CN108389660B - 电缆用铜包铝复合棒材的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铜包铝复合棒材的制备方法，涉及金属材料的制备方法技术领域。所述方法首先通过立式离心运动及电磁约束实现铜管的成型及定向凝固组织的形成，铜管材从底部至顶部建立起温度梯度，然后停止离心运动，提起芯型电磁约束器，再次布置热偶，缓慢浇铸铝液，控制浇铸速度与温度分布，保持浇铸铝液定向凝固。当铝液浇铸凝固完成后即可形成铜包铝复合棒材。可以通过离心速度及内部电磁约束力来实现铜包铝复合棒材中铜与铝的比例。所述方法利用铜的离心铸造及铜和铝定向凝固结合来制备铜包铝复合棒材，由于采用了铜层级铝芯的定向凝固技术，因而具有铝和铜界面结合良好且铝和铜强度高的优点。

Description

电缆用铜包铝复合棒材的制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料的加工方法技术领域，尤其涉及一种电缆用铜包铝复合棒材的制备方法。

背景技术

铜及铜合金由于其优异的综合机械性能和高的导电率是电缆的首选材料，但是铜的价格较高。在通信信号和电力传输过程中，电流频率很高，由于“集肤效应”，因此传递的电流主要通过电缆的表面传输。因此，为了节省材料科学家设计了铜包铝复合导线，使用较为便宜的铝在线缆的心部，表层使用铜。铜包铝线的密度是纯铜线的40％左右。目前铜包铝复合层状材料通信和电力输送等领域的应用越来越广泛。

目前铜包铝复合棒材制备方法有铸造挤压法、静液挤压法、轧制压接法和包覆焊接法等。鉴于这些方法制备铜包铝线的界面结合不强，人们又发明了充芯连铸复合法。通过铜及铝的充芯连铸实现两种元素间的相互扩散将铜和铝结合在一起。铜包铝线要求铝和铜界面结合良好，能够形成牢固的界面，其铝铜界面处不会形成很多的化合物相，影响线缆的塑形。因此非常需要开发工艺稳定，铜包铝复合棒材结合界面强的工艺方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何提供一种具有铝和铜界面结合良好且铝和铜强度高的电缆用铜包铝复合棒材的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种电缆用铜包铝复合棒材的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

首先将原料铝装至铝熔炼炉中，将铜装至铜熔炼炉中，然后分别开启铝熔炼炉感应线圈和铜熔炼炉感应线圈，对铝熔炼炉和铜熔炼炉加热，通过第三热电偶及第四热电偶测量炉体中的温度，将第一热电偶通过热偶导向筒插入上盖外浇口组件的铜熔体测温半环槽中；

待达到两种熔体的浇铸温度后，给炉体底部的水冷盘通循环水，开启离心电机，使得离心铸型管转动，开启芯型电磁排斥器，达到设置转速后，驱动第一铜熔炼炉吊杆和第二铜熔炼炉吊杆旋转铜熔炼炉，将铜熔体通过由芯型电磁排斥器上的浇口内圆台及上盖外浇口组件上的浇口杯外型环组成的环状浇口进行浇铸，将铜熔体浇入离心铸型管中，当第一离心驱动杆与第二离心驱动杆之间的称重系统显示达到设置重量后停止浇铸；由于离心铸型管的离心运动及芯型电磁排斥器内的芯型电磁感应线圈的电磁约束力的作用，形成铜熔体管；

控制下加热器、中加热器以及上加热器的加热功率，使离心铸型管中铜熔体开始从底部向顶部定向凝固；

待第一热电偶测量的温度低于铜的熔点40℃-50℃时，保持下加热器、中加热器以及上加热器的加热功率不变；关闭芯型电磁排斥器，并通过芯型电磁排斥器运动杆将其提起至最高位置；同时关闭离心电机，待离心铸型管停止转动后，通过离心杆位置仪确定炉体底部的第五热电偶及第六热电偶的位置，然后插入第二热电偶至铝熔体测温半环槽内，插入第五热电偶及第六热电偶至离心铸型管的离心铸型管电偶进入槽中；

将铝熔体通过上盖外浇口组件上的浇口杯外型环进行浇铸，将铝熔体浇入铜管中；通过第二热电偶，第五热电偶及第六热电偶检测离心铸型管中的温度，控制下加热器、中加热器和上加热器的功率，使得铝熔体开始从底部向顶部定向凝固，完成所述铜包铝复合棒材的制备。

进一步的技术方案在于：所述铝熔体测温半环槽的径向深度大于所述铜熔体测温半环槽的径向深度。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述方法利用铜的离心铸造及铜和铝定向凝固结合来制备铜包铝复合棒材，由于采用了铜层级铝芯的定向凝固技术，因而具有铝和铜界面结合良好且铝和铜强度高的优点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例所述装置的结构示意图；

图2是本发明实施例所述装置中芯型电磁排斥器的剖视结构示意图；

图3是本发明实施例所述装置中上盖外浇口组件的剖视结构示意图；

图4是本发明实施例在浇铸铝液时所述装置的结构示意图；

图5是本发明实施例在凝固成型时所述装置的结构示意图；

1、炉体2、铜熔炼炉组件201、铜熔炼炉202、第一铜熔炼炉吊杆203、第二铜熔炼炉吊杆204、铜熔炼炉感应线圈205、铜熔炼炉保温层3、铝熔炼炉组件301、铝熔炼炉302、第一铝熔炼炉吊杆303、第二铝熔炼炉吊杆304、铝熔炼炉感应线圈305、铝熔炼炉保温层4、离心铸型管支撑5、离心铸型管6、水冷盘7、芯型电磁排斥器701、浇口内圆台702、芯型电磁感应线圈承载器703、芯型电磁感应线圈704、保护层8、下加热器9、中加热器10、上盖外浇口组件1001、浇口杯外型环1002、浇口杯上盖11、热偶导向筒12、第一热电偶13、第二热电偶14、第一离心驱动杆15、称重系统16、第二离心驱动杆17、离心电机18、芯型电磁排斥器运动杆19、第三热电偶20、第四热电偶21、铜熔体测温半环槽22、铝熔体测温半环槽23、离心铸型管电偶进入槽24、离心杆位置仪25、第五热电偶26、第六热电偶27、铜熔体28、上加热器29、外层铜或铜合金30、铝柱或铝合金柱。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，本发明实施例公开了一种铜包铝复合棒材的制备装置，包括炉体1，所述炉体1的左上侧设置有铜熔炼炉组件，所述炉体1的右上侧设置有铝熔炼炉组件3。所述炉体1内部的下侧设置有离心铸型管支撑4，所述离心铸型管支撑4上设置有离心铸型管5，所述离心铸型管支撑4的下侧设置有水冷盘6，所述炉体1内设置有芯型电磁排斥器7，芯型电磁排斥器7可进入离心铸型管5的中心，所述芯型电磁排斥器7的外周与所述离心铸型管5的内壁之间保持有距离（设置所述距离的目的是使所述芯型电磁排斥器7的外周与所述离心铸型管5的内壁之间形成铜层的铸造空间）。

所述离心铸型管5的外周从下到上依次设置有下加热器8、中加热器9和上加热器28。所述离心铸型管5的上端口设置有上盖外浇口组件10，所述上盖外浇口组件10上设置有测温环槽，与所述测温环槽相对的炉体内壁上对称的设置有两个热偶导向筒11。所述热偶导向筒11内分别设置有一个第一热电偶12和第二热电偶13，所述第一热电偶12和第二热电偶13用于测量离心铸型管5内相应金属（所述金属为铜或铜合金以及铝或铝合金）的温度。所述离心铸型管支撑4的下底面设置有第一离心驱动杆14，所述第一离心驱动杆14的下端通过称重系统15与第二离心驱动杆16的上端连接，所述第二离心驱动杆16的下端延伸至所述炉体1外，且所述第二离心驱动杆15的下端设置有离心电机17。所述离心电机17通过所述离心驱动杆驱动所述离心铸型管5转动，进而所述离心铸型管5带动所述上盖外浇口组件10转动，所述炉体1的上侧设置有芯型电磁排斥器运动杆18，所述芯型电磁排斥器运动杆18的一端位于所述炉体1外，另一端与所述芯型电磁排斥器7固定连接。

