CN113930625B - 多层离心式高纯度单晶铜还原炉及冶炼方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多层离心式高纯度单晶铜还原炉，包括炉壳、第一还原转子、第二还原转子、冷却筒、环形顶板、加热坩埚、导液管、开闭控制机构和旋转动力机构；第一轴体部设有主气孔，锥形转盘部设有第一微孔；第二还原转子转动连接在炉壳的内底，第二还原转子呈锥状，第二还原转子的小端转动连接在炉壳内；冷却筒固定在炉壳的内侧壁上，开闭控制机构用于控制导液管与加热坩埚的连通和断开；旋转动力机构用于同步驱动第一还原转子和第二还原转子同步转动，且第二还原转子的转速大于第一还原转子的转速；本发明使得铜液与还原性气体的接触面积更大，还原反应更为充分，获得纯度更高的铜液，同时缩短反应时间，利于提高产品的性能。

Description

多层离心式高纯度单晶铜还原炉及冶炼方法

技术领域

本发明涉及一种多层离心式高纯度单晶铜还原炉。

背景技术

单晶铜制备过程中，需要以低纯度铜为原料采用还原性气体将低纯度铜材料内的氧化物杂质进行还原，以获得高纯度的铜料，而铜料纯度对单晶形成以及最终产品的电气性能具有重要影响。

目前的单晶铜还原炉在对低纯度铜进行冶炼还原过程中均是将铜材料熔化后向其中通入还原性气体，由于这种结构使得铜液与气体之间的接触面积小，导致需要的反应时间较长，得到的铜料纯度较低，导致后期产品的性能较差。

发明内容

本发明的目的在于克服以上所述的缺点，提供一种多层离心式高纯度单晶铜还原炉。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种多层离心式高纯度单晶铜还原炉，包括具有开口结构的炉壳以及由内向外依次同轴设于炉壳内的第一还原转子、第二还原转子、冷却筒；所述第一还原转子具有轴体部和锥形转盘部，所述轴体部转动连接在炉壳的内底中心，所述轴体部内开设有主气孔，所述锥形转盘部的内锥面同轴凹设有多圈反应凹槽，每个所述反应槽的槽底均沿周向均布有与主气孔连通的第一微孔；所述第二还原转子呈锥状，所述第二还原转子的小端转动连接在炉壳的内底；所述冷却筒固定在炉壳的内侧壁上，所述冷却筒的高度大于第二还原转子的高度，所述第二还原转子的高度大于第一还原转子的高度；

还包括设于炉壳顶部的环形顶板、安装在环形顶板中心的加热坩埚以及一端连接在加热坩埚底部的导液管；所述加热坩埚的底部伸入第二还原转子内并位于第一还原转子的上方，所述导液管的另一端位于锥形转盘部的中心上方；

还包括开闭控制机构和旋转动力机构，所述开闭控制机构用于控制导液管与加热坩埚的连通和断开；所述旋转动力机构用于同步驱动第一还原转子和第二还原转子同步转动，且所述第二还原转子的转速大于第一还原转子的转速。

本发明进一步地，所述加热坩埚的底部中心开设有导液孔，所述导液管的上端连接在导液孔的下端；

所述开闭控制机构包括孔板、活塞、阀杆、压缩空气管、电磁阀、端盖，所述孔板固定在加热坩埚内，所述孔板顶面中心凸设有阀体，所述端盖固定在阀体的顶端并与阀体、孔板之间形成阀腔，所述活塞设于阀腔内，所述阀杆的上端连接在活塞上，所述阀杆的下端密封抵接在导液孔的上端，所述电磁阀安装在环形顶板上，所述压缩空气管的一端连接在电磁阀上，所述压缩空气管的另一端连接在端盖上并与阀腔连通。

本发明进一步地，还包括有供气环和多个第一喷管，所述供气环安装在环形顶板上，多个所述第一喷管沿供气环的周向均布设置，所述第一喷管的上端连接在供气环上，所述第一喷管的下端延伸入第二还原转子内并靠近第二还原转子的内锥面，每个所述第二喷管上均间隔设置有多个第二微孔。

