CN102615271B - 一种生产光亮无氧铜杆的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生产光亮无氧铜杆的方法,现有制造方法制得的铜杆氧含量高,本发明是将铜材加热干燥后熔化,熔化后的铜液在保温炉保温,将一根铜杆母线穿过与保温炉相连通的涂覆室而在铜杆表面附着铜液形成较粗的铜铸杆,接着对铜铸杆依次冷却、热轧、再冷却、绕制成圈成为光亮无氧铜杆;保温铜液的保温炉温度在1140-1180℃,铜液附着于母铜杆线经冷却后、进行热轧前的温度在600-800℃,绕制成圈时的温度高于室温,且低于100℃。本发明使制造含氧量2-10ppm的高质量铜线材成为可能。同时,由于本发明能够在铜杆的表面形成特定的氧化膜,不仅在其后绕制成圈时的退火过程中抑制了线材之间相互粘连现象的发生,而且还因其在加工时不会造成表面伤痕或者断线发生,所以能够生产出表面状态良好且高质量的光亮无氧铜杆。
Description
技术领域
本发明涉及铜杆的制造方法,具体是一种生产光亮无氧铜杆的方法。该方法制造的无氧铜杆具有导电率高、含氧量低、拉伸率高等特点,主要应用于风电、核电、高铁、汽车导线、超高压导线等对铜杆品质要求高的领域。
背景技术
风力发电是目前发电技术中最清洁、安全的,目前世界风力发电发展速度超过其他新能源发展,未来风力发电很可能成为全球电力的主要来源之一。据中国风能协会预测,中国风电总装机容量2020年达到80亿瓦,2030年达到180亿瓦,2050年达到500亿瓦。我国政府将强力支持建设智能电网,解决风电输送问题,未来风电将成为我国电力的主要来源之一。
同时在“十二五”规划中,中国高铁将作为新兴产业大力优先发展。截至2010年,中国铁路营业里程达9.1万公里,高铁运营里程达8358公里。而这仅仅是个开始,预计到“十二五”期末(2015年),中国铁路营业里程将达到12万公里以上,其中高速铁路达1.6万公里以上。
上述产业用到的发电机组、变压器、牵引电机、接触导线等都需要用到大量高品质的电磁线。衡量电磁线的主要质量指标有抗拉强度、延伸率、导电率、耐压性、氧含量及表面质量,其中氧含量是其主要质量指标之一。对于生产电磁线的原材料铜杆,如果氧含量过高会出现以下现象:①铜杆中的氧,以氧化铜状态,从晶相组织上看氧化铜存在于晶粒边界附近,氧化铜以夹杂形式在晶界出现对材料的韧性产生负面影响,导致铜杆的机械性能下降、在后续加工中出现断裂现象;②由于氧化铜的存在会造成铜杆导电率降低;③加工后的铜产品在氢气中退火会产生气泡和针孔,影响表面质量;④产品表面有瑕疵后会降低耐高压性能。
目前市场上供应的连铸连轧生产的低氧铜杆氧含量在200-400PPM,利用上引连铸工艺生产的无氧铜杆氧含量在10-20PPM,氧含量均较高。
在传统的被覆金属线制造方法中,例如有一种将母线浸渍于铜液或铜合金液等被覆材料,使被覆材料被覆于母线表面的浸渍形成(Dip Forming)法。这一方法中记载了将母线由保有铜液的坩埚底部(下方)插入,从上方拉出的方法(专利文献1:特公昭49-39740号公报)。
记载于专利文献2(特开昭57-68263号公报)的Dip Forming法,是关于被覆用坩埚的发明内容。目的是为解决母线表面铜合金层的偏差,在实施例中记载的温度条件为溶解炉的温度是1160℃。
记载于专利文献3(特公昭2-11460号公报)的Dip Forming法,是关于提高线材强度和耐磨性的发明。母线经过铜液或铜合金液的连续浸渍后,在750-850℃的温度条件下,以10%至40%的压延比进行热轧处理使母线与铜或铜合金发生金属结合,从而提高线材的强度和耐磨性。
