富氧銅生產工藝控制要點

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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系，通過向高溫熔池內添加氧來減少氫的含量，凈化基體，減少氣孔提高鑄錠的質量。

關鍵詞：富氧銅；氫含量；氣孔

氧在銅液中的固溶度為[1]：當銅水溫度是1083℃時，其溶解固溶的氧為80PPm，其余的氧在基體內以Cu2O的形式存在。富氧銅生產難度很大，在其生產過程中工藝要嚴格控制，現將其工藝控制要點簡要總結如下：

1氧的控制環節及其主要影響因素

1.1控制環節。一般我們在紫銅生產時，都利用熔化爐和保溫爐的組合來組織生產，在熔化爐內控制氧含量的方法不可取，其原因是：第一，熔化爐內溫度較高，熔池中氧含量過多，勢必要減少木炭覆蓋量，這時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。降低爐體的使用壽命；第二，當熔化爐向保溫爐轉爐的過程中，當采用半封閉流槽時，銅水的溫度下降20℃左右，隨著銅水溫度的下降，氧會從銅水中跑出，另外，轉爐進程中會吸收空氣中的氫，進一步降低氧的含量，這樣就給我們的工藝控制帶來極大的困難。因此富氧銅生產時，一般不在熔化爐內控氧，而是選擇在保溫爐內控制氧含量。熔化爐轉爐前取樣分析，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）保溫爐轉爐后熔池表面積；（3）保溫。爐靜置的時間（從轉爐結束至開澆前的這段時間）。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定，在澆鑄過程中要加強對爐頭箱內溫度的測量和控制，要嚴格控制其溫度的穩定性，只有溫度穩定氧含量才能相對穩定。一般在澆鑄開始到澆鑄結束要測溫4次。其次，我們探討熔池內的表面積的問題。顯而易見，當在相同的時間內，裸露在空氣中銅水的表面積越大，吸氧就會越多[3-5]。如何控制呢？當然只能通過調整爐內木炭的覆蓋量的多少來控制，具體覆蓋多少合適，這就要根據保溫爐結構的具體情況，通過反復實驗來摸索找出最佳值。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，爐頭箱內要適當補加，否則鑄錠的后半部分的氧含量就會增大，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加5-15kg左右的木炭即可，但此時添加時，一定要注意操作的安全性。再次，我們探討時間的問題。因為每次鑄造前，工裝模具的充分準備都要有合理的時間，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間，因此要想得到滿意的氧含量，我們就要摸索合理的時間，既能保證生產的正常節拍又能得到滿意的氧含量。采取的辦法是：保溫爐受料后，迅速扒渣的時間控制在10-15分鐘（時間要嚴格保證），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，傾動爐體預熱爐頭，并及時在爐頭箱內添加15～30kg木炭，保溫爐進入靜置階段要求從保溫爐加完木炭后到澆鑄前靜置的時間是40分鐘，此期間晃動保溫爐三次。晃爐的目的是（1）溫度的均勻化；（2）氧含量的均勻化；（3）加強有害氣體的排除。另外需要說明的是，保溫爐在靜置階段時，基本上是還原過程，溶體中氧會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），否則如果敞口會和前方爐頭箱處縫隙形成強大對流，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。這個工藝細節非常關鍵，要引起技術人員和班組人員的高度重視。

