一种大气条件下易氧化合金的熔炼净化装置及熔炼方法

技术领域

本发明涉及易氧化铜铁合金在非真空下引连铸的熔炼技术领域，更具体地，涉及一种大气条件下易氧化合金的熔炼净化装置及熔炼方法。

背景技术

紫铜的熔点为1083℃，在工业化生产紫铜带和紫铜管时，熔炼炉的温度一般设定在1150-1200℃，在熔体的表明覆盖一层石墨，可达到较好除氧的效果。近年来，由于铜铁合金具有高强度和高导电性、导热性综合性能，又兼有极其优异的电磁屏蔽性能，铜铁合金在新一代信息技术、航空航天、先进轨道交通、节能与新能源汽车、高端医疗器械、先进制造和国防等高科技领域具有较为广泛的应用前景。

对于铜铁合金的熔炼，由于纯铁的熔点很高，达到1538℃，远高于紫铜的熔点。根据温度和铜氧化的关系，可知在1200℃以下，铜的氧化速率很低，当温度高于1200℃以上时，铜的氧化速率呈现指数增长。而目前市场上需求量大的铜铁合金一般为高铁含量(约为5％)，该部分铜铁带材目前只能从国外进口，很大一部分原因就是铁含量高，造成熔炼温度高，熔体氧化吸气特别严重，国内企业在大气环境下熔炼的铜铁合金成品率低以及性能不满足要求，而用真空感应炉熔炼的铜铁合金的方法存在生产效率低以及价格昂贵等缺点，故急需开发在大气环境下用来改善铜铁合金熔体质量的装置与方法。

发明内容

针对现有技术所存在的技术问题，本发明提供了一种大气条件下易氧化合金的熔炼净化装置及熔炼方法，以能够在大气环境下、改善易氧化合金的熔体质量。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种大气条件下易氧化合金的熔炼净化装置，包括熔炼炉和与所述熔炼炉活动连接的施压执行组件，所述施压执行组件包括过滤盖板，所述过滤盖板位于所述熔炼炉内部且可相对于所述熔炼炉侧壁上下移动，所述过滤盖板用于放置覆盖剂，且将所述覆盖剂与所述熔炼炉内的熔体隔离。

在上述技术方案中，所述过滤盖板包括第一盖板和与所述第一盖板可拆卸链接的第二盖板，所述第一盖板与所述第二盖板可相对转动。

可选地，在上述技术方案中，所述施压执行组件还包括拉压杆，所述拉压杆一端与施压设备连接，另一端穿过所述过滤盖板伸入所述熔炼炉内部，在受力状态下，所述拉压杆带动所述过滤盖板移动。

可选地，在上述技术方案中，所述施压执行组件还包括通气管，所述拉压杆为空心杆，所述通气管一端穿过所述拉压杆内部并延伸至所述熔炼炉底端。

可选地，在上述技术方案中，所述施压执行组件还包括旋转把手和压板，沿所述过滤盖板朝向所述施压设备方向，所述旋转把手和所述压板依次套设在所述拉压杆上。

本发明另一目的在于提供一种大气条件下易氧化合金的熔炼方法，采用上述所述的大气条件下易氧化合金的熔炼净化装置，包括以下步骤：

S1、将熔炼炉烘干处理，装入易氧化合金原料，将拉压杆、旋转把手、压板、过滤盖板以及通气管组装成施压执行组件，将所述施压执行组件与所述熔炼炉装配，所述拉压杆连接施压设备，所述通气管连接保护气瓶，在所述过滤盖板上放置覆盖剂；

S2、通入保护气，将所述熔炼炉通电进行熔炼，在所述易氧化合金原料融化成熔体后，启动所述施压设备，通过所述拉压杆带动所述过滤盖板向下移动至与所述熔体相接触，使所述覆盖剂完全覆盖所述熔体，调整所述熔炼炉的功率和所述保护气的流量，对所述熔体进行精炼；

