一种铝热还原-熔渣精炼制备CuCr合金铸锭的方法

摘要

一种铝热还原-熔渣精炼制备CuCr合金铸锭的方法，属于冶金技术领域，按以下步骤进行：（1）将CuO粉、Cr2O3粉和Al粉制成混合物料；加入造渣剂，放入反应器内，放上金属镁粉，在电磁场作用下明火引燃，得到高温熔体；（2）在电磁场作用下进行金渣熔炼分离，将还原熔炼渣放掉总量的50~70%，获得熔炼高温熔体；（3）加入预熔渣，在电磁场作用下进行精炼除杂，同时采用底吹喷粉的方式，喷吹脱氧剂和铜粉；除去精炼渣，获得精炼合金熔体；（4）强制水冷，至精炼合金熔体冷却至室温，去渣抽锭。本发明的方法不但可以制备大尺寸均质致密的铜铬合金铸锭，而且能制备CuCr5~CuCr70等系列的铜铬合金，所有的操作均是在大气气氛中进行的，操作简单，对工艺条件要求低。

权利要求

1.一种铝热还原-熔渣精炼制备CuCr合金铸锭的方法，其特征在于按以下步骤进行：（1）铝热还原：

将CuO粉、Cr2O3粉和Al粉按质量比100:（10~275）:（30~120）配料，获得混合物料；向混合物料中加入造渣剂CaO，CaO占混合物料总重量的2~5%，将全部物料混合均匀后制成待还原物料；将待还原物料放入反应器内，并在待还原物料表层放上金属镁粉，在电磁场作用下将金属镁粉直接明火引燃，引发铝热还原反应，得到由铜铬合金熔体和熔融态Al2O3-CaO还原渣组成的高温熔体；

（2）电磁场作用下感应熔炼：

将高温熔体在电磁场作用下进行金渣熔炼分离，熔炼温度为1900~2000℃，熔炼时间为

1~5min，上层形成还原熔渣，下层形成铜铬合金熔体；熔炼分离结束后将上层的还原熔炼渣放掉总体积的50~70%，获得熔炼高温熔体，熔炼高温熔体的上层为剩余还原熔渣，下层为铜铬合金熔体；

（3）电磁场作用下熔渣精炼：

向熔炼高温熔体中加入预熔渣，在电磁场作用下进行精炼除杂，预熔渣加入量为熔炼高温熔体中剩余还原熔渣重量的0.5~1倍，精炼温度为1400~2000℃，精炼时间5~30min；

同时在熔渣精炼过程中，采用底吹喷粉的方式，通过惰性气体携带向熔炼高温熔体中喷吹脱氧剂和铜粉；精炼完成后除去精炼渣，获得精炼合金熔体；铜粉的用量按最终获得的CuCr合金铸锭中Cu的质量分数为30~95%；

（4）精炼合金熔体的快速凝固：

精炼除杂后，停止施加电磁场并将反应器强制水冷，至精炼合金熔体冷却至室温，再去渣抽锭制成CuCr合金铸锭。

2.根据权利要求1所述的一种铝热还原-熔渣精炼制备CuCr合金铸锭的方法，其特征在于所述的CuCr合金铸锭的直径Φ50~120mm。

3.根据权利要求1所述的一种铝热还原-熔渣精炼制备CuCr合金铸锭的方法，其特征在于所述的预熔渣为CaF2-CaO二元渣或CaF2- Na3AlF6二元渣，预熔渣中CaF2的质量分数为50~70%。

4.根据权利要求1所述的一种铝热还原-熔渣精炼制备CuCr合金铸锭的方法，其特征在于所述的脱氧剂为金属钙粉或金属镁粉，用量为铜铬合金熔体总重量的0.1~0.5%。

说明书

一种铝热还原-熔渣精炼制备CuCr合金铸锭的方法

技术领域

[0001] 本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种铝热还原-熔渣精炼制备CuCr合金铸锭的方法。