本发明进一步地，还包括有第二喷管，所述第二喷管呈螺旋盘绕在冷却筒与第二还原转子之间，所述第二喷管上间隔设置有多个第三微孔。

本发明进一步地，所述第二喷管的进气端与主气孔之间连接有供气阀。

本发明进一步地，还包括有排料槽环，所述排料槽环固定在炉壳内并位于冷却筒底部的下方；

还包括有支撑座和出料槽，所述支撑座固定在炉壳的外底部，所述排料槽环具有一贯穿炉壳底部的排料口，所述出料槽固定在支撑座上并位于排料口下方。

本发明进一步地，所述旋转动力机构包括减速电机和电机安装座，所述电机安装座固定在炉壳底部，所述减速电机安装在电机安装座上；

还包括有第一带轮、第二带轮、第三带轮、齿轮和齿圈，所述第一带轮连接在减速电机的输出端上，所述齿轮转动穿设于炉壳的底部，所述第二带轮套接在齿轮上，所述第三带轮套接在轴体部上，所述齿圈套接在第二还原转子的外壁上并与齿轮啮合，所述第一带轮的直径大于第二带轮的直径，所述第三带轮的直径大于第一带轮的直径，所述第一带轮、第二带轮、第三带轮通过一同步带传动连接在一起。

本发明进一步地，所述加热坩埚包括坩埚体和感应线圈，所述坩埚体为开口结构，所述坩埚体安装在环形顶板的中心，所述感应线圈螺旋盘绕在坩埚体外壁上，所述感应线圈的两端分别贯穿于环形顶板。

本发明进一步地，所述第二还原转子的内锥面涂覆有催化剂涂层。

本发明的有益效果为：本发明通过第一还原转子和第二还原转子将铜液离心分散，且设置第二还原转子的转速大于第一还原转子的转速，使铜液层层分散，从而使得铜液与还原性气体的接触面积更大，还原反应更为充分，获得纯度更高的铜料，同时缩短还原反应时间，提高冶炼效率，大大提高后期产品的性能。

附图说明

图1是本发明的立体图；

图2是本发明另一视角的立体图；

图3是本发明的一剖面示意图；

图4是本发明的另一剖面示意图；

图5是本发明部分结构的立体图；

图6是本发明的第一还原转子的结构示意图；

图7是本发明的开闭控制机构的剖面示意图；

图8是本发明的旋转动力机构的结构示意图；

附图标记说明：1、炉壳；2、第一还原转子；21、轴体部；22、锥形转盘部；23、主气孔；24、反应凹槽；3、第二还原转子；4、冷却筒；5、环形顶板；6、加热坩埚；61、坩埚体；62、感应线圈；7、导液管；8、开闭控制机构；81、孔板；811、阀体；82、活塞；83、阀杆；84、压缩空气管；85、电磁阀；86、端盖；9、旋转动力机构；91、减速电机；92、电机安装座；93、第一带轮；94、第二带轮；95、第三带轮；96、齿轮；97、齿圈；98、同步带；10、供气环；20、第一喷管；30、第二喷管；40、供气阀；50、排料槽环；60、支撑座；70、出料槽；80、排气管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明，并不是把本发明的实施范围局限于此。

如图1至图8所示，本实施例的一种多层离心式高纯度单晶铜还原炉，包括具有开口结构的炉壳1以及由内向外依次同轴设于炉壳1内的第一还原转子2、第二还原转子3、冷却筒4；第一还原转子2具有轴体部21和锥形转盘部22，轴体部21转动连接在炉壳1的内底中心，轴体部21内开设有主气孔23，锥形转盘部22的内锥面同轴凹设有多圈反应凹槽24，每个反应槽的槽底均沿周向均布有与主气孔23连通的第一微孔；第二还原转子3呈锥状，第二还原转子3的小端转动连接在炉壳1的内底；冷却筒4固定在炉壳1的内侧壁上，冷却筒4的高度大于第二还原转子3的高度，第二还原转子3的高度大于第一还原转子2的高度；

