一种铜合金控温‑调压熔炼装置的制作方法

本发明涉及铜及铜合金熔炼领域，尤其涉及一种铜合金控温-调压熔炼装置。

背景技术：

传统的铜合金熔炼普遍采用以铜熔点为基础的常压、氧化气氛熔炼，存在的主要问题是：在熔炼含锌的黄铜，含锡、铅、铍、磷、镉、镁、锆、铬的青铜，含锌、铝、锰的白铜时，存在强烈的蒸发、气化、氧化损失。如黄铜熔炼采用低温加锌、喷火熔炼、高温扒渣工艺。锌的熔点419.5℃，铜的熔点为1083.5℃，两钟金属熔点相差664℃。所谓低温加锌工艺，操作温度一般在1150℃左右，加锌过程必然造成锌的剧烈氧化和挥发损失。所谓喷火熔炼工艺，实质是利用金属锌沸腾产生的蒸汽除渣、除气，使大量的金属锌汽化、氧化、造渣。

感应熔炼和竖炉熔炼是熔炼铜现代铜合金熔炼的基本炉型，采用感应熔炼的好处是：熔炼能耗较低、熔炼过程无排放、不对铜液造成污染。存在的问题是：感应熔炼和竖炉熔炼既不能调节熔炼气氛，也不能控制炉压；合金熔炼过程中，金属蒸发、氧化、造渣损失大。

本项目申请人，曾对国内外著名铜加工生产商进行了系统调研，发现：欧洲金属、法国La-bronze、意大利sitindustry、挪威brass-ingot等企业，采用“喷火”工艺生产中锌、高锌黄铜。中铝洛铜、铜陵黄铜棒材公司、金川集团引进具有国际先进水平黄铜熔铸生产线，均采用“喷火”工艺。宁波金田集团是国内最大黄铜生产基地，采用“喷火”熔炼工艺 。“喷火”熔炼仍然是国内外生产高锌铜合金普遍采用的工艺。

采用大气气氛-常压、“喷火”熔炼工艺存在的问题是：低沸点金属组元（锡、锌、铅等）的氧化、蒸发、汽化损失极大。铜合金熔炼过程中，高温金属易于与环境氧化介质、炉料携带氧、乳液、油污反应，造成金属造渣损失。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对上述已有技术存在的不足，提供一种铜合金控温-调压熔炼装置。

上述目的是通过下述方案实现的：

一种铜合金控温-调压熔炼装置，其特征在于，该装置包括密闭炉室（1）、工频感应炉（2）、控温-调压-锌冷凝-回收-气氛控制集成装置（3）、加料炉门（4）、调压炉炉室测温（5）、辅助加料系统（6）、炉室中的锌蒸汽(7、)、检修炉门（8）、铸造装置（9）；所述工频感应炉（2）包括感应炉炉体（2a）、感应体（2b）、防辐射炉盖（2c）、感应炉测温（2d）、铜合金液（2e）。

根据上述控温-调压熔炼装置，其特征在于，所述气密炉室（1）之炉体采用三层结构，内层采用GH4169合金板材焊合成气密性结构，中层为轻质多晶莫来石耐火-保温材料，外壳采用德国克虏伯公司开发的926耐热、耐蚀钢焊接成气密性结构。气密炉室是控温-调压熔炼的工作空间，其主要作用是保持并承受熔炼过程中因金属蒸发形成的高温、高压金属蒸气不散失、不氧化。

根据上述控温-调压熔炼装置，其特征在于，所述工频感应炉（2）之感应炉炉体（2a）的外壳为GH4169合金板材焊合成气密性结构，内衬由高铝质浇注料或者镁砂浇注料或者硅砂浇注料浇注-烧结而成。感应体（2b）包括铁芯、水冷线圈、水冷系统等部分组成。防辐射炉盖（2c）为多晶莫来石耐火材料，炉盖外部结构材质为GH4169合金焊接而成钢结构，炉盖可以开启、闭合。感应炉测温（2d）包括测温热电偶、补偿导线、补偿导线外侧密闭-耐热-防护铠甲等部分。工频感应炉（2）之作用为熔化金属并完成金属之合金化过程。

