CN108015246B - 等通道直角铜钢复合接触线连铸连续挤压设备及其工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种大塑性等通道直角铜钢复合接触线连铸连续挤压设备及其工艺，其特征在于包括：钢模模具、铜模模具、直角挤压装置、冷却循环系统和线圈；所述钢模模具管道放在铜模模具管道之内，且钢模模具管道位于铜模模具管道圆心上方，两者不在同一圆心上。本发明通过大小模具配合使用，实现铜钢复合接触线的流程化生产，突破了导电率和抗拉强度相互矛盾，相互牺牲的难题，克服了包覆层和钢芯因膨胀系不匹配等原因而相互脱离的难题，实现了生产工艺创新和工装设备自主创新。
Description
技术领域
本发明涉及一种大塑性等通道直角铜钢复合接触线连铸连续挤压设备及其工艺。
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，而采用一种大塑性等通道直角铜钢复合接触线连铸连续挤压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。
采用一种大塑性等通道直角铜钢复合接触线连铸连续挤压设备及其工艺生产的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
针对上述问题，本发明通过大小模具配合使用，实现铜钢复合接触线的流程化生产，突破了导电率和抗拉强度相互矛盾，相互牺牲的难题，克服了包覆层和钢芯因膨胀系不配匹等原因而相互脱离的难题。
本发明提供了一种大塑性等通道直角铜钢复合接触线连铸连续挤压设备，包括：钢模模具、铜模模具、直角挤压装置、冷却循环系统和线圈；
所述钢模模具包括钢液纵向冲头、钢液进入通道、钢液注入阀门、钢液通道、钢液挡板阀门、钢液流通阀门、钢模出口、钢模模具管道、钢液斜向冲头和钢液斜向冲头管道，其中钢液注入阀门分为位于钢液挡板阀门上方的钢液注入阀门和下方的钢液注入阀门，上方的钢液注入阀门与钢液进入通道连通，下方的钢液注入阀门与钢液斜向冲头管道连通；
所述铜模模具包括铜液注入通道、铜模盖、铜液注入阀门、铜液流通阀门、铜液斜向冲头和铜模模具管道，其中铜液注入通道、铜液注入阀门、铜液流通阀门、铜液斜向冲头分为上方和下方两套；
所述钢模模具管道放在铜模模具管道之内，且钢模模具管道位于铜模模具管道圆心上方，两者不在同一圆心上。
进一步地，钢液以及铜液的进入量分别通过钢液注入阀门，铜液注入阀门进行调控。
进一步地，所述铜液斜向冲头与铜模模具管道成120°夹角。
本发明还提供了大塑性等通道直角铜钢复合接触线连铸连续挤压工艺，包含以下步骤：
（a）钢液连续向下移动：钢液通过钢模模具上方的钢液进入通道进入模具，在钢液纵向冲头的压力作用下，钢液向钢模出口移动，当钢液纵向冲头向下运动时，钢液挡块阀门以及其下方的钢液注入阀门开启，其他阀门关闭，钢液斜向冲头管道内开始注入钢液；当钢液纵向冲头运动到最低点，开始回复运动时，钢液挡块阀门以及其下方的钢液注入阀门关闭，其余阀门开启，钢液挡块阀门上方开始注入钢液；当钢液纵向冲头运动到最低点开始回复运动时，钢液斜向冲头开始向最低点运动；当钢液斜向冲头运动到最低端的时候，钢液纵向冲头位于最高点，往复循环；
（b）铜液连续向下移动：在铜液模具内，上方的铜液斜向冲头向前运动时，此时上方的斜向冲头管道内的铜液注入阀门关闭，上方的铜液流通阀门开启，下方的斜向冲头的铜液注入阀门开启，下方的铜液流通阀门关闭，下方管道内开始注入铜液；上方的铜液斜向冲头提供给铜液一个向下移动的压力，当上方的铜液斜向冲头开始回复运动时，上方的斜向冲头管道内的铜液注入阀门开启，上方的铜液流通阀门关闭，上方斜向冲头管道内开始注入铜液；下方的斜向冲头管道的铜液注入阀门关闭，下方的铜液流通阀门开启，下方的铜液斜向冲头开始向前运动，往复循环运动；
（c）钢液和铜液保持同步向下移动；
（d）当钢液从钢模出口流出，流入铜模模具管道内时，与钢液直接接触的固态铜表面融化，形成铜钢混合界面，线圈通电形成涡流效应使得铜钢混合界面分布均匀，在冷却循环系统和多种冲头的作用下，混合界面和钢水旋转向下运动的过程中逐步凝固，同时凝固后的复合接触线直接通过直角挤压，实现铜钢复合线的连续生产。