S3、再次启动所述施压设备，通过所述拉压杆带动所述过滤盖板向上移动至所述熔炼炉的中间包位置，倾斜所述熔炼炉，使所述熔体流向所述中间包，并通过所述中间包上的漏孔流出，进行下引连铸步骤。

在上述技术方案中，所述下引连铸步骤完成后，还包括步骤：

S4、将所述熔炼炉回正，转动所述旋转把手，所述旋转把手带动所述过滤盖板的第一盖板或第二盖板转动，所述第一盖板与所述第二盖板交叠露出所述熔炼炉的加料口，重新装入易氧化合金原料，转动所述旋转把手至所述过滤盖板将所述加料口全遮挡，再次进入S2步骤，形成连续熔炼过程。

可选地，在上述技术方案中，所述易氧化合金原料的装载高度不超过所述熔炼炉内腔高度的2/3。

可选地，在上述技术方案中，所述覆盖剂的厚度为80-120mm。

可选地，在上述技术方案中，所述拉压杆、所述旋转把手、所述压板、所述过滤盖板和所述通气管的材质均为氮化硅，所述覆盖剂为硅酸盐。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明所提供的熔炼净化装置，无需对现有设备进行大规模改动，通过设置施压执行组件，过滤盖板在熔炼炉中上下升降，通过控制过滤盖板与熔体自由结合和分离，利用过滤盖板来避免覆盖剂与熔体直接接触，从而最大限度的达到除氧和除渣目的，高效可靠地实现易氧化合金熔炼的过程；

(2)本发明所提供的熔炼净化装置结构合理、操作简单，更换方便，适合大规模工业化生产；

(3)本发明所提供的熔炼方法，通过在过滤盖板上放置覆盖剂，利用施压装置带动过滤盖板在熔炼炉内部上下移动，从而不仅有效隔绝氧气，同时熔炼时，在保护气的配合下，往上提起过滤盖板，将过滤盖板下方保持在氧气含量较低的环境，减少熔体吸气现象，将熔炼渣和熔体分离，达到净化的效果，由此改善了大气环境下易氧化合金熔体的质量。

附图说明

图1为本发明实施例所述的熔炼净化装置的结构示意图；

图2为本发明实施例所述的熔炼净化装置的俯视图；

图3为本发明实施例所述的第一盖板和第二盖板的结构示意图；

图4为本发明实施例所述的熔炼净化装置在加料时的结构示意图；

图5为本发明实施例所述的熔炼净化装置在熔炼时的结构示意图；

图6为本发明实施例所述的熔炼净化装置在浇铸时的结构示意图。

图中：

1、炉体，2、炉衬，3、熔体，4-过滤盖板、41-第一盖板，42-第二盖板，5、覆盖剂，6、旋转把手，7、压板，8、通气管，9、拉压杆，10、中间包，11、漏孔，12、观察口。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明，以使本领域的技术人员更加清楚地理解本发明。

以下各实施例，仅用于说明本发明，但不止用来限制本发明的范围。基于本发明中的具体实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的情况下，所获得的其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。

在本发明实施例中，若无特殊说明，所有原料组分均为本领域技术人员熟知的市售产品；在本发明实施例中，若未具体指明，所用的技术手段均为本领域技术人员所熟知的常规手段。

在本发明的描述中，应当说明的是，各实施例中的术语名词例如“上”、“下”、“前”、“后”等指示方位的词语，只是为了简化描述基于说明书附图的位置关系，并不代表所指的元件和装置等必须按照说明书中特定的方位和限定的操作及方法、构造进行操作，该类方位名词不构成对本发明的限制。

结合图1、图4-6所示，本发明实施例体提供了一种大气条件下易氧化合金的熔炼净化装置，包括熔炼炉和与熔炼炉活动连接的施压执行组件，施压执行组件包括过滤盖板4，过滤盖板4位于熔炼炉内部且可相对于熔炼炉侧壁上下移动，施压执行组件用于放置覆盖剂5，且将覆盖剂5与熔炼炉内的熔体3隔离。

