CN110660499A - 大长度熔融渗透式铜钢复合线材及其电压对称接线方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大长度熔融渗透式铜钢复合线材，包括线材本体，所述线材本体包括铜层和钢层，所述铜层和钢层通过熔融互相表面渗透结合为一体，熔融渗透的表面形成铜钢复合层。本发明利用钢良好的抗拉强度和铜的良好导电性，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。

Description

大长度熔融渗透式铜钢复合线材及其电压对称接线方法

技术领域

本发明涉及线材技术领域，具体涉及一种大长度熔融渗透式铜钢复合线材及其电压对称接线方法。

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(230～300MPa)，冷加工后虽然可以达到400MPa，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合金线材，该类线材均是以丧失导电率为前提的。Cu-Cr-Zr线材还处实验室阶段或小批量试验阶段，虽在原有基础上有一定幅度的提高，但提高幅度有限，而大长度高强高导耐磨铬铜钢新型复合线材，大大增强线材的抗拉强度，而且保持较高的导电率，但此类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，而大长度熔融渗透式铜钢复合线材具高安全系数，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。

大长度熔融渗透式铜钢复合线材不仅能满足电气化铁路线材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。

线材强度的提高，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。

另外，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。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供了一种大长度熔融渗透式铜钢复合线材及其电压对称接线方法，突破了导电率和抗拉强度相互矛盾，相互牺牲的难题，克服了铜包钢的铜、包覆层、钢芯因膨胀系不配匹等原因而相互脱离等难题，实现了生产工艺创新和工装设备自主创新。

本发明的目的是这样实现的：

一种大长度熔融渗透式铜钢复合线材，包括线材本体，所述线材本体包括铜层和钢层，所述铜层和钢层通过熔融互相表面渗透结合为一体，熔融渗透的表面形成铜钢复合层。

优选的，在线材本体截面对应铜钢复合层的两侧对称设有沟槽。

优选的，所述铜层和钢层之间设有相互扣合结构。

优选的，所述扣合结构为燕尾槽结构。

优选的，所述钢层设有燕尾凸起，所述铜层对应燕尾凸起设有燕尾凹槽。

优选的，所述线材本体的截面大体为圆形。

优选的，所述钢层的截面积小于铜层的截面积。

一种大长度熔融渗透式铜钢复合线材的接线方法，采用上述线材，其电压对称接线方法如下：

悬挂线材本体，铜层的两端通电，钢层的两端、铜钢复合层的两端均不通电。

一种大长度熔融渗透式铜钢复合线材的用途，采用上述线材，用于特高压长距离输变电。

本发明的有益效果是：

本发明通过控制线材的出料速度和控制混合液的凝固时间，可以调节铜钢渗透层的厚度，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，利用钢良好的抗拉强度和铜的良好导电性，使两者发挥各自优势，取长补短，形成大长度高强高导新型铜钢复合线材，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为本发明实施例1的截面示意图。

图2为本发明实施例2的截面示意图。

图3为本发明实施例3的截面示意图。

图4为本发明实施例4的截面示意图。

图5为本发明的接线示意图。

图6为本发明小灯泡验证实验一示意图。

图7-9为本发明验证实验二的操作示意图。

图10-12为本发明验证实验三的操作示意图。

图13为本发明验证实验四的操作俯视示意图。

其中：铜层1；钢层2；铜钢复合层3；沟槽4。

具体实施方式

实施例1：

参见图1，本发明涉及一种大长度熔融渗透式铜钢复合线材，包括线材本体，所述线材本体包括铜层1和钢层2，所述铜层1和钢层2通过熔融互相表面渗透结合为一体，熔融渗透的表面形成铜钢复合层3。

在线材本体截面对应铜钢复合层3的两侧对称设有沟槽4。

所述线材本体的截面大体为圆形。

所述钢层的截面积小于铜层的截面积。

一种大长度熔融渗透式铜钢复合线材的接线方法，采用上述线材，其电压对称接线方法如下：

悬挂线材本体，铜层的两端C和D通电，钢层的两端A和B、铜钢复合层的两端E和F均不通电。

一种大长度熔融渗透式铜钢复合线材的用途，采用上述线材，用于接触线。

实施例2：

参见图2，本发明涉及一种大长度熔融渗透式铜钢复合线材，包括线材本体，所述线材本体包括铜层1和钢层2，所述铜层1和钢层2通过熔融互相表面渗透结合为一体，熔融渗透的表面形成铜钢复合层3。

