CN111834044B - 覆铝碳素钢线及其制备方法和导线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种覆铝碳素钢线的制备方法，包括以下步骤：准备碳素钢盘条，将其拉拔成碳素钢线，依次连续通过等温处理、覆铝、拉伸及在线加热时效处理得到所述覆铝碳素钢线。本发明还提供上述方法制得的覆铝碳素钢线和应用覆铝碳素钢线成型的导线。本发明的方法通过在线时效处理提高覆铝碳素钢线与导体单元或光纤单元的断后伸长率的匹配性，使得成型导线中覆铝碳素钢线不至于先于导体单元断裂，从而改善导线的抗拉、抗压性能，延长导线的使用寿命，可以建立自动化生产线作业，提高生产效率。

Description

覆铝碳素钢线及其制备方法和导线
技术领域
本发明涉及电工线材加工技术领域，特别是指一种覆铝碳素钢线及其制备方法和导线。
背景技术
本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
电工铝包钢线是由金属钢芯和铝杆基于连续挤压包覆技术复合而成的双金属材料，它具有强度高、耐腐蚀、低损耗和比重轻等特性，在光纤架空复合地线和架空电力输配线路中发挥不可替代的作用。
GB/T 3428-2012《架空绞线用镀锌钢线》规定镀锌钢线伸长率不低于2％，而GB/T17937-2009《电工用铝包钢线》规定铝包钢线的断后伸长率不低于1％，由于芯层铝包钢线与导体层铝线或铝合金线的断后伸长率不匹配，导线受到强烈载荷时，芯层铝包钢优先断裂，外层铝线或铝合金线滞后断裂，导线整体拉断力受影响，制约了铝包钢线在架空导线领域的广泛应用。为了提升铝包钢线的伸长率，国内外厂家主要通过降低盘条含碳量、采用多道次小压缩率拉拔工艺以及调整热处理工艺等方法来实现。其中采用降低盘条的含碳量来提升铝包钢的伸长率，成品铝包钢线的抗拉强度和1％伸长应力会大幅度降低，降低导线的拉断力，达不到线路的设计要求。采用多道次小压缩率工艺来提升铝包钢的伸长率，一方面不能保证钢和铝的结合强度，另一方面受制于拉丝设备，需要改造设备增加拉拔道次，增加生产成本。通过调整热处理工艺来提升伸长率，而后道的双金属同步拉拔又会造成新的加工硬化，降低铝包钢线的伸长率。
发明内容
鉴于以上内容，有必要提供一种覆铝碳素钢线的制备方法，使得成型的覆铝碳素钢线断后伸长率高，满足自动化生产需求。
一种覆铝碳素钢线的制备方法，包括以下步骤：
准备碳素钢盘条，将其拉拔成碳素钢线，依次连续通过等温处理、覆铝、拉伸及在线加热时效处理得到所述覆铝碳素钢线。
进一步地，所述在线加热时效处理的步骤包括：
在拉伸出的线材的移动方向上设置加热装置来在线时效处理，其中线材的移动速率范围为100-180m/min，所述加热装置的加热功率为220-450KW。
进一步地，所述在拉伸出的线材的移动方向上设置加热装置来在线时效处理的步骤包括：
在拉伸出的线材的移动方向上设置加热装置来在线时效处理成预处理覆铝碳素钢线；
在所述预处理覆铝碳素钢线的移动方向上设置表面硬化处理装置，以使将所述预处理覆铝碳素钢线的铝层厚度变薄致表面硬度提高，且所述预处理覆铝碳素钢线的碳素钢线芯线径不变，从而连续在线成型所述覆铝碳素钢线。
进一步地，所述表面硬化处理装置包括拉拔机、辊压机或磨粒水射流处理装置中的一种。
进一步地，所述在所述预处理覆铝碳素钢线的移动方向上设置表面硬化处理装置，以使将所述预处理覆铝碳素钢线的铝层厚度变薄致表面硬度提高，且所述预处理覆铝碳素钢线的碳素钢线芯线径不变，从而连续在线成型所述覆铝碳素钢线的步骤包括：
将所述预处理覆铝碳素钢线从拉拔机的模孔拉出以实现表面硬化，从而得到断后伸长率高于2.0％、铝层硬度高于50HV的所述覆铝碳素钢线。
进一步地，所述模孔的出口孔径比所述预处理覆铝碳素钢线的线径小0.01-0.03mm。
进一步地，所述拉拔的速度为150-300m/min；所述等温处理过程中碳素钢线的加热温度范围为900-950℃，加热的方式包括铅浴或盐浴，DV值范围为50-70。
进一步地，所述拉伸过程中控制覆铝的碳素钢线拉伸成线材的体积总压缩率为65-85％，道次压缩率为10-25％，拉伸速率为100-180m/min，拉伸时所述覆铝的碳素钢线所处环境温度为50-150℃。
进一步地，所述等温处理的步骤之后且所述覆铝的步骤之前，所述方法还包括：
对所述碳素钢线的表面进行平整化处理，所述平整化处理包括机械打磨或化学腐蚀或两种方式组合。
