貴重金屬熔煉用新型結晶器(鉻青銅坩堝)研制

時間：2023-05-01 02:51:45 論文范文我要投稿

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【摘要】傳統工藝生產的紫銅坩鍋，受熱易變形，材料浪費嚴重，使用壽命短而新研制的離心鑄造鉻青銅坩鍋，解決了以上難題，使壽命提高了一倍，從而增加了經濟效益和社會效益。

【關健詞】鉻青銅；離心鑄造；轉速；熱處理

一、前言

坩堝（結晶器）是真空電弧爐、電渣爐用于熔化貴重金屬、難熔金屬和高質量金屬鑄錠的結晶器，使用方式是將金屬制成熔化電極，通電后電極熔化于坩堝內，坩堝外部通循環水對坩堝進行冷卻，同時也對坩堝內熔化的金屬進行冷卻，形成鑄錠。

二、傳統工藝所使用的坩堝（結晶器）

之前采用坩堝是用軋制銅板圈筒焊接而成，由于坩堝內部受熱、外部受冷而且熔料時電極常出現偏心，不在坩堝中心，使坩堝受熱不均，而產生應力，坩堝制作時本身也有殘余應力，使坩堝變形，最后坩堝由于變形失效不能使用。同時使鑄錠變形車屑量增大，成品率降低，（由于熔鑄的是貴金屬）產品成本提高。這種傳統工藝的坩堝，存在的問題是：強度和硬度比較低，易變形，使用壽命短，經濟效益差。

三、新型坩堝結晶器的研制

1.選材

針對傳統坩堝存在的問題，如何解決才是關鍵的問題，經分析，產生變形的重要因素是，紫銅板卷筒的耐熱性差，而導致變形，那么，選什么樣的材料幫能滿足抗變形的需求呢？經查閱大量資料、篩選、反復比對，確定鉻青銅為制作銅坩鍋的材料，鉻青銅是在銅中加入適量的鉻金屬，并通過熱處理（固溶時效）能大大的提高材料高溫蠕變強度、硬度和剛度，因此使坩堝的熱強度、剛度、硬度增加，使抗變形能力增強，提高坩堝的使用壽命。并且金屬鉻是一個很少降低導電性和導熱性的元素，能使坩堝內的金屬液體很快通過坩堝冷卻形成鑄錠，同時也能滿足坩堝的導電性能。

2.化學成分的確定

化學成分是決定材料性能的基礎，其元素選擇和量的確定是保證產品質量的前提，坩堝即要求耐熱抗變形，同時也具有一定的導電性和導熱性，故選用鉻青銅QCr0.5，通過熱處理（固溶時效）可以滿足性能要求。

3.制定鑄造工藝

前期銅坩堝是軋制銅板卷筒焊接而成，不是一次成型焊道處形成焊接弱區，晶粒粗大使坩堝整體組織不均勻，產生較大應力，加上銅板軋制時產生的應力與之結合，使坩堝應力較大，在使用中受熱變形嚴重，直至失效，如何解決變形問題？采用鑄造方式制作銅坩堝，是最佳解決方法，因為鑄造件應力小，一次成型沒有焊接應力和加工應力，鑄造組織晶粒大相對單位面積的晶粒少，抗變能力強，因此鑄造組織不易變形。但普通鑄造組織有縮松，砂眼，裂紋等缺陷而坩堝是用在真空電弧爐上需抽真空、通冷卻水、不能有滲漏（若有滲漏水進入金屬液中會產生爆炸）只有采用離心鑄造才能滿足上述要求，因此制定離心鑄造銅坩堝工藝是制造耐熱抗變形銅坩堝關鍵技術。

（1）鉻青銅的熔煉工藝

非真空爐熔煉鉻青銅比其它銅的熔煉經驗和技術要求高、難度大，因為鉻青銅中的鉻在高溫熔煉中，如果保護不好極易氧化燒損，造成化學成分不合，因此制定詳細熔煉工藝。首先要用經過干燥的硼砂做為覆蓋劑，防止鉻金屬的氧化。

熔煉工藝：

選用中頻感應爐→加入銅料及部分干硼砂→送電熔化→當溫度1300-1350℃時加入中間合金→補加干硼砂將金屬液蓋嚴熔化當溫度到1340±10℃出爐澆入包中。

（2）離心鑄造工藝

在澆鑄之前要做好幾項準備工作：

a.首先選金屬型的材質，由于往金屬型中澆入高溫金屬液需要具有熱穩定性好、不變形的特性，因此選用鑄鐵為金屬模具的材料。金屬模具的尺寸規格則根據坩堝的大小確定。

b.涂料的選擇

在離心澆鑄之前，金屬型的內壁需要覆蓋一層涂料，選用覆膜砂做為金屬型的涂料，單邊厚度為3㎜。

c.確定金屬型的轉速

根據坩堝的材質和內徑計算離心鑄造金屬型轉速。

根據公式：離心澆注金屬型的轉數

（3）熱處理工藝

坩堝是一種結晶器，它是將熔化于坩堝內的金屬液冷卻，形成鑄錠，因此坩堝不僅要具有強度、剛度和硬度。同時還要求具有導電、導熱性能和鑄造組織，才能抗變形提高使用壽命，因此選用鑄造鉻青銅并通過熱處理、固溶和時效使其彌散強化（同時鉻元素也是很少降低導電性和導熱性的金屬）才能確保坩堝的綜合性能。

