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铬青铜在矿热电弧炉电极铜瓦中的应用 (1)

铬青铜在矿热电弧炉电极铜瓦中的应用

孟育时

摘　要　含铬质量分数为0.5%～1%的铬青铜是用作铸造生产各型矿热电弧炉电极铜瓦的理想材料。铬青铜铸造熔炼时禁止使用P-Cu脱氧，采用Al-Cu和Mg-Cu联合脱氧效果较好。加入晶粒细化剂能明显细化合金晶粒，提高合金的常温及高温力学性能。

关键词：铬青铜　禁用P-Cu　联合脱氧　细化剂

The Study and Application of Chromium-Bronze

in the Electrode Copper Bush of Are Furance

Meng Yushi

(Kunming Non-Ferrous Metal Casting Factory)

ABSTRACT:The 0.5%～1%Cr containing chromium-broze is an ideal material of casting the electrode copper bush of various arc furances. P-Cu alloy is forbidden to serve as the deoxidizer for the casting of chromium-bronze. Instead, the combined deoxidation of Al-Cu and Mg-Cu is better. The refining agent for the chromium-bronze can obviously refine the alloy grain and improve the alloy properties at room and hig temperatures.

Key Words:Chromium-Bronze, P-Cu Forbidden, Combined Deoxidation, Fining Agent

生产铁合金、电石、黄磷等厂家所用的矿热电弧炉电极铜瓦(又称颚板)是一种易损部件，电极铜瓦在电炉中担负着向电极传递强大电流和抱紧电极的作用，工作条件十分恶劣，周围环境温度高达400～800 ℃，受到高温炉气的侵蚀和电弧辐射的影响。所以要求制作铜瓦的合金必须要有高的导电率、好的高温抗氧化能力，而且铜瓦兼作把紧和压放电极的结构件，需要具有较高的强度。

选用电极铜瓦材料主要有锡青铜类(如ZCuSn6Zn6Pb3,ZCuSn3Zn7Pb5Ni1);黄铜类(ZCuZn4,ZCuZn10,ZCuZn20)和紫铜类(如T1,T2)。但所生产的铜瓦据用户反映和笔者现场了解，其使用效果均不尽如意，一般使用寿命只在1～6个月，而且经常因为铜瓦的爆裂、脱落使冶炼生产受到严重影响。

根据国外及国内已取得的对铬青铜的研究结果，通过多年实践，研究出了能满足矿热电弧炉电极铜瓦用的系列铬青铜合金及成功的熔炼工艺。本文仅对基本的铬青铜在铜瓦中的应用实践过程作简单的阐述。

1　合金成分范围选择及应用

北京冶金设备研究所郭小平［1］认为含Cr在0.5%～0.8%的铬铜合金，能从α固溶体中析出弥散分布于晶界的二次相，此二次相能大幅度提高合金强度同时对铜的导电性影响不大，超出此范围效果都不理想［1］。

根据国内外专家已取得的研究结果，分别对含Cr(质量分数/%)为0.2,0.4,0.5,0.6,0.8,1,1.2的铬青铜进行试验研究。

1.1　试验条件及方法

用20#石墨坩埚放入150 kg中频感应电炉内熔化合金，铬用自配含Cr为3%～5%的Cr-Cu中间合金加入。所用铜为1#电解铜(Cu≥99.95%),合金成分化验分析带标样进行。用高温热电偶，毫伏计测量合金温度。

配料时Cr烧损按30%计算，每一试样成分浇注合格试棒3根，分别测量其力学性能指标，然后对测得数据取算术平均值。

试棒在WE-30型万能材料试验机上测试、硬度在HB-3000型硬度试验机上测试。试棒高温性能测试在自制电阻加热装置上加热后，在WE-30型万能材料试验机上进行。金相观察在金相显微镜和扫描电子显微镜上进行。

1.2　合金熔炼工艺

(1) 将坩埚预热至500～600 ℃(呈暗红)，加入全部电解铜块；

(2) 铜开始熔化时(约1 100 ℃)加入质量分数3%脱水硼砂或稻草灰覆盖；

(3) 铜全部熔化后升温至1 300 ℃左右，加入质量分数为0.3%的P-Cu合金(含P约14%)脱氧，脱氧后静置2～5 min，然后分批加入经预热的Cr-Cu中间合金；

