盛 強(qiáng)， 吳正北， 李修來(lái)

(銅陵有色金屬集團(tuán)控股有限公司 金昌冶煉廠， 安徽 銅陵 244101)

銅電解精煉鈦種板掛耳修復(fù)及模具設(shè)計(jì)制造

盛 強(qiáng)， 吳正北， 李修來(lái)

(銅陵有色金屬集團(tuán)控股有限公司 金昌冶煉廠， 安徽 銅陵 244101)

銅電解精煉生產(chǎn)中常出現(xiàn)陰極鈦種板掛耳損壞的情況，本文介紹了掛耳修復(fù)的一種工藝方法，主要是通過(guò)設(shè)計(jì)制造模壓掛耳的模具，來(lái)提高修復(fù)掛耳的質(zhì)量和效率，同時(shí)也減少了彎壓掛耳等工步中出現(xiàn)的廢品率。

銅電解精煉； 陰極鈦種板； 掛耳修復(fù)； 模具設(shè)計(jì)制造

1 鈦種板及鈦種板掛耳結(jié)構(gòu)和出現(xiàn)的損壞故障

銅陵有色金屬集團(tuán)控股有限公司金昌冶煉廠銅電解精煉生產(chǎn)中的陰極采用銅始極片，而生產(chǎn)銅始極片的陰極則采用鈦種板，鈦種板及鈦種板掛耳結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示。

在圖1中，鈦種板規(guī)格為1 060 mm×770 mm×3 mm(長(zhǎng)×寬×厚)，鈦種板掛耳材料采用的是3 mm厚銅板和2 mm厚鈦板并通過(guò)爆炸焊接而制成的鈦銅復(fù)合板。做成掛耳時(shí)，銅材在里面，鈦材在外面。為了方便復(fù)合板掛耳零件的外面層2 mm厚鈦與3 mm厚鈦種板之間進(jìn)行焊接，因此要求事先削去妨礙焊接的內(nèi)層銅材，即在復(fù)合板掛耳零件的內(nèi)側(cè)銅材層做單邊5 mm×45°坡口，然后才能對(duì)與掛耳相互接觸的三邊進(jìn)行鈦絲氬弧焊接，角焊縫高度為5 mm。復(fù)合板掛耳零件的內(nèi)里層3 mm厚銅材層是與陰極銅導(dǎo)電棒相接觸而導(dǎo)電的，而陰極銅導(dǎo)電棒是穿入兩個(gè)掛耳零件孔內(nèi)的，它是截面為長(zhǎng)方形中空的鍍銅結(jié)構(gòu)形式，且棒接觸處為圓弧面。這種掛耳與導(dǎo)電棒的接觸連接方式簡(jiǎn)單牢固，接觸電壓降為零，其特點(diǎn)是不但保持了銅掛耳的優(yōu)良導(dǎo)電性能，而且還具有良好的結(jié)構(gòu)抗彎強(qiáng)度，以及接觸處為圓弧面具有自然垂直的性能。

圖1 鈦種板及鈦種板掛耳結(jié)構(gòu)

在生產(chǎn)中，由于截面為長(zhǎng)方形中空的鍍銅導(dǎo)電棒與掛耳零件的里面銅板層直接接觸，所以在生產(chǎn)搬動(dòng)中會(huì)出現(xiàn)機(jī)械磨損，以及在生產(chǎn)槽中會(huì)有電化學(xué)腐蝕等因素，使得掛耳零件在使用一段時(shí)間后出現(xiàn)里面3 mm厚的銅板層被機(jī)械磨損和電化學(xué)腐蝕掉，這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)掛耳零件的外面2 mm厚的鈦板層與截面為長(zhǎng)方形中空的鍍銅導(dǎo)電棒直接接觸，從而出現(xiàn)接觸處電阻大，經(jīng)常被燒紅以及槽電壓升高等不良現(xiàn)象，影響生產(chǎn)。因此，需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)和更換掉掛耳零件里面銅板層被磨損和腐蝕掉的鈦種板，以便進(jìn)行正常生產(chǎn)。

2 鈦種板掛耳故障缺陷的修復(fù)工藝過(guò)程

挑選出來(lái)故障缺陷的鈦種板掛耳零件的修復(fù)工藝過(guò)程概括起來(lái)有以下六個(gè)工步。

(1)將有缺陷的鈦種板掛耳，在圖1所示的掛耳等腰梯形的下底邊170 mm長(zhǎng)處，置于剪板機(jī)上剪去，然后平整和修磨770 mm×1 060 mm×3 mm鈦種板，為焊接新掛耳做準(zhǔn)備。

