CN103817297B - 一种强制冷却铜管内铝液制备铜包铝复合铸锭的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
一种强制冷却铜管内铝液制备铜包铝复合铸锭的方法及其装置，包括具有至少一个浇注口的工作平台、基础架和立柱，所述工作平台上设有一个移动浇注系统，所述工作平台与基础架之间对应浇注口位置相应设有铜管固定装置，所述铜管固定装置周围相应环绕设有移动式水冷系统。方法是：将纯铝在电阻炉内熔化，将电阻炉内铝液倒入加热式中间包，打开水口，将铝液浇注到铜管内，启动移动式水冷系统，对铜管冷却到室温，得到铜铝复合铸锭。优点是：结构简单，使用方便，可以实现多根、多工位浇注，提高了生产率。工艺简单，生产成本低，铜包铝铸锭内过渡层薄且均匀，结合强度高；铝芯部分晶粒细小，分布均匀、致密，避免了复合层内易形成缩孔或缩松缺陷。
Description
技术领域
本发明属于复合材料制造领域，特别涉及一种强制冷却铜管内铝液法制备铜包铝复合铸锭的方法及其装置。
背景技术
铜包铝复合材料是一种双金属复合材料，它能够在不影响导电性能的同时大量节省铜金属，因此被应用于导线制作上。铜包铝复合线（排）的制备方法为先冶金结合制备铜包铝坯，而后轧制或拉拔成材，铜包铝复合材料制备过程中关键技术是铜与铝实现冶金结合。
目前，实现铜与铝冶金结合的方法主要有两种，一种是塑性加工前实现冶金结合，另一种塑性加工后实现冶金结合。
对于塑性加工前实现冶金结合，通常采用铸造方法，使液态铝与固态铜接触，铜表面溶解并在固态铜与液态铝之间形成铜铝合金或铝铜合金，凝固后铜与铝实现冶金结合。但存在以下问题；(1)复合层过厚；如不采取措施，铜溶解量大，严重时固体铜被溶穿，发生漏铝现象，即使是没被溶穿，凝固后易导致铜铝过渡层厚度过厚、结合强度低、塑性加工时易开裂；(2)复合层不均匀；立式浇注时在复合铸锭纵断面上由于重力偏析的作用易造成过渡层上薄下厚，平浇时上部溶解的铜靠重力作用容易进入铝液，造成铜铝复合过渡层不均匀；(3)由于复合层最后凝固，如果温度场控制不当，在复合层内易形成缩孔或缩松等缺陷。
对于塑性加工后实现冶金结合，先将铜包裹在铝的表面，实现机械结合，而后在热处理时靠铜铝原子的扩散在铜铝之间形成过渡层，达到冶金结合的目的。这种方法中铜机械包裹铝的过程容易实现，并且容易实现高速生产，材料的最终成型不受复合层性能的控制，成型工艺容易实现。但存在以下问题；(1)铜皮的焊接过程难度大、不易控制、质量也不稳定；(2)成材后的热处理时间长，铜易氧化，热处理设备庞大，耗能高；(3)铜铝机械结合后总会留下一些缝隙，这些缝隙处在后续的热处理过程中无法实现冶金结合，结合强度得不到保证；(4)若采用将被包裹的铝部分熔化，使其与铜实现冶金结合，则存在塑性加工前实现冶金结合的各种问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种工艺简单、生产成本低、铜铝复合过渡层薄且均匀、结合强度高的强制冷却铜管内铝液制备铜包铝复合铸锭的方法及其装置。
本发明的技术解决方案是：
一种强制冷却铜管内铝液制备铜包铝复合铸锭的方法，其具体步骤如下：
（1）将纯铝在电阻炉内熔化，并加热到700℃～800℃，吹氩气精炼，检验铝液合格后保温；
（2）利用由中间包移动车、水口开闭机构、塞棒、加热式中间包、管式喷淋器、铜管上定位圈和铜管下定位槽构成的强制冷却铜管内铝液制备铜包铝复合铸锭装置，用中间包移动车将加热式中间包移动到铜管的上方，使水口轴线与铜管轴线在同一垂线上，管式喷淋器下移到最低位置，通水，使其处于待冷却铜管状态；由水口开闭机构将塞棒堵住加热式中间包的水口，并将加热式中间包加热到680℃～800℃，将电阻炉内铝液倒入加热式中间包，调整温度；
