大直徑高純無氧銅鑄坯水平連鑄工藝及其連體爐的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種大直徑高純無氧銅鑄坯水平連鑄工藝，將待用的陰極銅表面去氧化層及顆粒，并進行預熱處理，預熱溫度控制在280℃-300℃；將經過預處理的陰極銅放入熔煉爐中熔煉，熔煉溫度控制在1180-1230℃，在熔煉爐底部通入惰性氣體，而銅熔液上方浮有經煅燒后的炭層作覆蓋，利用電磁攪拌對銅熔液攪拌；隨后熔煉后的銅熔液潛流入保溫爐內，在保溫爐底部通入惰性氣體，銅熔液上方浮有經煅燒后的炭層作覆蓋，保溫爐內溫度控制在1180-1230℃；將保溫爐內的銅熔液導出，對石墨結晶器水冷卻，得高純無氧銅鑄坯。本工藝能夠有效的控制鑄坯含氧量，降低生產成本，產品完全能夠達到TU1標準，成材率能夠達到90%以上。
【專利說明】大直徑高純無氧銅鑄坯水平連鑄工藝及其連體爐
【技術領域】
[0001]本發明涉及無氧銅鑄造【技術領域】，尤其在高純無氧銅的領域，提供一種大直徑高純無氧銅鑄坯水平連鑄工藝及其連體爐。
【背景技術】
[0002]工業純銅(加工銅)通常被分為韌銅、磷脫氧銅和無氧銅，其中無氧銅質量品級最高，無氧銅是一種高傳導性純銅，在化學成分上具有純度高，雜質含量少，尤其是含氧量很低的特點，其最顯著的物理特性是具有高導電率(退火態至少100%IACS)、良好的變形性能和很好的焊接和釬焊性能，被廣泛應用于電子、通訊和電真空等域。
[0003]TUl (GBT5231-2001)是國內品級較高的無氧銅牌號，TUl無氧銅(含氧量小于10PPM)，主要用于制造導電排，水冷電纜，感應線圈，高品位開關，波導管和各種高檔電器接插件，應用面廣，用量大。
[0004]對于無氧銅的生產，絕大部分企業都是用非真空爐(工頻感應爐)生產，因此，無氧銅的質量均不穩定，主要表現在其導電性能與高強、高溫性能難以兼顧，而影響無氧銅質量的關鍵在于銅熔液中氫氧原子的去除。
[0005]含氧量是無氧銅的重要特征，因此減少無氧銅中氣體雜質，比如氧和氫，對高純無氧銅金屬獲得穩定機械性能和電器性能至關重要。
[0006]傳統的對于高純無氧銅的生產工藝主要有以下三種:
[0007]1、真空爐熔煉(下引法技術):該方法是在真空條件下采用中頻無芯感應爐熔煉，生產出來的產品純度高，含氧量可達10PPM以下，但是真空系統復雜且維修繁瑣，設備造價高昂，對生產環境及維護保養要求極高，而且為非連續性生產，生產效率低，造成生產成本居高不下。
[0008]2、半連續鑄造非真空爐熔煉(工頻感應爐):這種方法是將高溫銅液從熔煉爐轉注流槽，再通過流槽進入保溫爐，由于該方法在生產過程中氧的來源較多，含氧量不好控制，所以報廢率較高，以一噸銅原料為例，最終得到的成本只有600kg，不難知道，其成品率低，材料浪費太多。
[0009]3、水平連鑄:采用這種方法生產時，其優點在于銅熔液從熔煉爐通過管道流入保溫爐，避免了銅熔液與大氣接觸，因此生產的無氧銅鑄坯質量較穩定，且投資小、成本低，但是該工藝的致命缺點在于含氧量的控制，水平連鑄對于含氧量無法控制，因此要生產TUl規格的無氧銅，存在很大難度。
[0010]申請號02136815.5公開了一種潛流式無氧銅水平連鑄技術及其生產設備，從其說明書和附圖部分可以看到，其熔化爐和保溫爐均是封閉式的，雖然減少了雜質和氣泡產生的機會，提高了鑄坯的質量，但是它同樣沒有解決銅含氧量的問題，它的設備無法去除銅內的雜質氫和氧，因此要生產TUl無氧銅，是非常難的。因此，如果高成品率生產TUl無氧銅，而且成本又低，產品質量又高是目前各企業亟待要解決的一大難題。
【發明內容】