其中，熔炼炉为现有的中频感应熔炼炉和工频感应熔炼炉；易氧化合金包括铜铁合金、铝合金、镁合金、钢铁等在大气环境下容易发生氧化的金属。覆盖剂5选用硅酸盐材质，覆盖厚度为80-120mm。

过滤盖板4为带有网纹状细小空隙的过滤板，优选用氮化硅材质，过滤盖板4的过滤精度根据所研究的合金材料和熔化温度而不同，本发明中，优选地，过滤精度为0.5-200μm，不仅过滤效果较好，同时带有排出熔炼时气体的功能。

本发明提供的熔炼净化装置，无需对现有设备进行大规模改动，通过设置施压执行组件，过滤盖板4在熔炼炉中上下升降，一方面，通过控制过滤盖板4与熔体3自由结合和分离，利用过滤盖板4来避免覆盖剂5与熔体3直接接触，从而最大限度的达到除氧和除渣目的，高效可靠地实现易氧化合金熔炼的过程；另一方面，且熔炼净化装置结构合理、操作简单，更换方便，适合大规模工业化生产。

具体地，结合图2-3、图4所示，过滤盖板4包括第一盖板41和与第一盖板41可拆卸链接的第二盖板42，第一盖板41与第二盖板42可相对转动。

进一步地，为提高覆盖剂5的装载稳定性，第一盖板41和第二盖板42的边缘向上翘起，也即形成盒状结构，覆盖剂5装载在盒状结构内，由此，即使在过滤盖板4上下移动过程中，覆盖剂5也不会掉落。

优选地，过滤盖板4中，位于上方的板体上设置有与和盒状结构适配的凹槽，以便于第一盖板41和第二盖板42旋转重叠时，不会互相干扰。

在本发明实施例中，第一盖板41可以在第二盖板42的上方或下方，在此不作具体限定，本发明附图中，为便于描述，将第一盖板41设置在第二盖板42的上方，第一盖板41下表面上设置有容纳第二盖板42翘起处的凹槽。

可以理解的是，熔炼炉设有加料口，过滤盖板4可以看作是加料口的阻隔板，由上述可知，过滤盖板4用于放置覆盖剂5，也即在熔炼状态下，过滤盖板4盖在加料口上，从而使得覆盖剂5完全覆盖在熔体3上，达到净化目的。在熔炼过程中，加料状态时，则需要将过滤盖板4从加料口移开，操作不便。本发明通过将过滤盖板4设置为可相对转动的第一盖板41和第二盖板42，这样在加料时，只需要转动第一盖板41或第二盖板42即可，不需要移动整个施压执行组件，不仅操作简单，且在损伤时，只需更换第一盖板41和/或第二盖板42，更换过程简单，降低了维修成本。

进一步地，在第一盖板41和第二盖板42交叠面积最小状态下，组成的过滤盖板4的表面积与熔炼炉的内横截面积相同，在第一盖板41和第二盖板42交叠面积最大状态下，组成的过滤盖板4的表面积小于熔炼炉的内横截面积，且，大于或等于熔炼炉的内横截面积的一半。由此，保证过滤盖板4在熔炼时能完全覆盖加料口，在加料时通过转动能露出加料口。

优选地，第一盖板41和与第二盖板42均为半圆形，便于转动，提高设备使用效率。

施压执行组件还包括拉压杆9，拉压杆9一端与施压设备连接，另一端穿过过滤盖板4伸入熔炼炉内部，在受压状态下，拉压杆9带动过滤盖板4移动。拉压杆9为传力结构，在施压设备的作用下，带动过滤盖板4在熔炼炉内上下移动。

