朱宏學(xué)，施曉峰，黃 斌，劉正耀，陳進(jìn)軍

（大冶有色機(jī)電設(shè)備修造有限公司，湖北黃石 435000）

結(jié)構(gòu)改進(jìn)在提高陽(yáng)極模品質(zhì)中的應(yīng)用

朱宏學(xué)，施曉峰，黃 斌，劉正耀，陳進(jìn)軍

（大冶有色機(jī)電設(shè)備修造有限公司，湖北黃石 435000）

在提高陽(yáng)極模品質(zhì)（即澆銅量）的系列改進(jìn)活動(dòng)中，對(duì)陽(yáng)極模的使用工況、失效形式和鑄件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并且對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。兩階段的改進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)了確認(rèn)無(wú)效措施，待定深入措施和確認(rèn)有效措施等三類情況。最終，鑄件結(jié)構(gòu)改進(jìn)配合陽(yáng)極模品質(zhì)提升的其它措施，一起促成每塊陽(yáng)極模澆銅量穩(wěn)定達(dá)到260～280 t的創(chuàng)紀(jì)錄成果。

陽(yáng)極模；失效分析；結(jié)構(gòu)改進(jìn)；澆銅量

0　前言

陽(yáng)極模是安裝在圓盤澆注機(jī)工作平臺(tái)上將陽(yáng)極爐熔融銅澆鑄成重量規(guī)格一致的陽(yáng)極板的鑄模(此后送電解車間電解，電解產(chǎn)品是陰極銅)。“十二五”以來(lái)，大冶有色金屬集團(tuán)的奧斯麥特爐投產(chǎn)、“大江”牌陰極銅在倫敦上市、30萬(wàn)噸銅加工清潔生產(chǎn)示范項(xiàng)目等跨越式發(fā)展具體項(xiàng)目實(shí)施，促使集團(tuán)公司給我們下達(dá)科研課題，通過(guò)提高陽(yáng)極模品質(zhì)推動(dòng)整個(gè)銅冶煉環(huán)節(jié)降低成本、提高質(zhì)量和達(dá)成產(chǎn)能。

機(jī)電修造公司從1989年就開(kāi)始使用沖天爐生產(chǎn)鑄鐵陽(yáng)極模，在長(zhǎng)期實(shí)踐中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)研究認(rèn)為以此方式為基礎(chǔ)進(jìn)行生產(chǎn)符合公司實(shí)際，但必須對(duì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng)新突破。通過(guò)2010年至今的努力，鑄鐵陽(yáng)極模的澆銅量持續(xù)提高，課題通過(guò)大冶有色金屬集團(tuán)公司合格驗(yàn)收，公司和用戶均取得良好經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，結(jié)構(gòu)改進(jìn)獲得一項(xiàng)國(guó)家實(shí)用新型專利[1]。

1　陽(yáng)極模失效模式分析

1.1陽(yáng)極模技術(shù)參數(shù)

我們公司的陽(yáng)極模的材質(zhì)為共晶灰鑄鐵，最大外形尺寸為1 410×1 355×225（mm），鑄件毛坯質(zhì)量為2 000 kg，壁厚在50～200 mm。

1.2質(zhì)量要求

1.2.1外觀質(zhì)量要求

通過(guò)其澆注的陽(yáng)極板要求澆鑄厚度一致、表面平整、無(wú)飛邊、毛刺，工作面的平面度控制在2 mm之內(nèi)。對(duì)應(yīng)的陽(yáng)極模工作面不能滿足脫模劑平敷的要求，澆注的陽(yáng)極板達(dá)不到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，陽(yáng)極模即失效。

1.2.2功能質(zhì)量要求

在滿足上述外觀質(zhì)量要求和在200～1 200 ℃的長(zhǎng)期交變溫度作用的前提下，陽(yáng)極模能夠達(dá)到合同約定的全年平均澆銅量。

1.3主要失效模式及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

通過(guò)長(zhǎng)期對(duì)用戶返回的失效報(bào)廢陽(yáng)極模的觀察，發(fā)現(xiàn)陽(yáng)極模的失效模式主要有兩類。一類是工作面在較長(zhǎng)時(shí)間使用后整體的熱龜裂或侵蝕剝離；二是短時(shí)間使用后不久就很快出現(xiàn)或者持續(xù)擴(kuò)展的穿透性裂紋。其中這種穿透性裂紋導(dǎo)致陽(yáng)極模失效報(bào)廢的比例大致占總數(shù)的20%～30%，穿透性裂紋出現(xiàn)的主要區(qū)域走向及其概率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)圖1和表1。

1.4失效模式淺析及處理思路

針對(duì)上述主要失效模式，我們認(rèn)為：對(duì)第一類失效模式主要通過(guò)材質(zhì)研究予以改善；對(duì)于第二類失效模式，主要從結(jié)構(gòu)改進(jìn)達(dá)到減少或者延遲穿透性裂紋的產(chǎn)生，這是本文的研究?jī)?nèi)容。

