李楓，沈強(qiáng)華，馬濤，孫安平，陳雯(昆明理工大學(xué)，云南昆明 650093)

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影響陽(yáng)極銅澆鑄模使用壽命的因素探討

李楓，沈強(qiáng)華，馬濤，孫安平，陳雯
(昆明理工大學(xué)，云南昆明 650093)

摘要：介紹了陽(yáng)極銅模失效的基本形式和機(jī)理，對(duì)影響銅模使用壽命的主要因素進(jìn)行了分析，指出陽(yáng)極銅里雜質(zhì)的存在、澆鑄氣孔的產(chǎn)生、模溫控制及脫模劑性能的單一是影響銅模使用壽命的主要因素，并探討了提高模具使用壽命的措施。

關(guān)鍵詞：銅陽(yáng)極板；模具壽命；失效；澆鑄

0　前言

國(guó)內(nèi)火法煉銅流程中的陽(yáng)極銅澆鑄通常采用圓盤澆鑄機(jī)，使用的模具大致分為鋼模、陰極銅壓鑄銅模、陽(yáng)極銅澆鑄銅模。鋼模性能穩(wěn)定，抗沖擊性及耐腐蝕性優(yōu)異，不需用脫模劑，但是失效后修復(fù)和重鑄的難度大；采用陰極銅通過壓鑄方式制成的銅模，表面平整光滑，質(zhì)地均勻，使用壽命長(zhǎng)，但是陰極銅壓鑄成本高[1]；采用陽(yáng)極銅澆鑄銅模有設(shè)備簡(jiǎn)單、澆鑄成本低、銅模失效之后回爐方便的優(yōu)點(diǎn)，盡管陽(yáng)極銅模使用壽命偏短，還是為大多數(shù)煉銅企業(yè)采用。

銅模的使用壽命直接影響到模具的維修和加工成本，關(guān)系到其所澆鑄的陽(yáng)極板物理規(guī)格，對(duì)電解作業(yè)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也產(chǎn)生重要影響。提高銅模質(zhì)量、延長(zhǎng)銅模的使用壽命是煉銅企業(yè)關(guān)注的問題。本文以陽(yáng)極銅澆鑄銅模為研究對(duì)象，重點(diǎn)討論陽(yáng)極銅模失效的原因、分析影響其使用壽命的因素。

1　陽(yáng)極銅模失效的形式與原因

1.1陽(yáng)極銅模失效的形式

1.2陽(yáng)極銅模失效的原因

1.2.1陽(yáng)極銅模變形的原因

（1）銅模材料軟化：銅的軟化溫度小于200 ℃，澆鑄過程中，銅模溫度多在200 ℃以上，由于銅模冷卻、散熱較差，銅模材料會(huì)發(fā)生軟化，強(qiáng)度下降[2]。

傳熱受溫差、材料導(dǎo)熱率、材料厚度共同影響。對(duì)于厚度為b、面積為S、溫差為Δ t的平壁傳熱，有導(dǎo)熱速率：

式中，λ為Cu銅的熱導(dǎo)率，取值383.8 W/m·K。同樣條件下，材料（陽(yáng)極銅模）越厚，熱阻越大，導(dǎo)熱速率越小，銅模越易軟化。

（2）銅模材料蠕變：金屬材料的另一失效形式為蠕變，它發(fā)生在溫度大于0.3Tm（熔點(diǎn)溫度）的條件下。因?yàn)镃u的熔點(diǎn)溫度Tm=1 356 K，所以在高于407 K時(shí)蠕變已經(jīng)非常顯著。而已經(jīng)實(shí)測(cè)到澆鑄時(shí)銅模的外延已經(jīng)達(dá)到473 ℃。銅模材料發(fā)生蠕變?cè)斐摄~模變形和強(qiáng)度下降。

（3）熱應(yīng)力：現(xiàn)有冷卻系統(tǒng)對(duì)銅模冷卻不充分、不均勻，每個(gè)圓盤設(shè)有底部冷卻噴頭，但不能調(diào)節(jié)其個(gè)數(shù)、水量、位置，銅模內(nèi)、外側(cè)溫度差大，銅模在不均衡受熱情況下產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力不均造成變形、開裂。而且銅模無(wú)系統(tǒng)的預(yù)熱處理，每爐出料時(shí)間間隔較大，銅模在此周期間溫度變化也較大，造成銅模應(yīng)力累積增加，產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，造成模具的斷裂。

