專利名稱：一種制備高純銅的裝置與方法
一種制備高純銅的裝置與方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于新材料制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種高純銅制備的裝置與方法。
技術(shù)背景
高純銅(指銅的純度為5N-6N，即99. 999% -99. 9999% )所含的雜質(zhì)非常少，因而 具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性及優(yōu)良的加工性能，在濺射靶材、耐疲勞電纜、集成電路 行業(yè)、柔性電纜、超微細(xì)漆包線等許多方面有廣泛的應(yīng)用。
高純銅的傳統(tǒng)提純技術(shù)主要有電解精煉法、陰離子交換法和區(qū)熔精煉法。電解法 是通過反復(fù)電解高純銅以去除P、Bi、Sb、As、Fe、Ni、Pb、Sn、S、Ζη、0等雜質(zhì)元素，但電解法 耗能較高，污染環(huán)境，工藝復(fù)雜，如提純5N-6N高純銅需要7-10天，而且質(zhì)量也不穩(wěn)定。陰 離子交換法指通過離子交換除去銅溶液中的雜質(zhì)離子，然后蒸干溶液得到高純的CuCl2，對(duì) 其進(jìn)行還原，便可以得到高純銅。此工藝復(fù)雜，不利于環(huán)保且質(zhì)量不穩(wěn)定。區(qū)熔精煉法自 1955年發(fā)展起來，其提純原理是使金屬凝固點(diǎn)降低的雜質(zhì)，將隨熔區(qū)前進(jìn)的方向移動(dòng)，而 使金屬凝固點(diǎn)升高的雜質(zhì)，將隨熔區(qū)前進(jìn)的反向移動(dòng)，經(jīng)過多次區(qū)熔，金屬中的兩類雜質(zhì)將 分別集中在金屬料錠的兩端，而其余部分將被純化。目前區(qū)熔精煉法仍然被用來制備高純 材料，但此工藝能耗較高，效率低。為此，一些學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)開始研究其它制備高純銅的 方法。
中國專利《一種制備超純銅的方法》，專利號(hào)ZL 200810097398. X，是中國金川公司 采用硝酸體系電解、電子束熔煉相結(jié)合制備6N高純銅的方法。其特點(diǎn)是以6N電解銅板為原 料，經(jīng)過電子束熔煉獲得6N高純銅錠，滿足銅濺射靶材的要求。采用輝光放電質(zhì)譜法一一 GDMS分析18種雜質(zhì)元素，采用減量百分含量計(jì)算高純銅的純度。
英國、日本及韓國學(xué)者在2009年《Metals and Materials hternational》期刊上 發(fā)表了《impurity behavior in Cu refined by Ar plasma-arc zone melting》(vol. 15, No. 5，pp. 753-757)論文，其關(guān)鍵技術(shù)是采用氬氣等離子弧區(qū)熔提純銅，經(jīng)過10次提純獲得 了 5N高純銅。
日本專利“高純度銅的制造方法，特開平4-365888”和日本專利“高純度銅的制造 方法，特開平6-173063”，采用電解制備6N電解銅的方法。其陽極為電解銅，陰極套隔膜袋， 采用離子交換的方法除去電解液中雜質(zhì)元素，提純電解液，電解產(chǎn)業(yè)6N(99. 9999% )高純 電解銅板。
另外，專利號(hào)為“特平2-61085”的日本專利公開了一種采用兩步電解法進(jìn)行電解 精煉、區(qū)域熔煉制備高純銅的方法。
在目前已有的高純銅的生產(chǎn)方法中，采用電解法污染環(huán)境、生產(chǎn)成本高、能耗高； 溶液凈化采用化學(xué)沉淀、離子交換等方法凈化，工藝冗長，操作復(fù)雜；產(chǎn)品形式單一，以電解 板的形式存在，產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)較大，特別是氧含量不易降低，難以滿足特殊要求。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)上述已有技術(shù)中存在的不足，提供一種以4N電解銅(純度為 99. 99% )為原材料，經(jīng)過電子束熔煉直接半連續(xù)定向凝固鑄造工藝，制備銅濺射靶材的裝 置和工藝。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是
將電解銅板放入預(yù)處理裝置中，施加超聲波清洗；在電子束熔煉直接半連續(xù)定向 凝固鑄錠裝置中進(jìn)行電磁精煉、提純，經(jīng)過多次提純直接獲得高純銅錠。
