CN1271225C - 用于降低铜熔液的氧含量的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于降低铜熔液的氧含量的方法和装置。在铜熔液的垂直方向的下部区域设置有一块或多块吹洗石，从吹洗石溢出吹洗气体。吹洗气体在铜熔液中上升，铜熔液本身得到电搅动。铜首先在竖炉中熔融，接着通过输送槽而导入处理炉中。不仅在输送槽区域而且在处理炉区域从吹洗石溢出的吹洗气体流在铜熔液中上升。从至少一块吹洗石中溢出的吹洗气体的组成成分为30%-70%的还原气体和70%-30%的惰性气体。

Description

用于降低铜熔液的氧含量的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于降低铜熔液的氧含量的方法，其中在铜熔液的下部区域设置至少一块吹洗石(Spuelstein)，并至少有一种吹洗用气体从该吹洗石中溢出，该吹洗用气体在铜熔液中上升。
此外，本发明还涉及一种用于降低铜熔液的氧含量的装置，该装置基本上是以一个封闭的处理容器或一个封闭的处理炉形成的，并且在该装置中铜熔液通过电流退火和/或彻底混合。
背景技术
已知有许多方法可制备具有非常低的杂质含量(如小于50ppm)和/或非常低的氧含量(如小于5ppm)的铜和铜合金。在技术上类似的方法也用于制备其他的金属(例如铝和铁)。
根据现有技术的各种不同技术的目的大多为如下所述的目的：
除去液态金属中存在的反应产物、杂质、熔渣和/或单个或多个元素。
在这方面已知的是例如应用过滤器、用一定的沉积时间沉积、用与杂质反应的添加剂处理、应用物理分离方法，例如吹洗、真空装置等，为了达到所希望的精炼效果，可以一个步骤或多个步骤，可联合使用上述技术或应用各单个技术。
这些方法是已知的并早已用于铝和钢的处理中，但它们只是部分地应用于制铜工业中。
对于铜的制备，很久以来，通常用插本还原法，用还原性气体除去氧含量。同样还已知，例如以母合金的形式添加还原性元素如磷和锂或硼。还可使用过滤、排出炉渣、真空箱/炉和/或沉积时间等方法，以净化提纯金属。
对于铜的制备，所有上述的方法都只可用于降低非常高含量(例如大于200-2000ppm)的杂质和/或氧，所以还要进一步加工处理。还已知的是，为了得到确定的材料性能，脱氧剂(如磷)也可同时用作合金元素。
为了制备非常纯的铜材，几乎都是将电解精炼铜(阴极)用作基材，电解精炼铜的杂质量通过前面的精炼步骤(热的和化学的)按照国际交易注册种类为100ppm以下。
在通过熔融和浇铸这样的永远相连接的热处理步骤中，通过进一步的方法步骤，部分地通过上述的技术可将杂质含量和/或氧含量进一步降低，或去除由熔融和浇铸而带入的或含有的杂质量。
因此，例如阴极铜的电再熔法用作将氧含量降至5-15ppm以下的非连续或连续的标准方法，在此，用一些附加的方法通过气体燃烧器先将阴极加热到直至950℃以提高熔化能力或除去附着的/包含在内的杂质。
然后在具有木炭和/或具有还原性的、尽可能无氢的保护气体的电炉中，优选在感应炉中进行再熔。接着液态铜通过一个，如必需的话，电加热了的而且也注入了还原气体/保护气体的槽被输送到保温炉/缓冲炉/沉积炉中，其也大都以感应炉构成，炉子也再用木炭覆盖和/或注入还原气体/保护气体。熔液流出炉子后，通过一个，如必需的话，也是电加热了的并注入了还原气体/保护气体的槽被输送到电加热了的浇口盘(Tundisch)中，该盘也用木炭覆盖和/或注入还原气体/保护气体。液态金属从浇口盘中流出，大多通过安装在地面的陶瓷阀而到达例如也具有还原气体/保护气体和/或例如用炭黑覆盖了的金属铸型中，在此金属连续地凝固并连续地或不连续地被取出。
