一種高純無氧銅錠坯的生產裝置與方法與流程
2023-05-28 10:44:56 3
本發明涉及有色金屬加工技術領域，具體涉及一種高純無氧銅錠坯的生產裝置。
背景技術：
無氧銅是指不含氧也不含任何脫氧劑殘留物的純銅，但實際上無氧銅中還是含有非常微量的氧和一些雜質。按國家標準GB/T5231-2001《加工銅及銅合金化學成分和產品形狀》的規定，無氧銅中氧的含量不大於0.003％，雜質總含量不大於0.05％，銅的純度大於99.95％。其中，根據氧含量的高低，無氧銅又分為TU0(≤5ppm)、TU1(5～20ppm)、TU2(20～30ppm)等級別。由於無氧銅中氧和雜質含量低、純度高使其具有極佳的導電導熱性和延展性，且透氣率低，加工性能和焊接、耐蝕、耐寒性也較好。尤其是TU0無氧銅由於氧含量不高於5ppm，又稱為高純無氧銅，是生產電真空元件的關鍵材料。
生產無氧銅的原料一般為標準陰極銅，而標準陰極銅的氧含量一般為30～50ppm，遠高於高純無氧銅的氧含量標準，而在熔煉生產過程中又容易吸收空氣中的氧氣。因此在無氧銅的生產過程中如何高效的脫氧成為製備高品質無氧銅的關鍵技術。
中國專利文獻CN101708510A公開了一種高純高導無氧銅棒的加工工藝，將計量的氬氣或氮氣壓入銅液中並打散成微小氣泡，使其均勻的分散在銅液中，從而達到除氣、脫氧的目的，該工藝僅僅是通過分壓差原理，將銅液中溶解的單質氧氣溶入外來氣體內，並在懸浮過程中帶走。但銅液中除含有游離氧外，更主要的是銅在融熔狀態下與氧反應生成的氧化銅和氧化亞銅，及銅液中微量雜質高溫下與氧反應生成的氧化物，採用上述文獻中的分壓差方式並不能脫去銅中氧化銅、氧化亞銅和雜質氧化物中含有的氧，因此銅中氧的含量還是較高。
為此，中國專利文獻CN101274363A公開了一種無氧銅錠連續吹煉鑄造方法，其工藝步驟包括，陰極銅先在熔煉爐內熔化，熔化後的銅液通過底吹流槽進入脫氧爐，將一氧化碳氣體或一氧化碳和氮氣的混合氣體，通過底吹流槽底部進入底吹流槽內的銅液中，並隨之進入脫氧爐內實現第一階段的脫氧脫氣，在通過底吹爐頭部的導流槽時將一氧化碳或一氧化碳和氮氣的混合氣體進入導流槽內的銅液中，對導流槽內的銅液進行第二階段的脫氧脫氣。該專利文獻中的吹入一氧化碳氣體或一氧化碳和氮氣的混合氣體方式主要是通過底吹流槽和導流槽底部的透氣磚呈彌散狀與銅液相接觸，吹入的氣體由銅液底部進入，一方面，其氣體在上浮過程中難以均勻地在熔體中通過，大多數銅液未接觸到氣體，只得通過銅液間緩慢的擴散完成脫氧或除氣，效率低、效果差，脫氧效果難以穩定。另一方面，該方案採用外置流槽將熔煉爐和鑄造爐連接，外置流槽造成很大熱量損失，生產能耗提高，並且分別在熔煉爐和流槽兩處通有氣體，也造成耗氣量大，浪費明顯。最重要的是，銅液底部的通過透氣磚實現吹氣布置，透氣磚易堵塞或崩落，當部分進氣孔堵塞或破壞時，無法在生產過程中進行判斷；當全部進氣孔破壞時，則無法更換，只得停爐，並拆掉爐子，耗時耗工十分巨大。故而該法在生產中無法進行工藝監控、產品質量控制和規模性連續製備。
技術實現要素：
因此，本發明要解決的技術問題在於現有無氧銅錠坯的生產過程中，脫氧氣體與銅液接觸不完全導致脫氧效果不理想的缺陷，進而提供一種脫氧裝置，以提高脫氧氣體與銅液接觸效果，從而最大限度的提高銅液中氧的去除量。
