非對稱耳銅模生產工藝改造實踐*

管桂生，呂文帥，李正超，陳立寬

（云南銅業股份有限公司西南銅業分公司，云南 昆明 650102）

銅陽極模的作用是：陽極爐內的陽極銅液經溜槽、中間包、澆包流入到銅模中，然后在銅模中緩慢凝固成型成為陽極板，陽極板從模中取出后，被輸送至電解車間進行再次提純形成純度更高的電解銅。兩邊耳部形狀大小不一致的銅陽極模稱為非對稱耳銅陽極模，兩邊耳部形狀大小一致的銅陽極模則稱為對稱耳銅陽極模。根據其生產材料進行分類，目前陽極銅模主要有鑄鐵模、鑄鋼模以及銅模三類[1]，一般采用澆鑄工藝進行生產。銅模澆鑄原料采用陽極銅[2]，也有些生產企業采用熔融態粗銅澆鑄銅模[3]。本文所闡述的非對稱耳銅模是采用陽極銅澆鑄而成，經大批量使用后，發現其使用壽命（能夠澆鑄的陽極板量）比較低，對生產經營產生了一定不利影響。為了提高非對稱耳銅陽極模的使用壽命降低其使用成本，對其生產工藝進行了改造，并實踐驗證效果。

1 非對稱耳銅模生產工藝及使用壽命

1.1 非對稱耳陽極銅模生產工藝

非對稱耳陽極銅模采用的材料為陽極銅，生產工藝為鐵模澆鑄，即金屬型鑄造方法[4]：將金屬液澆進金屬材料制成的鑄型中以獲得鑄件的方法，如圖1所示。非對稱耳陽極銅模澆鑄工藝流程為：陽極銅液從陽極爐出銅口流出→陽極銅液經溜槽→澆包→澆入鐵模中緩慢冷卻凝固成型→冷卻后脫模，銅液澆入鐵模時溫度為（1 115～1 130）℃。其基本尺寸為：上底寬度1 327 mm，下底寬度1 030 mm，長度為1 197 mm，厚度為230 mm，重量約2.5 t，其形狀如圖4、圖5所示。

圖1 采用澆鑄工藝生產非對稱耳陽極銅模Fig.1 The asymmetrical ear copper mould is produced by casting process

1.2 非對稱耳銅陽極模凹面質量及使用壽命情況

采用陽極銅澆鑄工藝生產的銅模凹面（陽極板澆鑄面，直接與澆鑄的陽極銅接觸）存在大量縮孔、縮松，并且表層材料內部存在較多的氧化銅夾渣物、氣孔及冷隔等缺陷[5]，如圖4所示，在一定程度上降低了銅模的使用壽命。其次，陽極銅中的氧（含量接近0.2%）及其他雜質元素（約0.6%），氧與銅反應形成Cu2O分布與晶界[6]，這些氧化物與雜質元素在一定程度上改變了鑄件的組織結構，即在較大程度上影響了銅模的使用壽命。

表1所示為連續3年采用陽極銅澆鑄的非對稱耳陽極銅模月平均使用壽命，全年平均使用壽命分別為 140.10 t、149.63 t、173.76 t，3 年總體平均壽命為154.50 t。非對稱耳陽極銅模下盤報廢不再使用的原因是：①銅模整體變形。由其澆鑄成型的陽極板面彎曲，無法滿足下有電解工序的要求；②銅模澆鑄面開裂。陽極銅澆鑄到開裂的陽模內，凝固冷卻成型的陽極板底面形成大量的凸凹背筋，不能滿足下游工序的要求；③澆鑄面粘銅。銅模凹面開裂到一定程度時，澆鑄過程中銅液進入到縫隙中，凝固成型的陽極板與銅模澆鑄面緊密結合在一起，致使陽極板無法被頂出，嚴重影響生產效率；④澆鑄面分層。主要是銅模澆鑄過程中，一些夾雜物進入到銅模表層材料中。在澆鑄一定量的陽極銅后，夾雜物與銅模基體材料分離，形成分層現象，在銅模澆鑄面形成較大的凹坑，使其無法再繼續使用。

表1 采用陽極銅澆鑄工藝生產的非對稱耳陽極銅模使用壽命統計表Fig.1 Life time statistical table of the asymmetrical ear copper mould produced by casting process of anode copper t

2 工藝改進及設備改造

為了提高非對稱耳陽極銅模的使用壽命，從澆鑄工藝和采用的材料兩方面進行改造優化。具體措施為：根據對一些鑄造方法的比較[7]最后確定將金屬型鑄造工藝改為壓力鑄造工藝，并采用電解銅（陰極銅）代替陽極銅作為陽極銅模的生產材料。

2.1 壓鑄工藝流程

本文所述的壓力鑄造其實是一種擠壓鑄造[8]，即對澆入鑄型型腔中的液態金屬施加較大機械壓力，使其成形、結晶凝固而獲得零件毛坯的一種工藝方法。擠壓鑄造特點及工藝過程為[9]：鑄件組織致密，晶粒細化，可消除鑄件內部的縮孔、縮松、裂紋等缺陷。工藝過程分為鑄型準備、澆鑄、合型加壓和開型取出鑄件四個步驟。

