CN102172813A - 一种中心冷却管用钢带制造方法和冷却管绕制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中心冷却管用钢带制造方法和冷却管绕制方法。本发明中心冷却管用钢带制造方法包括第一次退火、两次冷拔、第二次退火、酸洗、第三次冷拔、两次冷轧、第三次退火、再两次冷轧。冷却管绕制方法包括导带轮安装校正、绕制工装安装校正、冷却管外径测量工装安装调正、同步退扭装置安装校正、螺距校正、绕制、清洗。本发明制造的矩形钢带通条性好，而由此矩形钢带绕制中心冷却管外观完美，表面无侧面反向曲线，外径、螺距均匀，达到各种实际使用公差要求，连续绕制长度大，在未来聚变堆超导导体制造中有广泛应用，尤其，在目前7方合作的国际热核聚变反应堆（ITER）超导导体的R&D、预生产阶段已经得到实际应用。

Description

一种中心冷却管用钢带制造方法和冷却管绕制方法

技术领域

本发明涉及超导领域，尤其是超导套管导体用中心冷却管，具体为一种中心冷却管用钢带制造方法和冷却管绕制方法。

背景技术

中心冷却管（Central Cooling Spiral Tube）是超导套管导体(Cable In Conduit Conductor,简称CICC)的中心通道，如图2所示，用于通道中液氦与超导电缆的热交换以及释放超导导体失超时内部巨大的气压。广泛应用于各种Tokamak聚变堆超导约束磁体的构建中，鉴于超导缆绞制，超导导体穿缆以及导体热性能诸方面的苛刻要求，中心冷却管必须外径、螺距稳定均匀，外观无侧面反向曲线（即中心冷却管有向内收缩趋势，由外部观察矩形钢带呈凹形），连续绕制长度大。考虑到中心冷却管在4.2K、强磁场环境下使用，选用316L不锈钢材料，316L为顺磁性材料，并具有好的低温力学性能。

中心冷却管究其实质是一种异型弹簧管，限于以往绕簧技术和中心冷却管使用领域的局限，目前中心冷却管主要存在以下几方面缺陷：一、市场上购买不到成品中心冷却管，中心冷却管主要应用在核聚变约束磁体的构建中，潜在供应商不能享有巨大的市场份额；二、制造工艺不稳定，导致中心冷却管外径、螺距不均匀，达不到使用方的技术要求；三、绕制中心冷却管的矩形截面钢带（图1）在外形、硬度方面的通条性差，达不到中心冷却管绕制控制要求；四、中心冷却管的连续长度达不到实际使用要求，主要出于绕制过程中不断积累的扭矩得不到释放。

发明内容

本发明的目的是提供一种中心冷却管用钢带制造方法和冷却管绕制方法，以解决已有技术的工艺制造的中心冷却管用矩形钢带通条性差，达不到中心冷却管绕制控制要求的问题，并获得外观完美，外径、螺距均匀，表面无侧面反向曲线，连续长度大的中心冷却管。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种中心冷却管用钢带制造方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）第一次退火：将待加工的圆形截面的钢丝放入加热炉中，并加热至1100℃，保持30分钟后，然后自然冷却3小时；