记载于专利文献4(特开昭60-261658号公报)的Dip Forming法,是关于通过特殊坩埚使铜合金连续附着铸造于母线上的制造方法提高线材的电导率及耐弯曲性的发明。实施例中记载的温度条件为,溶解炉的溶液温度1150℃左右,且轧制处理工序前的温度800℃左右。
但是,即使按照上述专利文献1至4中记载的温度条件以Dip Forming法进行制造,也会发生成圈后的铜线材含氧量分布不均的问题。例如,线材含氧量过多时,铜线被焊接到特定位置时,会造成焊接处产生气泡等问题。
同时,还会造成在其后绕制成圈时的退火过程中,线材之间发生相互粘连的问题。这一问题是Dip Forming法制造出的含氧量极低的铜线材所特有的问题。
特别是,对用于汽车电子零件的铜线材,不仅需要提供低含氧量的线材以满足其焊接到特定位置的需求,还必须提供表面状态等良好的高品质线材。
发明内容
本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是克服现有制造方法制得的铜杆氧含量较高的缺陷,提供一种保证具有低含氧量的同时,也能使铜线材在维持相互接触的状态下不相互粘连的生产光亮无氧铜杆的方法。
为达到本发明的目的,本发明的生产光亮无氧铜杆的方法所采用的技术方案是:将铜材经过干燥炉加热后投入熔化炉进行熔化,熔化后的铜液通过流道流入保温炉保温,将一根较细且连续的铜杆母线穿过与保温炉相连通的涂覆室而在铜杆表面附着铜液形成较粗的铜铸杆,接着对铜铸杆依次冷却、热轧、再冷却、绕制成圈成为长度不限、导电率高、含氧量低、拉伸率高的光亮无氧铜杆;保温铜液的保温炉温度在1140-1180℃,铜液附着于母铜杆线经冷却后、进行热轧前的温度在600-800℃,绕制成圈时的温度高于室温,且低于100℃。
作为优选技术措施,绕制成圈时的温度在45℃以上80℃以下。
作为优选技术措施,在熔化炉中铜液的表面覆盖一层阻止空气进入铜液的漂浮材料。进一步的,所述的漂浮材料为木炭。尤其是所述木炭的厚度为100-300mm。
作为优选技术措施,所述熔化炉内铜液的温度控制在1140-1180℃,炉内充满还原性保护气体。
作为优选技术措施,所述保温炉内充满还原性保护气体。
作为优选技术措施,所述的熔化炉内靠近所述流道设一个下边沿低于铜液液面100-200mm的陶瓷挡板。
作为优选技术措施,所述的涂覆室内充满还原性保护气体。
作为优选技术措施,铜杆进入涂覆室前经过扒皮处理。
作为优选技术措施,所述的冷却是令铜铸杆通过冷却室,冷却室内充满还原性保护气体。
作为优选技术措施,所述还原性保护气体为N2、H2与O2的混合气体,其中H2的体积浓度为0.5%-4.5%,其中O2的浓度不高于20PPM,余下为N2。
作为优选技术措施,在用干燥炉加热铜材(电解铜板)前去除铜材(电解铜板)上的附着物。
本发明以较细且连续的铜杆母线作为基材母杆,采用浸涂成型法在母杆的表面涂覆铜液得到更粗的铜铸杆,然后依次经冷却、热轧、再冷却、绕制成圈成为光亮无氧铜杆,该方法制得的无氧铜杆长度不限、导电率高、含氧量低(2-10PPM)、拉伸率高,可应用于风电、核电、高铁、汽车导线、超高压导线等对铜杆品质要求高的领域。
本发明在熔化炉的表面覆盖了一层阻止空气进入熔融铜液的漂浮材料,使得铜材(电解铜板)可分批加入熔化炉但又不会导致含氧量的增加;同时,将涂覆室与熔化炉分开,保证了涂覆条件的稳定性,降低了分批加材对涂覆的影响,从而实现无氧铜杆的连续生产。
附图说明
图1是实施本发明方法所涉及的生产线的示意图。
图2是实施本发明方法所涉及的组合炉的示意图。
图3是图2所示组合炉的一个剖面示意图。
