復雜銅原料生產高品質黃銅技術與應用

梅 偉，李文針

（江西銅業集團銅板帶有限公司，江西 南昌 330000）

1 引言

在Cu-Zn系黃銅中，H65黃銅是具有應用價值的黃銅之一，具有良好的硬度、塑性、導電性、延展性等，具有明亮的金屬光澤，且具有較好的加工和成形性，廣泛應用于電子器件、視頻接口、拉伸制品、服裝紐扣、汽車散熱器等領域。因此，市場對H65合金帶的需求量較大，僅在珠江三角洲地區的深圳、東莞等地月均需求量都在3000t以上。近年來，越來越多的企業更加重視H65合金在接插件及沖壓件等領域的應用，并盡可能使用價格相對較低的銅基合金如H65合金替代原來使用的錫磷青銅制造儀表開關、接插端子等元器件［1］。

目前國內黃銅生產廠家仍然主要以電解銅板作為原材料，銅價上漲使生產成本越來越高。在此背景下，如何充分利用復雜銅原料進行生產并獲得質量優良的黃銅材料成為新的研究方向。我國雜銅原料市場廣闊，需求量大，且尚未制定詳細的分類標準，具有成分波動大、雜質含量高等特點。因此，急需開發針對這類“多組元、高雜質”復雜銅原料的熔煉、凈化及鑄造技術。北京科技大學專家團隊發明了廢雜黃銅熔煉制備易切削黃銅用除鐵精煉劑，實現了保鋅除雜和黃銅成分精確控制；寧波金田銅業集團公司開發了用黃雜銅生產黃銅棒的高效加工技術與設備；江蘇亨通精工金屬材料有限公司研究了復雜銅原料生產高品質光亮銅桿的關鍵技術與應用，生產出了高于國家標準的優質銅桿。

本文重點討論在環境不被污染的前提下，以復雜銅為主要原料，經分揀、除雜、凈化、打包、熔煉、鑄造等關鍵工藝再生成高品質黃銅。與常規電解銅的電能熱能的大量使用造成的資源浪費相比，將復雜銅原料作為再生資源直接利用，可減少復雜銅原料再次精煉的環節，使產品具有較高的性價比。

2 復雜銅原料熔鑄工藝

復雜銅原料生產高品質黃銅的工藝流程如下:除氣清渣劑→黃銅舊料→熔化（指針擺動但未噴火）→攪拌撈渣→成分分析、調整→升溫（指針擺動但未噴火）→靜置→轉爐→退火→剪切→成品［2］。

3 關鍵技術研究

復雜銅原料通常是由多種雜質金屬及非金屬等組成的混合體，要想將其加工成為高品質的黃銅，首先需要進行烘干處理去除混合物中的水分，再去除其中的非金屬雜質，防止高溫下產生刺激性氣體，對員工身體以及環境造成危害，然后，將原料中金屬雜質進行系統化去除，最終進行生產制備成品［3］。

3.1 H65熔鑄工藝

3.1.1 熔化工藝

（1） 加料順序 ：

紫銅原料生產時的加料順序：除氣清渣劑→鋅錠→電銅或紫銅舊料→熔化（指針擺動但未噴火）→攪拌撈渣→成分分析、調整→升溫（指針擺動）→靜置→轉爐。

黃銅原料生產時的加料順序：除氣清渣劑→黃銅舊料→熔化（指針擺動但未噴火）→攪拌撈渣→成分分析、調整→升溫（指針擺動但未噴火）→靜置→轉爐。

（2） 除氣清渣劑添加要求：加料前，在熔化爐內添加3kg。轉爐前，在保溫爐內添加1kg。

（3） 轉爐溫度控制：指針擺動后（但未噴火）,靜置2～3min轉爐。

（4） 熔體覆蓋：熔化爐和保溫爐采用氧化鋅覆蓋，厚度30～50mm。

（5） 保溫爐液面高度控制：按覆蓋劑表層距爐殼頂板間的距離進行控制。轉爐前，液面高度應控制在680～700mm；轉爐后，液面高度應控制在330～340mm［4］。

