復(fù)雜銅原料生產(chǎn)高品質(zhì)黃銅技術(shù)與應(yīng)用

梅 偉，李文針

（江西銅業(yè)集團(tuán)銅板帶有限公司，江西 南昌 330000）

1 引言

在Cu-Zn系黃銅中，H65黃銅是具有應(yīng)用價(jià)值的黃銅之一，具有良好的硬度、塑性、導(dǎo)電性、延展性等，具有明亮的金屬光澤，且具有較好的加工和成形性，廣泛應(yīng)用于電子器件、視頻接口、拉伸制品、服裝紐扣、汽車散熱器等領(lǐng)域。因此，市場(chǎng)對(duì)H65合金帶的需求量較大，僅在珠江三角洲地區(qū)的深圳、東莞等地月均需求量都在3000t以上。近年來，越來越多的企業(yè)更加重視H65合金在接插件及沖壓件等領(lǐng)域的應(yīng)用，并盡可能使用價(jià)格相對(duì)較低的銅基合金如H65合金替代原來使用的錫磷青銅制造儀表開關(guān)、接插端子等元器件［1］。

目前國(guó)內(nèi)黃銅生產(chǎn)廠家仍然主要以電解銅板作為原材料，銅價(jià)上漲使生產(chǎn)成本越來越高。在此背景下，如何充分利用復(fù)雜銅原料進(jìn)行生產(chǎn)并獲得質(zhì)量?jī)?yōu)良的黃銅材料成為新的研究方向。我國(guó)雜銅原料市場(chǎng)廣闊，需求量大，且尚未制定詳細(xì)的分類標(biāo)準(zhǔn)，具有成分波動(dòng)大、雜質(zhì)含量高等特點(diǎn)。因此，急需開發(fā)針對(duì)這類“多組元、高雜質(zhì)”復(fù)雜銅原料的熔煉、凈化及鑄造技術(shù)。北京科技大學(xué)專家團(tuán)隊(duì)發(fā)明了廢雜黃銅熔煉制備易切削黃銅用除鐵精煉劑，實(shí)現(xiàn)了保鋅除雜和黃銅成分精確控制；寧波金田銅業(yè)集團(tuán)公司開發(fā)了用黃雜銅生產(chǎn)黃銅棒的高效加工技術(shù)與設(shè)備；江蘇亨通精工金屬材料有限公司研究了復(fù)雜銅原料生產(chǎn)高品質(zhì)光亮銅桿的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用，生產(chǎn)出了高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)質(zhì)銅桿。

本文重點(diǎn)討論在環(huán)境不被污染的前提下，以復(fù)雜銅為主要原料，經(jīng)分揀、除雜、凈化、打包、熔煉、鑄造等關(guān)鍵工藝再生成高品質(zhì)黃銅。與常規(guī)電解銅的電能熱能的大量使用造成的資源浪費(fèi)相比，將復(fù)雜銅原料作為再生資源直接利用，可減少?gòu)?fù)雜銅原料再次精煉的環(huán)節(jié)，使產(chǎn)品具有較高的性價(jià)比。

2 復(fù)雜銅原料熔鑄工藝

復(fù)雜銅原料生產(chǎn)高品質(zhì)黃銅的工藝流程如下:除氣清渣劑→黃銅舊料→熔化（指針擺動(dòng)但未噴火）→攪拌撈渣→成分分析、調(diào)整→升溫（指針擺動(dòng)但未噴火）→靜置→轉(zhuǎn)爐→退火→剪切→成品［2］。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

復(fù)雜銅原料通常是由多種雜質(zhì)金屬及非金屬等組成的混合體，要想將其加工成為高品質(zhì)的黃銅，首先需要進(jìn)行烘干處理去除混合物中的水分，再去除其中的非金屬雜質(zhì)，防止高溫下產(chǎn)生刺激性氣體，對(duì)員工身體以及環(huán)境造成危害，然后，將原料中金屬雜質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)化去除，最終進(jìn)行生產(chǎn)制備成品［3］。

3.1 H65熔鑄工藝

3.1.1 熔化工藝

（1） 加料順序 ：

紫銅原料生產(chǎn)時(shí)的加料順序：除氣清渣劑→鋅錠→電銅或紫銅舊料→熔化（指針擺動(dòng)但未噴火）→攪拌撈渣→成分分析、調(diào)整→升溫（指針擺動(dòng)）→靜置→轉(zhuǎn)爐。

黃銅原料生產(chǎn)時(shí)的加料順序：除氣清渣劑→黃銅舊料→熔化（指針擺動(dòng)但未噴火）→攪拌撈渣→成分分析、調(diào)整→升溫（指針擺動(dòng)但未噴火）→靜置→轉(zhuǎn)爐。

（2） 除氣清渣劑添加要求：加料前，在熔化爐內(nèi)添加3kg。轉(zhuǎn)爐前，在保溫爐內(nèi)添加1kg。

（3） 轉(zhuǎn)爐溫度控制：指針擺動(dòng)后（但未噴火）,靜置2～3min轉(zhuǎn)爐。

（4） 熔體覆蓋：熔化爐和保溫爐采用氧化鋅覆蓋，厚度30～50mm。

（5） 保溫爐液面高度控制：按覆蓋劑表層距爐殼頂板間的距離進(jìn)行控制。轉(zhuǎn)爐前，液面高度應(yīng)控制在680～700mm；轉(zhuǎn)爐后，液面高度應(yīng)控制在330～340mm［4］。

