一种高纯铜锭的制备方法与流程

本发明涉及有色金属冶金，具体为一种高纯铜锭的制备方法。

背景技术：

1、6n铜锭（纯度99.9999%）凭借其超低杂质含量和优异的物理性能，在现代工业和高科技领域具有广泛用途：比如，用于7纳米及以下先进制程芯片的物理气相沉积（pvd）环节，形成高导电、低缺陷的集成电路互连层；制造直径低至18微米（约头发丝的1/3）的键合线，应用于芯片封装和高频磁力线材，提升信号传输稳定性；在核医疗设备和高能物理实验中，用于构建低本底辐射环境的关键组件。

2、现有6n铜锭的制备工艺主要为电子束精炼、真空感应熔炼等，而采用这些方法制备的高纯铜锭，一方面存在设备投资大、能耗高、效率低，不适用于工业化生产的情况，同时，受限于工艺限制，产品合格率较低。故开发一种可以稳定制备6n铜锭的方法显得尤为必要。

3、专利cn121519159a公开了一种制备6n高纯单晶铜锭工艺，该方案包括通过紫铜冷却底座控制石墨铸锭坩埚及石墨堵卸盘的升降移动，配合高温冶炼、保温搅拌和单向冷却等步骤，实现6n高纯单晶铜锭的直接制备。然而，该专利的技术方案主要针对单晶铜锭的制备，工艺过程涉及复杂的机械控制和多个温区的精确配合，设备配置较为复杂，生产操作的稳定性和一致性存在一定挑战。

4、专利cn117265591a公开了一种6n高纯铜锭的制备方法，该方案采用2n铜为原料，经两步电解一步熔炼的工艺路线，通过加入盐酸调整电解液中氯离子浓度及溶液预压滤处理，降低超高纯铜中银及其它杂质离子的含量，可使杂质元素总含量小于1.517ppm，主金属元素铜的含量高于99.999%。然而，该专利的技术方案工艺流程相对较长，需要经过两道电解工序和一道熔炼工序，工艺步骤较多，且对电解液成分的控制要求较高，在大规模工业化生产时工艺参数的稳定控制存在一定难度。

5、上述两个现有技术方案均为6n高纯铜锭的制备提供了有益的技术参考，但在工艺简化、设备投资、生产效率和产品稳定性等方面仍存在进一步改进的空间。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供了一种高纯铜锭的制备方法，旨在通过多段真空与加热程序控制，结合电磁搅拌净化与定向凝固技术，解决现有技术中设备投资大、能耗高、效率低、产品合格率较低的问题，实现6n铜锭的稳定制备。

2、包括以下步骤：

3、s10：将超高纯电解铜放置于石墨熔炼坩埚中，盖好石墨盖板，将石墨坩埚放置于电磁旋转熔炼炉中进行真空熔炼；

4、s20：首先启动真空机组，待炉内真空度低于0.1pa后，开始启动一段加热程序；

5、s30：待一段加热程序结束后，关闭真空机组，并缓慢向炉中注入氮气；

6、s40：待真空度达到2000pa后，启动水环式真空泵，维持炉内低真空，并启动二段加热程序和电磁搅拌器，对铜熔体进行电磁搅拌精炼；

7、s50：待二段加热程序结束后，关闭电磁搅拌器、水环式真空泵，停止注入氮气，再次启动真空机组；

8、s60：待炉内真空度低于0.1pa后，开始启动三段加热程序，同时将盛有铜熔体的石墨熔炼坩埚从加热区域以1-10mm/min的速度匀速拉出进行定向凝固，得到6n铜锭。

9、本发明采用超高纯电解铜作为原料，通过石墨熔炼坩埚进行真空熔炼，配合三段式加热程序和多段真空控制，并结合电磁搅拌精炼与定向凝固技术，可以在单次熔炼过程中实现对超高纯电解铜中低沸点组分和高熔点金属及不溶物杂质的有效脱除，从而提高铜锭的纯度，实现6n铜锭的直接制备。该方法工艺流程相对简单，设备配置较为精简，适合工业化批量生产，产品质量稳定，批次一致性好。

10、进一步地，s10步骤中使用的超高纯电解铜为硝酸体系电解出的6n高纯铜板产品。硝酸体系电解工艺能够有效去除铜中的铁、锌、铅、镍等常见杂质元素，电解得到的6n高纯铜板产品杂质含量极低，适合作为本方法的起始原料。通过采用硝酸体系电解出的6n高纯铜板产品作为原料，可以降低后续精炼工序的负担，有利于提高最终产品的合格率。

11、进一步地，电磁旋转熔炼炉中所用的所有石墨件，包括石墨熔炼坩埚和石墨盖板，均为二次纯化后的，纯度大于99.9999%。石墨件在高温环境下可能与铜熔体发生反应，若石墨件纯度不足，会引入额外的杂质元素，影响最终铜锭的纯度。通过使用二次纯化后的高纯石墨件，可以避免在熔炼过程中从石墨材料中引入杂质，确保铜锭纯度达到6n要求。