（3）去除铜管内表面氧化皮，封底，充氩气，并保持直立状态，放入铜管固定装置，通过上定位圈和下定位槽定位并固定，使铜管轴线垂直；
（4）待加热式中间包内铝液温度达到加热式中间包设定的温度后，由水口开闭机构打开水口，将铝液浇注到铜管内，浇注时，铜管内铝液液面的上升速度为100mm/s～300mm/s；
（5）浇注后10秒～120秒，启动移动式水冷系统，管式喷淋器向上的移动速度与铜管内铝液液面上升速度相同，管式喷淋器的喷水量为500L/h～4000L/h；
（6）管式喷淋器上升到最高位置后，停止移动，持续对铜管冷却，直到铜管温度降到室温，得到铜铝复合铸锭。
加热式中间包完成铜管浇注后，用中间包移动车将加热式中间包移动到另一工位的待浇注铜管上方，使水口的轴线与铜管轴线在同一垂线上，以实现铜管的多工位浇注。
一种强制冷却铜管内铝液制备铜包铝复合铸锭装置，其特殊之处在于：包括具有至少一个浇注口的工作平台、工作平台下方设有的基础架以及连接工作平台和基础架的立柱，所述工作平台上设有一个移动浇注系统，所述工作平台与基础架之间对应浇注口位置相应设有铜管固定装置，所述铜管固定装置周围相应环绕设有移动式水冷系统；所述移动浇注系统包括在工作平台上设有的轨道，在所述轨道上设有的中间包移动车，所述中间包移动车上设有水口开闭机构和加热式中间包，所述水口开闭机构驱动端连接有塞棒，所述加热式中间包底部设有水口，所述加热式中间包上设有保温盖A，所述保温盖A上设有加料口，所述保温盖A的加料口上设有保温盖B，所述保温盖A上与水口对应位置设有塞棒入口，所述塞棒设置在塞棒入口内，塞棒的下端与水口相连；所述铜管固定装置包括对应浇注口位置设置在工作平台上的铜管上定位圈、设置在基础架上的支架以及设置在支架上的铜管下定位槽；所述移动式水冷系统包括平行设置在工作平台和基础架之间的两根导向杆，在两根导向杆上设置有管式喷淋器，所述管式喷淋器上固设有丝母，所述丝母与设置在工作平台和基础架之间的丝杠连接，所述丝母套装在导向杆上，所述丝杠与设置在基础架上的驱动装置连接，通过驱动装置带动管式喷淋器沿导向杆上下移动，所述管式喷淋器的下方设有回水槽，所述回水槽的出水口通过管道与水窖相连通，所述水窖的出水口通过管道与管式喷淋器相连通，在水窖与管式喷淋器之间的管道上设有水泵，所述管式喷淋器入水口的管道上设有流量计。
本发明的有益效果：
结构简单，使用方便，通过移动式水冷系统的管式喷淋器对铜管内的铝液进行强制冷却，能有效控制冷却速度，设置双工位管固定装置和移动式水冷系统，并设置移动浇注系统，可以实现多根、多工位浇注，提高了生产率。
工艺简单，操作方便，容易实现，生产成本低，铜包铝铸锭内过渡层薄且均匀，结合强度高；铝芯部分晶粒细小，分布均匀，致密，避免了复合层内易形成缩孔或缩松缺陷。
附图说明
图1是本发明制备的铜铝复合铸锭断面的复合界面图；
图2是本发明制备的铜铝复合铸锭断面的微观组织；
图3是本发明涉及的强制冷却铜管内铝液制备铜包铝复合铸锭装置的结构示意图。
图中：Ⅰ-移动浇注系统，1-轨道，2-工作平台，201-浇注口，3-水口开闭机构，4-塞棒，5-保温盖A，501-塞棒入口，6-加料口，7-保温盖B，8-加热式中间包，801-水口，9-中间包移动车，Ⅱ-铜管固定装置，10-铜管上定位圈，11-铜管下定位槽，12-支架，Ⅲ-移动式水冷系统，13-管式喷淋器，14-铜管，15-导向杆，16-丝杠，17-丝母，18-回水槽，19-驱动装置，20-基础架，21-立柱， 22-水泵，23-水窖， 24-流量计。
