CN101804448A - 铜包覆钢上引连铸方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铜包覆钢上引连铸方法及其装置，其关键在于将预热钢芯线从连铸炉底部进入，依次从炉内铜水中连续铸造包覆后再从连铸炉上部垂直拉出。钢芯线预热温度为600℃-700℃，铜水温度控制在1150℃-1110℃之间，钢芯线在铜液中包覆距离控制在8cm-17cm之间，连铸后的铜包覆钢芯线从炉内引出的速度为100-120m/min。同时本发明所述装置由于采用了熔化炉、保温炉与连铸炉相连接，从而能够对连铸炉起到很好的恒温作用，保证了产品的质量，另一方面，由于本发明设置有炉体升降装置，能够方便的将连铸炉中的铜水转移，从而便于维修。

Description

铜包覆钢上引连铸方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种同心度好、高导电率、高抗拉强度、耐腐蚀的电力架空线的生产方法及其装置，特别是将铜包覆于钢芯线上的方法和装置，属于复合材料制造领域。

背景技术

铜包覆钢(Copper clad steel wire，缩写为CCS)，是一种以优质碳素钢为芯体，以铜为表面包覆层，经加工成整体的多金属复合材料，它既具有钢的抗拉强度，又有铜的良好的导电性能和耐腐蚀性能。随着社会经济的不断发展，电网的负荷增加以及电源点的不断建设，系统容量也越来越大。相应各变电所的短路电流也越来越大，对于高压输电线路来讲，两端变电所进出线段的地线的热稳定问题也显得越来越重要，特别是对于挂有OPGW光缆的输电线路这一问题尤为突出。雷击断电线的事故较多，2005年我国21条500KV线路上共发生47次雷击事故，110～220KV线路总长量大，相对遭受雷击次数特大。2008年初，五十年最大雪灾，全国110～500KV的电网因冰风雪灾停运电力线路共35819条，停运的变电所共2003座，线路因灾倒塔8500基，塔杆损伤90％出现在挂有OPGW光缆一侧。这是因为国内没有价格适中、品质优良的铜包钢复合光缆，只能选用过粗单线、过大直径的铝包钢光缆的缺陷所致。

目前，国内生产铜包钢的方法有：铸造热压法、电镀法、铜带压接法、焊管包覆法、套管包覆法和水平连铸法等几种。这些方法虽可生产铜包钢，却都有明显的缺点：如其中的铸造热压法，工艺流程长，且材料利用率低，质量较难保证；铜带压接法，成本要高出15％-20％；电镀法因使用氰化物而公害严重，表面电镀液不易洗净而使铜变黑，最后形成洞孔；焊管包覆法和套管包覆法都因结合力差，难以获得满意效果。

使用热浸涂层水平连铸方法，即用一根较细(一般φ10-φ14)的冷钢芯杆，水平通过铜水池，使铜水与该移动的钢杆表面逐步凝固成为铸造状态的铜包钢杆。这种方法生产的铜包钢杆有如下缺点：

(1)钢芯杆移动的方向与铜水冷热对流的方向相垂直，钢芯杆表面周围温度不相等，表面吸热的能力就不相等。铜的包覆就不均匀，出现偏心。由于包覆铜层的偏心，就限制了产品拉拔的程度，直径小于1.8mm就会露钢。

(2)铜包钢杆因自身的重量和横卧在进出线模口上，在高速进线时，钢芯杆与铜包钢杆产生杂乱无章的振动，使逐步凝固的铸态组织产生偏心，同时加速了进出线模口下端的磨损，使铜包钢杆逐步出现不规则形态。要克服这一个缺点，就要适时更换模具，严重影响了生产能力。

(3)由于钢芯杆在铜水中浸泡的时间达6-8秒，在高温的铜水中的钢芯表面温度大于760℃时，会有部分磷离子释放到铜水中，污染了铜水，导致导电率急剧下降，使铜包钢的电气性能遭到破坏。

综上所述，依上述方法生产高抗拉强度、高导电率、耐腐蚀、小截面的铜包钢产品是不太合适的，而电力建设又急需该产品。因此如何对现有技术进行改进，提供一种能够克服现有技术缺点的生产方法与装置，是一个值得研究与解决的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种更节省、更快捷的方法生产出一种高强度、高导电率、耐腐蚀、抗雷击的电力导线和架空地线，且产品的品质有了较大的提高。

