一种高纯无氧铜锭坯的生产装置与方法与流程

本发明涉及有色金属加工技术领域，具体涉及一种高纯无氧铜锭坯的生产装置。

背景技术：

无氧铜是指不含氧也不含任何脱氧剂残留物的纯铜，但实际上无氧铜中还是含有非常微量的氧和一些杂质。按国家标准GB/T5231-2001《加工铜及铜合金化学成分和产品形状》的规定，无氧铜中氧的含量不大于0.003％，杂质总含量不大于0.05％，铜的纯度大于99.95％。其中，根据氧含量的高低，无氧铜又分为TU0(≤5ppm)、TU1(5～20ppm)、TU2(20～30ppm)等级别。由于无氧铜中氧和杂质含量低、纯度高使其具有极佳的导电导热性和延展性，且透气率低，加工性能和焊接、耐蚀、耐寒性也较好。尤其是TU0无氧铜由于氧含量不高于5ppm，又称为高纯无氧铜，是生产电真空元件的关键材料。

生产无氧铜的原料一般为标准阴极铜，而标准阴极铜的氧含量一般为30～50ppm，远高于高纯无氧铜的氧含量标准，而在熔炼生产过程中又容易吸收空气中的氧气。因此在无氧铜的生产过程中如何高效的脱氧成为制备高品质无氧铜的关键技术。

中国专利文献CN101708510A公开了一种高纯高导无氧铜棒的加工工艺，将计量的氩气或氮气压入铜液中并打散成微小气泡，使其均匀的分散在铜液中，从而达到除气、脱氧的目的，该工艺仅仅是通过分压差原理，将铜液中溶解的单质氧气溶入外来气体内，并在悬浮过程中带走。但铜液中除含有游离氧外，更主要的是铜在融熔状态下与氧反应生成的氧化铜和氧化亚铜，及铜液中微量杂质高温下与氧反应生成的氧化物，采用上述文献中的分压差方式并不能脱去铜中氧化铜、氧化亚铜和杂质氧化物中含有的氧，因此铜中氧的含量还是较高。

为此，中国专利文献CN101274363A公开了一种无氧铜锭连续吹炼铸造方法，其工艺步骤包括，阴极铜先在熔炼炉内熔化，熔化后的铜液通过底吹流槽进入脱氧炉，将一氧化碳气体或一氧化碳和氮气的混合气体，通过底吹流槽底部进入底吹流槽内的铜液中，并随之进入脱氧炉内实现第一阶段的脱氧脱气，在通过底吹炉头部的导流槽时将一氧化碳或一氧化碳和氮气的混合气体进入导流槽内的铜液中，对导流槽内的铜液进行第二阶段的脱氧脱气。该专利文献中的吹入一氧化碳气体或一氧化碳和氮气的混合气体方式主要是通过底吹流槽和导流槽底部的透气砖呈弥散状与铜液相接触，吹入的气体由铜液底部进入，一方面，其气体在上浮过程中难以均匀地在熔体中通过，大多数铜液未接触到气体，只得通过铜液间缓慢的扩散完成脱氧或除气，效率低、效果差，脱氧效果难以稳定。另一方面，该方案采用外置流槽将熔炼炉和铸造炉连接，外置流槽造成很大热量损失，生产能耗提高，并且分别在熔炼炉和流槽两处通有气体，也造成耗气量大，浪费明显。最重要的是，铜液底部的通过透气砖实现吹气布置，透气砖易堵塞或崩落，当部分进气孔堵塞或破坏时，无法在生产过程中进行判断；当全部进气孔破坏时，则无法更换，只得停炉，并拆掉炉子，耗时耗工十分巨大。故而该法在生产中无法进行工艺监控、产品质量控制和规模性连续制备。

技术实现要素：

因此，本发明要解决的技术问题在于现有无氧铜锭坯的生产过程中，脱氧气体与铜液接触不完全导致脱氧效果不理想的缺陷，进而提供一种脱氧装置，以提高脱氧气体与铜液接触效果，从而最大限度的提高铜液中氧的去除量。

为此，本发明采用的技术方案为：

一种高纯无氧铜锭坯的生产装置，包括依次连通设置的熔化炉、隔仓和保温炉，所述隔仓还设置有脱氧器，所述脱氧器包括输送脱氧气体的气体输送管和位于所述隔仓内部与所述气体输送管的出口端相连接的排气罩，所述排气罩上设置有若干孔径0.5-1mm的排气孔；

