电子束真空精炼直接定向凝固制备高纯铜的实验过程
以电子束真空熔炼直接定向凝固技术制备5N 高纯铜大铸锭为研究目标, 利用电子束熔炼原材料, 熔体直接定向凝固后得到高纯铜铸锭。
高纯铜的传统提纯技术主要有电解精炼法、阴离子交换法和区熔精炼法。电解精炼法提纯5N-6N 高纯铜需要7- 10 天, 质量也不稳定。阴离子交换法工艺复杂, 不利于环保且质量不稳定。区熔精炼法仍然被用来制备高纯材料, 但是效率低、能耗高。为此, 一些学者和研究机构开始研究其它制备高纯铜的方法。绵阳国家表面物理化学实验室采用真空垂直区域熔炼精炼99.9% 铜, 使铜的纯度达到99.997%。文献报道了金川公司以4N 电解铜为原料, 制备pH 为2.0~ 3.5 的硝酸铜溶液, 获得6N 电解铜板, 再通过电子束熔炼使氧含量得到大幅度地降低, 制备出了6N 高纯铜铸锭, 然后金川公司采用电子束熔炼成功生产出纯度达到99.9999%、重量为25 kg 的超纯铜锭, 该技术是中国高纯铜生产的最高水平。文献报道了采用电解法生产出了8N 高超铜( 不含C、N、O、H、P、S 气体元素) , 生产周期为20 天, 但是高纯铜中较高的氧含量仍然无法去除。英国及日本的学者G.M. Lalev 等利用氢等离子弧经过10 次区域熔炼精炼4N 及6N 铜原料, 发现Si、Ti、Fe 的含量在x / L = 0.03 处明显降低。
迄今为止, 采用电子束熔炼直接定向凝固技术制备高纯铜铸锭报道还较少。在溅射靶材、电子及通讯行业, 纯铜铸锭中较高的氢氧含量则会影响产品的性能, 提高纯度和降低氢氧含量则显得尤为重要。电子束精炼和定向凝固技术具有去除杂质和氢氧含量的优点, 所以本文的研究具有重要意义。
本文采用4N 电解阴极铜板为原料, 经过电子束精炼和定向凝固制备技术提纯后, 研究了大尺寸铜铸锭的宏观组织、元素分布、晶粒取向和杂质浓度的变化。
电子束真空精炼直接定向凝固制备高纯铜的实验过程
高纯铜提纯的实验过程如图1 所示。首先, 将工业阴极铜板剪切后, 将表面清洗干净; 然后, 将清洗后的阴极铜板装入电子束熔炼炉的送料机构, 抽至高真空后, 进行电子束精炼, 熔化后的铜熔体落入定向凝固装置-石墨坩埚, 坩埚用石墨发热体实现保温, 底部通水实现冷却, 完成定向凝固过程。实验原料为4N( 99.9988711% ) 电解阴极铜板, 其成分主要计算了前22 种含量比较高的杂质元素( 不含C、N、O 三种元素) 。电子枪工作真空度5.10- 3 Pa,熔炼室工作真空度5.10- 2 Pa, 定向冷却水流量为370 L/ h, 保温15 min 后以1.8 mm/ min 速度向下牵引。
图1 电子束精炼直接定向凝固原理
钨铼热电偶测量石墨坩埚的温度, 杂质元素分析采用当前国际通用的GDMS-VG9000 分析仪( 辉光放电质谱仪) , 经分析含量较高的前22 种杂质元素,减量百分含量的纯度接近6N。氧氢含量在TCH600氧氢分析仪上测量, 执行GB/T14265-1993 和GB/T5121.8-1996。晶粒取向的研究采用XRD-6000, 杂质元素的偏聚研究使用了电子探针EPMA-1600。
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电子束真空精炼直接定向凝固制备高纯铜的研究