(4) Cr-Cu中间合金全部加完后将电炉功率降为熔化时功率的70%，保温30 min左右，当发现有微兰光焰从合金液面透出，说明Cr-Cu中间合金已全部熔化完，此时再加入质量分数为0.1%的P-Cu合金清洁合金［2］，并用石墨棒充分搅拌，在1 350 ℃左右浇注金属模试棒。

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1.3　试验结果及应用效果

织物整理剂由表1可见，当含Cr量在0.5%～1%范围时合金性能较好，超过1%后合金强度提高不明显，塑性明显下降，低于0.5%时合金强度、硬度均较低。于是选取含Cr在0.5%～1%的铬青铜作为矿热炉电极铜瓦材料，并投入生产试用。分别在1 800 kVA硅铁炉，2 500 kVA结晶硅炉和12 000 kVA电石炉铜瓦中试用，结果使用效果不太理想，使用不足3个月均出现问题，主要是铜瓦在使用中断裂、脱落。特别12 000 kVA电石炉用铜瓦(单重约350 kg)，出现断裂的情况尤为严重，在合金断裂处，断面晶粒呈粗大柱状晶，并向铜瓦圆弧的径向生长。

表1　铬青铜中铬含量与力学性能的关系

Table 1 The relation between the Cr content and

the properties of chromium-bronze

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Cr加入量	分析含量	抗拉强度	伸长率	HB
%	%	MPa	%	HB
0.28	0.20	236	21	85
0.57	0.43	284	18	87
0.71	0.49	287	17	90
0.86	0.56	312	15	92
1.10	0.82	336	10	101
1.43	0.97	338	11	105
1.71	视野图1.16	339	8	108

2　研究分析问题提出解决办法

2.1　问题的发现

在铜瓦断裂处取样进行成分分析，其结果是：wCr=0.52%,wP=0.04%,wFe=0.05%。

由图1可见，P是显著降低纯铜导电率的元素，0.04%的残余含P量可使铜的导电率下降26%左右［3］。

图1　微量杂质对铜导电性的影响(20 ℃)

Fig.1 The influence of trace impurity on the electric conductivity of copper

在铜瓦断裂处取样用扫描电镜观察金相组织，在合金晶界上发现存在大量气穴，如图2所示(图中圆形、椭圆形黑影部分为气穴)。这些大量气穴就是导致我们所生产铜瓦在高温电炉中使用时发生断裂，脱落的主要原因。铜瓦在高温使用时晶间气穴内的气体受热膨胀，当膨胀压力大于合金高温时的晶界强度，晶界气穴外壳便开裂，由于残余含P量使合金断口敏感性提高，故而晶界裂纹扩展彼此连接，并沿粗大柱状晶晶界迅速扩大，以致使铜瓦断裂、脱落而破损。

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图2　P-Cu脱氧合金晶界扫描电镜观察　×1 500

Fig.2 The SEM observation of P-Cu alloy grain boundary by　×1 500

在熔炼合金时，使用了铁质工具与合金直接接触，难免将Fe熔进合金中，杂质Fe使铜合金的晶粒变粗大，并按柱状晶方式生长。因此，避免或少用铁质工具，寻一种能有效细化晶粒，消除杂质Fe对铜合金的影响的物质也是解决问题的关键。

2.2　解决问题的办法

分析研究后，停止使用P-Cu对铬青铜脱氧，并在原合金基础上加入质量分数为1%的Zn,因为在纯铜中加入0.9%的Zn可使纯铜抗拉强度提高3倍而导电性只下降10%［1］。通过反复试验，最后发现用Al的质量分数为50%的AlCu合金和Mg质量分数为12%的Mg-Cu合金对合金联合氧效果较好，并到了一种对铬青铜十分理想的晶粒细化剂(或称变质剂)，其加入量为0.2%～0.4%,，晶粒AlCu合金细化效果见图3与图4。

本文发布于:2024-09-22 20:25:24，感谢您对本站的认可！

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