所述熔化炉和所述隔仓通过进液孔相连接，进液孔距离所述隔仓底部的距离为0-10mm；

所述排气罩正对所述进液孔设置，所述排气罩距离所述进液孔的距离为10-40mm；

在铜液流动方向上，所述排气罩的投影大于所述进液孔的投影。

优选地，所述的高纯无氧铜锭坯的生产装置中，所述隔仓和所述保温炉通过出液孔相连通，所述出液孔与所述进液孔位于同一水平面内，且所述出液孔与所述进液孔的连线与所述进液孔中心线的夹角为15-40°。

优选地，所述的高纯无氧铜锭坯的生产装置中，所述排气罩为中空管状结构，其一端与所述气体输送管相连通，另一端密封设置，所述排气孔均匀分布在中空管状排气罩的周壁上。

优选地，所述的高纯无氧铜锭坯的生产装置中，所述气体输送管的进口端与所述生产装置外部的脱氧气体输送源相连接，且所述气体输送管还设置有控制气体流量的气阀。

优选地，所述的高纯无氧铜锭坯的生产装置中，所述气体输送管还设置有气体干燥器。

优选地，所述的高纯无氧铜锭坯的生产装置中，所述进液孔的宽度为50-80mm，其高度为80mm；

所述中空管状排气罩的外径为70-100mm，其高度为100mm；

所述排气孔的孔径为1mm。

优选地，所述的高纯无氧铜锭坯的生产装置中，所述熔化炉上方覆盖有厚度150～250mm的干燥的煅烧木炭层，所述隔仓和保温炉上方覆盖有厚度100～200mm的石墨鳞片层；所述保温炉还设置有结晶器和用于生产铜锭坯的铸造机。

利用上述任一所述生产装置生产高纯无氧铜锭坯的方法，包括，

所述脱氧器中通入脱氧气体，所述脱氧气体的逸出速度为0.03-0.07L/min；

所述脱氧气体为一氧化碳或一氧化碳与氮气的混合气体，在所述脱氧气体为一氧化碳与氮气的混合气体，所述一氧化碳与氮气的体积比为(0.2-0.5)：1。

优选地，生产高纯无氧铜锭坯的方法，包括，

所述隔仓中铜液的流速与所述脱氧气体的逸出速度之比为30：1～100：1。

优选地，生产高纯无氧铜锭坯的方法，包括，

(1)将阴极铜原料不断熔化后，铜液贯通所述熔化炉、隔仓和保温炉，待所述保温炉中的铜液高度满足铸造需求时(即铜液浸没结晶器，并高出100mm-150mm)，设置所述保温炉的温度为1130-1165℃；

(2)向所述隔仓中通入脱氧气体，以脱除铜液中的氧；

(3)启动铸造机生产无氧铜锭坯，并检测无氧铜锭坯中的氧含量，待其氧含量低于5ppm后，继续不断牵引，生产高纯无氧铜锭坯

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的一种高纯无氧铜锭坯的生产装置，包括依次连通设置的熔化炉、隔仓和保温炉，所述隔仓还设置有脱氧器，所述脱氧器包括输送脱氧气体的气体输送管和位于所述隔仓内部与所述气体输送管的出口端相连接的排气罩，所述排气罩上设置有若干排气孔；所述熔化炉和所述隔仓通过进液孔相连接，所述排气罩垂直设置，并正对所述进液孔设置，所述排气罩距离所述进液孔的距离为10～40mm；在铜液流动方向上，所述排气罩的投影大于所述进液孔的投影。通过设置进液孔的位置以及排气罩与进液孔的相对位置，从而确保脱氧气体充入铜液的位置，一方面促进脱氧气体与由进液孔进入的铜液的初次接触，改善液体的局部流动状态，提高脱氧气体与液体的接触面积，另一方面在铜液的流动状态下，改善脱氧气体在铜液中的分布和分散，进而最大限度的除去铜液中的氧。该位置可保证所有通过的铜液均接触到脱氧气体，没有任何死角，实现充分脱氧。故而可使生产的高纯无氧铜锭坯的氧含量稳定地低于3ppm，同时采用上述的特定位置的限制，促进了气体从铜液中的排放，极大减少了铸锭气孔，有利于铸坯致密度的提升。

2.本发明提供的一种高纯无氧铜锭坯的生产装置，所述隔仓和所述保温炉通过出液孔相连通，所述出液孔与所述进液孔位于同一水平面内，且所述出液孔与所述进液孔的连线与所述进液孔中心线的夹角为15-40°。在上述位置设置出液孔，一方面使铜液流动时避免直接贯通，形成流动死区，增加了铜液与脱氧气体和接触时间以提高脱氧效果，更重要的是，由于脱氧气体的扩散以及二氧化碳、氮气等气体的上浮等从铜液中逃逸的过程，容易导致局部铜液微观流动状态的改变，在上述位置设置出液孔可使保温炉液面维持平稳，进而稳定铸造质量。