[0011]本發明要解決的技術問題是:為了克服現有技術中生產TUl無氧銅設備造價昂貴，生產成本高且生產效率低，含氧量難控制的技術問題，本發明提供一種基于水平連鑄法的大直徑高純無氧銅鑄坯水平連鑄工藝及其連體爐，它具有恒溫均勻熔煉的特性，而且很好地對銅熔液進行了脫氧脫氫處理，解決了含氧量難控制的問題，使得整個出品率大大提高，達到90%以上，相對于傳統技術具有跨越性的意義。
[0012]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:一種大直徑高純無氧銅鑄坯水平連鑄工藝，包含以下步驟:
[0013]I)備料:取聞純陰極銅待用；
[0014]2)預處理:將待用的陰極銅表面去氧化層和顆粒，并進行預熱處理，預熱溫度控制在 280 0C -300 0C ；
[0015]3)熔煉:首先將經過預處理的陰極銅放入熔煉爐中熔煉，熔煉溫度控制在1180-1230°C，同時在熔煉爐底部通入惰性氣體，而銅熔液上方浮有經煅燒后的炭層作覆蓋，其次利用電磁攪拌對銅熔液攪拌；
[0016]4)保溫:將熔煉爐中熔煉后的銅熔液潛流入保溫爐內，同時在保溫爐底部通入惰性氣體，銅熔液上方浮有經煅燒后的炭層作覆蓋，保溫爐內溫度控制在1180-1230°C ；
[0017]5)鑄造:將保溫爐內的銅溶液導入石墨結晶器，然后對石墨結晶器水冷卻，得聞純無氧銅鑄坯。
[0018]作為優選，步驟3)和步驟4)中所用惰性氣體為氬氣。
[0019]作為優選，所述炭層為經煅燒后的竹炭層。
[0020]一種采用大直徑高純無氧銅鑄坯水平連鑄工藝鑄造無氧銅坯的連體爐，包括熔煉爐、保溫爐和結晶器，所述熔煉爐底部與保溫爐底部通過管道連通，所述保溫爐熔液出口連接結晶器，所述結晶器上布置有水冷卻系統，所述熔煉爐和保溫爐內均設置有經煅燒后的炭層，所述熔煉爐底部設置有第一氬氣管道，保溫爐底部設置有第二氬氣管道，熔煉爐外壁上安裝有兩個相對的電磁攪拌器。
[0021]電磁攪拌器主要部件為鐵芯和線圈構成的感應器，電磁攪拌器的工作原理與直線電動機的工作原理相似，感應器相當于電機的定子，銅熔液相當于電機的轉子，爐壁的厚度決定了電機的氣隙，因此，它相當于一個氣隙很大的直線電動機。當在感應器線圈內通入低頻電流時，就會產生一個行波磁場，這一磁場穿過爐壁，作用于銅熔液，在銅熔液中產生感應電勢和電流，這感生電流又和磁場作用產生電磁力，從而推動銅熔液定向流動，起到攪拌作用；氬氣通道通入的氬氣能夠將銅熔液中的氫氧帶出上浮，由于氬氣分子量大，氫氧分子量小，氬氣在上浮過程中，氫氧原子進入氬氣分子間距內，隨著氬氣上浮而被帶出，與上方覆蓋的竹炭層反應，具體的反應過程為碳與熔融銅中的氧反應生成二氧化碳，生成的二氧化碳與碳反應產生一氧化碳，一氧化碳燃燒生產二氧化碳最終被竹炭吸附，而這個過程配合電磁攪拌器后，其反應速度更快，脫氧脫氫效果顯著。
[0022]進一步地，對連體爐內部流道改進，采用先整體后分開再整體的方法，即所述熔煉爐與保溫爐之間相同的管道包括主流道和支流道，主流道一端與熔煉爐連通，另一端通過兩支流道分叉式匯流入保溫爐。銅熔液在流入保溫爐前是匯集在一起的，經過兩支流道分叉后分為兩股流體再進行匯合流入保溫爐，這樣做可以起到進一步混合攪拌的作用，讓銅熔液在保溫爐內混合更均勻，可以保證在保溫爐內更進一步的脫氧脫氫，加強效果。
[0023]為了隔絕空氣，防止雜質進入，所述熔煉爐和保溫爐內設置有竹炭層或木炭層。作為優選，經煅燒后的竹炭層是首選，由于竹炭比普通木炭空隙更小，顆粒更均勻，二次焙燒后作為覆蓋層脫氧效果優于木炭。
[0024]進一步地改進，所述的水冷卻系統包括螺旋水套，所述螺旋水套套裝于結晶器，所述螺旋水套上具有冷卻水出口和冷卻水進口。
[0025]所述保溫爐的熔溝為垂直設置。傳統的保溫爐為水平熔溝，本設計改成垂直熔溝后，加熱區域不同了，改善了鑄錠下部晶粒過大現象，提高鑄錠晶粒度的均勻性。
