CN103464709A - 大直径高纯无氧铜铸坯水平连铸工艺及其连体炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大直径高纯无氧铜铸坯水平连铸工艺，将待用的阴极铜表面去氧化层及颗粒，并进行预热处理，预热温度控制在280℃-300℃；将经过预处理的阴极铜放入熔炼炉中熔炼，熔炼温度控制在1180-1230℃，在熔炼炉底部通入惰性气体，而铜熔液上方浮有经煅烧后的炭层作覆盖，利用电磁搅拌对铜熔液搅拌；随后熔炼后的铜熔液潜流入保温炉内，在保温炉底部通入惰性气体，铜熔液上方浮有经煅烧后的炭层作覆盖，保温炉内温度控制在1180-1230℃；将保温炉内的铜熔液导出，对石墨结晶器水冷却，得高纯无氧铜铸坯。本工艺能够有效的控制铸坯含氧量，降低生产成本，产品完全能够达到TU1标准，成材率能够达到90%以上。

Description

大直径高纯无氧铜铸坯水平连铸工艺及其连体炉

技术领域

本发明涉及无氧铜铸造技术领域，尤其在高纯无氧铜的领域，提供一种大直径高纯无氧铜铸坯水平连铸工艺及其连体炉。

背景技术

工业纯铜（加工铜）通常被分为韧铜、磷脱氧铜和无氧铜，其中无氧铜质量品级最高，无氧铜是一种高传导性纯铜，在化学成分上具有纯度高，杂质含量少，尤其是含氧量很低的特点，其最显著的物理特性是具有高导电率（退火态至少100%IACS）、良好的变形性能和很好的焊接和钎焊性能，被广泛应用于电子、通讯和电真空等域。

TU1（GBT5231-2001）是国内品级较高的无氧铜牌号，TU1无氧铜（含氧量小于10PPM），主要用于制造导电排，水冷电缆，感应线圈，高品位开关，波导管和各种高档电器接插件，应用面广，用量大。

对于无氧铜的生产，绝大部分企业都是用非真空炉（工频感应炉）生产，因此，无氧铜的质量均不稳定，主要表现在其导电性能与高强、高温性能难以兼顾，而影响无氧铜质量的关键在于铜熔液中氢氧原子的去除。

含氧量是无氧铜的重要特征，因此减少无氧铜中气体杂质，比如氧和氢，对高纯无氧铜金属获得稳定机械性能和电器性能至关重要。

传统的对于高纯无氧铜的生产工艺主要有以下三种：

1、真空炉熔炼（下引法技术）：该方法是在真空条件下采用中频无芯感应炉熔炼，生产出来的产品纯度高，含氧量可达10PPM以下，但是真空系统复杂且维修繁琐，设备造价高昂，对生产环境及维护保养要求极高，而且为非连续性生产，生产效率低，造成生产成本居高不下。

2、半连续铸造非真空炉熔炼（工频感应炉）：这种方法是将高温铜液从熔炼炉转注流槽，再通过流槽进入保温炉，由于该方法在生产过程中氧的来源较多，含氧量不好控制，所以报废率较高，以一吨铜原料为例，最终得到的成本只有600kg，不难知道，其成品率低，材料浪费太多。

3、水平连铸：采用这种方法生产时，其优点在于铜熔液从熔炼炉通过管道流入保温炉，避免了铜熔液与大气接触，因此生产的无氧铜铸坯质量较稳定，且投资小、成本低，但是该工艺的致命缺点在于含氧量的控制，水平连铸对于含氧量无法控制，因此要生产TU1规格的无氧铜，存在很大难度。

申请号02136815.5公开了一种潜流式无氧铜水平连铸技术及其生产设备，从其说明书和附图部分可以看到，其熔化炉和保温炉均是封闭式的，虽然减少了杂质和气泡产生的机会，提高了铸坯的质量，但是它同样没有解决铜含氧量的问题，它的设备无法去除铜内的杂质氢和氧，因此要生产TU1无氧铜，是非常难的。因此，如果高成品率生产TU1无氧铜，而且成本又低，产品质量又高是目前各企业亟待要解决的一大难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术中生产TU1无氧铜设备造价昂贵，生产成本高且生产效率低，含氧量难控制的技术问题，本发明提供一种基于水平连铸法的大直径高纯无氧铜铸坯水平连铸工艺及其连体炉，它具有恒温均匀熔炼的特性，而且很好地对铜熔液进行了脱氧脱氢处理，解决了含氧量难控制的问题，使得整个出品率大大提高，达到90%以上，相对于传统技术具有跨越性的意义。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种大直径高纯无氧铜铸坯水平连铸工艺，包含以下步骤：