(2)裁剪3 mm厚等腰梯形鈦板，其尺寸由圖1可見(jiàn)分別為：上底邊長(zhǎng)100 mm，下底邊長(zhǎng)170 mm，高50 mm。裁剪下來(lái)的等腰梯形鈦板要進(jìn)行平整和修磨，并且還要在下底邊170 mm長(zhǎng)度上雙面做0.5×45°坡口，以便于與770×1 060×3 mm鈦種板進(jìn)行鈦絲氬弧焊接。

(3)鈦銅復(fù)合板掛耳制作。采用冷模壓方法制作掛耳零件，冷模壓成形后的掛耳零件，應(yīng)達(dá)到圖2所示的形狀和尺寸要求。

圖2 模壓后鈦銅復(fù)合板掛耳

(4)為了提高復(fù)合板制造的掛耳零件與鈦板件間的焊接質(zhì)量，確保不露銅，因此要求模壓掛耳件與鈦板件相焊接的邊要在掛耳零件的里面銅材層做5×45°單邊坡口，即要在刨床上刨削掛耳零件上兩邊長(zhǎng)為80 mm的焊接邊里面的銅材層和四條邊為85-(20+30)=35 mm的焊接邊里面的銅材層，見(jiàn)圖2所示尺寸。

(5)在焊接工作平臺(tái)上，找準(zhǔn)和確定復(fù)合板掛耳件與鈦種板件間的連接位置，并用螺旋夾具夾緊找正后的掛耳連接，然后在掛耳件上與其相連接的四個(gè)90°角點(diǎn)上，用鈦絲氬弧焊點(diǎn)焊四個(gè)角點(diǎn)，然后翻轉(zhuǎn)鈦種板，點(diǎn)焊另一面的四個(gè)角點(diǎn)，完成之后就可以撤下夾具工作平臺(tái)。

(6)在通以惰性氬氣作為保護(hù)性氣體的焊接工作平臺(tái)上，將點(diǎn)焊定位過(guò)的鈦種板掛耳連接部位，用鈦絲氬弧焊滿(mǎn)焊即可。需要指出的是，在滿(mǎn)焊某個(gè)面時(shí)，其背面應(yīng)通以氬氣作為抗氧化保護(hù)和冷卻之用，否則將會(huì)因?yàn)榘灞《霈F(xiàn)焊接面的背面熔化和氧化等情況。

3 模壓掛耳的模具設(shè)計(jì)制造

為了將200 mm×79 mm×3 mm(長(zhǎng)×寬×厚)鈦銅復(fù)合板在160 kN單柱液壓機(jī)上冷加工成圖2所示掛耳零件，因此需要確定冷加工工藝過(guò)程為冷彎壓和冷模壓兩個(gè)工步。第一工步，是將200 mm×79 mm×3 mm(長(zhǎng)×寬×厚)的鈦銅復(fù)合板冷彎壓成“U”形狀，其尺寸和形狀見(jiàn)圖3所示。

圖3 冷彎壓的半成品掛耳件

需要注意的是，在冷彎壓該復(fù)合板時(shí)，應(yīng)將銅材層放在內(nèi)面，鈦材層放在外面，不要搞顛倒了。第二工步，是將第一工步彎成“U”形的半成品件，再冷模壓成圖2所示掛耳零件。

為了在160 kN單柱液壓機(jī)上實(shí)現(xiàn)第一工步冷彎壓成“U”形半成品掛耳零件，因此設(shè)計(jì)和制造了圖4和圖5所示模具。

圖4 冷彎壓的上模具

圖5 冷彎壓的下模具

該模具材質(zhì)采用就地取材，選用45鋼。因?yàn)榭紤]45鋼能夠滿(mǎn)足模具的強(qiáng)度、硬度和耐磨性要求，并且容易機(jī)加工。圖4為上模具，圖5為下模具，兩者組合起來(lái)使用。具體使用操作是：將200 mm×79 mm×3 mm(長(zhǎng)×寬×厚)鈦銅復(fù)合板銅面層朝上插入下模具中200 mm×80 mm×5 mm(長(zhǎng)×寬×深)的槽中，見(jiàn)圖5。然后上模具自上而下地緩慢壓入下模具中的210 mm×35 mm×35 mm(長(zhǎng)×寬×深)槽中，即可完成第一工步冷彎壓成半成品掛耳零件。需要指出的是，在第一工步的操作中，筆者遇到過(guò)兩個(gè)問(wèn)題，一是操作上模具向下壓入的深度要控制適當(dāng)，過(guò)深就會(huì)出現(xiàn)壓成的“U”形半成品件的外面層鈦因塑性變形過(guò)大而開(kāi)裂，造成報(bào)廢品，二是已壓成的“U”形半成品件在下模具中出現(xiàn)起模較困難的情況。因此將下模具在起模處的直角銑削成R10的圓角過(guò)渡，從而解決了“U”形半成品件起模困難的問(wèn)題。

