CN103710522A - 一种铜包铝复合扁排感应连续退火设备及其工艺 - Google Patents

Abstract

本发明一种满足铜包铝复合电力扁排特点的感应加热连续退火设备及其工艺。该设备主要由导向装置、驱动装置、测温装置、感应加热系统、保温段、冷却段和气体保护系统组成。其特点在于：感应加热电源采用中频偏高的频率以提高感应加热的速率，缩短加热时间，控制界面层厚度；感应加热线圈横截面为与铜包铝扁排横截面形状相似的扁平形状，有利于温度分布均匀，有利于缩短加热时间，控制界面层厚度；通过设置一定长度的陶瓷管和保温段，使加热时温度均匀，铜层和铝芯有足够的时间完成再结晶；设置强制风冷段可使退火后的扁排温度快速降低到150℃以下，有利于将铜铝界面层厚度控制在2～3μm。本发明还提供了一种运用上述退火设备的退火工艺。

Description

一种铜包铝复合扁排感应连续退火设备及其工艺

  

技术领域

本发明属于金属层状复合材料领域，提供了一种满足铜包铝复合电力扁排特点的感应加热连续退火设备及其工艺。 

  

背景技术

铜包铝扁排是一种双金属层状复合材料，具有低密度、低成本、易连接等优点，可广泛应用于配电母线槽、中高频加热设备、各种控制柜和冶金化工领域的汇流排等。铜包铝导线或扁排一般是通过一定的复合技术（见：戴雅康，等．电线电缆，1997，(5)：25-28；谢建新，等．一种包复材料水平连铸直接复合成形设备与工艺．中国发明专利：ZL200610112817.3．）先制备出铜包铝复合坯料，再经轧制、挤压或拉拔等后续成形加工工艺，生产出一定断面形状和尺寸的产品。经轧制或拉拔成形后，铜包铝复合材料的抗拉强度和硬度升高，拉伸断后伸长率明显下降，电导率下降，在使用前需要进行去应力退火，以调控铜包铝扁排的力学和导电性能。在大多数应用场合，希望获得尽可能高的导电率，且对于需要弯曲加工等情形，对铜包铝复合扁排的断后伸长率要求较高，因而一般需要通过等温退火热处理提高铜包铝复合材料的电导率和伸长率。 

目前，铜包铝复合材料的退火方法，主要是电炉等温退火[见：谢建新，董晓文，等．一种铜包铝排热处理用台车卧式退火罐．中国专利：ZL201020294425.5；吴永福. 矩形大断面铜包铝水平连铸直接复合成形及加工工艺基础[D]. 北京:北京科技大学，2012. ]，退火温度范围在200～500℃（见：王秋娜，等．材料工程，2008，（7）：30～35．）。电炉退火的优点是设备及工艺成熟，可用于批量生产。但用于铜包铝复合扁排退火，存在以下问题：第一，电炉退火升温速度较慢，加热时间较长，对单一金属材料可能影响不大，但铜包铝复合材料与单一金属材料存在显著不同，即，由于铜和铝通过界面相互扩散，铜包铝复合材料在退火热处理过程中当退火温度较高、保温时间较长时，容易导致界面层厚度明显增大，界面中生成硬而脆的金属间化合物层，对铜包铝复合材料的界面结合性能、宏观力学性能和导电性能等产生不利影响。一般退火热处理温度越高，界面层厚度越大。研究表明：当铜/铝界面金属间化合物层厚度大于2μm后，界面的断裂将从延性断裂转变为脆性断裂，界面结合强度显著降低（见：Abbasi M, et al. Journal of Alloys and Compounds, 2001, 319(1-2): 233-241；Chen C Y, et al. Materials Transactions, 2006, 47(4): 1232-1239.）。对连铸-轧制生产的铜包铝扁排电炉等温退火研究结果也表明，在250℃以下退火，界面结合强度随温度的升高而升高；300℃退火后界面处生成金属间化合物，界面结合强度有所降低，但此时组织仍未发生再结晶，伸长率较低，难以满足弯曲性能要求；400℃退火1小时后，组织发生完全再结晶，伸长率明显增大，但界面层厚度达到4μm以上，界面结合强度显著降低 [见：吴永福. 矩形大断面铜包铝水平连铸直接复合成形及加工工艺基础[D]. 北京:北京科技大学，2012. ]。第二，电炉退火时，炉内不同部位的温度均匀性较差，对单一金属的影响较小，但铜包铝复合材料由于退火过程中界面层变化显著，对温度均匀性和一致性要求较高，电炉退火很难满足这样严格的要求。第三，由于单台退火炉的装炉量有限，当大批量生产时，需要大量的退火设备，占地和能源消耗均较大。而且，电炉退火时铜包铝扁排的长度受炉体长度限制，不能实现较长产品的退火要求。 

