專利名稱：一種帶氮氣保護的銅及銅合金鑄錠設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于冶金技術領域，涉及一種帶氮氣保護的銅及銅合金鑄錠設備，主 要適應于直徑Φ150πιπι (或相當斷面的板錠)及以上銅及銅合金的鑄錠。
背景技術：
紫銅、磷脫氧銅、無氧銅、銀銅、高銅及白銅合金的熔煉溫度一般在1120-1350°C之 間。在高溫下，這類合金的表面不能形成致密的保護膜，極易氧化形成較厚的氧化皮，對鑄 錠品質及后續(xù)加工造成影響。在生產無氧銅時，氧還能向鑄錠滲透，影響后續(xù)加工制品的 性能。目前，國內外對鑄造過程中鑄錠的外表面基本不采取任何保護措施，特別是直徑在 Φ 150mm及以上的鑄錠(或相當斷面的板錠)，表面往往存在十分嚴重的氧化現象，對后續(xù)加 工產生不良影響。氧化皮增加擠壓筒、擠壓桿、穿孔針的磨損，使擠壓模的壽命大大降低。氧 化皮壓入加工制品中造成制品缺陷，嚴重時導致制品報廢。金屬銅氧化會造成金屬損失、增 加生產成本。在采用立式半連續(xù)鑄造過程中，不能對鑄錠表面進行有效保護，主要原因如下 其一是現有的結晶器只是一個鑄錠成型的模腔，結晶器僅能帶走高溫銅液的15-30%左 右的熱量，無法將凝固的銅錠冷卻到氧化溫度以下。其二是鑄錠凝固以后，由于線收縮 而在結晶器與鑄錠之間形成氣隙，使鑄錠表面和結晶器之間無法進行傳導傳熱。此時， 鑄錠心部的高溫區(qū)溫度接近銅及銅合金的熔點，通過傳導傳熱使鑄錠表面的溫度快速升 高。鑄錠周圍的空氣能夠迅速氧化高溫的鑄錠。其三是，鑄錠在二次見水冷卻前，表面溫 度很高，二次冷卻水能夠進一步氧化高溫的鑄錠。二次冷卻水是經過冷卻塔噴淋霧化冷 卻的，水中溶解有大量的氧氣。在水體噴淋和強烈循環(huán)的情況下，水中溶氧量達到14g/m 3。一根直徑為Φ260-440πιπι，長度為5. 5-6. 5m的銅及銅合金鑄錠，鑄造時間大約為l_2h， 在一根鑄錠的鑄造過程中，二次水的循環(huán)總量為80-100 m1，相當于有1. 22kg的氧氣通 過鑄錠表面與鑄錠接觸。500-900°C左右的金屬與溶氧之間有很強的親和力，生成疏松的 氧化銅，氧還可以進一步氧化氧化皮下的金屬。1. 22kg的氧氣足以將鑄錠表面充分氧化。 其四是，二次水的供水壓力在3-5kg/cm 2，二次冷卻裝置噴向鑄錠表面的不是純水而是空 氣-水的兩相流體，混入水中的空氣能夠強烈氧化高溫鑄錠。其五是，二次冷卻不能有效地 將直徑在Φ250πιπι (或相當斷面的板錠)以上的鑄錠冷卻到185°C (銅開始氧化的溫度)以 下，經過二次冷卻的大規(guī)格鑄錠心部溫度仍然很高，暴露在空氣中的銅錠還會繼續(xù)氧化。其 六是，鑄錠井中的三次冷卻水含有很高的氧，還會對大規(guī)格鑄錠進行進一步氧化。鑄錠規(guī)格 越大、鑄造速度越低、鑄錠表面溫度越高、冷卻所需要的時間越長，鑄錠表面氧化也越嚴重。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是針對現有技術中存在的不足，提供一種帶氮氣保護的銅及銅合金 鑄錠設備。
本發(fā)明的目的是通過下述技術方案實現的
一種帶氮氣保護的銅及銅合金鑄錠設備，其包括結晶器總成、位于所述結晶器總成下 方的二次水冷裝置和鑄錠井，其特征在于所述結晶器總成與鑄錠井之間設置有氣密性保 護罩；所述二次水冷裝置通過二次冷卻水管連接到二次水冷卻-脫氧裝置的出水口，并在 二次冷卻水管上連接有氮氣注入管及閥門；所述鑄造井底部設有三次冷卻水回流管，其連 接到所述二次水冷卻_脫氧裝置的進水口。根據上述設備，其特征在于，所述結晶器總成由內向外包括石墨套、紫銅套和水 套，所述紫銅套和水套之間形成水腔，所述水套上設有進水口和出水口。根據上述設備，其特征在于，所述二次水冷裝置為環(huán)形或扁形腔體，所述腔體側面 上方開有進水口，在所述環(huán)形腔體靠近鑄錠的內側下方開有噴水口。根據上述設備，其特征在于，所述二次水冷卻_脫氧裝置包括冷卻塔、敞開式高位 冷卻槽，所述敞開式高位冷卻水槽位于所述冷卻塔的下部，所述三次冷卻水回流管連接到 所述冷卻塔頂的進水口，并且所述二次水冷卻_脫氧裝置還包括