3.1.2 鑄造工藝

鑄造工藝參數(shù)見表1。

表1 鑄造工藝表

3.2 加入稀土元素提純黃銅

稀土元素在全世界軍工等重要行業(yè)的應(yīng)用十分廣泛，是重要的戰(zhàn)略性物資。適量稀土元素的加入可以細(xì)化晶粒，使金屬組織更加致密，且擁有更加良好的沖擊韌性，在應(yīng)用中不會(huì)輕易產(chǎn)生裂紋。但稀土加入過量會(huì)使黃銅中產(chǎn)生新的雜質(zhì)，第二相析出，造成晶粒粗大，降低材料的使用性能。因此在使用復(fù)雜銅原料時(shí)添加含鑭、鈰等微量稀土元素到銅熔液中時(shí)，加入控制量在1～2 kg/t，并根據(jù)黃銅的最終用途適當(dāng)調(diào)整加入量。另外，準(zhǔn)確測(cè)量稀土添加劑，制成塊狀物加入并攪拌、靜置，利用稀土的除雜、變質(zhì)和合金化的作用，能有效去除復(fù)雜銅原料中其他雜質(zhì)，得到純凈的黃銅［5］。

3.3 雜質(zhì)對(duì)加工工藝產(chǎn)品質(zhì)量的影響

復(fù)雜銅原料的雜質(zhì)元素含量遠(yuǎn)高于電解銅。在廢銅絲中，一般會(huì)混合一些鋁細(xì)絲，鋁的去除難度也比較大。鋁元素易氧化特性雖然可以防止銅原料中的銅被氧化，但是鋁元素的增加，使黃銅中銅鋅合金中添加進(jìn)了新的元素，使黃銅原有的力學(xué)性能發(fā)生了變化，造成了使用期間的不確定性［6］。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)，得出一種優(yōu)良的除鋁試劑，其成分如下: 硼酸鈉25%～30%、硅粉25%～35%、碳酸鈣25%～40%、活性炭粉10%～20%、活性炭粒度20目，其他原料的粒度100～150目。

利用該試劑生成的廢料蓬松質(zhì)量輕，含銅量較低，再生黃銅中鋁含量明顯降低，含量在0.015%以內(nèi)，并且制備和使用都符合產(chǎn)品要求，使用效果良好。

4 除渣除氣

使用除氣清渣劑對(duì)熔體進(jìn)行除氣、清渣精煉時(shí)，因?yàn)榧哟罅藦?fù)雜銅原料的比例，在已有的投放標(biāo)準(zhǔn)（熔化爐1包、保溫爐1包）基礎(chǔ)上，熔化爐加大到2包，保溫爐不變。除了鐵、鉛、鎳外，鋁、硅等雜質(zhì)元素也可能存在其中，雖然其含量滿足國(guó)標(biāo)要求，但上述這些元素大都能與銅固溶，對(duì)鑄造或后續(xù)性能造成影響。

清渣劑中的物質(zhì)蒸汽壓高，并隨著熔煉溫度的升高而增高。當(dāng)接近自身沸點(diǎn)（1020℃），蒸汽壓超過大氣壓時(shí)，會(huì)有蒸汽泡逸出，由于銅合金液的沸騰和蒸汽泡逸出的攪動(dòng)作用，使溶解在銅合金液中的氣體排出。而清渣劑中所含物質(zhì)能與主要雜質(zhì)元素的氧化物發(fā)生反應(yīng)，生成低熔點(diǎn)、低比重的復(fù)鹽，受表面張力與氣泡的作用而上升到銅液表面，又能起到覆蓋銅液作用，防止二次吸氧。化學(xué)反應(yīng)式如下：

清渣劑中主要元素成分見表2。

表2 清渣劑中元素化學(xué)成分

除氣清渣之后，產(chǎn)生的黃銅固體渣中含銅量有所減少（見圖1至圖4），在降低損耗的同時(shí)，還有助于清除爐壁掛渣、爐子縮口現(xiàn)象，從而提高熔銅效率。

圖1 渣體含銅（1包）

圖2 渣體含銅（2包）

圖3 精煉效果（保溫）

圖4 精煉效果（熔化）

上述工藝研究產(chǎn)業(yè)化之后，項(xiàng)目組對(duì)提供給客戶的H65產(chǎn)品的后續(xù)使用情況進(jìn)行了跟蹤統(tǒng)計(jì)。2016年4月至2016年5月，市場(chǎng)反饋良好，證明使用復(fù)雜原料生產(chǎn)的H65合金帶材能夠滿足客戶使用要求，達(dá)到了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的目標(biāo)。

5 結(jié)論

（1）同樣的復(fù)雜銅原料采用不同的除雜試劑、提純方法，可得到不同性能的高質(zhì)量黃銅合金。

（2）通過對(duì)覆蓋劑和精煉劑的優(yōu)選和研究，優(yōu)化添加方式，將原料雜質(zhì)進(jìn)行有效去除，嚴(yán)格控制鋁鉛雜質(zhì)含量，可產(chǎn)生性能優(yōu)異的高質(zhì)量銅合金。

（3）利用變頻控制以及高溫?zé)煔馓幚硇录夹g(shù)，在不同的熔煉階段提供不同的風(fēng)力，既能確保廢雜銅熔煉過程的煙(粉)塵濃度和二氧化硫濃度排放達(dá)到《工業(yè)爐窯大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 9078—1996）10二級(jí)要求，又能在實(shí)際生產(chǎn)中降低電耗。