CN105679459B - 一种铝包碳纤维导线的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种铝包碳纤维导线的制备方法，其步骤是：先熔炼铝合金液；然后采用张力放线装置对碳纤维芯线进行放线，碳纤维芯线穿过连续铸挤包覆机的包覆模的模孔后与牵引卷取装置连接，使张力放线装置的放线端、牵引卷取装置的牵引端与包覆模的模孔中心处于同一直线上，并使张力放线装置和牵引卷取装置之间的碳纤维芯线形成1～3千牛的张力；最后启动连续铸挤包覆机，将铝合金液浇注到铸挤轮与槽封块形成的型腔中，通水冷却，使包覆模内的铝合金温度在510～550℃，连续铸挤包覆成直径1～5毫米的铝包碳纤维导线。本发明首次实现了铝包碳纤维导线的连续铸挤包覆成形，解决了碳纤维芯线在导线中容易发生偏心的问题，具有生产工序少、工艺流程短的优点。
Description
技术领域
本发明属于导线制造技术领域，具体是涉及一种铝包碳纤维导线的制备方法。
背景技术
我国长距离、大跨越架空输电导线目前主要使用钢芯铝绞线或者铝包钢线，这种以钢芯增强的铝导线在实际应用中仍然存在重量大、强度低、电能损耗大、线膨胀系数大、不耐腐蚀、不耐高温等缺点。随着我国长距离、大跨越架空输电线路的建设需要，迫切需要开发强度更高、导电性能更好的新型架空输电导线。
碳纤维具有强度高、密度低、模量高、线膨胀系数小、耐腐蚀、无蠕变、非氧化环境下耐高温、耐疲劳和导电导热性能好等优点。碳纤维的密度约为1.5～2.0克/立方厘米，其比重比铝还要轻，不到钢的四分之一，但其强度却是钢的20倍以上。因此，利用碳纤维芯代替钢芯制造的铝包碳纤维导线具有强度高、重量轻、导电性能好、耐腐蚀等优点。目前，铝包碳纤维导线的生产制造正成为电力电缆行业研究的热点，受到世界各国的广泛关注。
对现有技术的文献资料检索发现，专利CN104538107A公开了一种带有碳纤维芯的输电导线制作设备及工艺，其技术方案是采用单轮单槽的连续挤压包覆机，将固体铝材料挤压形成液态，液态铝材料再进入挤压模腔中将碳纤维芯棒包覆，最后得到铝包碳纤维芯棒的输电导线。该方法首先需要先制备好带护套的碳纤维芯棒和固体铝材料，然后将固体铝材料校直、清洗后再进入挤压包覆机中挤压成液态，液态铝材料在挤压模腔中再包覆碳纤维芯棒，最后得到铝包碳纤维芯棒的输电导线。该方法虽然实现了铝包碳纤维芯棒的输电导线的连续生产，但仍然存在生产工序多、工艺流程长的缺点。
专利CN1918671B公开了一种金属包覆的金属基体复合导线，其中也涉及金属包覆碳纤维复合导线的制备方法，其技术方案是采用单轮双槽连续挤压包覆方法制备金属包覆碳纤维复合导线，该方法由于也是采用固体金属材料的连续挤压包覆技术，同样需要先制备好固体金属材料，然后再通过单轮双槽连续挤压包覆机，将碳纤维芯包覆在固体金属材料中形成金属包覆碳纤维复合导线。因此，该方法同样存在生产工序多、工艺流程长的缺点。
连续铸挤包覆技术是在连续铸挤基础上发展起来的一种包覆成形技术，该技术在一台设备上实现了液态金属的铸造、挤压、包覆成形的连续化和一体化生产，具有工艺流程短、高效节能等显著优点。与现有的连续挤压包覆技术相比，连续铸挤包覆技术可显著提高包覆材的生产效率，成品率高达90%，节约能源约40%，降低成本约30%以上，同时还有产品精度高、表面光洁平整、设备结构紧凑、投资规模小、环境污染小等优点。连续铸挤包覆成形技术目前已经成功应用于铝包钢线的生产，但该技术在铝包碳纤维导线上的应用还没有研究。
发明内容
本发明的目的是针对现有铝包碳纤维导线制备技术存在的问题与不足，提供一种铝包碳纤维导线的制备方法，将铝合金液的凝固与碳纤维芯线的包覆进行一体化和连续化，实现铝包碳纤维导线的短流程生产。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明所述的铝包碳纤维导线的制备方法，包括熔炼铝合金液、放线和连续铸挤包覆成形，其所用设备包括张力放线装置、牵引卷取装置和连续铸挤包覆机，所述连续铸挤包覆机由主机、电机和减速机组成，所述主机包括中间包、导流管、铸挤轮、槽封块、铸挤靴、包覆模、挡料块、偏心轴、液压缸和机架，其特征在于按以下步骤进行：
