非对称耳铜模生产工艺改造实践*

2022-07-26管桂生吕文帅李正超陈立宽

云南冶金 2022年2期

管桂生，吕文帅，李正超，陈立宽

（云南铜业股份有限公司西南铜业分公司，云南昆明 650102）

铜阳极模的作用是：阳极炉内的阳极铜液经溜槽、中间包、浇包流入到铜模中，然后在铜模中缓慢凝固成型成为阳极板，阳极板从模中取出后，被输送至电解车间进行再次提纯形成纯度更高的电解铜。两边耳部形状大小不一致的铜阳极模称为非对称耳铜阳极模，两边耳部形状大小一致的铜阳极模则称为对称耳铜阳极模。根据其生产材料进行分类，目前阳极铜模主要有铸铁模、铸钢模以及铜模三类[1]，一般采用浇铸工艺进行生产。铜模浇铸原料采用阳极铜[2]，也有些生产企业采用熔融态粗铜浇铸铜模[3]。本文所阐述的非对称耳铜模是采用阳极铜浇铸而成，经大批量使用后，发现其使用寿命（能够浇铸的阳极板量）比较低，对生产经营产生了一定不利影响。为了提高非对称耳铜阳极模的使用寿命降低其使用成本，对其生产工艺进行了改造，并实践验证效果。

1 非对称耳铜模生产工艺及使用寿命

1.1 非对称耳阳极铜模生产工艺

非对称耳阳极铜模采用的材料为阳极铜，生产工艺为铁模浇铸，即金属型铸造方法[4]：将金属液浇进金属材料制成的铸型中以获得铸件的方法，如图1所示。非对称耳阳极铜模浇铸工艺流程为：阳极铜液从阳极炉出铜口流出→阳极铜液经溜槽→浇包→浇入铁模中缓慢冷却凝固成型→冷却后脱模，铜液浇入铁模时温度为（1 115～1 130）℃。其基本尺寸为：上底宽度1 327 mm，下底宽度1 030 mm，长度为1 197 mm，厚度为230 mm，重量约2.5 t，其形状如图4、图5所示。

图1 采用浇铸工艺生产非对称耳阳极铜模Fig.1 The asymmetrical ear copper mould is produced by casting process

1.2 非对称耳铜阳极模凹面质量及使用寿命情况

采用阳极铜浇铸工艺生产的铜模凹面（阳极板浇铸面，直接与浇铸的阳极铜接触）存在大量缩孔、缩松，并且表层材料内部存在较多的氧化铜夹渣物、气孔及冷隔等缺陷[5]，如图4所示，在一定程度上降低了铜模的使用寿命。其次，阳极铜中的氧（含量接近0.2%）及其他杂质元素（约0.6%），氧与铜反应形成Cu2O分布与晶界[6]，这些氧化物与杂质元素在一定程度上改变了铸件的组织结构，即在较大程度上影响了铜模的使用寿命。

表1所示为连续3年采用阳极铜浇铸的非对称耳阳极铜模月平均使用寿命，全年平均使用寿命分别为 140.10 t、149.63 t、173.76 t，3 年总体平均寿命为154.50 t。非对称耳阳极铜模下盘报废不再使用的原因是：①铜模整体变形。由其浇铸成型的阳极板面弯曲，无法满足下有电解工序的要求；②铜模浇铸面开裂。阳极铜浇铸到开裂的阳模内，凝固冷却成型的阳极板底面形成大量的凸凹背筋，不能满足下游工序的要求；③浇铸面粘铜。铜模凹面开裂到一定程度时，浇铸过程中铜液进入到缝隙中，凝固成型的阳极板与铜模浇铸面紧密结合在一起，致使阳极板无法被顶出，严重影响生产效率；④浇铸面分层。主要是铜模浇铸过程中，一些夹杂物进入到铜模表层材料中。在浇铸一定量的阳极铜后，夹杂物与铜模基体材料分离，形成分层现象，在铜模浇铸面形成较大的凹坑，使其无法再继续使用。

表1 采用阳极铜浇铸工艺生产的非对称耳阳极铜模使用寿命统计表Fig.1 Life time statistical table of the asymmetrical ear copper mould produced by casting process of anode copper t

2 工艺改进及设备改造

为了提高非对称耳阳极铜模的使用寿命，从浇铸工艺和采用的材料两方面进行改造优化。具体措施为：根据对一些铸造方法的比较[7]最后确定将金属型铸造工艺改为压力铸造工艺，并采用电解铜（阴极铜）代替阳极铜作为阳极铜模的生产材料。

2.1 压铸工艺流程

本文所述的压力铸造其实是一种挤压铸造[8]，即对浇入铸型型腔中的液态金属施加较大机械压力，使其成形、结晶凝固而获得零件毛坯的一种工艺方法。挤压铸造特点及工艺过程为[9]：铸件组织致密，晶粒细化，可消除铸件内部的缩孔、缩松、裂纹等缺陷。工艺过程分为铸型准备、浇铸、合型加压和开型取出铸件四个步骤。

