专利名称：无氧铜带水平电磁铸造装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种无氧铜带水平电磁铸造装置，属于无氧铜带生产加工制造配套设备。
背景技术：
由于铜及铜合金具有许多优良的性能，因而在国民经济的各个部门有着广泛的的用途，如机械，电子，汽车，电力，通信，交通和轻工部门铜板带材的消费量都很大，2009年， 我国的铜板带统计产能为143. 5万吨，实际产能90万吨，产能利用率为63%，当年进口铜带为35万吨，出口 2万吨左右，而且高档铜板带材的进口还呈现逐年高速递增的趋势。而我国的一般产品的产能已经过剩，而高档产品却严重依赖进口，表明我国铜板带加工行业仍然落后于发达国家，不能满足飞速发展的相关行业要求。于是生产高精度铜板带就成了迫在眉睫的问题。近年来，具有高导热，高导电，高致密，低含气及优良机械性能的无氧铜材料更是真空电子等尖端领域的基本材料，在这个产品领域我国只有少数厂家采用小吨位真空熔炼的方法生产，而且生产的产品卷中小，设备结构复杂，维修难度大，成品率低的缺点，很难满足我国的配套行业的需求。无氧铜带铸造装置设备比较落后，生产出铜带质量达不到要求。因此生产大卷重，超长度的无氧铜带成了国内诸多铜加工工作的重点。
发明内容
本发明目的是针对上述不足之处提供一种无氧铜带水平电磁铸造装置，采用本发明无氧铜带水平电磁铸造装置进行电磁脱氧加电磁连铸生产出合格的无氧铜坯料，保证铜带含氧量，无氧铜坯结构致密，性能稳定，单卷重达到6吨以上。本发明无氧铜带水平电磁铸造装置是采取以下技术方案实现
本发明无氧铜带水平电磁铸造装置包括结晶器壳体、中频电源、感应线圈(感应器)，电磁震荡器、屏蔽罩，冷却水箱，底模和浇注机构。浇注机构由中间包和浇口塞组成。中间包通过安装在结晶器壳体上部，结晶器壳体底部设置有浇口，浇口内装有浇口塞，中间包通过浇口与结晶器壳体上部连通，结晶器壳体上部装有液面传感器，液面传感器与配套的PLC控制器相连，配套的PLC控制器根据液面传感器取得结晶器壳体内液面高度信号，控制浇口塞在浇口内上、下位置，来控制浇口开启大小，使金属液柱高度保持不变。电磁铸造成败的一个关键，是浇注速度和铸造速度(拉坯速度)相协调，使金属液柱高度保持不变。为达此目的一般采用以液面高度传感器反馈控制浇注速度的办法。结晶器壳体上部装有感应线圈(感应器)，电磁震荡器与感应线圈(感应器)相连， 感应线圈(感应器)与中频电源连接，感应线圈(感应器)是用截面为长方形的中空的纯铜绕制而成，感应线圈(感应器)中空部通有循环冷却水，即第一次冷却。感应线圈(感应器)做成上下倾斜的。在结晶器壳体上端部装有屏蔽罩，这是为了使金属液柱上方受的磁压力小于下方，与屏蔽罩协调改善金属液柱形状和使其稳定。屏蔽罩用不锈钢绕制而成，因铸造过程中屏蔽罩也需要散热，设法在其表面流水冷却。所述中频电源电流频率为2000 3000Hz。
在结晶器壳体下部装有冷却水箱和喷淋管，通过冷却水箱和喷淋管对结晶成带状铜坯，喷水冷却，即第二次冷却。在结晶器壳体底部装有底模，底模通过引锭头与牵引机相连。本发明为了填补国内超长高精度无氧铜带的空白，攻克技术难点，生产达到国际水平的高精度超长无氧铜带，必须满足以下三大要素