氣密性低位脫氧水槽，所述高位冷卻水槽的側下部通過管道與所述氣密性低位脫氧水 槽的側上部連接；
至少一根氮氣分配管，其安裝在所述氣密性低位脫氧水槽的底部，并且在所述氮氣分 配管上開有氣孔，所述氮氣分配管通過管道連接在所述氣密性低位脫氧水槽外側的氮氣總 管上，并且在該氮氣總管上安裝有閥門；
氣體排放管，其安裝在所述氣密性低位脫氧水槽的頂部，并且所述氣體排放管上安裝 有閥門；
水泵，其進水口連接在通入所述氣密性低位脫氧水槽內的管道上，其出水口連接到所 述二次冷卻水管。根據上述設備，其特征在于，所述二次水冷卻_脫氧裝置還包括氮氣濃度檢測器， 其安裝在所述氣密性低位脫氧水槽內，其信號輸出端與用于控制所述氮氣總管上安裝的閥 門的控制器連接。根據上述設備，其特征在于，所述二次水冷卻-脫氧裝置還包括隔水柵，其安裝在 所述氣密性低位脫氧水槽內中部。根據上述設備，其特征在于，在所述結晶器總成下方設有銅錠長度探測器。根據上述設備，其特征在于，在氣密性保護罩內設有氮含量探測器。根據上述設備，其特征在于，在氣密性保護罩上設有氮氣回流控制裝置，所述氮含 量探測器的信號輸出端連接在所述氮氣回流控制裝置的信號輸入端。根據上述設備，其特征在于，在氣密性保護罩外側設有氧含量探測器，該氧含量探 測器的信號輸出端與設置在氣密性保護罩外側的風機的控制信號輸入端連接。本發(fā)明相對現有技術具有以下有益效果
1、本發(fā)明采用氣密性保護罩對結晶器出口和鑄錠井口之間進行密封保護，防止在鑄造 的過程中，外界的空氣進入鑄錠井同高溫的銅錠接觸，確保銅錠不被空氣氧化。2、本發(fā)明采用二次水冷卻-脫氧裝置，對進入鑄錠井的二次冷卻水進行脫氧除 氣，并利用水泵輸送到鑄錠井中的二次冷卻裝置，確保與鑄錠接觸的二次水中不含氧氣，不 造成鑄錠表面氧化。
3、聚集于鑄錠井中的三次冷卻水中溶有氮氣，不含氧氣，不會對大規(guī)格鑄錠造成 氧化，特別適應于直徑Φ 150mm (或相當斷面的板錠)及以上銅及銅合金的鑄錠。


圖1為本發(fā)明的帶氮氣保護的銅及銅合金鑄錠設備的結構示意圖； 圖2為本發(fā)明的二次水冷卻-脫氧裝置的結構示意圖。
具體實施例方式下面通過具體實施例對本發(fā)明的結構及工作原理進行詳細的說明。參見圖1，本發(fā)明的帶氮氣保護的銅及銅合金鑄錠設備，其包括結晶器總成1、位 于所述結晶器總成1下方的二次水冷裝置8和鑄錠井5，結晶器總成1與鑄錠井5之間設置 有氣密性保護罩4 ；二次水冷裝置8通過二次冷卻水管6連接到二次水冷卻-脫氧裝置33 的出水口，并在二次冷卻水管6上連接有氮氣注入管及閥門7 ；鑄造井5底部設有三次冷卻 水回流管14，其連接到二次水冷卻-脫氧裝置33的進水口。結晶器總成1由內向外包括石墨套15、紫銅套16和水套17，紫銅套16和水套17 之間形成水腔，所述水套上設有進水口 18和出水口 19。二次水冷裝置8為環(huán)形或扁形腔體(取決于鑄錠的橫截面形狀)，腔體側面上方開 有進水口，在腔體靠近鑄錠的內側下方開有噴水口 20。在結晶器總成1下方設有銅錠長度探測器15。在氣密性保護罩4內設有氮含量探 測器10。在氣密性保護罩4上設有氮氣回流控制裝置9，氮含量探測器10的信號輸出端連 接在氮氣回流控制裝置9的信號輸入端。在氣密性保護罩外側(鑄錠臺3旁)設有氧含量探 測器11，氧含量探測器11的信號輸出端與設置在氣密性保護罩外側的風機12的控制信號 輸入端連接。