在线脱氧技术在无氧铜熔炼中的应用

2015-09-19徐高磊骆越峰姚幼甫单忠虎陈国权张敬恩

有色金属加工 2015年2期

徐高磊，骆越峰，姚幼甫，单忠虎，陈国权，张敬恩

(力博电气有限公司，浙江绍兴312000)

随着电子、电力、通讯业的发展，尤其是磁控元件、射频电缆、电真空器件等需要采用高纯低氧的无氧铜材料，为保证高纯低氧，一般要求铜含量大于99.97%，氧含量5ppm以下，导电率101%IACS以上［1－3］。紫铜在高温熔炼过程中容易与氧结合形成Cu2O，凝固结晶后Cu2O分布于晶界处，容易产生“氢脆”，影响铜材的使用性能。采用木炭覆盖的扩散脱氧方法，能够在一定程度上降低氧含量，但即使在覆盖工艺最佳状态下，氧含量仅能控制在20～50ppm，且氧含量不稳定，不能满足高品质无氧铜材料的需要。

本文重点介绍自主研发的在线连续脱氧装置和技术，通过相关的工艺技术保证无氧铜的纯度，降低熔体中的氧含量，最终获得高品质无氧铜。

1 铜液脱氧方法

铜液脱氧的方法主要有化学脱氧法、真空脱氧法、电磁脱氧法和复合脱氧法［4－5］。

化学脱氧法主要是在金属熔炼时加入化学脱氧剂，利用其化学活性高于金属的特点，将熔融金属中的氧原子置换出来，以降低铜液中的氧含量。化学脱氧法对铜液存在一定的杂质污染，且其脱氧能力有限。

真空脱氧主要是铜液在真空环境中熔炼，通过降低熔炼时的气体分压，使铜液中的氧原子溢出，降低氧含量。此方法脱氧效果好，但设备投资大、产能小。

电磁脱氧法是利用外加电磁场改善金属熔炼时脱氧动力学条件，促使铜液中的氧原子与还原剂结合并快速溢出，达到脱氧的效果。此方法不仅可降低氧含量，对铸坯的质量也有提高，但其氧含量仅能控制在5～10ppm。

复合脱氧法是采用两种或两种以上的脱氧方法，主要有木炭+化学脱氧和木炭+惰性气体脱氧等。

木炭+惰性气体脱氧是在铜液表面采用木炭覆盖的条件下，通过将惰性气体(氮气)通入铜熔体中，气泡内的惰性气体(氮气)分压为零，而溶于气泡附近的铜液中的氧气分压远大于零，基于惰性气体(氮气)在气泡内外分压力之差，使铜液中的氧不断向气泡扩散，随着气泡的上升和逸出而排到大气中，从而达到脱氧的目的。惰性气体脱氧原理示意见图1和图2。

图1 惰性气体脱氧示意图Fig.1 Schematic diagram of deoxidization with inert gas

向铜液中吹入惰性气体(氮气)，有助于扩大熔融铜液中的二氧化碳与木炭的接触面积，使熔融铜液中二氧化碳的扩散速度加快。采用“木炭+惰性气体”的复合脱氧技术，与在炉内单纯使用木炭覆盖相比，吹入一定计量的氮气以后，大量生成一氧化碳，促进了脱氧效果。

图2 铜液中吹入氮气脱氧过程的示意图Fig.2 Schematic diagram of deoxidization by blowing nitrogen into molten copper

2 在线脱氧装置和技术

图3是在线脱氧装置在上引熔炼炉的应用示意图，主要包括在线脱氧装置、熔炼炉、保温炉、隔仓等。在线脱氧装置包括机架、主轴、电机、金属转杆、旋转石墨转杆等;电机通过旋转接头带动主轴、金属转杆和石墨转杆旋转。一定计量的99.996%的氮气通过旋转石墨转杆压入铜液中并打散成微小气泡，使其均匀的分散在铜液中，以达到脱氧的目的。在线脱氧装置安装在隔仓内，其目的是保证铜液液面的稳定性。

图3 无氧铜上引铸造炉示意图Fig.3 Diagram of up-casting units for oxygen-free copper

在线脱氧装置和技术的优点:

(1)在线连续脱氧，脱氧效果好，用于上引连续铸造生产的无氧铜，其氧含量≤5ppm;

(2)使用氮气或氩气等惰性气体，大大减少了脱氧时间，降低了生产成本，且对环境无任何污染，工作环境大大改善;

(3)结构坚固，维护简单，自动控制，操作简单，可以通过吊挂装置将设备提升进行石墨配件的更换;

(4)气路设有微节气流，可确保设备未启动时，避免石墨转子先浸到铜液而造成的堵塞现象;

(5)惰性气体流量和转速可调控，能进行最佳工艺参数设定，可获得高品质产品。

图4为旋转石墨转杆转速与氧含量的关系示意图。随着旋转石墨转杆转速的提高，铜液氧含量逐渐降低，当转速提高至一定程度后，氧含量的下降幅度变小。与此同时，随着旋转石墨转杆转速的提高，铜液搅拌的程度加大，造成铜液液面波动变大，易导致炉衬材料脱落，还会导致上引铜杆内部产生石墨磷粉夹杂等缺陷。因此，合理的旋转石墨转杆转速为80～120r/min。

图4 旋转石墨转杆转速与氧含量的关系示意图Fig.4 Graphite rod rotational speed-oxygen content diagram

图5为采用在线连续脱氧装置时，铜液内吹入氮气流量与氧含量的关系示意图。随着铜液内吹入氮气流量的增加，铜液的氧含量逐渐下降，流量0.5m3/h时，氧含量3ppm;流量0.7m3/h时，氧含量2ppm。但是随着氮气流量的增加，氧含量降低的幅度减小，同时流量过大，造成铜液液面不稳定，易引起上引连续铸造过程中产生质量问题。因此，合理的氮气流量为0.4 ～0.6m3/h。