图4是实施本发明方法所涉及涂覆室的示意图。
图中标号说明:1-上料辊道,2-上料小车,3-输送辊道,4-熔化炉,5-保温炉,6-涂覆室,7-拉丝机,8-旋锻机,9-入张控制装置,10-直列轧机,11-出张控制装置,12-收线装置,13-成品辊道,14-乳浊液冷却系统,15-循环母杆输送装置,16-铜杆接头机,17-废线成卷机,18-扒皮和校直装置,19-感应器A,20-感应器B,21-感应器C,22-烧铸通道,23-保温炉盖,24-装料门,25-铜液,26-铜板,27-出气口,28-低位感应器,29-高位感应器,30-陶瓷挡板,31-铜铸杆。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明做进一步说明。
本发明的生产光亮无氧铜杆的方法,是将铜材(电解铜板)经过干燥炉加热后分批次(分批次是指实施该方法的过程中,随着铜液的减少,适时的投入铜材用以补充原料)投入熔化炉进行熔化,熔化后的铜液通过流道(流道可用坩埚制成)流入保温炉保温,将一根较细且连续的铜杆母线穿过与保温炉相连通的涂覆室而在铜杆表面附着铜液形成较粗的铜铸杆,接着对铜铸杆依次冷却、热轧、再冷却、绕制成圈成为长度不限、导电率高、含氧量低、拉伸率高的光亮无氧铜杆;保温铜液的保温炉温度在1140-1180℃,铜液附着于母铜杆线经冷却后、进行热轧前的温度在600-800℃,绕制成圈时的温度高于室温,且低于100℃。理想的温控范围在是45度-80度之间。本发明用于加热的热源可采用电加热或者燃气加热方式。通过上述温控管理技术,使制造含氧量在2-10ppm之间的高品质铜线成为可能。
同时,由于本发明使用的温控技术,能够在铜杆的表面形成特定的氧化膜,不仅在其后绕制成圈时的退火过程中抑制了线材之间相互粘连现象的发生,而且不会造成表面伤痕或者断线发生,因此能够生产出表面状态良好且高质量的光亮无氧铜杆。
当绕制成圈时的温度超过上述范围时,因急剧的氧化反应导致铜杆表面形成过厚的氧化膜,造成加工时发生表面伤痕或者断线,致使光亮无氧铜杆的表面状态变差,因此不能得到具有期望含氧量的铜线材。
当绕制成圈时的温度达不到上述范围时,因在铜杆的表面无法形成氧化膜,导致在其后绕制成圈时的退火过程中线材之间相互粘连现象的发生,造成光亮无氧铜杆的表面状态变差,同样不能得到高品质的铜线材。因此,将成圈时的温度控制在高于室温的温度,促使极少量的氧化反应发生来解决线材相互粘连的问题。
鉴于该方法,可以制得含氧量在2ppm至10ppm之间铜线材,制得的铜线材尤以用于汽车电子零件。当含氧量超过上述范围时,不但在焊接过程中会产生气泡,而且因铜杆表面形成过厚的氧化膜,造成加工时发生伤痕或者断线,形成表面状态差的光亮无氧铜杆,因此,不能用于对于高品质线材的表面状态等要求严格的汽车电子零件。另一方面,当含氧量低于上述范围时,在铜杆表面无法形成氧化膜,导致在其后绕制成圈时的退火过程中线材之间相互粘连现象的发生,造成光亮无氧铜杆的表面状态变差,因此,同样不能用于对于高品质线材的表面状态等要求严格的汽车电子零件。
作为对上述技术方案的进一步完善和补充,本发明还包括以下各段述及的附加技术特征,在实施本发明时根据具体作用可将它们选用在上段所述的技术方案上。
首先,为了控制含氧浓度及避免粘连,绕制成圈时的温度在45℃以上80℃以下。
其次,在熔化炉中铜液的表面覆盖一层阻止空气进入铜液的漂浮材料。进一步的,所述的漂浮材料为木炭。尤其是木炭的厚度为100-300mm。
第三,熔化炉内铜液的温度控制在1140-1180℃,炉内充满还原性保护气体。
第四,保温炉内充满还原性保护气体。
