徐高磊，駱越峰，姚幼甫，單忠虎，陳國權(quán)，張敬恩

(力博電氣有限公司，浙江紹興312000)

隨著電子、電力、通訊業(yè)的發(fā)展，尤其是磁控元件、射頻電纜、電真空器件等需要采用高純低氧的無氧銅材料，為保證高純低氧，一般要求銅含量大于99.97%，氧含量5ppm以下，導(dǎo)電率101%IACS以上［1－3］。紫銅在高溫熔煉過程中容易與氧結(jié)合形成Cu2O，凝固結(jié)晶后Cu2O分布于晶界處，容易產(chǎn)生“氫脆”，影響銅材的使用性能。采用木炭覆蓋的擴散脫氧方法，能夠在一定程度上降低氧含量，但即使在覆蓋工藝最佳狀態(tài)下，氧含量僅能控制在20～50ppm，且氧含量不穩(wěn)定，不能滿足高品質(zhì)無氧銅材料的需要。

本文重點介紹自主研發(fā)的在線連續(xù)脫氧裝置和技術(shù)，通過相關(guān)的工藝技術(shù)保證無氧銅的純度，降低熔體中的氧含量，最終獲得高品質(zhì)無氧銅。

1 銅液脫氧方法

銅液脫氧的方法主要有化學(xué)脫氧法、真空脫氧法、電磁脫氧法和復(fù)合脫氧法［4－5］。

化學(xué)脫氧法主要是在金屬熔煉時加入化學(xué)脫氧劑，利用其化學(xué)活性高于金屬的特點，將熔融金屬中的氧原子置換出來，以降低銅液中的氧含量?；瘜W(xué)脫氧法對銅液存在一定的雜質(zhì)污染，且其脫氧能力有限。

真空脫氧主要是銅液在真空環(huán)境中熔煉，通過降低熔煉時的氣體分壓，使銅液中的氧原子溢出，降低氧含量。此方法脫氧效果好，但設(shè)備投資大、產(chǎn)能小。

電磁脫氧法是利用外加電磁場改善金屬熔煉時脫氧動力學(xué)條件，促使銅液中的氧原子與還原劑結(jié)合并快速溢出，達到脫氧的效果。此方法不僅可降低氧含量，對鑄坯的質(zhì)量也有提高，但其氧含量僅能控制在5～10ppm。

復(fù)合脫氧法是采用兩種或兩種以上的脫氧方法，主要有木炭+化學(xué)脫氧和木炭+惰性氣體脫氧等。

木炭+惰性氣體脫氧是在銅液表面采用木炭覆蓋的條件下，通過將惰性氣體(氮氣)通入銅熔體中，氣泡內(nèi)的惰性氣體(氮氣)分壓為零，而溶于氣泡附近的銅液中的氧氣分壓遠大于零，基于惰性氣體(氮氣)在氣泡內(nèi)外分壓力之差，使銅液中的氧不斷向氣泡擴散，隨著氣泡的上升和逸出而排到大氣中，從而達到脫氧的目的。惰性氣體脫氧原理示意見圖1和圖2。

圖1 惰性氣體脫氧示意圖Fig.1 Schematic diagram of deoxidization with inert gas

向銅液中吹入惰性氣體(氮氣)，有助于擴大熔融銅液中的二氧化碳與木炭的接觸面積，使熔融銅液中二氧化碳的擴散速度加快。采用“木炭+惰性氣體”的復(fù)合脫氧技術(shù)，與在爐內(nèi)單純使用木炭覆蓋相比，吹入一定計量的氮氣以后，大量生成一氧化碳，促進了脫氧效果。

圖2 銅液中吹入氮氣脫氧過程的示意圖Fig.2 Schematic diagram of deoxidization by blowing nitrogen into molten copper

2 在線脫氧裝置和技術(shù)

圖3是在線脫氧裝置在上引熔煉爐的應(yīng)用示意圖，主要包括在線脫氧裝置、熔煉爐、保溫爐、隔倉等。在線脫氧裝置包括機架、主軸、電機、金屬轉(zhuǎn)桿、旋轉(zhuǎn)石墨轉(zhuǎn)桿等;電機通過旋轉(zhuǎn)接頭帶動主軸、金屬轉(zhuǎn)桿和石墨轉(zhuǎn)桿旋轉(zhuǎn)。一定計量的99.996%的氮氣通過旋轉(zhuǎn)石墨轉(zhuǎn)桿壓入銅液中并打散成微小氣泡，使其均勻的分散在銅液中，以達到脫氧的目的。在線脫氧裝置安裝在隔倉內(nèi)，其目的是保證銅液液面的穩(wěn)定性。