进一步地，其中铜钢复合层的厚度控制方法包括如下步骤：
（1）、控制铜钢复合接触线出料的速度（或连续挤压的速度）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，一般的出料速度为2±0.5m/min。
（2）、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。
进一步地，复合层合理的厚度范围：0.5-2mm之间。进一步地，线圈电流强度为550-650A 之间
进一步，其中注入的铜液可以为铜合金液。
当钢液从钢模出口流出，流入铜模内时，由于此时钢液的温度远高于铜的表面温度（铜的溶点1083℃，钢的溶点1515℃，此时钢液为1800℃），根据热力学第二定律，与钢液直接接触的固态铜表面融化，形成液态的铜钢混合界面，通电线圈内的涡流效应使得液态的铜钢混合界面分布均匀，在冷却系统和冲头的作用下，混合界面和钢水旋转向下运动的过程中逐步凝固，凝固后的复合接触线包括固态铜钢复合层界面、钢芯、铜层（固态）。该复合接触线在冲头的压力作用下，直接通过直角挤压，然后通过铜钢复合接触线模具挤压成型。
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。
控制调节复合层的厚度：控制铜钢复合接触线出料的速度（或连续挤压的速度）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，一般的出料速度为2m/min左右。控制循环冷却水的初温和流动的速度，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。复合层的厚度可以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。
控制调节复合层的混合的均匀度：通过线圈产生的涡流作用，可以调节铜钢混合层的均匀度，具体运动路线为，由于加压或复合层的自重的作用，垂直向下运动，线圈的涡流作用复合层作圆周运动，这两种运动状态的合成，就是复合层作螺旋下降，这个过程中，铜水和钢水会得到充分的均匀。复合层合理的厚度范围：0.5-2mm之间。
线圈电流强度为550-650A 之间，功率在200-250KW之间，电压为工业用电压380V。由于固态铜经过通电线圈的区域加热时间较短，因此不会熔化。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明通过大小模具配合使用，实现铜钢复合接触线的流程化生产，通过控制铜钢复合接触线出料的速度、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。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，从而同时增大了产品的抗拉强度和导电率，突破了导电率和抗拉强度相互矛盾，相互牺牲的难题，克服了包覆层和钢芯因膨胀系不匹配等原因而相互脱离的难题，实现了生产工艺创新和工装设备自主创新。
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是本发明的大塑性等通道直角铜钢复合接触线连铸连续挤压设备的实施例示意图。
其中：
1钢液纵向冲头；
2钢液进入通道；
3钢液注入阀门；
4铜液注入通道；
5铜液斜向冲头；
6冷却循环系统；
7线圈；
8钢模出口；
9铜钢复合层界面（液态）；
10铜钢复合接触线模具；
11铜钢复合层界面（固态）；
12钢芯（固态）；
13钢液通道；
14铜模盖；
15铜液注入阀门；
16铜液流通阀门；
17钢液挡板阀门；
18钢液流通阀门；
19钢模模具管道；
20铜模模具管道；
21铜层（固态）；
22钢液斜向冲头。
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
本实施例中的一种大塑性等通道直角铜钢复合接触线连铸连续挤压设备，如图2所示，其包括：钢模模具、铜模模具、直角挤压装置、冷却循环系统6和线圈7；
