延長銅冶煉陽極模服役壽命的工業實踐

劉臻偉，程亞武，徐 琦，徐 暢

（大冶有色金屬集團控股有限公司，湖北 黃石 435005）

1 引言

大冶有色金屬集團控股有限公司（以下簡稱大冶公司）冶煉廠轉爐車間陽極銅澆鑄系統由TM18雙圓盤與TM16雙圓盤兩套系統組成，目前所用澆鑄陽極模為鑄鐵材質，在前期生產中平均使用壽命僅為240t·Cu/塊，陽極銅生產成本偏高。因此，分析鑄模使用過程中影響壽命的問題點，并對此改進模具使用的工藝配置，提高鑄模使用壽命，成為大冶公司轉爐車間降本增效的課題。

2 影響陽極模服役壽命的因素

2.1 澆鑄過程銅水溫度的影響

生產過程中，在工況無重大波動的條件下，對銅水溫度進行調整試驗，通過統計得出銅水溫度對應的陽極模平均壽命如圖1所示。

圖1 澆鑄銅水溫度對陽極模使用壽命的影響

由圖1可知，澆鑄過程銅水溫度越高，生產過程陽極模表面溫度越高，陽極模使用壽命越低。因為較高的銅水溫度不僅易造成鑄鐵模具的高溫腐蝕，同時由于鑄鐵材質導熱性相對較差，抗急冷急熱性能一般，模面溫度高，當熱量無法及時釋放時，易出現裂紋而無法使用［1-2］。而大冶公司由于建廠年限較長，前期的設計中精煉爐爐體與圓盤之間的高度差并不理想，造成固定溜槽坡度較緩，因此對銅水流動性要求高，爐前常控制出銅溫度在1240℃左右，與同行業先進企業1180℃的標準相差40～60℃，對鑄模壽命影響較大。

2.2 脫模劑噴涂效果的影響

目前大冶公司所用脫模劑為98.5%硫酸鋇，通過觀察現場噴涂情況，發現鑄模表面噴涂不均勻情況較多，特別是陽極模耳部區域，常出現耳部未噴涂情況，其次是陽極模邊緣區域。噴涂不均易造成澆鑄過程中發生粘模現象，前期各月陽極板粘結率及陽極模壽命如圖3所示。

圖2 2017年各月陽極模粘結率及陽極模壽命情況

由圖2可知，陽極模粘結率越高，使用壽命越短，2017年平均粘結率為5.5%左右，而平均陽極模使用壽命為251 t·Cu/塊。通過現場確認，噴涂不均勻的主要原因為噴涂攪拌桶進漿口及噴涂管易被編織袋、大顆粒物、塊狀物堵塞，硫酸鋇與水混合不均勻而造成噴涂不到位的現象，陽極模未噴涂部位與陽極板粘結，進而影響陽極模壽命及產品質量。

2.3 噴淋冷卻系統的影響

噴淋系統的冷卻能力決定了澆鑄過程的陽極模溫度，當冷卻強度達不到要求時，鑄模表面溫度較高，模具易過度熱膨脹而出現裂痕，使用壽命降低［3-6］。大冶公司前期圓盤冷卻噴頭為10個，但2016年經過循環水泵改造，循環水壓力由原來2至3kg增加至現在的4kg，導致噴淋水經常出現水量過大而發生水泵跳車、失壓現象。另一方面由于廠區生產用水雜質較多，噴淋管易堵塞，一定程度上也影響了噴淋冷卻效果。通過標記陽極模進行試驗，得出陽極模表面溫度與使用壽命關聯如圖3所示。

由圖3可看出，陽極模表面溫度越高，使用壽命越低。就大冶公司工況而言，當鑄模溫度低于330℃時，模壽能達到300t·Cu/塊左右，指標相對較好，而在正常生產條件下，平均模溫約為360℃左右，此溫度條件下，陽極模使用壽命在260t·Cu/塊以下。

3 改進實踐及效果

3.1 陽極模結構優化

3.1.1 陽極模外形優化

鑄件外形結構改進，模體的頂部中段開有兩個左右對稱布置的凹槽，構成山字形圍邊結構，如圖4所示。未改進前，改進點部位經常因為應力集中導致陽極模發生穿透性裂紋，影響鑄模壽命［7-9］。

