貴重金屬熔煉用新型結(jié)晶器（鉻青銅坩堝）研制

【摘要】傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的紫銅坩鍋，受熱易變形，材料浪費(fèi)嚴(yán)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(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

【關(guān)健詞】鉻青銅；離心鑄造；轉(zhuǎn)速；熱處理

一、前言

坩堝（結(jié)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(zhì)量金屬鑄錠的結(jié)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(nèi)，坩堝外部通循環(huán)水對(duì)坩堝進(jìn)行冷卻，同時(shí)也對(duì)坩堝內(nèi)熔化的金屬進(jìn)行冷卻，形成鑄錠。

二、傳統(tǒng)工藝所使用的坩堝（結(jié)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(nèi)部受熱、外部受冷而且熔料時(shí)電極常出現(xiàn)偏心，不在坩堝中心，使坩堝受熱不均，而產(chǎn)生應(yīng)力，坩堝制作時(shí)本身也有殘余應(yīng)力，使坩堝變形，最后坩堝由于變形失效不能使用。同時(shí)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(chǎn)品成本提高。這種傳統(tǒng)工藝的坩堝，存在的問題是：強(qiáng)度和硬度比較低，易變形，使用壽命短，經(jīng)濟(jì)效益差。

三、新型坩堝結(jié)晶器的研制

1.選材

針對(duì)傳統(tǒng)坩堝存在的問題，如何解決才是關(guān)鍵的問題，經(jīng)分析，產(chǎn)生變形的重要因素是，紫銅板卷筒的耐熱性差，而導(dǎo)致變形，那么，選什么樣的材料幫能滿足抗變形的需求呢？經(jīng)查閱大量資料、篩選、反復(fù)比對(duì)，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(shí)效）能大大的提高材料高溫蠕變強(qiáng)度、硬度和剛度，因此使坩堝的熱強(qiáng)度、剛度、硬度增加，使抗變形能力增強(qiáng)，提高坩堝的使用壽命。并且金屬鉻是一個(gè)很少降低導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性的元素，能使坩堝內(nèi)的金屬液體很快通過坩堝冷卻形成鑄錠，同時(shí)也能滿足坩堝的導(dǎo)電性能。

2.化學(xué)成分的確定

化學(xué)成分是決定材料性能的基礎(chǔ)，其元素選擇和量的確定是保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提，坩堝即要求耐熱抗變形，同時(shí)也具有一定的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，故選用鉻青銅QCr0.5，通過熱處理（固溶時(shí)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(qū)，晶粒粗大使坩堝整體組織不均勻，產(chǎn)生較大應(yīng)力，加上銅板軋制時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力與之結(jié)合，使坩堝應(yīng)力較大，在使用中受熱變形嚴(yán)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?yàn)殍T造件應(yīng)力小，一次成型沒有焊接應(yīng)力和加工應(yīng)力，鑄造組織晶粒大相對(duì)單位面積的晶粒少，抗變能力強(qiáng)，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(jìn)入金屬液中會(huì)產(chǎn)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(guān)鍵技術(shù)。

（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(jīng)驗(yàn)和技術(shù)要求高、難度大，因?yàn)殂t青銅中的鉻在高溫熔煉中，如果保護(hù)不好極易氧化燒損，造成化學(xué)成分不合，因此制定詳細(xì)熔煉工藝。首先要用經(jīng)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(yīng)爐→加入銅料及部分干硼砂→送電熔化→當(dāng)溫度1300-1350℃時(shí)加入中間合金→補(bǔ)加干硼砂將金屬液蓋嚴(yán)熔化當(dāng)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(xiàng)準(zhǔn)備工作：

a.首先選金屬型的材質(zhì)，由于往金屬型中澆入高溫金屬液需要具有熱穩(wěn)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(guī)格則根據(jù)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(nèi)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(zhuǎn)速

根據(jù)坩堝的材質(zhì)和內(nèi)徑計(jì)算離心鑄造金屬型轉(zhuǎn)速。

根據(jù)公式：離心澆注金屬型的轉(zhuǎn)數(shù)