本發(fā)明制備高純銅的裝置包括電子束熔煉裝置、電磁凈化裝置和半連續(xù)定向凝固 鑄錠裝置。電子束熔煉、電磁凈化和半連續(xù)定向凝固之間無縫連接，提高精煉效率。
電子束熔煉裝置包括電子槍、視頻觀察裝置和進(jìn)料機(jī)構(gòu)。電子槍可產(chǎn)生高能量密 度電子束轟擊銅料直至熔化。視頻觀察裝置可以實(shí)時(shí)觀察并記錄銅錠和坩堝內(nèi)的熔煉狀 況，有助于熔煉工藝改進(jìn)。進(jìn)料機(jī)構(gòu)可將銅錠或銅板懸空夾持，并按預(yù)定速度進(jìn)料。夾持頭 大小可調(diào)，必要時(shí)可以夾持多個(gè)鑄錠以增大熔煉量。
電磁凈化裝置的電磁精煉爐內(nèi)安放有高純石墨坩堝，熔化后的銅液落入高純石墨 坩堝內(nèi)進(jìn)行電磁凈化精煉和定向凝固。定向凝固過程引起的對(duì)流可以有效減小固液界面前 沿的雜質(zhì)富集層厚度，提高雜質(zhì)偏析速度。
本發(fā)明涉及的高純銅提純方法包括以下步驟
步驟一將工業(yè)陰極銅板施加超聲波清洗，用去離子水沖洗并烘干。
步驟二 將處理過的工業(yè)陰極銅板懸空夾持在電子束爐的進(jìn)料機(jī)構(gòu)中；抽真空至 10_2 10’a時(shí)，啟動(dòng)電子槍轟擊銅錠，熔化后的銅液直接滴入電子束爐的電磁凈化精煉爐 中的高純石墨坩堝內(nèi)；電磁凈化精煉后，加大冷卻托盤中的冷卻水量，坩堝隨電子束爐的牽 引桿降入定向凝固區(qū)域，得到定向凝固銅錠。
步驟三將步聚二獲得的鑄錠去除頭尾和表皮，再次夾持在電子束爐的進(jìn)料機(jī)構(gòu) 中，重復(fù)步聚二進(jìn)行再次提純。為獲得純度在6N以上的高純銅錠，可以重復(fù)步驟三。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是提高高純銅錠的制備效率、降低氧含量，且能有效避免對(duì)環(huán)境的 污染。


圖1是電子束熔煉直接半連續(xù)定向凝固鑄錠裝置。
圖中1電子槍；2視頻觀察裝置；3銅板/銅錠；4進(jìn)料機(jī)構(gòu)；5電磁精煉爐；6高純 石墨坩堝；7銅熔體；8冷卻托盤；9牽引桿。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合技術(shù)方案及附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實(shí)施例。
實(shí)施例1
電子槍1選用可偏轉(zhuǎn)的間熱式二級(jí)槍，實(shí)現(xiàn)了懸空夾持的銅錠和坩堝內(nèi)的銅熔體 兩工位熔煉。
視頻觀察裝置2由攝像頭、閃頻機(jī)構(gòu)和顯示屏組成，實(shí)時(shí)觀察并記錄銅錠和坩堝 內(nèi)的熔煉狀況。
進(jìn)料機(jī)構(gòu)4將銅錠或銅板3懸空夾持，進(jìn)料機(jī)構(gòu)的進(jìn)料速度為0 50mm/min連續(xù)可調(diào)。
電磁精煉爐5以石墨發(fā)熱體為熱源，外側(cè)采用保溫隔熱材料和不銹鋼為壁，內(nèi)部 由高純石墨與高純石墨坩堝6隔離，電磁精煉爐5的溫度范圍為1100 1550°C。石墨發(fā)熱 體對(duì)銅熔體具有電磁力作用，使導(dǎo)電率小于銅熔體的金屬和非金屬雜質(zhì)富集在表皮。
半連續(xù)定向凝固鑄錠裝置的定向凝固冷源及牽引裝置由冷卻托盤8和牽引桿9組 成，材質(zhì)為無磁性不銹鋼。冷卻托盤和牽引桿內(nèi)部通循環(huán)冷卻水，并與牽引電機(jī)相連，可實(shí) 現(xiàn)鑄錠的勻速下降，下降速度可在10 1000mm/h之間連續(xù)調(diào)整。通過控制定向凝固冷卻 托盤的冷卻速度以及牽引桿的下降速度，可以控制熔體中晶體的生長速度；與電磁精煉爐 復(fù)合作用，可以控制熔體中固液界面保持平面狀態(tài)，從而得到垂直生長的柱狀晶組織
實(shí)施例2
工業(yè)銅板經(jīng)超聲波加丙酮溶液清洗后，再用去離子水沖干凈后烘干；將處理過的 銅板3利用進(jìn)料機(jī)構(gòu)4夾持，在高真空條件下由電子槍1熔化，直接滴入電子束爐的高純石 墨坩堝6中，并在1150°C保溫20分鐘，在電磁精煉和加熱爐5中進(jìn)行電磁凈化精煉，使雜 質(zhì)元素充分分離。進(jìn)料機(jī)構(gòu)4的進(jìn)給速度是2mm/min ；加大電子束爐的定向凝固冷卻托盤8 冷卻量，電子束爐的高純石墨坩堝6隨電子束爐的牽引桿9降入電子束爐的半連續(xù)定向凝 固裝置，凝固速度為1. Smm/min，制得直徑59mm的高純銅鑄錠。經(jīng)分析含量較高的前22種 雜質(zhì)元素，減量百分含量的純度為5N至6N。高純銅鑄錠具有垂直生長的、粗大的柱狀晶。