还包括设于炉壳1顶部的环形顶板5、安装在环形顶板5中心的加热坩埚6以及一端连接在加热坩埚6底部的导液管7；加热坩埚6的底部伸入第二还原转子3内并位于第一还原转子2的上方，导液管7的另一端位于锥形转盘部22的中心上方；

还包括开闭控制机构8和旋转动力机构9，开闭控制机构8用于控制导液管7与加热坩埚6的连通和断开；旋转动力机构9用于同步驱动第一还原转子2和第二还原转子3同步转动，且第二还原转子3的转速大于第一还原转子2的转速。

本实施例的工作方式是：使用时，将低纯度铜材料投入至加热坩埚6内，加热坩埚6对铜料进行加热至铜料融化成铜液，在加热坩埚6内积蓄一定过热铜液后，开闭控制机构8控制导液管7与加热坩埚6连通，使得铜液从加热坩埚6内流入导液管7内，再从导液管7流入第一还原转子2的锥形转盘部22的中心，此时第一还原转子2在旋转动力机构9的驱动下处于旋转状态，使得锥形转盘部22上的铜液在离心力作用下由中心向边沿流动，同时通过第一还原转子2的轴体部21内的主气孔23向各个第一微孔吹入还原性气体，还原性气体从第一微孔喷出，与反应凹槽24内的铜液混合发生还原反应，将铜液内的一部分氧化物杂质还原为铜单质；

当铜液流动至锥形转盘部22的边沿后，在离心力作用下被甩出至第二还原转子3的内锥面上，第二还原转子3也在旋转动力机构9驱动下处于高速旋转状态下，附着于第二还原转子3内锥面上的铜液在离心力作用下存在一个向上的分力，使得铜液沿着第二还原转子3内锥面向上流动，同时向第二还原转子3内均匀喷入还原性气体，由于第二还原转子3的转速大于第一还原转子2的转速，使得铜液在第二还原转子3内锥面上分散得到的铜液层厚度相较于第一还原转子2上形成的铜液层更薄，使得铜液与还原性气体接触的面积更大，在加快还原反应速率的同时也使得还原反应进行的更为充分，从而提高了最终获得的铜料纯度；

在铜液沿着第二还原转子3内锥面流动至第二还原转子3的最顶端后，铜液被甩出至冷却筒4的内壁上，铜液在重力作用下沿冷却筒4内壁向下流动，冷却筒4对铜液进行冷却降温，从而得到纯度更高的铜料。

本实施例通过第一还原转子2和第二还原转子3将铜液离心分散，且设置第二还原转子3的转速大于第一还原转子2的转速，使铜液层层分散，从而使得铜液与还原性气体的接触面积更大，还原反应更为充分，获得纯度更高的铜料，同时缩短还原反应时间，提高冶炼效率，大大提高后期产品的性能。

另外，本实施例将铜液加热与铜液还原反应分隔开，从而能够连续进行铜料的冶炼作业，大大提高冶炼效率。

基于上述实施例的基础上，进一步地，加热坩埚6的底部中心开设有导液孔，导液管7的上端连接在导液孔的下端；

开闭控制机构8包括孔板81、活塞82、阀杆83、压缩空气管84、电磁阀85、端盖86，孔板81固定在加热坩埚6内，孔板81顶面中心凸设有阀体811，端盖86固定在阀体811的顶端并与阀体811、孔板81之间形成阀腔，活塞82设于阀腔内，阀杆83的上端连接在活塞82上，阀杆83的下端密封抵接在导液孔的上端，电磁阀85安装在环形顶板5上，压缩空气管84的一端连接在电磁阀85上，压缩空气管84的另一端连接在端盖86上并与阀腔连通。