背景技术

[0002] 近年来随着大功率真空高压开关技术的发展，CuCr合金因具有大的分断电流能力、高的耐电压强度等优点已逐渐取代了传统的W-Cu、Cu-Bi系列的合金触头材料，广泛应用于中高压大功率真空开关电路中。随着超高压输电的发展，如何制备均质大尺寸CuCr合金铸锭已成为制约铜铬合金出头材料应用的关键。

[0003] CuCr合金属于难混溶偏晶合金，无法采用普通的熔炼方法制备CuCr合金，因此，世界各国都把开发CuCr合金的制备工艺和技术放在首位。现有的粉末烧结法、熔渗法等制备CuCr合金存在生产效率低、合金致密度差等缺陷；真空自耗重熔法可以制备出高致密度合金铸锭，但是工艺复杂，生产成本高。申请号200910191267.2的专利申请提出先采用真空感应熔炼或真空非自耗得到合金预制锭，然后在高纯氩气保护下进行悬浮熔炼，最后快速凝固制备出低夹杂高性能CuCr合金铸锭。申请号96114678.8和200310105130.3的专利申请提出将铜、铬金属压制成自耗电极棒，然后进行电渣重熔制备出CuCr合金触头材料。但是以上两种制备工艺均采用高纯金属粉末为原料，前者的自耗电极棒采用烧结工艺制备而成，后者采用真空感应炉熔炼制备而成，不但工艺复杂，而且生产成本很高。申请号200910022306.6的专利申请提出了机械合金化法制备CuCr合金触头材料，首先将块体铬和块体镍等烧结在氩气保护下采用真空电弧或真空感应熔炼法制备成合金锭，然后在氩气保护下球磨成合金粉末，并与铜粉混合压制成锭烧结得到CuCr合金铸锭。申请号200810184481.0和201210240150.0的专利申请提出了以氧化物为原料，采用铝热还原法制备铜铁基偏晶合金的思路，由于铝热还原过程属于快速强放热反应过程，且冷却过程中温度梯度大，冷却速率快，因此得到的合金成分波动大，合金中夹杂物含量高，宏观偏析严重。

[0004] 张廷安、豆志河等在申请号200510047309.7的专利申请中提出以氧化物为原料采用铝热还原-电磁铸造法制备大尺寸均质铜铬合金出头材料，实现了大尺寸铜铬合金触头材料的制备；但是制备的合金铸锭中存在夹杂物高、气孔缺陷多等质量问题。张廷安等在申请号200710011613.5以及200510047309.7的专利申请公开的工艺基础上，进一步提出采用电渣重熔精炼，解决了铝热还原-电磁铸造法制备的铜铬合金存在的夹杂物高、气孔缺陷多等质量问题，制备出均质大尺寸的铜铬合金铸锭，但是合金成分波动大的缺点仍未解决，且工艺流程较长，操作复杂。

发明内容

[0005] 针对现有大尺寸均质的CuCr合金铸锭在制备技术上存在的上述不足，本发明提供一种铝热还原-熔渣精炼制备CuCr合金铸锭的方法，通过将Cu和Cr的氧化物与Al进行铝热还原，然后电磁金渣熔炼，再用预熔渣精炼除杂，并进行脱氧精炼和成分调整，最后快速凝固制成大尺寸均质CuCr合金铸锭，简化操作并降低成本的同时，达到阻止成分偏析、保证大尺寸均质CuCr合金铸锭的纯度。

[0006] 本发明的铝热还原-熔渣精炼制备CuCr合金铸锭的方法按以下步骤进行：

[0007] 1、铝热还原：

[0008] 将CuO粉、Cr2O3粉和Al粉按质量比100:（10~275）:（30~120）配料，获得混合物料；向混合物料中加入造渣剂CaO，CaO占混合物料总重量的2~5%，将全部物料混合均匀后制成待还原物料；将待还原物料放入反应器内，并在待还原物料表层放上金属镁粉，在电磁场作用下将金属镁粉直接明火引燃，引发铝热还原反应，得到由铜铬合金熔体和熔融态Al2O3-CaO还原渣组成的高温熔体；