第一步：将铝合金锭在740～780℃加热熔化，然后用精炼剂对铝合金液进行精炼，除渣后再保温10～30分钟，然后将铝合金液的温度控制在680～720℃；
第二步：采用张力放线装置对直径0.1～1毫米的碳纤维芯线进行放线，碳纤维芯线穿过包覆模的模孔后与牵引卷取装置连接，使张力放线装置的放线端、牵引卷取装置的牵引端与包覆模的模孔中心处于同一直线上，并使张力放线装置和牵引卷取装置之间的碳纤维芯线形成1～3千牛的张力；
第三步：启动连续铸挤包覆机，调整铸挤轮的转速为5～10米/分钟，然后将铝合金液转移到中间包，通过导流管浇注到铸挤轮与槽封块形成的型腔中，同时向铸挤轮和铸挤靴中分别通入0.1～0.3立方米/分钟的水进行冷却，使流入包覆模内的铝合金温度在510～550℃，连续铸挤包覆成直径1～5毫米的铝包碳纤维导线。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
本发明首次实现了铝包碳纤维导线的连续铸挤包覆成形，将铝合金液的凝固与碳纤维芯线的包覆进行一体化和连续化，实现铝包碳纤维导线的短流程生产，解决了现有铝包碳纤维导线生产技术中存在的生产工序多、工艺流程长的问题；
采用本发明可以生产直径1～5毫米、抗拉强度大于2200MPa、导电率大于53%IACS的铝包碳纤维导线，满足长距离、大跨越架空输电线路的建设对输电导线高强度、高导电率的要求，具有广阔的应用前景；
虽然本发明采用的连续铸挤包覆机已成功应用于铝包钢线的生产，但是由于碳纤维芯线比钢芯线细小且更加柔软，导致碳纤维芯线在导线中容易发生偏心，无法满足输电导线对铝包碳纤维导线同心同轴的要求，截止目前，未见有采用该机制备铝包碳纤维导线的报道。本发明采用张力放线装置对碳纤维芯线进行放线和牵引卷取装置牵引碳纤维芯线，使张力放线装置的放线端、牵引卷取装置的牵引端与包覆模的模孔中心处于同一直线上，并使张力放线装置和牵引卷取装置之间的碳纤维芯线形成1～3千牛的张力，同时严格控制铝合金液的连续铸挤包覆工艺参数，使包覆模内铝合金实际温度为510～550℃，从而使包覆模内铝合金呈半固态状态包覆碳纤维芯线，解决了碳纤维芯线在导线中容易发生偏心的问题，得到碳纤维芯线位于导线中心的铝包碳纤维导线，满足输电导线对铝包碳纤维导线同心同轴的要求。
具体实施方式
本发明所述的铝包碳纤维导线的制备方法，包括熔炼铝合金液、放线和连续铸挤包覆成形，其所用设备包括张力放线装置、牵引卷取装置和连续铸挤包覆机。而该方法的具体操作步骤如下：
第一步：将铝合金锭在740～780℃加热熔化，然后用精炼剂对铝合金液进行精炼，除渣后再保温10～30分钟，然后将铝合金液的温度控制在680～720℃；
第二步：采用张力放线装置对直径0.1～1毫米的碳纤维芯线进行放线，碳纤维芯线穿过包覆模的模孔后与牵引卷取装置连接，使张力放线装置的放线端、牵引卷取装置的牵引端与包覆模的模孔中心处于同一直线上，并使张力放线装置和牵引卷取装置之间的碳纤维芯线形成1～3千牛的张力；
第三步：启动连续铸挤包覆机，调整铸挤轮的转速为5～10米/分钟，然后将铝合金液转移到中间包，通过导流管浇注到铸挤轮与槽封块形成的型腔中，同时向铸挤轮和铸挤靴中分别通入0.1～0.3立方米/分钟的水进行冷却，使流入包覆模内的铝合金温度在510～550℃，连续铸挤包覆成直径1～5毫米的铝包碳纤维导线。
上述碳纤维芯线为由抗拉强度大于4500MPa、弹性模量大于250GPa的碳纤维丝组成的碳纤维束或碳纤维绳，碳纤维丝的表面镀有铜或镍或银或其它金属，以改善碳纤维芯线与铝合金液之间的润湿性，并可以防止碳纤维芯线与铝合金之间发生金属碳化、渗碳和电化学腐蚀现象，从而提高铝包碳纤维导线的强度和导电率。