實(shí)施例3
工業(yè)銅板經(jīng)超聲波加丙酮溶液清洗后，再用去離子水沖干凈后烘干；將處理過的 銅板利用進(jìn)料機(jī)構(gòu)4夾持，在高真空條件下由電子槍1熔化，直接滴入電子束爐的高純石墨 坩堝6中，并在1200°C保溫20分鐘，使雜質(zhì)元素在電磁力作用下充分分離。進(jìn)料機(jī)構(gòu)4的 進(jìn)給速度是2. Omm/min ；加大電子束爐的定向凝固冷卻托盤8冷卻量，電子束爐的高純石墨 坩堝6隨電子束爐的牽引桿9降入二次半連續(xù)定向凝固區(qū)域，凝固速度為1. 5mm/min，制得 直徑59mm的高純銅鑄錠。經(jīng)分析22種含量較高的雜質(zhì)元素，減量百分含量的純度為5N至 6N。高純銅鑄錠具有垂直生長的、粗大的柱狀晶。
權(quán)利要求
1.一種制備高純銅的裝置，該裝置包括電子束熔煉裝置、電磁凈化裝置和半連續(xù)定向 凝固鑄錠裝置，其特征在于電子束熔煉裝置包括電子槍(1)、視頻觀察裝置( 和進(jìn)料機(jī)構(gòu)；電子槍產(chǎn)生高 能量密度電子束轟擊銅料直至熔化；視頻觀察裝置實(shí)時(shí)觀察并記錄銅錠和坩堝內(nèi)的熔煉狀 況；進(jìn)料機(jī)構(gòu)(4)將銅錠C3)懸空夾持，并按預(yù)定速度進(jìn)料，夾持頭大小可調(diào)，能夠夾持多個(gè) 鑄錠；電磁凈化裝置的電磁精煉爐(5)內(nèi)安放有高純石墨坩堝(6)，熔化后的銅液落入高純 石墨坩堝內(nèi)進(jìn)行電磁凈化精煉和定向凝固；電子束熔煉裝置、電磁凈化裝置和半連續(xù)定向凝固裝置之間無縫連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征還在于，電子槍(1)選用可偏轉(zhuǎn)的間熱式二級(jí)槍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征還在于，視頻觀察裝置(2)由攝像頭、閃頻機(jī)構(gòu) 和顯示屏組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征還在于，電磁精煉爐(5)以石墨發(fā)熱體為熱源， 外側(cè)采用保溫隔熱材料和不銹鋼為壁，內(nèi)部由高純石墨與高純石墨坩堝(6)6隔離。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征還在于，半連續(xù)定向凝固鑄錠裝置的定向凝固 冷源及牽引裝置由冷卻托盤(8)和牽引桿(9)組成，材質(zhì)為無磁性不銹鋼。
6.利用權(quán)利要求1、2、3、4或5所述裝置制備高純銅的方法，其特征包含以下步驟步驟一將工業(yè)陰極銅板施加超聲波清洗，用去離子水沖洗并烘干；步驟二 將處理過的工業(yè)銅板懸空夾持在電子束爐的進(jìn)料機(jī)構(gòu)(4)中；抽真空至 10_2 KT3Pa時(shí)，啟動(dòng)電子槍(1)轟擊銅錠(3)，熔化后的銅液直接滴入電子束精煉爐內(nèi)的 高純石墨坩堝(6)中；銅錠完全熔化后在電磁精煉爐(5)中進(jìn)行電磁凈化精煉；精煉完畢 后，由電子束爐的牽引桿(9)牽引降入電子束爐的半連續(xù)定向凝固區(qū)域，得到高純銅鑄錠；步驟三重復(fù)步驟二，獲得純度在6N的高純銅錠。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制備高純銅的裝置與方法，屬于新材料制備技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明制備高純銅的裝置包括電子束熔煉裝置、電磁凈化裝置和半連續(xù)定向凝固鑄錠裝置。電子束熔煉、電磁凈化和半連續(xù)定向凝固之間無縫連接，提高精煉效率。制備時(shí)，首先將陰極銅清洗后，去除暴露表面的主要雜質(zhì)元素；然后經(jīng)由電子束熔煉、電磁凈化和直接定向凝固去除雜質(zhì)；最后獲得具有均勻柱狀凝固組織的高純銅鑄錠。本發(fā)明所涉及的方法，具有工藝穩(wěn)定、成本低廉、無污染、設(shè)備操作方便等優(yōu)點(diǎn)，所制備的高純銅鑄錠組織均勻、無裂紋、無氣孔，適用于制備濺射靶材、集成電路等部件材料。
文檔編號(hào)C22B15/14GK102031394SQ20101060845
公開日2011年4月27日 申請(qǐng)日期2010年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月27日
發(fā)明者付亞波, 劉寧, 盧一平, 李廷舉, 陳潔 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)