所述装置通过离心铸型管5转动及芯型电磁排斥器7来实现对铜熔体的排斥作用，实现控制铜熔体的管状特征形状；通过控制下加热器8、中加热器9和下加热器28功率，离心铸型管5中铜熔体开始从底部向顶部定向凝固；然后停止离心铸型管5的离心运动，提起芯型电磁排斥器7，然后将相应的热电偶插入离心铸型管5及上盖外浇口组件10的测温孔中，浇铸铝熔体；根据热偶温度控制加热器功率，实现铝熔体的定向凝固。

进一步的，如图1所示，所述铜熔炼炉组件2包括铜熔炼炉201、第一铜熔炼炉吊杆202、第二铜熔炼炉吊杆203、铜熔炼炉感应线圈204以及铜熔炼炉保温层205，所述铜熔炼炉组件2主要用于铜或铜合金材料的熔炼。所述铜熔炼炉感应线圈204位于所述铜熔炼炉201的外周，所述铜熔炼炉保温层205将所述铜熔炼炉感应线圈204覆盖并与所述铜熔炼炉201固定连接。所述第一铜熔炼炉吊杆202和第二铜熔炼炉吊杆203的一端位于所述炉体1外，所述第一铜熔炼炉吊杆202和第二铜熔炼炉吊杆203的另一端位于所述炉体1内，且与所述铜熔炼炉保温层205或铜熔炼炉201固定连接，通过操作所述第一铜熔炼炉吊杆202和第二铜熔炼炉吊杆203使所述铜熔炼炉201倾斜，进行铜熔体的倾倒。所述炉体1的左上侧设置有第三热电偶19，所述第三热电偶19主要用于测量炉体1靠近铜熔炼炉组件2位置的温度。

进一步的，如图1所示，所述铝熔炼炉组件3包括铝熔炼炉301、第一铝熔炼炉吊杆302、第二铝熔炼炉吊杆303、铝熔炼炉感应线圈304以及铝熔炼炉保温层305，所述铝熔炼炉组件3主要用于铝或铝合金材料的熔炼。所述铝熔炼炉感应线圈304位于所述铝熔炼炉301的外周，所述铝熔炼炉保温层305将所述铝熔炼炉感应线圈304覆盖并与所述铝熔炼炉301固定连接。所述第一铝熔炼炉吊杆302和第二铝熔炼炉吊杆303的一端位于所述炉体1外，所述第一铝熔炼炉吊杆302和第二铝熔炼炉吊杆303的另一端位于所述炉体1内，且与所述铝熔炼炉保温层305或铝熔炼炉301固定连接，通过操作所述第一铝熔炼炉吊杆302和第二铝熔炼炉吊杆303使所述铝熔炼炉301倾斜，进行铝熔体的倾倒。所述炉体1的右上侧设置有第四热电偶20，所述第四热电偶20主要用于测量炉体1靠近铝熔炼炉组件3位置的温度。