圖3 無氧銅上引鑄造爐示意圖Fig.3 Diagram of up-casting units for oxygen-free copper

在線脫氧裝置和技術(shù)的優(yōu)點:

(1)在線連續(xù)脫氧，脫氧效果好，用于上引連續(xù)鑄造生產(chǎn)的無氧銅，其氧含量≤5ppm;

(2)使用氮氣或氬氣等惰性氣體，大大減少了脫氧時間，降低了生產(chǎn)成本，且對環(huán)境無任何污染，工作環(huán)境大大改善;

(3)結(jié)構(gòu)堅固，維護簡單，自動控制，操作簡單，可以通過吊掛裝置將設(shè)備提升進行石墨配件的更換;

(4)氣路設(shè)有微節(jié)氣流，可確保設(shè)備未啟動時，避免石墨轉(zhuǎn)子先浸到銅液而造成的堵塞現(xiàn)象;

(5)惰性氣體流量和轉(zhuǎn)速可調(diào)控，能進行最佳工藝參數(shù)設(shè)定，可獲得高品質(zhì)產(chǎn)品。

圖4為旋轉(zhuǎn)石墨轉(zhuǎn)桿轉(zhuǎn)速與氧含量的關(guān)系示意圖。隨著旋轉(zhuǎn)石墨轉(zhuǎn)桿轉(zhuǎn)速的提高，銅液氧含量逐漸降低，當(dāng)轉(zhuǎn)速提高至一定程度后，氧含量的下降幅度變小。與此同時，隨著旋轉(zhuǎn)石墨轉(zhuǎn)桿轉(zhuǎn)速的提高，銅液攪拌的程度加大，造成銅液液面波動變大，易導(dǎo)致爐襯材料脫落，還會導(dǎo)致上引銅桿內(nèi)部產(chǎn)生石墨磷粉夾雜等缺陷。因此，合理的旋轉(zhuǎn)石墨轉(zhuǎn)桿轉(zhuǎn)速為80～120r/min。

圖4 旋轉(zhuǎn)石墨轉(zhuǎn)桿轉(zhuǎn)速與氧含量的關(guān)系示意圖Fig.4 Graphite rod rotational speed-oxygen content diagram

圖5為采用在線連續(xù)脫氧裝置時，銅液內(nèi)吹入氮氣流量與氧含量的關(guān)系示意圖。隨著銅液內(nèi)吹入氮氣流量的增加，銅液的氧含量逐漸下降，流量0.5m3/h時，氧含量3ppm;流量0.7m3/h時，氧含量2ppm。但是隨著氮氣流量的增加，氧含量降低的幅度減小，同時流量過大，造成銅液液面不穩(wěn)定，易引起上引連續(xù)鑄造過程中產(chǎn)生質(zhì)量問題。因此，合理的氮氣流量為0.4 ～0.6m3/h。

3 結(jié)論

本文介紹了在線脫氧裝置和技術(shù)在無氧銅熔煉中的應(yīng)用，采用該裝置和相應(yīng)的工藝技術(shù)參數(shù)制備了高品質(zhì)無氧銅，其氧含量≤5ppm，銅含量≥99.97%，滿足了市場對高品質(zhì)無氧銅的技術(shù)要求。

圖5 氮氣流量與氧含量的關(guān)系示意圖Fig.5 Nitrogen flow rate-oxygen content diagram

［1］徐高磊，姚幼甫，駱越峰.連續(xù)擠壓無氧銅帶制造新技術(shù)［J］.特種鑄造及有色合金，2011，31(7):648－649.

［2］駱越峰，姚幼甫，徐高磊.連續(xù)擠壓無氧銅帶制造新技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化［J］.中國有色金屬，2013(19):64－65.

［3］徐高磊，陳國權(quán)，姚幼甫.高純高導(dǎo)無氧銅棒制造新技術(shù)［J］.特種鑄造及有色合金，2014，34(5):559－560.

［4］鄧康，任忠鳴，雷作勝等.電磁脫氧－電磁連鑄法生產(chǎn)高性能無氧銅［J］.稀有金屬，2006，30(2):241－245.

［5］鐘衛(wèi)佳.銅加工技術(shù)實用手冊［D］.冶金工業(yè)出版社，2007.