在线材本体截面对应铜钢复合层3的两侧对称设有沟槽4。

所述铜层1和钢层2之间设有相互扣合结构。

所述扣合结构为燕尾槽结构。

所述钢层2设有燕尾凸起，所述铜层1对应燕尾凸起设有燕尾凹槽。

所述线材本体的截面大体为圆形。

所述钢层的截面积小于铜层的截面积。

一种大长度熔融渗透式铜钢复合线材的接线方法，采用上述线材，其电压对称接线方法如下：

悬挂线材本体，铜层的两端C和D通电，钢层的两端A和B、铜钢复合层的两端E和F均不通电。

一种大长度熔融渗透式铜钢复合线材的用途，采用上述线材，用于接触线。

实施例3：

参见图3，本发明涉及一种大长度熔融渗透式铜钢复合线材，包括线材本体，所述线材本体包括铜层1和钢层2，所述铜层1和钢层2通过熔融互相表面渗透结合为一体，熔融渗透的表面形成铜钢复合层3。

所述线材本体的截面大体为圆形。

所述钢层的截面积小于铜层的截面积。

一种大长度熔融渗透式铜钢复合线材的接线方法，采用上述线材，其电压对称接线方法如下：

悬挂线材本体，铜层的两端C和D通电，钢层的两端A和B、铜钢复合层的两端E和F均不通电。

一种大长度熔融渗透式铜钢复合线材的用途，采用上述线材，用于特高压长距离输变电。

目前，用于特高压电缆的是钢芯铝绞线，由于线路远，线损也不可估量，而我们采用铜钢复合线，并采取电压对称接线法（上述接线法），不仅利用钢的抗拉强度，从而增强安全系数，而且能够充利用铜的优良导电性能，大大减少了线损，符合国家节能减排的战略。

实施例4：

参见图4，本发明涉及一种大长度熔融渗透式铜钢复合线材，包括线材本体，所述线材本体包括铜层1和钢层2，所述铜层1和钢层2通过熔融互相表面渗透结合为一体，熔融渗透的表面形成铜钢复合层3。

所述铜层1和钢层2之间设有相互扣合结构。

所述扣合结构为燕尾槽结构。

所述钢层2设有燕尾凸起，所述铜层1对应燕尾凸起设有燕尾凹槽。

所述线材本体的截面大体为圆形。

所述钢层的截面积小于铜层的截面积。

一种大长度熔融渗透式铜钢复合线材的接线方法，采用上述线材，其电压对称接线方法如下：

悬挂线材本体，铜层的两端C和D通电，钢层的两端A和B、铜钢复合层的两端E和F均不通电。

一种大长度熔融渗透式铜钢复合线材的用途，采用上述线材，用于特高压长距离输变电。

利用铜的优良导电性和钢的抗拉强度，减少线损，根据电压对称原理，电流只从铜材通过。

钢层、铜层和铜钢复合层之间为并联，也就是说铜层和钢层之间的关系是并联的关系，是相互独立的关系，铜的两端加上电压，并不受钢的影响，反过来说，钢的两端不加电压（纯粹抗拉）也不受铜导体中电流影响；也就是说，当线材悬挂时，只有铜的两端接通电源，钢及铜钢复合层是没有任何电流通过的。从而达到我们利用钢的抗拉强度，和铜的良好导电性的目的。

《低温物理学报》在2008年2月第30卷第1期出版的《低温/高温复合超导体中的电流分布的研究》（中国科学院应用超导研究室等）中有明确描述：“电流分布的计算模型：低温/高温复合超导体将常规工艺制备的低温超导复合线（带）材同现有的工艺技术制备的高温超导复合导体的并联采用一定的加工工艺，如直接焊接等使两者结合在一起组成复合超导导体，或者直接使用若干根低温超导复合线（带）材同高温复合（带）材并联绕制形成，由低温/高温复合超导体（新型复合超导体）的加工工艺，复合超导体可看作一个低温超导体、高温超导体、金属银和铜的并联模型。”

从文中我们可以得为新型的低温/高温铜银复合超导材料（备注：铜为低温超导体，银为高温超导体。）类似于我们研究的铜钢复合材料，复合材料间关系为并联，也就是铜、钢之间的关系是并联的关系，是相互独立的关系。铜的两端加上电压，并不受钢的影响，反过来说，钢的两端不加电压（纯粹抗拉）也不受铜导体中电流影响。

实验一：

如图6，将长宽高相等的铜条和钢条复合成铜钢并联结构，在铜条的两端加上电压，串联小灯泡L1，联结回路；在钢条的两端串联小灯泡L2。

实验结果：小灯泡L1发亮，小灯泡L2不亮。

实验结论：两种及两种以上不同材质的导体组成复合材料，只要将电压加在同一种材质的两端，并产生的电流的，而其他材质导体是没有电流通过的。

实验二：

步骤一、如图7，直流数字电阻测试仪测量单一铜条的电阻，电阻值R；

步骤二、如图8，采用步骤一相同规格（长宽高相等）的铜条，将两根铜条复合成铜钢并联结构，直流数字电阻测试仪在一根铜条的两端加上电压，取得该铜条的电阻R’；

步骤三、如图9，采用步骤一相同规格（长宽高相等）的铜条，将相同规格的钢条和铜条复合成铜钢并联结构，直流数字电阻测试仪在铜条的两端加上电压，取得铜条的电阻R’’。其中，a、b处加电流，c、d处加电压。