第五,熔化炉内靠近所述流道设一个下边沿低于铜液液面100-200mm的陶瓷挡板。
第六,涂覆室(可用坩埚炉)内充满还原性保护气体。
第七,铜杆进入涂覆室前经过扒皮处理。
第八,还原性保护气体为N2、H2与O2的混合气体,其中H2的体积浓度为0.5%-4.5%,其中O2的浓度不高于20PPM,余下为N2。
第九,在用干燥炉加热铜材(电解铜板)前去除铜材(电解铜板)上的附着物(如铜豆、铜绿等)。
本发明方法的技术手段,是通过以下机理实现发明目的的。
1)铜材(电解铜板)(高纯度更佳)经过加热、除尘后,铜材(电解铜板)的表面杂质及水分去除,防止铜板投入熔化炉后,水在高温下发生化学反应:
分解出来的氧气熔解到铜液中去,会造成铜水含氧量增高。
熔化炉中的木炭及还原性保护气体会发生一系列化学反应:
通过上述反应,降低了铜水中的氧含量。木炭的覆盖厚度会直接影响铜水的氧含量,当木炭覆盖不足时,熔化炉内气体中CO不足,造成还原不充分,当木炭覆盖过多时,氢气无法顺利接触铜水,也会造成还原不充分,导致无法有效的降低铜水氧含量。
2) 铜水经过低于铜水液面下的流道流入封闭的保温炉,然后连续流向与保温炉相连的涂覆室(坩埚炉),保温炉内也充满了含0.5%-4.5% 氢气的氮气保护气体,会发生下面化学反应:
通过上述反应,又进一步降低了铜水中的氧含量。
保温炉内的陶瓷挡板,可选用刚玉陶瓷材料,挡板的作用是防止漂浮在保温炉表面的铜渣流入涂覆室,否则会造成铜铸杆表面有铜渣附着,影响表面质量。
3) 一根较细的铜杆从一个与保温炉连通的涂覆室底部穿过,在铜杆表面附着铜水形成较粗的铜铸杆。涂覆室内也充满了含0.5%-4.5% 氢气的氮气保护气体,一方面起还原作用,另一方面也隔绝了空气中的氧气。铜杆在进入涂覆室底部之前,经过扒皮处理(扒皮处理是将铜杆表面氧含量高的一层材料去除),保证浸涂之前的铜杆氧含量最低,才能保证最终生产出来的铜杆有较低的氧含量。
4) 铜铸杆在涂覆室上方的冷却室进行连续在线冷却,通过调节各段水量,控制铜铸杆结晶速度,同时冷却室内也充满了含0.5%-4.5% 氢气的氮气保护气体,这一过程会发生下面化学反应:
保护气体的作用将遏制因冷却水在高温下分解出来的氧气带入铜杆,防止铜杆氧含量增高。
5) 经过冷却的铸杆,铜杆表面进入轧机进行轧制,因为经冷却后、进入轧机前的铜杆温度在600-800℃,为防止铜杆在高温下氧化,轧机内也必须充满含0.5%-4.5% 氢气的氮气保护气体。
6) 轧制后的铜杆再次冷却,进入收线装置成卷,进入收线装置的铜杆表面温度控制在高于室温且低于100℃之间范围内。并且理想状态是控制在45度以上80度以下。利用了上述温控技术的无氧铜杆制造技术,使得制造含氧量为2-10ppm的高质量铜线材成为可能。
由于本发明使用了上述温控技术,能够在铜杆的表面形成特定的氧化膜,不仅在其后绕制成圈时的退火过程中抑制了线材之间相互粘连现象的发生,而且还因其不会造成表面伤痕或者断线发生,因此能够生产出表面状态良好且高质量的光亮无氧铜杆。
当绕制成圈时的温度超过上述范围时,因急剧的氧化反应导致铜杆表面形成过厚的氧化膜,造成加工时发生伤痕或者断线,使光亮无氧铜杆的表面状态变差,因此不能得到具有期望含氧量的铜线材。
当绕制成圈时的温度达不到上述范围时,因在铜杆的表面无法形成氧化膜,导致在其后绕制成圈时的退火过程中线材之间相互粘连现象的发生,造成光亮无氧铜杆的表面状态变差,同样不能得到具有期望含氧量的高品质铜线材。因此,通过将成圈时的温度控制在高于室温的温度,促使极少量的氧化反应发生来解决线材相互粘连的问题。
下面结合图1所示的生产线说明本发明方法的实施。
