CN108015242A - 一种大长度大直径高强度高导新型复合线材的生产设备及其工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种大长度大直径高强度高导新型复合线材的生产设备及其工艺，其特征在于包括内部模具管、外部模具管、循环冷却系统、线圈；其中，外部模具管的直径大于内部模具管，内部模具管套入外部模具管中，在内部模具管和外部模具管的管壁之间注入铜液，铜液经过循环冷却系统时，上部分是铜液，下部分凝固成铜管，内部模具管的上入口高于外部模具管的入口，内部模具管的出口位于凝固的铜管中间部位。本发明通过垂直混合液的自重和控制混合液的凝固时间和速度，可以调节铜钢复合层的厚度，强化复合线材的牢固度、结合度和一体性，同时提高抗拉强度和导电率。
Description
技术领域
本发明涉及一种大长度大直径高强度高导新型复合线材的生产设备及其工艺。
背景技术
随着电子信息技术的发展，对铜合金导电材料的综合使用性能要求越来越高，要求其在保持高强度（硬度）、韧性、耐磨性的同时，仍保持较高的导电性、导热性、耐寒性、无铁磁性等特性。这些优良的特性，使铜合金逐渐成为电力、信息、交通、能源、轻工及航天航空等高科技领域中使用的重要金属材料。很多场合很少以纯铜的形式应用，这是因为纯铜的强度较低( 230～300 MPa)，冷加工后虽然可以达到400 MPa，但伸长率仅为2%，在加热或一定温度下使用时，其强化效果很容易消失。所以，纯铜仅能应用于受力不大的电力、电器、电子的导电体、散热体、装饰件等。在保持纯铜的一些优良性能的前提下，尽可能提高铜的强度(硬度)和耐磨性，随即高强度高导电性铜合金逐渐被研发出来。
目前高速电气化铁路采用Cu-Mg、Cu-Sn合金接触线，该类线材均是以丧失导电率为前提的。Cu-Cr-Zr接触线还处实验室阶段或小批量试验阶段，虽在原有基础止的有一定幅度的提高，但提高幅度有限，而采用一种大长度大直径高强度高导新型复合线材的生产设备及其工艺生产的线材，可以大大增强线材的抗拉强度，而且保持较高的导电率，克服此类其他合金材料生产控制困难、成本高、大批量生产质量不稳定等难点，兼具高安全系数，高抗拉强度以及高导电性的特点，满足未来高速铁路线材发展要求。
目前,中国已成为了世界电气化铁路大国，根据我国《中长期铁路网规划》，到2020年，全国铁路营业里程达到10万公里，电气化率达到50%，运输能力满足国民经济和社会发展需要，主要技术装备达到或接近国际先进水平。
大长度大直径高强高导新型复合线材不仅能满足电气化铁路接触线等产品单件重量大于1吨的要求，解决了困扰国内同行业的重大技术难题，有重大的工业推广价值，填补国内该新型复合材料生产工艺的一项空白，对于推动铜加工行业的技术进步和自主创新能力的建设有不可估量的现实意义。
接触线强度的提高，将为我国高速铁路接触网设计提供了更安全更广阔的空间。导电性能的提升也会节省大量电能。同时在生产、试验、施工、运行等方面将会产生相应的自主创新科研成果，极大地促进了我国高速接触网技术的发展。新产品研发极大促进了装备技术的进步，工厂的生产装备进行了升级换代，整体生产水平得到了提高。
然而，传统的接触线生产方式生产周期长，由于是一炉一铸，长度重量和形状都受到限制，且真空生产成本高、产量小，很难建立连续化工业生产规模。
发明内容
针对上述技术问题，本发明通过垂直混合液的自重和控制混合液的凝固时间和速度，可以调节铜钢复合层的厚度，强化复合线材的牢固度、结合度和一体性，铜、钢的线膨胀因素可以忽略，使得铜和钢不会因为铜和钢的线膨胀因素而脱离。同时，在拉拔过程中解决了铜和钢的不同形变量的难题，实现了大长度大直径连铸连拔。
本发明提供了一种大长度大直径高强度高导新型复合线材的生产设备，包括内部模具管、外部模具管、循环冷却系统、线圈；其中，外部模具管的直径大于内部模具管，内部模具管套入外部模具管中，在内部模具管和外部模具管的管壁之间注入铜液，铜液经过循环冷却系统时，上部分是铜液，下部分凝固成铜管，内部模具管的上入口高于外部模具管的入口，内部模具管的出口位于凝固的铜管中间部位。
进一步地，内部模具管有外部模具管的圆心位于外部模具管的圆心上方，两者不在同一圆心上。进一步地，本发明的生产设备还包括接触线沟槽模具，所述接触线沟槽模具的分布偏向于内部模具管的圆心处。可根据实际需要，选择是否需要添加接触线沟槽模具，从而方便制得不同形状的产品。
进一步地，所述注入的铜液可以是纯铜金属液或铜合金液。