[0009] 2、电磁场作用下感应熔炼：

[0010] 将高温熔体在电磁场作用下进行金渣熔炼分离，熔炼温度为1900~2000℃，熔炼时间为1~5min，上层形成还原熔渣，下层形成铜铬合金熔体；熔炼分离结束后将上层的还原熔炼渣放掉总体积的50~70%，获得熔炼高温熔体，熔炼高温熔体的上层为剩余还原熔渣，下层为铜铬合金熔体；

[0011] 3、电磁场作用下熔渣精炼：

[0012] 向熔炼高温熔体中加入预熔渣，在电磁场作用下进行精炼除杂，预熔渣加入量为熔炼高温熔体中剩余还原熔渣重量的0.5~1倍，精炼温度为1400~2000℃，精炼时间5~30min；同时在熔渣精炼过程中，采用底吹喷粉的方式，通过惰性气体携带向熔炼高温熔体中喷吹脱氧剂和铜粉；精炼完成后除去精炼渣，获得精炼合金熔体；铜粉的用量按最终获得的CuCr合金铸锭中Cu的质量分数为30~95%；

[0013] 4、精炼合金熔体的快速凝固：

[0014] 精炼除杂后，停止施加电磁场并将反应器强制水冷，至精炼合金熔体冷却至室温，再去渣抽锭制成CuCr合金铸锭。

[0015] 上述的预熔渣为CaF2-CaO二元渣或CaF2- Na3AlF6二元渣，预熔渣中CaF2的质量分数为50~70%。

[0016] 上述的脱氧剂为金属钙粉或金属镁粉，用量为铜铬合金熔体总重量的0.1~0.5%。

[0017] 上述的CuCr合金铸锭的直径Φ50~120mm。

[0018] 上述方法中的惰性气体选用氩气。

[0019] 上述方法中底吹喷粉时惰性气体的流量为5~20L/min。

[0020] 上述步骤2和3中的电磁场的频率≥1000Hz。

[0021] 本发明具有如下优点：

[0022] 1、以CuO、Cr2O3和Al为原料，在电磁场作用下进行铝热还原熔炼，然后放掉50~70%还原熔炼渣，得到均匀的高温铜铬合金熔体，整个操作在空气中进行，具有操作简单、能耗低等优点，且大大降低了原料成本；

[0023] 2、将铝热还原熔炼得到的均匀的高温合金熔体直接进行熔渣精炼除杂，高温合金熔体中非金属氧化物夹杂、气体杂质得到了有效地去除，得到纯净的高温合金熔体；

[0024] 3、由于熔渣精炼是加入CaF2质量分数50~70%的CaF2基预熔渣进行精炼，保证了精炼渣具有良好的导电性；在电磁场作用下进行熔渣精炼时，不但强化精炼除杂效果，而且保证了高温合金熔体上部形成均匀的温度场，阻止了温度梯度过大引起的合金熔体的中第二相析出造成的宏观偏析，从而得到混合均匀的纯净的高温合金熔体；

[0025] 4、在加预熔渣进行熔渣精炼过程中，以惰性气体携带采用底吹方式将活泼金属脱氧剂喷吹到高温合金熔体中进行深度脱氧；不但有效脱除了合金中的氧含量，而且强化了合金中气体夹杂的去除效果；

[0026] 5、将精炼得到的纯净的均质合金熔体直接进行强制水冷快速凝固，避免了浇铸凝固过程造成的二次污染、宏观偏析以及浇铸缺陷，保证了合金铸锭的均匀、致密和纯净化。

[0027] 本发明的方法不但可以制备大尺寸均质致密的铜铬合金铸锭，而且能制备CuCr5~CuCr70等系列的铜铬合金，对于制备CuCr5等低铬含量系列的铜铬合金具有自身的技术优势；同时适用于铬含量<5%的更广范围的超低大尺寸均质铜铬铸锭的制备；本发明的方法所有的操作均是在大气气氛中进行的，操作简单，对工艺条件要求低，该方法是一种低成本快速制备大尺寸均质致密铜铬合金的方法，同时适用于其他偏晶合金大尺寸铸锭的规模化低成本制备。