上述将张力放线装置的放线端、牵引卷取装置的牵引端与包覆模的模孔中心处于同一直线上，并使张力放线装置和牵引卷取装置之间的碳纤维芯线形成1～3千牛的张力，可以避免连续铸挤包覆成形过程中碳纤维芯线发生偏心，从而获得碳纤维芯线位于导线中心的铝包碳纤维导线。
上述连续铸挤包覆机由主机、电机和减速机组成，主机包括中间包、导流管、铸挤轮、槽封块、铸挤靴、包覆模、挡料块、偏心轴、液压缸和机架，其结构特点是铸挤轮外侧开设有环形槽，铸挤轮的环形轮槽与槽封块形成型腔，铸挤靴的包角为90°，当铝合金液浇注到型腔入口时，通过旋转铸挤轮施加的粘性摩擦力，铝合金液被拖入型腔深处，铝合金液被逐渐冷却，同时被旋转铸挤轮剪切搅拌成形铝合金半固态浆料，在挡料块作用下，铝合金半固态浆料流入包覆模内将碳纤维芯线包覆，当铝合金连同包覆的碳纤维芯线一同挤出模孔，冷却凝固后即得到铝包碳纤维导线。
连续铸挤包覆机的使用方法为：将连续铸挤包覆机的槽封块和包覆模预热到510～550℃，再安装到连续铸挤包覆机的铸挤靴中，调整铸挤轮与铸挤靴之间的间隙为0.5～0.8毫米，然后采用张力放线装置对碳纤维芯线进行放线，碳纤维芯线穿过包覆模的模孔后与牵引卷取装置连接，使张力放线装置的放线端、牵引卷取装置的牵引端与包覆模的模孔中心处于同一直线上，并使张力放线装置和牵引卷取装置之间的碳纤维芯线形成1～3千牛的张力。启动连续铸挤包覆机，调整铸挤轮的转速为5～10转/分钟，空转5～10分钟进行铸挤轮与铸挤靴之间的磨合预热，然后再将铝合金液通过导流管浇注到铸挤轮与槽封块形成的型腔中，同时向铸挤轮和铸挤靴中通水冷却，以平衡凝固热和变形热，使流入包覆模内的铝合金半固态浆料温度在510～550℃，将碳纤维芯线包覆，当铝合金连同包覆的碳纤维芯线一同挤出模孔，冷却凝固后即得到铝包碳纤维导线。
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1：
采用本发明的方法制备直径1毫米的铝包碳纤维导线，步骤如下：
第一步：将1Al97铝合金锭在740℃加热熔化，然后用氯化钾、氯化钠混合精炼剂对1Al97铝合金液进行精炼，除渣后再保温10分钟，然后将1Al97铝合金液的温度控制在680℃；
第二步：采用张力放线装置对直径0.1毫米的碳纤维芯线进行放线，碳纤维芯线穿过包覆模的模孔后与牵引卷取装置连接，使张力放线装置的放线端、牵引卷取装置的牵引端与包覆模的模孔中心处于同一直线上，并使张力放线装置和牵引卷取装置之间的碳纤维芯线形成1千牛的张力；
第三步：启动连续铸挤包覆机，调整铸挤轮的转速为10米/分钟，然后将1Al97铝合金液转移到中间包，通过导流管浇注到铸挤轮与槽封块形成的型腔中，同时向铸挤轮和铸挤靴中分别通入0.1立方米/分钟的水进行冷却，使流入包覆模内的1Al97铝合金温度在510℃，连续铸挤包覆成直径1毫米的铝包碳纤维导线。
在DNS200型电子拉伸试验机上对铝包碳纤维导线进行室温拉伸，抗拉强度为2200MPa，在QJ44型直流双臂电桥上对铝包碳纤维导线的导电率进行检测，导电率为61%IACS。
实施例2：
采用本发明的方法制备直径5毫米的铝包碳纤维导线，步骤如下：
第一步：将1050铝合金锭在760℃加热熔化，然后用氯化钾、氯化钠混合精炼剂对1050铝合金液进行精炼，除渣后再保温20分钟，然后将1050铝合金液的温度控制在700℃；
第二步：采用张力放线装置对直径1毫米的碳纤维芯线进行放线，碳纤维芯线穿过包覆模的模孔后与牵引卷取装置连接，使张力放线装置的放线端、牵引卷取装置的牵引端与包覆模的模孔中心处于同一直线上，并使张力放线装置和牵引卷取装置之间的碳纤维芯线形成3千牛的张力；