另一方面，感应连续退火广泛应用于各种有色金属管材、棒材和线材（为单一金属产品）的中间退火或成品退火[见：张金利，等. 铜合金管材在线去应力处理方法及专用装置. 中国发明专利，ZL02132633.9；南莉，等. 稀有金属快报， 2008，(2): 28-30.]。由于退火产品断面为圆形（圆管、圆棒、圆线）或接近于圆形（如断面为方形、五边形、六边形棒材），感应加热线圈的形状为圆形，横断面温度场均匀性控制容易。感应连续退火具有产品质量均匀性和一致性好、退火速度快、生产效率高等有点。由于铜包铝扁排为双金属层状复合材料，两种金属熔点和再结晶温度相差较大，且产品为扁宽板型断面，横断面温度场均匀性控制难度大，传统感应连续退火设备和工艺，难以应用于该类产品的连续退火。 

  

发明内容

本发明的目的是针对现有复合扁排电炉等温退火存在的问题，以及传统感应连续退火设备难以应用于复合扁排的问题，提供一种铜包铝复合扁排感应连续退火设备及其工艺，采用中频感应加热对铜包铝扁排进行快速连续感应退火，通过快速短时加热，显著缩短铜包铝扁排在高温下的保温时间，有效抑制铜包铝扁排界面层厚度明显增大现象，从而使退火后的铜包铝扁排获得均匀细小的再结晶组织、较大伸长率、较小的界面厚度和高的界面结合强度，有效解决退火后扁排软化和界面结合强度降低、电导性能下降的难题。同时，感应连续退火均匀性和一致性好，设备占地较小，生产效率高，适合于大批量和长尺寸产品的生产。 

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：一种铜包铝复合扁排的感应连续退火设备，该设备主要由导向装置、驱动装置、测温装置、感应加热系统、保温段、冷却段、气体保护系统和上位机组成。其特点在于：感应加热电源采用中频偏高的频率以提高感应加热的速率，缩短加热时间，控制界面层厚度；通过将感应加热线圈设计为与铜包铝扁排横截面形状相似的扁平形状，不仅使感应加热时铜包铝扁排不同部位的温度分布均匀，而且提高了加热效率，有利于缩短加热时间，控制界面层厚度；通过设置一定长度的陶瓷管和一定长度的保温段，使加热时温度均匀，使铜包覆层和铝芯有足够的时间同时完成再结晶；通过设置强制风冷段，使得退火后的扁排温度快速降低到50～150℃，防止铜铝界面在冷却过程中再发生明显的扩散增厚现象，从而有利于将铜铝界面层厚度控制在2～3μm。 