上述的标准方法主要基于炉中和槽中的还原性气氛，特别是基于在槽中的输送过程中在金属和还原气体/保护气体之间的巨大交换面以及基于在炉中的长的停留时间。
包括和除了这个标准方法外还已知有其他的方法，这些方法在没有或只部分地具有还原气体/保护气体的情况下部分地实施上述方法步骤。也还已知下述的方法，在这些方法中，只是将液态金属长时间的放置在感应炉中的木炭下面，以试图得到低的氧含量。
还已知其他一些方法，在这些方法中，附加地和/或对上述的标准方法或更确切地说对标准方法进行更改，通过真空对液态金属进行处理。
从DE-OS 36 40 753已知，为了从铜熔液中除去氧，向铜熔液中吹入气态的碳氢化合物和惰性气体的混合气体，吹入气体可通过用多孔砖或通过用特殊的喷嘴进行。
从DE-OS 20 19 538可获知另一种除气和纯化金属熔液的方法和装置。具体地描述了用吹洗石来降低铜熔液中的氧含量，从吹洗石中溢出惰性气体，惰性气体在铜熔液中上升。惰性气体中可加入还原性或氧化性气体。
根据现有技术的装置和方法不能以合适的、可重复的充分的方式而且不能以足够的生产速度以及适宜的费用在方法的实施中将金属熔液的氧含量降至小于5ppm的比例。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于降低铜熔液的氧含量的方法，用此方法可在大型工艺应用中可重复地实现所预定的氧含量，并且相对于如上所述的现有技术具有适宜的或更低的费用。
这个目的可根据本发明如下解决，即铜首先在一个燃气竖炉中熔化，接着通过也是气体燃烧加热了的槽而导入处理炉中。
根据DE 2 517 957 C2的装置可用作竖炉。
在此不仅在槽的区域和/或在处理炉的区域，从吹洗石溢出的吹洗气体从底部通过铜熔液而溢出，其中组成成分为30％-70％的还原气体和70％-30％的惰性气体的吹洗气体从至少一块吹洗石中溢出。竖炉如下装置，即连续地熔化含有少量氧和氢和气体含量的铜，然后转移入槽中。
所述吹洗石优选为具有一定比例的Al2O3、SiC、SiO2以及MgO的材料。优选使用多孔材料作为吹洗石。
本发明的另一个目的是提供一种用于降低铜熔液的氧含量装置，其可在一个连续的过程中并以适宜的生产速度降低铜熔液中的氧含量。
这个目的是如下解决的，即在处理炉的底部和侧面区域以及流出区域这样安置吹洗石，以使得上升的吹洗气体在铜熔液内部形成垂直流动气流，在此附加地处理炉对于金属和气体形成一个具有受控条件的完全封闭体系。
本方法和装置基本上适合于在所有规模下的连续工作。铜熔液的浇铸也可根据所用的处理炉非连续地进行。特别要注意的是，首先将起始材料在一个耗费低的燃气竖炉中再熔。
本发明的方法和本发明的装置使得连续地生产氧含量小于5ppm而且密度为8.9的铜成为可能。不仅对于制造成套设备的投资费用而且对于实施本方法的德国马克/吨的运转费用相对于现有技术都降低了。
附图说明
以下将参考附图对本发明进行详细的说明，图中：
图1示出了处理炉的横截面，
图2为材料流动的方框示意图。
具体实施方式
从图1示出的横截面示意图中可获知，铜熔液的生产工艺技术的处理是在处理炉(1)中进行的。处理炉(1)具有进料流入口部分(2)和排出口部分(3)。铜熔液优选地通过上部的进口(4)进入进料流入口部分(2)中。在进料流入口部分(2)内部，熔液的水平高度是这样确定的，即在垂直方向在熔液液面(5)的上方，在熔液和进料口盖(7)之间保持有自由空间(6)。熔液在进料流入口部分(2)内部用覆盖层(8)覆盖，覆盖层可以由例如炭黑或木炭构成。进口(4)在垂直方向一直插入熔液中，这样熔液可输送到覆盖层(8)的下面。