為此，本發明採用的技術方案為：
一種高純無氧銅錠坯的生產裝置，包括依次連通設置的熔化爐、隔倉和保溫爐，所述隔倉還設置有脫氧器，所述脫氧器包括輸送脫氧氣體的氣體輸送管和位於所述隔倉內部與所述氣體輸送管的出口端相連接的排氣罩，所述排氣罩上設置有若干孔徑0.5-1mm的排氣孔；
所述熔化爐和所述隔倉通過進液孔相連接，進液孔距離所述隔倉底部的距離為0-10mm；
所述排氣罩正對所述進液孔設置，所述排氣罩距離所述進液孔的距離為10-40mm；
在銅液流動方向上，所述排氣罩的投影大於所述進液孔的投影。
優選地，所述的高純無氧銅錠坯的生產裝置中，所述隔倉和所述保溫爐通過出液孔相連通，所述出液孔與所述進液孔位於同一水平面內，且所述出液孔與所述進液孔的連線與所述進液孔中心線的夾角為15-40°。
優選地，所述的高純無氧銅錠坯的生產裝置中，所述排氣罩為中空管狀結構，其一端與所述氣體輸送管相連通，另一端密封設置，所述排氣孔均勻分布在中空管狀排氣罩的周壁上。
優選地，所述的高純無氧銅錠坯的生產裝置中，所述氣體輸送管的進口端與所述生產裝置外部的脫氧氣體輸送源相連接，且所述氣體輸送管還設置有控制氣體流量的氣閥。
優選地，所述的高純無氧銅錠坯的生產裝置中，所述氣體輸送管還設置有氣體乾燥器。
優選地，所述的高純無氧銅錠坯的生產裝置中，所述進液孔的寬度為50-80mm，其高度為80mm；
所述中空管狀排氣罩的外徑為70-100mm，其高度為100mm；
所述排氣孔的孔徑為1mm。
優選地，所述的高純無氧銅錠坯的生產裝置中，所述熔化爐上方覆蓋有厚度150～250mm的乾燥的煅燒木炭層，所述隔倉和保溫爐上方覆蓋有厚度100～200mm的石墨鱗片層；所述保溫爐還設置有結晶器和用於生產銅錠坯的鑄造機。
利用上述任一所述生產裝置生產高純無氧銅錠坯的方法，包括，
所述脫氧器中通入脫氧氣體，所述脫氧氣體的逸出速度為0.03-0.07L/min；
所述脫氧氣體為一氧化碳或一氧化碳與氮氣的混合氣體，在所述脫氧氣體為一氧化碳與氮氣的混合氣體，所述一氧化碳與氮氣的體積比為(0.2-0.5)：1。
優選地，生產高純無氧銅錠坯的方法，包括，
所述隔倉中銅液的流速與所述脫氧氣體的逸出速度之比為30：1～100：1。
優選地，生產高純無氧銅錠坯的方法，包括，
(1)將陰極銅原料不斷熔化後，銅液貫通所述熔化爐、隔倉和保溫爐，待所述保溫爐中的銅液高度滿足鑄造需求時(即銅液浸沒結晶器，並高出100mm-150mm)，設置所述保溫爐的溫度為1130-1165℃；
(2)向所述隔倉中通入脫氧氣體，以脫除銅液中的氧；
(3)啟動鑄造機生產無氧銅錠坯，並檢測無氧銅錠坯中的氧含量，待其氧含量低於5ppm後，繼續不斷牽引，生產高純無氧銅錠坯
本發明技術方案，具有如下優點：