根据上述控温-调压熔炼装置，其特征在于，所述控温-调压-锌冷凝-回收-气氛控制集成装置（3）包括炉压测量装置、锌蒸气抽出-冷凝-回收-气氛控制。其作用为在合金熔炼前，向炉内通入高纯氮气或者氩气，控制和调节炉室内气氛。在合金熔炼期间，根据设定炉压，通过调节蒸发过程与液化过程的动态平衡，达到控制炉压的目的。当炉压达到设定值，且金属蒸发量大于金属蒸气的液化量，使炉室的实际炉压超过设定值时，启动蒸气冷凝-回收装置，将炉室内的部分金属蒸气抽出、冷凝、液化、回收，使炉室内压力稳定在设定值范围，达到控制炉压的目的。装置3向炉室1内通入的保护气氛可以是氮气或者高纯氮气或者氩气或者高纯氩气或者一氧化碳等中的一种或者几种。

根据上述控温-调压熔炼装置，其特征在于，所述加料炉门（4）采用三层结构，内层采用GH4169合金板材焊合成气密性结构，中层为轻质多晶莫来石耐火-保温材料，外壳采用德国克虏伯公司开发的926耐热、耐蚀钢焊接成气密性结构，加料炉门用于向炉内添加基体合金铜、回炉料、高熔点金属镍、铁等，主加料过程由天车通过加料门完成。

根据上述控温-调压熔炼装置，其特征在于，所述调压炉炉室测温（5）用于测量控温-调压炉炉室压力。

根据上述控温-调压熔炼装置，其特征在于，所述辅助加料系统（6）材质为GH4169、ZG416合金焊接组装而成的耐热、耐蚀钢结构件，用于短时存放、对炉内添加易挥发合金元素锌、铅、铍等。

根据上述控温-调压熔炼装置，其特征在于，所述检修炉门（8）安装在炉室侧部，采用三层结构，内层采用GH4169合金板材焊合成气密性结构，中层为轻质多晶莫来石耐火-保温材料，外壳采用德国克虏伯公司开发的926耐热、耐蚀钢焊接成气密性结构，用于检修炉体、处理故障。

根据上述控温-调压熔炼装置，其特征在于，所述铸造装置（9）包括转注溜槽、闸板、铸造-结晶系统、冷却系统，用于将熔炼合格的金属液浇注成合格的合金铸锭。

根据上述处理装置，其特征在于，所述处理装置工作原理是：在密闭空间内熔炼合金，使液体金属蒸发-汽化-液化过程达到动态平衡，熔炼过程没有蒸发、汽化、氧化、造渣损失。

根据上述处理装置，其特征在于，所述处理装置工作过程大致分为三个阶段：第一阶段向炉内通入保护气体并将炉温升高到高出常规熔炼温度60-150℃，将炉压升高到设定炉压，在控温-调压条件下快速熔化纯铜、镍、铁等高熔点金属；第二阶段向合金液中加入易挥发元素锌、铅、铍等，进行锌、铅、铍合金化时逐步降低熔炼温度，并利用锌蒸气冷凝、回收装置控制-调节炉压。第三阶段将炉温、炉压调节至室温-常压，利用氩气、熔剂等精炼铜合金液。

本发明提出的一种控温-调压熔炼装置，在密闭空间内熔炼合金，使液体金属蒸发-汽化-液化过程达到动态平衡，熔炼过程没有蒸发、汽化、氧化、造渣损失。提高系统压力，Cu-Zn合金可以在更高的温度下熔炼而不“喷火”，实现强化熔炼过程，缩短熔炼周期，提高生产效率。以Cu-35%Zn合金为例，常压熔炼喷火温度为1035℃；控温-调压熔炼时，温度在1100℃以上（提高熔炼温度65℃）而不喷火，强化熔炼过程，缩短熔炼周期，提高生产效率，具有很高的经济价值和社会效益。