附图说明

[0028] 图1为本发明实施例2中获得的CuCr25合金铸锭外观图；

[0029] 图2为本发明实施例4中获得的CuCr70合金铸锭外观图。

具体实施方式

[0030] 本发明实施例中采用的CuO粉的纯度≥98.5%，粒度100~200目。

[0031] 本发明实施例中采用的Cr2O3粉的纯度≥99.0%，粒度100~200目。

[0032] 本发明实施例中采用的造渣剂CaO的纯度≥98.5%，粒度-100目。

[0033] 本发明实施例中采用的Al粉的纯度≥99.5%，粒度≤100目。

[0034] 本发明实施例中采用的金属镁粉的纯度≥99.5%，粒度1~5mm。

[0035] 本发明实施例中采用的金属钙粉的纯度≥99.5%，粒度1~5mm。

[0036] 本发明实施例中采用的铜粉的纯度≥99.9%，粒度≤200目。

[0037] 本发明实施例中的电磁场是由中频或工频感应炉的感应线圈在加热的同时形成的感应电磁场，亦可采用其它方式获得。

[0038] 本发明实施例中采用的氩气的纯度≥99.95%。

[0039] 本发明实施例中采用的反应器为石墨坩埚。

[0040] 本发明实施例中电磁场作用时的频率在1000~2500 Hz。

[0041] 实施例1

[0042] 将CuO粉、Cr2O3粉和Al粉按质量比100:10:30配料，获得混合物料；向混合物料中加入造渣剂CaO，CaO占混合物料总重量的2%，将全部物料混合均匀后制成待还原物料；将待还原物料放入反应器内，并在待还原物料表层放上金属镁粉，在电磁场作用下将金属镁粉直接明火引燃，引发铝热还原反应，得到由铜铬合金熔体和熔融态Al2O3-CaO还原渣组成的高温熔体；

[0043] 将高温熔体在电磁场作用下进行金渣熔炼分离，熔炼温度为1900℃，熔炼时间为5min，上层形成还原熔渣，下层形成铜铬合金熔体；熔炼分离结束后将上层的还原熔炼渣放掉总量的50%，获得上层为剩余还原熔渣且下层为铜铬合金熔体的熔炼高温熔体；

[0044] 向熔炼高温熔体中加入预熔渣，在电磁场作用下进行精炼除杂，预熔渣加入量为熔炼高温熔体中剩余还原熔渣重量的0.5倍，精炼温度为1400℃，精炼时间30min；同时在熔渣精炼过程中，采用底吹喷粉的方式，通过氩气携带向熔炼高温熔体中喷吹脱氧剂和铜粉；精炼完成后除去精炼渣，获得精炼合金熔体；铜粉的用量按最终获得的CuCr合金铸锭中Cu的质量分数为95%；

[0045] 所述的预熔渣为CaF2-CaO二元渣，预熔渣中CaF2的质量分数为50%；

[0046] 所述的脱氧剂为金属镁粉，用量为熔炼高温熔体总重量的0.5%；

[0047] 底吹喷粉时氩气的流量为5L/min；

[0048] 精炼除杂后，停止施加电磁场并将反应器强制水冷，至精炼合金熔体冷却至室温，再去渣抽锭制成均质致密的CuCr5合金铸锭，直径Φ50mm。

[0049] 实施例2

[0050] CuCr合金铸锭的制备方法同实施例1，不同点在于：

[0051] （1）CuO粉、Cr2O3粉和Al粉按质量比100:40:45配料；CaO占混合物料总重量的3%；

[0052] （2）熔炼温度为1950℃，熔炼时间为2min；上层的还原熔炼渣放掉总量的60%；

[0053] （3）预熔渣加入量为熔炼高温熔体中剩余还原熔渣重量的0.6倍，精炼温度为1800℃，精炼时间20min；铜粉的用量按最终获得的CuCr合金铸锭中Cu的质量分数为75%；