1）备料：取高纯阴极铜待用；

2）预处理：将待用的阴极铜表面去氧化层和颗粒，并进行预热处理，预热温度控制在280℃-300℃；

3）熔炼：首先将经过预处理的阴极铜放入熔炼炉中熔炼，熔炼温度控制在1180-1230℃，同时在熔炼炉底部通入惰性气体，而铜熔液上方浮有经煅烧后的炭层作覆盖，其次利用电磁搅拌对铜熔液搅拌；

4）保温：将熔炼炉中熔炼后的铜熔液潜流入保温炉内，同时在保温炉底部通入惰性气体，铜熔液上方浮有经煅烧后的炭层作覆盖，保温炉内温度控制在1180-1230℃；

5）铸造：将保温炉内的铜熔液导入石墨结晶器，然后对石墨结晶器水冷却，得高纯无氧铜铸坯。

作为优选，步骤3）和步骤4）中所用惰性气体为氩气。

作为优选，所述炭层为经煅烧后的竹炭层。

一种采用大直径高纯无氧铜铸坯水平连铸工艺铸造无氧铜坯的连体炉，包括熔炼炉、保温炉和结晶器，所述熔炼炉底部与保温炉底部通过管道连通，所述保温炉熔液出口连接结晶器，所述结晶器上布置有水冷却系统，所述熔炼炉和保温炉内均设置有经煅烧后的炭层，所述熔炼炉底部设置有第一氩气管道，保温炉底部设置有第二氩气管道，熔炼炉外壁上安装有两个相对的电磁搅拌器。

电磁搅拌器主要部件为铁芯和线圈构成的感应器，电磁搅拌器的工作原理与直线电动机的工作原理相似，感应器相当于电机的定子，铜熔液相当于电机的转子，炉壁的厚度决定了电机的气隙，因此，它相当于一个气隙很大的直线电动机。当在感应器线圈内通入低频电流时，就会产生一个行波磁场，这一磁场穿过炉壁，作用于铜熔液，在铜熔液中产生感应电势和电流，这感生电流又和磁场作用产生电磁力，从而推动铜熔液定向流动，起到搅拌作用；氩气通道通入的氩气能够将铜熔液中的氢氧带出上浮，由于氩气分子量大，氢氧分子量小，氩气在上浮过程中，氢氧原子进入氩气分子间距内，随着氩气上浮而被带出，与上方覆盖的竹炭层反应，具体的反应过程为碳与熔融铜中的氧反应生成二氧化碳，生成的二氧化碳与碳反应产生一氧化碳，一氧化碳燃烧生产二氧化碳最终被竹炭吸附，而这个过程配合电磁搅拌器后，其反应速度更快，脱氧脱氢效果显著。

进一步地，对连体炉内部流道改进，采用先整体后分开再整体的方法，即所述熔炼炉与保温炉之间相同的管道包括主流道和支流道，主流道一端与熔炼炉连通，另一端通过两支流道分叉式汇流入保温炉。铜熔液在流入保温炉前是汇集在一起的，经过两支流道分叉后分为两股流体再进行汇合流入保温炉，这样做可以起到进一步混合搅拌的作用，让铜熔液在保温炉内混合更均匀，可以保证在保温炉内更进一步的脱氧脱氢，加强效果。

为了隔绝空气，防止杂质进入，所述熔炼炉和保温炉内设置有竹炭层或木炭层。作为优选，经煅烧后的竹炭层是首选，由于竹炭比普通木炭空隙更小，颗粒更均匀，二次焙烧后作为覆盖层脱氧效果优于木炭。