2生產各個環節的控制要點

2.1熔化爐。熔化爐是生產的起點，俗話說：“萬事開頭難”有了良好的開端，才會為后續生產奠定堅實的基礎。在熔化爐操作這一環節我們重點控制好以下事項：第一，原料的檢查。準備工作很重要，我們來梳理一下：原料的合理使用是保證鑄錠質量的基礎，爐臺加料人員要對配料班組配好的料進行檢查：（1）配料比是嚴格執行工藝；（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，確認沒有問題后，再按工藝要求加入到爐內。第二，加料。首先說加料順序，一般來說富氧銅生產的原料中有加工幾何廢料、銑面屑推塊和新金屬三種，根據現場摸索的實際經驗：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，加料時一定要注意爐內銅水液面，控制要求是：每批次都要保證在同一液面位置上，使得每批次爐內銅水的量盡量穩定。這樣才能使熔化爐內含氧量保持長期的穩定和均衡，這一點非常重要。再次，加料過程中，密切關注爐內銅水的木炭覆蓋情況，木炭覆蓋的原則是：出現銅水裸露時，應立即加入木炭，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，從加料開始到轉爐，木炭加入總量約為60-100kg。再次，時間的控制，一般從開始加料至爐料全部熔化時間應控制在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，然后轉爐。第三，爐溫的控制。熔煉爐保溫精煉時，一般的，溫度可控制在1160℃-1170℃；爐溫的控制很關鍵，溫度過低，達不到精煉除雜的目的；溫度過高，造成吸氣嚴重，也存在高溫的安全隱患。因此我們在熔煉過程中，必須嚴格控制爐溫的穩定性。我們經常認為銅水的溫度是1160℃時和1180℃時，溫度只差20℃對銅水的吸氣能力影響不大，其實則不然，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，這一點我們一定要正確認識。第四，時間的控制。在第二點中我們已經說過，從加料開始直至轉爐，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定性、鑄錠質量的穩定性起到很關鍵的作用。在整個210分鐘的過程中，一般加料融化的時間約為150分鐘，升溫及保溫精煉的時間為60分鐘。第五，扒渣及轉爐。對于扒渣而言，首先要控制的是扒渣工具的使用，我們一定要合理設計扒渣工具。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。再次要嚴格控制扒渣的時間，一般要求控制在5分鐘；扒渣后，覆蓋木炭進入保溫精煉過程。轉爐時間要求控制在2-3分鐘，實現快速轉爐，防止轉爐過程的吸氣，轉爐溫度1160-1170℃。2.2保溫爐。保溫爐在連續生產富氧銅時，起著至關重要的作用，其不僅是氧含量控制的關鍵點，也是鑄造用銅水的容器，嚴格按工藝控制保溫爐的各項工藝參數至關重要。第一，保溫爐的液面控制。我們在每次完成澆鑄后保溫爐內剩余的銅水量，以及轉爐后準備下一根鑄造時爐內的銅水量，都要進行精確控制，其對氧含量不同批次之間的長期穩定起著重要作用，這個原理我們在前文中已經論述。第二，保溫爐受銅后扒渣操作。這個操作的目的看兩點，其一是將爐內的浮渣、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，實現高氧脫氫的目的，一般我們控制的時間是10分鐘，這一時間既不能太長，也不能減少，要嚴格控制，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，更不能有不合格的木炭；其次，木炭必須經過煅燒，出煅燒爐后要加強密封，保溫爐扒渣倒出準備好，不能倒出（從烘箱中）太早會過燒，太晚也不行，事先不準備好扒渣后就無法實現及時添加；再次木炭的數量要嚴格控制，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量；（2）還原熔體吸入過多的氧；（3）預熱爐頭，保證開澆時銅水溫度不發生急劇下降；（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間要嚴格控制，這就要求鑄機、結晶器、澆鑄用的工裝模具、引錠頭的準備工作要緊密銜接，確保各個操作的時間的緊湊，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，同時又要保證溫度的穩定，只有溫度穩定，銅水中氧含量才會得到穩定的結果。同時在開澆前至少要測溫三次，前二次主要監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，嚴密監控鑄造溫度的穩定性。2.3鑄造機部分第一，機械液壓控制。儀表的點檢，確保其動作、監控正常，這里就不再論述了。第二，工裝模具的準備。（1）結晶器的準備主要是：a.完成上一根鑄造錠的鑄造后要結晶器內外徹底清理干凈，首先用水管將內腔中殘余的炭黑沖洗干凈，再將鑄造小車上部和結晶器外部的雜物和噴出的冷銅清理干凈；b.用壓縮空氣將結晶器內壁吹干，目視及手感檢查其內腔表面，如有劃傷或結疤要用專用工具清理干凈，再用細砂紙打磨拋光，確保內腔清潔平穩；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.其固定結構的檢查，確保其在鑄造過程中的牢固可靠；e.內壁的烘烤：開澆前結晶器內壁一定要充分預熱，現場一般采取兩只1000W的碘鎢燈烘烤預熱，時間不得小于30分鐘；f.一次冷卻水路、二次冷卻水路的檢查，要做冷卻通水實驗，使其通水正常達到結晶器圖紙設計要求。（2）引錠頭的檢查及預熱烘干，引錠頭在二冷水的沖擊下，鑄造完成后，上面會有殘余的水，一般要求引錠頭的各面，包括側面和上表面要認真檢查，上表面的平整，側表面不能有殘留的銅疤，以免升入結晶器內腔劃傷內面，另外引錠頭和加高座連接處要認真檢查，確保安全可靠。（3）澆鑄件系統的檢查：a.塞棒動作機構靈活性的檢查；b.大底碗的檢查，有無過渡氧化現象，一般說來，由于富氧銅的生產銅水中氧含量的增加會加劇這些澆鑄件的氧化，因此塞棒、大底碗（錐管）應優先選擇碳化硅材質，延長使用時間，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，根據現場實驗，一根小錐管最多只能生產二根鑄錠，這涉及到生產成本的控制，其材質的選擇也是我們需要認真研究的課題；d.澆鑄管的檢查和預熱：首先澆管必須達到圖紙設計的要求，澆管的型式和結構是鑄造中最為重點研究的內容，我們在專題文章中論述，此處不詳細說明；e.結晶器供水系統的檢查，首先是和結晶器連接的管道和接頭必須完好可靠，否則出現問題會出現安全事故的現場一定要引起高度的重視，另外供水主管道上的壓力、溫度、流量的指標儀表要正常，而且要定期校驗。總的說來，大的原則是澆鑄管中心、結晶器中心、引錠頭中心要三點一線，相關工裝模具要嚴格按照作業標準和工藝控制標準執行，這樣才能為鑄造的正常和鑄錠的品質奠定堅實的基礎。

