富氧銅生產(chǎn)工藝控制要點(diǎn)

姜業(yè)欣 肖柱

摘? 要：富氧銅是指鑄錠中氧含量150～400PPm的純銅材料。其原理是利用銅液中氫元素和氧含量成反比的關(guān)系，通過向高溫熔池內(nèi)添加氧來減少氫的含量，凈化基體，減少氣孔提高鑄錠的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：富氧銅;氫含量;氣孔

中圖分類號：TF811 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）27-0103-04

Abstract： Oxygen-enriched copper refers to the pure copper material with oxygen content of 150 to 400 PPm in the ingot. The principle is to reduce the hydrogen content， purify the matrix， reduce the porosity and improve the quality of the ingot by adding oxygen to the high temperature molten pool through the inverse relationship between hydrogen element and oxygen content in molten copper.

Keywords： oxygen-enriched copper; hydrogen content; porosity

氧在銅液中的固溶度為[1]：當(dāng)銅水溫度是1083℃時(shí)，其溶解固溶的氧為80PPm，其余的氧在基體內(nèi)以Cu2O的形式存在。富氧銅生產(chǎn)難度很大，在其生產(chǎn)過程中工藝要嚴(yán)格控制，現(xiàn)將其工藝控制要點(diǎn)簡要總結(jié)如下：

1 氧的控制環(huán)節(jié)及其主要影響因素

1.1 控制環(huán)節(jié)

一般我們在紫銅生產(chǎn)時(shí)，都利用熔化爐和保溫爐的組合來組織生產(chǎn)，在熔化爐內(nèi)控制氧含量的方法不可取，其原因是：第一，熔化爐內(nèi)溫度較高，熔池中氧含量過多，勢必要減少木炭覆蓋量，這時(shí)高溫熔池中由于氧的增加，造渣能力上升，一方面給扒渣操作帶來困難，一方面加劇對爐體耐火材料的侵獨(dú)。降低爐體的使用壽命;第二，當(dāng)熔化爐向保溫爐轉(zhuǎn)爐的過程中，當(dāng)采用半封閉流槽時(shí)，銅水的溫度下降20℃左右，隨著銅水溫度的下降，氧會(huì)從銅水中跑出，另外，轉(zhuǎn)爐進(jìn)程中會(huì)吸收空氣中的氫，進(jìn)一步降低氧的含量，這樣就給我們的工藝控制帶來極大的困難。因此富氧銅生產(chǎn)時(shí)，一般不在熔化爐內(nèi)控氧，而是選擇在保溫爐內(nèi)控制氧含量。熔化爐轉(zhuǎn)爐前取樣分析，氧含量一般在150～250PPm即可。

1.2 氧含量的主要影響因素

（1）銅水溫度;（2）保溫爐轉(zhuǎn)爐后熔池表面積;（3）保溫爐靜置的時(shí)間（從轉(zhuǎn)爐結(jié)束至開澆前的這段時(shí)間）。

首先，我們探討銅水溫度。眾所周知，氧在銅中的溶解度是隨著銅水的溫度升高而升高的[2]，保溫爐靜置期間，我們升到澆鑄溫度（1140℃～1150℃）后，我們要盡量保持溫度穩(wěn)定，在澆鑄過程中要加強(qiáng)對爐頭箱內(nèi)溫度的測量和控制，要嚴(yán)格控制其溫度的穩(wěn)定性，只有溫度穩(wěn)定氧含量才能相對穩(wěn)定。一般在澆鑄開始到澆鑄結(jié)束要測溫4次。

其次，我們探討熔池內(nèi)的表面積的問題。顯而易見，當(dāng)在相同的時(shí)間內(nèi)，裸露在空氣中銅水的表面積越大，吸氧就會(huì)越多[3-5]。如何控制呢？當(dāng)然只能通過調(diào)整爐內(nèi)木炭的覆蓋量的多少來控制，具體覆蓋多少合適，這就要根據(jù)保溫爐結(jié)構(gòu)的具體情況，通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)來摸索找出最佳值。這里作者給大家的參考值是這樣：對于8噸的鑄錠，半連續(xù)鑄造方式的，一般我們在保溫爐受銅扒渣后，添加30-80g木炭，爐頭箱內(nèi)要適當(dāng)補(bǔ)加，否則鑄錠的后半部分的氧含量就會(huì)增大，造成整根鑄錠中氧含量不均勻。一般在鑄造完成的后半程補(bǔ)加5-15kg左右的木炭即可，但此時(shí)添加時(shí)，一定要注意操作的安全性。