进一步地改进，所述的水冷却系统包括螺旋水套，所述螺旋水套套装于结晶器，所述螺旋水套上具有冷却水出口和冷却水进口。

所述保温炉的熔沟为垂直设置。传统的保温炉为水平熔沟，本设计改成垂直熔沟后，加热区域不同了，改善了铸锭下部晶粒过大现象，提高铸锭晶粒度的均匀性。

本发明的有益效果是，本发明具有如下优点：

1、恒温均匀熔炼：恒温是采用温控技术达到，均匀熔炼是指阴极铜在熔炼炉中熔炼时，为了能够将铜内的杂质去除，必须在熔炼时不断的搅拌，而从所周知，熔炼时温度达到1100多度，那么如果要设置搅拌轴必然其材料要耐高温，还有其他因数要考虑，这无疑将把问题复杂，而在本工艺中，采用电磁搅拌技术，利用电磁场缓慢搅动铜熔液，保证熔炼炉内熔液恒温均匀，有利于杂质的析出；

2、脱氧脱氢强：传统的铜熔液覆盖层为木炭，本工艺利用竹炭作为铜熔液的覆盖层，由于其空隙比木炭更小，意味着二次焙烧后作为覆盖层脱氧效果由于普通木炭，这是其一，另外，在熔炼炉和保温炉底部均通入有惰性气体氩气，氩气分子量大，氩气从炉的底部上浮到顶部时，可以把铜熔液中的氢和氧原子一起带出，而且惰性气体的通入也起到一定的搅拌作用，扩大铜液与竹炭层的接触面，强化还原反应来提高脱氧效果；

3、循序渐进，逐级除杂：在熔炼炉是阴极铜的熔化过程，在熔炼炉内是初步的熔炼过程，利用电磁搅拌技术使得铜熔液与杂质混合均匀，通入的氩气起初步脱氧脱氢作用，而当熔炼炉中的铜熔液进入到保温炉后，由于铜的状态不同了（在熔炼炉内是固态到液态的过程），在保温炉内是精炼的过程，此时只需通入氩气即可，就能起到很好地脱氧脱氢作用，通过初炼到精炼，使得铜铸坯的含氧量得到控制，符合TU1无氧铜的标准；

4、含氧量低：本工艺获得的无氧铜铸坯，其含氧量在10PPM以下，符合TU1无氧铜标准；

5、成品率高，成本显著降低：以一吨原材料为例，经本工艺处理得到的TU1无氧铜铸坯可达到900多公斤，其损耗明显小的多，成品率达到了90%以上，无疑在该领域内是突破性的。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的工艺流程图；

图2是本发明的连体炉的主视结构图；

图3是本发明的连体炉的俯视图。

图中：1.熔炼炉，2.保温炉，3.管道，3-1.主流道，3-2.支流道，4.第一氩气管道，5.第二氩气管道，6.竹炭层，7.结晶器，8.螺旋水套，8-1.冷却水出口，8-2.冷却水进口，9.电磁搅拌器，10.第二冷却水出口，11.第二冷却水进口。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

实施例

参考图2图3，本实施例采用的连体炉包括熔炼炉1、保温炉2和结晶器7，所述熔炼炉1底部与保温炉2底部通过管道连通，熔炼炉1与保温炉2之间相通的管道包括主流道3-1和支流道3-2，主流道3-1一端与熔炼炉1连通，另一端通过两支流道3-2分叉式汇流入保温炉2。

如图2，熔炼炉1和保温炉2内设置有竹炭层6，保温炉2熔液出口连接石墨结晶器7，石墨结晶器7上套装螺旋水套8，螺旋水套8上具有冷却水出口8-1和冷却水进口8-2。

保温炉2内的熔沟为垂直设置，熔炼炉1底部设置有第一氩气管道4，保温炉2底部设置有第二氩气管道5，熔炼炉1外壁上安装有两个相对的电磁搅拌器9。

如图1，以上述连体炉为无氧铜铸坯的生产设备，按下述工艺进行：

1）备料：取高纯阴极铜待用；

2）预处理：将待用的阴极铜表面去氧化层和颗粒，把铜表面的铜豆、边料和挂耳切除，然后进行预热处理，预热温度控制在280℃-300℃；预热的目的在于除去铜表面的水分，因为冷料或者潮湿的阴极铜在熔池中会引起飞溅，因此必须作预处理；

3）熔炼：首先将经过预处理的阴极铜放入熔炼炉1中熔炼，熔炼温度控制在1180-1230℃，同时在熔炼炉1底部通入氩气，而铜熔液上方浮有经煅烧后的竹炭作覆盖，一方面隔绝空气，另一方面还原脱氧，其次利用电磁搅拌对铜熔液搅拌，在熔炼炉的外壁装上线圈，通电后，就会产生磁场，作用于铜熔液，在铜熔液中产生感应电势和电流，感应电流又与磁场作用产生电磁力，从而推动铜熔液定向流动，起到搅拌作用，本步骤为铜熔液的初步脱氧脱氢；

