阳极炉浇铸铜模铸造模具的研究与优化改造

阳极炉浇铸铜模铸造模具的研究与优化改造
张文进;赵银旭;唐玉荣
【摘要】凉山矿业昆鹏公司浇铸阳极板使用的铜模属于重力作用下的金属型铸造模具,采用外购钢模具进行铸造生产.在实际生产中,钢模具因受热膨胀断裂或热烧损,导致使用寿命短、成本高.根据结构和生产实践分析总结,钢模具因受热产生的热应力在结构尺寸最小处释放导致其断裂,通过对模具结构进行优化改造,提高了模具使用寿命,实现降本增效.
【期刊名称】《世界有色金属》
【年(卷),期】2017(000)023
【总页数】2页(P10-11)
【关键词】钢模具;优化改造;降本增效
【作者】张文进;赵银旭;唐玉荣
【作者单位】凉山矿业股份有限公司昆鹏分公司,四川会理615141;凉山矿业股份有限公司昆鹏分公司,四川会理615141;凉山矿业股份有限公司昆鹏分公司,四川会理615141
【正文语种】中文
【中图分类】X705
1 概况
阳极板浇铸属于简单的铸造工艺，包含铜模和阳极板铸造两道工序，铜模采用外购
钢模具进行铸造生产，并用于铸造生产产品阳极板。

我们习惯把外购钢模具称为母模，也就是说母模是阳极板铸造模具的模具，铜模是阳极板铸造的模具[1]。

母模
由生产厂家购买，使用报废后按废旧物资进行处置；铜模由我公司铸造生产，使用报废后返冶炼流程进行回收处置。

在实际生产中，钢模具因受热膨胀断裂或热烧损，导致使用寿命短，造成生产成本高[2]。

现用母模材质45#钢，结构由上模（盖板）、中间模（边框）、底模（底板）组成。

生产中，母模损坏主要表现为盖板断裂，底板耳部的烧损、变形或断裂。

根据生产实际进行统计，盖板平均使用寿命约为浇铸33次、底板平均使用寿命约为浇铸40次；而盖板的采购单价约2.7万元、底板的采购单价约4.7万元，核算为单
块铜模生产成本约为2005.2元，盖板的单次使用成本约为820.8元、底板的单次使用成本约为1184.4元，。

按年产10万吨阳极铜、阳极炉单炉产量160吨、每炉浇铸4块铜模计算，每年需消耗盖板约76块、底板约63块，每年需投入成本
约501.3万元。

上述可知，母模使用寿命短、成本高，需要进行结构优化改造，以提高其使用寿命，实现降本增效。

结合现场实践，绘制优化改进后的母模图纸并提供给生产厂家依照图纸制造。

2 改造方案
通过对母模使用损伤分析，主要原因是热膨胀产生热应力导致了变形和断裂，以及热烧损。

盖板损伤表现为沿长度方向两侧边发生断裂，底板损伤表现为耳部烧损、裂纹，边框损伤较少。

结合母模结构及实践情况，优化改造如下：
2.1 盖板改造
将原来的盖板沿长度方向两侧边的斜对角位置切分为两件，采用夹板用螺栓连接组装结构，即在制造过程中盖板沿长度方向在两侧边增加了一条应力释放线，用于释
放盖板在使用中产生的热应力[3]。

2.2 底板改造
将原来的底板耳部改为活动式耳部，采用螺栓连接组装结构，即在制造过程中底板耳部增加了一条应力释放线，用于释放盖板在使用中产生的热应力；同时实现使用中耳部烧损后可更换的目的，避免了因耳部损伤导致底板报废的问题。

另外，优化底板耳部高度，将耳部厚度由65mm改为63mm。

通过对优化后的底板结构进行塑性变形与断裂分析，确定具体尺寸[4]。

结构分析如下：a.活动式耳部的起始线在两圆心的连线处，两侧均有较大的圆弧过渡，可减少应力集中；同时，活动式耳部安装间隙在一定程度上也可释放使用中热膨胀产生的应力。

b.活动式耳部与底板组装采用间隙配合，活动式耳部间隙嵌入40mm安装在底板上进行水平面内的定位，采用螺栓连接进行竖直面的定位，避免了耳部过厚产生的膨胀超出表面粗糙度所允许的尺寸，同时也避免了过薄在膨胀过程中被挤压发生变形。

c.母模底板材质为45钢。

热膨胀规律为从受热钢材的质心向四周散射，在钢材受热不均匀的时候，高温区膨胀量较大同时突出部位变形量较大。

结构计算如下：通过计算机进行有限元分析，计算结构和单个模型的在X、Y、Z 方向的变形量，计算模型的应力及安全系数，依据计算结果进行结构优化改进。

根据材料参数的输入、夹具固定、实体离散化、施加载荷及运算处理得到分析结果，底板表现为与铜水接触区域变形量较大；底板与左、右耳部连接处变形较大；活动式耳部除了热膨胀变形外还存在翘曲变形，且变形最大。

通过原结构或改进后结构分析对比，改进后结构底板膨胀量偏大，原因在于改进前底板为整体式，变形量无法有效释放而形成内应力，改进后组装部位有间隙，膨胀量可局部释放而增大了膨胀量，同时也有效的释放了热应力。

2.3 边框改造
实际使用中存在铜模吊耳尺寸过小，在铜模更换吊运时钢丝绳易发生滑脱，增大了边框的吊耳结构，并将吊耳的底部平整结构优化改进为内陷结构，实现在铜模更换吊运时防止钢丝绳发生滑脱的目的。

3 效果验证
通过实践，在阳极板浇铸钢模的研究与优化改造实施过程中，经历了图纸绘制审定、试制、失效处理、试用调整、制造投用等环节。

制造投用后经过使用情况统计，优化改进后盖板的平均使用寿命约300次、底板
的平均使用寿命约130次，较优化改进前盖板的使用寿命提高了约9倍、底板的
使用寿命提高了约3倍；按照现行盖板的采购单价约2.9万元、底板的采购单价约4.8万元，核算为单块铜模生产成本约为488.4元。

优化改进后盖板的单次使用成本约为104.4元、底板的单次使用成本约为384元，较优化改进前盖板的单次使
用成本节约为716.4元、底板的单次使用成本节约为800.4元。

优化改进后，母
模因受热膨胀断裂导致报废得到了提升改进，现在主要表现为为热烧损导致报废。

按年产10万吨阳极铜、阳极炉单炉产量160吨、每炉浇铸4块铜模计算，每年
需消耗盖板约9块、底板约20块，每年需投入成本约121.1万元；较优化改进前年节约费用约380.2万元。

4 结语
母模结构的优化改造，为生产节约了成本投入，达到降本增效的目的。

在阳极板浇铸钢模的研究与优化改造实施过程中，紧密结合生产实际进行实践，以目标管控为动力而稳步推进，最终达到了技术优化改进、经济效益提升的良好成果。

参考文献
[1]材料成型基础.第3版.武汉，武汉理工大学出版社，2010.6.
[2]金属学与热处理机.北京，机械工业出版社，2008.2.
[3]金属工艺学.第5版.北京，高等教育出版社，2009.6.
[4]机械设计手册.第3卷.北京，机械工业出版社，2004.8.。