圖4 陽極模結構改進對比示意圖

改進點1：此處原結構明顯比周圍厚大，因此無論是鑄造還是澆注工作狀態，均易產生應力集中。改成如圖4所示結構不但節省鐵水，不影響“山”字頭壓緊定位，而且整個壁厚均勻、協調，有利于減輕或者避免應力集中。

改進點2：原設計過渡圓角均較小，基本按照結構功能性鑄件設計，改進是按照滿足耐熱鑄件減少應力集中盡可能加大圓角過渡。

改進點3、4：在此加上一個鑄肋有兩個作用：一個是擋住對面來的銅水防溢出，另外就是起到抗拉和變形的作用。

3.1.2 陽極模雙頂針改造為單頂針

根據現場確認，在澆鑄作業中，陽極模頂針孔處極易出現裂紋，為陽極模的脆弱區域之一，兩個頂針孔的設計降低了模具的強度，在保證不影響使用的前提下，將頂針孔縮減為1個，提高陽極模的強度，如圖5所示，同時也可以降低頂針消耗量。

圖5 改造前后的陽極模

3.2 控制澆鑄過程銅水溫度

精煉爐爐前加裝熱電偶，用于出銅前銅水溫度測量，便于溫度控制；另一方面，為了使澆鑄過程銅水溫度降低后的仍然具有良好的流動性，在固定溜槽處加裝保溫蓋板裝置，用以澆鑄過程保溫，如圖6所示。通過生產試驗對比，得出在不影響陽極板質量的前提下（改造前陽極板外觀合格率為98.60%），銅水溫度可由之前的1260℃降低至1180～1200℃，如圖7所示。

圖6 固定溜槽加裝保溫蓋板

圖7 澆鑄銅水溫度對陽極板外觀合格率的影響

3.3 噴涂管道結構優化

針對噴涂管道系統易混入雜物問題，車間通過在噴涂槍進漿口加裝過濾網，并及時清理，避免雜物堵塞攪拌桶進漿口，鑄模噴涂效果提升，陽極板粘結率明顯降低，如圖8所示，陽極模平均壽命也提高到320t·Cu/塊，同時陽極板產生飛邊毛刺概率降低，質量得到提升。

圖8 噴涂管優化后陽極模壽命及粘結率情況

3.4 圓盤冷卻系統優化

（1）合理分配降溫點。陽極板澆鑄過程中，澆鑄點位置后三個模位是陽極銅冷凝區域，該位置禁止水冷降溫，否則急冷急熱易導致陽極模出現裂紋，陽極板也易發生變形。根據前期經驗，水冷區域第一個噴淋罩下方的噴淋點容易使陽極模出現大幅降溫而產生裂紋，停用此噴淋點后，延長了陽極模的自然冷卻時間，陽極板鼓包率也進一步降低，因此在此次改造中，取消第一個噴淋點。

（2）管道管徑疏通。噴淋系統主管規格為DN150，分管為DN50，但在實際運行中，加裝的氣動控制閥規格為DN25，在日常拆卸更換過程中發現，該部位極易堵塞，且使用次數極少，因此在管道改造時，將氣動閥取消。

改造完成后，圓盤噴淋系統在操作性、調控性及通暢性方面均明顯優于改造前，以陽極模溫度控制為例，如圖9所示，平均模溫由340～370℃降低至 280～310℃。

圖9 噴淋冷卻系統優化后模溫控制對比

3.5 改進效果

以上四項改進措施完成后，陽極模結構得到優化，澆鑄銅水溫度控制在1180～1200℃，噴涂效果改善，陽極模粘結率降低至2.8%，陽極模表面溫度控制在280～310℃，6個月后平均陽極模壽命由240t·Cu/塊提高到350t·Cu/塊左右，陽極板外觀質量也得到提高。

4 結論

（1）影響大冶公司陽極模使用壽命的主要生產因素為澆鑄過程銅水溫度、脫模劑噴涂效果、噴淋系統冷卻能力三點；改造前澆鑄銅水溫度約為1240℃，陽極模粘結率為5.5%，陽極模表面溫度約360℃。

（2）針對延長陽極模使用壽命課題，大冶公司做了四方面改進，分別為陽極模結構優化、控制澆鑄銅水溫度、噴涂管結構優化、冷卻水系統優化。改造完成后銅水溫度調整為1180℃，陽極模粘結率降低至2.8%，陽極模表面溫度降低至310℃；調整后陽極模平均使用壽命提高至350t·Cu/塊，成效明顯。