一种覆铝碳素钢线，采用上述的覆铝碳素钢线的制备方法成型得到。
一种导线，包括上述的覆铝碳素钢线，与光纤单元、导电单元中一种或多种，通过排布成端面为圆形的线束绞合得到所述导线。
进一步地，所述导线包括多根所述覆铝碳素钢线，以及若干光纤单元和/或若干导电单元，多根所述覆铝碳素钢线与若干所述光纤单元和/或若干所述导电单元并排排布成端面为圆形的线束以整体绞合得到所述导线。
进一步地，所述导线包括多根所述覆铝碳素钢线和多根导电单元，多根所述覆铝碳素钢线并排排布成端面为圆形的线束以预先绞合成线芯，多根所述导电单元排布于所述线芯外层以整体绞合得到所述导线。
进一步地，所述光纤单元包括光纤及外包层和填充在所述光纤与所述外包层空隙间的纤膏。
进一步地，所述导电单元包括硬质铝、铝合金中的一种。
一种覆铝碳素钢线生产线，从始端至末端依次包括：
装料装置，用于碳素钢盘条的装料准备；
拉拔装置，用于将所述碳素钢盘条拉拔成碳素钢线；
等温处理装置，用于对所述碳素钢线进行热处理；
覆铝装置，用于对所述碳素钢线的外层包覆铝层；
拉伸装置，用于将覆铝碳素钢线进行拉伸以得到拉伸后的线材；
加热装置，用于对所述拉伸后的线材进行在线加热时效处理得到覆铝碳素钢线；
收卷装置，用于将覆铝碳素钢收卷待用。
其中，该生产线还包括若干输送单元以相互传递物料，以使所有装置组成的生产线能够连续运行。
与现有技术相比，本发明提供的一种覆铝碳素钢线的制备方法，通过在线时效处理提高覆铝碳素钢线与导体单元或光纤单元的断后伸长率的匹配性，使得成型导线中覆铝碳素钢线不至于先于导体单元断裂，从而改善导线的抗拉、抗压性能，延长导线的使用寿命。本发明还通过表面硬化处理，将覆铝碳素钢线的铝层的硬度提高，避免绞合过程容易出现的压伤和芯材裸露的问题，提高导线的成品率和安全稳定性。
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为本发明一较佳实施方式中覆铝碳素钢线的制备流程图。
图2为本发明一较佳实施方式中覆铝碳素钢线的端面结构图。
图3为本发明一较佳实施方式中导线的端面结构示意图。
图4为本发明另一较佳实施方式中导线的端面结构示意图。
图5为本发明又一较佳实施方式中导线的端面结构示意图。
图6为本发明一较佳实施方式中覆铝碳素钢线的生产线配置图。
附图标记说明:
碳素钢线芯 1
铝层 2
覆铝碳素钢线 30
导线 500
光纤单元 50
外包层 51
光纤 52
纤膏 53
导电单元 70
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明实施例。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明实施例的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式中的特征可以相互组合。
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实施例，所描述的实施方式仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明实施例保护的范围。
本文中“位错”指晶体材料的一种内部微观缺陷，即原子的局部不规则排列(晶体学缺陷)，位错属于一种线缺陷，可视为晶体中已滑移部分与未滑移部分的分界线，其存在对材料的物理性能，尤其是力学性能，具有极大的影响。
本文中“位错密度”为单位体积晶体中所含的位错线的总长度，单位是1/平方厘米。
本文中“压接比率”，用于导线压接过程中，是指导线压接后破断力与绞合后计算的拉断力的比值。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明实施例的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明实施例。
请参阅图1，为本发明提供一较佳实施方式中导线的制备流程，主要包括以下步骤：
准备碳素钢盘条，将其拉拔成碳素钢线，依次连续通过等温处理、覆铝、拉伸及在线加热时效处理得到所述覆铝碳素钢线30，所述覆铝碳素钢线的端面结构图如图2所示。
具体的：
步骤S11(准备碳素钢盘条)：调控碳元素含量，使其机械性能符合设计要求。
步骤S12(拉拔)：将碳素钢盘条拉拔成碳素钢线，其中拉拔速度为150-300m/min。