12、进一步地，s20步骤中一段加热程序设置的温度为1250-1300℃，熔炼时间为1-2h。一段加热程序的主要功能是使超高纯电解铜完全熔化形成铜熔体，同时实现铜液的脱气除杂。在1250-1300℃的温度范围内，铜液呈现良好的流动性，溶解在铜液中的氢、氧等气体杂质能够充分逸出，同时部分低沸点的微量杂质元素也能够在此阶段被去除。一段加热程序的温度设置低于铜的沸点（约为2562℃），避免铜液发生剧烈蒸发，确保熔炼过程的稳定性。熔炼时间设置为1-2h，能够保证铜液充分熔化和气体充分逸出，同时避免过长的保温时间导致能源消耗增加。

13、进一步地，s30步骤中向炉中缓慢注入氮气，注入速度应均匀可控。注入氮气的目的是在铜液表面形成惰性气氛保护层，防止铜液在后续工序中被氧化，同时为后续的低真空电磁搅拌精炼创造适宜的气氛条件。氮气注入应缓慢进行，避免气流过大导致铜液面波动，影响精炼效果。

14、进一步地，s40步骤中二段加热程序设置的温度为1100-1130℃，熔炼时间为1-2h，电磁搅拌精炼正反转次数控制在3-15次，转速为5-25r/min。二段加热程序的温度设置低于一段加热程序的温度，在1100-1130℃的温度范围内，铜液保持熔融状态，但表面张力较大，有利于电磁搅拌过程中形成规律的熔体流动。在该温度区间，高熔点金属杂质（如铁、镍、钴等）和不溶物杂质具有较大的密度差异，通过电磁搅拌产生的熔体循环流动，能够使这些杂质颗粒上浮至铜液表面形成浮渣，便于后续清除。电磁搅拌的正反转交替运行能够增强熔体的混合效果，搅拌转速控制在5-25r/min的范围内，既能保证良好的搅拌效果，又不会造成熔体剧烈飞溅。正反转次数控制在3-15次，能够在保证杂质上浮效果的同时，避免过度搅拌导致熔体与石墨坩埚壁发生接触，增加杂质引入的风险。

15、进一步地，s40步骤中启动水环式真空泵，维持炉内低真空状态。水环式真空泵能够在2000pa左右的低真空条件下稳定运行，配合氮气气氛，可以在铜液表面形成轻微的负压环境，有利于低沸点杂质元素的蒸发去除，同时避免熔体与空气直接接触发生氧化。低真空环境还能够降低电磁搅拌过程中熔体的氧化倾向，提高精炼效果。

16、进一步地，s50步骤中关闭电磁搅拌器和水环式真空泵后，停止注入氮气，再次启动真空机组，抽除炉内气体，使炉内真空度低于0.1pa。该步骤的目的是清除二段精炼过程中产生的浮渣和气体产物，同时为后续的定向凝固创造高真空环境。在高真空条件下，铜液中的残余气体杂质能够进一步逸出，提高铜锭的致密度和纯度。

17、进一步地，s60步骤中三段加热程序设置的温度为1150-1200℃。三段加热程序的温度设置略高于二段加热程序，但低于一段加热程序，在1150-1200℃的温度范围内，铜液保持良好的流动性，同时粘度适中，有利于定向凝固过程中晶体的有序生长。温度设置在铜的熔点（1084.62℃）以上足够的温度范围内，能够确保铜液完全处于熔融状态，避免凝固过程出现半熔融区，影响晶体结构。

18、进一步地，s60步骤中将盛有铜熔体的石墨熔炼坩埚从加热区域以1-10mm/min的速度匀速拉出，进行定向凝固。石墨熔炼坩埚的拉出方向为竖直向下的方向。定向凝固技术通过控制凝固方向，使铜液从坩埚底部开始逐渐向上凝固，形成定向生长的柱状晶组织。在凝固过程中，剩余的微量杂质元素富集在凝固前沿，最后凝固的部位杂质浓度相对较高，通过控制拉出速度，可以将高杂质富集区控制在铜锭的头部位置，便于后续切除，提高整体纯度。拉出速度控制在1-10mm/min的范围内，速度过快会导致凝固界面不稳定，晶体生长方向混乱；速度过慢则会影响生产效率。通过调整拉出速度，可以在晶体质量和生产效率之间取得良好平衡。

19、本技术对超高纯电解铜中的低沸点组分和高熔点金属及不溶物杂质进行有效脱除，从而提高铜锭的纯度，实现6n铜锭的直接制备。该方法采用多段真空与加热程序控制，同时将电磁搅拌净化与定向凝固技术相结合，可稳定生产6n铜锭，产品质量稳定。与现有技术相比，本技术的方法工艺流程较为简单，设备投资相对较低，能源利用效率较高，适合大规模工业化生产。

20、与现有技术相比较，本发明的有益效果为：

21、第一，工艺流程相对简单，仅需一次真空熔炼过程即可完成6n铜锭的制备，避免了现有技术中多道电解工序带来的工艺复杂性；

22、第二，设备投资相对较低，采用电磁旋转熔炼炉即可满足生产需求，无需购置昂贵的电子束熔炼设备；

23、第三，能源利用效率较高，三段式加热程序设计合理，充分利用了不同温度阶段的热能需求；

24、第四，产品质量稳定，通过电磁搅拌精炼和定向凝固技术的结合，能够有效去除杂质元素，批次一致性好；

25、第五，适合工业化批量生产，工艺参数窗口较宽，对设备精度要求相对较低，有利于降低生产成本。