4）保温：利用熔炼炉1和保温炉2的势能差，将熔炼炉1中熔炼后的铜熔液通过管道潜流入保温炉2内，同时在保温炉2底部通入氩气，铜熔液上方浮有经煅烧后的竹炭作覆盖，保温炉2内温度控制在1180-1230℃；本步骤在保温炉2内进行进一步地脱氧脱氢，是精炼的过程；

5）铸造：将保温炉2内的铜熔液导入石墨结晶器7，然后对石墨结晶器7水冷却，得高纯无氧铜铸坯。如图2，这里的水冷却为二次冷却，包括第二冷却水进口11和第二冷却水出口10，经过两次冷却后温度下降到200℃以下，充分保证铸锭冷却强度和冷却均匀性。

最后将得到的高纯无氧铜铸坯锯切，然后包装。本工艺生产得到的高纯无氧铜经过检验后均合格，结果如下表：

序号	项目	技术要求	检验结果	评价
					1	Cu+Ag,%	≥99.97	99.97	合格
2	P，%	≤0.002	0.001	合格
					3	O，%	≤0.002	0.001	合格

本工艺获得的无氧铜铸坯，其含氧量在10PPM以下，符合TU1无氧铜标准；而且成品率高，成本显著降低：以一吨原材料为例，经本工艺处理得到的TU1无氧铜铸坯可达到900多公斤，其损耗明显小的多，成品率达到了90%以上，无疑在该领域内是突破性的。

Claims (8)

1.一种大直径高纯无氧铜铸坯水平连铸工艺，其特征在于包含以下步骤：

1）备料：取高纯阴极铜待用；

2）预处理：将待用的阴极铜表面去氧化层及颗粒，并进行预热处理，预热温度控制在280℃-300℃；

3）熔炼：首先将经过预处理的阴极铜放入熔炼炉中熔炼，熔炼温度控制在1180-1230℃，同时在熔炼炉底部通入惰性气体，而铜熔液上方浮有经煅烧后的炭层作覆盖，其次利用电磁搅拌对铜熔液搅拌；

4）保温：将熔炼炉中熔炼后的铜熔液潜流入保温炉内，同时在保温炉底部通入惰性气体，铜熔液上方浮有经煅烧后的炭层作覆盖，保温炉内温度控制在1180-1230℃；

5）铸造：将保温炉内的铜熔液导入石墨结晶器，然后对石墨结晶器水冷却，得高纯无氧铜铸坯。

2.如权利要求1所述的大直径高纯无氧铜铸坯水平连铸工艺，其特征在于：步骤3）和步骤4）中所用惰性气体为氩气。

3.如权利要求1所述的大直径高纯无氧铜铸坯水平连铸工艺，其特征在于：所述炭层为经煅烧后的竹炭层。

4.一种采用权利要求1-3任一项所述的大直径高纯无氧铜铸坯水平连铸工艺铸造无氧铜坯的连体炉，包括熔炼炉、保温炉和结晶器，所述熔炼炉底部与保温炉底部通过管道连通，所述保温炉熔液出口连接结晶器，所述结晶器上布置有水冷却系统，其特征在于：所述熔炼炉和保温炉内均设置有经煅烧后的炭层，所述熔炼炉底部设置有第一氩气管道，保温炉底部设置有第二氩气管道，熔炼炉外壁上安装有两个相对的电磁搅拌器。

5.如权利要求4所述的连体炉，其特征在于：所述熔炼炉与保温炉之间相同的管道包括主流道和支流道，主流道一端与熔炼炉连通，另一端通过两支流道分叉式汇流入保温炉。

6.如权利要求4所述的连体炉，其特征在于：所述炭层为竹炭层或木炭层。

7.如权利要求4所述的连体炉，其特征在于：所述的水冷却系统包括螺旋水套，所述螺旋水套套装于结晶器，所述螺旋水套上具有冷却水出口和冷却水进口。

8.如权利要求4所述的连体炉，其特征在于：所述保温炉的熔沟为垂直设置。

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