真空熔炼氩气保护单晶连铸设备的研制及单晶铜制备.doc

硕士学位论文 摘 要 单晶连铸技术是将定向凝固与连续铸造相结合的一项新型材料近净成形加工技术在单晶连铸过程中，金属的净化是影响铸锭性能的一个重要因素同时，对单晶连铸各工艺参数的精确控制也是该技术的关键本文根据单品连铸技术的基本原理，设计并制造了一台横引式真空熔炼氩气保护单晶连铸试验设备，旨在全面提高金属材料熔炼保温过程中的纯度和对各工艺参数的控制精度在本试验设备上成功制各出巾６ｍｍ的单晶铜线材，并对试验制各的单晶铜线材的净化效果和性能进行了初步探讨和分析 自行设计并制造了一台横引式真空熔炼氩气保护单晶连铸试验设备，配备了真空熔炼保温系统以及工艺参数的ＰＬＣ控制系统成功实现了单晶连铸试验过程中由真空状态向氩气保护状态的平稳转变，确保了单晶连铸试验的顺利进行 在本试验设备上成功连铸出中６ｍｍ的单晶铜线材制各工艺参数为：铜液温度１１３５℃、铸型型口温度１１０８℃、连铸速度２０ｍＩｌｌ／ｍｉｎ、冷却距离２５ｍｍ和冷却水量６２ｌ／１１ 试验中制备出的单晶铜线材与熔炼前的原材料１＃电解铜相比，含氢量降低了６６．６７％，含氧量降低了７１．４３％，分别达到１ｐｐｍ和２ｐｐｍ；杂质总量降低８９．７７％；与实验室原单晶连铸试验设备制备的单晶铜相比，杂质总量降低了８５．８４％。

利用本试验设备制备的单晶铜铸棒的伸长率和断面收缩率分别比定向凝固多晶铜的伸长率和断面收缩率提高了８５．８５％和３４．７９％；抗拉强度和屈服强度分别降低１５．５２％和３１．４２％；电阻率降低ｌＯ．５％：证明本试验设备制备的单晶铜线材可以作为优质的深加工坯料和导体材料关键词：单晶连铸设备；金属净化；真空熔炼；氩气保护；单晶铜：性能 真空熔炼氩气保护单晶连铸设备的研制及单晶铜制各 Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｔｅｃｌｌｆｌｉｑｕｅ ｏｆ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａＳｔｉｎｇ ｏｆ ｓｉｎｇＩｅ—ｃｒｙｓｔａｌ ｍｅｔａｌｓ（ＣＣＳＣ），ｗｈｉｃｈ ｉｎｔｅＦａｔｅｓａｄＶａｎｃｅｄ ｄｉｒｅｃ曲ｎａｌ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｗ?椋?ｈｊ业 ｅ伍ｃｉｅｎｃｙ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｓｔｉｌｌｇ，ｉｓ ａ ｎｅｗｎｅ小ｎｅｔ—ｓｈａｐｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｅｃｈｌｌｉｑｕｅ．Ｉｎ ｍｅ ｃｏｕｒｓｅ ｏ￡ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａＳｔｉｎｇ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ—ｃｒｙｓｔａｌｍｅｔａｌｓ，ｔｈｅ ｐ嘣ｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅｔａｌｓ ｉｓ ａ１１ ｉｍｐｏｎａｌｌｔ ｆｈｃｔｏｒ ｗｈｉｃｈ ｃａＪｌ甜ｒｅｃｔ ｍｅ ｐｒｏｐｅｎｉｅｓ ｏｆｉｎｇｏｔｓ．Ａｔ ｍｅ ｓ锄ｅ ｔｉｍｅ，ａｃｃｕｒａ把ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｍｅ ｐｍｃｅｓｓ ｐ猢ｅｔｅｒｓ ｉｓ ａ ｋｅｙ ｏｆ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃａｓｔｉｎｇ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ—ｃｒｙｓｔａＩ ｍｅｔａｌｓ．