实际使用时，低纯度铜材料投入至加热坩埚6内并支撑于孔板81上，在加热坩埚6对铜料加热融化，融化后的铜料透过孔板81流入加热坩埚6内底部，有效避免未融化后的铜料堵塞住导液孔，融化后的铜料在加热坩埚6内进一步被加热形成铜液，在加热坩埚6内积蓄一定铜液后，电磁阀85工作，通过压缩空气管84使得端盖86与活塞82之间的阀腔部分的压力降低，此时阀杆83在铜液的浮力作用下上移，将导液孔打开，然后铜液经由导液孔进入导液管7内，如此通过电磁阀85控制阀腔内的压力，使得阀杆83移动，从而达到控制导液孔的导通和关闭，从而使得铜液分散流入第一还原转子2的锥形转盘部22，以利用锥形转盘部22对铜液进行充分离心分散，以增大铜液与还原性气体的接触面积，通过控制导液孔的开闭时间，能够控制流入第一还原转子2上的铜液的量，以实现定量输送铜液至第一还原转子2上。

基于上述实施例的基础上，进一步地，还包括有供气环10和多个第一喷管20，供气环10安装在环形顶板5上，多个第一喷管20沿供气环10的周向均布设置，第一喷管20的上端连接在供气环10上，第一喷管20的下端延伸入第二还原转子3内并靠近第二还原转子3的内锥面，每个第二喷管30上均间隔设置有多个第二微孔。

实际使用时，利用供气环10同时向各个第一喷管20内输送还原性气体，还原性气体通过第一喷管20上的各个第二微孔朝向第二还原转子3内锥面喷出，从而与第二还原转子3内锥面上的铜液进行还原反应。

基于上述实施例的基础上，进一步地，还包括有第二喷管30，第二喷管30呈螺旋盘绕在冷却筒4与第二还原转子3之间，第二喷管30上间隔设置有多个第三微孔。

实际使用时，被甩出至冷却筒4内壁上的铜液沿着冷却筒4内壁往下流动，同时向第二喷管30内输入惰性保护气体，惰性保护气体经由各个第三微孔朝向冷却筒4内壁喷出，使得铜液在惰性气氛下冷却降温，防止过热状态的铜液与环境的氧气再次发生氧化反应而导致铜液的纯度减低，如此进一步提高获得的铜料的纯度。

基于上述实施例的基础上，进一步地，第二喷管30的进气端与主气孔23之间连接有供气阀40，如此设置，简化供气结构。

基于上述实施例的基础上，进一步地，还包括有排料槽环50，排料槽环50固定在炉壳1内并位于冷却筒4底部的下方。本实施例中，还包括有支撑座60和出料槽70，支撑座60固定在炉壳1的外底部，排料槽环50具有一贯穿炉壳1底部的排料口，出料槽70固定在支撑座60上并位于排料口下方。

如此设置，利用排料槽环50对经过冷却后的铜液进行集中收集，然后再经由排料槽环50进行排出出料槽70上，经由出料槽70对经过还原反应后的铜液的收集处理。

基于上述实施例的基础上，进一步地，旋转动力机构9包括减速电机91和电机安装座92，电机安装座92固定在炉壳1底部，减速电机91安装在电机安装座92上；

还包括有第一带轮93、第二带轮94、第三带轮95、齿轮96和齿圈97，第一带轮93连接在减速电机91的输出端上，齿轮96转动穿设于炉壳1的底部，第二带轮94套接在齿轮96上，第三带轮95套接在轴体部21上，齿圈97套接在第二还原转子3的外壁上并与齿轮96啮合，第一带轮93的直径大于第二带轮94的直径，第三带轮95的直径大于第一带轮93的直径，第一带轮93、第二带轮94、第三带轮95通过一同步带98传动连接在一起。

实际使用时，减速电机91带动第一带轮93转动，第一带轮93通过同步带98同时带动第二带轮94、第三带轮95转动，第三带轮95带动第一还原转子2转动，对锥形转盘部22上的铜液进行离心分散，第二带轮94带动齿轮96转动，齿轮96通过齿圈97带动第二还原转子3转动，从而实现第一还原转子2和第二还原转子3同步转动，且第一还原转子2的转速小于第二还原转子3的转速，使得铜液在第二还原转子3内锥面上进一步分散，与还原性气体的接触面积更大。