具体实施方式
实施例1
如图所示，该强制冷却铜管内铝液制备铜包铝复合铸锭装置，包括具有两个浇注口201的工作平台2、工作平台2下方设有的基础架20以及连接工作平台2和基础架20的立柱21，所述工作平台2上设有一个移动浇注系统Ⅰ，所述工作平台2与基础架20之间对应两个浇注口201位置分别相应设有两个铜管固定装置Ⅱ，所述两个铜管固定装置Ⅱ周围分别相应环绕设有移动式水冷系统Ⅲ；所述移动浇注系统Ⅰ包括在工作平台2上设有的轨道1，在所述轨道1上设有的中间包移动车9，所述中间包移动车9上设有水口开闭机构3和加热式中间包8，所述水口开闭机构3驱动端连接有塞棒4，所述加热式中间包8底部设有水口801，所述加热式中间包8上设有保温盖A5，所述保温盖A5上设有加料口6，所述保温盖A5的加料口6上设有保温盖B7，所述保温盖A5上与水口801对应位置设有塞棒入口501，所述塞棒4设置在塞棒入口501内，塞棒4的下端与水口801相连；所述铜管固定装置Ⅱ包括对应浇注口201位置设置在工作平台2上的铜管上定位圈10、设置在基础架20上的支架12以及设置在支架12上的铜管下定位槽11；所述移动式水冷系统Ⅲ包括平行设置在工作平台2和基础架20之间的两根导向杆15，在两根导向杆15上设置有管式喷淋器13，所述管式喷淋器13上固设有丝母17，所述丝母17与设置在工作平台2和基础架20之间的丝杠16连接，所述丝母17套装在导向杆15上，所述丝杠16与设置在基础架20上的驱动装置19连接，通过驱动装置19带动管式喷淋器13沿导向杆15上下移动，所述管式喷淋器13的下方设有回水槽18；所述两个回水槽18的出水口分别通过管道与水窖23相连通，所述水窖23的出水口分别通过管道与两个管式喷淋器13相连通，在水窖23与管式喷淋器13之间的管道上设有水泵22，所述管式喷淋器13入水口的管道上设有流量计24。
强制冷却铜管内铝液制备铜包铝复合铸锭的方法，其具体步骤如下：
（1）将纯铝在电阻炉内熔化，并加热到700℃，吹氩气精炼，检验铝液合格后保温；
（2）利用强制冷却铜管内铝液制备铜包铝复合铸锭装置，用中间包移动车9将加热式中间包8移动到铜管14的上方，使水口801轴线与铜管14轴线在同一垂线上，管式喷淋器13下移到最低位置，通水，使其处于待冷却铜管状态；由水口开闭机构3将塞棒4堵住加热式中间包8的水口801，并将加热式中间包8加热到800℃，将电阻炉内铝液倒入加热式中间包8，调整温度；
（3）铜管外径100毫米，内径94毫米，长3300毫米，去除铜管内表面氧化皮，封底，充氩气，并保持直立状态，放入铜管固定装置Ⅱ，通过铜管上定位圈10和铜管下定位槽11定位并固定，使铜管14轴线处于垂直状态；
（4）待加热式中间包8内铝液温度达到800℃时，由水口开闭机构3打开水口801，将铝液浇注到铜管14内，浇注时，铜管14内铝液液面的开始上升速度为100mm/s并按线性规律匀速降到0mm/s；
（5）浇注后10秒，启动移动式水冷系统Ⅲ，管式喷淋器13向上的移动速度与铜管14内铝液液面开始上升速度为300mm/s并按线性规律匀速降到0mm/s，管式喷淋器13的喷水量为4000L/h；
（6）管式喷淋器13上升到最高位置后，停止移动，持续对铜管14冷却，直到铜管14温度降到室温，切头去尾，得到直径100毫米，长3000毫米的铜铝复合铸锭；
（7）加热式中间包8完成当前工位的铜管浇注后，用中间包移动车9将加热式中间包8移动到另一工位的待浇注铜管上方，使水口801的轴线与铜管轴线在同一垂线上，以实现铜管的多工位浇注。