再次，我們探討時(shí)間的問題。因?yàn)槊看舞T造前，工裝模具的充分準(zhǔn)備都要有合理的時(shí)間，澆鑄前保溫爐要扒渣，覆蓋木炭，取樣分析等很多工作要做，這些工作都要有合理的時(shí)間，因此要想得到滿意的氧含量，我們就要摸索合理的時(shí)間，既能保證生產(chǎn)的正常節(jié)拍又能得到滿意的氧含量。采取的辦法是：保溫爐受料后，迅速扒渣的時(shí)間控制在10-15分鐘（時(shí)間要嚴(yán)格保證），扒渣后馬上添加木炭而操作之間銜接一定要緊密，保溫爐加木炭后，傾動(dòng)爐體預(yù)熱爐頭，并及時(shí)在爐頭箱內(nèi)添加15～30kg木炭，保溫爐進(jìn)入靜置階段要求從保溫爐加完木炭后到澆鑄前靜置的時(shí)間是40分鐘，此期間晃動(dòng)保溫爐三次。晃爐的目的是（1）溫度的均勻化;（2）氧含量的均勻化;（3）加強(qiáng)有害氣體的排除。另外需要說明的是，保溫爐在靜置階段時(shí)，基本上是還原過程，溶體中氧會(huì)較扒渣后的含量逐漸下降，因此，如何控制好爐體中銅水有效地接觸空氣是必要的，一般來說，保溫爐在靜置階段有三處與外界相通，第一處：爐頭箱此處一般在加完木炭8～10分鐘后蓋住，四周只有少量縫隙;第二處，保溫爐扒渣口;第三處，保溫爐受銅口。第二處在加入木炭后必須要覆蓋好（可用硅酸鋁甩絲毯），否則如果敞口會(huì)和前方爐頭箱處縫隙形成強(qiáng)大對流，加劇木炭的燃燒，從而使靜置后期額氧含量迅速升高，工藝上很難控制好合適的氧含量。第三處，一般在靜置階段不做覆蓋處理。這個(gè)工藝細(xì)節(jié)非常關(guān)鍵，要引起技術(shù)人員和班組人員的高度重視。

2 生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)的控制要點(diǎn)

2.1 熔化爐

熔化爐是生產(chǎn)的起點(diǎn)，俗話說：“萬事開頭難”有了良好的開端，才會(huì)為后續(xù)生產(chǎn)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在熔化爐操作這一環(huán)節(jié)我們重點(diǎn)控制好以下事項(xiàng)：

第一，原料的檢查。準(zhǔn)備工作很重要，我們來梳理一下：原料的合理使用是保證鑄錠質(zhì)量的基礎(chǔ)，爐臺(tái)加料人員要對配料班組配好的料進(jìn)行檢查：（1）配料比是嚴(yán)格執(zhí)

行工藝;（2）用料的含水含油情況;（3）來料的重量是多少;（4）料箱中有無混料和其他物質(zhì)，確認(rèn)沒有問題后，再按工藝要求加入到爐內(nèi)。

第二，加料。首先說加料順序，一般來說富氧銅生產(chǎn)的原料中有加工幾何廢料、銑面屑推塊和新金屬三種，根據(jù)現(xiàn)場摸索的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)：先加入一半的幾何廢料→銑面屑色塊→新金屬（Cu）→剩余的加工幾何廢料。其次，加料時(shí)一定要注意爐內(nèi)銅水液面，控制要求是：每批次都要保證在同一液面位置上，使得每批次爐內(nèi)銅水的量盡量穩(wěn)定。這樣才能使熔化爐內(nèi)含氧量保持長期的穩(wěn)定和均衡，這一點(diǎn)非常重要。再次，加料過程中，密切關(guān)注爐內(nèi)銅水的木炭覆蓋情況，木炭覆蓋的原則是：出現(xiàn)銅水裸露時(shí)，應(yīng)立即加入木炭，木炭覆蓋的厚度為單層覆蓋，不裸露能蓋住即可，不宜覆蓋太多。一般來說，從加料開始到轉(zhuǎn)爐，木炭加入總量約為60-100kg。再次，時(shí)間的控制，一般從開始加料至爐料全部熔化時(shí)間應(yīng)控制在150分鐘，升溫精煉30分鐘，然后扒渣、覆蓋木炭，再保溫精煉30分鐘，然后轉(zhuǎn)爐。

第三，爐溫的控制。熔煉爐保溫精煉時(shí)，一般的，溫度可控制在1160℃-1170℃;爐溫的控制很關(guān)鍵，溫度過低，達(dá)不到精煉除雜的目的;溫度過高，造成吸氣嚴(yán)重，也存在高溫的安全隱患。因此我們在熔煉過程中，必須嚴(yán)格控制爐溫的穩(wěn)定性。