為了實(shí)現(xiàn)第二工步將“U”形半成品件冷模壓成圖2所示掛耳零件，因此設(shè)計(jì)和制造了圖6和圖7所示模具。

圖6 冷模壓工步的上、下模具

圖7 冷模壓工步用的模芯具

該模具材料仍然選用45鋼。圖6所示為冷模壓工步中上、下模具的組合情況，其中俯視圖表達(dá)的僅是組合模具中的下模具投影。而圖7所示為模芯具。圖6和圖7所示模具兩者組合起來(lái)在160 kN單柱液壓機(jī)上工作的狀態(tài)見(jiàn)圖8所示。

圖8 上、下模具與模芯具組合工作狀況

需要指出的是，在圖8中，上模具與30 mm×60 mm×270 mm(寬×長(zhǎng)×高)鋼塊相焊接連接，而此鋼塊又與鋼方塊法蘭205 mm×205 mm×12 mm(長(zhǎng)×寬×厚)也采用相焊接連接；而此鋼方塊法蘭則與液壓機(jī)動(dòng)力頭采用法蘭連接。還有一點(diǎn)需要說(shuō)明的是，為什么圖7所示模芯具厚度為22 mm，而不是圖2所示零件厚度35-2×5=25 mm呢？因?yàn)?2 mm厚這個(gè)尺寸，是由生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)得出來(lái)的結(jié)果。生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)證明用25 mm的模芯具經(jīng)冷模壓成的掛耳零件其自由端開(kāi)口尺寸大于圖2所標(biāo)注的(18±1)mm。由于開(kāi)口尺寸大不便于掛耳零件在后續(xù)的工序螺旋夾緊點(diǎn)焊定位工作，所以通過(guò)生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)得出22 mm厚為恰到好處。

4 目前模具使用情況

筆者設(shè)計(jì)制造的模具已在生產(chǎn)中使用了1年多，從目前使用情況來(lái)看，模具的磨損不大，生產(chǎn)出的零件都能符合要求。有生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)報(bào)表顯示，使用該設(shè)計(jì)制造的模具，生產(chǎn)制造掛耳零件，與過(guò)去使用一些簡(jiǎn)單的工具加工制作的方法相比，生產(chǎn)效率比過(guò)去提高了近十倍，而且生產(chǎn)出來(lái)的掛耳零件的外觀質(zhì)量則比過(guò)去明顯提高。舉例來(lái)說(shuō)，僅就在第一工步冷彎壓成“U”形半成品件時(shí)而出現(xiàn)的鈦銅復(fù)合板的鈦層因塑性變形開(kāi)裂而報(bào)廢的廢品率，就由過(guò)去的5%下降到現(xiàn)在的0.3%左右。由此可見(jiàn)，該設(shè)計(jì)制造的模具是能夠滿(mǎn)足目前生產(chǎn)修復(fù)掛耳零件需要的。

[1] 朱祖澤，賀家齊主編現(xiàn)代銅冶金學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2003，518-520.

Repairing and Mould Manufacturing of the Hanging Ears on The Titanium Plates of the Copper Electrolysis Refining

SHENG Qiang， WU Zheng-bei, LI Xiu-lai

the hanging ears on the cathode titanium plates were often damaged in the production of the copper electrolysis refining. This paper introduces a method of the hangers to be repaired , mainly through their mould design and manufacture of the hanging ears, to improve the quality and efficiency of repair of the hangers, but also reduces the rejection rate of the hangers in the using of bending pressure hangers in other working steps.

copper electrolysis refining; cathode titanium plates; hanging ears repairing; mould design and manufacture

2015-01-21

盛強(qiáng)(1962-)，男，安徽合肥人，高級(jí)工程師，大學(xué)專(zhuān)科，主要從事銅冶煉技術(shù)工作。

TF811

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1003-8884(2015)05-0010-04