3.1.2 鑄造工藝

鑄造工藝參數見表1。

表1 鑄造工藝表

3.2 加入稀土元素提純黃銅

稀土元素在全世界軍工等重要行業的應用十分廣泛，是重要的戰略性物資。適量稀土元素的加入可以細化晶粒，使金屬組織更加致密，且擁有更加良好的沖擊韌性，在應用中不會輕易產生裂紋。但稀土加入過量會使黃銅中產生新的雜質，第二相析出，造成晶粒粗大，降低材料的使用性能。因此在使用復雜銅原料時添加含鑭、鈰等微量稀土元素到銅熔液中時，加入控制量在1～2 kg/t，并根據黃銅的最終用途適當調整加入量。另外，準確測量稀土添加劑，制成塊狀物加入并攪拌、靜置，利用稀土的除雜、變質和合金化的作用，能有效去除復雜銅原料中其他雜質，得到純凈的黃銅［5］。

3.3 雜質對加工工藝產品質量的影響

復雜銅原料的雜質元素含量遠高于電解銅。在廢銅絲中，一般會混合一些鋁細絲，鋁的去除難度也比較大。鋁元素易氧化特性雖然可以防止銅原料中的銅被氧化，但是鋁元素的增加，使黃銅中銅鋅合金中添加進了新的元素，使黃銅原有的力學性能發生了變化，造成了使用期間的不確定性［6］。

經實驗，得出一種優良的除鋁試劑，其成分如下: 硼酸鈉25%～30%、硅粉25%～35%、碳酸鈣25%～40%、活性炭粉10%～20%、活性炭粒度20目，其他原料的粒度100～150目。

利用該試劑生成的廢料蓬松質量輕，含銅量較低，再生黃銅中鋁含量明顯降低，含量在0.015%以內，并且制備和使用都符合產品要求，使用效果良好。

4 除渣除氣

使用除氣清渣劑對熔體進行除氣、清渣精煉時，因為加大了復雜銅原料的比例，在已有的投放標準（熔化爐1包、保溫爐1包）基礎上，熔化爐加大到2包，保溫爐不變。除了鐵、鉛、鎳外，鋁、硅等雜質元素也可能存在其中，雖然其含量滿足國標要求，但上述這些元素大都能與銅固溶，對鑄造或后續性能造成影響。

清渣劑中的物質蒸汽壓高，并隨著熔煉溫度的升高而增高。當接近自身沸點（1020℃），蒸汽壓超過大氣壓時，會有蒸汽泡逸出，由于銅合金液的沸騰和蒸汽泡逸出的攪動作用，使溶解在銅合金液中的氣體排出。而清渣劑中所含物質能與主要雜質元素的氧化物發生反應，生成低熔點、低比重的復鹽，受表面張力與氣泡的作用而上升到銅液表面，又能起到覆蓋銅液作用，防止二次吸氧。化學反應式如下：

清渣劑中主要元素成分見表2。

表2 清渣劑中元素化學成分

除氣清渣之后，產生的黃銅固體渣中含銅量有所減少（見圖1至圖4），在降低損耗的同時，還有助于清除爐壁掛渣、爐子縮口現象，從而提高熔銅效率。

圖1 渣體含銅（1包）

圖2 渣體含銅（2包）

圖3 精煉效果（保溫）

圖4 精煉效果（熔化）

上述工藝研究產業化之后，項目組對提供給客戶的H65產品的后續使用情況進行了跟蹤統計。2016年4月至2016年5月，市場反饋良好，證明使用復雜原料生產的H65合金帶材能夠滿足客戶使用要求，達到了產業化生產的目標。

5 結論

（1）同樣的復雜銅原料采用不同的除雜試劑、提純方法，可得到不同性能的高質量黃銅合金。

（2）通過對覆蓋劑和精煉劑的優選和研究，優化添加方式，將原料雜質進行有效去除，嚴格控制鋁鉛雜質含量，可產生性能優異的高質量銅合金。

（3）利用變頻控制以及高溫煙氣處理新技術，在不同的熔煉階段提供不同的風力，既能確保廢雜銅熔煉過程的煙(粉)塵濃度和二氧化硫濃度排放達到《工業爐窯大氣污染物排放標準》（GB 9078—1996）10二級要求，又能在實際生產中降低電耗。