铜冶炼新型钢模的应用

黄 堃

（江西铜业集团（贵溪）冶金化工工程有限公司，江西 贵溪 335424）

1 引言

火法炼铜是当今生产铜的主要方法，世界上80%以上的铜是用火法从硫化铜精矿中提取的。火法炼铜最突出的优点是适应性强，能耗低，生产效率高。从硫化铜精矿提取铜的工艺流程如图1。

图1中火法精炼后产出阳极铜的工序，普遍是通过固定溜槽将铜水引入阳极铜浇铸设备，以圆盘自动定量浇铸机为例，依次经中间包系统、浇铸包系统、圆盘系统和提取系统，批量产出阳极铜，其中铜水进入浇铸设备上是通过成形模具盛装，在圆盘系统和提取系统的运转过程中冷却成形［1］。

图1 火法炼铜工艺流程

成形模具分浇铸铜模、铸铁模和铸钢模几类，它们在造价、使用成本、产品质量和自身寿命上均有差异，成形模具的寿命和质量，直接影响了生产 成本和产品质量稳定性。

2 传统模具分析

目前，铜冶炼阳极铜浇铸采用钢（铸铁、合金钢）模和铜模两种类型，其中私营企业及小厂采用钢模居多，一些大型国有企业使用铜模。

2.1 铜模的应用特点

使用铜模的企业均是用自己工厂精炼工序产出的铜水浇铸制造，具有以下特点：

（1）需要在精炼工序现场配置专门的生产场地和操作人员，通过溜槽倒入浇铸用设备，或者用行车吊运钢包倒入铸钢母模［2］；

（2）对浇铸工艺有要求，钢母模首次铸模前须进行热处理，一般采用烘烤方法，防止母模在冷态时骤然接触高温溶体后局部变形造成浇铸的铜模出现物理缺陷，浇铸过程中尽量一次性完成［3］；同时要控制铜水的浇铸温度，否则浇铸出的铜模质量会有差异，从而会影响铜模寿命和产出阳极铜的质量；

（3）铜模在使用过程中，因其与熔融态阳极铜主要成分相同，若直接接触，两者直接融合粘合在一起，可能导致铜模及阳极板全部报废［4］，因此必须保证脱模剂的用量和喷涂效果；

（4）因铜模与熔融态阳极铜主要成分相同，生产出的阳极板在物理规格上较钢模稍差，同时脱模剂易附着在阳极板表面，对电解和后续的阳极泥处理有影响；

（5）使用成本主要有：铜模浇铸与回炉冶炼成本、铸钢母模采购成本、铸钢母模使用后期的修复成本、脱模剂的使用成本和铜模造成的资金积压。

2.2 钢模的应用特点

使用铸铁模和铸钢模的企业均是外购模具，其中铸铁模价格便宜，但使用寿命低，综合来说不如铸钢模，铸钢模的应用与铜模对比，有以下特点：

（1）无需配置模具的铸造场地和人员，现场配置更加精简，减少安全环保投入；

（2）由专业厂家批量制作，更能保证模具的品质，不需每天在精炼工序留取合适的铜水浇铸；

（3）钢模只需使用少量脱模剂就能满足生产，因此阳极板表面附着的脱模剂少，对电解和后续阳极泥处理影响小；

（4）钢模在成分上与熔融态阳极铜不一样，生产出的阳极板在物理规格上较铜模好；

（5）使用成本主要有：钢模的采购成本和少量脱模剂的使用成本。

2.3 适用场合

通过分析，铜模和钢模各有特点，使用铜模会造成企业的约1000万元（以铜价5万元/t，单系统50块铜模，每块4t估算）的资金积压，其他的综合生产成本较低；使用钢模只需支付模具的采购成本，但是需外委制作，回收价值低，综合生产成本较铜模高。另一方面，钢模在阳极板质量和对后续电解等工艺的影响方面，则具备优势。

3 新型模具设计

新型模具介绍可多用图纸分析。

两种传统模具各有优势，如果能提高钢模的使用寿命，降低阳极铜综合生产成本，钢模将比铜模更具备应用价值。

钢模在铸造时含有杂质，各厂家在制造工艺方面水准不一，容易导致钢模品质有差异；同时在阳极铜浇铸过程中，因钢的导热性比铜较差，需要有比铜模更好的冷却系统，保证模温不会过高。

我们从这两方面着手，设计了一种新型钢模，以提高钢模的使用寿命：首先要提高制造水平，减少杂质，添加一些有利于铸钢高温疲劳性能的有益元素；其次，将传统喷淋冷却的模式，更改成管道循环水的模式，直接接触钢模内部，同时在钢模下方设置水槽，浸泡冷却，进一步提升冷却效果，见图2。

图2 新型钢模结构示意

如图2所示，在钢模内部增加循环水管路后，可利用冷却循环水带走钢模内部的热量，对比之前没有循环水的钢模，能明显提升散热效果，改善钢模只有表面喷淋水冷却，而钢模内部冷却效果差的问题，保证生产浇铸过程中钢模的温度偏差不大，提高了钢模的寿命。

4 实践测试

我们在贵溪冶炼厂倾动炉车间进行了两块新型模具的试用，将原有铜模替换成新型钢模，把冷却水管接入钢模循环水接口，溢出的冷却水通过排水沟回到车间冷却水池，见图3。

图3 生产现场情况

浇铸模具在生产中处于运行状态，而新型钢模采用冷却元件的冷却方式，需保障连续供水的模式。这就要求在原固定供水系统上采用活动的连接方式，使模子内部始终保持冷却水的流动，在圆盘的中心位置进行一个动态连接。

从2020年6月8日至9月28日，用钢模生产了110炉，1号钢模浇铸量1320t，2号钢模浇铸量1296t。共完成单块重量为397kg的阳极板浇铸2616t，阳极板物理合格率达到98.88%。

在使用过程中测试出了钢模循环水的需求量，为钢模的全面应用和设计提供了依据；同时发现了循环水形式的钢模与铜模在水平度调整方式上存在差别，后续将增加钢模水平度的调整结构，提高生产时的操作效率。

5 结语

阳极铜浇铸过程中，由于模子结构简单、模温控制与调节比较困难，普遍存在使用寿命短、生产成本高、阳极板质量波动大等诸多问题。目前钢模及铜模使用寿命大约400～600t（180kg/块小阳极板约2200块，398kg/块大阳极板约1500块）；贵冶火法生产车间通过不断努力和技术攻关，铜模使用寿命超过1000t（397kg/块大阳极板约2700～3000块）。

本文所述新型模具通过对浇铸循环水的优化、铸造技能的提升等措施，将钢模的使用寿命提高到1200t，同时还避免了铜模在使用后期因变形和开裂所出现的阳极板厚薄不均，背筋增多的不良现象，将阳极板浇铸质量提升到新的高度，为电解工序降低生产成本及提高电铜品质打好坚实的基础，为贵金属富集和提炼提供更纯净优质的原料。