銅冶煉新型鋼模的應(yīng)用

黃 堃

（江西銅業(yè)集團(tuán)（貴溪）冶金化工工程有限公司，江西 貴溪 335424）

1 引言

火法煉銅是當(dāng)今生產(chǎn)銅的主要方法，世界上80%以上的銅是用火法從硫化銅精礦中提取的。火法煉銅最突出的優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)性強(qiáng)，能耗低，生產(chǎn)效率高。從硫化銅精礦提取銅的工藝流程如圖1。

圖1中火法精煉后產(chǎn)出陽極銅的工序，普遍是通過固定溜槽將銅水引入陽極銅澆鑄設(shè)備，以圓盤自動(dòng)定量澆鑄機(jī)為例，依次經(jīng)中間包系統(tǒng)、澆鑄包系統(tǒng)、圓盤系統(tǒng)和提取系統(tǒng)，批量產(chǎn)出陽極銅，其中銅水進(jìn)入澆鑄設(shè)備上是通過成形模具盛裝，在圓盤系統(tǒng)和提取系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中冷卻成形［1］。

圖1 火法煉銅工藝流程

成形模具分澆鑄銅模、鑄鐵模和鑄鋼模幾類，它們?cè)谠靸r(jià)、使用成本、產(chǎn)品質(zhì)量和自身壽命上均有差異，成形模具的壽命和質(zhì)量，直接影響了生產(chǎn) 成本和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性。

2 傳統(tǒng)模具分析

目前，銅冶煉陽極銅澆鑄采用鋼（鑄鐵、合金鋼）模和銅模兩種類型，其中私營企業(yè)及小廠采用鋼模居多，一些大型國有企業(yè)使用銅模。

2.1 銅模的應(yīng)用特點(diǎn)

使用銅模的企業(yè)均是用自己工廠精煉工序產(chǎn)出的銅水澆鑄制造，具有以下特點(diǎn)：

（1）需要在精煉工序現(xiàn)場(chǎng)配置專門的生產(chǎn)場(chǎng)地和操作人員，通過溜槽倒入澆鑄用設(shè)備，或者用行車吊運(yùn)鋼包倒入鑄鋼母模［2］；

（2）對(duì)澆鑄工藝有要求，鋼母模首次鑄模前須進(jìn)行熱處理，一般采用烘烤方法，防止母模在冷態(tài)時(shí)驟然接觸高溫溶體后局部變形造成澆鑄的銅模出現(xiàn)物理缺陷，澆鑄過程中盡量一次性完成［3］；同時(shí)要控制銅水的澆鑄溫度，否則澆鑄出的銅模質(zhì)量會(huì)有差異，從而會(huì)影響銅模壽命和產(chǎn)出陽極銅的質(zhì)量；

（3）銅模在使用過程中，因其與熔融態(tài)陽極銅主要成分相同，若直接接觸，兩者直接融合粘合在一起，可能導(dǎo)致銅模及陽極板全部報(bào)廢［4］，因此必須保證脫模劑的用量和噴涂效果；

（4）因銅模與熔融態(tài)陽極銅主要成分相同，生產(chǎn)出的陽極板在物理規(guī)格上較鋼模稍差，同時(shí)脫模劑易附著在陽極板表面，對(duì)電解和后續(xù)的陽極泥處理有影響；

（5）使用成本主要有：銅模澆鑄與回爐冶煉成本、鑄鋼母模采購成本、鑄鋼母模使用后期的修復(fù)成本、脫模劑的使用成本和銅模造成的資金積壓。

2.2 鋼模的應(yīng)用特點(diǎn)

使用鑄鐵模和鑄鋼模的企業(yè)均是外購模具，其中鑄鐵模價(jià)格便宜，但使用壽命低，綜合來說不如鑄鋼模，鑄鋼模的應(yīng)用與銅模對(duì)比，有以下特點(diǎn)：

（1）無需配置模具的鑄造場(chǎng)地和人員，現(xiàn)場(chǎng)配置更加精簡(jiǎn)，減少安全環(huán)保投入；

（2）由專業(yè)廠家批量制作，更能保證模具的品質(zhì)，不需每天在精煉工序留取合適的銅水澆鑄；

（3）鋼模只需使用少量脫模劑就能滿足生產(chǎn)，因此陽極板表面附著的脫模劑少，對(duì)電解和后續(xù)陽極泥處理影響小；

（4）鋼模在成分上與熔融態(tài)陽極銅不一樣，生產(chǎn)出的陽極板在物理規(guī)格上較銅模好；

（5）使用成本主要有：鋼模的采購成本和少量脫模劑的使用成本。

2.3 適用場(chǎng)合

通過分析，銅模和鋼模各有特點(diǎn)，使用銅模會(huì)造成企業(yè)的約1000萬元（以銅價(jià)5萬元/t，單系統(tǒng)50塊銅模，每塊4t估算）的資金積壓，其他的綜合生產(chǎn)成本較低；使用鋼模只需支付模具的采購成本，但是需外委制作，回收價(jià)值低，綜合生產(chǎn)成本較銅模高。另一方面，鋼模在陽極板質(zhì)量和對(duì)后續(xù)電解等工藝的影響方面，則具備優(yōu)勢(shì)。