1.本發明提供的一種高純無氧銅錠坯的生產裝置，包括依次連通設置的熔化爐、隔倉和保溫爐，所述隔倉還設置有脫氧器，所述脫氧器包括輸送脫氧氣體的氣體輸送管和位於所述隔倉內部與所述氣體輸送管的出口端相連接的排氣罩，所述排氣罩上設置有若干排氣孔；所述熔化爐和所述隔倉通過進液孔相連接，所述排氣罩垂直設置，並正對所述進液孔設置，所述排氣罩距離所述進液孔的距離為10～40mm；在銅液流動方向上，所述排氣罩的投影大於所述進液孔的投影。通過設置進液孔的位置以及排氣罩與進液孔的相對位置，從而確保脫氧氣體充入銅液的位置，一方面促進脫氧氣體與由進液孔進入的銅液的初次接觸，改善液體的局部流動狀態，提高脫氧氣體與液體的接觸面積，另一方面在銅液的流動狀態下，改善脫氧氣體在銅液中的分布和分散，進而最大限度的除去銅液中的氧。該位置可保證所有通過的銅液均接觸到脫氧氣體，沒有任何死角，實現充分脫氧。故而可使生產的高純無氧銅錠坯的氧含量穩定地低於3ppm，同時採用上述的特定位置的限制，促進了氣體從銅液中的排放，極大減少了鑄錠氣孔，有利於鑄坯緻密度的提升。
2.本發明提供的一種高純無氧銅錠坯的生產裝置，所述隔倉和所述保溫爐通過出液孔相連通，所述出液孔與所述進液孔位於同一水平面內，且所述出液孔與所述進液孔的連線與所述進液孔中心線的夾角為15-40°。在上述位置設置出液孔，一方面使銅液流動時避免直接貫通，形成流動死區，增加了銅液與脫氧氣體和接觸時間以提高脫氧效果，更重要的是，由於脫氧氣體的擴散以及二氧化碳、氮氣等氣體的上浮等從銅液中逃逸的過程，容易導致局部銅液微觀流動狀態的改變，在上述位置設置出液孔可使保溫爐液面維持平穩，進而穩定鑄造質量。
3.本發明提供的利用本申請高純無氧銅錠坯的生產裝置生產高純無氧銅錠坯的方法中，所述脫氧器中通入脫氧氣體，從所述排氣罩排出，所述脫氧氣體的逸出速度為0.03～0.07L/min；所述隔倉(2)中銅液的流量與所述脫氧氣體的逸出速度之比為30：1～100：1。通過脫氧氣體流速與銅液流量的控制，促進了脫氧氣體與銅液的接觸及在銅液中的擴散，增加了脫氧效果，使生產的高純無氧銅錠坯的氧含量低於1ppm。
4.本發明提供的一種高純無氧銅錠坯的生產裝置，所述的排氣罩正對所述進液孔設置，為從上部插入銅液中，固定在爐臺上方，故位置可調、取送方便、安全可靠。這種設計不僅製作和安裝簡單，且排氣罩可方便地進行檢查、維護和更換，進而實現了脫氧過程的可監控、可調整、可處理，實現無氧銅錠的全連續生產。
5.本發明提供的生產高純無氧銅錠坯的方法，採用一氧化碳氣體為脫氧氣體，一氧化碳具有脫氧速度快和脫氧產物不殘留的優點。同時在一氧化碳中摻入氮氣，實現除氫效果。一氧化碳在銅液中將發生如下的化學反應，
CO+2CuO→Cu2O+CO2；
CO+Cu2O→2Cu+CO2；
CO+MO→M+CO2；
H2O→H+O；
CO+O→CO2；
最終氧以二氧化碳氣泡的形式上浮離開銅液熔體，二氧化碳與銅液無溶解行為，故而實現了脫氧。通過脫氧器、進液孔的設計，可確保從熔化爐進入隔倉時充分與脫氧器噴出的氣體接觸，氣體從底部噴出後快速上浮，在上浮過程中進一步完成脫氧，達到充分脫氧的目的。
此外，氣體在上浮過程中，由於充入氣體中不含氫氣，氫氣分壓為零，而溶於氣泡附近熔體的氫氣分壓遠大於零，基於氫氣在氣泡內外分壓之差，使溶於熔體中的氫不斷向氣泡擴散，並隨著氣泡的上升和浮出而排除到大氣中，達到除氣(氫)的目的。本發明在深度脫氧的同時，又充分實現了除氣目的。除氣的結果將有利於鑄坯緻密度的提升。隔倉進、出液孔的設計，可有效緩衝熔化爐靜液壓力波動和脫氧除氣帶來的液面攪動，使保溫爐液面維持平穩，穩定鑄造質量。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明具體實施方式或現有技術中的技術方案，下面將對具體實施方式或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施方式，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發明的一種高純無氧銅錠坯的生產裝置的結構示意圖；
