立模浇铸下铜阳极板凝固过程的数值模拟

立模浇铸下铜阳极板凝固过程的数值模拟

范超，张芳萍，赵爱春，李怡宏

（太原科技大学 山西冶金设备设计理论与技术重点实验室，太原 030024）

摘要：利用Solidwork和Anycasting平台，采用数值模拟的方式研究立模浇铸铜阳极板的成型过程，分析阳极板在浇铸成型过程中温度变化、成型状态、凝固方式及缩孔情况，利用金属凝固学相关原理，预测阳极板板面成型及质量情况。特别设计了漏斗型辅助浇口和梯形体辅助浇口两种辅助浇铸方式。结果表明，漏斗型辅助浇口在实际生产中更具合理性，有利于铜阳极板立模浇铸工艺的下一步开发和改进。 关键词：铜阳极板；立模浇铸；浇口设计；凝固成型；数值模拟 中图分类号：TF351.6;TF811 文献标志码：A 文章编号：1007-7545（2019）08-0000-00

Numerical Simulation of Solidification Process of Copper Anode Plate Cast by

Vertical Die

FAN Chao, ZHANG Fang-ping, ZHAO Ai-chun, LI Yi-hong

（Shanxi Key Laboratory of Metallurgical Equipment Design Theory and Technology, Taiyuan University of Science

and Technology, Taiyuan 030024, China）

Abstract：Vertical mold filling process of copper anode plate was studied by numerical simulation based on Solidworks and Anycasting platforms. Temperature change, molding state, solidification mode, and shrinkage cavity condition of anode plate during casting molding process were analyzed. Surface molding and quality of anode plate were predicted by relevant principles of metal solidification. Two auxiliary casting models, i.e., funnel auxiliary pouring gate and trapezoidal auxiliary pouring gate, were specially designed. The results show that the funnel auxiliary pouring gate is more reasonable in practice. This study will be beneficial to the further development and improvement of copper anode plate mold casting process.

Key words：copper anode plate; vertical mold casting; pouring gate design; solidification; numerical simulation

我国精炼铜消费量从2016年的1 031万t增长到2017年的1 072万t，而2018年的消费量预计上升3.9%[1]，整个市场呈现出稳步增长的态势，铜冶金技术的产业升级也迫在眉睫。在当前的铜冶金中，阳极板制造大多采用圆盘浇铸机[2]。单纯凭借人为经验浇铸而成的铜阳极板往往质量不佳，厚薄不均、挂耳断裂、内部疏松等问题也层出不穷，且生产效率低下，无法满足电解工序对阳极板质量和数量的要求[3-4]。因此，圆盘浇铸机定量浇铸和开发更为先进的浇铸设备及工艺成为人们的新课题，其中，也包括大极板立模浇铸机的研究[5-7]。本文在使用大极板立模浇铸成型法制备阳极板的基础上，探究了在立模浇铸下铜阳极板的凝固成型过程。

1 模拟方法

首先通过现场勘察，测出其生产线上现有的通用阳极板形状及尺寸，并使用SolidWork绘制三维图，阳极板示意图如图1所示。铜阳极板的相关参数：阳极板板面横向宽度960 mm、阳极板板面宽度46 mm、挂耳处内径37.5 mm、挂耳处最小间距600 mm、阳极板板面纵向长度1 129 mm、挂耳处宽度36 mm、挂耳处外径65 mm、挂耳处最大间距1 310 mm。

图1 阳极板示意图

Fig.1 Diagram of copper anode plate

收稿日期：2019-03-24 基金项目：国家自然科学基金青年基金资助项目（51704203）；山西省自然科学基金面上项目（201801D121086） 作者简介：范超（1994-），男，山西吕梁人，硕士研究生；通信作者：张芳萍（1971-），山西太原人，教授，硕士生导师.