附图说明

图1为控温-调压铜合金熔炼炉结构示意图；

图2为控温-调压铜合金熔炼炉装料过程示意图；

图3为控温-调压铜合金熔炼炉熔炼过程示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种控温-调压熔炼装置，该装置包括密闭炉室（1）、工频感应炉（2）、控温-调压-锌冷凝-回收-气氛控制集成装置（3）、加料炉门（4）、调压炉炉室测温（5）、辅助加料系统（6）、炉室中的锌蒸汽(7)、检修炉门（8）、铸造装置（9）；所述工频感应炉（2）由感应炉炉体（2a）、感应体（2b）、防辐射炉盖（2c）、感应炉测温（2d）、铜合金液（2e）。

气密炉室（1）是控温-调压熔炼炉的工作空间和保压容器，其主要作用是保持并承受熔炼过程中因金属蒸发形成的高温、高压金属蒸气不散失、不氧化。

气密炉室1上开设有加料炉门（4）、检修炉门（8），并安装控温-调压-锌冷凝-回收-气氛控制集成装置（3），辅助加料系统（6）安装在气密炉室1的内部，用于短时存放、对炉内添加易挥发合金元素锌、铅、铍等。

工频感应炉2有两种安装方式，一种安装方式是整体安装在气密炉室1内；另一种安装方式是将上部感应炉炉体2a安装在气密炉室1内，感应体2b安装在气密炉室1的外部，见图1。防辐射炉盖2c安装在感应炉炉体2a的炉口上部，其作用是阻断高温金属液2e对气密炉室的辐射传热。

铸造装置9有四种安装方式，第一种安装方式是整体安装在气密炉室1内；第二种安装方式是在紧邻气密炉室建立一个独立的气密铸造室；第三种安装方式是将转注部分安装在气密炉室内，铸造部分安装在气密炉室外部的大气环境下，见图1；第四种安装方式是将转注、铸造部分均安装在气密炉室外部的大气环境下。

本发明所述控温-调压熔炼装置的工作原理是：在密闭空间内熔炼合金，使液体金属蒸发-汽化-液化过程达到动态平衡，熔炼过程没有蒸发、汽化、氧化、造渣损失。

本发明所述控温-调压熔炼装置的工作过程大致分为三个阶段：第一阶段向炉内通入保护气体并将炉温升高到高出常规熔炼温度60-150℃，将炉压升高到设定炉压，在控温-调压条件下快速熔化纯铜、镍、铁等高熔点金属；第二阶段向合金液中加入易挥发元素锌、铅、铍等，进行锌、铅、铍合金化时逐步降低熔炼温度，并利用锌蒸气冷凝、回收装置控制-调节炉压。第三阶段将炉温、炉压调节至室温-常压，利用氩气、熔剂等精炼铜合金液。

本发明提出的一种控温-调压熔炼装置，在密闭空间内熔炼合金，使液体金属蒸发-汽化-液化过程达到动态平衡，熔炼过程没有蒸发、汽化、氧化、造渣损失。提高系统压力，Cu-Zn合金可以在更高的温度下熔炼而不“喷火”，实现强化熔炼过程，缩短熔炼周期，提高生产效率。以Cu-35%Zn合金为例，常压熔炼喷火温度为1035℃；控温-调压熔炼时，温度在1100℃以上（提高熔炼温度65℃）而不喷火，强化熔炼过程，缩短熔炼周期，提高生产效率，具有很高的经济价值和社会效益。

实施例1：控温-调压熔炼Cu-35%Zn合金

按照图2所示的方法，将占配料量60%的电解铜加入工频感应炉2内。将余量的铜、低熔点金属锌装入辅助加料装置6中。关闭并密封加料炉门4、检修炉门8。通过控温-调压-锌冷凝-回收-气氛控制集成装置3向密闭炉室1内通入高纯氮气。将炉压调整到8atm，给工频感应炉2送电，在控压、氩气环境下，将占配料量60%的电解铜熔化，熔化温度较传统工艺条件下熔化温度（1130-1180℃）高出100℃。待铜料熔化。在高温、带压条件下向熔化的铜液中加35 %Zn（熔化温度较常规熔化温度（Cu-35%Zn合金传统熔炼温度1080-1130℃）高出30-90℃，快速熔化低沸点、易蒸发-汽化的金属锌。通过高温、保护气氛、控压条件下，快速熔化纯铜铜料、快速熔化低沸点、易蒸发-汽化的金属锌。待合金完全熔化-合金化后，利用预留的5%的铜冷料将铜液调温至铸造温度1070-1100℃。采用常规的气体精炼、熔剂精炼、电渣精炼、陶瓷过滤等方法对铜液除气、除渣。采用常规的铸造方法将除气、除渣后的铜液铸造成合格的铸锭。试验结束，取合金分析试样，合金化学成分为：Zn，34.8%；Cu，余量。