參見圖2詳細描述二次水冷卻_脫氧裝置33的結構。二次水冷卻-脫氧裝置33 包括冷卻塔21、敞開式高位冷卻槽22，敞開式高位冷卻水槽22位于冷卻塔21的下部，三次 冷卻水回流管14連接到冷卻塔頂的進水口，并且二次水冷卻_脫氧裝置33還包括氣密性 低位脫氧水槽23，高位冷卻水槽22的側下部通過管道與氣密性低位脫氧水槽23的側上部 連接；至少一根氮氣分配管24，其安裝在氣密性低位脫氧水槽23的底部，并且在氮氣分配 管24上開有氣孔，氮氣分配管24通過管道連接在氣密性低位脫氧水槽23外側的氮氣總管 25上，并且在氮氣總管25上安裝有閥門26 ；氣體排放管27，其安裝在氣密性低位脫氧水槽 23的頂部，并且氣體排放管27上安裝有閥門28 ；水泵29，其進水口連接在通入氣密性低位 脫氧水槽23內的管道31上，其出水口連接到二次冷卻水管6。二次水冷卻-脫氧裝置33 還包括氮氣濃度檢測器25，其安裝在氣密性低位脫氧水槽23內，其信號輸出端與用于控制 所述氮氣總管25上安裝的閥門27的控制器(圖2中未示出)連接。二次水冷卻_脫氧裝置 還包括隔水柵30，其安裝在所述氣密性低位脫氧水槽23內中部，其目的是增加水流阻力， 防止從高位冷水槽22中流入的含氧量很高的水直接進入吸水口?，F參照圖1和圖2描述本設備的工作原理
開始鑄造前，弓丨錠頭2與結晶器1對正位置，結晶器1、密封罩4和鑄錠井5的井壁、 井底形成一個密閉的空間。此時，閥門7打開，氮氣氣源通過閥門7、管道6和二次水冷裝置8向鑄錠井5通氮氣，井內空氣通過氮氣回流控制裝置9排空。當氮含量探測器10探測到 排放氮氣濃度超過99%時，控制系統(tǒng)自動關閉回流控制裝置9的排放口和閥門7，并自動設 置回流控制裝置9的安全閥開啟壓力為1. 5kg/cm。在鑄造過程中，隨著井內水位的上升和 二次水中氮氣溢出，井內壓力會逐步上升，當壓力超過設定安全壓力時，回流控制裝置9開 啟泄壓。同時，風機12開啟，吹掃井口的氮氣達到安全水平。從鑄錠井開始沖裝氮氣開始， 鑄造平臺下的氧含量探測器11連續(xù)測取操作位置氧含量。一旦氧含量超過設定范圍，蜂鳴 器報警，風機12開啟。在鑄造初期，銅液和鑄錠只與結晶器接觸，結晶器中的一次冷卻水始終不與金屬 銅直接接觸，一次冷卻水不直接對銅錠表面氧化情況造成影響。在圖三所示的結晶器1的 下方，安裝有銅錠長度探測器15，用于檢測銅錠的鑄造長度和鑄造速度，控制二次水冷裝置 8使用的水泵開停、供水量、供水壓力。為了保證鑄造井內的冷卻水以及二次水冷裝置中的冷卻水中不含有氧氣，將鑄造 井內的冷卻水通過水泵泵入二次水冷卻-脫氧裝置的冷卻塔中，鑄錠井中回流的冷卻水經 冷卻塔21冷卻后輸送到氣密性低位脫氧水槽23內。開啟槽底氮氣管道的控制閥門26，向 槽底通入氮氣，通入的氮氣形成一串串氣泡彌散分布于槽內水體中。由于氣泡中氧的分壓 為零，從而促使水中溶解的氧析出并向氣泡中擴散，含氧氣泡浮出水面。當槽內水體上方空 間的氣壓達到0. 5-0. 8kg/cm 2時，開啟氣體排放閥27排空，達到去除水體中溶解的氧。當 氮氣監(jiān)測探頭25的檢測值達到設定值時，經過脫氧的水體由水泵29通過二次冷卻水管6 泵入鑄錠井5內的二次水冷裝置8。在鑄造初期，銅液和鑄錠只與結晶器總成1接觸，結晶器總成中的一次冷卻水始 終不與金屬銅直接接觸。結晶器總成下方的銅錠長度探測器15對銅錠的鑄造長度和鑄造 速度實施在線監(jiān)測。當錠長探測裝置的測定值達到設定值時(表明鑄錠頭部即將進入二次 水冷裝置)，二次水冷卻_脫氧裝置的水泵29開啟，通過二次冷卻水管6向鑄錠井中的二次 水冷卻裝置8供水，二次水直接對鑄錠表面進行冷卻。由于井內沒有氧氣、二次水中也不溶 氧，鑄錠表面保持光亮的金屬本色。二次冷卻水積存于井底形成三次冷卻水，三次冷卻水的 積存高度為4-7m (超過設定高度，另有專用水泵將水抽至熱水槽)，三次冷卻水對直徑超過 Φ250mm的鑄錠冷卻發(fā)揮重要作用。聚集于鑄錠井中的三次冷卻水中溶有氮氣，不含氧氣， 不會對大規(guī)格鑄錠造成氧化。鑄錠在水井中降溫至60°C以下出井。