（2）两次冷拔：将步骤（1）退火后的钢丝依次进行第一次、第二次冷拔，得到圆截面经过两次缩小的钢丝；

（3）第二次退火：将步骤（2）冷拔后的钢丝放入加热炉中，并加热至温度1100℃ ，保持 30分钟后，然后自然冷却3小时；

（4）酸洗：用硫酸浸泡4小时，然后用硝酸漂白清洗步骤（3）退火得到的钢丝的表面；

（5）第三次冷拔：对步骤（4）酸洗后的钢丝进行第三次冷拔，得到圆截面再次缩小的钢丝；

（6）两次冷轧：对步骤（5）冷拔后的钢丝进行第一次、第二次轧制，其中第一次轧制得到矩形截面的钢丝，第二次轧制得到截面缩小的矩形截面的钢丝；

（7）第三次退火：将步骤（6）冷轧后的钢丝穿入气体保护管道加热炉中，并加热至温度1100℃ ，然后以5米/分钟的速度滚动收线，经气体保护保证钢丝表面不氧化；

（8）再两次冷轧：对步骤（7）退火后的钢丝进行第三次、第四次轧制，得到矩形截面经过两次缩小的钢丝即为成品的钢带。

所述的一种中心冷却管用钢带制造方法，其特征在于：所述第一次、第二次退火均采用井式炉静态退火，第三次退火采用管式炉连续动态退火，管式炉中充有氢气作为保护气体。

一种中心冷却管绕制方法，采用自动绕簧机对钢带进行绕制，通过自动绕簧机中的螺距刀对绕制中的冷却管进行螺距控制，其特征在于：所述自动绕簧机配置有同步的退扭装置，自动绕簧机中安装有非接触式的电磁感应传感器，包括以下步骤：

（1）导带轮、导带轨安装校正：根据绕制中心冷却管用的钢带规格，选择合适的自动扭簧机的导带轮、导带轨，并将导带轮、导带轨安装在自动绕簧机相应位置；

（2）绕制工装安装校正：根据中心冷却管的技术参数选择合适的自动绕簧机的绕制工装，将绕制工装安装在自动绕簧机相应位置并进行调整；

（3）冷却管外径测量工装调正：将非接触式的电磁感应传感器安装在自动绕簧机中，首先在所述电磁感应传感器的控制器中设置测量点、测量误差、测量外径的上、下偏差，以及自动补偿值，然后在所述控制器中试运行测量程序，将实际的测量值和设定值进行比较，反复设定修正补偿值，直至自动补偿后的外径满足中心冷却管技术参数为止，设定满足要求的修正补偿值后，通过电磁感应传感器对准所述自动绕簧机中钢带正在绕制成型的中心冷却管进行测量。当电磁感应传感器采集的数据超出设定值范围时，所述控制器会发出警报信号并使自动绕簧机自动停机；

（4）退扭装置安装校正：所述退扭装置为电机驱动的卷盘，所述电机保持与自动绕簧机同步，所述自动绕簧机绕制钢带后成型的中心冷却管盘入所述卷盘中；

（5）螺距校正：根据中心冷却管螺距要求，将自动绕簧机中的螺距刀调整在合适的位置上，在调整过程中注意螺距的调整对中心冷却管外径大小的影响；

（6）绕制：绕制时严格监督自动绕簧机、电磁感应传感器和退扭装置的运行状况，发现异常后，立即停机并紧急刹车退扭装置；

（7）清洗：把绕制结束后成型的中心冷却管浸泡在汽油中，去除内外表面大部分油污，然后在超声清洗溶液中，用超声波清洗中心冷却管内外表面剩余的污物。

所述的一种中心冷却管绕制方法，其特征在于：通过电磁感应传感器及其控制器随时监控中心冷却管外径，并在设定的范围内自动调节中心冷却管外径；通过退扭装置连续释放中心冷却管绕制过程中不断积累的扭矩，使得中心冷却管绕制连续、流畅、稳定，并同时收绕成品中心冷却管；通过超声清洗溶液进行超声清洗去除其他物理、化学方法无法去除的中心冷却管内外表面剩余污垢。

本发明制造的中心冷却管外观完美，无侧面反向曲线，外径、螺距均匀，达到各种实际使用公差要求，连续绕制长度大，以百米为计量单位，在未来聚变堆超导导体制造中有广泛应用。

附图说明

图1为绕制中心冷却管用矩形钢带截面示意图。

图2为中心冷却管示意图。

图3为中心冷却管用矩形钢带制造流程图。

图4为非接触式的电磁感应传感器安装示意图。

图5为退扭装置示意图。

图6为中心冷却管绕制流程图。

具体实施方式

中心冷却管由矩形截面不锈钢带绕制，钢带截面结构如图1所示。中心冷却管结构如图2所示。为获得高质量的成品中心冷却管，需合理设计矩形钢带的制作流程，使得矩形钢带通条性好，即厚度、宽度、HV硬度均匀，以便中心冷却管后期绕制工艺稳定，易于控制。