根据现场特点及操作要求，非对称耳阳极铜模挤压铸造工艺流程为：电解铜在中频炉中熔化→铜液从中频炉中流出→流经溜槽→铜水浇注底模→压铸系统压铸成型→冷却→脱模→再次冷却。铜液浇注完成后，被送至合型加压成型位置，上顶模往下移动下压铜液，同时通过上顶模冷却铜液成型，当铜液冷却到规定温度时拔出上顶模，再将已成型的铜模拉出压铸位置拆除边框，最后再将其送至冷却点再次冷却。电解铜纯度为：99.99%，采用中频炉熔化，在熔化电解铜过程中，为防止铜液氧化，定时向铜液表面覆盖木炭（或还原剂），确保铜液中的氧含量低于0.03%以下；浇铸温度为1 200℃左右，底模（铸型）由底板和边框拼装而成，合型加压由上顶模下移对铜液产生机械压力压入到铜液中，在铜液中形成阳极板形状的凹面，压下后在上顶模中迅速通入冷却水，使铜液迅速冷却，冷却时间约7 min，拔模温度约800℃左右。非对称耳阳极铜模压铸，如图2所示。

图2 采用压铸工艺生产非对称耳铜模Fig.2 The asymmetrical ear copper mould is produced by squeeze casting process

2.2 非对称耳阳极铜模压铸关键部件设计

压铸系统主要由上顶模、上顶模底板、上顶模耳部活动块、冷却水管、下底模（底板、边框）、移动小车、冷却系统等组成，其关键部件为上顶模。

1）上顶模设计。上顶模功能为：压入高温铜液中，使其凹陷形成阳极板的形状，如图3所示。上顶模主要由5部分组成，包括：1上顶模底板，其主要作用是连接固定上顶模水套和耳部活动块；2上顶模冷却水套，其主要作用是压入铜液中形成凹面，采用T2铜制作，在其内部加工出通水道，持续通入冷却水；3冷却水套中的冷却水管，其主要作用是向水套中持续不断地通入冷却水防止水套温度过高损坏，同时冷却铜液；4上顶模大耳活动块、5上顶模小耳活动块，其作用是与水套拼接一起同时压入铜液中形成阳极板的耳部形状，活动块可以单独拆装更换，考虑到其接触高温铜液，无法通水冷却，因此采用耐热合金钢制作。

图3 上顶模组装示意图Fig.3 Installation schematic diagram of top die

2）下底模设计。下底模（铸型）的作用为承装铜液进行压铸，使铜液压铸过程中不溢出、不泄露，由底板和边框拼装组成。底板采用阳极铜浇铸而成，边框采用铸钢制作。为了便于组装拆卸，边框由4小块拼装起来后再用活动销子进行固定。

3 试生产及效果

在完成工艺、设备设计及设备准备工作后，开展实践验证。采用电解铜压铸试生产了一批非对称耳阳极铜模，并用其浇铸阳极板，效果比较明显。与采用阳极铜浇铸工艺相比，采用高纯电解铜压铸工艺生产的非对称耳阳极铜模阳极铜浇铸面质量和铜模的使用寿命均得到了大幅度提高。

3.1 浇铸面质量改善情况

如图4、图5所示，图4为采用阳极铜浇铸工艺生产的非对称耳阳极铜模。从图4中可以看出，其浇铸表面非常粗糙，缩孔、缩松及气孔较多，并且表面伴有很多氧化铜夹渣，这种铜模在使用过程中很容易出现分层、开裂及粘铜现象，严重影响其使用寿命；图5为采用高纯电解铜压铸工艺生产的非对称耳阳极铜模。从图5中可以看出，其浇铸面质量明显改善，缩松、缩孔、气孔、夹杂等全部得以消除。

图4 采用阳极铜浇铸工艺生产的非对称耳铜模Fig.4 The asymmetrical ear copper mould is produced by casting process of anode copper

图5 采用电解铜压铸工艺生产的非对称耳铜模Fig.5 The asymmetrical ear copper mould is produced by squeeze casting process of electrolytic copper

3.2 使用寿命情况

为了验证采用高纯电解铜压铸工艺生产的非对称耳阳极铜模使用寿命是否得到相应的提高，将采用新工艺试生产出的铜模进行浇铸阳极板试用。表2为采用合格的电解铜挤压铸造工艺生产的铜模连续12个月平均使用寿命统计情况。从表2中看出，铜模平均寿命为248.08 t，与采用原工艺生产的非对称耳阳极铜模使用寿命（154.5 t）相比，提高了近61%。

表2 采用电解铜压铸工艺生产的非对称耳铜模使用寿命统计Tab.2 Life time statistical table of the asymmetrical ear copper mould produced by squeeze casting process of electrolytic copper t