Ｉｎ ｔＩｌｉｓ ｐａｐｅ ｒ，ｗｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａ１１ｄ ｍａｎｕｆｋｔｕ＿ｒｅｄ ａ ｓｅｔ ｏｆｈｏ血ｏＨｔａｌ ＣＣＳＣ ａｐｐａｒ咖ｓ １】１１ｄｅｒ ｔｌｌｅ ｃｏｎｄｍｏｎｓ ｏｆ ｖａｃｕｍ ｍｅｌｔ啦ａｎｄ ａｒｇｏｎ ｓｈｉｅｌｄａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｆ岫ｄ锄ｅｎ诅ｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｓｔｉｎｇ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ—ｃｒｙｓｔａｌ，ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｐｕｒｉ６ｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅｔａｌｓ ａ１１ｄ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ｐｍｃｅｓｓｐａｒ锄ｅｔｅｒＳ．Ｓｉｎｇｌｅ—ｃｒｙｓｔａｌ ｃｏｐｐｅｒ ｗｉｒｅｓ ６ｍｍ ｉｎ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｐｒｏｄｕｃ?澹?ｂｙ ｔｍｓａｐｐ跚ｌｍｓ．ｗｅ ｈａｖｅ ａＩｌａＩｙｚｅｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｐｕｒ试ｃａｔｉｏｎ ａ１１ｄ ｐｍｐｅｎｉｅｓ ｏｆ ｍｅ ｓｉｎｇｌｅ—ｃｒｙｓ诅１ｃｏｐｐｅｒ ｗｉｒｅｓ． Ａｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ＣＣＳＣ印ｐａｒａｔｕｓ ｕＩｌｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｍｏｎｓ ｏｆｖａｃｕｕｍ ｍｅｌｔｉｎｇ ａｎｄ ａ唱０ｎ ｓｌｌｉｅｌｄ ｉｓｓｅｌｆ＿ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａＩｌｄ ｍａｄｅ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｆｉｔｔｅｄ谢ｍ ｓｍｅｌｔｅｒ ｏｆ ｖａｃｕ啪ｍｅｌｔｉｎｇ ａＩｌｄ ｍｅ ｃｏｎ订ｏｌ ｂｙＰＬＣ ｆｏｒ ｐｍｃｅｓｓ ｐ黼ｅｔｅｒｓ．Ｔｈｅ Ｖａｃｕ啪ｍｅｌｔｉｎｇ ｉｓ ｔｒａｌｌｓｆｏｍｅｄ ｓｔｅａｄｉｌｙ ｔｏ ｔｈｅ ａ唱ｏｎ ｓｈｊｅｌｄａｎｄ ｉｔ ｅｎｓｕｒｅｓ ｍｅ ｅＸｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ ＣＣＳＣ． Ｓｉｎｇｌｃ—ｃｒｙｓｔａｌ ｃｏｐｐｅｒ ｗｉｒｅｓ ６Ⅱｕｎ ｉｎ ｄｉａｎｌｅｔｅｒ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｐｍｄｕｃｅｄ ｓｕｃｃｅｓｓｍｌｌｙ ｂｙ ｔｈｉｓｃＣｓＣ印ｐａｒａｔｕｓ．Ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｐａｒ锄ｅｔｅｒｓ ａｒｅ：ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｍｔ叫ｅ ｏｆ ｌｉ删ｄ ｃｏｐｐｅｒ ｉｓ ｌｌ ３５℃；ｔｌｌｅｍｏｕｌｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｓ １１０８℃；ｃａｓｔｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ｉｓ ２０ｍｍ／ｍｉｎ；ｔｈｅ ｃｏｏｌｉⅡｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｉｓ ２５ｍｍ；ｔｈｅｍｔｅ ｏｆｎｏｗ ｏｆｃｏｏｌｉｎｇ ｉｓ ６２№． Ｔｈｅ ｈｙｄｍｇｅｎ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｘｙｇｅｎ ｃｏｎｃｅｎｔｒａ廿ｏｎ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ—ｃｒｙｓｔａｌ ｃｏｐｐｅｒ ｗｈｉｃｈｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ｔｈｉｓ印ｐａｒａｔｕｓ ａｒｅ ｌｏｗｅｒ ６６．６７％ａ１１ｄ ７１．４３％ｔｈａｎ ｔ｝ｌｅ ｒａｗ ｃｏｐｐｃｒ，ａｃｌｌｉｅｖｅ ｌｐｐｍ趾ｄ ２ｐｐｍ；ｍｅ ｔｏｔａｌ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｍｐｌＩｒ时ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ—ｃｒｙｓｔａｌ ｃｏｐｐｅｒ ｗｉｒｅｓ ｉｓ ｌｏｗｅｒ ｂｙ８９．７７％ｔｈａｎ ｔ１１ｅ ｒａｗ ｃｏｐｐｅＬａｎｄ ｉｓ １０ｗｅｒ ｂｙ ８５．８４％ｔｈａＩｌ ｍｅ ｓｉｎｇｌｅ—ｃｒｙｓ诅１ ｃｏｐｐｅｒ ｗｉｒｅｓＷｈｉｃｈ ｐｍｄｕｃｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｆｏ加ｃｒ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｓｔｉｎｇ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ—ｃｒｙｓｔａｌ印ｐａｒａｔｌｌｓ， １’ｈｅ ｅｌｏｎｇａｄｏｎ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃｒｏｓｓ—ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ—ｃＩ了ｓｔａｌ ｃｏｐｐｅｒ ｉⅡｇｏｔｓ ｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙ ｔｈｊｓ印ｐａｒａｔｕｓ ａｒｅ ｈｊ曲ｅｒ ８５．８５％ａ１１ｄ ３４．７９％也ａＩｌ ｐｏｌｙｃｒｙｓ诅ｌ ｃｏｐｐｅｒ；Ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎ群ｈａｎｄ ｔｈｅ ｙｉｅｌｄ ｍｅｎ垂ｈ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ·ｃｒｙ咖ｌ ｃｏｐｐｅｒ ａｒｅ １０ｗｅｒｌ ５．５２％ａ１１ｄ ３ １．４２％ｔｈａｌｌ ｐ０１ｙｃｒｙｓｔａｌｃｏｐｐｅｒ；１１１ｅ ｅｌｅ商ｃａｌ ｒｃｓｉｓｔａＩｌｃｅ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ １０．５％．Ｉｔ ｉｓ ｔｎＪｅ血ａｔ ｔｈｅ ｓｉｎｇＩｅ－ｃｒｙｓｔａｌ ｃｏｐｐｅｒｗｈｉｃｈ ｐｍｄｕｃｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ａｐｐａｒａｎｌｓ ｉｔｌ ｔｌｌｉｓ ｐａｐａｃｒ ｃａｎ ｂｅｃｏｍｅ ｔｈｅ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｃｏｌｄ ｗｏ幽ｎｇ ｉｎｇｏｔｓａｎｄ ｃｏｎｄＩｌｃｔｉｖｅ ｎｌａｔｅｒｉａｌｓ．