贵重金属熔炼用新型结晶器(铬青铜坩埚)研制

时间：2023-05-01 02:51:45 论文范文我要投稿

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【摘要】传统工艺生产的紫铜坩锅，受热易变形，材料浪费严重，使用寿命短而新研制的离心铸造铬青铜坩锅，解决了以上难题，使寿命提高了一倍，从而增加了经济效益和社会效益。

【关健词】铬青铜；离心铸造；转速；热处理

一、前言

坩埚（结晶器）是真空电弧炉、电渣炉用于熔化贵重金属、难熔金属和高质量金属铸锭的结晶器，使用方式是将金属制成熔化电极，通电后电极熔化于坩埚内，坩埚外部通循环水对坩埚进行冷却，同时也对坩埚内熔化的金属进行冷却，形成铸锭。

二、传统工艺所使用的坩埚（结晶器）

之前采用坩埚是用轧制铜板圈筒焊接而成，由于坩埚内部受热、外部受冷而且熔料时电极常出现偏心，不在坩埚中心，使坩埚受热不均，而产生应力，坩埚制作时本身也有残余应力，使坩埚变形，最后坩埚由于变形失效不能使用。同时使铸锭变形车屑量增大，成品率降低，（由于熔铸的是贵金属）产品成本提高。这种传统工艺的坩埚，存在的问题是：强度和硬度比较低，易变形，使用寿命短，经济效益差。

三、新型坩埚结晶器的研制

1.选材

针对传统坩埚存在的问题，如何解决才是关键的问题，经分析，产生变形的重要因素是，紫铜板卷筒的耐热性差，而导致变形，那么，选什么样的材料帮能满足抗变形的需求呢？经查阅大量资料、筛选、反复比对，确定铬青铜为制作铜坩锅的材料，铬青铜是在铜中加入适量的铬金属，并通过热处理（固溶时效）能大大的提高材料高温蠕变强度、硬度和刚度，因此使坩埚的热强度、刚度、硬度增加，使抗变形能力增强，提高坩埚的使用寿命。并且金属铬是一个很少降低导电性和导热性的元素，能使坩埚内的金属液体很快通过坩埚冷却形成铸锭，同时也能满足坩埚的导电性能。

2.化学成分的确定

化学成分是决定材料性能的基础，其元素选择和量的确定是保证产品质量的前提，坩埚即要求耐热抗变形，同时也具有一定的导电性和导热性，故选用铬青铜QCr0.5，通过热处理（固溶时效）可以满足性能要求。

3.制定铸造工艺

前期铜坩埚是轧制铜板卷筒焊接而成，不是一次成型焊道处形成焊接弱区，晶粒粗大使坩埚整体组织不均匀，产生较大应力，加上铜板轧制时产生的应力与之结合，使坩埚应力较大，在使用中受热变形严重，直至失效，如何解决变形问题？采用铸造方式制作铜坩埚，是最佳解决方法，因为铸造件应力小，一次成型没有焊接应力和加工应力，铸造组织晶粒大相对单位面积的晶粒少，抗变能力强，因此铸造组织不易变形。但普通铸造组织有缩松，砂眼，裂纹等缺陷而坩埚是用在真空电弧炉上需抽真空、通冷却水、不能有渗漏（若有渗漏水进入金属液中会产生爆炸）只有采用离心铸造才能满足上述要求，因此制定离心铸造铜坩埚工艺是制造耐热抗变形铜坩埚关键技术。

（1）铬青铜的熔炼工艺

非真空炉熔炼鉻青铜比其它铜的熔炼经验和技术要求高、难度大，因为铬青铜中的铬在高温熔炼中，如果保护不好极易氧化烧损，造成化学成分不合，因此制定详细熔炼工艺。首先要用经过干燥的硼砂做为覆盖剂，防止铬金属的氧化。