其中，所述导向装置用于控制铜包铝扁排在连续退火过程中沿宽度方向不发生偏移，其特征为辊间距可根据铜包铝扁排的宽度调节；所述驱动装置的作用主要是驱动铜包铝扁排以一定的速度连续通过加热线圈，其特征为由驱动辊和驱动电机组成，驱动装置可以根据需要设定铜包铝扁排的走料速度；所述测温装置的作用是对铜包铝扁排通过加热线圈时的表面温度进行测量，其特征在于可采用非接触式红外测量装置，其测温范围应在100～550℃之间，测温位置设置在感应加热线圈中部，测温探头通过线圈间隙和保温管上专门开设的小孔伸入到接近铜包铝表面的位置；所述感应加热系统由中频电源、感应加热线圈和设置于感应加热线圈和铜包铝复合扁排之间的陶瓷管组成，作用是将穿过线圈的铜包铝扁排通过电磁感应加热到需要的温度并再保持一定的时间，实现对组织与性能的调控；其特征在于加热线圈的横截面形状为与被加热铜包铝扁排横截面形状相似的矩形，加热线圈的内孔尺寸根据被加热铜包铝扁排的横截面形状确定，一般保证内孔的四边与铜包铝扁排的四边间隙均匀，间隙大小为8～20mm；加热线圈的匝数和长度根据铜包铝扁排需要的退火时间和走料速度确定，同时要考虑与中频电源的电气参数相匹配，根据目前铜包铝扁排的常用规格范围，感应加热线圈横截面60mm×20mm～300mm×100mm，线圈匝数3～100匝，中频电源的频率为3～20kHz；陶瓷管设置在感应加热线圈和铜包铝扁排之间，其作用主要是对穿过其中的铜包铝扁排进行保护，防止扁排与感应线圈产生接触，同时提高加热效率，提高铜包铝扁排表面和内部温度的均匀性；其特征为陶瓷管可采用导热率较低的耐火材料制作，断面形状随线圈和扁排的形状而定，一般为矩形管，陶瓷管内壁与铜包铝扁排的外表面应有3～10mm的间隙，以方便扁排穿过其中，陶瓷管外壁与感应加热线圈内孔配合，以方便装配为宜；陶瓷管长度根据连续退火速度和线圈长度确定，一般取线圈长度的2～4倍；所述保温段的作用主要是对感应加热后的铜包铝扁排进行一段时间保温，以保证足够的退火时间，有利于提高退火走料速度，适当降低温度梯度，以降低界面应力；保温段特征为可采用导热率较低的耐火材料制作成保温管，其断面形状随扁排的形状而定，一般为矩形，保温管内壁与铜包铝扁排的外表面应有10～20mm的间隙，以方便铜包铝扁排穿过其中；保温管长度根据连续退火走料速度确定，一般为1～3m；所述冷却系统的作用是对退火后的铜包铝复合扁排进行强制冷却，其特征为采用吹风冷却；所述气体保护系统的作用是对加热、保温、冷却过程中的铜包铝复合扁排进行惰性或还原性气体保护，以防止铜包铝扁排表面氧化，其特征为，可以采用氮气、氩气等惰性气体或分解氨等还原性气体；所述上位机是控制中心，它根据采集的温度信号控制感应加热电源的功率和控制驱动装置以设定的速度驱动铜包铝扁排运动。 

本发明的另一目的是提供一种运用上述铜包铝扁排感应连续退火设备的退火工艺，具体包括以下步骤： 

步骤1：将一定长度和断面尺寸的铜包铝扁排置于入口端的导向装置和驱动装置上；

步骤2：向气体保护系统内通以保护气体，使系统内处于良好的气体保护状态；

步骤3：启动测温装置和驱动装置，设定走料速度和退火温度；同时启动中频加热电源，检查水电等状态，确保工作正常；

步骤4：调节高频加热电源的加热功率，对铜包铝扁排进行快速感应加热，当扁排的表面温度达到测温装置的设定退火温度时，驱动装置驱动铜包铝扁排以设定的走料速度通过感应加热线圈，实现感应连续退火。加热后的铜包铝扁排经过保温段进行保温后，通过强制风冷使其温度快速降低到50～150℃，然后空冷即可。

其中，所述铜包铝扁排的退火温度为300～550℃；所述铜包铝扁排退火时的走料速度为1～20m/min；所述铜包铝扁排的断面尺寸为20mm×4mm～250mm×12mm。其特点在于：与目前管棒线材的退火工艺相比，采用较高的退火温度，较短的退火时间，以使铜包覆层和铝芯能同时快速完成再结晶；采用保温后快速冷却措施，防止了复合界面层在冷却过程中继续扩散增厚现象。 

本发明提供的铜包铝复合扁排的感应连续退火设备及其工艺的优点如下： 

（1）采用感应加热升温速度快，温度均匀；保温时间短，且保温后强制风冷，冷却速度快。因此，可以获得细小均匀的铜层和铝芯再结晶组织、较高的断后伸长率和导电性能，同时可以有效控制界面层厚度，界面结合强度较高，退火后的铜包铝扁排具有优良的综合性能；