基于上述实施例的基础上，进一步地，加热坩埚6包括坩埚体61和感应线圈62，坩埚体61为开口结构，坩埚体61安装在环形顶板5的中心，感应线圈62螺旋盘绕在坩埚体61外壁上，感应线圈62的两端分别贯穿于环形顶板5。实际使用时，将低纯度铜材料投入坩埚体61内，然后接通感应线圈62，使得低纯度铜材料在涡流作用下被加热至融化后透过孔板81流入坩埚体61底部存储，并继续在感应线圈62的加热下形成过热状态的铜液，以便铜液流入导液孔内，便于后续还原反应，同时对阀杆83产生浮力，以便阀杆83打开导液孔。本实施例设置开口结构坩埚体61而不影响铜液在第一还原转子2和第二还原转子3上还原反应，从而能够进行连续作业，冶炼效率大大提高。

基于上述实施例的基础上，进一步地，第二还原转子3的内锥面涂覆有催化剂涂层。如此设置，利用催化剂涂层对铜还原反应进行催化，进一步提高还原反应速率和反应完全程度，提高最终获得的铜料纯度。

本实施例中，在环形顶板5上还安装有排气管80，该排气管80与炉壳1内连通，以便将炉壳1内的气体进行排出。

以上所述仅是本发明的一个较佳实施例，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，包含在本发明专利申请的保护范围内。

Claims (8)

1.一种多层离心式高纯度单晶铜还原炉，其特征在于：包括具有开口结构的炉壳(1)以及由内向外依次同轴设于炉壳(1)内的第一还原转子(2)、第二还原转子(3)、冷却筒(4)；所述第一还原转子(2)具有轴体部(21)和锥形转盘部(22)，所述轴体部(21)转动连接在炉壳(1)的内底中心，所述轴体部(21)内开设有主气孔(23)，所述锥形转盘部(22)的内锥面同轴凹设有多圈反应凹槽(24)，每个所述反应凹槽(24)的槽底均沿周向均布有与主气孔(23)连通的第一微孔；所述第二还原转子(3)呈锥状，所述第二还原转子(3)的小端转动连接在炉壳(1)的内底；所述冷却筒(4)固定在炉壳(1)的内侧壁上，所述冷却筒(4)的高度大于第二还原转子(3)的高度，所述第二还原转子(3)的高度大于第一还原转子(2)的高度；

还包括设于炉壳(1)顶部的环形顶板(5)、安装在环形顶板(5)中心的加热坩埚(6)以及一端连接在加热坩埚(6)底部的导液管(7)；所述加热坩埚(6)的底部伸入第二还原转子(3)内并位于第一还原转子(2)的上方，所述导液管(7)的另一端位于锥形转盘部(22)的中心上方；

还包括开闭控制机构(8)和旋转动力机构(9)，所述开闭控制机构(8)用于控制导液管(7)与加热坩埚(6)的连通和断开；所述旋转动力机构(9)用于同步驱动第一还原转子(2)和第二还原转子(3)同步转动，且所述第二还原转子(3)的转速大于第一还原转子(2)的转速；

所述加热坩埚(6)的底部中心开设有导液孔，所述导液管(7)的上端连接在导液孔的下端；

所述开闭控制机构(8)包括孔板(81)、活塞(82)、阀杆(83)、压缩空气管(84)、电磁阀(85)、端盖(86)，所述孔板(81)固定在加热坩埚(6)内，所述孔板(81)顶面中心凸设有阀体(811)，所述端盖(86)固定在阀体(811)的顶端并与阀体(811)、孔板(81)之间形成阀腔，所述活塞(82)设于阀腔内，所述阀杆(83)的上端连接在活塞(82)上，所述阀杆(83)的下端密封抵接在导液孔的上端，所述电磁阀(85)安装在环形顶板(5)上，所述压缩空气管(84)的一端连接在电磁阀(85)上，所述压缩空气管(84)的另一端连接在端盖(86)上并与阀腔连通；

还包括有供气环(10)和多个第一喷管(20)，所述供气环(10)安装在环形顶板(5)上，多个所述第一喷管(20)沿供气环(10)的周向均布设置，所述第一喷管(20)的上端连接在供气环(10)上，所述第一喷管(20)的下端延伸入第二还原转子(3)内并靠近第二还原转子(3)的内锥面，每个所述第一喷管(20)上均间隔设置有多个第二微孔。