在图中示出的实施方案中，在进料口底部(9)设置有一块或多块进料吹洗石(10)，由此上升流出用于降低熔液中的氧含量的吹洗气体混合气体。
进料流入口部分(2)用连接通道(11)与处理炉(1)的中部(12)相连接。连接通道(11)插入到处理炉(1)中的熔液的液面以下。特别要注意的是，连接通道(11)就直接安置在进料口底部(9)的上方，而且连接通道(11)与进料口底部(9)的上限距离这样设置，即连接通道(11)在垂直方向被限制为在进料流入口部分(2)内的熔液的约一半液面高度处。
在中部(12)的区域是坩埚状的或隧道状的凹处(13)，熔液流入这凹处。根据图1中的实施方案特别要注意的是，在中部(12)的输入口(14)的区域在一个如下的高度上设置了输入口底部(15)，所述高度约相当于进料流入口部分(2)的进料口底部(9)的高度或更低的水平位置。在输入口底部(15)的区域或在输入口底部以上的区域可放置一块或多块吹洗石(16)。
在中部(12)内的熔液也可设有一覆盖层(8)。在覆盖层(8)上方设置有气体聚集空间(17)，在其垂直方向向上有一炉盖(18)。炉盖(18)有一气体流出口(19)。
在中部(12)的底部(20)区域设置有一块或多块吹洗石(21)。吹洗石(21)优选地是如下放置的：由于上升的气泡吹动而在凹处(13)内部产生熔液流动，使得在中间区域的流动方向为垂直向上的，而在边缘区域的流动方向为垂直向下的。这个流动方向例如通过增强电场和/或电感应而这样地偏转，以使在吹洗石和熔液之间的交换反应增强/延长。这样就能保证输入的熔液首先朝着底部(20)的方向导入中部(12)区域，并且能确保熔液与从吹洗石溢出的吹洗气体有充分的接触。所形成的熔液流还可通过预先的电加热而得到进一步的维持。
中部(12)通过溢流道(22)与排出口部分(3)连接。溢流道(22)具有类似于连接通道(11)的高度定位。溢流道(22)的高度限制在排出口部分(3)内部的熔液的约一半水平高度处。在溢流道(22)的通道底部(23)区域设置有一块或多块吹洗石(24)。
在中部(12)向溢流道(22)流动的区域内设置有输出口底部(25)，其在大约象通道底部(23)以及输入口底部(15)那样的高度延伸。在输出口底部(25)或输出口底部(25)上方的区域放置有一块或多块吹洗石(26)。
在排出口部分(3)内部的熔液也有覆盖层(8)，在覆盖层(8)上方，在排出口盖(27)和熔液液面之间有一自由空间(28)。在排出口底部(29)的区域设置有用于导出熔液的排出口(30)。
在非常示意化的示意图2中可看出，所要熔化的起始材料(31)首先加入到熔炉(32)中，接着通过槽(33)输送到处理炉(1)中。吹洗气体的吹洗冲击不仅在槽(33)的区域中，而且在进料流入口部分(2)、排出口部分(3)以及中部(12)区域中进行。吹洗气体的各输入通道(35)也都标注在示意图中了。
用燃气在竖炉中再熔，炉子的炉身起到例如热交换器的作用，这是效率很高的，所以比标准方法的在感应炉中用电再熔要节省能量。
这种熔炼好并已经预先调节好了的(指的是氧、总的气体含量和杂质)液态金属连续地从出口流出而到达燃气加热的槽，该槽以如阴极竖炉的类似方式控制和装备。
铜从燃气加热了的和/或电加热了的而且加盖了的和/或封闭的槽(33)流出而进入处理炉(1)，处理炉也可以是浇注炉。