1.2.2陽(yáng)極銅模的粘連原因

1.2 方法 所有入選者均于清晨空腹采血6 mL，分裝入兩個(gè)無(wú)熱源及內(nèi)毒素的清凈試管，一管送生化檢驗(yàn)室用免疫比濁法測(cè)定肝功、空腹血糖、血甘油三酯、血尿酸，并用酶聯(lián)免疫吸附法檢測(cè)肝炎血清標(biāo)志物，另一管選用EDTAK2管，抽血2 h內(nèi)送流式細(xì)胞術(shù)檢驗(yàn)室檢測(cè)CD4+CD25+T細(xì)胞百分率（檢測(cè)試劑購(gòu)自貝克曼庫(kù)爾特公司，CD4-FITC編號(hào)YZB/FRC 0773-2011，CD25-PE編號(hào)YZB/FRC 0041-2011，均為100測(cè)試/瓶）。嚴(yán)格按照說明書進(jìn)行操作。

銅模與銅液（陽(yáng)極板）發(fā)生粘連的部位基本都在以銅液與銅模初始接觸點(diǎn)開始沿最大流動(dòng)方向（縱向）長(zhǎng)約100～150 mm、寬50～80 mm的范圍內(nèi)，發(fā)生粘連的原因：（1）相似者相溶造成銅模與銅液相溶；（2）脫模劑隔離效果欠佳。

1.2.3銅模分層、開裂的主要原因

如果澆鑄銅模時(shí)不能一次完成一個(gè)銅模的澆鑄（澆銅模包子容積小于銅模），則容易造成銅模氣孔較多和分層的缺陷。銅模經(jīng)過反復(fù)的熱沖擊（熱脹冷縮）以及機(jī)械沖擊產(chǎn)生材料疲勞，最后導(dǎo)致銅模產(chǎn)生開裂、起皮，進(jìn)而失效。

陽(yáng)極銅里雜質(zhì)的影響。用陽(yáng)極銅澆鑄出的銅模與陰極銅澆鑄出的銅模本質(zhì)差異在于銅的結(jié)晶組織。陽(yáng)極銅里含有雜質(zhì)較高，由于銅液里鉛和鉍的溶解度很小，固態(tài)時(shí)鉛在銅中的溶解度不超過0.10%[3]，所以兩者是機(jī)械混合物。銅鉛結(jié)晶溫差大，銅在960～1 000 ℃開始結(jié)晶，而鉛要降溫到326 ℃才結(jié)晶，銅凝固時(shí)產(chǎn)生的收縮力將液態(tài)鉛向結(jié)晶順序方向驅(qū)趕，形成順序偏析。如果鉛呈連續(xù)的網(wǎng)狀或枝晶狀組織，而不是球狀或點(diǎn)塊狀組織，則鉛將銅晶體分割成許多碎塊，在陽(yáng)極板連續(xù)澆鑄過程中陽(yáng)極母模反復(fù)溫變，母模上部的銅晶體界面容易出現(xiàn)熱脆，加速母模損壞。陽(yáng)極銅里的鉍產(chǎn)生的危害與鉛一樣。陰極銅里鉛鉍雜質(zhì)極少，用陰極銅制備的母模銅結(jié)晶組織完整，使用壽命更長(zhǎng)。

現(xiàn)行的用陽(yáng)極銅澆鑄銅模工藝會(huì)在銅模中產(chǎn)生明顯的氣孔，銅模里的這些缺陷在以后澆鑄陽(yáng)極板過程中，隨著熱應(yīng)力及內(nèi)應(yīng)力的變化而擴(kuò)大，最終導(dǎo)致銅模開裂、變形而失效。

另外，銅液溫度過高、澆包與銅?？臻g位置不合理出現(xiàn)銅液沖擊力大和沖擊點(diǎn)集中也是導(dǎo)致銅模使用壽命短的因素。

2　提高陽(yáng)極銅澆鑄銅模壽命的措施探討

2.1陽(yáng)極銅有害雜質(zhì)的行為控制

提高陽(yáng)極銅模的壽命，生產(chǎn)實(shí)踐中要關(guān)注母模及陽(yáng)極板澆鑄過程中影響銅結(jié)晶組織的關(guān)鍵因素，力爭(zhēng)降低陽(yáng)極銅里的鉛鉍含量，并對(duì)陽(yáng)極銅里的殘留鉛在澆鑄時(shí)的結(jié)晶行為進(jìn)行控制，得到球狀、點(diǎn)塊狀的鉛結(jié)晶組織，提高母模質(zhì)量，也能降低陽(yáng)極板耳部脆斷現(xiàn)象。

2.2陽(yáng)極銅澆鑄氣孔率的控制

一般情況下，金屬銅液中能溶解一部分的氣體，如氫氣、氧氣、二氧化硫等。在銅液冷卻成型時(shí)，溶解在銅液中的氣體則會(huì)從銅液內(nèi)部往金屬結(jié)晶界面的邊界大量富集，最后在銅固液兩相界面之間的合適的位置聚集長(zhǎng)大形成氣泡[4]。根據(jù)冷凝條件的不同，一部分氣體在形成氣泡之后會(huì)逐漸聚集形成大氣泡然后從液體表面逸出造成鑄件表面有氣孔；另一部分氣體在形成氣泡之后沒能及時(shí)從液相面逸出則會(huì)停留在成型的鑄件內(nèi)部造成內(nèi)部空洞。當(dāng)氣泡附著在逐步向液體推進(jìn)的固體表面而長(zhǎng)大時(shí)，如果長(zhǎng)大的速度與界面向前推進(jìn)的速度相等，將會(huì)形成長(zhǎng)軸與界面相垂直的柱狀氣孔；當(dāng)界面推進(jìn)速度快于氣泡的成長(zhǎng)速度時(shí)，氣泡將被固體封閉而形成球形氣孔造成球形空洞[5]，銅模表面的氣孔直接影響到陽(yáng)極板的表面物理規(guī)格[6]。