2.根据权利要求1所述的多层离心式高纯度单晶铜还原炉，其特征在于：还包括有第二喷管(30)，所述第二喷管(30)呈螺旋盘绕在冷却筒(4)与第二还原转子(3)之间，所述第二喷管(30)上间隔设置有多个第三微孔。

3.根据权利要求2所述的多层离心式高纯度单晶铜还原炉，其特征在于：所述第二喷管(30)的进气端与主气孔(23)之间连接有供气阀(40)。

4.根据权利要求1所述的多层离心式高纯度单晶铜还原炉，其特征在于：还包括有排料槽环(50)，所述排料槽环(50)固定在炉壳(1)内并位于冷却筒(4)底部的下方；

还包括有支撑座(60)和出料槽(70)，所述支撑座(60)固定在炉壳(1)的外底部，所述排料槽环(50)具有一贯穿炉壳(1)底部的排料口，所述出料槽(70)固定在支撑座(60)上并位于排料口下方。

5.根据权利要求1所述的多层离心式高纯度单晶铜还原炉，其特征在于：所述旋转动力机构(9)包括减速电机(91)和电机安装座(92)，所述电机安装座(92)固定在炉壳(1)底部，所述减速电机(91)安装在电机安装座(92)上；

还包括有第一带轮(93)、第二带轮(94)、第三带轮(95)、齿轮(96)和齿圈(97)，所述第一带轮(93)连接在减速电机(91)的输出端上，所述齿轮(96)转动穿设于炉壳(1)的底部，所述第二带轮(94)套接在齿轮(96)上，所述第三带轮(95)套接在轴体部(21)上，所述齿圈(97)套接在第二还原转子(3)的外壁上并与齿轮(96)啮合，所述第一带轮(93)的直径大于第二带轮(94)的直径，所述第三带轮(95)的直径大于第一带轮(93)的直径，所述第一带轮(93)、第二带轮(94)、第三带轮(95)通过一同步带(98)传动连接在一起。

6.根据权利要求1所述的多层离心式高纯度单晶铜还原炉，其特征在于：所述加热坩埚(6)包括坩埚体(61)和感应线圈(62)，所述坩埚体(61)为开口结构，所述坩埚体(61)安装在环形顶板(5)的中心，所述感应线圈(62)螺旋盘绕在坩埚体(61)外壁上，所述感应线圈(62)的两端分别贯穿于环形顶板(5)。

7.根据权利要求1所述的多层离心式高纯度单晶铜还原炉，其特征在于：所述第二还原转子(3)的内锥面涂覆有催化剂涂层。

8.一种使用如权利要求1至7中任一项所述的多层离心式高纯度单晶铜还原炉的冶炼方法，其特征在于：包括如下步骤：

S100：将低纯度铜材料投入至加热坩埚(6)内，加热坩埚(6)对铜料进行加热至铜料融化成铜液，在加热坩埚(6)内积蓄一定过热铜液后，开闭控制机构(8)控制导液管(7)与加热坩埚(6)连通，使得铜液从加热坩埚(6)内流入导液管(7)内，再从导液管(7)流入第一还原转子(2)的锥形转盘部(22)的中心；

S200：第一还原转子(2)在旋转动力机构(9)的驱动下旋转，通过第一还原转子(2)的轴体部(21)内的主气孔(23)向各个第一微孔吹入还原性气体，还原性气体与反应凹槽(24)内的铜液混合发生还原反应；

S300：当铜液流动至锥形转盘部(22)的边沿后，铜液被甩出至第二还原转子(3)的内锥面上，第二还原转子(3)在旋转动力机构(9)驱动下旋转，铜液沿着第二还原转子(3)内锥面向上流动，向第二还原转子(3)内均匀喷入还原性气体与铜液还原反应；

S400：铜液被甩出至冷却筒(4)的内壁后，铜液在重力作用下沿冷却筒(4)内壁向下流动，冷却筒(4)对铜液进行冷却降温，从而得到纯度更高的铜料。

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