在槽的内部除了排渣沟外，还设置有其他的排出沟，它们通过电感应器加热，并且在它们的内部的底部和上方是如下设置吹洗石的，使得在这些沟中液态金属和吹洗气体可进行内部混合。这些排出沟或者直接地或者通过虹吸管与槽(33)相连接。
上述的感应器可是槽感应器也可是坩埚感应器。根据应用一个或多个处理炉/浇注炉，槽(33)可设置成固定的或可移动的。
用燃气加热的输送如再熔一样是具有很高效率的，所以比标准方法中完全以电加热的槽(33)的输送更节省能量。
处理炉(1)优选是封闭的、砌有炉衬防火的容器。根据浇注技术和/或效率设计，处理炉可设置成固定的或可移动的，而且还可是单一用途的或多用途的。
流入处理炉(1)中已经过处理的液态铜例如通过槽下的或在倾斜的流入口的底部出口由槽(33)导入用还原剂(如木炭)覆盖并具有气密盖子的处理炉的进料流入口部分(2)。
进料流入口部分(2)的底部(9)和/或侧面和/或进料口盖(7)是用吹洗喷嘴这样装置的，以保证流入的铜与吹洗气体内部混合。进料流入口部分(2)也可取决于它的容量如槽(33)那样具有感应器。
这样经过进一步处理的液态铜从进料流入口部分(2)直接或通过虹吸管而到达处理炉(1)的中部(12)。炉子的这一部分也是用盖子(18)气密的，而且其中的金属熔液也是用还原剂覆盖的。
中部(12)的底部(20)和/或侧面和/或输入口区域和输出口区域是用吹洗喷嘴这样装置的，以保证流入的铜与吹洗气体内部混合。
底部(20)还装置有一个或多个感应器和/或一个电磁搅拌器，以使熔液得到附加的运动，这样可与吹洗气体、与例如连续运转时输入和输出的铜以及与木炭覆盖层进行内部混合，如必需的话，将在处理炉(1)中的熔液保持在必需的浇铸温度或加热到浇铸温度。
熔液从中部(12)流出直接或通过虹吸管而到达排出口部分(3)，在此熔液也用还原剂例如用木炭覆盖，排出口部分具有气密的排出口盖(27)。
根据结构设计，在排出口部分(3)也类似于进料流入口部分(2)安装有吹洗石和感应器。然后熔液通过槽下的陶瓷阀和槽下的陶瓷管，包括喷嘴而到达金属铸型(34)。
根据浇铸方法，金属铸型也可直接在槽下的排出口部分(3)装法兰盘，这样就可不用上述的陶瓷阀。假若金属铸型通过槽装法兰盘的话，那么就可例如在排出口部分(3)和金属铸型之间在封闭的输送途中安装一个相应的机械或电磁泵，或在封闭的金属铸型中，根据已知的方法熔液通过凝固了的支路而被抽入金属铸型。
不装法兰盘的金属铸型和在金属铸型上部的液态金属将例如通过保护气体或/和通过炭黑和/或炭黑—木炭混合物覆盖而隔绝大气气氛。
装法兰盘的金属铸型如不装法兰盘的金属铸型那样在它的金属出口端也要用保护气体覆盖以隔绝大气气氛。虽然现在金属是凝固了的，但是还是热的。
在槽(33)中、在处理炉(1)中和在金属铸型中所用的保护气体主要由惰性气体如氩气、氮气和由CO/CO2混合气体构成，在此，在根据所述的方法作为根据本发明的目的，下面的混合比例已证明是有效的，即根据吹入的地方惰性气体的混合比例为100％-70％，根据吹入的地方CO/CO2的混合比例为0％-30％。
在吹洗石区域吹出的还原气体和惰性气体的总气体体积中，还原气体的比例为40％-60％，这样的比例总的来讲是适宜的。典型的还原气体的比例为约50％。所有上述的比例都是体积比例。
在炉子气氛中的还原气体的比例应为10％-40％，典型的比例为约20％。在炉子气氛中的氧化性气体比例为约0％-10％，典型的比例为5％。