我們經(jīng)常認(rèn)為銅水的溫度是1160℃時(shí)和1180℃時(shí)，溫度只差20℃對銅水的吸氣能力影響不大，其實(shí)則不然，其吸氣能力的相對值是1083℃，也就是說：1160-1083=77℃，1180-1083=97℃，97-77/97=20%，其影響吸氣能力的幅度是很大的，這一點(diǎn)我們一定要正確認(rèn)識。

第四，時(shí)間的控制。在第二點(diǎn)中我們已經(jīng)說過，從加料開始直至轉(zhuǎn)爐，一般在210分鐘為宜，不同批次（爐次）之間要盡量保持一致，這對氧含量控制的穩(wěn)定性、鑄錠質(zhì)量的穩(wěn)定性起到很關(guān)鍵的作用。在整個(gè)210分鐘的過程中，一般加料融化的時(shí)間約為150分鐘，升溫及保溫精煉的時(shí)間為60分鐘。

第五，扒渣及轉(zhuǎn)爐。對于扒渣而言，首先要控制的是扒渣工具的使用，我們一定要合理設(shè)計(jì)扒渣工具。既便于操作，又要防止其它金屬元素的混入。其次扒渣一定要徹底，熔煉過程中上浮的爐渣一定要充分撈干凈，確保熔體的純凈。再次要嚴(yán)格控制扒渣的時(shí)間，一般要求控制在5分鐘;扒渣后，覆蓋木炭進(jìn)入保溫精煉過程。轉(zhuǎn)爐時(shí)間要求控制在2-3分鐘，實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)爐，防止轉(zhuǎn)爐過程的吸氣，轉(zhuǎn)爐溫度1160-1170℃。

2.2 保溫爐

保溫爐在連續(xù)生產(chǎn)富氧銅時(shí)，起著至關(guān)重要的作用，其不僅是氧含量控制的關(guān)鍵點(diǎn)，也是鑄造用銅水的容器，嚴(yán)格按工藝控制保溫爐的各項(xiàng)工藝參數(shù)至關(guān)重要。

第一，保溫爐的液面控制。我們在每次完成澆鑄后保溫爐內(nèi)剩余的銅水量，以及轉(zhuǎn)爐后準(zhǔn)備下一根鑄造時(shí)爐內(nèi)的銅水量，都要進(jìn)行精確控制，其對氧含量不同批次之間的長期穩(wěn)定起著重要作用，這個(gè)原理我們在前文中已經(jīng)論述。

第二，保溫爐受銅后扒渣操作。這個(gè)操作的目的看兩點(diǎn)，其一是將爐內(nèi)的浮渣、炭灰撈凈;其二更重要的是我們在利用這一操作，使得銅水充分暴露在空氣中，充分吸氣，實(shí)現(xiàn)高氧脫氫的目的，一般我們控制的時(shí)間是10分鐘，這一時(shí)間既不能太長，也不能減少，要嚴(yán)格控制，扒渣完成后立即按工藝要求覆蓋好木炭。

第三，保溫爐和爐頭箱覆蓋木炭的要求。首先覆蓋用的木炭要精選，大小均勻，不能有太大的塊出現(xiàn)，更不能有不合格的木炭;其次，木炭必須經(jīng)過煅燒，出煅燒爐后要加強(qiáng)密封，保溫爐扒渣倒出準(zhǔn)備好，不能倒出（從烘箱中）太早會(huì)過燒，太晚也不行，事先不準(zhǔn)備好扒渣后就無法實(shí)現(xiàn)及時(shí)添加;再次木炭的數(shù)量要嚴(yán)格控制，保溫爐用50kg，爐頭箱用16kg。爐頭箱的木炭覆蓋，一般在完成保溫爐覆蓋后立即進(jìn)行，爐頭箱加入木炭后，不要立即覆蓋，要敞口8-10分鐘后再加蓋爐頭箱蓋，以保證炭中硫的氧化物排出。

第四，保溫爐靜置時(shí)間。一般我們在保溫爐完成木炭覆蓋后靜置40分鐘，其目的在于：（1）充分靜置確保銅水的質(zhì)量;（2）還原熔體吸入過多的氧;（3）預(yù)熱爐頭，保證開澆時(shí)銅水溫度不發(fā)生急劇下降;（4）晃爐三次，確保銅水整體溫度的一致性和氧含量的一致性。因此保溫爐的靜置時(shí)間要嚴(yán)格控制，這就要求鑄機(jī)、結(jié)晶器、澆鑄用的工裝模具、引錠頭的準(zhǔn)備工作要緊密銜接，確保各個(gè)操作的時(shí)間的緊湊，確保如期開澆。

