提高熔铸银阳极板的坩埚使用寿命研究

钟 璠

（江西铜业股份有限公司贵溪冶炼厂，江西 贵溪 335424）

银在自然界中很少量以游离态单质存在，主要以含银化合物矿石存在。银的化学性质稳定，活跃性低，具有良好的抗腐蚀性、导电性和导热性，质软且富有延展性，在现代科学技术领域起到关键的作用。

白银的主要原料是铜阳极泥，通过从铜阳极泥中提取出其它贵金属和除杂，经过银还原得到粗银粉—浇铸成银阳极板—银电解精炼—熔炼铸型［1］，得到纯度99.995%的银锭。

银阳极板的浇铸在整个银锭生产流程中非常关键，国内银阳极板浇铸常用的坩埚主要有粘土坩埚、石墨坩埚和碳化硅坩埚［2］，行业内也曾多次试用国外进口坩埚，由于浇铸银阳极板的原料粗银粉具有钠盐高和碱度大的特点，导致坩埚易腐蚀受损且更换频繁，坩埚使用寿命普遍较短。坩埚的使用寿命将直接影响着产品质量和冶炼成本，该问题一直困扰着贵金属冶炼行业内银阳极板的高质量生产。

1 现 状

本车间金银工段浇铸银阳极板时使用的熔银坩埚为粘土石墨坩埚，在碱性、密闭条件下熔化颗粒较细、钠盐含量高的粗银物料时，成分见表1，坩埚内壁容易受碱金属和高温氧化侵蚀，且坩埚与炉衬之间的填充材料石英砂受热粘结、膨胀挤压坩埚外壁，最终导致坩埚变薄破裂，缩短了使用寿命［3］。

表1 粗银粉化验分析表 %

在生产高峰期频繁更换坩埚，给生产操作带来一定的负担。贵金属冶炼行业关于改变熔铸银阳极板坩埚的材质以及提升坩埚性能的研究相对较少。因此，如何改变银粉结构、研制出一种耐碱抗氧化坩埚新配方以提高熔铸银阳极板的坩埚使用寿命并降低生产成本、减少劳动强度成为本车间及国内贵金属冶炼领域亟待解决的技术难题。

2 影响坩埚使用寿命的主要因素

银阳极板浇铸过程中，影响坩埚使用寿命的因素主要有坩埚材质、粗银粉呈碱性、粗银粉钠盐含量、粗银粉颗粒大小、内填材料等［4］。

2.1 坩埚材质

坩埚的主要成分有石墨、碳化硅、氧化铝和二氧化硅，由于碳化硅材料具有化学稳定性好、耐腐蚀性能强的特点，它在坩埚中的含量对坩埚性能的影响较大［5］。目前市面上两种常用的坩埚类型为石墨坩埚和碳化硅坩埚，它们的理化性能参数见表2。

表2 不同材质坩埚的理化性能参数对比

其中石墨坩埚的导热性能较好，但是其容易被氧化，导致破损率大，而碳化硅坩埚比较石墨坩埚具有体积密度大、耐高温强度大、抗氧化性能高等特点。目前，银阳极板浇铸过程中，使用的坩埚碳化硅的含量比较低，导致坩埚稳定性不好，容易被腐蚀。

2.2 粗银粉呈碱性、钠盐含量高

湿法工序银还原工艺原理为：在碱性条件下，以甲醛为还原剂，将氯化银还原，得到的粗银粉呈碱性，钠盐含量偏高。在银阳极板熔铸过程中，由于目前使用的坩埚材质耐腐蚀性差，容易受碱性物质和高温熔融的钠盐侵蚀，在内壁产生纵向裂纹，局部损坏严重导致变薄，在坩埚壁渣线处形成“大肚子”的形状，存在严重的安全隐患。研究发现，粗银物料钠盐含量与坩埚壁厚度呈负相关关系，如图1所示。

图1 钠盐含量与坩埚壁厚关系

2.3 粗银粉颗粒细

目前银阳极板浇铸使用的粗银粉呈细颗粒粉末状，目数较大，导致在投料时扬尘大。在粗银粉熔化过程中，坩埚下部银液不断升温、上部因物料粘结导致炉料密实无法下熔，在坩埚口处容易形成拱形物料桥，出现“架桥”现象，导致炉内气体无法排出，炉内温度急剧升高，坩埚内部受到高温氧化腐蚀，容易缩短使用寿命，且整个过程熔化效率低、电能消耗较高。