吹洗石、它们的内部构造和它们在防火炉衬或在盖子中的设置，和它们所处的槽高度或它们的吹入深度以及它们在槽(33)中和在处理炉(1)中的地点分布和数量都取决于各自所有的或所设计的参数。

Claims (18)

1、一种用于降低铜熔液的氧含量的装置，其具有处理炉(1)以及铜熔液的输送槽(33)，其中处理炉(1)具有进料流入口部分(2)、中部(12)以及排出口部分(3)，在该装置中，为了调节铜熔液的温度应用至少一个感应器，在中部(12)的底部(20)区域设置至少一块吹洗石(21)，中部(12)的横截面形状使上升着的吹洗气体在铜熔液内部形成垂直的铜熔液流，所述装置的特征在于，在中部(12)和进料流入口部分(2)之间在熔液液面以下设置有连接通道(11)；设置该感应器作为感应加热器以调节铜熔液温度并搅动铜熔液，使得由该感应器产生的熔液流动方向，在中部(12)的中间区域为垂直向上，而在边缘区域为垂直向下。
2、根据权利要求1的装置，其特征在于，进料流入口部分(2)到中部(12)的过渡区域设置有至少一块吹洗石(16)。
3、根据权利要求1的装置，其特征在于，中部(12)到排出口部分(3)的过渡区域设置有至少一块输出口吹洗石(26)。
4、根据权利要求1-3之一的装置，其特征在于，在中部(12)和排出口部分(3)之间在熔液液面以下设置有溢流道(22)。
5、根据权利要求1-3之一的装置，其特征在于，在中部(12)的熔液上方设置有气体聚集空间(17)。
6、根据权利要求1-3之一的装置，其特征在于，在进料流入口部分(2)的熔液上方设置有自由空间(6)。
7、根据权利要求1-3之一的装置，其特征在于，在排出口部分(3)的熔液液面上方设置有自由空间(28)。
8、根据权利要求4的装置，其特征在于，在中部(12)和排出口部分(3)之间的溢流道(22)区域中设置有至少一块输出口吹洗石(24)。
9、根据权利要求1-3之一的装置，其特征在于，处理炉(1)具有至少一个磁搅拌器。
10、根据权利要求1-3之一的装置，其特征在于，处理炉(1)的侧壁区域设置有至少一块吹洗石。
11、根据权利要求1的装置，其中在中部(12)的底部(20)区域设置有至少一块吹洗石，从该吹洗石中溢出至少一种吹洗气体，该吹洗气体在铜熔液中上升，铜首先在竖炉中熔融，接着通过输送槽(33)而导入处理炉(1)中，其特征在于，不仅在输送槽(33)的区域而且在处理炉(1)的区域从吹洗石溢出的吹洗气体在铜熔液中上升，从至少一块吹洗石溢出的吹洗气体的组成成分为30％-70％的还原气体和70％-30％的惰性气体，而且在处理炉(1)中的熔液被电加热且垂直流动。
12、根据权利要求11的装置，其特征在于，所述吹洗气体的组成成分为40％-60％的还原气体和60％-40％的惰性气体。
13、根据权利要求11的装置，其特征在于，所述吹洗气体的组成成分为50％的还原气体和50％的惰性气体。
14、根据权利要求11-13之一的装置，其特征在于，在处理炉(1)和/或输送槽(33)中熔液被覆盖层覆盖，该覆盖层含有碳。
15、根据权利要求11-13之一的装置，其特征在于，还原气体中含有一定比例的一氧化碳。
16、根据权利要求11-13之一的装置，其特征在于，还原气体中有一定比例的二氧化碳。
17、根据权利要求11-13之一的装置，其特征在于，所述吹洗石为具有一定比例的Al2O3、SiC、SiO2以及MgO的材料。
18、根据权利要求11-13之一的装置，其特征在于，使用多孔材料作为吹洗石。
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