（2）与传统的电炉退火相比，加热区温度稳定性容易控制，退火后铜包铝扁排的组织与性能均匀性和一致性好；

（3）采用感应加热连续退火方式，自动化程度高，生产效率高，适合于大批量生产；

（4）可以实现对超长产品的退火处理；

（5）本发明所采用的加热方法不需要油气燃料，对环境友好。

  

附图说明

下面结合附图对本发明的设备及其工艺原理作进一步的说明： 

图1为本发明一种铜包铝复合扁排感应连续退火设备及其工艺原理示意图。

图中： 

 

1．铜包铝扁排	9．保温段炉罩
		2．进料导向辊	10．风冷装置
3．进料驱动辊	11．保护气体出口
		4．保护气体入口	12．出料驱动辊
5．陶瓷管	13. 出料导向辊
		6. 测温装置	14. 炉罩密封装置
7. 加热段炉罩	15. 感应加热线圈
		8. 保温段	16. 中频电源

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。 

如图1所示，本发明一种铜包铝复合扁排感应连续退火设备，其中导向装置主要由进料导向辊2和出料导向辊13构成；驱动装置主要由驱动电机和驱动辊3和6装置构成； 

测温装置6主要由测温元件、温控仪表构成；感应加热系统主要由中频电源16、感应加热线圈15和保温管5构成；气体保护系统主要由气源、加热段炉罩、保温段炉罩组成。

其中，所述导向辊2和13分别设置在感应加热装置的两侧，每侧一对辊，保证铜包铝复合扁排在连续走料过程中沿宽度方向不发生偏移，辊缝可根据铜包铝复合扁排的宽度调节，调节范围为0～300mm；所述驱动装置3和12由驱动辊和驱动电机组成，驱动辊由直径大小相同的上下一对辊组成，上下辊的辊缝为0～100mm可调，通过调节驱动电机的转速设定铜包铝复合扁排的走料速度；所述保温管5采用陶瓷管制作，以保证良好的耐火性能和保温性能；所述测温装置6由光纤红外温度传感器和仪表组成，测温仪表具有温度显示、设定、输出等功能，传感器测量的铜包铝表面温度通过仪表显示，当测量的温度值达到设定温度值时，通过输出端将温度信号传给驱动装置3和12，驱动装置将自动启动，使铜包铝扁排按照设定的走料速度运动，同时，温度信号也传递给感应加热装置，自动控制感应加热电源的输出功率；所述感应加热系统的加热功率通过温度控制仪表自动控制；所述气体保护系统的加热段炉罩和保温段炉罩通过一段金属管连同，保证保护气体可以从保温段炉罩一端的进气口进入，从加热段炉罩一端的出气口排出。 

  

实施例1：横截面尺寸为40mm×10mm、铜层包覆比为30%的铜包铝扁排的感应连续退火工艺。

（1）将横截面尺寸为40mm×10mm的铜包铝扁排依次穿过入口端的导向辊2和驱动辊3、感应加热线圈15中的保温管5、后续保温段的保温管8、冷却系统10、出口端驱动辊12和导向辊13，并通过调整导向辊的位置使铜包铝扁排的轴线尽量与感应加热线圈的轴线重合； 

（2）向气体保护系统内通以保护气体，使系统内处于良好的气体保护状态；

（3）启动测温装置6和驱动装置3和12，设定走料速度为10m/min和退火温度为460℃；同时启动中频加热电源16，检查水电等状态，确保工作正常；感应加热线圈横截面80mm×60mm，线圈匝数50；电源频率8kHz；

（4）调节高频加热电源的加热功率调至150kW，对铜包铝扁排进行快速感应加热，当扁排的表面温度达到测温装置6的设定退火温度时，驱动装置驱动铜包铝扁排以设定的走料速度通过感应加热线圈，实现连续感应退火。加热后的铜包铝扁排经过保温段保温后，通过风冷段使其温度快速降低到150℃以下，然后空冷即可。

实施例2：横截面尺寸为60mm×10mm、铜层包覆比为30%的铜包铝扁排的感应连续退火工艺。 

（1）将横截面尺寸为60mm×10mm的铜包铝扁排依次穿过入口端的导向辊2和驱动辊3、感应加热线圈15中的保温管5、后续保温段的保温管8、冷却系统10、出口端驱动辊12和导向辊13，并通过调整导向辊的位置使铜包铝扁排的轴线尽量与感应加热线圈的轴线重合； 