[0026]本發明的有益效果是，本發明具有如下優點:
[0027]1、恒溫均勻熔煉:恒溫是采用溫控技術達到，均勻熔煉是指陰極銅在熔煉爐中熔煉時，為了能夠將銅內的雜質去除，必須在熔煉時不斷的攪拌，而從所周知，熔煉時溫度達到1100多度，那么如果要設置攪拌軸必然其材料要耐高溫，還有其他因數要考慮，這無疑將把問題復雜，而在本工藝中，采用電磁攪拌技術，利用電磁場緩慢攪動銅熔液，保證熔煉爐內熔液恒溫均勻，有利于雜質的析出；
[0028]2、脫氧脫氫強:傳統的銅熔液覆蓋層為木炭，本工藝利用竹炭作為銅熔液的覆蓋層，由于其空隙比木炭更小，意味著二次焙燒后作為覆蓋層脫氧效果由于普通木炭，這是其一，另外，在熔煉爐和保溫爐底部均通入有惰性氣體氬氣，氬氣分子量大，氬氣從爐的底部上浮到頂部時，可以把銅熔液中的氫和氧原子一起帶出，而且惰性氣體的通入也起到一定的攪拌作用，擴大銅液與竹炭層的接觸面，強化還原反應來提高脫氧效果；
[0029]3、循序漸進，逐級除雜:在熔煉爐是陰極銅的熔化過程，在熔煉爐內是初步的熔煉過程，利用電磁攪拌技術使得銅熔液與雜質混合均勻，通入的氬氣起初步脫氧脫氫作用，而當熔煉爐中的銅熔液進入到保溫爐后，由于銅的狀態不同了(在熔煉爐內是固態到液態的過程)，在保溫爐內是精煉的過程，此時只需通入氬氣即可，就能起到很好地脫氧脫氫作用，通過初煉到精煉，使得銅鑄坯的含氧量得到控制，符合TUl無氧銅的標準；
[0030]4、含氧量低:本工藝獲得的無氧銅鑄坯，其含氧量在10PPM以下，符合TUl無氧銅標準；
[0031]5、成品率高，成本顯著降低:以一噸原材料為例，經本工藝處理得到的TUl無氧銅鑄坯可達到900多公斤，其損耗明顯小的多，成品率達到了 90%以上，無疑在該領域內是突破性的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
[0033]圖1是本發明的工藝流程圖；
[0034]圖2是本發明的連體爐的主視結構圖；
[0035]圖3是本發明的連體爐的俯視圖。
[0036]圖中:1.熔煉爐，2.保溫爐，3.管道，3-1.主流道，3_2.支流道，4.第一氬氣管道，
5.第二氬氣管道，6.竹炭層，7.結晶器，8.螺旋水套，8-1.冷卻水出口，8-2.冷卻水進口，
9.電磁攪拌器，10.第二冷卻水出口，11.第二冷卻水進口。【具體實施方式】
[0037]現在結合附圖對本發明作進一步詳細的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本發明的基本結構，因此其僅顯示與本發明有關的構成。
[0038]實施例
[0039]參考圖2圖3，本實施例采用的連體爐包括熔煉爐1、保溫爐2和結晶器7，所述熔煉爐I底部與保溫爐2底部通過管道連通，熔煉爐I與保溫爐2之間相通的管道包括主流道3-1和支流道3-2，主流道3-1 —端與熔煉爐I連通，另一端通過兩支流道3-2分叉式匯流入保溫爐2。
[0040]如圖2，熔煉爐I和保溫爐2內設置有竹炭層6，保溫爐2熔液出口連接石墨結晶器7，石墨結晶器7上套裝螺旋水套8，螺旋水套8上具有冷卻水出口 8-1和冷卻水進口 8-2。
[0041]保溫爐2內的熔溝為垂直設置，熔煉爐I底部設置有第一氬氣管道4，保溫爐2底部設置有第二氬氣管道5，熔煉爐I外壁上安裝有兩個相對的電磁攪拌器9。
[0042]如圖1，以上述連體爐為無氧銅鑄坯的生產設備，按下述工藝進行:
[0043]I)備料:取聞純陰極銅待用；
[0044]2)預處理:將待用的陰極銅表面去氧化層和顆粒，把銅表面的銅豆、邊料和掛耳切除，然后進行預熱處理，預熱溫度控制在280°C _300°C;預熱的目的在于除去銅表面的水分，因為冷料或者潮濕的陰極銅在熔池中會引起飛濺，因此必須作預處理；