步骤S13(等温处理)：将碳素钢线在预设温度下进行热处理，其中所述等温处理过程中碳素钢线的加热温度范围为900-950℃，加热的方式包括铅浴或盐浴，DV值范围为50-70。
步骤S14(打磨处理)：对所述碳素钢线的表面进行平整化处理，即进行打磨，所述平整化处理包括机械打磨或化学腐蚀或两种方式组合。机械打磨可以是砂纸打磨或抛光打磨或其它方式。
步骤S15(覆铝)：沉积或涂覆形成均匀铝层。比如采用连续挤压包覆工艺等等。
步骤S16(拉伸)：将覆铝的碳素钢线通过金属拉伸设备进行拉伸，所述拉伸过程中控制覆铝的碳素钢线拉伸成线材的体积总压缩率为65-85％，道次压缩率为10-25％，拉伸速率为100-180m/min，拉伸时所述覆铝的碳素钢线所处环境温度为50-150℃。
步骤S17(在线加热时效)：所述在线加热时效处理的步骤包括：在拉伸出的线材的移动方向上设置加热装置来在线时效处理，其中线材的移动速率范围为100-180m/min，所述加热装置的加热功率为220-450KW。
本实施方式中，步骤S17包括：步骤S171，在拉伸出的线材的移动方向上设置加热装置来在线时效处理成预处理覆铝碳素钢线；步骤S172，在所述预处理覆铝碳素钢线的移动方向上设置表面硬化处理装置，以使将所述预处理覆铝碳素钢线的铝层2厚度变薄致表面硬度提高，且所述预处理覆铝碳素钢线的碳素钢线芯1线径D不变，从而连续在线成型所述覆铝碳素钢线30。其中，所述表面硬化处理装置包括拉拔机、辊压机或磨粒水射流处理装置中的一种。本实施方式中，步骤S172包括将所述预处理覆铝碳素钢线从拉拔机的模孔拉出以实现表面硬化，从而得到断后伸长率高于2.0％、铝层硬度高于50HV的所述覆铝碳素钢线30。所述模孔的出口孔径d比所述预处理覆铝碳素钢线的线径D小0.01-0.03mm。
上述制备方法有效提高了覆铝碳素钢线30的断后伸长率，改善了与导电单元70(如硬铝线)的匹配性。
本发明提供采用上述覆铝碳素钢线30制成的导线500，其将覆铝碳素钢线30，与光纤单元、导电单元中一种或多种，通过排布成端面为圆形的线束绞合得到所述导线500。其中导线500端面结构和绞合次数有多重变化，不限定为单一形式。
在一具体实施方式中，所述导线500包括多根所述覆铝碳素钢线30和多根导电单元70，多根所述覆铝碳素钢线30并排排布成端面为圆形的线束以预先绞合成线芯，多根所述导电单元70排布于所述线芯外层以整体绞合得到所述导线500。如图4所示，将7根由上述方法制备的φ2.1mm的覆铝碳素钢线30并排排布且预先绞合成端面大体为圆形的线芯；再在该线芯外将9根由上述方法制备的φ3.15mm的覆铝碳素钢线30排布成一圈；接着将15根φ3.15mm的硬铝线排布在外层，且形成一圈，然后将排布好的线芯和其他线材整体绞合制成导线。
在另一具体实施方式中，所述导线500包括多根所述覆铝碳素钢线30，以及若干光纤单元50和/或若干导电单元70，多根所述覆铝碳素钢线30与若干所述光纤单元50和/或若干所述导电单元70并排排布成端面为圆形的线束以整体绞合得到所述导线500。所述导电单元70包括硬质铝、铝合金中的一种。如图3所示，将6根由上述方法制备的φ2.8mm的覆铝碳素钢线30、1根φ2.7mm的光纤单元50、9根由上述方法φ4.20mm的覆铝碳素钢线30和36根φ4.20mm的硬铝线并排排布成端面大体为圆形的线束，然后将该线束整体绞合成光纤复合架空相线。其中，1根φ2.8的覆铝碳素钢线30为线束中心，该线束中心外排布有5根φ2.8mm的覆铝碳素钢线30和1根φ2.7mm的光纤单元50，相互围成一圈，形成第一结构层；第一结构层外排布有9根φ4.20mm的覆铝碳素钢线，相互围成一圈，形成第二结构层；第二结构层外排布有15根φ4.20mm的硬铝线，相互围成一圈，构成第三结构层。
在其他实施方式中，所述导线500的构成、形状不限定为上述实施方式，比如可以为图5示出的结构，由光纤单元50和覆铝碳素钢线组合而成等。所述光纤单元50包括光纤52及外包层51和填充在所述光纤52与所述外包层51空隙间的纤膏53。
本发明的所述方法成型一种高伸长率、高强度且高硬度的铝包钢复合导线。下面通过具体实施例对本发明的导线结构与性能进行举例说明。
Figure BDA0002029703810000091
Figure BDA0002029703810000101
上述各实施例按照设计结构进行绞合制成导线。其中，覆铝碳素钢单线的性能、制成的导线，覆铝碳素钢线及其制成导线的性能如下：