本发明还提供了一种大长度大直径高强度高导新型复合线材的生产工艺，包括如下步骤：
（1）从外部模具管入口注入铜液，铜液经过循环冷却系统时，上部分是铜液，下部分凝固成铜管；
（2）从内部模具管入口注入钢液，钢液从内部模具管的出口进入凝固的铜管，钢液可以将凝固的铜或铜合金管的管壁熔化，形成钢铜混合液，钢铜混合液在通电的线圈产生的涡流的作用下均匀分布；
（3）随着循环冷却系统的作用，钢铜混合液和钢水螺旋向下运动分别逐步凝固成钢铜复合层和钢芯，外部模具成倒锥形收口，在端口连接接触线成型整理模具，出料成型，制备得到大长度新型高强高导铜钢复合接触线。
进一步地，通过控制钢铜混合液的凝固时间和速度控制钢铜复合层的界面厚度大小。控制铜钢复合接触线出料的速度2±0.5m/min从而控制铜水和钢水相相互混合的时间，这样可以控制钢水可以熔化铜的多少，控制循环冷却水的初温3-10℃和流动的速度3-5L/Min，从而控制钢水的凝固速度和铜钢混合界面凝固的时间，从而控制铜钢混合界面的厚度。铜钢复合层可以将钢的高强度和铜的高导电有机的形成一个整体，可以相互补长取短，发挥各自的优势。
进一步地，根据铜和钢凝固、体积缩小的程度，确定外部模具倒锥的角度。由于铜钢在凝固时会收它缩，因此铜与外部模具存在细小空隙，倒锥的角度约在0.2至1度之间。
当钢液从内部模具管入口注入，从内部模具管的出口进入凝固的铜或铜合金管，此时，由于钢液的温高达1800℃（铜的溶点1083℃，钢的溶点1515℃），可以将凝固的铜或铜合金管的管壁熔化，形成钢和铜混合液，钢铜混合液在通电线圈产生的涡流的作用下均匀分布，随着冷却系统的作用，混合液和钢水螺旋向下运动逐步凝固成固体，外部模具成倒锥形收口（根据铜和钢凝固，体积缩小的程度，确定外部模具倒锥的角度），在端口连接接触线成型整理模具，出料成型，制备得到大长度新型高强高导铜钢复合接触线。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过垂直混合液的自重和控制混合液的凝固时间和速度，可以调节铜钢复合层的厚度，强化复合线材的牢固度、结合度和一体性，铜、钢的线膨胀因素可以忽略，使得铜和钢不会因为铜和钢的线膨胀因素而脱离。同时，在拉拔过程中解决了铜和钢的不同形变量的难题，实现了大长度大直径连铸连拔。以现有工艺生产的铜钢接触线为例，抗拉强度最高达到560Mpa左右，导电率是高达到65%IACS左右，若采用本方案，抗拉强度和导电率有大幅度提高，抗拉强度可以达到1000Mpa左右，导电率是高达到85-90%IACS左右。采用本工艺的优势非常明显。
附图说明
图1是本发明的生产设备和工艺的制备的产品：（a）不包含沟槽的接触线；（b）包含沟槽的接触线。
图2是本发明的包含沟槽的大长度大直径高强高导新型复合线材的生产设备的实施例示意图。
1线圈；
2循环冷却系统；
3铜液注入管道；
4铜液；
5钢液注入管道；
6钢液；
7内部模具管；
8接触线沟槽模具；
9外部模具管；
10钢铜混合液；
11钢铜复合层（固态）；
12钢芯（固态）；
13接触线成型整理模具；
14铜钢复合接触线；
15铜管（固态铜）。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
制备如图1（a）所示的不包含沟槽的接触线。
一种大长度大直径高强度高导新型复合线材的生产设备，包括内部模具管7、外部模具管9、循环冷却系统2、线圈1；其中，外部模具管9的直径大于内部模具管7，内部模具管7套入外部模具管9中，在内部模具管7和外部模具管9的管壁之间注入铜液4，铜液4经过循环冷却系统2时，上部分是铜液4，下部分凝固成铜管15，内部模具管7的上入口高于外部模具管9的入口，内部模具管7的出口位于凝固的铜管15中间部位。内部模具管7有外部模具管9的圆心位于外部模具管9的圆心上方，两者不在同一圆心上。
一种大长度大直径高强度高导新型复合线材的生产工艺：
（1）从外部模具管9入口注入铜液，铜液经过循环冷却系统2时，上部分是铜液4，下部分凝固成铜管15；
（2）从内部模具管入口注入钢液6，钢液6从内部模具管7的出口进入凝固的铜管，钢液6可以将凝固的铜管的管壁熔化，形成钢铜混合液10，钢铜混合液10在功率为300KW的通电的线圈1产生的涡流的作用下均匀分布；由于固态铜经过通电线圈的区域加热时间较短，因此不因熔化。
（3）随着循环冷却系统2的作用，钢铜混合液10和钢水螺旋向下运动分别逐步凝固成钢铜复合层11和钢芯12，外部模具成倒锥形1度收口，在端口连接接触线成型整理模具13，出料成型，制备得到大长度新型高强高导铜钢复合接触线。
