25
M
etallurgical smelting
冶金冶炼
杨 辉，吴 森
（中铜东南铜业有限公司，福建 宁德 352000）
摘 要：
本文通过针对铜冶炼用铜模在使用过程中存在变形、起皮、气孔等问题提出了铜模表面渗铝强化，添加稀土元素变质剂细化晶粒的方法改善铜模浇铸质量，从而延长铜模的使用寿命。经理论研究表明，此三种方法在铜冶炼用的大型消耗铸件具有可行性和可操作性，成本低，效果良好。 关键词：
铜模；渗铝；铸渗法；晶粒细化中图分类号：TF811 文献标识码：A 文章编号：
11-5004（2021）16-0025-2收稿日期：
2021-08作者简介：杨辉，男，生于1988年，四川广安人，本科，冶金工程师，研究方向：铜冶炼技术管理。
1 背景
在铜的火法冶炼中，阳极板的浇铸是火法冶炼见证成果的
过程，也是连接火法和湿法冶炼工序的重要一环。经统计对比，阳极板浇铸用模具成本约占阳极铜加工成本的10%左右，因此，模具种类的选择和其使用寿命是该降本增效方向的主要突破口之一。
目前国内使用的阳极板模具材质主要有三种：铸钢、阳极铜、纯铜。钢模浇铸出的阳极板外观规整，脱模剂用量少，不易出现粘模，但必须进行2~3次的堆焊修补才能确保其使用寿命，如不保修则维修费用较大。为了满足钢模维修周转，其采购总量必须为生产使用量的1.5~2倍，投资大，积累资金较多，所以业内使用租赁的使用形式较多，约25元/吨阳极铜。为降低生产成本，目前国内阳极板浇铸的多数铜冶炼厂一般采用纯度大于98.5%的阳极铜浇铸用于阳极板浇铸的模具，即铜模，个别工厂也有使用电解铜浇铸，铜模的制造和使用如图1所示。虽然铜模浇铸成本低，废铜模也可再熔铸，但铜模
在浇铸时易出现各种缺陷，以及其本身的物理性质的原因使得其在使用中会产生如粘模、变形、龟裂等问题，
二节滑轨影响使用寿命和降低阳极板浇铸合格率。
石材雕刻刀
图1 铜模制造和使用图
铜模使用寿命是铜冶炼阳极精炼工序较为重要的经济技术
指标，因此，本文将从铸渗法表面渗铝强化技术、稀土晶粒细化强化技术两个方面为提高铜模铸造质量和使用寿命提供一定的创新优化思路。 2 渗铝表面强化技术
因铜的硬度低、耐磨性差、高温易氧化的理化性质和母模表
面存在吸气或铜液过还原的原因，在浇铸铜模时模面会出现侵入性气孔，致其结构不致密，使用过程中易出现铜模表面粘模、脱皮和龟裂等现象。因此，将铜模表面合金化是延长铜模使用寿命的一个有效手段。目前，行业多采用激光覆熔和热喷涂技术对基体材料表面进行合金化改造，尺寸精度高、渗透均匀性好，质量稳定。就铜模浇铸方式和浇铸工艺操作流程和要求来看，铸渗法则是铜模表面合金强化的首选方式。铝-铜合金则相对于纯铜来说具有良好的抗高温氧化性、耐腐蚀性，耐磨性以及较高的硬
度和软化温度[1]
音调电路
。然而渗铝技术是上世纪发展起来的金属表面防护手段之一，金属表面尤其是纯铜、钢铁等渗铝后能赋予金属表面以优异的使用性能，如抗高温氧化、耐腐蚀、耐磨等等[2]。
从简化作业流程和降低成本角度出发，铜模模面的铸渗渗铝作业可在铜模浇铸前对其浇铸的母模浇铸板面上喷涂上2mm 左右后的炭黑粉作为脱模剂，再均匀涂抹一层5mm 左右厚的铝粉（渗铝剂）和NH 4Cl （催渗剂）混合浆，也可加入粘结剂NJB 增加混合浆的粘结效果。待母模烘烤干燥后即可进行浇铸，铜液浇铸温度应为1210~1230℃为宜。经打磨、抛光和蚀刻后可看到形成的合金微观结构如图2所示。
当铜液进入母模后，涂抹的铝粉因铜液的温度而熔化(铝的熔点为660℃)，遂开始在接触母模表面后开
始凝固的铜层开始扩散、渗入，进而形成铝青铜合金层，如图2（a.b）。铝在渗入铜液后也可进行内氧化生成Al 2O 3陶瓷颗粒，如图2（c）。当然，根据扩散理论，也存在相互渗透、扩散的情况，渗入聚集的大铝相中也存在相互渗透的Cu 颗粒，如图2（d）。根据铝青铜和纯铜的物理力学性能可知，形成的合金层的铝青铜在原纯铜的基础上提高了抗高温氧化性、耐磨性和软化温度等物理性能。且内氧化生成的Al 2O 3则对铜模起到弥散强化的作用，形成的Cu-Al 2O 3复合材料在耐磨性以及抗氧化性上也均优于纯铜。如能有一定的数据进行比对就更好。
此项技术在保证铜模本体良好的导热散热性能的同时，通过表面渗铝合金强化提高了铜模的表面质量的同时也提高了铜模表面的耐蚀性、抗氧化性以及耐磨强度和软化温度，缓解了生产和使用中的气孔、粘模和氧化龟裂的问题。