第三步：启动连续铸挤包覆机，调整铸挤轮的转速为8米/分钟，然后将1050铝合金液转移到中间包，通过导流管浇注到铸挤轮与槽封块形成的型腔中，同时向铸挤轮和铸挤靴中分别通入0.2立方米/分钟的水进行冷却，使流入包覆模内的1050铝合金温度在530℃，连续铸挤包覆成直径5毫米的铝包碳纤维导线。
在DNS200型电子拉伸试验机上对铝合金包碳纤维导线进行室温拉伸，抗拉强度为3300MPa，在QJ44型直流双臂电桥上对铝包碳纤维导线的导电率进行检测，导电率为56%IACS。
实施例3：
采用本发明的方法制备直径2.5毫米的铝包碳纤维导线，步骤如下：
第一步：将6010铝合金锭在780℃加热熔化，然后用氯化钾、氯化钠混合精炼剂对6010铝合金液进行精炼，除渣后再保温30分钟，然后将6010铝合金液的温度控制在720℃；
第二步：采用张力放线装置对直径0.5毫米的碳纤维芯线进行放线，碳纤维芯线穿过包覆模的模孔后与牵引卷取装置连接，使张力放线装置的放线端、牵引卷取装置的牵引端与包覆模的模孔中心处于同一直线上，并使张力放线装置和牵引卷取装置之间的碳纤维芯线形成2千牛的张力；
第三步：启动连续铸挤包覆机，调整铸挤轮的转速为5米/分钟，然后将6010铝合金液转移到中间包，通过导流管浇注到铸挤轮与槽封块形成的型腔中，同时向铸挤轮和铸挤靴中分别通入0.3立方米/分钟的水进行冷却，使流入包覆模内的6010铝合金温度在550℃，连续铸挤包覆成直径2.5毫米的铝包碳纤维导线。
在DNS200型电子拉伸试验机上对铝包碳纤维导线进行室温拉伸，抗拉强度为3600MPa，在QJ44型直流双臂电桥上对铝包碳纤维导线的导电率进行检测，导电率为53%IACS。
此外，本发明中所用的张力放线装置、牵引卷取装置和连续铸挤包覆机均为现有设备，因此在本发明中不再作图示说明。
本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。
Claims (1)
1.一种铝包碳纤维导线的制备方法，包括熔炼铝合金液、放线和连续铸挤包覆成形，其所用设备包括张力放线装置、牵引卷取装置和连续铸挤包覆机，所述连续铸挤包覆机由主机、电机和减速机组成，所述主机包括中间包、导流管、铸挤轮、槽封块、铸挤靴、包覆模、挡料块、偏心轴、液压缸和机架，铸挤轮外侧开设有环形槽，铸挤轮的环形轮槽与槽封块形成型腔，铸挤靴的包角为90°，当铝合金液浇注到型腔入口时，通过旋转铸挤轮施加的粘性摩擦力，铝合金液被拖入型腔深处，铝合金液被逐渐冷却，同时被旋转铸挤轮剪切搅拌成形铝合金半固态浆料，在挡料块作用下，铝合金半固态浆料流入包覆模内将碳纤维芯线包覆，当铝合金连同包覆的碳纤维芯线一同挤出模孔，冷却凝固后即得到铝包碳纤维导线，其特征在于按以下步骤进行：
第一步：将铝合金锭在740～780℃加热熔化，然后用精炼剂对铝合金液进行精炼，除渣后再保温10～30分钟，然后将铝合金液的温度控制在680～720℃；
第二步：采用张力放线装置对直径0.1～1毫米的碳纤维芯线进行放线，碳纤维芯线穿过包覆模的模孔后与牵引卷取装置连接，使张力放线装置的放线端、牵引卷取装置的牵引端与包覆模的模孔中心处于同一直线上，并使张力放线装置和牵引卷取装置之间的碳纤维芯线形成1～3千牛的张力，同时严格控制铝合金液的连续铸挤包覆工艺参数，使包覆模内铝合金实际温度为510～550℃，从而使包覆模内铝合金呈半固态状态包覆碳纤维芯线，解决了碳纤维芯线在导线中容易发生偏心的问题；
第三步：启动连续铸挤包覆机，调整铸挤轮的转速为5～10米/分钟，然后将铝合金液转移到中间包，通过导流管浇注到铸挤轮与槽封块形成的型腔中，同时向铸挤轮和铸挤靴中分别通入0.1～0.3立方米/分钟的水进行冷却，将铝合金液的凝固与碳纤维芯线的包覆进行一体化和连续化，使流入包覆模内的铝合金温度在510～550℃，连续铸挤包覆成直径1～5毫米的铝包碳纤维导线。
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