实施例2：制备如图1（b）所示的包含沟槽的接触线
一种大长度大直径高强度高导新型复合线材的生产设备，如图2所示，包括内部模具管7、外部模具管9、循环冷却系统2、线圈1、接触线沟槽模具8，所述接触线沟槽模具8的分布偏向于内部模具管7的圆心处；其中，外部模具管9的直径大于内部模具管7，内部模具管7套入外部模具管9中，在内部模具管7和外部模具管9的管壁之间注入铜液4，铜液4经过循环冷却系统2时，上部分是铜液4，下部分凝固成铜管15，内部模具管7的上入口高于外部模具管9的入口，内部模具管7的出口位于凝固的铜管15中间部位。内部模具管7有外部模具管9的圆心位于外部模具管9的圆心上方，两者不在同一圆心上。
一种大长度大直径高强度高导新型复合线材的生产工艺：
（1）从外部模具管9入口注入铜液，铜液经过循环冷却系统2时，上部分是铜液4，下部分凝固成铜管15；
（2）从内部模具管入口注入钢液6，钢液6从内部模具管7的出口进入凝固的铜管，钢液6可以将凝固的铜管的管壁熔化，形成钢铜混合液10，钢铜混合液10在功率为300Kw的通电的线圈1产生的涡流的作用下均匀分布；
（3）随着循环冷却系统2的作用，钢铜混合液10和钢水螺旋向下运动分别逐步凝固成钢铜复合层11和钢芯12，外部模具成倒锥形0.2度收口，在端口连接接触线成型整理模具13，出料成型，制备得到大长度新型高强高导铜钢复合接触线。
控制混合液的凝固时间和速度，可以调节铜钢复合层的厚度，强化复合线材的牢固度、结合度和一体性，铜、钢的线膨胀因素可以忽略，使得铜和钢不会因为铜和钢的线膨胀因素而脱离。同时，在拉拔过程中解决了铜和钢的不同形变量的难题，实现了大长度大直径连铸连拔。以现有工艺生产的铜钢接触线为例，抗拉强度最高达到560Mpa左右，导电率是高达到65%IACS左右，若采用本方案，抗拉强度和导电率有大幅度提高，抗拉强度可以达到1000Mpa左右，导电率是高达到85-90%IACS左右。采用本工艺的优势非常明显。
除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种大长度大直径高强度高导新型复合线材的生产设备，其特征在于包括内部模具管、外部模具管、循环冷却系统、线圈；其中，外部模具管的直径大于内部模具管，内部模具管套入外部模具管中，在内部模具管和外部模具管的管壁之间注入铜液，铜液经过循环冷却系统时，上部分是铜液，下部分凝固成铜管，内部模具管的上入口高于外部模具管的入口，内部模具管的出口位于凝固的铜管中间部位。
2.根据权利要求1所述的大长度大直径高强度高导新型复合线材的生产设备，其特征在于内部模具管有外部模具管的圆心位于外部模具管的圆心上方，两者不在同一圆心上。
3.根据权利要求2所述的大长度大直径高强度高导新型复合线材的生产设备，其特征在于所述生产设备还包括接触线沟槽模具，所述接触线沟槽模具的分布偏向于内部模具管的圆心处。
4.根据权利要求1所述的大长度大直径高强度高导新型复合线材的生产设备，其特征在于所述注入的铜液可以是纯铜金属液或铜合金液。
5.一种大长度大直径高强度高导新型复合线材的生产工艺，使用如权利要求1所述的大长度大直径高强度高导新型复合线材的生产设备，其特征在于：
（1）从外部模具管入口注入铜液，铜液经过循环冷却系统时，上部分是铜液，下部分凝固成铜管；
（2）从内部模具管入口注入钢液，钢液从内部模具管的出口进入凝固的铜管，钢液可以将凝固的铜或铜合金管的管壁熔化，形成钢铜混合液，钢铜混合液在通电的线圈产生的涡流的作用下均匀分布；
（3）随着循环冷却系统的作用，钢铜混合液和钢水螺旋向下运动分别逐步凝固成钢铜复合层和钢芯，外部模具成倒锥形收口，在端口连接接触线成型整理模具，出料成型，制备得到大长度新型高强高导铜钢复合接触线。
6.根据权利要求5所述的大长度大直径高强度高导新型复合线材的生产工艺，其特征在于：控制铜钢复合接触线出料的速度2±0.5m/min从而控制铜水和钢水相相互混合的时间，同时控制循环冷却水的初温3-10℃和流动的速度3-5L/Min，从而控制钢水的凝固速度和铜钢混合界面凝固的时间，从而控制铜钢混合界面的厚度。
7.根据权利要求5所述的大长度大直径高强度高导新型复合线材的生产工艺，其特征在于：外部模具倒锥的角度为0.2-1度。
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