權利要求
一種帶氮氣保護的銅及銅合金鑄錠設備，其包括結晶器總成、位于所述結晶器總成下方的二次水冷裝置和鑄錠井，其特征在于所述結晶器總成與鑄錠井之間設置有氣密性保護罩；所述二次水冷裝置通過二次冷卻水管連接到二次水冷卻 脫氧裝置的出水口，并在二次冷卻水管上連接有氮氣注入管及閥門；所述鑄造井底部設有三次冷卻水回流管，其連接到所述二次水冷卻 脫氧裝置的進水口。
2.根據權利要求1所述的設備，其特征在于，所述結晶器總成由內向外包括石墨套、紫 銅套和水套，所述紫銅套和水套之間形成水腔，所述水套上設有進水口和出水口。
3.根據權利要求2所述的設備，其特征在于，所述二次水冷裝置為環(huán)形或扁形腔體，所 述腔體側面上方開有進水口，在所述環(huán)形腔體靠近鑄錠的內側下方開有噴水口。
4.根據權利要求1所述的設備，其特征在于，所述二次水冷卻-脫氧裝置包括冷卻塔、 敞開式高位冷卻槽，所述敞開式高位冷卻水槽位于所述冷卻塔的下部，所述冷卻水回流管 連接到所述冷卻塔頂的進水口，并且所述二次水冷卻_脫氧裝置還包括氣密性低位脫氧水槽，所述高位冷卻水槽的側下部通過管道與所述氣密性低位脫氧水 槽的側上部連接；至少一根氮氣分配管，其安裝在所述氣密性低位脫氧水槽的底部，并且在所述氮氣分 配管上開有氣孔，所述氮氣分配管通過管道連接在所述氣密性低位脫氧水槽外側的氮氣總 管上，并且在該氮氣總管上安裝有閥門；氣體排放管，其安裝在所述氣密性低位脫氧水槽的頂部，并且所述氣體排放管上安裝 有閥門；水泵，其進水口連接在通入所述氣密性低位脫氧水槽內的管道上，其出水口連接到所 述二次冷卻水管。
5.根據權利要求4所述的設備，其特征在于，所述二次水冷卻-脫氧裝置還包括氮氣濃 度檢測器，其安裝在所述氣密性低位脫氧水槽內，其信號輸出端與用于控制所述氮氣總管 上安裝的閥門的控制器連接。
6.根據權利要求5所述的設備，其特征在于，所述二次水冷卻_脫氧裝置還包括隔水 柵，其安裝在所述氣密性低位脫氧水槽內中部。
7.根據權利要求3所述的設備，其特征在于，在所述結晶器總成下方設有銅錠長度傳 感器。
8.根據權利要求3所述的設備，其特征在于，在氣密性保護罩內設有氮含量監(jiān)測傳感ο
9.根據權利要求8所述的設備，其特征在于，在氣密性保護罩上設有氮氣回流控制裝 置，所述氮含量監(jiān)測傳感器的輸出端連接在所述氮氣回流控制裝置的信號輸入端。
10.根據權利要求3所述的設備，其特征在于，在氣密性保護罩外側設有氧氣濃度傳感 器，該傳感器的信號輸入端與設置在氣密性保護罩外側的風機的控制信號輸入端連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種帶氮氣保護的銅及銅合金鑄錠設備，其包括結晶器總成、位于所述結晶器總成下方的二次水冷裝置和鑄錠井，其特征在于所述結晶器總成與鑄錠井之間設置有氣密性保護罩；所述二次水冷裝置通過二次冷卻水管連接到二次水冷卻-脫氧裝置，并在二次冷卻水管上連接有氮氣注入管及閥門；所述鑄造井底部設有冷卻水回流管。本發(fā)明通過氮氣進行密封保護，防止了在鑄造的過程中，外界的空氣進入鑄錠井同高溫的銅錠接觸，確保銅錠不被空氣氧化，實現工業(yè)純銅、高銅及白銅合金的表面無氧化鑄造，達到減少銅金屬的氧化損失、降低生產成本的目的。
文檔編號B22D21/02GK101985164SQ20101056575
公開日2011年3月16日 申請日期2010年11月30日 優(yōu)先權日2010年11月30日
發(fā)明者汪海洲, 賀永東 申請人:金川集團有限公司