如图3所示。矩形钢带的制造中，一次退火使φ1原料钢丝变成全软状态；一次冷拔使φ1原料钢丝变成φ2钢丝，截面缩小；二次冷拔使φ2钢丝变成φ3钢丝，截面缩小；二次退火使φ3钢丝变成全软状态；酸洗去除钢丝表面金属杂质和氧化层；三次冷拔使φ3钢丝变成φ4钢丝，截面缩小；一次冷轧使φ4圆形截面钢丝变成矩形截面为S1钢带，截面缩小；二次冷轧使矩形截面为S1钢带变成矩形截面为S2钢带，截面缩小；三次退火使矩形截面为S2钢带变成全软状态；三次冷轧使矩形截面为S2钢带变成矩形截面为S3钢带，截面缩小；四次冷拔使矩形截面为S2钢带变成最终绕制中心冷却管的矩形钢带。

本发明中，一次退火、二次退火用井式炉退火，纵、横向温度梯度小，成本低廉，效率高，一次处理坯料量大；三次退火在H₂保护下用管式炉连续动态退火，使得毛坯钢带各处遭受同样的退火温度，使得退火后钢带内部晶粒均匀，有利于成品钢带后期工艺制作，获得硬度均匀的钢带，同时避免毛坯钢带表面氧化；所述一次冷拔、二次冷拔、三次冷拔、一次冷轧、二次冷轧、三次冷轧、四次冷拔使得原料钢丝依次从圆截面到圆截面，从圆截面到矩形截面，横截面面积逐渐变小，获得毛坯钢带最后过模（四次冷拔）前的要求截面积，以便最后过模有足够的冷作变形量，使成品钢带达到设计硬度。

为获得完美的中心冷却管，必须合理安排中心冷却管绕制工艺，尤其中心冷却管外径自动监控方法以及中心冷却管扭矩释放方法。

如图4所示，电磁感应传感器1沿着正在绕制的中心冷却管2中心径向对准中心冷却管，中心冷却管置于自动绕簧机的高精度轴承3中。

如图5所示。退扭装置包括由电机4驱动的卷盘5，自动绕簧机6绕制后的中心冷却管7盘入卷盘5中。

如图6所示，导带轮安装校正使得绕制中心冷却管的矩形钢带能被合理地引导到自动绕簧机的正确位置上；绕制工装安装校正能使将来中心冷却管绕制稳定、流畅且易于控制；中心冷却管外径测量工装安装调正将非接触式的电磁感应传感器安装在自动绕簧机合适位置上，能使电磁感应传感器的控制器以及相应电器设备能实时采集、监控中心冷却管外径的真实数据，随时补偿外径误差，使得中心冷却管绕制流畅、连续，并且当采集的数据超出设定值范围时，控制器会发出警报信号并使自动绕簧机自动停机；同步的退扭装置安装校正使得中心冷却管绕制过程中积累的扭矩能及时释放，保证绕制工序连续进行；螺距校正将螺距刀调正在适当的位置上，保证中心冷却管的螺距符合设计要求，在调整过程中要注意螺距的调整有时会影响到中心冷却管的外径大小，所以此工序属于中心冷却管的调制收尾工作，要考虑到各个方面的影响；绕制工序要严格监督自动绕簧机、外径自动测量装置和退扭装置的运行状况，发现异常后，要立即停机并紧急刹车退扭装置；清洗工序首先把成品中心冷却管浸泡在汽油中，去除内外表面大部分油污，然后在超声清洗溶液中，用超声波清洗中心冷却管内外表面剩余的污物。

本发明中，电磁感应传感器及其控制器能随时监控中心冷却管外径并在设定的范围内自动调节中心冷却管外径；退扭装置能连续释放中心冷却管绕制过程中不断积累的扭矩，使得中心冷却管绕制连续、流畅、稳定，并同时收绕成品的中心冷却管；超声清洗能去除其他物理、化学方法无法去除的中心冷却管内外表面剩余污垢。

Claims (4)

1.一种中心冷却管用钢带制造方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）第一次退火：将待加工的圆形截面的钢丝放入加热炉中，并加热至1100℃，保持30分钟后，然后自然冷却3小时；