1）坩堝的固溶處理

就是通過對坩堝加熱保溫后，投入水中急冷使溶質（即金屬鉻原子）最大限度的融入以銅為基礎的晶格之內（即淬火），淬火溫度高保溫時間長易使晶粒粗大或過燒，過低則使鉻原子未能充分溶入固溶體之中使固溶效果不好。根據試驗確定淬火溫度960℃保溫時間30分鐘為宜。

即熱處理淬火（固溶）工藝：將坩堝放入電阻加熱爐中送電加熱到960°時，保溫30分鐘，投入水中快速冷卻。

2）坩鍋的時效處理

時效處理（人工時效）就是經過加溫讓高溫淬火后呈現的亞穩定狀態的過飽和固溶體發生分解，析出過剩的溶質原子彌散分布在基體上，起到阻礙滑移和晶粒漲大的作用，從而使合金強化和耐高溫。在析出沉淀相的同時固溶體貧化，電阻率隨之下降、導電、導熱性能提高，使材料具有較好的綜合性能，時效溫度和保溫時間是決定性能的重要參數。（當溫度480℃時時間長短對性能的影響）

根據試驗數據在時效溫度一定時，時效時間過長會使晶粒粗大，強度和硬度下降，時間短，二次相沒有完全析出，導電率和硬度都比較低，同時應力也不能完全消除，影響坩堝的質量。當溫度在480℃，時效時間在4～5小時之間，綜合性能較好，鉻青銅是我單位常規產品，淬火溫度和時效溫度可借鑒。

4.按圖紙要求機械加工后，打壓檢驗，壓力大于0.3MPa無滲漏視為合格品。

四、創新點，關健技術

1.創新點一　　就是根據鑄造件比軋制板應力小，鑄造坩堝是整體沒有焊接應力，單位面積晶粒少抗變形的能力強的特點，用鑄造方式制作銅坩堝，但還要克服鑄件裂紋、夾渣、縮松等常有鑄造缺陷，并且要打壓大于0.3MPa，不滲漏，只有實現上述技術條件才能滿足坩堝使用要求，只有采用離心鑄造方法制作坩堝，才能實現坩堝抗變形的技術要求，這就是研制的創新點。

2.創新點二

坩堝選用耐熱鉻青銅，該材料可以通過淬火固溶時效提高材料的強度、剛度和硬度，同時鉻元素也是很少降低導熱、導電性能的金屬，因此保證了坩堝綜合性能。

3.關健技術一

制定科學離心鑄造工藝，實現技術創新點就是解決關鍵技術，離心鑄造坩堝的關鍵環節就是轉速（即離心力大小）轉速低鑄件組織縮松，打壓出現滲透，轉速高離心力大會使剛凝固的鑄件外殼由于強度較低受內部未凝固金屬離心力壓力將外殼壓裂，鑄件產生裂紋報廢。選擇轉速時根據公式：

4.關健技術二

選用鉻青銅做為坩堝的材料，用離心鑄造的方法制作。對其進行熱處理，固溶時效，將坩堝通過電爐加熱960℃，保溫30分鐘淬火，用480℃保溫，4.5小時時效，使材料的耐熱強度、硬度、導電性等綜合性能優良，同時與鑄造件應力小，不易變形的特性結合在一起，實現了耐熱、抗變形銅坩堝的研制目的。

五、主要性能指標的對比

從列表3比較：離心鑄造鉻青銅坩堝比銅板焊接坩堝應力小，強度和硬度高、導電率有所下降，綜合性能優越于焊接坩堝。因此離心鑄造坩堝具有耐熱抗變形的特點，使坩堝使用壽命增加一倍以上，同時提高了熔化金屬材料成品率。

六、結論

1.上述研制結論：選用離心鑄造工藝和鉻青銅材進行熱處理制作坩堝，完全能夠滿足坩堝耐熱抗變形的性能要求，其性能綜合指標優于同類產品。

2.該坩堝完全可以代替紫銅焊接坩鍋并有廣泛的市場。

3.適用真空電弧爐、電渣爐等熔鑄設備。