１（ｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｓｔｉｎｇ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ—ｃｒｙｓ诅ｌ ａｐｐａｒａｔｕＳ；ｒｎｅｔａｌｓ ｐ缸ｆｉｃａｔｉｏｎ；ｖａｃｕｕｍ ｍｅｌｔｉｎｇ；ａｒｇｏｎ ｓｈｉｅｌｄ；ｓｍｇｌｅ－ｃｒｙｓｔａｌ ｃｏｐｐｅｒ；ｐｒｏｐｅｎｙ ｌＩ 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担 …名：舻搿 Ｊ 吼少咿６月／７日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 本学位论文属于 ｌ、保密口，在一——年解密后适用本授权书 ２、不保密团 （请在以上相应方框内打“√”） 作者签名： 日期：弘口莎年 导师签名： 日期少形年 ‘，移 月月 ＞、／ 日曰 硕士学位论文 第１章绪论 二十一世纪，随着半导体技术、集成电路技术的快速发展和电子元器件的质量不断提升，使得对网络、通信、音视频设备和高清晰度电子产品的品质要求越来越高，必然要求零部件向小型化、精密型方向发展因此，作为信息传输神经的细线、薄箔、标板及电缆等材料的质量就显得曰益突出具有定向凝固组织或单晶组织的高纯优质铜杆，因为消除了横向晶界，没有偏析、夹杂和气孔等缺陷，在生产超微细铜丝、网络传输通讯数据线缆以及高保真音视频线缆等方面获得了广泛的应用…。

直径在０．０１２～０．０５ｍｍ之问的铜线称为超微细线超微细线在家电、计算机以及军工行业所用微电子产品方面拥有很宽的应用领域，主要用于制造微电子产品（如微型摄像机、微型电视、手表、数码相机、高精密仪器和医疗器械等）的电机线圈、振荡线圈、磁鼓线圈、电磁线圈及传输线等”１表１．１为从１９９９年到２０００年超微细线市场需求情况的统计数据而且平均每年以１２％的速度持续增长，预计在今后ｌＯ年内部分产品的需求量将达到现阶段的两倍以上 表１．１超微细线市场需求情况 用途 规格（ｍ） 需求量（吨／年） 磁头类 中０．０２０～０．０４０ １００ 继电器 中Ｏ．叭８～０．０４５ １６５ ＦＢＴ类 中０．０３０～０．０４０ １２０ 电声器什类 中０．０２５～０．０４５ １５０ 电子手表类 中Ｏ．０１４～Ｏ．０２０ １５ 其它元件 ≤巾０．０５ ２５０ 总计 ８００ 网络数据通讯线缆和高保真音视频线缆的需求量也与日俱增，１９９９年国内数据线缆市场容量约为８００万ｋｍ，２０００年达到１０００万ｋｍ，在２００５年超过１６００万ｋｍ”３据预测，二十一世纪初亚太地区将是网络信息发展的热点地区 随着信息时代的到来和我国信息产业的快速发展，用于网络信息传输的六类以上高性能数据传输线缆的市场容量必然以更快的速度发展，开发高质量铜材料，生产高性能数据传输线缆的市场前景将会非常广阔。

尽管采用单晶连铸技术生产的高质量铜线杆，具有较好的拉制超微细丝的性能，但在目前的生产工艺及制备条件下，铜杆的质量还受到一定的限制，尚不能完全满足市场的需求归纳起来，铜杆质量一般受以下两个因素的影响： （１）铜的纯度 铜杆生产中使用的阴极电解铜，杂质元素是不可避免的，这些元素含量很小 （一般其质量分数小于１０ｐｐｍ），但在铜杆的深加工过程中，特别是拉制超微细丝 真空熔炼氩气保护单晶连铸设备的研制及单晶制制备时，均表现出很大的影响，或者使深加工恶化，或者使深加工后的材料性能降低铜材中的超微量杂质元素（主要是Ａ１、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、０、Ｓ、Ｂｉ、Ｐｂ等）含量很小（小于几＿卜个ｐｐｍ），一般都是由阴极铜中带入，部分是由于熔炼工艺不当造成的随着电线电缆业的迅猛发展，铜杆的深加工（如拉制超微细丝）对铜杆质量的要求越来越高，在生产中发现尽管铜杆中的微量杂质元素在国家标准范围内，但是深加工性能仍然不好，如表现出“冷脆”，铜杆拉丝时塑性低、易出现裂纹等 因此，引进铜熔体净化工艺，开发带有净化装置的制各单晶铜的试验设备，具有非常重要的现实意义 （２）铜的组织结构 目前电缆行业拥有低氧铜杆的连铸连轧生产线，也有浸涂成型和上引法的无氧铜杆生产线，由于它们。