（3）熱處理工藝

坩堝是一種結(jié)晶器，它是將熔化于坩堝內(nèi)的金屬液冷卻，形成鑄錠，因此坩堝不僅要具有強(qiáng)度、剛度和硬度。同時(shí)還要求具有導(dǎo)電、導(dǎo)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(shí)效使其彌散強(qiáng)化（同時(shí)鉻元素也是很少降低導(dǎo)電性和導(dǎo)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(duì)坩堝加熱保溫后，投入水中急冷使溶質(zhì)（即金屬鉻原子）最大限度的融入以銅為基礎(chǔ)的晶格之內(nèi)（即淬火），淬火溫度高保溫時(shí)間長(zhǎng)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(jù)試驗(yàn)確定淬火溫度960℃保溫時(shí)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(shí)，保溫30分鐘，投入水中快速冷卻。

2）坩鍋的時(shí)效處理

時(shí)效處理（人工時(shí)效）就是經(jīng)過加溫讓高溫淬火后呈現(xiàn)的亞穩(wěn)定狀態(tài)的過飽和固溶體發(fā)生分解，析出過剩的溶質(zhì)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(qiáng)化和耐高溫。在析出沉淀相的同時(shí)固溶體貧化，電阻率隨之下降、導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能提高，使材料具有較好的綜合性能，時(shí)效溫度和保溫時(shí)間是決定性能的重要參數(shù)。（當(dāng)溫度480℃時(shí)時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)性能的影響）

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)在時(shí)效溫度一定時(shí)，時(shí)效時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)使晶粒粗大，強(qiáng)度和硬度下降，時(shí)間短，二次相沒有完全析出，導(dǎo)電率和硬度都比較低，同時(shí)應(yīng)力也不能完全消除，影響坩堝的質(zhì)量。當(dāng)溫度在480℃，時(shí)效時(shí)間在4～5小時(shí)之間，綜合性能較好，鉻青銅是我單位常規(guī)產(chǎn)品，淬火溫度和時(shí)效溫度可借鑒。

4.按圖紙要求機(jī)械加工后，打壓檢驗(yàn)，壓力大于0.3MPa無(wú)滲漏視為合格品。

四、創(chuàng)新點(diǎn)，關(guān)健技術(shù)

1.創(chuàng)新點(diǎn)一

就是根據(jù)鑄造件比軋制板應(yīng)力小，鑄造坩堝是整體沒有焊接應(yīng)力，單位面積晶粒少抗變形的能力強(qiáng)的特點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)上述技術(shù)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(shí)現(xiàn)坩堝抗變形的技術(shù)要求，這就是研制的創(chuàng)新點(diǎn)。

2.創(chuàng)新點(diǎn)二

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

3.關(guān)健技術(shù)一

制定科學(xué)離心鑄造工藝，實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)就是解決關(guān)鍵技術(shù)，離心鑄造坩堝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是轉(zhuǎn)速（即離心力大小）轉(zhuǎn)速低鑄件組織縮松，打壓出現(xiàn)滲透，轉(zhuǎn)速高離心力大會(huì)使剛凝固的鑄件外殼由于強(qiáng)度較低受內(nèi)部未凝固金屬離心力壓力將外殼壓裂，鑄件產(chǎn)生裂紋報(bào)廢。選擇轉(zhuǎn)速時(shí)根據(jù)公式：

4.關(guān)健技術(shù)二

選用鉻青銅做為坩堝的材料，用離心鑄造的方法制作。對(duì)其進(jìn)行熱處理，固溶時(shí)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(shí)時(shí)效，使材料的耐熱強(qiáng)度、硬度、導(dǎo)電性等綜合性能優(yōu)良，同時(shí)與鑄造件應(yīng)力小，不易變形的特性結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了耐熱、抗變形銅坩堝的研制目的。

五、主要性能指標(biāo)的對(duì)比

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

六、結(jié)論

1.上述研制結(jié)論：選用離心鑄造工藝和鉻青銅材進(jìn)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(biāo)優(yōu)于同類產(chǎn)品。

2.該坩堝完全可以代替紫銅焊接坩鍋并有廣泛的市場(chǎng)。

3.適用真空電弧爐、電渣爐等熔鑄設(shè)備。

4.由于該坩堝使用壽命延長(zhǎng)，降低了生產(chǎn)成本，增加了經(jīng)濟(jì)效益。

5.從減少銅資源的使用和浪費(fèi)來看，對(duì)節(jié)能減排也具有一定的社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]羅繼相，王志海.金屬工業(yè)學(xué)[M].武漢理工大學(xué)出版社，2010.

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