2.4 内填材料

在实际生产中，同行业通常在坩埚与炉衬的间隙中填充石英砂固定，避免其倒料时松动。在高温下，石英砂容易受热熔化与坩埚外壁粘结，导致坩埚更换时需人工敲打砸碎才能取出，并且由于受热膨胀的石英砂粘结在坩埚外壁与炉衬之间，容易挤压坩埚产生裂纹，银液易通过裂纹渗透烧坏炉衬及感应线圈，严重影响坩埚及其它部件的使用寿命。

3 提高银阳极板坩埚使用寿命的措施

3.1 改变坩埚材质的配方

3.1.1 制作坩埚试样，物理性能测试

化学稳定性好、耐腐蚀性能强的碳化硅材料是坩埚的主要成分，它的占比是影响坩埚性能的主要因素。但从经济性角度考虑，碳化硅的占比过高容易导致坩埚成本过高，且石墨的导热性更强，设计碳化硅含量较低的配方尝试在增加坩埚耐热性能的同时节约成本。经过数据参考及结合生产实际［6］，设计出三种符合生产实际的不同的坩埚材质配方，见表3，并制作成圆柱体坩埚试样。对三种坩埚试样分别从体积密度、显气孔率、耐压强度、抗折强度、耐火度等多方面进行等静压物理性能试验，试验发现按照配方三制作的坩埚试样物理性能最优。

表3 坩埚材质配方表

3.1.2 失重率试验

在高温条件下，银阳极板浇铸时坩埚耐腐蚀性能可以用失重率表示，即是耐腐蚀性能与失重率成反比。因此，通过观察试样的烧蚀程度研究碳化硅含量、烧成温度对失重率的影响来反映它们对坩埚耐腐蚀性能的影响。为保证生产中的实用性，将三种不同材质的圆柱体坩埚试样随钠盐含量相同的同批次粗银粉一同加入中频炉熔化，观察试样的腐蚀情况。在同等条件下，三个配方的坩埚试样经过35炉同批次粗银粉熔化试验，计算出在不同熔化温度下的平均失重率，如图2所示，配方三的失重率最小，烧蚀程度最小，耐腐蚀性能最好。

图2 试样失重率与温度关系

3.2 改变银粉结构和性质

现有银还原工艺是在碱性条件下通过添加甲醛将银还原出来。为了探究pH对粗银粉的影响，通过在过滤洗涤过程中添加新型酸性试剂调节粗银粉的pH值［7］，不同pH条件下粗银粉的钠盐含量及目数见表4，从表4中我们发现，当pH值由10变为7时，可以有效降低产出粗银粉的钠盐含量，而试剂加入过量到pH为6时，钠盐含量降低效果不明显，银粉目数改变不多，且酸性银粉容易腐蚀坩埚，因此银粉过滤洗涤过程中pH调节为7最佳。在pH为7时，产出的粗银粉结构得到了改变，由粉末状转型为颗粒状，如图3所示。颗粒状的银粉有效解决了银阳极板浇铸现场扬尘大的问题，同时消除了银粉熔化时在坩埚口处产生的“架桥”现象，减少坩埚发生高温氧化腐蚀，坩埚的使用寿命得到有效提高［8］。

图3 实施前后粗银粉对比图

表4 不同pH条件下粗银粉的钠盐含量及目数

3.3 改变内填材料、用整体浇灌法代替外购炉衬

采用《夏兴旺银锭浇铸机整体浇灌筑炉操作法》，通过自主设计筑炉模具，将特殊配方的高温材料整体浇灌制作炉衬，坩埚与炉衬之间保护填充材料由高铝纤维棉取代石英砂［8］，利用耐高温莫来使耐火砖固定坩埚［10］，由耐高温浇注料封顶。其中高铝纤维棉可保护坩埚表面抗氧化釉层，同时避免炉衬损坏［11］，烧结成型后使坩埚得以整体吊装，坩埚更换时间缩短近10 h，坩埚使用寿命得到大幅提高。

4 效 果

在采取以上措施后，不仅提高了银阳极板熔化坩埚的耐酸性、耐碱性和抗氧化性，而且导磁性能大幅提升，坩埚升温加快，使得整个中频炉运行功率下降60%，粗银粉的熔化时间缩短了20%，坩埚的更换时间缩短将近10 h，不仅提高了工作效率，而且降低了电能消耗，坩埚使用寿命提升为原来的4倍。

5 结 语

通过改变坩埚材质的配方、粗银粉的结构和性质、内填材料等方式，银阳极板熔化坩埚的使用寿命提升了4倍，每年创造的经济效益非常可观，同时降低了员工的劳动强度，提高了员工的创新与团队合作能力，提升我国贵金属冶炼技术与装备水平，有力地推动了我国贵金属冶炼技术走向国际前沿。