结合图1所示，为进一步提高除氧净化效果，施压执行组件还包括通气管8，拉压杆9为空心杆，通气管8一端穿设于拉压杆9内部并延伸至熔炼炉底端，由此，在熔炼时，可通过通气管8向熔体3内通入保护气。其中，保护气为氩气。

优选地，拉压杆9为空心的圆杆，通气管8为直径3-6mm的圆管，拉压杆9的内径略大于通气管8，且二者连接处进行有密封处理，避免漏气。

施压执行组件还包括旋转把手6和压板7，沿过滤盖板4朝向施压设备方向，旋转把手6和压板7依次套设在拉压杆9上。也即施压执行组件包括从上到下包括套设在拉压杆9上的压板7、旋转把手6以及过滤盖板4，且拉压杆9的下端和过滤盖板4位于熔炼炉内。

进一步地，拉压杆9、旋转把手6、压板7、过滤盖板4和通气管8的材质均为氮化硅。相比传统的石墨材质，氮化硅不与铁和铜等金属反应，有效避免了对易氧化合金熔体3污染的问题。

为兼顾稳定性和安装便捷性，拉压杆9与旋转把手6、压板7以及过滤盖板4均通过螺纹连接。

具体地，拉压杆9为外部带有螺纹的空心圆杆；旋转把手6为长条形，用于旋转过滤盖板4，旋转把手6的中部带有通孔，通孔的内部含有螺纹，可与拉压杆9的外表面进行啮合；压板7为带有一定厚度的圆盘，盘中心设有孔，孔的内部同样设有与可与拉压杆9的外表面进行啮合的螺纹。

可以理解的是，转动旋转把手6带动拉压杆9转动，从而带动过滤盖板4转动，此时第一盖板41相对第二盖板42转动，当转动到一定程度时，第一盖板41与第二盖板42重叠，出料口露出最大面积，进而装料。

第一盖板41相对第二盖板42转动通过如下结构实现：第一盖板41上设置有带螺纹的通孔，第二盖板上设置不带螺纹的通孔，安装完成后，第一盖板41与拉压杆9固定连接，第二盖板42与拉压杆42活动连接，实现拉压杆9转动时，第一盖板41随拉压杆9转动，而第二盖板42不随拉压杆9转动或转动速度小于第一盖板41，由此产生相对转动。

优选地，拉压杆9与第二盖板42的连接处设置有卡槽(附图中未显示)，也即第二盖板42上通孔的直径大于拉压杆9上卡槽的直径且拉压杆上卡槽下方的直径大于第二盖板42通孔的直径，保证第二盖板42不会滑落，由此减小第二盖板42随拉压杆9转动的幅度，从而有利于提高第二盖板42与第一盖板41的相对转动。

进一步地，过滤盖板4上设置有观察口12，主要用于观察熔体3的熔化情况，以及带有测温、取样分析成分的功能。优选地，观察口12为设置在过滤盖板4上靠近边缘1/3处的方形小通孔。

进一步地，过滤盖板4上设置有与观察口12尺寸适配的挡板，当进行观察、测温或取样动作时，移动挡板露出观察口12，动作完成后，将挡板覆盖在观察口12上。

优选地，挡板与过滤盖板4可活动连接，包括但不限于铰接、卡接、链接等连接方式，只需要满足移动方便即可。

熔炼炉包括一端开口(也即加料口)的中空炉体1、覆盖在炉体1内壁上的炉衬2以及固设在炉体1侧面的中间包10，中间包10上开设有熔体3流出的漏孔11。其中，熔炼炉为熔化合金提供热能，一般选用感应炉，内腔呈圆柱形且在放置好后轴向平行于竖直方向。炉衬2用于对金属进行精炼的熔炼炉的炉壁，选用铜铁合金熔炼时所需的硅酸盐制成。