（2）向气体保护系统内通以保护气体，使系统内处于良好的气体保护状态；

（3）启动测温装置6和驱动装置3和12，设定走料速度为20m/min和退火温度为500℃；同时启动中频加热电源16，检查水电等状态，确保工作正常；感应加热线圈横截面120mm×80mm，线圈匝数60；电源频率10kHz；

（4）调节高频加热电源的加热功率调至150kW，对铜包铝扁排进行快速感应加热，当扁排的表面温度达到测温装置6的设定退火温度时，驱动装置驱动铜包铝扁排以设定的走料速度通过感应加热线圈，实现连续感应退火。加热后的铜包铝扁排经过保温段保温后，通过风冷段使其温度快速降低到150℃以下，然后空冷即可。

Claims (7)

1.一种铜包铝复合扁排的感应连续退火设备，其特征在于，该设备包括驱动装置、导向装置、测温装置、保温炉管、感应加热装置、冷却装置和上位机；

所述导向辊包括进料导向辊和出料导向辊分别设置在感应加热装置的两侧，每侧一对辊，保证铜包铝扁排在连续走料过程中沿宽度方向不发生偏移，辊缝可根据铜包铝扁排的宽度调节，调节范围为0～300mm；

所述驱动装置包括进料驱动装置和出料驱动装置，所述进料驱动装置设置在所述进料导向辊的前端，所述出料驱动装置设置在所述出料导向辊的后端，所述进料驱动装置和出料驱动装置均有由驱动辊和驱动电机组成，所述驱动辊由直径大小相同的上下一对辊组成，上下辊的辊缝为0～100mm可调，通过调节驱动电机的转速设定铜包铝扁排的走料速度；

所述测温装置由测温仪器和测温探头组成，所述测温装置用于对铜包铝扁排通过加热线圈时的表面温度进行测量；

所述由感应加热装置中频电源、感应加热线圈和陶瓷管组成，所述感应加热装置用于对铜包铝扁排进行感应加热；

所述冷却装置由若干对称设置的风扇组成，所述冷却装置用于对铜包铝扁排进行吹风冷却； 

其中，所述陶瓷管设置在加热段炉罩内，所述加热段炉罩上设有排气口，所述感应加热线圈缠绕在所述陶瓷管的外侧壁上，所述感应加热线圈的横截面为矩形，所述感应加热线圈的匝数3～100匝，所述感应加热线圈与设置于所述加热段炉罩外的中频电源连接，所述测温仪器与所述测温头连接，所述测温探头置于所述陶瓷管的中心位置的测温孔内；

所述保温炉管设置在保温段炉罩内，所述保温段炉罩设有进气口，所述保温炉管的末端设置所述风扇，所述加热段炉罩与所述保温段炉罩首位相连，所述加热段炉罩的入口处与所述保温段炉罩的出口处均设有炉罩密封装置。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述感应加热线圈横截面尺寸为60mm×20mm～300mm×100mm。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述中频电源的频率为3～20kHz。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述陶瓷管采用导热率较低的耐火材料制作，所述陶瓷管内壁与铜包铝扁排的外表面应有3～10mm的间隙，所述陶瓷管长度为感应加热线圈长度的2～4倍。

5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述保温段采用导热率较低的耐火材料制作成，所述保温管内壁与铜包铝扁排的外表面应有10～20mm的间隙，以方便铜包铝扁排穿过其中；所述保温管长度为1～3m。

6.一种使用如权利要求1-5所述设备的退火工艺，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：将铜包铝扁排置于入口端的导向装置和驱动装置上；

步骤2：向加热段炉罩与所述保温段炉罩内通入保护气体，使系统内处于良好的气体保护状态；

步骤3：启动中频加热电源，控制功率为3-20kHZ，当测温装置检测到感应加热线圈的陶瓷管内温度为300～550℃时，启动驱动装置以走料速度为1～20m/min驱动铜包铝扁排依次经过陶瓷管进行退火，经过保温管保温，通过风扇强制风冷使其温度快速降低到150℃以下，然后空冷即可。

7.如权利要求6所述的工艺，其特征在于，所述保护气体为氮气、氩气或分解氨等还原性气体。