3.本发明提供的利用本申请高纯无氧铜锭坯的生产装置生产高纯无氧铜锭坯的方法中，所述脱氧器中通入脱氧气体，从所述排气罩排出，所述脱氧气体的逸出速度为0.03～0.07L/min；所述隔仓(2)中铜液的流量与所述脱氧气体的逸出速度之比为30：1～100：1。通过脱氧气体流速与铜液流量的控制，促进了脱氧气体与铜液的接触及在铜液中的扩散，增加了脱氧效果，使生产的高纯无氧铜锭坯的氧含量低于1ppm。

4.本发明提供的一种高纯无氧铜锭坯的生产装置，所述的排气罩正对所述进液孔设置，为从上部插入铜液中，固定在炉台上方，故位置可调、取送方便、安全可靠。这种设计不仅制作和安装简单，且排气罩可方便地进行检查、维护和更换，进而实现了脱氧过程的可监控、可调整、可处理，实现无氧铜锭的全连续生产。

5.本发明提供的生产高纯无氧铜锭坯的方法，采用一氧化碳气体为脱氧气体，一氧化碳具有脱氧速度快和脱氧产物不残留的优点。同时在一氧化碳中掺入氮气，实现除氢效果。一氧化碳在铜液中将发生如下的化学反应，

CO+2CuO→Cu₂O+CO₂；

CO+Cu₂O→2Cu+CO₂；

CO+MO→M+CO₂；

H₂O→H+O；

CO+O→CO₂；

最终氧以二氧化碳气泡的形式上浮离开铜液熔体，二氧化碳与铜液无溶解行为，故而实现了脱氧。通过脱氧器、进液孔的设计，可确保从熔化炉进入隔仓时充分与脱氧器喷出的气体接触，气体从底部喷出后快速上浮，在上浮过程中进一步完成脱氧，达到充分脱氧的目的。

此外，气体在上浮过程中，由于充入气体中不含氢气，氢气分压为零，而溶于气泡附近熔体的氢气分压远大于零，基于氢气在气泡内外分压之差，使溶于熔体中的氢不断向气泡扩散，并随着气泡的上升和浮出而排除到大气中，达到除气(氢)的目的。本发明在深度脱氧的同时，又充分实现了除气目的。除气的结果将有利于铸坯致密度的提升。隔仓进、出液孔的设计，可有效缓冲熔化炉静液压力波动和脱氧除气带来的液面搅动，使保温炉液面维持平稳，稳定铸造质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种高纯无氧铜锭坯的生产装置的结构示意图；

图2为图1所示的高纯无氧铜锭坯的连续装置的俯视图；

图3为本发明另一种高纯无氧铜锭坯的生产装置的结构示意图。

附图标记说明：

1-熔化炉；2-隔仓；21-进液孔；22-出液孔；3-脱氧器；31-气体输送管；32-气阀；33-排气罩；4-气体干燥器；5-保温炉；6-铸造机；7-结晶器；8-煅烧木炭层；9-石墨磷片层；10-锯床，11-冷却水箱；12-铜锭坯。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1和2所示为本发明的一种高纯无氧铜锭坯的生产装置的结构示意图，其包括依次连通设置的熔化炉1、隔仓2和保温炉5，本实施例中，所述熔化炉1为2个750公斤/小时的有芯工频感应熔化电炉，感应体均位于炉体正下方，用于对铜原料的熔化；所述保温炉5为500公斤/小时的有芯工频感应熔化电炉，用于无氧铜锭坯的连续铸造，感应体均位于炉体正下方；所述隔仓2置于熔化炉1和保温炉5中间，并在两侧均开有通孔，使铜液在熔化炉1、隔仓2和保温炉5中保持连通。靠近熔化炉侧的通孔为进液孔21，保温炉侧的通孔为出液孔22，隔仓无加热热源。

所述隔仓2还设置有脱氧器3，所述脱氧器3包括输送脱氧气体的气体输送管31和位于所述隔仓2内部与所述气体输送管31的出口端相连接的排气罩33，所述排气罩33上设置有若干排气孔；所述熔化炉1和所述隔仓2通过进液孔21相连接，进液孔21距离所述隔仓2底部的距离为0-10mm；所述排气罩33正对所述进液孔21设置，所述排气罩33距离所述进液孔21的距离为10-40mm；在铜液流动方向上，所述排气罩33的投影大于所述进液孔(21)的投影，以使所述排气罩排出的气体能与从进液孔流入隔仓的液体充分接触。在上述实施方式中，所述进液孔21和出液孔22可以设置有一个或多个，每个进液孔21对应安装一个所述脱氧器。