实施例2：采用控温-调压方法熔炼Cu-35%Zn-2%Sn合金

按照图2所示的方法，将占配料量58%的电解铜加入工频感应炉2内。将余量的铜、低熔点金属锌、金属锡装入辅助加料装置6中。关闭并密封加料炉门4、检修炉门8。通过控温-调压-锌冷凝-回收-气氛控制集成装置3向密闭炉室1内通入高纯氩气。将炉压调整到15atm，给工频感应炉2送电，在控压、氩气环境下，将占配料量58%的电解铜熔化，熔化温度较传统工艺条件下熔化温度（1130-1180℃）高出130℃。待铜料熔化，在高温、带压条件下向熔化的铜液中加35 %Zn（熔化温度较常规熔化温度（Cu-35%Zn合金传统熔炼温度1080-1130℃）高出30-90℃。快速熔化低沸点、易蒸发-汽化的金属锌，待锌完全熔化，利用辅助加料装置向铜液中补加2%的锡。通过高温、保护气氛、控压条件下，快速熔化纯铜铜料、快速熔化低沸点、易蒸发-汽化的金属锌、金属锡。待合金完全熔化-合金化后，利用预留的5%的铜冷料将铜液调温至铸造温度1070-1100℃。采用常规的气体精炼、熔剂精炼、电渣精炼、陶瓷过滤等方法对铜液除气、除渣。采用常规的铸造方法将除气、除渣后的铜液铸造成合格的铸锭。试验结束，取合金分析试样，合金化学成分为：Zn，35.3%；Sn，1.96%；Cu，余量。

实施例3：采用控温-调压方法熔炼Cu-38%Zn-2%Ni合金

按照图2所示的方法，将占配料量55%的电解铜加入工频感应炉2内。将2%的镍、余量的铜、低熔点金属锌装入辅助加料装置6中。关闭并密封加料炉门4、检修炉门8。通过控温-调压-锌冷凝-回收-气氛控制集成装置3向密闭炉室1内通入高纯氩气。将炉压调整到30atm，给工频感应炉2送电，在控压、氩气环境下，将占配料量55%的电解铜熔化，熔化温度较传统工艺条件下熔化温度（1130-1180℃）高出180℃。待铜料熔化，在高温、带压条件下向熔化的铜液中加入2%的金属镍，利用高温铜液溶解金属镍。待镍完全熔化，将铜液温度调整到1200℃。随后，向铜镍合金液中加入38 %的Zn。快速熔化低沸点、易蒸发-汽化的金属锌。通过高温、保护气氛、控压条件下，快速熔化纯铜、纯镍、快速熔化低沸点、易蒸发-汽化的金属锌。在化锌过程中，利用装置3调控炉压，当密闭炉室中金属蒸气压力超过设定炉压30atm的20%时，启动装置3，从密闭炉室中抽出金属锌蒸气、冷凝锌蒸气，以达到控制炉压的目的。并根据抽出的金属锌量，利用辅助加料装置向金属液补充金属锌。待合金完全熔化-合金化后，利用预留的5%的铜冷料将铜液调温至铸造温度1050-1080℃。采用常规的气体精炼、熔剂精炼、电渣精炼、陶瓷过滤等方法对铜液除气、除渣。采用常规的铸造方法将除气、除渣后的铜液铸造成合格的铸锭。试验结束，取合金分析试样，合金化学成分为：Zn，37.6%；Ni，2.1%；Cu，余量。