如图2所示，所述芯型电磁排斥器7包括浇口内圆台701，所述浇口内圆台701的下侧设置有芯型电磁感应线圈承载器702，所述芯型电磁感应线圈承载器702内设置有芯型电磁感应线圈703，所述芯型电磁感应线圈703内有循环水。所述芯型电磁感应线圈承载器702以及浇口内圆台701的外周设置有保护层704，所述芯型电磁排斥器运动杆18的下端与所述浇口内圆台701固定连接，所述浇口内圆台701的下端大上端小，所述芯型电磁感应线圈703的直径从下到上逐渐缩小，使得芯型电磁感应线圈703的外周与芯型电磁感应线圈承载器702外壁之间的夹角θ的范围为15°-30°（作用主要是为了使得产生的电磁力既能进一步提供离心力，还能产生向上的力来克服熔体的重力）。芯型电磁排斥器的保护层704用于防止熔体粘接到芯型电磁排斥器7上，芯型电磁感应线圈703除了对铜熔体进行排斥以外，还可以对离心铸型管5的内壁进行加热，防止形成内凝固层，阻碍熔体管的形成。

如图3所示，所述上盖外浇口组件10包括浇口杯外型环1001和浇口杯上盖1002。所述浇口杯上盖1002位于所述浇口杯外型环1001的外周，所述测温环槽沿所述浇口杯上盖1002的外周设置，所述浇口杯外型环1001的内径从下到上逐渐增大，所述浇口内圆台701位于所述浇口杯外型环1001内，且两者之间的下端构成熔体的浇注口。所述第一热电偶12经过一个热偶导向筒11进入到所述测温环槽内，用于在离心铸型管5高速旋转时测定离心铸型管5内铜熔体的温度。所述第二热电偶13经过另一个热偶导向筒11进入到所述测温环槽内，用于在离心铸型管5停止旋转时测定离心铸型管5内铝熔体的温度。

所述测温环槽包括铜熔体测温槽21和铝熔体测温半环槽22，因为所述铝熔体位于内侧而铜熔体位于外侧，因此，所述铝熔体测温半环槽22的径向深度大于所述铜熔体测温半环槽21的径向深度，方便相应的热电偶进入并测温，提高了温度测量的准确性。此外，所述铜熔体测温半环槽21和铝熔体测温半环槽22一般为半圆环状的凹槽，且两者之间相互连通。

如图1所示，所述炉体1的底部设置有两个炉体底部热电偶进入孔，与所述炉体底部热电偶进入孔相对应的所述离心铸型管5上设置有离心铸型管电偶进入槽23，所述第二离心驱动杆16上设置有离心杆位置仪24，所述离心杆位置仪24用于测量第五热电偶25和第六热电偶26插入所述离心铸型管电偶进入槽的位置。

本发明实施例还公开了一种电缆用铜包铝复合棒材的制备方法，包括如下步骤：

首先，将原料铝或者铝合金装至铝熔炼炉301中，将铜或者铜合金装至铜熔炼炉201中，然后分别开启铝熔炼炉感应线圈304和铜熔炼炉感应线圈204，对铝熔炼炉301和铜熔炼炉201加热，通过第三热电偶19及第四热电偶20测量炉体1中的温度，将第一热电偶12通过热偶导向筒11插入上盖外浇口组件10的铜熔体测温半环槽21中；

待达到两种熔体的浇铸温度后，给炉体1底部的水冷盘6通循环水，开启离心电机17，使得离心铸型管5转动，开启芯型电磁排斥器7，达到设置转速后，驱动第一铜熔炼炉吊杆202和第二铜熔炼炉吊杆203旋转铜熔炼炉201，将铜熔体通过由芯型电磁排斥器7上的浇口内圆台701及上盖外浇口组件10上的浇口杯外型环1001组成的环状浇口进行浇铸，将铜熔体浇入离心铸型管5中，当第一离心驱动杆14与第二离心驱动杆16之间的称重系统15显示达到设置重量后停止浇铸；由于离心铸型管5的离心运动及芯型电磁排斥器7内的芯型电磁感应线圈703的电磁约束力的作用，形成铜熔体管；