在上述实施方式的基础上，所述隔仓2和所述保温炉5通过出液孔22相连通，所述出液孔22与所述进液孔21位于同一水平面内，且所述出液孔22与所述进液孔21的连线与所述进液孔21中心线的夹角为15-40°。

在上述实施方式的基础上，所述排气罩33为中空管状结构，其一端与所述气体输送管31相连通，另一端密封设置，所述排气孔均匀分布在中空管状排气罩的周壁上。在本实施例中所述排气罩33为石墨材质。

在上述实施方式的基础上，所述气体输送管31的进口端与所述生产装置外部的脱氧气体输送源相连接，且所述气体输送管31还设置有控制气体流量的气阀32。

在上述实施方式的基础上，所述气体输送管31还设置有气体干燥器(4)。

在上述实施方式的基础上，所述进液孔21的宽度为50-80mm，其高度为80mm；所述中空管状排气罩的外径为70-100mm，其高度为100mm；所述排气孔的孔径为1mm。作为具体的实施方式，所述进液孔21的宽度为50mm，其高度为80mm对应地，所述中空管状排气罩的外径为70mm，其高度为100mm，作为可替代的实施方式，所述进液孔21的宽度为80mm，其高度为80mm对应地，所述中空管状排气罩的外径为100mm，其高度为100mm。

在上述实施方式的基础上，所述熔化炉1上方覆盖有150～250mm厚的煅烧木炭层8，所述隔仓2和保温炉5上方覆盖有100～200mm的石墨鳞片层9；

在上述实施方式的基础上，在采用水平连续铸造时，所述保温炉5还设置有结晶器7和用于生产铜锭坯的铸造机6并配备有用于切割无氧铜锭坯12的锯床10和用于对无氧铜锭坯12进行冷却的冷却水箱11。

作为可替换的实施方式，根据实际生产需要采用上引铸造的方式进行生产，可如3所示，在所述保温炉5的不同位置上设置结晶器7和用于生产铜锭坯的铸造机6。

采用上述装置生产高纯无氧铜锭坯的方法为，

(1)作业准备，将上述一种高纯无氧铜锭坯的生产装置安装和准备好，将铸造结晶器安装好并装配于保温炉5上，铸造机6准备好。将煅烧木炭和石墨鳞片烘干并准备好。

(2)熔铜：将阴极铜原料熔化，铜液贯通熔化炉1、隔仓2和保温炉5。在熔化炉1上方覆盖准备好的150～250mm厚的煅烧木炭层8，在隔仓2和保温炉5上方覆盖准备好的100-120mm厚度的石墨鳞片层9。保温炉5温度设定为1130～1165℃。

(3)安装脱氧器3：调节好一氧化碳和氮气的比例浓度，将脱氧器3上的气体阀门32打开，气体将从脱氧器下方的若干排气孔33中喷出。将脱氧器3插入并固定于隔仓2中

(4)调节气体大小：调节脱氧器3上方的气体阀门32，并控制脱氧气体的逸出速度为0.03-0.07L/min，优选地，控制所述隔仓2中铜液的流速与所述脱氧气体的逸出速度之比为(30-100)：1，上述设置不会冲破隔仓2上的石墨鳞片覆盖层9。

(5)连续铸锭：启动铸造机6(上引连续铸造机或水平连续铸造机)，待牵引数小时后，检查锭坯氧含量，当锭坯的氧含量低至5ppm以下时，开始正常生产。随后不断牵引，实现高纯无氧铜锭坯的连续制备。

采用本申请的装置生产高纯无氧铜锭坯时，脱氧器的设置位置及气流速度等参数与高纯无氧铜锭坯的质量数据，如下表1所示。

表1高纯无氧铜锭坯质量数据

作为对比，将本申请中的脱氧器直接替换为空心石墨管，石墨管一端连接外部的脱氧气体源，另一端插入铜液中以向铜液中输入气体，其一氧化碳与氮气体积比0.3:1，空心石墨管设置于隔仓的正中间，其输出气体端距所述隔仓底部的距离200mm，所述脱氧气体的逸出速度0.06L/min，铜液与气体流量比80:1，所述出液孔与所述进液孔的具体设置同实验数据2，由此生产出的铜锭坯中的氧含量经测定为5ppm，铜锭坯密度8.84g/cm³。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。