专利名称：一种电磁连铸结晶器用铜合金材料及制造方法
技术领域：
本发明属于冶金行业中金属连铸技术领域。特别适用于金属电磁连铸结晶器用铜合金材料。
背景技术：
“软接触电磁连铸技术”是利用高频磁场透过分瓣结晶器，约束金属的初始凝固过程，控制初生凝壳的变形行为，且减少初生凝壳与结晶器壁的接触和磨擦，达到减轻铸坯表面振痕、提高铸坯表面质量的目的。
随着近年来采用铝的无模铸造技术在不断的发展，冶金工作者也曾试图将这种技术应用于连续铸造钢铁的工业化上，因此发达国家自七十年代初即开始探索钢铁材料的无模电磁铸造技术。通过研究对比后总结出钢的无模铸造技术失败原因，是由于钢与铝自身性能的特殊性，例如钢的导电率与铝的导电率比为1/6；钢的密度与铝的密度比为3；钢熔点/铝熔点的温度比为1500℃/660℃；钢的导热性比铝差(钢为1.47w/(cm·℃)，铝为2.37w/(cm·℃))，另外在连铸生产工艺中钢的拉速要远高于铝，V钢/V铝＞10。还有钢的电磁约束需要很大的电流才能克服钢水的静压力，同时还需要很强的冷却强度才能保证当铸坯被拉出结晶器时生成安全厚度的铸坯壳。所以，利用铝的无模铸造技术难以实现钢的无模电磁铸造技术。因此人们在二十世纪末开始了钢铁连铸技术中软接触结晶器的研究。
在软接触电磁连铸技术发展的早期阶段，人们通过在高频磁场下采用石墨结晶器和利用低熔点金属进行试验，结果证实了该技术的可行性。随着研究的深入，人们又开始将该类技术应用到冶金行业中，使这种工业价值极大的金属连续铸造技术生产化得到实现。通过对结晶器的结构、材质等方面做了很多的研究工作后发现，除了在结构上将铜制结晶器分成若干部分(通常所说的分瓣)，和减少高频磁场在结晶器中的消耗和衰减外，最重要的研究发展方向是结晶器的材料。虽然电磁连铸结晶器技术已有多年的结果，但是到目前为止还仍然未见到该项技术取得突破性进展的有关报道。
另外，日本在公开特许公报中还公开的专利文献有2004-263301A，2004-225060A，2004-269962A，2001-164328A和欧洲专利EP1 439 238 A1等多篇，在上述文献中所公开的铜合金的主要应用领域，为电子技术、液体保管用容器、冷冻容器、卫生用水管、龙头、抗腐蚀和不锈的水容器用材料。
对于理想的用于电磁连铸软接触结晶器铸模材质，应该是导热性能与铜材质相近的绝缘材料，这样可以使感应线圈所产生的磁场透过铸模后被完全作用在初生的坯壳和金属液中，有效控制钢液弯月面的行为和实现减轻坯壳与结晶器壁的磨擦阻力。
在现有技术中能用于电磁连铸结晶器材料的不足之处在于该类铜材料的绝缘性均较差，无法实现在导热、导电、绝缘和机械性能等多方面均好的和满足电磁连铸结晶器铸模用铜合金材料。
发明内容
本发明的目的是提出一种具有在导热、导电、绝缘和机械等方面综合性能好和产品制备简单的电磁连铸结晶器用铜合金材料。
根据本发明的目的和电磁连铸结晶器用铜合金材料的使用要求，我们所提出的解决方案是在满足结晶器导热性能、力学性能等使用要求的同时，还要达到降低该材料导电性能要求指标，因此我们所选择以铜为基，以P、Si、Ni、Mn等元素为合金的添加元素，经冶炼加工后成为低导电性、良好导热性、良好力学性能的复合材料和电磁连铸结晶器用铜合金材料。本发明所设计的电磁连铸结晶器用铜合金材料，其特征在于组成该铜合金材料的具体化学成分重量％为Si 0.6-1.1％；Ni 1.4-3.4％；Mn 0.1-0.45％；Fe≤0.1％；Zn≤0.2％；Sn≤0.1％；Al≤0.02％；Pb≤0.015％；其余为铜。
根据本发明的目的和我们所提出的解决方案，是由本发明设计的铜合金在解决现有技术中不足之处的同时，还要实现和满足该连铸结晶器用铜合金材料在电磁连续铸造的使用要求。因此我们在制定本发明铜合金材料成分时选择能提高该合金电阻率的化学元素加入，例如在纯铜中添加Ni、Al、Mn、Si、P、Ti等合金元素，其对本发明铜合金的导电性贡献是依顺序而增加，在本发明铜合金中通过适量调整Ni、Si、P等元素的含量来控制该材料导热性的作用，因此本发明铜合金材料的设计是通过对微量元素的调整来控制该铜合金的导电性、导热性和机械性能等多方面的综合性能。本发明铜合金材料的成分设计原理是根据附图1、2为基础，从附图中可看到，当在纯铜中适当添加微量的选择元素是可以有效的改变铜基合金的导电与导热等性能。但是本发明铜合金中元素的含量必须要控制在一定的范围之内，如添加量过高则会造成本发明合金材料的脆性增加而无法使用，本发明合金成分设计选择材料化学元素的原则是，希望在增大材料电阻的同时，仍要保持材料具备良好的导热性能和力学性能(强度、抗急冷急热性、耐磨性)。