3鑄造工藝參數

3.1熔化爐。（1）熔煉溫度：1160℃～1170℃；（2）加料及熔煉時間：3.5小時；（3）轉爐溫度：1160℃（目標值）；（4）轉爐時間：3分鐘；（5）木炭覆蓋要求：原則上整個加料及熔煉過程中，木炭加入總量控制在60-100kg左右，但現場操作時，以熔化爐內不裸露銅水為目標，盡量不要過多添加。當生產出現異常時，熔化爐可適當多覆蓋木炭，并要適當降溫爐溫（1130℃）。當原料全部使用本廠回料時，銅屑料要兩批加入，當原料中去除本廠回料外還有新購電解銅時，電解銅板最后加入。3.2保溫爐。（1）鑄造溫度：1145℃～1155℃或1140～1150℃，當結晶器采用氮氣覆蓋時，取1145℃～1155℃，盡量控上限；（2）受銅后扒渣時間：10min；（3）從扒渣后覆蓋木炭開始計時，到開澆前靜置時間：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爐內銅水表面木炭殘渣扒除干凈，如果在10min內即可扒完，必須延長銅水裸露時間至10min后，馬上添加木炭。3.3鑄造部分。（1）結晶器烘烤時間：不小于30min；（2）引錠頭烘烤時間：不小于10min；（用油噴燈烤）（3）引錠頭進入結晶器的高度：根據結晶器高度定，一般為：（結晶器總高度-銅液面距結晶器高度）÷2；（4）澆管埋入銅液內的高度：20-25mm；（5）澆管形式：石墨側出平流式（6）振動頻次：50次/min；振幅：3mm（用氮氣保護澆鑄時，振動頻率一般控制在30次/min）；（7）結晶器內銅液面高度±3mm；（8）起拉到正常鑄造時的參數控制（見表1）；（9）停拉工藝參數控制。當鑄造長度距目標長度剩余150mm時，將鑄造速度降至30mm/min，水流量減至25m3/n，抬起爐頭，停止放流。當結晶器內銅液面接近1/2時，停止拉鑄，仔細觀察冒口處，待其凝殼后，快速將結晶器內已經凝殼的冒口端拉出，然后做吊裝鑄錠的準備。

4用氮氣覆蓋結晶器完成高氧銅鑄造的工藝控制要點

（1）保溫爐木炭覆蓋量調整保溫爐內30-80kg，爐頭箱內先加10-30kg，鑄造一半時再加入一定量的木炭。（2）氮氣流量控制：40-80L/min氮氣中含H2量越小越好，因為H在氮氣中的分壓越大會影響結晶器內銅水氮的排出。（3）較炭黑覆蓋的小車振動要適當減小，具體根據現場定。

5其他需要注意的細節問題

（1）結晶器四面供水的均衡性保證。（2）結晶器大面的方向要始終保持一致，不要再維護保養再次使用時任意改變方向。（3）結晶器在小車上的固定要牢固，不要發生位置變化。（4）結晶器內銅水的液面一定要穩定，急劇變化會產生冷隔。（5）爐臺人員要不斷提高現場操作水平和豐富操作經驗，如何根據上一根鑄造完成后木炭的殘留量，上根鑄錠的含氧量，爐內銅水的情況，靈活運用精細調整是生產富氧銅的關鍵。

參考文獻：

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作者:姜業欣 肖柱 單位:1.中色奧博特銅鋁業有限公司2.中南大學材料科學與工程學院