目前在金屬液中除去氣體的方法主要有惰性氣體法、氧化除氣法、真空除氣法。

惰性氣體法主要使用的是氮?dú)猓∟2）和氬氣（Ar），這類氣體既不溶于銅，也不與銅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。以氮?dú)鉃槔?，使用不銹鋼鋼管以一定的壓力將純凈氮?dú)獯等肴垠w深處，使銅熔體內(nèi)氣泡中的氫氣分壓趨近于零，而溶于氣泡附近熔體中的氫氣分壓遠(yuǎn)大于零，基于氫氣在氣泡內(nèi)外分壓之差，這樣就會(huì)使氣泡周圍溶于熔體中的氫不斷向氣泡內(nèi)擴(kuò)散，而后隨著氣泡的上升、逸出排除到大氣中，達(dá)到除氣的目的[7]。這種方法還有助于銅液中氧化雜質(zhì)的上浮。

2.3脫模劑性能的優(yōu)化

在選擇脫模劑時(shí)要求脫模劑熱穩(wěn)定性好高溫下不易分解；要求其附著力強(qiáng)，脫模劑只有扎實(shí)的附著在銅模上才經(jīng)得住高溫銅液的沖刷從而發(fā)揮隔離作用；另外還要求其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定不與高溫銅液發(fā)生反應(yīng)。改進(jìn)現(xiàn)行脫模劑性能，澆鑄過程中在銅模表面形成適宜的脫模劑涂層，涂層與銅模附著牢固，不易被銅液沖散，在銅液高溫的作用下，能燒結(jié)形成平整致密的燒結(jié)層（陶瓷化燒結(jié)膜），附著于銅模表面，既能保護(hù)銅模，又能在銅模與陽(yáng)極板間起到完全的隔離效果，使陽(yáng)極板與銅模易于分離，降低陽(yáng)極板粘膜情況的發(fā)生，保護(hù)銅模，延長(zhǎng)銅模使用壽命，提高陽(yáng)極板外形質(zhì)量。

2.4重視新銅模表面修復(fù)

對(duì)新母模進(jìn)行表面修復(fù)，采用耐高溫、耐酸蝕、不與熔融銅起反應(yīng)的塑性料處理母模，彌補(bǔ)澆鑄過程中氣孔帶來(lái)的缺陷。

3　結(jié)論

用陽(yáng)極銅澆鑄出來(lái)的銅模使用壽命偏短，原因是多方面的，為了延長(zhǎng)其使用壽命和提高陽(yáng)極板質(zhì)量，加強(qiáng)粗銅火法精煉的脫雜深度包括脫氣是很有必要的；脫模劑功能的強(qiáng)化、新銅模表面缺陷的修復(fù)以及對(duì)銅模進(jìn)行降溫的頂水和底水噴淋要?jiǎng)?chuàng)造出合理的冷卻場(chǎng)，均有助于延長(zhǎng)銅模壽命；銅液溫度控制、銅模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和銅模三點(diǎn)式支撐力矩優(yōu)化也會(huì)對(duì)銅模使用壽命有影響。煉銅企業(yè)火法精煉車間在現(xiàn)有流程的基礎(chǔ)上，進(jìn)行適當(dāng)?shù)募夹g(shù)提升，有望將陽(yáng)極銅澆鑄銅模的使用壽命明顯延長(zhǎng)。

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Factors discussion of affecting anode copper mould working lifetime

LI Feng，SHEN QiangHua，MA Tao，SUN AnPing，CHEN Wen
（Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，Yunnan，China)

Abstract:The basic froms and mechanisms of the anode copper mould failure are introduced in this paper, also, the main factors in affecting the copper mould working lifetime are analyzed. It illustrates that the exist of anode copper impurity, the generation of the casting porosity, the control of the mould temperature and the single performance of the release agent are the key factor to affect the copper mould lifetime. Furthermore, the approach of improving the mould working lifetime are discussed.

Keywords:copper anode sheet;mould life;failure;casting

作者簡(jiǎn)介：李楓（1990—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)橐苯鹉茉垂こ?

收稿日期:2015- 08- 10

DOI：10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.01 .002

中圖分類號(hào)：TG241；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A；

文章編號(hào):1 006- 9658（201 6）01 - 0005- 03

稿件編號(hào):1508- 1032