所述钢模模具包括钢液纵向冲头1、钢液进入通道2、钢液注入阀门3、钢液通道13、钢液挡板阀门17、钢液流通阀门18、钢模出口8、钢模模具管道19、钢液斜向冲头22和钢液斜向冲头管道，其中钢液注入阀门3分为位于钢液挡板阀门17上方的钢液注入阀门3和下方的钢液注入阀门3，上方的钢液注入阀门3与钢液进入通道2连通，下方的钢液注入阀门3与钢液斜向冲头管道连通；所述铜模模具包括铜液注入通道4、铜模盖14、铜液注入阀门15、铜液流通阀门16、铜液斜向冲头5和铜模模具管道20，其中铜液注入通道4、铜液注入阀门15、铜液流通阀门16、铜液斜向冲头5分为上方和下方两套；所述钢模模具管道19放在铜模模具管道20之内，且钢模模具管道19位于铜模模具管道20圆心上方，两者不在同一圆心上。钢液以及铜液的进入量分别通过钢液注入阀门3，铜液注入阀门15进行调控。所述铜液斜向冲头5与铜模模具管道20成120°夹角。
本实施例中的大塑性等通道直角铜钢复合接触线连铸连续挤压工艺，包含以下步骤：
a）钢液连续向下移动：钢液通过钢模模具上方的钢液进入通道2进入模具，在钢液纵向冲头1的压力作用下，钢液向钢模出口8移动，当钢液纵向冲头1向下运动时，钢液挡块阀门17以及其下方的钢液注入阀门3开启，其他阀门关闭，钢液斜向冲头管道内开始注入钢液；当钢液纵向冲头1运动到最低点，开始回复运动时，钢液挡块阀门17以及其下方的钢液注入阀门3关闭，其余阀门开启，钢液挡块阀门17上方开始注入钢液；当钢液纵向冲头1运动到最低点开始回复运动时，钢液斜向冲头22开始向最低点运动；当钢液斜向冲头22运动到最低端的时候，钢液纵向冲头1位于最高点，往复循环；
b）铜液连续向下移动：在铜液模具内，上方的铜液斜向冲头5向前运动时，此时上方的斜向冲头管道内的铜液注入阀门15关闭，上方的铜液流通阀门16开启，下方的斜向冲头的铜液注入阀门15开启，下方的铜液流通阀门16关闭，下方管道内开始注入铜液；上方的铜液斜向冲头5提供给铜液一个向下移动的压力，当上方的铜液斜向冲头5开始回复运动时，上方的斜向冲头管道内的铜液注入阀门15开启，上方的铜液流通阀门16关闭，上方斜向冲头管道内开始注入铜液；下方的斜向冲头管道的铜液注入阀门15关闭，下方的铜液流通阀门16开启，下方的铜液斜向冲头开始向前运动，往复循环运动；
（c）钢液和铜液保持同步向下移动；
（d）当钢液从钢模出口流出，流入铜模模具管道内时，与钢液直接接触的固态铜表面融化，形成铜钢混合界面，线圈通电形成涡流效应使得铜钢混合界面分布均匀，在冷却循环系统和多种冲头的作用下，混合界面和钢水旋转向下运动的过程中逐步凝固，同时凝固后的复合接触线直接通过直角挤压，实现铜钢复合线的连续生产。
进一步地，其中铜钢复合层的厚度控制方法包括如下步骤：
（1）、控制铜钢复合接触线出料的速度（或连续挤压的速度）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，一般的出料速度为2m/min左右。
（2）、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。
当钢液从钢模出口流出，流入铜模内时，由于此时钢液的温度远高于铜的表面温度（铜的溶点1083℃，钢的溶点1515℃，此时钢液为1800℃），根据热力学第二定律，与钢液直接接触的固态铜表面融化，形成液态的铜钢混合界面9，通电线圈内的涡流效应使得液态的铜钢混合界面9分布均匀，在冷却系统和冲头的作用下，混合界面和钢水旋转向下运动的过程中逐步凝固，凝固后的复合接触线包括固态铜钢复合层界面10、钢芯12、铜层（固态）21。该复合接触线在冲头的压力作用下，直接通过直角挤压，然后通过铜钢复合接触线模具10挤压成型。
本实施例中加入的铜液为纯铜液。铜钢混合层的厚度约0.5-2mm之间，线圈电流强度约为550-650A之间。通过大小模具配合使用，实现铜钢复合接触线的流程化生产，同时通过线圈产生的涡流作用，可以调节铜钢混合层的均匀度。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 (8)
1.一种等通道直角铜钢复合接触线连铸连续挤压设备，其特征在于：它包括钢模模具、铜模模具、直角挤压装置、冷却循环系统（6）和线圈（7）；