中间包10是熔炼中用到的一个耐火材料容器，能接受从炉体1浇下来的熔体3，然后再由中间包10上的漏孔11分配到结晶器中去。本发明所述的中间包10设置在炉体1的上端，且与炉体1连通，当熔炼炉向中间包10方向倾斜时，炉体1内的熔体3会流入中间包10内，通过漏孔11流出。其中，中间包10内壁上也覆盖有炉衬2。

本发明设计的大气条件下易氧化合金的熔炼净化装置，充分考虑了在大气熔炼易氧化合金时容易吸气的现象，采用可相对旋转的第一盖板41和第二盖板42，盖板上覆盖有覆盖剂5，可有效隔绝氧气，同时在浇铸时，可往上提起过滤盖板4，将过滤盖板4下方保持在氧气含量较低的环境，减少熔体3吸气现象，也具有将熔炼渣和熔体3分离，达到净化的功能；此外，该熔炼净化装置还设有通气管8，可在熔炼过程中通入氩气等保护气，达到进一步除氧的效果。

本发明另一实施例提供了一种大气条件下易氧化合金的熔炼方法，采用上述所述的大气条件下易氧化合金的熔炼净化装置，包括以下步骤：

S1、将熔炼炉烘干处理，装入易氧化合金原料，将拉压杆9、旋转把手6、压板7、过滤盖板4以及通气管8组装成施压执行组件，将施压执行组件与熔炼炉装配，拉压杆9连接施压设备，通气管8连接保护气瓶，在过滤盖板4上放置覆盖剂5；

S2、通入保护气，将熔炼炉通电进行熔炼，在易氧化合金原料融化成熔体3后，启动施压设备，通过拉压杆9带动过滤盖板4向下移动至与熔体3相接触，使覆盖剂5完全覆盖熔体3，调整熔炼炉功率和保护气的流量，对熔体3进行精炼；

S3、再次启动施压设备，通过拉压杆9带动过滤盖板4向上移动至熔炼炉的中间包10位置，倾斜熔炼炉，使熔体3流向中间包10，并通过中间包10上的漏孔11流出，进行下引连铸步骤。

具体地，步骤S1包括：

S11、将炉衬2覆盖在炉体1以及中间包10的内壁上，并进行长时间的烘干处理；

S12、将除油、清洗和烘干后的易氧化合金原料(如电解铜块、纯铁块)放入熔炼炉中，并确保易氧化合金原料的装载高度不超过熔炼炉内腔高度的2/3；

S13、将拉压杆9的一端与压板7中心的通孔、旋转把手6、第一盖板41、第二盖板42分别通过螺纹连接，拉压杆9的另一端与施压设备连接，在施压设备的带动下将第一盖板41和第二盖板42组成的过滤盖板4在熔炼炉中上下升降；

S14、将连接有压板7、旋转把手6、过滤盖板4的拉压杆9插入熔炼炉中，此时拉压杆9在外力的作用下保持在熔炼炉的上部，不与易氧化合金原料接触；

S15、将通气管8的一端通过拉压杆9的上端小孔插入并延伸至熔炼炉底端，与易氧化合金原料接触，密封好入口，通气管8的另一端与氩气等保护气瓶连接；

S16、将覆盖剂5均匀的撒在过滤盖板4上，覆盖剂5的厚度为80-120mm，覆盖剂5为熔炼易氧化合金特定的硅酸盐覆盖剂5，不可含有碳。

具体地，步骤S2包括：打开保护气瓶，通入保护器，对熔炼炉通电，开始对易氧化合金原料(如电解铜块和纯铁块)加热，移动挡板，透过过滤盖板4上的观察口12，观察熔炼炉内部的熔化情况，看完后再用挡板盖住观察口12，并用覆盖剂5覆盖，待易氧化合金原料完全熔化后，通过拉压杆9将过滤盖板4向下移动至和熔体3的顶部相接触，适当加大保护气瓶的流量进行除气精炼，从观察口12取样进行温度检测和成分分析，适当调整熔炼炉的功率和保护气流量，此过程中确保熔体3完全淹没在覆盖剂5底部。