[0054] （4）预熔渣为CaF2-CaO二元渣，预熔渣中CaF2的质量分数为60%；

[0055] 脱氧剂为金属钙粉，用量为熔炼高温熔体总重量的0.5%；

[0056] 底吹喷粉时氩气的流量为10L/min；

[0057] （5）CuCr25合金铸锭的直径Φ80mm。

[0058] 实施例3

[0059] CuCr合金铸锭的制备方法同实施例1，不同点在于：

[0060] （1）CuO粉、Cr2O3粉和Al粉按质量比100:117:80配料；CaO占混合物料总重量的4%；

[0061] （2）熔炼温度为2000℃，熔炼时间为1min；上层的还原熔炼渣放掉总量的70%；

[0062] （3）预熔渣加入量为熔炼高温熔体中剩余还原熔渣重量的1倍，精炼温度为2000℃，精炼时间10min；铜粉的用量按最终获得的CuCr合金铸锭中Cu的质量分数为50%；

[0063] （4）预熔渣为CaF2-CaO二元渣，预熔渣中CaF2的质量分数为70%；

[0064] 脱氧剂为金属镁粉，用量为熔炼高温熔体总重量的0.3%；

[0065] 底吹喷粉时氩气的流量为15L/min；

[0066] （5）CuCr50合金铸锭的直径Φ100mm。

[0067] 实施例4

[0068] CuCr合金铸锭的制备方法同实施例1，不同点在于：

[0069] （1）CuO粉、Cr2O3粉和Al粉按质量比100: 275:120配料；CaO占混合物料总重量的5%；

[0070] （2）熔炼温度为2000℃，熔炼时间为2min；

[0071] （3）预熔渣加入量为熔炼高温熔体中剩余还原熔渣重量的1倍，精炼温度为2000℃，精炼时间5min；铜粉的用量按最终获得的CuCr合金铸锭中Cu的质量分数为30%；

[0072] （4）预熔渣为CaF2- Na3AlF6二元渣，预熔渣中CaF2的质量分数为50%；

[0073] 脱氧剂为金属钙粉，用量为熔炼高温熔体总重量的0.3%；

[0074] 底吹喷粉时氩气的流量为20L/min；

[0075] （5）CuCr70合金铸锭的直径Φ120mm。

[0076] 实施例5

[0077] CuCr合金铸锭的制备方法同实施例1，不同点在于：

[0078] （1）CuO粉、Cr2O3粉和Al粉按质量比100:117:80配料；CaO占混合物料总重量的5%；

[0079] （2）熔炼温度为2000℃，熔炼时间为2min；上层的还原熔炼渣放掉总量的60%；

[0080] （3）预熔渣加入量为熔炼高温熔体中剩余还原熔渣重量的0.8倍，精炼温度为2000℃，精炼时间5min；铜粉的用量按最终获得的CuCr合金铸锭中Cu的质量分数为50%；

[0081] （4）预熔渣为CaF2- Na3AlF6二元渣，预熔渣中CaF2的质量分数为60%；

[0082] 脱氧剂为金属镁粉，用量为熔炼高温熔体总重量的0.1%；

[0083] 底吹喷粉时氩气的流量为8L/min；

[0084] （5）CuCr50合金铸锭的直径Φ60mm。

[0085] 实施例6

[0086] CuCr合金铸锭的制备方法同实施例1，不同点在于：

[0087] （1）CuO粉、Cr2O3粉和Al粉按质量比100:117:80配料；CaO占混合物料总重量的4%；

[0088] （2）熔炼温度为1900℃，熔炼时间为4min；上层的还原熔炼渣放掉总量的70%；

[0089] （3）预熔渣加入量为熔炼高温熔体中剩余还原熔渣重量的1倍，精炼温度为1500℃，精炼时间30min；铜粉的用量按最终获得的CuCr合金铸锭中Cu的质量分数为50%；

[0090] （4）预熔渣为CaF2- Na3AlF6二元渣，预熔渣中CaF2的质量分数为70%；

[0091] 脱氧剂为金属钙粉，用量为熔炼高温熔体总重量的0.1%；

[0092] 底吹喷粉时氩气的流量为20L/min；

[0093] （5）CuCr50合金铸锭的直径Φ120mm。