控制下加热器8、中加热器9以及上加热器28的加热功率，使离心铸型管5中铜熔体开始从底部向顶部定向凝固；

待第一热电偶12测量的温度低于铜的熔点40℃-50℃时，保持下加热器8、中加热器9以及上加热器28的加热功率不变；关闭芯型电磁排斥器7，并通过芯型电磁排斥器运动杆18将其提起至最高位置；同时关闭离心电机17，待离心铸型管5停止转动后，通过离心杆位置仪24确定炉体底部的第五热电偶25及第六热电偶26的位置，然后插入第二热电偶13至铝熔体测温半环槽22内，插入第五热电偶25及第六热电偶26至离心铸型管5的离心铸型管电偶进入槽中；

将铝熔体通过上盖外浇口组件10上的浇口杯外型环1001进行浇铸，如图4所示，将铝熔体浇入铜管中；通过第二热电偶13，第五热电偶25及第六热电偶26检测离心铸型管5中的温度，控制下加热器8、中加热器9和上加热器28的功率，使得铝熔体开始从底部向顶部定向凝固，完成所述铜包铝复合棒材的制备，如图5所示。

所述装置和方法利用铜的离心铸造及铜和铝定向凝固结合来制备铜包铝复合棒材，由于采用了铜层级铝芯的定向凝固技术，因而具有铝和铜界面结合良好且铝和铜强度高的优点。

Claims (2)

1.一种电缆用铜包铝复合棒材的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

首先将原料铝装至铝熔炼炉（301）中，将铜装至铜熔炼炉（201）中，然后分别开启铝熔炼炉感应线圈（304）和铜熔炼炉感应线圈（204），对铝熔炼炉（301）和铜熔炼炉（201）加热，通过第三热电偶（19）及第四热电偶（20）测量炉体（1）中的温度，将第一热电偶（12）通过热偶导向筒（11）插入上盖外浇口组件（10）的铜熔体测温半环槽（21）中；

待达到两种熔体的浇铸温度后，给炉体（1）底部的水冷盘（6）通循环水，开启离心电机（17），使得离心铸型管（5）转动，开启芯型电磁排斥器（7），达到设置转速后，驱动第一铜熔炼炉吊杆（202）和第二铜熔炼炉吊杆（203） 旋转铜熔炼炉（201），将铜熔体通过由芯型电磁排斥器（7）上的浇口内圆台（701）及上盖外浇口组件（10）上的浇口杯外型环（1001）组成的环状浇口进行浇铸，将铜熔体浇入离心铸型管（5）中，当第一离心驱动杆（14）与第二离心驱动杆（16）之间的称重系统（15）显示达到设置重量后停止浇铸；由于离心铸型管（5）的离心运动及芯型电磁排斥器（7）内的芯型电磁感应线圈（703）的电磁约束力的作用，形成铜熔体管；

控制下加热器（8）、中加热器（9）以及上加热器（28）的加热功率，使离心铸型管（5）中铜熔体开始从底部向顶部定向凝固；

待第一热电偶（12）测量的温度低于铜的熔点40℃-50℃时，保持下加热器（8）、中加热器（9）以及上加热器（28）的加热功率不变；关闭芯型电磁排斥器（7），并通过芯型电磁排斥器运动杆（18）将其提起至最高位置；同时关闭离心电机（17），待离心铸型管（5）停止转动后，通过离心杆位置仪（24）确定炉体底部的第五热电偶（25）及第六热电偶（26）的位置，然后插入第二热电偶（13）至铝熔体测温半环槽（22）内，插入第五热电偶（25）及第六热电偶（26）至离心铸型管（5）的离心铸型管电偶进入槽中；

将铝熔体通过上盖外浇口组件（10）上的浇口杯外型环（1001）进行浇铸，将铝熔体浇入铜管中；通过第二热电偶（13），第五热电偶（25）及第六热电偶（26）检测离心铸型管（5）中的温度，控制下加热器（8）、中加热器（9）和上加热器（28）的功率，使得铝熔体开始从底部向顶部定向凝固，完成所述铜包铝复合棒材的制备。

2.如权利要求1所述的电缆用铜包铝复合棒材的制备方法，其特征在于：所述铝熔体测温半环槽（22）的径向深度大于所述铜熔体测温半环槽（21）的径向深度。