（2）两次冷拔：将步骤（1）退火后的钢丝依次进行第一次、第二次冷拔，得到圆截面经过两次缩小的钢丝；

（3）第二次退火：将步骤（2）冷拔后的钢丝放入加热炉中，并加热至温度1100℃ ，保持 30分钟后，然后自然冷却3小时；

（4）酸洗：用硫酸浸泡4小时，然后用硝酸漂白清洗步骤（3）退火得到的钢丝的表面；

（5）第三次冷拔：对步骤（4）酸洗后的钢丝进行第三次冷拔，得到圆截面再次缩小的钢丝；

（6）两次冷轧：对步骤（5）冷拔后的钢丝进行第一次、第二次轧制，其中第一次轧制得到矩形截面的钢丝，第二次轧制得到截面缩小的矩形截面的钢丝；

（7）第三次退火：将步骤（6）冷轧后的钢丝穿入气体保护管道加热炉中，并加热至温度1100℃ ，然后以5米/分钟的速度滚动收线，经气体保护保证钢丝表面不氧化；

（8）再两次冷轧：对步骤（7）退火后的钢丝进行第三次、第四次轧制，得到矩形截面经过两次缩小的钢丝即为成品的钢带。

2.根据权利要求1所述的一种中心冷却管用钢带制造方法，其特征在于：所述第一次、第二次退火均采用井式炉静态退火，第三次退火采用管式炉连续动态退火，管式炉中充有氢气作为保护气体。

3.一种中心冷却管绕制方法，采用自动绕簧机对钢带进行绕制，通过自动绕簧机中的螺距刀对绕制中的冷却管进行螺距控制，其特征在于：所述自动绕簧机配置有同步的退扭装置，自动绕簧机中安装有非接触式的电磁感应传感器，包括以下步骤：

（1）导带轮、导带轨安装校正：根据绕制中心冷却管用的钢带规格，选择合适的自动绕簧机的导带轮、导带轨，并将导带轮、导带轨安装在自动绕簧机相应位置；

（2）绕制工装安装校正：根据中心冷却管的技术参数选择合适的自动绕簧机的绕制工装，将绕制工装安装在自动绕簧机相应位置并进行调整；

（3）冷却管外径测量工装调正：将非接触式的电磁感应传感器安装在自动绕簧机中，首先在所述电磁感应传感器的控制器中设置测量点、测量误差、测量外径的上、下偏差，以及自动补偿值，然后在所述控制器中试运行测量程序，将实际的测量值和设定值进行比较，反复设定修正补偿值，直至自动补偿后的外径满足中心冷却管技术参数为止，设定满足要求的修正补偿值后，通过电磁感应传感器对准所述自动绕簧机中钢带正在绕制成型的中心冷却管进行测量，当电磁感应传感器采集的数据超出设定值范围时，所述控制器会发出警报信号并使自动绕簧机自动停机；

（4）退扭装置安装校正：所述退扭装置为电机驱动的卷盘，所述电机保持与自动绕簧机同步，所述自动绕簧机绕制钢带后成型的中心冷却管盘入所述卷盘中；

（5）螺距校正：根据中心冷却管螺距要求，将自动绕簧机中的螺距刀调整在合适的位置上，在调整过程中注意螺距的调整对中心冷却管外径大小的影响；

（6）绕制：绕制时严格监督自动绕簧机、电磁感应传感器和退扭装置的运行状况，发现异常后，立即停机并紧急刹车退扭装置；

（7）清洗：把绕制结束后成型的中心冷却管浸泡在汽油中，去除内外表面大部分油污，然后在超声清洗溶液中，用超声波清洗中心冷却管内外表面剩余的污物。

4.根据权利要求3所述的一种中心冷却管绕制方法，其特征在于：通过电磁感应传感器及其控制器随时监控中心冷却管外径，并在设定的范围内自动调节中心冷却管外径；通过退扭装置连续释放中心冷却管绕制过程中不断积累的扭矩，使得中心冷却管绕制连续、流畅、稳定，并同时收绕成品中心冷却管；通过超声清洗溶液进行超声清洗去除其他物理、化学方法无法去除的中心冷却管内外表面剩余污垢。

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