根據現場特點及操作要求，非對稱耳陽極銅模擠壓鑄造工藝流程為：電解銅在中頻爐中熔化→銅液從中頻爐中流出→流經溜槽→銅水澆注底模→壓鑄系統壓鑄成型→冷卻→脫模→再次冷卻。銅液澆注完成后，被送至合型加壓成型位置，上頂模往下移動下壓銅液，同時通過上頂模冷卻銅液成型，當銅液冷卻到規定溫度時拔出上頂模，再將已成型的銅模拉出壓鑄位置拆除邊框，最后再將其送至冷卻點再次冷卻。電解銅純度為：99.99%，采用中頻爐熔化，在熔化電解銅過程中，為防止銅液氧化，定時向銅液表面覆蓋木炭（或還原劑），確保銅液中的氧含量低于0.03%以下；澆鑄溫度為1 200℃左右，底模（鑄型）由底板和邊框拼裝而成，合型加壓由上頂模下移對銅液產生機械壓力壓入到銅液中，在銅液中形成陽極板形狀的凹面，壓下后在上頂模中迅速通入冷卻水，使銅液迅速冷卻，冷卻時間約7 min，拔模溫度約800℃左右。非對稱耳陽極銅模壓鑄，如圖2所示。

圖2 采用壓鑄工藝生產非對稱耳銅模Fig.2 The asymmetrical ear copper mould is produced by squeeze casting process

2.2 非對稱耳陽極銅模壓鑄關鍵部件設計

壓鑄系統主要由上頂模、上頂模底板、上頂模耳部活動塊、冷卻水管、下底模（底板、邊框）、移動小車、冷卻系統等組成，其關鍵部件為上頂模。

1）上頂模設計。上頂模功能為：壓入高溫銅液中，使其凹陷形成陽極板的形狀，如圖3所示。上頂模主要由5部分組成，包括：1上頂模底板，其主要作用是連接固定上頂模水套和耳部活動塊；2上頂模冷卻水套，其主要作用是壓入銅液中形成凹面，采用T2銅制作，在其內部加工出通水道，持續通入冷卻水；3冷卻水套中的冷卻水管，其主要作用是向水套中持續不斷地通入冷卻水防止水套溫度過高損壞，同時冷卻銅液；4上頂模大耳活動塊、5上頂模小耳活動塊，其作用是與水套拼接一起同時壓入銅液中形成陽極板的耳部形狀，活動塊可以單獨拆裝更換，考慮到其接觸高溫銅液，無法通水冷卻，因此采用耐熱合金鋼制作。

圖3 上頂模組裝示意圖Fig.3 Installation schematic diagram of top die

2）下底模設計。下底模（鑄型）的作用為承裝銅液進行壓鑄，使銅液壓鑄過程中不溢出、不泄露，由底板和邊框拼裝組成。底板采用陽極銅澆鑄而成，邊框采用鑄鋼制作。為了便于組裝拆卸，邊框由4小塊拼裝起來后再用活動銷子進行固定。

3 試生產及效果

在完成工藝、設備設計及設備準備工作后，開展實踐驗證。采用電解銅壓鑄試生產了一批非對稱耳陽極銅模，并用其澆鑄陽極板，效果比較明顯。與采用陽極銅澆鑄工藝相比，采用高純電解銅壓鑄工藝生產的非對稱耳陽極銅模陽極銅澆鑄面質量和銅模的使用壽命均得到了大幅度提高。

3.1 澆鑄面質量改善情況

如圖4、圖5所示，圖4為采用陽極銅澆鑄工藝生產的非對稱耳陽極銅模。從圖4中可以看出，其澆鑄表面非常粗糙，縮孔、縮松及氣孔較多，并且表面伴有很多氧化銅夾渣，這種銅模在使用過程中很容易出現分層、開裂及粘銅現象，嚴重影響其使用壽命；圖5為采用高純電解銅壓鑄工藝生產的非對稱耳陽極銅模。從圖5中可以看出，其澆鑄面質量明顯改善，縮松、縮孔、氣孔、夾雜等全部得以消除。

圖4 采用陽極銅澆鑄工藝生產的非對稱耳銅模Fig.4 The asymmetrical ear copper mould is produced by casting process of anode copper

圖5 采用電解銅壓鑄工藝生產的非對稱耳銅模Fig.5 The asymmetrical ear copper mould is produced by squeeze casting process of electrolytic copper

3.2 使用壽命情況

為了驗證采用高純電解銅壓鑄工藝生產的非對稱耳陽極銅模使用壽命是否得到相應的提高，將采用新工藝試生產出的銅模進行澆鑄陽極板試用。表2為采用合格的電解銅擠壓鑄造工藝生產的銅模連續12個月平均使用壽命統計情況。從表2中看出，銅模平均壽命為248.08 t，與采用原工藝生產的非對稱耳陽極銅模使用壽命（154.5 t）相比，提高了近61%。

表2 采用電解銅壓鑄工藝生產的非對稱耳銅模使用壽命統計Tab.2 Life time statistical table of the asymmetrical ear copper mould produced by squeeze casting process of electrolytic copper t

4 結語

針對原非對稱耳陽極銅模所存在的問題，將生產工藝改為電解銅擠壓鑄造工藝，并根據工藝要求進行了鑄造模具及相應設備的設計改造，取得的效果如下：

1）采用電解銅擠壓鑄造工藝生產的銅模的澆鑄面質量得到大幅度提高，其表面光滑、無縮孔縮松、無氣孔、無氧化銅以及其它夾渣物；

2）采用電解銅壓鑄工藝生產的非對稱耳陽極銅模與采用陽極銅澆鑄工藝生產的非對稱耳陽極銅模相比，其使用壽命提高近61%。