熔炼工艺：

选用中频感应炉→加入铜料及部分干硼砂→送电熔化→当温度1300-1350℃时加入中间合金→补加干硼砂将金属液盖严熔化当温度到1340±10℃出炉浇入包中。

（2）离心铸造工艺

在浇铸之前要做好几项准备工作：

a.首先选金属型的材质，由于往金属型中浇入高温金属液需要具有热稳定性好、不变形的特性，因此选用铸铁为金属模具的材料。金属模具的尺寸规格则根据坩埚的大小确定。

b.涂料的选择

在离心浇铸之前，金属型的内壁需要覆盖一层涂料，选用覆膜砂做为金属型的涂料，单边厚度为3㎜。

c.确定金属型的转速

根据坩埚的材质和内径计算离心铸造金属型转速。

根据公式：离心浇注金属型的转数

（3）热处理工艺

坩埚是一种结晶器，它是将熔化于坩埚内的金属液冷却，形成铸锭，因此坩埚不仅要具有强度、刚度和硬度。同时还要求具有导电、导热性能和铸造组织，才能抗变形提高使用寿命，因此选用铸造铬青铜并通过热处理、固溶和时效使其弥散强化（同时铬元素也是很少降低导电性和导热性的金属）才能确保坩埚的综合性能。

1）坩埚的固溶处理

就是通过对坩埚加热保温后，投入水中急冷使溶质（即金属铬原子）最大限度的融入以铜为基础的晶格之内（即淬火），淬火温度高保温时间长易使晶粒粗大或过烧，过低则使鉻原子未能充分溶入固溶体之中使固溶效果不好。根据试验确定淬火温度960℃保温时间30分钟为宜。

即热处理淬火（固溶）工艺：将坩埚放入电阻加热炉中送电加热到960°时，保温30分钟，投入水中快速冷却。

2）坩锅的时效处理

时效处理（人工时效）就是经过加温让高温淬火后呈现的亚稳定状态的过饱和固溶体发生分解，析出过剩的溶质原子弥散分布在基体上，起到阻碍滑移和晶粒涨大的作用，从而使合金强化和耐高温。在析出沉淀相的同时固溶体贫化，电阻率随之下降、导电、导热性能提高，使材料具有较好的综合性能，时效温度和保温时间是决定性能的重要参数。（当温度480℃时时间长短对性能的影响）

根据试验数据在时效温度一定时，时效时间过长会使晶粒粗大，强度和硬度下降，时间短，二次相没有完全析出，导电率和硬度都比较低，同时应力也不能完全消除，影响坩埚的质量。当温度在480℃，时效时间在4～5小时之间，综合性能较好，铬青铜是我单位常规产品，淬火温度和时效温度可借鉴。

4.按图纸要求机械加工后，打压检验，压力大于0.3MPa无渗漏视为合格品。

四、创新点，关健技术

1.创新点一　　就是根据铸造件比轧制板应力小，铸造坩埚是整体没有焊接应力，单位面积晶粒少抗变形的能力强的特点，用铸造方式制作铜坩埚，但还要克服铸件裂纹、夹渣、缩松等常有铸造缺陷，并且要打压大于0.3MPa，不渗漏，只有实现上述技术条件才能满足坩埚使用要求，只有采用离心铸造方法制作坩埚，才能实现坩埚抗变形的技术要求，这就是研制的创新点。

2.创新点二

坩埚选用耐热铬青铜，该材料可以通过淬火固溶时效提高材料的强度、刚度和硬度，同时铬元素也是很少降低导热、导电性能的金属，因此保证了坩埚综合性能。

3.关健技术一

制定科学离心铸造工艺，实现技术创新点就是解决关键技术，离心铸造坩埚的关键环节就是转速（即离心力大小）转速低铸件组织缩松，打压出现渗透，转速高离心力大会使刚凝固的铸件外壳由于强度较低受内部未凝固金属离心力压力将外壳压裂，铸件产生裂纹报废。选择转速时根据公式：

4.关健技术二

选用铬青铜做为坩埚的材料，用离心铸造的方法制作。对其进行热处理，固溶时效，将坩埚通过电炉加热960℃，保温30分钟淬火，用480℃保温，4.5小时时效，使材料的耐热强度、硬度、导电性等综合性能优良，同时与铸造件应力小，不易变形的特性结合在一起，实现了耐热、抗变形铜坩埚的研制目的。

五、主要性能指标的对比

从列表3比较：离心铸造铬青铜坩埚比铜板焊接坩埚应力小，强度和硬度高、导电率有所下降，综合性能优越于焊接坩埚。因此离心铸造坩埚具有耐热抗变形的特点，使坩埚使用寿命增加一倍以上，同时提高了熔化金属材料成品率。

六、结论

1.上述研制结论：选用离心铸造工艺和铬青铜材进行热处理制作坩埚，完全能够满足坩埚耐热抗变形的性能要求，其性能综合指标优于同类产品。

2.该坩埚完全可以代替紫铜焊接坩锅并有广泛的市场。

3.适用真空电弧炉、电渣炉等熔铸设备。