所述钢模模具包括钢液纵向冲头（1）、钢液进入通道（2）、钢液注入阀门（3）、钢液通道（13）、钢液挡板阀门（17）、钢液流通阀门（18）、钢模出口（8）、钢模模具管道（19）、钢液斜向冲头（22）和钢液斜向冲头管道，其中钢液注入阀门（3）分为位于钢液挡板阀门（17）上方的钢液注入阀门（3）和下方的钢液注入阀门（3），上方的钢液注入阀门（3）与钢模模具管道（19）连通，下方的钢液注入阀门（3）与钢液斜向冲头管道（23）连通；
所述铜模模具包括铜液注入通道（4）、铜模盖（14）、铜液注入阀门（15）、铜液流通阀门（16）、铜液斜向冲头（5）和铜模模具管道（20），其中铜液注入通道（4）、铜液注入阀门（15）、铜液流通阀门（16）、铜液斜向冲头（5）分为上方和下方两套；
所述钢模模具管道（19）放在铜模模具管道（20）之内，且钢模模具管道（19）位于铜模模具管道（20）圆心上方，两者不在同一圆心上。
2.根据权利要求1所述的等通道直角铜钢复合接触线连铸连续挤压设备，其特征在于钢液以及铜液的进入量分别通过钢液注入阀门（3），铜液注入阀门（15）进行调控。
3.根据权利要求1所述的等通道直角铜钢复合接触线连铸连续挤压设备，其特征在于所述铜液斜向冲头（5）与铜模模具管道（20）成120°夹角。
4.一种等通道直角铜钢复合接触线连铸连续挤压工艺，使用如权利要求1所述的等通道直角铜钢复合接触线连铸连续挤压设备，其特征在于包含以下步骤：
（a）钢液连续向下移动：钢液通过钢模模具上方的钢液进入通道（2）进入模具，在钢液纵向冲头（1）的压力作用下，钢液向钢模出口（8）移动，当钢液纵向冲头（1）向下运动时，钢液挡板阀门（17）以及其下方的钢液注入阀门（3）开启，其他阀门关闭，钢液斜向冲头管道内开始注入钢液；当钢液纵向冲头（1）运动到最低点，开始回复运动时，钢液挡板阀门（17）以及其下方的钢液注入阀门（3）关闭，其余阀门开启，钢液挡板阀门（17）上方开始注入钢液；当钢液纵向冲头（1）运动到最低点开始回复运动时，钢液斜向冲头（22）开始向最低点运动；当钢液斜向冲头（22）运动到最低点的时候，钢液纵向冲头（1）位于最高点，往复循环；
（b）铜液连续向下移动：在铜模模具内，上方的铜液斜向冲头（5）向前运动时，此时上方的斜向冲头管道内的铜液注入阀门（15）关闭，上方的铜液流通阀门（16）开启，下方的斜向冲头的铜液注入阀门（15）开启，下方的铜液流通阀门（16）关闭，下方管道内开始注入铜液；上方的铜液斜向冲头（5）提供给铜液一个向下移动的压力，当上方的铜液斜向冲头（5）开始回复运动时，上方的斜向冲头管道内的铜液注入阀门（15）开启，上方的铜液流通阀门（16）关闭，上方斜向冲头管道内开始注入铜液；下方的斜向冲头管道的铜液注入阀门（15）关闭，下方的铜液流通阀门（16）开启，下方的铜液斜向冲头（5）开始向前运动，往复循环运动；
（c）钢液和铜液保持同步向下移动；
（d）当钢液从钢模出口流出，流入铜模模具管道内时，与钢液直接接触的固态铜表面融化，形成铜钢混合界面，线圈通电形成涡流效应使得铜钢混合界面分布均匀，在冷却循环系统和多种冲头的作用下，混合界面和钢水旋转向下运动的过程中逐步凝固，同时凝固后的复合接触线直接通过直角挤压，实现铜钢复合线的连续生产。
5.根据权利要求4所述的等通道直角铜钢复合接触线连铸连续挤压工艺，其特征在于：其中铜钢复合层的厚度控制方法包括如下步骤：
（1）、控制铜钢复合接触线出料的速度或连续挤压的速度2±0.5m/min从而控制铜水和钢水相相互混合的时间；
（2）、控制循环冷却水3-10℃的初温和流动的速度3-5L/Min。
6.根据权利要求4所述的等通道直角铜钢复合接触线连铸连续挤压工艺，其特征在于：注入的铜液为铜合金液。
7.根据权利要求5所述的等通道直角铜钢复合接触线连铸连续挤压工艺，其特征在于：铜钢复合层的厚度为0.5-2mm。
8. 根据权利要求5所述的大塑性等通道直角铜钢复合接触线连铸连续挤压工艺，其特征在于：线圈电流强度为550-650A 之间。
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