第五，保溫爐銅水溫度的控制。保溫爐完成覆蓋后要盡快開溫至1145～1155℃，以確保靜置過程的溫度，同時(shí)又要保證溫度的穩(wěn)定，只有溫度穩(wěn)定，銅水中氧含量才會(huì)得到穩(wěn)定的結(jié)果。同時(shí)在開澆前至少要測溫三次，前二次主要監(jiān)控靜置過程中的銅水溫度，前后一次是保證開澆溫度，在鑄造過程中間要測溫一次，嚴(yán)密監(jiān)控鑄造溫度的穩(wěn)定性。

2.3 鑄造機(jī)部分

第一，機(jī)械液壓控制。儀表的點(diǎn)檢，確保其動(dòng)作、監(jiān)控正常，這里就不再論述了。

第二，工裝模具的準(zhǔn)備。（1）結(jié)晶器的準(zhǔn)備主要是：a.完成上一根鑄造錠的鑄造后要結(jié)晶器內(nèi)外徹底清理干凈，首先用水管將內(nèi)腔中殘余的炭黑沖洗干凈，再將鑄造小車上部和結(jié)晶器外部的雜物和噴出的冷銅清理干凈;b.用壓縮空氣將結(jié)晶器內(nèi)壁吹干，目視及手感檢查其內(nèi)腔表面，如有劃傷或結(jié)疤要用專用工具清理干凈，再用細(xì)砂紙打磨拋光，確保內(nèi)腔清潔平穩(wěn);c.水平位置和定位的檢查，以確保其水平及和引錠頭的對中;d.其固定結(jié)構(gòu)的檢查，確保其在鑄造過程中的牢固可靠;e.內(nèi)壁的烘烤：開澆前結(jié)晶器內(nèi)壁一定要充分預(yù)熱，現(xiàn)場一般采取兩只1000W的碘鎢燈烘烤預(yù)熱，時(shí)間不得小于30分鐘;f.一次冷卻水路、二次冷卻水路的檢查，要做冷卻通水實(shí)驗(yàn)，使其通水正常達(dá)到結(jié)晶器圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。（2）引錠頭的檢查及預(yù)熱烘干，引錠頭在二冷水的沖擊下，鑄造完成后，上面會(huì)有殘余的水，一般要求引錠頭的各面，包括側(cè)面和上表面要認(rèn)真檢查，上表面的平整，側(cè)表面不能有殘留的銅疤，以免升入結(jié)晶器內(nèi)腔劃傷內(nèi)面，另外引錠頭和加高座連接處要認(rèn)真檢查，確保安全可靠。（3）澆鑄件系統(tǒng)的檢查：a.塞棒動(dòng)作機(jī)構(gòu)靈活性的檢查;b.大底碗的檢查，有無過渡氧化現(xiàn)象，一般說來，由于富氧銅的生產(chǎn)銅水中氧含量的增加會(huì)加劇這些澆鑄件的氧化，因此塞棒、大底碗（錐管）應(yīng)優(yōu)先選擇碳化硅材質(zhì)，延長使用時(shí)間，減少更換頻次;c.小底碗（錐管）的檢查，需要指出的是必須采用抗高溫氧化的石墨制成，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，一根小錐管最多只能生產(chǎn)二根鑄錠，這涉及到生產(chǎn)成本的控制，其材質(zhì)的選擇也是我們需要認(rèn)真研究的課題;d.澆鑄管的檢查和預(yù)熱：首先澆管必須達(dá)到圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的要求，澆管的型式和結(jié)構(gòu)是鑄造中最為重點(diǎn)研究的內(nèi)容，我們在專題文章中論述，此處不詳細(xì)說明;e.結(jié)晶器供水系統(tǒng)的檢查，首先是和結(jié)晶器連接的管道和接頭必須完好可靠，否則出現(xiàn)問題會(huì)出現(xiàn)安全事故的現(xiàn)場一定要引起高度的重視，另外供水主管道上的壓力、溫度、流量的指標(biāo)儀表要正常，而且要定期校驗(yàn)。

總的說來，大的原則是澆鑄管中心、結(jié)晶器中心、引錠頭中心要三點(diǎn)一線，相關(guān)工裝模具要嚴(yán)格按照作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和工藝控制標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，這樣才能為鑄造的正常和鑄錠的品質(zhì)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 鑄造工藝參數(shù)

3.1 熔化爐

（1）熔煉溫度：1160℃～1170℃;

（2）加料及熔煉時(shí)間：3.5小時(shí);

（3）轉(zhuǎn)爐溫度：1160℃（目標(biāo)值）;

