驟然接觸高溫熔體后局部變形造成澆鑄的銅模出現物理缺陷，澆鑄過程中盡量一次性完成，避免局部溫度過高或過低致使銅水分層，讓銅水始終保持良好的流動性，同時盡可能選用包齡較長的包具盛裝銅水，以確保包襯熱容量在澆鑄過程中保持穩定，使得各處銅水自然均勻冷卻凝固，待銅水完全凝固后再將四周擋板及頂部蓋板去除，最終讓銅模在空氣中保持自然冷卻即可。

2 溫度控制對銅模使用壽命的影響

溫度控制主要涉及到銅水澆鑄溫度和澆鑄過程中銅模模面溫度。

2.1 銅水澆鑄溫度對銅模使用壽命的影響

適宜的銅水溫度不僅有利于澆鑄過程的控制，同時減少對銅模的損傷。由表1澆鑄廢模溫度分布統計可知，澆鑄廢模主要出現銅水溫度過低（低于1190℃）或過高（高于1210℃。因此為使銅模使用壽命得到提高，銅水溫度一般控制在1190℃～1210℃，隨季節變換若氣溫較低時可適當提升10℃～20℃，銅水溫度過高時，流動性好，易產生粘模現象，銅液冷卻時易形成氣孔，影響銅模使用壽命；銅水溫度過低時，流動性不佳，澆鑄過程控制難度加大，容易產生卷邊、飛邊和毛刺，致使澆鑄出的陽極板物理規格偏差、外觀差，降低陽極板合格率。

表1 澆鑄廢模溫度分布表

表2 澆鑄廢模塊數與銅水成分分布表

2.2 銅模模面溫度對銅模使用壽命的影響

為使銅模使用壽命得到提高，銅模模面溫度須保持在70℃以上，同時在澆鑄過程中，陽極板澆鑄之前根據澆鑄間隔時長提前對銅模進行預熱處理，模面溫度應保持在120℃～180℃。模溫低，銅水易產生氣泡影響陽極板質量，模溫高，易出現粘模現象，模溫驟冷驟熱使得模面開裂，影響銅模使用壽命，若模面開裂超過5mm即成為廢模。

3 銅水成分對銅模使用壽命的影響

銅水中Cu含量越高、雜質含量越低，晶粒發生錯位的概率越小，銅模發生熱裂紋的現象越少。為保證銅模澆鑄的成功率及后期銅模的使用壽命，其中主體Cu含量越高越好，由表2澆鑄廢模塊數與銅水成分分布統計可知，澆鑄過程中的廢模主要出現在銅水中O含量低于0.1%或者高于0.2%和S含量高于0.005%時，銅水中雜質成分的合理控制能有效減少銅水分層及冒泡現象的發生。因此為使銅模使用壽命得到提高，銅水中O含量應控制在0.1%～0.2%，S含量控制在0.005%以下時，可有效降低澆鑄廢模產生的機率。

4 冷卻水控制對銅模使用壽命的影響

圖1 底部冷卻水噴淋管圖

圓盤在澆鑄過程中，銅水從銅模中間部位向四周流動，中間部位溫度最高，銅模上頂模兩側及頂、尾部溫度略低。為保證銅模整體溫度均衡，如圖1所示，采用正對銅模的中間區域設噴水點、兩端不設噴水點設計，且中間噴水點開孔直徑略大于外側噴水點，使銅模保持整體的溫度平衡，避免局部溫度過高或過低致使熱應力和內應力分散不均，最終造成銅模失效。為使銅模使用壽命得到提高，圓盤開始澆鑄陽極板前一兩圈一般不開啟底部噴淋水系統，待模面溫度提升后，逐步開啟底部噴淋水裝置，根據陽極板面發紅發亮情況對冷卻水流量大小進行適量調節，在保證陽極板質量下提升銅模使用壽命。為防止放炮現象一般不開啟頂部噴淋裝置。

5 噴涂液對銅模使用壽命的影響

噴涂液主要以硫酸鋇、水和玻璃水按照25kg：100L：1L比例配置，通過自動噴淋系統噴灑在銅模表面，其主要起到隔熱與分離銅模、銅水的作用。銅模中心溫度較高，可通過修改程序延長銅模中間部位噴淋時長，良好的噴涂效果能有效保持模溫及模面平整，有利于陽極板澆鑄過程控制并提高陽極板合格率，同時降低銅水對銅模的機械沖刷和熱沖擊，減少粘模頻次，降低銅模表面開裂現象的發生，提升銅模使用壽命。

6 結論

本文從鑄模工藝控制和陽極板澆鑄控制兩個方面闡述其對銅模使用壽命的影響。規范的鑄模工藝（澆鑄銅水溫度保持在1200±10℃）和高純度、低雜質的陽極銅水（O含量控制在0.1%～0.2%，S含量控制在0.005%以下）能有效降低澆鑄廢銅模的產生，靈活的冷卻水控制和正確的噴涂液配比（硫酸鋇：水：玻璃水=25kg：100L：1L）及噴涂效果能有效保證銅模溫度控制在120℃～180℃，降低粘模、裂?，F象的發生，提高陽極板澆鑄合格率和銅模使用壽命。