1 超长0. 2厚度的铜带，长度超过7000米，0. 1的铜带超过14000米，因此，生产的无氧铜(TUtl)密度P =8. 95，宽度450MM，卷重必须控制在6000KG以上。2 高精度成品公差，0. 2厚度的铜带公差控制在士0. 002MM，表面光亮。3 无氧铜产品的氧含量控制在5PPM以下。(PPM-百万分一浓度，10_6) 本发明无氧铜带水平电磁铸造装置是采取以下技术方案实现
针对以上的技术要点，对高精度超长无氧铜分三部分进行技术方案的分析。无氧铜方面，含氧量小于5PPM，铸锭致密，导电率软态105IACS。目前，我国在原料铜坯的熔炼和铸造上，基本上采用小容量感应炉和水平连铸生产，铜坯氧含量高，表面质量差，内部空隙率高，组织多为粗大柱状晶，物理和机械性能差，产品档次低。要想生产高纯无氧铜带，就必须在熔炼
阶段生产出合格的无氧铜坯料。采用电磁脱氧加电磁连铸的生产工艺，生产出合格的无氧铜坯料。具体技术方案如下改造原有的水平连铸结晶器，在原有结晶器内壁加装变频感应线圈，加上频率一定的交变电压，一是使液态铜水在凝固之前，在电磁力的作用下快速流动，进行连续的电磁搅拌，使铜液内部形成较强烈的还原性动力学条件，实现铜液中的杂质和气体的快速上浮，排出，提高铜坯的纯净度，而溶解在铜水中的氧元素，则浮出铜水表面，和覆盖在铜水表面的煅烧木炭发生如下反应 4Cu+02=2CU20 0^0+0=2^+00 Cu2CHCO=ZC1^CO2
从而将铜水中的绝大部分氧元素除去。二是利用电磁连铸在铸坯表面形成向内的电磁力，部分抵消铜液的静压力，从而降低铸坯开始凝壳与结晶器间的滑动摩擦力，以及铜坯表层的温度梯度，达到改善结晶机制，细化组织，减少铜坯中柱状晶厚度，提高等轴晶率，减轻或消除铸坯表面震痕与热裂等铸造缺陷。在这种工艺下，在电磁脱氧和电磁连铸的综合作用下，使铜坯的致密度大幅度提升，氧和其他气体含量大幅度降低，明显的提高了铜带的导电，导热，塑性性能和强度，从而实现铜坯的无缺陷生产。采用本发明无氧铜带水平电磁铸造装置生产高精度超长无氧铜带坯生产方法如下
按工艺文件规定选用原材料电解铜，将电解铜加入熔化炉内熔炼；熔炼时，要向熔化炉内加入50 100毫米厚度的煅烧木炭覆盖剂，并定时定量补充加入原材料电解铜，熔炼电压为交流380-400V，熔炼温度保持在1180-1250°C，熔化炉腔内熔化好的铜水炉膛底部流槽潜流入保温炉腔内，保温炉内铜液的温度通过PID智能仪表调节调压器档位，以实现温度自动控制，铜液在保温炉内保持铸造温度，温度保持在1180 1250°C，并保持在一定液位高度范围内，液位高度为50 70mm，铜液在液位作用下，流入加装电磁振荡线圈的结晶器，铜液通过加装电磁振荡线圈的电磁连铸结晶器进行电磁脱氧和电磁连铸水平铸坯，通过电磁连铸结晶器冷却，即第一次冷却，结晶成带状铜坯，由引锭机连续引拉，引拉速度为100 150mm/min，形成所要求形状的无氧铜带坯，无氧铜带坯出口处装有第二次冷却水箱，无氧铜带坯经过第二次冷却水箱喷水冷却，冷却水的流量可进行调节，水温、水压进行实时监控，所述冷却水温为18 25°C、所述冷却水压为0. 8-1.0兆帕。采用这些控制手段， 主要是为了保证结晶温度，工艺参数的稳定，以确保产品质量。无氧铜带坯的拉出是通过引锭机来实现的，引锭机拉停、反推的时间是连续可调的，要根据材质不同、规格不同、表面质量情况，确定最佳控制参数并及时进行调整，引锭机PLC程序控制，实现拉、停、反推、停的循环动作。所生产的无氧铜的带坯的规格为厚度16毫米，宽度430毫米，单卷重6000公斤，含氧量小于5PPM，导电率大于105IACS.