1.1 模型基本假设

出于减少工作量的考虑，也为了更好地掌握关键影响因素，本研究做出如下假设：1）冷却水为不可压缩流体，即忽略冷却水的密度变化；2）阳极立模水冷系统中冷却水的流动是稳态流动，即冷却水的流动不受时间的影响；3）不考虑冷却过程中冷却水的汽化。

1.2 浇口数值模拟方法

以阳极板为主要研究对象，由于立模浇铸机上方浇铸口只有48 mm宽度，使用传统的浇包必然要减慢浇铸速度，影响生产效率[8-9]。因而设计两种辅助浇铸方式，加装漏斗型辅助浇口和梯形体辅助浇口（图2），铜液由浇包进入辅助浇口，再进入立模浇铸机。在保证浇铸速度的同时，避免喷溅和漏液情况，进一步优化浇铸工艺和方法。浇铸模拟阳极板的基本流程[10-11]如下：

1）使用SolidWork软件，绘制阳极板及辅助浇口并装配。

2）将设计好的装配体导入Anycasting的anyPRE前处理模块，定义装配体各部分属性，划分网格。 3）设置分析参数（部分边界条件选用立模浇铸机稳态温度场分布温度）及施加约束条件。 4）设置求解条件，利用anySOLVE求解器模块求解。 5）使用Anycasting的anyPOST后处理模块查看结果。

图2 梯形体辅助浇口（左）和漏斗型辅助浇口（右）

Fig.2 Trapezoid auxiliary pouring gate (left) and funnel auxiliary pouring gate (right)

2 数值模拟结果及分析

2.1 梯形体辅助浇口模拟结果

图3为使用梯形体辅助模拟阳极板浇铸充型的过程。结果表明，采用梯形体辅助浇口，大约花费2.4 s的时间完成阳极板的浇注。0.5 s铜液浇注进金属模底部；0.6 s完成挂耳处的浇注；2.32 s完成整个板型的浇注。此方案中，浇注时间取决于梯形体下口的表面积大小。由于属于重力浇注，在浇注前一秒，铜液在重力作用下进入金属模，立模上方直接与大气接触，气压没有改变，未产生卷气现象，板型饱满，总体充型过程良好。但是整个浇注时间较短，震荡剧烈，飞溅较为严重，一定程度上不利于铜液的凝固和夹杂物的上浮，可将梯形体下口适当改小，使其满足浇注要求。

(a)0.155 9 s (b)0.610 6 s (c)1.526 9 s (d)2.319 7 s

图3 梯形体浇口下阳极板充型过程

Fig.3 Copper anode plate filling process based on trapezoid auxiliary pouring gate

图4为利用梯形体辅助浇口进行阳极板充型时的温度变化。前2.3 s为浇注过程，在这个过程中，铜液进入金属模中，会与空气和金属模之间有强烈的热交换，由于时间比较短，热量只有少量降低。2.3~68.81 s为阳极板的凝固过程。在凝固初期，由于凝固放热，热量有微量的提升，但是由于两侧冷却水的作用，阳极板会一直凝固并放热，温度随之降低。68 s时，温度降低到832 ℃左右。此时，阳极板外壳已经全部凝固。根据温度分析来看，模拟结果与实际经验相吻合，符合实际生产需要。

(a)0.155 9 s，5.15% (b)2.319 5 s，100% (c)30.816 4 s，100% (d)64.062 7 s，100%

图4 梯形体浇口下充型及凝固过程的温度变化

Fig.4 Temperature change during mold filling and solidification based on trapezoid auxiliary pouring gate

图5为梯形体设计下的二次枝晶臂间距。二次枝晶臂间距的大小对于铸件的力学性能以及合金成分的微观偏析、第二相及显微缩松的分布都有重要的影响[12]。此次模拟中，阳极板的二次枝晶臂间距为32~42 μm，枝晶尖端半径较大，板面较为平整。

(a)32 μm (b)42 μm

图5 梯形体设计下的阳极板二次枝晶臂间距

Fig.5 Anode secondary dendrite arm spacing based on trapezoid pouring gate

基于梯形体模拟的阳极板中心存在不均匀分布，在边缘处有大约17处概率缺陷点（图6），可能在一定程度上影响了板面的质量和平整度，并不影响整个板面的成型及相关的力学性能。阳极板通常在电解池中作阳极，分解铜离子使其向阴极移动。一定程度的缺陷和缩松，在电解池中反而增大了阳极板与电解液的接触面积，提高了电解速率，从而提升产量。