Figure BDA0002029703810000102
对比分析可知，采用本发明的在线加热时效处理工艺将原材料1.0-1.4％的断后伸长率有效提升至3.4％以上，使得成型后的导线拉断力较普通导线的拉断力提升2％以上，使用年限更长。且可以发现，表面硬化处理，绞合时导线无芯材暴露、无压伤，成品率提高。
图6示出了制备上述覆铝碳素钢线的自动化生产线，该生产线从始端至末端依次包括：
装料装置，用于碳素钢盘条的装料准备；
拉拔装置，用于将所述碳素钢盘条拉拔成碳素钢线；
等温处理装置，用于对所述碳素钢线进行热处理；
覆铝装置，用于对所述碳素钢线的外层包覆铝层；
拉伸装置，用于将覆铝碳素钢线进行拉伸以得到拉伸后的线材；
加热装置，用于对所述拉伸后的线材进行在线加热时效处理得到覆铝碳素钢线30；
收卷装置，用于将覆铝碳素钢收卷待用。
其中，该生产线还包括若干输送单元以相互传递物料，以使所有装置组成的生产线能够连续运行。
在一具体实施方式中，上述生产线还可以包括表面硬化处理装置，用于对物料进行拉拔处理或辊压处理或磨粒水射流处理。
综上，本发明主要利用在线加热时效的方法处理覆铝碳素钢线材，可以消除位错堆叠和加工硬化，使内部组织达到或接近平衡状态，调节加热装置的加热功率以调节温度，获得强度和韧性匹配良好的覆铝碳素钢线和硬铝线，使导线整体拉断力提高。本发明还对在线加热时效后的覆铝碳素钢线进行表面处理，用于提升拉伸后的线材的铝层硬度，防止在绞制过程中出现刮伤、压痕等缺陷，确保导线的成品率和产品的使用安全。本发明中覆铝碳素钢线的生产线自动化程度和生产效率高。
以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种覆铝碳素钢线的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
准备碳素钢盘条，将其拉拔成碳素钢线，依次连续通过等温处理、覆铝、拉伸及在线加热时效处理得到所述覆铝碳素钢线；
所述在线加热时效处理的步骤包括：
在拉伸出的线材的移动方向上设置加热装置来在线时效处理，其中线材的移动速率范围为100-180m/min，所述加热装置的加热功率为220-450KW；
所述在拉伸出的线材的移动方向上设置加热装置来在线时效处理的步骤包括：
在拉伸出的线材的移动方向上设置加热装置来在线时效处理成预处理覆铝碳素钢线，以消除位错堆叠和加工硬化；
在所述预处理覆铝碳素钢线的移动方向上设置表面硬化处理装置，以使将所述预处理覆铝碳素钢线的铝层厚度变薄致表面硬度提高，且所述预处理覆铝碳素钢线的碳素钢线芯线径不变，从而连续在线成型所述覆铝碳素钢线。
2.根据权利要求1所述的覆铝碳素钢线的制备方法，其特征在于：所述表面硬化处理装置包括拉拔机、辊压机或磨粒水射流处理装置中的一种。
3.根据权利要求2所述的覆铝碳素钢线的制备方法，其特征在于，所述在所述预处理覆铝碳素钢线的移动方向上设置表面硬化处理装置，以使将所述预处理覆铝碳素钢线的铝层厚度变薄致表面硬度提高，且所述预处理覆铝碳素钢线的碳素钢线芯线径不变，从而连续在线成型所述覆铝碳素钢线的步骤包括：
将所述预处理覆铝碳素钢线从拉拔机的模孔拉出以实现表面硬化，从而得到断后伸长率高于2.0％、铝层硬度高于50HV的所述覆铝碳素钢线。
4.根据权利要求3所述的覆铝碳素钢线的制备方法，其特征在于：所述模孔的出口孔径比所述预处理覆铝碳素钢线的线径小0.01-0.03mm。
5.根据权利要求1所述的覆铝碳素钢线的制备方法，其特征在于：所述拉拔的速度为150-300m/min；所述等温处理过程中碳素钢线的加热温度范围为900-950℃，加热的方式包括铅浴或盐浴，DV值范围为50-70。
6.根据权利要求1所述的覆铝碳素钢线的制备方法，其特征在于，所述拉伸过程中控制覆铝的碳素钢线拉伸成线材的体积总压缩率为65-85％，道次压缩率为10-25％，拉伸速率为100-180m/min，拉伸时所述覆铝的碳素钢线所处环境温度为50-150℃。
7.一种覆铝碳素钢线，其特征在于：采用如权利要求1-6中任一项所述的覆铝碳素钢线的制备方法成型得到。
8.一种导线，其特征在于：包括如权利要求7中所述的覆铝碳素钢线，与光纤单元、导电单元中一种或多种，通过排布成端面为圆形的线束绞合得到所述导线。
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