实验结果：R、R’、R’’的电阻值没有明显变化。

实验结论：当一个导体有电流通过时，加在该导体上的附加同质导体或异质导体，是没有电流通过的，也就是说该导体和附加导体是相互独立的。

实验三、干电池小电流实验：

通过安培定则的现象对电压对称原理进行验证，主要验证电流周围的小磁针变化，从而判断导体有无电流通过。通过干电池放电的形式，选用8节1号干电池，导线分别接在铜铝复合排的三个不同位置，见图10-12，图10中导线对称接在铜层的两端，图11中导线对称接在铜钢复合层的两端，图12中导线对称接在铝层的两端，通过观察小磁针的变化，从而判断电流的走向。通过实验很明显的看到，小磁针只在加电压的地方发生偏转，说明有电流通过，小磁针没有发生偏转的地方，没有电流的通过。

实验四、干电池大电流实验：

通过安培定则的现象，选用20节1号干电池形成直流电源，运用直流电源大电流，对电压对称原理进行验证。铜铝复合排的铜和铜条焊接，铜铝复合排和铜条一起垂直放置，所有小磁针水平放置，分别放置3个小磁针在铜铝复合排的左、中、右的中间位置（如图13所示），位于铜条的一侧在铜铝复合排的左、中、右上方对应设有3个小磁针，通电后，并调节电流的大小，最右边上下的2个小磁针转动幅度最大，最左边的上下2个小磁针不动，中间上下的2个小磁针的转动幅度相同而且很小，这并不是因为铜铝复合排有电流通过使小磁针产生的转动，而是铜铝复合排中铜条中有大电流通过，在周围产生较大的磁场，外围的磁场使中间上下的2个小磁针同时产生了转动，而最左边上下2个小磁针并未产生转动，那是因为铜条产生的外围磁场已经减弱，不能使最左边的2个小磁针产生转动。这个实验说明了，铜铝复合排中除铜条有电流通过之外，其他地方是没有电流通过的，从而进一步证明了电压对称原理的正确性。

综上所述，当一个导体有电流通过时，加在该导体上的附加同质导体或异质导体，是没有电流通过的，也就是说该导体和附加导体是相互独立的。当一个导体的体积较大时，所加电压的接触面积相同且对称时，我们简称对称电压。电流只在对称电压之间的通路上通过，而未加对称电压的部分，是没有电流通过的。

这是因为，对称电压之间，形成电力场，电力线相当于在对称电压之间形成了轨道，电子只在轨道上定向移动，而不会“出轨”或“绕轨”移动。因此我们大致可以得出这样电压对称原理的结论：

狭义表述：电压对称原理是指在导体两端加上对称电压，电流只在对称电压之间通过。

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 (9)

1.一种大长度熔融渗透式铜钢复合线材，其特征在于：包括线材本体，所述线材本体包括铜层（1）和钢层（2），所述铜层（1）和钢层（2）通过熔融互相表面渗透结合为一体，熔融渗透的表面形成铜钢复合层（3）。

2.根据权利要求1所述的一种大长度熔融渗透式铜钢复合线材，其特征在于：在线材本体截面对应铜钢复合层（3）的两侧对称设有沟槽（4）。

3.根据权利要求1或2所述的一种大长度熔融渗透式铜钢复合线材，其特征在于：所述铜层（1）和钢层（2）之间设有相互扣合结构。

4.根据权利要求3所述的一种大长度熔融渗透式铜钢复合线材，其特征在于：所述扣合结构为燕尾槽结构。

5.根据权利要求4所述的一种大长度熔融渗透式铜钢复合线材，其特征在于：所述钢层（2）设有燕尾凸起，所述铜层（1）对应燕尾凸起设有燕尾凹槽。

6.根据权利要求1所述的一种大长度熔融渗透式铜钢复合线材，其特征在于：所述线材本体的截面大体为圆形。

7.根据权利要求1所述的一种大长度熔融渗透式铜钢复合线材，其特征在于：所述钢层的截面积小于铜层的截面积。

8.一种大长度熔融渗透式铜钢复合线材的接线方法，其特征在于：采用权利要求1-7之一所述的线材，其电压对称接线方法如下：

悬挂线材本体，铜层的两端通电，钢层的两端、铜钢复合层的两端均不通电。

9.一种大长度熔融渗透式铜钢复合线材的用途，其特征在于：采用权利要求1-7之一所述的线材，用于接触线或特高压长距离输变电。

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