本发明的要解决的另一技术问题是根据生产该产品的需要，设计一套结构合理、自动化程度高、低碳节能、使用寿命长的上引连铸装置，该装置不仅能够保证生产出来的产品具有优良的品质，同时其巧妙的结构还保证了设备在维修也很方便，有利于提高生产效率。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种铜包覆钢上引连铸方法，包括钢芯线的预热步骤，其还包括以下步骤：将预热钢芯线从连铸炉底部进入，依次在炉内铜水中连续铸造包覆后再从连铸炉上部垂直拉出，所述连铸炉内铜水温度控制在1150℃～1110℃，钢芯线在铜水中浸涂包覆距离控制在8cm～17cm，所述铜包覆钢芯线从炉内引出的速度为100～120M/min。

作为本发明所述铜包覆钢上引连铸方法的一种优选方案，其中：所述钢芯线的预热温度控制在600℃～700℃。

作为本发明所述铜包覆钢上引连铸方法的一种优选方案，其中：所述连铸炉内的铜水液面高度控制在300mm～350mm。

作为本发明所述铜包覆钢上引连铸方法的一种优选方案，其中：所述连铸炉与保温炉连通，所述保温炉与熔化炉连通，保温炉控制并调节温度。

作为本发明所述铜包覆钢上引连铸方法的一种优选方案，其中：所述钢芯线预处理步骤还包括对抛光后的钢芯线进行超声波清洗。

为了实施所述铜包覆钢上引连铸方法本发明提供了如下装置：包括铜水预处理装置、钢芯线预处理装置、收绕装置，其特征在于：所述装置还包括熔化炉、保温炉及连铸炉，所述熔化炉、保温炉及连铸炉组装在同一框架式平台上，所述熔化炉与保温炉之间、保温炉与连铸炉之间通过导流槽连通。

作为实施所述实施铜包覆钢上引连铸方法的装置的一种优选方案，其中：所述保温炉与连铸炉之间设置有连铸炉阀门，熔化炉与保温炉之间的导流槽开设在两炉之间的下部，所述连铸炉的炉底高出保温炉的炉底，其导流槽开设在保温炉的中部与连铸炉的下部。

作为实施所述实施铜包覆钢上引连铸方法的装置的一种优选方案，其中：所述框架式平台一端置于炉体活动支撑点，另一端连接炉体升降装置，所述炉体升降装置上升时带动框架式平台向一侧倾斜。

作为实施所述实施铜包覆钢上引连铸方法的装置的一种优选方案，其中：所述熔化炉、保温炉的容积为连铸炉的3～5倍。

作为实施所述实施铜包覆钢上引连铸方法的装置的一种优选方案，其中：所述连铸炉内的模具外设置有陶瓷模口。

本发明所述方法，关键在于将预热钢芯线从连铸炉底部进入，依次从炉内铜水中连续铸造包覆后再从连铸炉上部垂直拉出。钢芯线预热温度为600℃-700℃，铜水温度控制在1150℃-1110℃之间，钢芯线在铜液中包覆距离控制在8cm-17cm之间，连铸后的铜包覆钢芯线从炉内引出的速度为100-120m/min。随着所生产产品的直径变化，可通过调节控制铜液温度，钢芯预热温度、连铸包覆距离和引出速度，使所生产出的产品达到预定的要求。同时本发明所述装置由于采用了熔化炉、保温炉与连铸炉相连接，从而能够对连铸炉起到很好的恒温作用，保证了产品的质量，另一方面，由于本发明设置有炉体升降装置，能够方便的将连铸炉中的铜水转移，从而便于维修。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明所述铜包覆钢上引连铸方法工艺流程示意图。

图2是本发明所述装置的结构示意图。

具体实施方式：

如图1和图2，其中1放线机，2钢芯线，3剥皮机，4拉丝机，5抛光机，6超声波清洗机，7预热及气体保护装置，8下导向轮₁，9校直机，10压紧机，11预热前铜板，12铜板加料机，13预热后的铜板，14熔化炉，15保温炉，16连铸炉阀门，17连铸炉，18连铸炉导入口，19下石墨模，20上石墨模结晶器，21水冷却装置，22铜包覆钢线，23上导向轮₁，24导管及气体冷却装置，25上导向轮₂，26上导向轮₃，27热轧轧辊，28上导向轮₄，29、收线机，30下导向轮₂，31下导向轮₃，32炉体升降装置，33摇臂座，34升降装置万向摇臂，35炉体活动支撑点，36炉体框架平台，37炉体底脚。