具体地，步骤S3包括：在精炼了适当时间后，启动施压设备，将过滤盖板4在拉压杆9的带动下向上移动，并同时加大保护气的通入量，进一步过滤盖板4拉升至中间包10与炉体1连接处最顶部的位置，保持通入大量的保护气；将熔炼炉向中间包10方向倾斜，使得熔体3进入中间包10，通过中间包10的底部漏孔11进入到结晶器中，进行下引连铸过程。

本发明提供的大气条件下易氧化合金的熔炼方法，通过采用特殊的熔炼净化装置，在过滤盖板4上放置覆盖剂5，利用施压装置带动过滤盖板4在熔炼炉内部上下移动，与熔体3自由结合和分离，从而不仅有效隔绝氧气，同时熔炼时，在保护气的配合下，往上提起过滤盖板4，将过滤盖板4下方保持在氧气含量较低的环境，减少熔体3吸气现象，将熔炼渣和熔体3分离，达到净化的效果，由此改善了大气环境下易氧化合金熔体3的质量。

进一步地，下步骤S3下引连铸步骤完成后，还包括步骤：

S4、将熔炼炉回正，转动把手，把手带动过滤盖板4的第一盖板41或第二盖板42转动，第一盖板41与第二盖板42交叠露出熔炼炉的加料口，重新装入易氧化合金原料，转动把手至过滤盖板4将加料口全遮挡，再次进入S2步骤，形成连续熔炼过程。

具体地，包括步骤：

S41、在浇铸完成后，将熔炼炉向背向中间包10的方向转动到炉体1轴向与竖直方向平行的位置，通过转动旋转把手6将第一盖板41转动到第二盖板42的顶部，露出加料口；

S42、快速加入新的易氧化合金原料，确保易氧化合金原料的装载高度不超过熔炼炉内腔高度的2/3；

S43、通过转动旋转把手6将第一盖板41转动至覆盖熔炼炉横截面，闭合加料口，接着按照步骤S16以及后续步骤进行，形成连续熔炼过程。

本发明提供的熔炼方法操作简单，通过可更换的过滤盖板4和拉压杆9，达到高效可靠地实现易氧化合金熔炼的过程，最大限度的进行了除氧和除渣，适合大规模工业化生产。

在上述实施例的基础上，下面结合大气条件下易氧化合金的熔炼方法，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1

本实施例提供了一种采用大气条件下易氧化合金的熔炼净化装置的熔炼方法，可用于熔炼低铁含量的铜铁合金，如Cu-5Fe，其中，熔炼温度为1350-1400℃，保护气体为氩气，氩气流量为20L/min，覆盖剂选用硅酸盐，覆盖厚度为100mm，其他步骤参照发明内容。

经过检测，采用实施例1的熔炼方法，实际的Fe含量为5.4％，含氧量93ppm，可满足大气熔炼下的品质要求。

实施例2

本实施例提供了一种采用大气条件下易氧化合金的熔炼净化装置的熔炼方法，可用于熔炼极易吸气的高铁含量的铜铁合金，如Cu-14Fe。熔炼温度为1400-1450℃，保护气体为氩气，氩气流量为25L/min，覆盖剂5选用硅酸盐，覆盖厚度为120mm，其他步骤参照发明内容。

经过检测，采用实施例2的熔炼方法，实际的Fe含量为13.5％，含氧量153ppm，可满足大气熔炼下的品质要求。

综上实施例，可以看出，本发明提供的一种大气条件下易氧化合金的熔炼净化装置及熔炼方法，可以熔炼低铁含量和高铁含量的铜铁合金，适用范围较广。

在此有必要指出的是，以上实施例仅限于对本发明的技术方案做进一步的阐述和说明，并不是对本发明的技术方案的进一步的限制，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。