铝复合铸锭断面的复合界面图如图1所示，铜铝复合铸锭断面的微观组织如图2；图1中上层为铜层，下层为铝芯，由图1可以看出，铜铝复合界面清晰，图2中上层为铝芯，下层为铜层，由图2可以看出铝芯部分晶粒细小，分布均匀，致密，并且无缩孔缩松以及氧化物等铸造缺陷。
实施例2
强制冷却铜管内铝液制备铜包铝复合铸锭装置同实施例1。
强制冷却铜管内铝液制备铜包铝复合铸锭的方法，其具体步骤如下：
（1）将纯铝在电阻炉内熔化，并加热到800℃，吹氩气精炼，检验铝液合格后保温；
（2）利用强制冷却铜管内铝液制备铜包铝复合铸锭装置，用中间包移动车9将加热式中间包8移动到铜管14的上方，使水口801轴线与铜管14轴线在同一垂线上，管式喷淋器13下移到最低位置，通水，使其处于待冷却铜管状态；由水口开闭机构3将塞棒4堵住加热式中间包8的水口801，并将加热式中间包8加热到680℃，将电阻炉内铝液倒入加热式中间包8，调整温度；
（3）铜管外径40毫米，内径36毫米，长3300毫米，去除铜管内表面氧化皮，封底，充氩气，并保持直立状态，放入铜管固定装置Ⅱ，通过铜管上定位圈10和铜管下定位槽11定位并固定，使铜管14轴线处于垂直状态；
（4）待加热式中间包8内铝液温度达到680℃后，由水口开闭机构3打开水口801，将铝液浇注到铜管14内，浇注时，铜管14内铝液液面的开始上升速度为300mm/s并按线性规律匀速降到0mm/s；
（5）浇注后120秒，启动移动式水冷系统Ⅲ，管式喷淋器12向上的移动速度与铜管18内铝液液面开始上升速度为300mm/s并按线性规律匀速降到0mm/s，管式喷淋器12的喷水量为500L/h；
（6）管式喷淋器13上升到最高位置后，停止移动，持续对铜管14冷却，直到铜管14温度降到室温，切头去尾，得到直径40毫米，长3000毫米的铜铝复合铸锭；
（7）加热式中间包8完成当前工位的铜管浇注后，用中间包移动车9将加热式中间包8移动到另一工位的待浇注铜管上方，使水口801的轴线与铜管轴线在同一垂线上，以实现铜管的多工位浇注。
实施例3
强制冷却铜管内铝液制备铜包铝复合铸锭装置同实施例1。
强制冷却铜管内铝液制备铜包铝复合铸锭的方法，其具体步骤如下：
（1）将纯铝在电阻炉内熔化，并加热到750℃，吹氩气精炼，检验铝液合格后保温；
（2）利用强制冷却铜管内铝液制备铜包铝复合铸锭装置，用中间包移动车9将加热式中间包8移动到铜管14的上方，使水口801轴线与铜管14轴线在同一垂线上，管式喷淋器13下移到最低位置，通水，使其处于待冷却铜管状态；由水口开闭机构3将塞棒4堵住加热式中间包8的水口801，并将加热式中间包8加热到720℃，将电阻炉内铝液倒入加热式中间包8，调整温度；
（3）铜管横截面为椭圆形，长轴135毫米，短轴40毫米，壁厚3毫米，长3300毫米，去除铜管内表面氧化皮，封底，充氩气，并保持直立状态，放入铜管固定装置Ⅱ，通过铜管上定位圈10和铜管下定位槽11定位并固定，使铜管14轴线处于垂直状态；
（4）待加热式中间包8内铝液温度达到720℃，由水口开闭机构3打开水口801，将铝液浇注到铜管14内，浇注时，铜管14内铝液液面的开始上升速度为300mm/s并按线性规律匀速降到0mm/s；
（5）浇注后60秒，启动移动式水冷系统Ⅲ，管式喷淋器13向上的移动速度与铜管14内铝液液面开始上升速度为300mm/s并按线性规律匀速降到0mm/s，管式喷淋器13的喷水量为2000L/h；
（6）管式喷淋器13上升到最高位置后，停止移动，持续对铜管14冷却，直到铜管14温度降到室温，切头去尾，得到横截面长轴135毫米、短轴40毫米，长3000毫米的铜铝复合铸锭；