本发明铜包覆钢线上引连铸方法，将预热钢线从连铸炉底部穿入，依次从炉内下石墨模19，经过在两模之间吸热包覆铜液，然后从连铸炉顶部垂直引出，具体操作控制方法如下：

1、在其中心具有钢线作芯线2，用包覆材料以实际需要的厚度包覆在该芯材的周围，包覆材料是由纯铜板(含铜99.99％)构成。使用优质钢线作为芯线(2)的原因是为了符合电力架空导(地)线的要求，其特点是：同层单丝材料、弹性模量、温度系数、比热容等参数相等。还有铜与钢之间的热膨胀系数差小，表面不出现脱层、开裂、起泡等现象。

2、铜水预处理装置，将铜板加入预热炉加热，并清除铜板表面的水分及硫酸根离子等。在铜板预加热炉内稍加保护气体，从而使铜板不受氧化，加料机按指令把铜板放在预热炉辊道，在预热炉加热到300℃～400℃，然后用铜板加料机12液压推杆将铜板加入熔化炉。熔化炉设有装料口和扒渣口，装料口向上敞开，以便铜板连续加入，扒渣口用于清渣和填加木炭保温脱氧层。保温炉亦为工频炉，其作用主要是控制和稳定铜液温度，一般控制在1150℃～1110℃之间，氧含量控制在0.03％～0.05％之间。另一个功能是：控制炉内液面高度，在保温炉内装有液面探杆，用以控制液面高度。通过改变保温炉感应器的电压进行温度自动控制。

3、钢芯线2如图经放线机1、剥皮机3、拉丝机4、抛光机5、超声波清洗机6、预热及气体保护装置7、校直机9、压紧机10穿入连铸炉导入口18。由放线机1将钢芯线2进入剥皮机3，剥去氧化皮，经拉丝机4将芯线拉至需要的规格，再经抛光机5，抛光机由一台三组高速旋转的钢丝轮机和三组经压实的布轮组成，对钢芯线360度打磨抛光，使芯线表面清洁光亮，经超声波清洗机6再一次清洗，进入预热装置7这里有气体保护，再经下导向轮₁8、校直机9、压紧机10，从连铸炉17底部连铸炉导入口18垂直向上进入石墨模腔。进入下石墨模19与上石墨模结晶器20之间吸热包覆铜，再经上石墨模结晶器20向上垂直引出，后由水冷却装置21导管及气体冷却装置24进入热轧轧辊27进行第一次热轧，最后由收线机29收绕完成。

4、本发明的一体化可倾斜式连铸炉，是把熔化炉14保温炉15连铸炉17组装在同一活动的框架式平台36上，在熔化炉14保温炉15底部之间的位置设一炉体活动支撑点35，另一端平放在炉体底脚37上，在炉体底脚37内侧设一炉体升降装置32，在需要检修时，松开上导向轮₂25，炉体升降装置32升起，三个炉体向左倾斜15度～30度，连铸炉17内铜液将从导流槽回流到保温炉15，随即关闭连铸炉阀门16，炉体升降装置32下降，炉体复位，即可进行检修操作。在连铸炉外侧设一升降装置万向摇臂34，可以按需要进行手动或自动操作。在未开机时，通过调节升降装置万向摇臂34使炉内上下石墨模具紧密闭合，铜液不进入模腔；开机时，该装置向上升起，进入连铸状态。为了确保在连铸状态时需要的炉温1130℃±2.5℃时，炉内埋设测温探头。测温数据输送给感应器，感应器把信息传输给计算机管理系统，经计算机处理后，给升降装置万向摇臂34下达指令，适时调节包覆距离，修正生产速度，使得铜液温度、铜芯预热温度包覆距离、生产速度四者协调一致。连铸炉17如图1内铜液应保持一定的高度。熔化炉14、保温炉15的容积约为连铸炉17的四倍，熔化炉14、保温炉15的底部在同一水平线上，导流槽开口在两炉之间的下部，用以分离铜液中的杂质，连铸炉17的炉底则高出保温炉15约20％，导流槽开口在保温炉15中部与连铸炉17的下部。当在熔化炉14加入整块新料和生产速度较快、耗用铜液较多时，由于有了保温炉的控温作用，所以对铜液的温度影响不大，能够将连铸炉温差变化控制在±1％左右。本发明所述连铸炉，用高密度石墨做模具，具有耐高温、耐磨损的特点，在模具的下口，装有陶瓷导入口，导入口的上端内径与穿入的钢芯线外径一致；上口陶瓷模与结晶器相互配合，其内径等于铜包覆钢线的外径，陶瓷模口对石墨模具起保护作用。