铜板26(参见图3)经过处理后使用上料辊道1、上料小车2、输送辊道3送入熔化炉4,熔化炉4对铜板进行加热熔化。熔化炉4内铜液液面较高,从而铜液进入相连通的保温炉5。保温炉5与相邻涂覆室6贯通,铜液通过保温炉进入涂覆室6。当熔化炉4停止工作时,可通过微量倾斜整个组合炉(参见图2,组合炉包括熔化炉4、保温炉5、涂覆室6),使涂覆室6液面上升。原料铜杆经过扒皮和校直装置18后从涂覆室6底端通入,从上端通过拉丝机7引出(参见4)。铜杆因接头过大可能无法穿过涂覆室6底端模具,可以使用旋锻机8先将接头拉细,再进行穿杆。涂覆后的铜铸杆31引出后经过入张控制装置9,入张控制装置9通过铜铸杆张力大小控制进入直列轧机10的速度,进入后直列轧机10对铜铸杆进行轧制和乳浊液冲淋冷却,升温后的乳浊液进入乳浊液冷却系统14使用冷却水热交换冷却。轧制铜铸杆31后进入出张控制装置11,出张控制装置11通过张力大小调节牵引速率,最后进入收线装置12,进行收线。收线完的铜杆形成卷状进入成品辊道13。部分成品可以当成原料母杆进入循环母杆输送装置15,进行再生产。扒皮产生的铜杆外表皮可通过废线成卷机17收集,不同卷铜杆原料需要接合连续生产的使用铜杆接头机16接头。
图2-4中:感应器A 19和感应器C 21利用电流的涡流效应加热熔化炉。感应器B 20加热保温炉,铜液25通过连通的烧铸通道22从保温炉5流入涂覆室6。向组合炉中加入铜板26时,装料门24开启。整个炉体运行时,保温炉盖23处于关闭状态,同时炉体出气口27处于开启状态。低位感应器28和高位感应器29感应保温炉5中铜液25液位高低并反馈至控制系统,从而决定加入铜板26熔化或倾斜炉体。在整条生产线运行过程中,通过各炉体管口不断向各炉体充入调制好比例的还原性保护气体,从而保证各炉体中保护气体或还原气体的气氛氛围稳定。
以下通过几个具体实施例具体数据说明本发明的效果。
【实施例】
1.实施例1
使用上述图1至图4所示设备制造了光亮无氧铜杆。具体方法是,将经过干燥炉加热过的电解铜板分批投入溶解炉,在1160度的温度下进行溶解。熔化后的铜液通过流道流入保温炉保温,在1160温度下进行保温。
将一根较细的铜杆母线穿过与保温炉相连通的涂覆室,在铜杆表面附着铜液形成了较粗的铜铸杆。另外,母线穿过涂覆室以前,对其进行了剥皮处理以除去母线表面含氧量高的氧化层。
之后,对铜杆依次进行冷却、热轧、再冷却处理。这时覆有铜液的铜杆,在经过冷却后进入热轧工序前的温度为700度。
之后,在55度条件下绕制成圈。
根据以上条件制成的光亮无氧铜杆的含氧浓度为4ppm。
2.实施例子2~4、比较例1~2
制造光亮无氧铜杆时,除改变了成圈时的温度(参见表1)以外,其他条件均与实施例1相同。
3.实施例5~7
制造光亮无氧铜杆时,除了按照表2所示次数重复了附着铜液、冷却、热轧、再冷却、绕制成圈工序以外,其他条件均与实施例1相同。
另外,在表1至表2中对于“成圈时的退火过程中是否发生了粘连现象”,分别使用○表示未发生粘连的合格状态;×表示发生了粘连的不合格状态。
对 “焊接状态”,分别用◎表示将接线端与光亮无氧铜杆焊接时,焊点完全没有气泡发生的非常理想的状态;○表示焊接时几乎没有气泡发生的理想状态;×表示焊点有气泡发生的焊接不良状态。
此外,在“综合结果”中,综合考察了“成圈时的退火过程中是否发生了粘连现象”及“焊接状态”后,分别用◎表示非常理想的结果;○表示理想的结果;×表示不良结果。
据此,对上述各实施例及比较例制得的光亮无氧铜杆进行了评价。