本发明无氧铜带水平电磁铸造装置采用电磁方式进行铜液脱氧，较其他方法具有技术，装备，成本，操作，铸坯质量和材料性能，生产安全性等多方面的优势。电磁连铸水平铸坯的试验结果显示，用上述电磁技术生产无氧铜铸坯，密度8. 94-8. 95g/cm3，铜含量 99. 97%-99. 99%，氧含量3_5PPM( 10_6)，其他化学成分符合TUtl标准，铸坯的力学性能与经过热挤压的初加工坯材相当，硬态加工材的相对导电率高于100IACS.，同时在现在的的熔炼铸造设备条件下，采用电磁脱氧和电磁连铸法进行无氧铜批量生产的结果显示，该技术对电解铜无需进行切边，去豆处理，提高了材料的利用率和收得率，而且生产的IU和TU1无氧铜，在物理，化学，力学性能等方面均可以满足电真空器件等领域的要求。而且由于改善了铸坯结晶状态，使铸坯有了较高的材料性能，使大卷铸坯的断带率降到了 3%。以下，大大提高成品率，也为超长铜带提供了技术保证。
以下将结合附图对本发明作进一步说明
图1是本发明无氧铜带水平电磁铸造装置示意图。图2是本发明无氧铜带水平电磁铸造装置的电磁连铸示意图。
具体实施例方式参照附图1、2，本发明无氧铜带水平电磁铸造装置包括结晶器壳体1、中频电源、 感应线圈6(感应器)，电磁震荡器9、屏蔽罩13，冷却水箱8，底模11和浇注机构。浇注机构由中间包2和浇口塞4组成。中间包2通过安装在结晶器壳体1上部，结晶器壳体1底部设置有浇口 3，浇口 3内装有浇口塞4，中间包2通过浇口 3与结晶器壳体1上部连通，结晶器壳体1上部装有液面传感器13，液面传感器13与配套的PLC控制器相连，配套的PLC控制器根据液面传感器13取得结晶器壳体内液面高度信号，控制浇口塞4在浇口内上、下位置，来控制浇口开启大小，使金属液柱5高度保持不变。电磁铸造成败的一个关键，是浇注速度和铸造速度(拉坯速度)相协调，使金属液柱5高度保持不变。为达此目的一般采用以液面高度传感器12反馈控制浇注速度的办法。结晶器壳体1上部装有感应线圈6(感应器)，电磁震荡器9与感应线圈6(感应器) 相连，感应线圈6 (感应器)与中频电源连接，感应线圈6 (感应器)是用截面为长方形的中空的纯铜绕制而成，感应线圈6(感应器)中空部通有循环冷却水，即第一次冷却。感应线圈 6 (感应器)制成上下倾斜。在结晶器壳体1上端部装有屏蔽罩14，这是为了使金属液柱5上方受的磁压力小于下方，与屏蔽罩14协调改善金属液柱形状和使其稳定。屏蔽罩14用不锈钢绕制而成，因铸造过程中屏蔽罩也需要散热，设法在其表面流水冷却。所述中频电源电流频率为2000 3000Hz。在结晶器壳体1下部装有冷却水箱8和喷淋管，通过冷却水箱8和喷淋管对结晶成带状铜坯，喷水冷却，即第二次冷却。在结晶器壳体1底部装有底模11，底模11通过引锭头12与牵引机相连。本发明无氧铜带水平电磁铸造装置的电磁连铸过程如下首先将底模11边缘的上平面移动到电磁连铸结晶器半高处，然后启动中频电源；浇注；当铜液面高度达一定值时固定输出功率，喷水冷却，底模以一定速度向下移动。铜液通过加装电磁振荡线圈的电磁连铸结晶器进行电磁脱氧和电磁连铸水平铸坯，通过电磁连铸结晶器冷却(一次冷却)结晶成带状铜坯，喷水冷却(二次冷却)，带状铜坯10与底模11连结以一定速度向下移动，由引锭机连续引拉。电磁铸造成败的关键，是使金属液柱稳定并使其高度保持一定。为达此目的，合理选择工艺参数是十分重要的。最重要的参数有电流频率，电流强度，铸造速度，喷水冷却强度。提高电流频率可降低金属液柱中电磁搅拌引起的流动，但随着电流频率的增大感应加热作用迅速增大，不利于提高铸造速度，无谓地浪费电能。在铜的电磁铸造中，电流频率取2000 3000Hz。电流强度是根据所需要的金属液柱5高度而定，金属液柱5高度过低，金属液柱5顶面的边缘向内收缩，铸造过程不易控制；金属液柱5过高，也造成电能的浪费。金属液柱5高度控制在30 50mm是适当的，这时所需要的电流强度为3500 5000A。 铸造速度随喷水冷却强度而变，采用循环水喷水冷却，电磁铸造速度为100 150mm/min。采用本发明无氧铜带水平电磁铸造装置生产试产无氧铜坯料600吨，生产原料为智力CCC电解铜，熔炼炉为3吨水平连铸炉双流铸造，铸坯450 X 16MM,电磁连铸结晶器震频0-5Hz，拉速100-150MM/MIN，生产过程中设备运行良好，工艺操作稳定，无氧铜坯无铸造缺陷。凝固测温采用铠装镍铬镍硅热电偶，成分检测分别采用化学分析法(对铜含量)等离子发射光谱(对其他非氧元素含量)和氮氧分析仪(对氧含量)，机械性能采用常规拉力试验机，全部铜坯进行成分分析检测，结果显示，[Cu]彡99. 97%，