本发明铜合金材料的制备方法是按上述的成分设计进行配料，将铜和其它配料加入已预热的石墨坩埚内熔炼，在炉内的铜料上面采用干燥的木炭覆盖严实，防止熔炼时吸气；熔炼的温度约1200℃；熔炼时进行搅拌，待确定所加原料已被全部熔化后，再进行以下操作；1、用占铜液重量0.05～0.10％的磷进行粗脱氧；2、将捣碎并预热到160-250℃时的按上述成分定量的锰加入到铜熔液中；3、铜熔液加热(熔炼)温度到1150～1200℃时，将捣碎并预热到160-250℃时的按上述成分定量的硅加入铜熔液中，待原料熔化后使用刷有石墨涂料的铜棒搅拌均匀；4、将熔化后的铜合金坩埚取出，测量温度在1150-1250℃范围进行清渣，并使用刷有石墨涂料的铜棒均匀搅拌后再进行浇铸成铸锭，并取样化验合金成分。
采用本发明铜合金材料以及由该材料所制备的产品与现有技术相比较，具有该铜合金材料导热、导电、绝缘和力学等多方面的综合性能好，和产品的制备工艺简单等特点。
在本发明说明书中的附图为附图1为添加选择元素对铜基合金导电性能的影响；附图2为添加选择元素对铜基合金导热性能的影响。在附图中的横座标均为添加选择元素的重量％含量，在附图1的纵座标为导电率(米/欧姆*毫米2)，在附图2中的纵座标为导热率(卡/厘米*秒*℃)。
具体实施例方式
采用本发明铜合金材料的成分设计，我们一共制备了4件电磁连铸结晶器产品，为了对比方便我们还采用现有技术中的成分制备了一件对比结晶器，我们将4件结晶器的材料成分列入表1中。(如还保护制备方法则还需补足具体制备工艺及参数)。然后将冶炼后的铜合金材料按现有技术方法加工成结晶器产品，其工艺流程为下料→热镦(930℃)→热挤压(900℃±20℃)→抛光→冷拉→车削外皮→大引伸I→退火(580℃)→大引伸II→退火(500℃)→成品引伸→铣加工成品。然后再对实施例结晶器产品的材料进行测试并列入表2。表2为本发明铜合金材料与对比材料的物理、力学性能比较。在本发明实施例的对比表中，序号1-3为本发明成分的实施例铜合金材料，序号4为对比材料。
表1采用本发明铜合金材料与对比材料的成分重量％比较
表2为本发明铜合金材料与对比材料的物理、力学性能比较
表3为本发明材料结晶器与对比材料结晶器的透磁效果对比结果
权利要求
1.电磁连铸结晶器用铜合金材料，其特征在于组成该铜合金材料的具体化学成分重量％为Si 0.6-1.1％；Ni 1.4-3.4％；Mn 0.1-0.45％；Fe≤0.1％；Zn≤0.2％；Sn≤0.1％；Al≤0.02％；Pb≤0.015％；其余为铜。
2.根据权利要求1所述电磁连铸结晶器用铜合金材料，该铜合金材料的制备方法是按上述的成分设计进行配料，然后将已配好的铜和其它原料加入到已预热的石墨坩埚内进行熔炼，其特征是在炉内的铜原料上面覆盖有干燥的木炭，熔炼的温度为1100-1200℃，待所加原料全部熔化后，再进行以下操作；(1)用占铜液重量0.05～0.10％的磷进行粗脱氧；(2)将捣碎并预热到160-250℃时的按上述成分定量的锰加入到铜熔液中；(3)待铜熔液温度到1150～1200℃时，将捣碎并预热到160-250℃时的按上述成分定量硅加入到铜熔液中，待原料熔化后使用刷有石墨涂料的铜棒进行均匀搅拌；(4)将熔化后的铜合金坩埚取出，测量温度在1150-1250℃范围进行清渣，并使用刷有石墨涂料的铜棒搅拌均匀后再进行浇铸成铸锭。
全文摘要
本发明属于冶金行业中电磁连铸技术的制造领域。特别适用于连铸技术中结晶器用铜合金材料。本发明所设计的电磁连铸结晶器用铜合金材料，其特征在于组成该铜合金材料的具体化学成分重量％为Si 0.6－1.1％；Ni 1.4－3.4％；Mn 0.1－0.45％；Fe≤0.1％；Zn≤0.2％；Sn≤0.1％；Al≤0.02％；Pb≤0.015％；其余为铜。采用本发明铜合金材料以及由该材料所制备的产品与现有技术相比较，具有该铜合金材料导热、导电、绝缘和力学等多方面的综合性能好和产品的制备工艺简单等特点。
文档编号C22C1/02GK1752245SQ20051010491
公开日2006年3月29日 申请日期2005年9月22日 优先权日2005年9月22日
发明者那贤昭, 干勇, 姚书芳, 张兴中, 仇圣桃, 张慧, 王玫 申请人:钢铁研究总院