（4）轉(zhuǎn)爐時(shí)間：3分鐘;

（5）木炭覆蓋要求：原則上整個(gè)加料及熔煉過程中，木炭加入總量控制在60-100kg左右，但現(xiàn)場操作時(shí)，以熔化爐內(nèi)不裸露銅水為目標(biāo)，盡量不要過多添加。當(dāng)生產(chǎn)出現(xiàn)異常時(shí)，熔化爐可適當(dāng)多覆蓋木炭，并要適當(dāng)降溫爐溫（1130℃）。

當(dāng)原料全部使用本廠回料時(shí)，銅屑料要兩批加入，當(dāng)原料中去除本廠回料外還有新購電解銅時(shí)，電解銅板最后加入。

3.2 保溫爐

（1）鑄造溫度：1145℃～1155℃或1140～1150℃，當(dāng)結(jié)晶器采用氮?dú)飧采w時(shí)，取1145℃～1155℃，盡量控上限;

（2）受銅后扒渣時(shí)間：10min;

（3）從扒渣后覆蓋木炭開始計(jì)時(shí)，到開澆前靜置時(shí)間：40min;

（4）保溫爐加木炭30-80kg，爐頭箱加木炭10-30kg

（爐頭箱加木炭后8～10min，蓋蓋兒密封）;

（5）扒渣要求：每次扒渣必須將上爐澆完?duì)t內(nèi)銅水表面木炭殘?jiān)浅蓛簦绻?0min內(nèi)即可扒完，必須延長銅水裸露時(shí)間至10min后，馬上添加木炭。

3.3 鑄造部分

（1）結(jié)晶器烘烤時(shí)間：不小于30min;

（2）引錠頭烘烤時(shí)間：不小于10min;（用油噴燈烤）

（3）引錠頭進(jìn)入結(jié)晶器的高度：根據(jù)結(jié)晶器高度定，一般為：（結(jié)晶器總高度-銅液面距結(jié)晶器高度）÷2;

（4）澆管埋入銅液內(nèi)的高度：20-25mm;

（5）澆管形式：石墨側(cè)出平流式

（6）振動(dòng)頻次：50次/min;振幅：3mm（用氮?dú)獗Ｗo(hù)澆鑄時(shí)，振動(dòng)頻率一般控制在30次/min）;

（7）結(jié)晶器內(nèi)銅液面高度±3mm;

（8）起拉到正常鑄造時(shí)的參數(shù)控制（見表1）;

（9）停拉工藝參數(shù)控制。

當(dāng)鑄造長度距目標(biāo)長度剩余150mm時(shí)，將鑄造速度降至30mm/min，水流量減至25m3/n，抬起爐頭，停止放流。當(dāng)結(jié)晶器內(nèi)銅液面接近1/2時(shí)，停止拉鑄，仔細(xì)觀察冒口處，待其凝殼后，快速將結(jié)晶器內(nèi)已經(jīng)凝殼的冒口端拉出，然后做吊裝鑄錠的準(zhǔn)備。

4 用氮?dú)飧采w結(jié)晶器完成高氧銅鑄造的工藝控制要點(diǎn)

（1）保溫爐木炭覆蓋量調(diào)整

保溫爐內(nèi)30-80kg，爐頭箱內(nèi)先加10-30kg，鑄造一半時(shí)再加入一定量的木炭。

（2）氮?dú)饬髁靠刂疲?0-80L/min

氮?dú)庵泻琀2量越小越好，因?yàn)镠在氮?dú)庵械姆謮涸酱髸?huì)影響結(jié)晶器內(nèi)銅水氮的排出。

（3）較炭黑覆蓋的小車振動(dòng)要適當(dāng)減小，具體根據(jù)現(xiàn)場定。

5 其他需要注意的細(xì)節(jié)問題

（1）結(jié)晶器四面供水的均衡性保證。

（2）結(jié)晶器大面的方向要始終保持一致，不要再維護(hù)保養(yǎng)再次使用時(shí)任意改變方向。

（3）結(jié)晶器在小車上的固定要牢固，不要發(fā)生位置變化。

（4）結(jié)晶器內(nèi)銅水的液面一定要穩(wěn)定，急劇變化會(huì)產(chǎn)生冷隔。

（5）爐臺(tái)人員要不斷提高現(xiàn)場操作水平和豐富操作經(jīng)驗(yàn)，如何根據(jù)上一根鑄造完成后木炭的殘留量，上根鑄錠的含氧量，爐內(nèi)銅水的情況，靈活運(yùn)用精細(xì)調(diào)整是生產(chǎn)富氧銅的關(guān)鍵。

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