图6 梯形体设计下的概率缺陷参数

Fig.6 Probabilistic defect parameter based on trapezoid pouring gate

2.2 漏斗型辅助浇口模拟结果

图7为使用漏斗型辅助浇口进行阳极板浇铸充型的过程。由于漏斗型辅助浇口底部开口较小，浇注时间较长，大约花费12.5 s完成整个充型过程。1 s完成挂耳处的充型。在重力作用下，铜液进入金属模，由于上方完全开口，

未出现卷气现象。因此，相较梯形体辅助浇口，漏斗型辅助浇口充型过程良好，整个浇注过程较为平缓，飞溅情况较小，金属液流动较慢。同时，金属凝固速度较快，夹杂物容易上浮，进一步提高阳极板的质量及板面的平整度。

(a)0.647 5 s (b)1.898 6 s (c)8.157 8 s (d)12.485 6 s

图7 漏斗型浇口下阳极板充型过程

Fig.7 Copper anode plate filling process based on funnel auxiliary pouring gate

图8为利用漏斗型辅助浇口进行阳极板充型时的温度变化。前12.48 s为浇注过程。在这个过程中，铜水进入金属模中，会与空气和金属模之间有强烈的热交换，温度降低100 ℃左右。12.48~80.26 s为阳极板的凝固过程，由于两侧冷却水的作用，阳极板会一直凝固放热，温度随之降低。80.26 s以后，温度降低到832 ℃左右。此时，阳极板外壳已经全部凝固，时间较梯形体辅助浇口多20 s，但阳极板质量得到较大的提升。

(a)0.647 6 s，5.01% (b)6.905 6 s，55.01% (c)37.902 1 s，100% (d)80.260 9 s，100% 图8 漏斗型浇口下充型及凝固过程的温度变化

Fig.8 Temperature change during mold filling and solidification based on funnel auxiliary pouring gate

如图9所示，使用漏斗型辅助浇口时二次枝晶臂间距达到36~43 μm，与梯形体辅助浇口相比间距较大，枝晶尖端半径和凝固速度也较大，但板面的平整度较好。

(a)36 μm (b)43 μm

图9 漏斗型设计下的二次枝晶臂间距

Fig.9 Anode secondary dendrite arm spacing based on funnel pouring gate

使用漏斗型辅助浇口模拟生成的阳极板缺陷主要集中在挂耳边缘处，阳极板整个平面基本无任何缺陷（图10）。因此阳极板质量较高，较为平整，而挂耳处在实际使用中，作为吊装的辅助设备，无须要求更高的质量，可以承受整个板面的悬挂即可。因此，漏斗型辅助浇口在实际生产中也具有一定的可行性。

图10 漏斗型设计下的概率缺陷参数

Fig.10 Probabilistic defect parameter based on funnel pouring gate

2.3 比较分析

从浇注情况来看，梯形体设计的浇注时间为2.31 s，漏斗型设计的浇注时间为12.5 s。梯形体设计所需时间较短，但梯形体设计铜液浇注过程震荡严重，降温过程较慢，不利于阳极板的凝固。且铜液沿着模具边缘而下，模具极易被灼伤，减少使用寿命，增加经济成本。

从板面凝固来看，两种方案的二次枝晶臂间距均较大，其板面平整度符合生产实际要求。其中漏斗型设计的二次枝晶臂间距较梯形体设计间距更大，故而漏斗型设计拥有更快的凝固速度。通过对两方案的概率缺陷进行预测，发现梯形体设计缺陷与缩松主要发生在板面中心，可能会造成板面的不平整和凹坑，但由于阳极板的特殊用途，不影响其正常使用，反而增大了板面与电解液的接触面积，有利于其电解。漏斗型设计的缺陷与缩松主要集中在挂耳处。挂耳处仅作为吊装辅助工具，满足吊装强度即可，对其材料质量没有太高的要求，故而无任何影响。

3 结论

1）漏斗型辅助浇口设计浇铸时间较快，约为12.5 s，二次枝晶臂间距为36~43 μm，间距较大，拥有更快的凝固速度，缺陷与缩松集中在挂耳处，对板面无较大影响。相比梯形体辅助浇口更具合理性。

2）使用梯形体和漏斗型辅助浇口浇铸的阳极板都出现了不同程度的缺陷和缩孔，但不影响使用。

3）如何在现有设计基础上，保证阳极板表面质量，提高凝固和冷却速度，以及将模拟数据与现场试验结果进行对比与分析，是未来研究的重点。

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