=3-5 X 10_6(PPM)，其余成分全部符合TUtl标准，对铜坯结晶组织，理化和机械性能进行抽检，结果显示，等轴晶率 ^ 90%,表面无裂纹和震痕，表面光洁，屈服强度51MPa，抗拉强度155MPa，延伸率45%，颈缩率70% (平均值)。经过本发明高精度超长无氧铜带生产方法生产无氧铜带坯，经轧制为微波磁控管 (电真空)用高精度铜带，经日本松下电器公司检测，在1000摄氏度的温度下，真空条件下的排气量仅为普通无氧铜同类产品的40%，等轴晶组织较后者明显细化，同时电磁连铸无氧铜材料的晶粒组织在热处理后无明显长大，硬态加工组织的相对导电率达到101%IACS。完全达到其公司的标准。通过以上技术，本发明高精度超长无氧铜带生产方法成功生产出含氧量小于5PPM，厚度公差控制在士0. 002，长度达到7000米的高精度超长无氧铜带，经济效益十分可观，填补国内超长高精度无氧铜带的空白，攻克技术难点，生产达到国际水平的高精度超长无氧铜带，为国家节约了大量外汇，提高了我国铜加工企业的影响力。
权利要求
1.一种无氧铜带水平电磁铸造装置，其特征在于包括结晶器壳体、中频电源、感应线圈，电磁震荡器、屏蔽罩，冷却水箱，底模和浇注机构，浇注机构由中间包和浇口塞组成，中间包通过安装在结晶器壳体上部，结晶器壳体底部设置有浇口，浇口内装有浇口塞，中间包通过浇口与结晶器壳体上部连通；在结晶器壳体上部装有感应线圈，电磁震荡器与感应线圈相连，感应线圈与中频电源连接，感应线圈是用截面为长方形的中空的纯铜绕制而成，感应线圈中空部通有循环冷却水，即第一次冷却；在结晶器壳体下部装有冷却水箱和喷淋管，通过冷却水箱和喷淋管对结晶成带状铜坯，喷水冷却，即第二次冷却；在结晶器壳体底部装有底模。
2.根据权利用要求1所述无氧铜带水平电磁铸造装置，其特征在于所述结晶器壳体上部装有液面传感器，液面传感器与配套的PLC控制器相连，配套的PLC控制器根据液面传感器取得结晶器壳体内液面高度信号，控制浇口塞在浇口内上、下位置，来控制浇口开启大小，使金属液柱高度保持不变。
3.根据权利用要求1所述无氧铜带水平电磁铸造装置，其特征在于在结晶器壳体上端部装有屏蔽罩，屏蔽罩采用不锈钢绕制而成。
4.根据权利用要求1所述无氧铜带水平电磁铸造装置，其特征在于所述感应线圈制成上下倾斜。
5.根据权利用要求1所述无氧铜带水平电磁铸造装置，其特征在于所述底模通过引锭头与牵引机相连。
6.根据权利用要求1所述高精度超长无氧铜带生产方法，其特征在于所述电磁连铸结晶器的中频电源电流频率为2000 3000Hz。
全文摘要
本发明涉及的是一种无氧铜带水平电磁铸造装置，属于无氧铜带生产加工制造配套设备。包括结晶器壳体、中频电源、感应线圈，电磁震荡器、屏蔽罩，冷却水箱，底模和浇注机构，浇注机构由中间包和浇口塞组成，中间包通过安装在结晶器壳体上部，结晶器壳体底部设置有浇口，浇口内装有浇口塞，中间包通过浇口与结晶器壳体上部连通；在结晶器壳体上部装有感应线圈，电磁震荡器与感应线圈相连，感应线圈与中频电源连接，感应线圈是用截面为长方形的中空的纯铜绕制而成，感应线圈中空部通有循环冷却水，即第一次冷却；在结晶器壳体下部装有冷却水箱和喷淋管，通过冷却水箱和喷淋管对结晶成带状铜坯，喷水冷却，即第二次冷却；在结晶器壳体底部装有底模。
文档编号B22D11/049GK102179490SQ20111009449
公开日2011年9月14日 申请日期2011年4月15日 优先权日2011年4月15日
发明者曹德林, 王英华, 薛济萍 申请人:中天合金技术有限公司