[0045]3)熔煉:首先將經過預處理的陰極銅放入熔煉爐I中熔煉，熔煉溫度控制在1180-1230°C，同時在熔煉爐I底部通入氬氣，而銅熔液上方浮有經煅燒后的竹炭作覆蓋，一方面隔絕空氣，另一方面還原脫氧，其次利用電磁攪拌對銅熔液攪拌，在熔煉爐的外壁裝上線圈，通電后，就會產生磁場，作用于銅熔液，在銅熔液中產生感應電勢和電流，感應電流又與磁場作用產生電磁力，從而推動銅熔液定向流動，起到攪拌作用，本步驟為銅熔液的初步脫氧脫氫；
[0046]4)保溫:利用熔煉爐I和保溫爐2的勢能差，將熔煉爐I中熔煉后的銅熔液通過管道潛流入保溫爐2內，同時在保溫爐2底部通入氬氣，銅熔液上方浮有經煅燒后的竹炭作覆蓋，保溫爐2內溫度控制在1180-1230°C ;本步驟在保溫爐2內進行進一步地脫氧脫氫，是精煉的過程；
[0047]5)鑄造:將保溫爐2內的銅熔液導入石墨結晶器7，然后對石墨結晶器7水冷卻，得高純無氧銅鑄坯。如圖2，這里的水冷卻為二次冷卻，包括第二冷卻水進口 11和第二冷卻水出口 10，經過兩次冷卻后溫度下降到200°C以下，充分保證鑄錠冷卻強度和冷卻均勻性。
[0048]最后將得到的高純無氧銅鑄坯鋸切，然后包裝。本工藝生產得到的高純無氧銅經過檢驗后均合格，結果如下表:
[0049]
【權利要求】
1.一種大直徑高純無氧銅鑄坯水平連鑄工藝，其特征在于包含以下步驟: 1)備料:取高純陰極銅待用； 2)預處理:將待用的陰極銅表面去氧化層及顆粒，并進行預熱處理，預熱溫度控制在280 0C -300 0C ； 3)熔煉:首先將經過預處理的陰極銅放入熔煉爐中熔煉，熔煉溫度控制在1180-1230°C，同時在熔煉爐底部通入惰性氣體，而銅熔液上方浮有經煅燒后的炭層作覆蓋，其次利用電磁攪拌對銅熔液攪拌； 4)保溫:將熔煉爐中熔煉后的銅熔液潛流入保溫爐內，同時在保溫爐底部通入惰性氣體，銅熔液上方浮有經煅燒后的炭層作覆蓋，保溫爐內溫度控制在1180-1230°C ； 5)鑄造:將保溫爐內的銅熔液導入石墨結晶器，然后對石墨結晶器水冷卻，得高純無氧銅鑄坯。
2.如權利要求1所述的大直徑高純無氧銅鑄坯水平連鑄工藝，其特征在于:步驟3)和步驟4)中所用惰性氣體為氬氣。
3.如權利要求1所述的大直徑高純無氧銅鑄坯水平連鑄工藝，其特征在于:所述炭層為經煅燒后的竹炭層。
4.一種采用權利要求1-3任一項所述的大直徑高純無氧銅鑄坯水平連鑄工藝鑄造無氧銅坯的連體爐，包括熔煉爐、保溫爐和結晶器，所述熔煉爐底部與保溫爐底部通過管道連通，所述保溫爐熔液出口連接結晶器，所述結晶器上布置有水冷卻系統，其特征在于:所述熔煉爐和保溫爐內均設置有經煅燒后的炭層，所述熔煉爐底部設置有第一氬氣管道，保溫爐底部設置有第二氬氣管道，熔煉爐外壁上安裝有兩個相對的電磁攪拌器。
5.如權利要求4所述的連體爐，其特征在于:所述熔煉爐與保溫爐之間相同的管道包括主流道和支流道，主流道一端與熔煉爐連通，另一端通過兩支流道分叉式匯流入保溫爐。
6.如權利要求4所述的連體爐，其特征在于:所述炭層為竹炭層或木炭層。
7.如權利要求4所述的連體爐，其特征在于:所述的水冷卻系統包括螺旋水套，所述螺旋水套套裝于結晶器，所述螺旋水套上具有冷卻水出口和冷卻水進口。
8.如權利要求4所述的連體爐，其特征在于:所述保溫爐的熔溝為垂直設置。
【文檔編號】B22D11/14GK103464709SQ201310362293
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年8月19日 優先權日:2013年8月19日
【發明者】邵俊, 季順全 申請人:江蘇興榮美樂銅業有限公司