圖1　陽(yáng)極模失效穿透性裂紋出現(xiàn)的主要區(qū)域及走向

表1　陽(yáng)極模失效穿透性裂紋出現(xiàn)的主要區(qū)域及走向統(tǒng)計(jì)

2　改進(jìn)歷程

2.1第一階段

2.1.1改進(jìn)方案設(shè)計(jì)

(1)我們從圖1可以注意到出現(xiàn)1、2的兩個(gè)區(qū)域和走向的裂紋基本都是由頂針孔邊沿開(kāi)始的，這是因?yàn)轫斸樋捉咏ぷ髅娴腻F形將通過(guò)加工達(dá)到與頂針的配合精度要求。使用過(guò)程中頂針孔既在落水點(diǎn)附近，又反復(fù)受到頂針的機(jī)械沖擊，加工后形成的銳角讓這個(gè)部位的應(yīng)力集中和應(yīng)力敏感性更加突出，所以考慮在此處鑲鑄一個(gè)預(yù)先加工的頂針孔部件。

(2)為達(dá)到陽(yáng)極板在到達(dá)頂板機(jī)部位降低到塑形變形溫度以下和整體模溫降低，在銅液澆注后就會(huì)對(duì)陽(yáng)極模工作面的背面進(jìn)行水冷，但在數(shù)小時(shí)連續(xù)作業(yè)的夏天要達(dá)到這個(gè)效果就有困難，往往就會(huì)在頂起前和頂起過(guò)程中對(duì)赤紅的陽(yáng)極板直接打水冷卻，冷卻水就可能通過(guò)陽(yáng)極模和陽(yáng)極板接觸面分離后形成的間隙直接急冷陽(yáng)極模工作面，這樣會(huì)加劇陽(yáng)極模工作面裂紋的形成，所以我們考慮通過(guò)在陽(yáng)極模背部挖出凹槽并形成散熱肋，設(shè)想在陽(yáng)極模制造和使用過(guò)程中均能既提高陽(yáng)極模結(jié)構(gòu)強(qiáng)度又能加強(qiáng)陽(yáng)極模散熱能力。

2.1.2改進(jìn)結(jié)果

(1)穿透性裂紋導(dǎo)致陽(yáng)極模失效報(bào)廢的比例以及裂紋的走向、部位沒(méi)有沒(méi)有明顯變化，而且失效時(shí)平均澆銅量下降10～20 t/塊。

圖2　陽(yáng)極模第一階段結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的對(duì)比圖

(2)部位和走向?yàn)?、2的裂紋在頂針孔處的裂紋起始位置由原來(lái)頂針加工面移出至頂針孔鑲件與陽(yáng)極模本體在工作面上的結(jié)合位置。

2.1.3結(jié)果分析

(1)在使用過(guò)程中，在高溫下鑄鋼鑲件的收縮比例與鑄鐵陽(yáng)極模不能達(dá)到一致性，是設(shè)想從頂針孔止住裂紋源產(chǎn)生不能實(shí)現(xiàn)的原因。

(2)支撐面的凹槽及散熱肋的結(jié)構(gòu)、尺寸以經(jīng)驗(yàn)確定，對(duì)鑄件的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)、應(yīng)力釋放，特別是達(dá)到散熱與蓄熱的平衡缺乏確切的數(shù)據(jù)支撐。我們認(rèn)為該措施需要今后深入研究。

2.2第二階段

2.2.1結(jié)構(gòu)再分析

第一階段結(jié)構(gòu)改進(jìn)沒(méi)取得預(yù)期效果，我們改變了思路，對(duì)陽(yáng)極模結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行了分析和總結(jié)。

(1)首先我們認(rèn)為除工作面以外，其余鑄造圓角未明確適應(yīng)本鑄件作為耐熱鑄件（最高承受短時(shí)1 200 ℃）的要求，應(yīng)針對(duì)性予以設(shè)計(jì)。

(2)上端部的壁厚在三維方向上都明顯超過(guò)周圍區(qū)域，這樣該部位在鑄件冷卻過(guò)程將明顯慢于其它部位，給附近部位的附加拉應(yīng)力，而在使用過(guò)程該處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度明顯大于周圍，應(yīng)力的釋放將通過(guò)周圍以前述1、2部位裂紋出現(xiàn)進(jìn)行［5］。

(3)兩側(cè)壓塊主要功能有兩個(gè)。一個(gè)是將陽(yáng)極模在圓盤上壓住固定，另一個(gè)是起到加強(qiáng)肋的作用。但是該壓塊與陽(yáng)極模本體連接的圓弧都較小，而且用戶后來(lái)使用放棄了此處壓塊第一個(gè)功能，這樣此處結(jié)構(gòu)可以在保持第二個(gè)功能的同時(shí)，盡可能以大的圓角過(guò)渡以減少和釋放應(yīng)力。