圖2為圖1所示的高純無氧銅錠坯的連續裝置的俯視圖；
圖3為本發明另一種高純無氧銅錠坯的生產裝置的結構示意圖。
附圖標記說明：
1-熔化爐；2-隔倉；21-進液孔；22-出液孔；3-脫氧器；31-氣體輸送管；32-氣閥；33-排氣罩；4-氣體乾燥器；5-保溫爐；6-鑄造機；7-結晶器；8-煅燒木炭層；9-石墨磷片層；10-鋸床，11-冷卻水箱；12-銅錠坯。
具體實施方式
下面將結合附圖對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
此外，下面所描述的本發明不同實施方式中所涉及的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互結合。
如圖1和2所示為本發明的一種高純無氧銅錠坯的生產裝置的結構示意圖，其包括依次連通設置的熔化爐1、隔倉2和保溫爐5，本實施例中，所述熔化爐1為2個750公斤/小時的有芯工頻感應熔化電爐，感應體均位於爐體正下方，用於對銅原料的熔化；所述保溫爐5為500公斤/小時的有芯工頻感應熔化電爐，用於無氧銅錠坯的連續鑄造，感應體均位於爐體正下方；所述隔倉2置於熔化爐1和保溫爐5中間，並在兩側均開有通孔，使銅液在熔化爐1、隔倉2和保溫爐5中保持連通。靠近熔化爐側的通孔為進液孔21，保溫爐側的通孔為出液孔22，隔倉無加熱熱源。
所述隔倉2還設置有脫氧器3，所述脫氧器3包括輸送脫氧氣體的氣體輸送管31和位於所述隔倉2內部與所述氣體輸送管31的出口端相連接的排氣罩33，所述排氣罩33上設置有若干排氣孔；所述熔化爐1和所述隔倉2通過進液孔21相連接，進液孔21距離所述隔倉2底部的距離為0-10mm；所述排氣罩33正對所述進液孔21設置，所述排氣罩33距離所述進液孔21的距離為10-40mm；在銅液流動方向上，所述排氣罩33的投影大於所述進液孔(21)的投影，以使所述排氣罩排出的氣體能與從進液孔流入隔倉的液體充分接觸。在上述實施方式中，所述進液孔21和出液孔22可以設置有一個或多個，每個進液孔21對應安裝一個所述脫氧器。
在上述實施方式的基礎上，所述隔倉2和所述保溫爐5通過出液孔22相連通，所述出液孔22與所述進液孔21位於同一水平面內，且所述出液孔22與所述進液孔21的連線與所述進液孔21中心線的夾角為15-40°。
在上述實施方式的基礎上，所述排氣罩33為中空管狀結構，其一端與所述氣體輸送管31相連通，另一端密封設置，所述排氣孔均勻分布在中空管狀排氣罩的周壁上。在本實施例中所述排氣罩33為石墨材質。
在上述實施方式的基礎上，所述氣體輸送管31的進口端與所述生產裝置外部的脫氧氣體輸送源相連接，且所述氣體輸送管31還設置有控制氣體流量的氣閥32。
在上述實施方式的基礎上，所述氣體輸送管31還設置有氣體乾燥器(4)。