5、研发铜包覆钢电力架空导(地)线，产品目标明确，根据GB-T7424.4-2003光纤复合架空地线国家标准规定，选定其导电率为30％～40％I ACS范围。那么，我们就要做出一系列方案进行优化，选择最优方案。只需包覆一次，就能达到导电率为30％～40％I ACS的要求，其相关参数如下：铜水液面高度300mm～350mm，包覆距离8cm～17cm，铜液温度控制在1150℃～1110℃之间，生产速度为100～200m/min。其理由如下：

(1)设定铜水液面高度在300mm～350mm之间，首先是利用铜液压差提高铜的包覆质量，其次是生产速度为100～120m/min，铜液温差控制在1150℃～1110之间，生产效率高。

(2)设定包覆距离为8cm～17cm之间。包覆距离与钢芯杆预热温度、生产速度、铜液温度密切相关。距离短，铜包覆量不充分，出现脱包现象；距离长，使得钢芯杆在铜水中停留时间长，部分磷离子释放污染铜水。

假定预热温度为600℃，生产速度为120m/min，炉内温度1130℃±2.5℃时，包覆距离则选择17cm；预热温度为700℃时，生产速度为100m/min，炉内温度1130℃±2.5℃时，包覆距离8cm。

在炉内装有测温装置、液面探杆等，与感应器相连，感应器将相关数据输入计算机，由计算机处理后，给各调节装置下达指令，对钢芯杆预热温度、生产速度、包覆距离、炉内温度适时进行微调，让生产始终处于最佳状态。

在生产大截面(上限17mm)，大导电率(上限80％IACS)时，除进行上述调节之外，还要在产品第一次包覆引出炉后进行热轧，以增强铜与钢的金属结合。

6、一体化可倾斜式连铸炉，未开机时，通过安装在连铸炉17外侧的升降装置万向摇臂(34)使炉内石墨模具准确闭合，铜液不进入模腔；开机时，升降装置升起，控制覆铜距离，进入连铸状态。检修时，一体化炉体升降装置32从连铸炉底部一侧将炉子整体顶起，倾斜15°-30°，铜液从连铸炉经导流槽回流到保温炉15，然后关闭连铸炉阀门16，再将炉体复位

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种铜包覆钢上引连铸方法，包括钢芯线的预热步骤，其特征在于还包括以下步骤：将预热钢芯线从连铸炉底部进入，依次在炉内铜水中连续铸造包覆后再从连铸炉上部垂直拉出，所述连铸炉内铜水温度控制在1150℃～1110℃，钢芯线在铜水中浸涂包覆距离控制在8cm～17cm，所述铜包覆钢芯线从炉内引出的速度为100～120M/min。

2.根据权利要求1所述的铜包覆钢上引连铸方法，其特征在于：所述钢芯线的预热温度控制在600℃～700℃。

3.根据权利要求1所述的铜包覆钢上引连铸方法，其特征在于：所述连铸炉内的铜水液面高度控制在300mm～350mm。

4.根据权利要求1所述的铜包覆钢上引连铸方法，其特征在于：所述连铸炉与保温炉连通，所述保温炉与熔化炉连通，所述保温炉控制并调节连铸炉温度。

5.根据权利要求1所述的铜包覆钢上引连铸方法，其特征在于：所述钢芯线预处理步骤还包括对抛光后的钢芯线进行超声波清洗。

6.一种实施权利要求1所述铜包覆钢上引连铸方法的装置，包括铜水预处理装置、钢芯线预处理装置、收绕装置，其特征在于：所述装置还包括熔化炉(14)、保温炉(15)及连铸炉(17)，所述熔化炉(14)、保温炉(15)及连铸炉(17)组装在同一框架式平台(36)上，所述熔化炉与保温炉之间、保温炉与连铸炉之间通过导流槽连通。

7.根据权利要求6所述的实施铜包覆钢上引连铸方法的装置，其特征在于：所述保温炉(15)与连铸炉(17)之间设置有连铸炉阀门(16)，熔化炉与保温炉之间的导流槽开设在两炉之间的下部，所述连铸炉的炉底高出保温炉的炉底，其导流槽开设在保温炉的中部与连铸炉的下部。

8.根据权利要求6所述的实施铜包覆钢上引连铸方法的装置，其特征在于：所述框架式平台(36)一端置于炉体活动支撑点(35)，另一端连接炉体升降装置(32)，所述炉体升降装置上升时带动框架式平台向一侧倾斜。

9.根据权利要求6所述的实施铜包覆钢上引连铸方法的装置，其特征在于：所述熔化炉、保温炉的容积为连铸炉的3～5倍。

10.根据权利要求6所述的实施铜包覆钢上引连铸方法的装置，其特征在于：所述连铸炉内的模具外设置有陶瓷模口。

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