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铜铸件的熔炼及铸造技术和高炉冷却构件材料的开发

1 绪论
铜铸件是难以熔炼和铸造的材料,制造坚固性好的铸件时发生很多问题。Cu吸收大量气体,例如由单质氢引起的气泡,氧气自身不会产生气泡,但是跟氢产生反应生成水蒸气,从而引起气泡。 
  在铸件内这些气泡使用时气密性差,容易发生气密泄漏。并且铸件内含气量增大后热传导率下降,迫使高炉内的热交换率下降导致高炉熔损,使高炉突然停止操作。
    因为Cu凝固收缩率高,凝固时收缩方向明显,配置一定的冒口和适当的冷铁,使定向性凝固,防止凝固时发生缩裂。因为Cu在高温的时候强度低,凝固收缩过程的时候容易发生龟裂。对气密性要求很高的铸件来说,防止这些缺陷是很重要的。
2 铜铸件的性质和规格
   。
  因为Cu是电传导性和热传导率很高的金属,所以,用铜特性是纯铜制造的铸件大多用于在高温条件下需要块速传递热量,降低冷端温度,构成大的温差,及时导出工作端的热量,从而保护工作正常运行条件。例如,高炉用风口、冷却壁、氧气管喷咀、电炉用支架,炉体冷却器,电器用零件等。
    作为铜铸件一般最多使用的产品多用其优良的,电传导率在(50~90%IACS的范围之内)。作为高炉用冷却构件材料的功能不仅是热传导率,还得综合考虑耐磨性、气密性、耐蚀性等。为了满足这些性能指标要求,提高铸件的健全性,常添加微量元素做熔炼铜的脱氧剂。
  铜铸件的JIS H5120规定了铜纯度,电传导率,P和Sn的成分。
3 熔炼材料及配料方法
    要求Cu铸件具有高的电传导率,热传导率,耐裂性。因此,必须防止不纯物混入,特别是Fe以及Pb。溶炼材料有电解铜炉料,还原材料和铜屑。因为根据铸件的种类纯度不同,所以需要调节材料的配比。特别是因为铜铸件第3种排号(CAC103)的纯度要求很高,不使用铜屑,而使用电解铜和还原材料。还原材料的配制比最好为50%以下。
    第1种(CAC101)铜铸件,第2种(CAC102)配制1号铜线屑,或者1号铜锭,电解铜和原材料。比率是按重量比大概25%,25%,50%。
 因为2号铜线屑的线径很细,溶炼的时候氧化消耗很多。由于2号铜锭里有把镀过锡的铜线进行加工,所以参杂了一些外来物质,混杂有清理用的铁丸或钢丸。因此,使用的时候要注意选择。
 
4  熔炼法
4.1 熔炼气体环境
    溶液中的气体吸收大部分是与溶液接触的大气和从炉内氛围吸收的气体。
    表11)表示的是在重油炉熔炼的时候,没有被木炭覆盖的炉内气体环境和溶液中的氧气量。当气体环境有微小变化,氧气量的变化却很大。表21)表示的是,在溶液坩埚炉熔炼时,覆盖木炭后的气体环境和溶液中的氧气量。无论是强氧化还是强还原溶解,氧气量稳定。在燃烧式坩埚炉熔炼中,由溶液表面的木炭覆盖,能控制溶液中的氧气量。

1  溶解铜中氧和时间的关系(工频感应电炉木炭覆盖)
11)表示的是用工频感应电炉熔炼C铜的时候溶液中氧气量。没有木炭覆盖的话,因为氧气量大约3500ppm,即使大气熔炼也能用木炭覆盖控制低值。
如果添加脱氧剂,溶液中的氧气量不稳定的话残留量会有很大偏差,会给铸件的健全性和传导率负面影响。

4.2 铜液对各种气体吸收规律
    溶液吸收的气体大部分是氢和氧气,像N2,Ar,He不活泼气体一般不被吸收。氢以原子的形态溶解,其溶解度与气体环境中的氢分压的平方根成正比。氧气也是以原子形态在金属液中被溶解。但是与氢不同,凝固的时候不以原子氧状态析出,而变成氧化物,单独不会形成气泡。
4.2.1氢气
   2表示在不同温度的下Cu中氢在铜液中的溶解度变化曲线。从中看出氢气溶解度随着温度上升而上升,特别是在熔点附近,溶解度也变化突然直线上升。当冷却时,凝固的时候会发生逆反过程,大量放出氢气。这就是产生气泡的原因。

2  纯铜的氢气熔炼度(中的外文是曲线制作人姓名)

4.2.2水蒸气气体
    溶液中的氧气和氢凝固时变成水蒸气气泡,就成了气泡的原因。炉内环境气体分压和溶液中的氧气及氢的平衡关系如下:

在这K:平衡常数,[H]:溶液中的氢,[O]:溶液中的氧气,PH2O:水蒸气分压
溶液中的氧气量与氢量的平方成反比,氧气量增多时氢气量减少。33)表示的是,在三种不同大小的气压下含氢量与含氧量反比关系,另外还从该表出示,在相同的含氧量下,不同的气压所对应的各水蒸气分压中溶液的氢含量。这是1944年Baker提倡的氧化还原溶炼法,就是先进行氧化溶炼减少溶液中的氢气量,之后完成脱氧溶液的溶炼法基础。

3  对铜-水蒸气平衡的水蒸气压的影响
但是,这些数据是在实验室里密闭系内得出的结果,在实际操作下像上述一样覆盖木炭的话,及时进行氧化熔炼,氧气的量稳定在150ppm左右。并且,因为注入溶液的时候变成不平衡状态,故这个规律需要进一步考察,但是没进行这些体系研究。
现在工厂最需要的是,尽量能把氧气量,氢气量控制最小的熔炼法。

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点击次数:  更新时间:2016-03-09 18:02:40