(4)下端面貫穿而出的裂紋主要有3、4兩種形式，分析此處強(qiáng)度應(yīng)加強(qiáng)，也應(yīng)加大下端面與兩側(cè)面的圓角過(guò)渡，兼顧避免澆注銅液過(guò)程中有從上端面方向過(guò)來(lái)的銅液漫過(guò)下端面的現(xiàn)象的發(fā)生。

(5)其余部位：鑄造分型面不以圓角過(guò)渡外，其余部位都盡可能以較大圓角過(guò)渡。

(6)所有鑄造內(nèi)外圓角和鑄造斜度均按照機(jī)械工業(yè)部頒標(biāo)準(zhǔn)［3］～［5］中的R≥（1/12～1/6）(a+b)等公式作為計(jì)算依據(jù),并且實(shí)體UG建模無(wú)誤，在此前提下向上限具體取值。

2.2.2具體改進(jìn)方案（如圖3所示）

圖3　陽(yáng)極模第二階段結(jié)構(gòu)改進(jìn)的效果圖

(1)根據(jù)上端面工作面內(nèi)輪廓形狀按照壁厚均勻性本可設(shè)計(jì)成“ㄩ”字形狀，但是考慮此處是陽(yáng)極模在澆注圓盤上的定位壓緊點(diǎn)，所以設(shè)計(jì)成“山”字形狀。

(2)“兩側(cè)壓塊”的鑄造圓角除R1=100 mm外，其余均取R=50 mm，R1處取值不以相關(guān)公式為限定，以盡可能大的圓角平滑過(guò)渡釋放應(yīng)力克服出現(xiàn)部位為2的裂紋。

(3)在下端部及兩側(cè)下部設(shè)置一道40×30（mm）的隨形擋水墻結(jié)構(gòu)，工作面上沿內(nèi)外側(cè)及擋水墻各處取R=10 mm。

(4)除前述外，鑄件外側(cè)除R1=100 mm外，其余為R30～50 mm。

2.3改進(jìn)效果

(1)穿透性裂紋導(dǎo)致陽(yáng)極模失效報(bào)廢的比例大致由原來(lái)占總數(shù)的20%～30%下降到10%～15%。

(2)出現(xiàn)穿透性裂紋的時(shí)段由原來(lái)的50～60 t/塊延緩至120～130 t/塊。

(3)穿透性裂紋導(dǎo)致陽(yáng)極模最終失效的時(shí)段由原來(lái)的150～170 t/塊延緩至240～260 t/塊。

(4)穿透性裂紋的走向和部位由前述的規(guī)律性轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)明顯規(guī)律。

3　結(jié)論

作為耐熱鑄件的陽(yáng)極模的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，在充分分析鑄件結(jié)構(gòu)的前提下，盡可能使鑄件壁厚均勻、較大圓角過(guò)渡，可以很好減少和釋放鑄造和使用過(guò)程中的應(yīng)力集中，遲滯穿透性裂紋的產(chǎn)生，對(duì)提高陽(yáng)極模澆銅量效果明顯。

［1］ 一種山字頂鑄鐵陽(yáng)極模［P］.中國(guó).B22C9/06ZL.CN 203711770U. 2014.07.16

［2］ 劉云峰，沈丙振.大型輪帶鑄造中的應(yīng)力預(yù)測(cè)［J］.鑄造工程，2011（6）：26-27.

［3］ JB/ZQ4255-86，鑄造內(nèi)圓角［S］.

［4］ JB/ZQ4256-86，鑄造外圓角［S］.

［5］ JB/ZQ4256-86，鑄造斜度［S］.

［6］ 李輝，李志強(qiáng).鑄造過(guò)程中的應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬［J］.中國(guó)鑄造裝備與技術(shù), 2007（6）.

［7］ 譚雁清,李日,王斌,等.鋁合金壓鑄模具溫度場(chǎng)模擬與節(jié)點(diǎn)熱應(yīng)力分析［J］.中國(guó)鑄造裝備與技術(shù), 2009（6）.

Application of structural improvement in improving the quality of anodic mold

ZHU HongXue,SHI XiaoFeng,HUANG Bin,LIU ZhengYao,CHEN JinJun
（Daye nonferrous electromechanical Manufacturing Co., Ltd.,Huangshi 435005,Hubei, China)

Improving the quality of anode mold (ie pouring copper content) series of improvement activities, use of anode mold conditions, failure modes and casting structure is analyzed, and the casting structure has been improved.In the two phase of the improvement process， there are three kinds of cases， such as the confrmation of invalid measures， the pending further measures and the confrmation of effective measures. In the end， the casting structure improved with other measures to improve the quality of the anode mold, together with the results of the average 260 ～ 280 t/P. of the copper content in the anode.

Anode mold;Failure Analysis;Structure Improvement;Pouring of copper content

TG24；

A；

1006-9658（2015）06-0030-03

10.3969/j.issn.1006-9658.2015.06.009

2015-07-29

稿件編號(hào):1507-1012

朱宏學(xué)（1974—），男，高級(jí)工程師，研究方向：產(chǎn)品研發(fā)、技術(shù)改進(jìn)、項(xiàng)目和質(zhì)量管理.