3 晶粒细化强化技术
铜模的质量影响其使用寿命，但材料的宏观性能是由其微
观结构决定的。均匀细小的等轴晶体组织可使金属在机械加工性能、导电导热性能以及耐腐蚀性能上有所提升。如铜模在铸造凝固的过程中因内部杂质、压力以及模具设计等原因造成偏析、夹杂、缩孔以及柱状晶多、晶体粗大等问题，导致铜模内部应力
M etallurgical smelting 冶金冶炼
增加、缺陷多，从而铜模在宏观上表现出易变形和龟裂的特征。
晶粒细化既能提高材料的强度，又能提高材料塑性，同时也能显著提高其力学性能，通过不同的手段细化晶粒是控制和改善铜及其合金组织，提高材料性能的重要途径[3]。目前晶粒细化的手段主要有变质剂法、快速凝固法、形变处理法和电脉冲孕育处理法几种。根据铜模的铸造和使用条件以及结合生产成本控制，本文认为在铜模铸造时添加变质剂是最经济有效和低劳动强度的晶粒细化强化方式。
在铜合金中铁、钛、锌、锆、硼、铝等元素作为变质剂有较广的应用，但在纯铜中目前还鲜有报道。近年来，多数学者和团队已通过采用稀土金属作为变质剂来达到了净化铜液、细化晶粒组织，防止纯铜出现铸件偏析的目的。施瑞鹤等对铜液中加入一定量的稀土元素后使铜液的流动性得到增加。东南大学的毛向阳经分析研究后认为稀土元素有强烈的脱氧脱硫作用，可净化组织、细化组织、改变夹杂物分布，从而改善铜的加工性能 、耐蚀耐磨性能, 机械性能及导电性能等。陈颢等人将稀土元素用于紫杂铜的除杂以提高铸锭晶粒细化程度，改善力学性能。
综上可知，添加稀土元素作为变质剂可使铜模晶粒细化，降低或消除铸造柱状结晶以及铜模内应力。随着流动性的提高，铸造性能也将提高，减少铸造时内部缩孔、表层冷隔的问题。同时，变质剂在铜液中反应生成的高熔点化合物，一方面可除氧除硫，另一方面也可形成弥散强化作用，提高铜模机械性能，减少热裂、变形现象发生。但铜的火法冶炼的目的是为后续电解精炼提供物理化学指标合格的
阳极板，还应考虑添加的变质剂元素对电解过程是否造成影响。南昌大学刘国明等人经研究发现在铜液中加入0.05wt%的La和Y可提高铸态纯铜的电导率，且稀土元素与铜反应生成化合物分布在铜基晶体内。由此可知，稀土元素对电解过程中的阳极板导电不会产生影响，加之稀土元素化合物烧损量大，溶于含H2SO4的电解液中后亦不会形成漂浮物附着在阴、阳极板上造成长粒子和阳极钝化。
因此，根据生产和操作需求只需在摇炉灌包时在溜槽铜液中投掷颗粒/块状的稀土合金即可，当铜液面达到总量和温度要求时可直接浇铸，与正常铜模浇铸无异。值得注意的是，在灌包结束后可稍许静置，一方面利于稀土元素的扩散均匀化，更大程度的脱杂，另一方面降低温度可大大降低铜液含气量，同时可减少铸模过程中中间缩孔的大小和降低铸造内应力的产生。脱模结束后可将模面正面放置，提高模面降温速度，降低晶粒尺寸，减少晶界脆性金属（化合物）的偏聚现象。此部分适当加强，如投入数量及成本等进行相应的描述。
经添加稀土元素细化晶粒和净化杂质后的铜模，可大大降低内部缺陷和热应力，减少因晶界存在偏析和热蠕变造成的开裂和变形的问题，减少了人员修理和更换的工作量，也降低了切割、重熔铸的处理费用。
4 结语
铜模的使用寿命与其形状设计、铸造工艺以及使用参数控制有关，但也可通过优化其物理微观结构、
强化表面质量以及消除宏观内部应力来提升其使用性能和使用寿命。本文仅将在其他行业运用较为成熟的渗铝表面强化和晶粒细化技术在传统的铜冶炼中实际应用的可行性进行论述，为提出可行的铜模使用寿命创效优化措施提供思路。
参考文献
[1] 徐金文.纯铜渗铝工艺及渗铝铜耐蚀性能的研究[D].华中科技大学,2005.4-6.
[2] 卢燕平，于福洲.渗镀[M]，北京：机械工业出版社,1985.1.
[3] 吴卫华.铜及铜合金晶粒细化方法的研究现状[J].金属材料与冶金工
压铸机料筒的设计程,2006,34(005):44-48.
图2 渗铝处理显微组织结构
高压变频柜
a.渗铝层组织结构；
b.渗铝层与基体界面；
c.基体中弥散的Al2O3球形颗粒；
d.渗铝相中Cu颗粒。仿真假山
26
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议