在上述實施方式的基礎上，所述進液孔21的寬度為50-80mm，其高度為80mm；所述中空管狀排氣罩的外徑為70-100mm，其高度為100mm；所述排氣孔的孔徑為1mm。作為具體的實施方式，所述進液孔21的寬度為50mm，其高度為80mm對應地，所述中空管狀排氣罩的外徑為70mm，其高度為100mm，作為可替代的實施方式，所述進液孔21的寬度為80mm，其高度為80mm對應地，所述中空管狀排氣罩的外徑為100mm，其高度為100mm。
在上述實施方式的基礎上，所述熔化爐1上方覆蓋有150～250mm厚的煅燒木炭層8，所述隔倉2和保溫爐5上方覆蓋有100～200mm的石墨鱗片層9；
在上述實施方式的基礎上，在採用水平連續鑄造時，所述保溫爐5還設置有結晶器7和用於生產銅錠坯的鑄造機6並配備有用於切割無氧銅錠坯12的鋸床10和用於對無氧銅錠坯12進行冷卻的冷卻水箱11。
作為可替換的實施方式，根據實際生產需要採用上引鑄造的方式進行生產，可如3所示，在所述保溫爐5的不同位置上設置結晶器7和用於生產銅錠坯的鑄造機6。
採用上述裝置生產高純無氧銅錠坯的方法為，
(1)作業準備，將上述一種高純無氧銅錠坯的生產裝置安裝和準備好，將鑄造結晶器安裝好並裝配於保溫爐5上，鑄造機6準備好。將煅燒木炭和石墨鱗片烘乾並準備好。
(2)熔銅：將陰極銅原料熔化，銅液貫通熔化爐1、隔倉2和保溫爐5。在熔化爐1上方覆蓋準備好的150～250mm厚的煅燒木炭層8，在隔倉2和保溫爐5上方覆蓋準備好的100-120mm厚度的石墨鱗片層9。保溫爐5溫度設定為1130～1165℃。
(3)安裝脫氧器3：調節好一氧化碳和氮氣的比例濃度，將脫氧器3上的氣體閥門32打開，氣體將從脫氧器下方的若干排氣孔33中噴出。將脫氧器3插入並固定於隔倉2中
(4)調節氣體大小：調節脫氧器3上方的氣體閥門32，並控制脫氧氣體的逸出速度為0.03-0.07L/min，優選地，控制所述隔倉2中銅液的流速與所述脫氧氣體的逸出速度之比為(30-100)：1，上述設置不會衝破隔倉2上的石墨鱗片覆蓋層9。
(5)連續鑄錠：啟動鑄造機6(上引連續鑄造機或水平連續鑄造機)，待牽引數小時後，檢查錠坯氧含量，當錠坯的氧含量低至5ppm以下時，開始正常生產。隨後不斷牽引，實現高純無氧銅錠坯的連續製備。
採用本申請的裝置生產高純無氧銅錠坯時，脫氧器的設置位置及氣流速度等參數與高純無氧銅錠坯的質量數據，如下表1所示。
表1高純無氧銅錠坯質量數據
作為對比，將本申請中的脫氧器直接替換為空心石墨管，石墨管一端連接外部的脫氧氣體源，另一端插入銅液中以向銅液中輸入氣體，其一氧化碳與氮氣體積比0.3:1，空心石墨管設置於隔倉的正中間，其輸出氣體端距所述隔倉底部的距離200mm，所述脫氧氣體的逸出速度0.06L/min，銅液與氣體流量比80:1，所述出液孔與所述進液孔的具體設置同實驗數據2，由此生產出的銅錠坯中的氧含量經測定為5ppm，銅錠坯密度8.84g/cm3。
顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而並非對實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處於本發明創造的保護範圍之中。