由表1可知,将成圈时的温度控制在高于室温且低于100℃时,制得的光亮无氧铜杆的含氧量为2-10ppm,。将光亮无氧铜杆与接线端进行焊接时,焊点没有出现产生气泡的问题。
同时,在其后成圈时的退火过程中线材没有发生相互粘连的问题,因此表面状态良好。进一步的,在加工时也没有发生断线的问题。
特别是,将成圈时的温度控制在45度以上80度以下时,含氧量达到2-5ppm,将光亮无氧铜杆与接线端进行焊接时,完全没有出现产生气泡的问题。在其后成圈时的退火过程中线材没有发生相互粘连的问题,因此表面状态良好。进一步的,在加工时也完全没有发生断线的问题。
可是,虽然比较例1的氧含量只有1.5ppm,且将光亮无氧铜杆与接线端焊接时完全没有发生出现气泡的问题,却在绕制成圈时的退火过程中线材发生了相互粘连的问题,结果造成铜杆表面状态变差。
另一方面,由于比较例2的含氧量达到了15ppm,在其后绕制成圈时的退火过程中没有发生相互粘连的问题,却在与接线端焊接时发生了气泡。同时,由于铜杆表面的形成了过厚的氧化膜,在加工时发生了断线现象。
由表2可知,制造光亮无氧铜杆时,将实施例1中的附着铜液、冷却、热轧、再冷却、绕制成圈工序,分别在实施例5重复2次、在实施例6重复3次、在实施例7重复10次制得铜杆的含氧量为2-5ppm。将光亮无氧铜杆与接线端进行焊接时,完全没有出现产生气泡的问题。在其后成圈时的退火过程中线材没有发生相互粘连的问题,因此表面状态良好。进一步的,在加工时也完全没有发生断线的问题。
在上述发明中,不仅对铜液保温炉的温度及母线附着铜液后进入热轧处理前铜杆的温度进行控制,而且对包括成圈时温度在内的3处加工工序的温度等进行了控制,因此使得制造含氧量为2-10ppm的高品质铜线成为可能。同时,通过上述温控管理,能够使铜杆表面形成特殊的氧化膜,不但在绕制成圈时的退火过程中抑制了线材之间相互粘连现象的发生,而且还因其不会造成表面伤痕或者断线发生,因此能够生产出表面状态良好且高质量的光亮无氧铜杆。
表1:绕制成圈时的温度、含氧量及焊接状态的实施例与比较例
表2:母线涂敷层数、含氧量及焊接状态的实施例
实施例1 | 实施例5 | 实施例6 | 实施例7 | |
母线涂敷层数 | 1 | 2 | 3 | 10 |
含氧量(ppm) | 4 | 4 | 3 | 2 |
铜线是否在线轴上发生相互粘连 | ○ | ○ | ○ | ○ |
焊接状态 | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ |
综合结果 | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ |
Claims (4)
1.一种生产光亮无氧铜杆的方法,其特征是:将铜材经过干燥炉加热后投入熔化炉进行熔化,熔化后的铜液通过流道流入保温炉保温,将一根较细且连续的铜杆母线穿过与保温炉相连通的涂覆室而在铜杆表面附着铜液形成较粗的铜铸杆,接着对铜铸杆依次冷却、热轧、再冷却、绕制成圈成为光亮无氧铜杆,绕制成圈时退火;保温铜液的保温炉温度在1140-1180℃,铜液附着于铜杆母线经冷却后、进行热轧前的温度在600-800℃,绕制成圈时的温度在45℃以上,且低于100℃。
2.根据权利要求1所述的生产光亮无氧铜杆的方法,其特征是:绕制成圈时的温度在45℃以上80℃以下。
3.根据权利要求1所述的生产光亮无氧铜杆的方法,其特征是:所述熔化炉内铜液的温度为1140-1180℃。
4.根据权利要求1所述的生产光亮无氧铜杆的方法,其特征是:绕制成圈后的铜杆氧含量为2-10PPM。
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