3 新型模具設(shè)計(jì)

新型模具介紹可多用圖紙分析。

兩種傳統(tǒng)模具各有優(yōu)勢(shì)，如果能提高鋼模的使用壽命，降低陽極銅綜合生產(chǎn)成本，鋼模將比銅模更具備應(yīng)用價(jià)值。

鋼模在鑄造時(shí)含有雜質(zhì)，各廠家在制造工藝方面水準(zhǔn)不一，容易導(dǎo)致鋼模品質(zhì)有差異；同時(shí)在陽極銅澆鑄過程中，因鋼的導(dǎo)熱性比銅較差，需要有比銅模更好的冷卻系統(tǒng)，保證模溫不會(huì)過高。

我們從這兩方面著手，設(shè)計(jì)了一種新型鋼模，以提高鋼模的使用壽命：首先要提高制造水平，減少雜質(zhì)，添加一些有利于鑄鋼高溫疲勞性能的有益元素；其次，將傳統(tǒng)噴淋冷卻的模式，更改成管道循環(huán)水的模式，直接接觸鋼模內(nèi)部，同時(shí)在鋼模下方設(shè)置水槽，浸泡冷卻，進(jìn)一步提升冷卻效果，見圖2。

圖2 新型鋼模結(jié)構(gòu)示意

如圖2所示，在鋼模內(nèi)部增加循環(huán)水管路后，可利用冷卻循環(huán)水帶走鋼模內(nèi)部的熱量，對(duì)比之前沒有循環(huán)水的鋼模，能明顯提升散熱效果，改善鋼模只有表面噴淋水冷卻，而鋼模內(nèi)部冷卻效果差的問題，保證生產(chǎn)澆鑄過程中鋼模的溫度偏差不大，提高了鋼模的壽命。

4 實(shí)踐測(cè)試

我們?cè)谫F溪冶煉廠傾動(dòng)爐車間進(jìn)行了兩塊新型模具的試用，將原有銅模替換成新型鋼模，把冷卻水管接入鋼模循環(huán)水接口，溢出的冷卻水通過排水溝回到車間冷卻水池，見圖3。

圖3 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)情況

澆鑄模具在生產(chǎn)中處于運(yùn)行狀態(tài)，而新型鋼模采用冷卻元件的冷卻方式，需保障連續(xù)供水的模式。這就要求在原固定供水系統(tǒng)上采用活動(dòng)的連接方式，使模子內(nèi)部始終保持冷卻水的流動(dòng)，在圓盤的中心位置進(jìn)行一個(gè)動(dòng)態(tài)連接。

從2020年6月8日至9月28日，用鋼模生產(chǎn)了110爐，1號(hào)鋼模澆鑄量1320t，2號(hào)鋼模澆鑄量1296t。共完成單塊重量為397kg的陽極板澆鑄2616t，陽極板物理合格率達(dá)到98.88%。

在使用過程中測(cè)試出了鋼模循環(huán)水的需求量，為鋼模的全面應(yīng)用和設(shè)計(jì)提供了依據(jù)；同時(shí)發(fā)現(xiàn)了循環(huán)水形式的鋼模與銅模在水平度調(diào)整方式上存在差別，后續(xù)將增加鋼模水平度的調(diào)整結(jié)構(gòu)，提高生產(chǎn)時(shí)的操作效率。

5 結(jié)語

陽極銅澆鑄過程中，由于模子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、模溫控制與調(diào)節(jié)比較困難，普遍存在使用壽命短、生產(chǎn)成本高、陽極板質(zhì)量波動(dòng)大等諸多問題。目前鋼模及銅模使用壽命大約400～600t（180kg/塊小陽極板約2200塊，398kg/塊大陽極板約1500塊）；貴冶火法生產(chǎn)車間通過不斷努力和技術(shù)攻關(guān)，銅模使用壽命超過1000t（397kg/塊大陽極板約2700～3000塊）。

本文所述新型模具通過對(duì)澆鑄循環(huán)水的優(yōu)化、鑄造技能的提升等措施，將鋼模的使用壽命提高到1200t，同時(shí)還避免了銅模在使用后期因變形和開裂所出現(xiàn)的陽極板厚薄不均，背筋增多的不良現(xiàn)象，將陽極板澆鑄質(zhì)量提升到新的高度，為電解工序降低生產(chǎn)成本及提高電銅品質(zhì)打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為貴金屬富集和提煉提供更純凈優(yōu)質(zhì)的原料。