（7）加热式中间包8完成当前工位的铜管浇注后，用中间包移动车9将加热式中间包8移动到另一工位的待浇注铜管上方，使水口801的轴线与铜管轴线在同一垂线上，以实现铜管的多工位浇注。
Claims (3)
1. 一种强制冷却铜管内铝液制备铜包铝复合铸锭的方法，其特征是：具体步骤如下：
（1）将纯铝在电阻炉内熔化，并加热到700℃～800℃，吹氩气精炼，检验铝液合格后保温；
（2）利用由中间包移动车、水口开闭机构、塞棒、加热式中间包、管式喷淋器、铜管上定位圈和铜管下定位槽构成的强制冷却铜管内铝液制备铜包铝复合铸锭装置，用中间包移动车将加热式中间包移动到铜管的上方，使水口轴线与铜管轴线在同一垂线上，管式喷淋器下移到最低位置，通水，使其处于待冷却铜管状态；由水口开闭机构将塞棒堵住加热式中间包的水口，并将加热式中间包加热到680℃～800℃，将电阻炉内铝液倒入加热式中间包，调整温度；
（3）去除铜管内表面氧化皮，封底，充氩气，并保持直立状态，放入铜管固定装置，通过上定位圈和下定位槽定位并固定，使铜管轴线垂直；
（4）待加热式中间包内铝液温度达到加热式中间包设定的温度后，由水口开闭机构打开水口，将铝液浇注到铜管内，浇注时，铜管内铝液液面的开始上升速度为100mm/s～300mm/s并按线性规律匀速降到0mm/s；
（5）浇注后10秒～120秒，启动移动式水冷系统，管式喷淋器向上的移动速度与铜管内铝液液面上升速度相同，管式喷淋器的喷水量为500L/h～4000L/h；
（6）管式喷淋器上升到最高位置后，停止移动，持续对铜管冷却，直到铜管温度降到室温，得到铜包铝复合铸锭。
2.根据权利要求1所述的强制冷却铜管内铝液制备铜包铝复合铸锭的方法，其特征是：加热式中间包完成铜管浇注后，用中间包移动车将加热式中间包移动到另一工位的待浇注铜管上方，使水口的轴线与铜管轴线在同一垂线上，以实现铜管的多工位浇注。
3.一种强制冷却铜管内铝液制备铜包铝复合铸锭装置，其特征是：包括具有至少一个浇注口的工作平台、工作平台下方设有的基础架以及连接工作平台和基础架的立柱，所述工作平台上设有一个移动浇注系统，所述工作平台与基础架之间对应浇注口位置相应设有铜管固定装置，所述铜管固定装置周围相应环绕设有移动式水冷系统；所述移动浇注系统包括在工作平台上设有的轨道，在所述轨道上设有的中间包移动车，所述中间包移动车上设有水口开闭机构和加热式中间包，所述水口开闭机构驱动端连接有塞棒，所述加热式中间包底部设有水口，所述加热式中间包上设有保温盖A，所述保温盖A上设有加料口，所述保温盖A的加料口上设有保温盖B，所述保温盖A上与水口对应位置设有塞棒入口，所述塞棒设置在塞棒入口内，塞棒的下端与水口相连；所述铜管固定装置包括对应浇注口位置设置在工作平台上的铜管上定位圈、设置在基础架上的支架以及设置在支架上的铜管下定位槽；所述移动式水冷系统包括平行设置在工作平台和基础架之间的两根导向杆，在两根导向杆上设置有管式喷淋器，所述管式喷淋器上固设有丝母，所述丝母与设置在工作平台和基础架之间的丝杠连接，所述丝母套装在导向杆上，所述丝杠与设置在基础架上的驱动装置连接，通过驱动装置带动管式喷淋器沿导向杆上下移动，所述管式喷淋器的下方设有回水槽，所述回水槽的出水口通过管道与水窖相连通，所述水窖的出水口通过管道与管式喷淋器相连通，在水窖与管式喷淋器之间的管道上设有水泵，所述管式喷淋器入水口的管道上设有流量计。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |