CN114247859B - 一种用于贯通地线的复合线材无水冷却工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及线材制备技术领域，具体涉及一种复合线材无水冷却工艺，包覆层通过连铸设备覆盖在芯材外，形成复合线材；所述连铸设备包括容纳有熔融包覆材料的加热坩埚，加热坩埚下方设有石墨模具，石墨模具内设有与加热坩埚连通的凝固成型定位通道；所述芯材在加热坩埚中与熔融包覆材料接触后，运动通过凝固成型定位通道，所述芯材在凝固成型定位通道中的运动速度为200‑1500mm/min。本方案能够解决现有的线材冷却设备复杂且需要水冷辅助的技术问题，可应用于贯通地线的加工生产的实践操作中，用以提升贯通地线质量和简化生产设备以及降低生产成本。

Description

一种用于贯通地线的复合线材无水冷却工艺

技术领域

本发明涉及线材制备技术领域，具体涉及一种用于贯通地线的复合线材无水冷却工艺。

背景技术

近年来我国轨道交通发展迅猛，铁路里程逐年增多，尤其是高速铁路发展迅速，我国已经成为世界上高速铁路运营里程最长、在建规模最大的国家，极大地推动了国民经济和社会发展。高速铁路运行过程中，能量巨大，电流可达KA以上，系统要保持安全运行，离不开可靠的电气接地连接，贯通地线就是一种用于铁路信号系统全线统一接地的电缆,它可以使大范围的铁路电气系统各个工作点接地电位基本保持一致,使系统设备接地安全可靠,消除了由于不同设备之间的电位差引起的电位不平衡电流,实现了对人员和设备的有效可靠防护。

现有技术中的贯通地线的生产工艺为：将内层金属（例如芯材）穿入模具中，将外层金属熔化，熔化的外层金属经导流管进入模具内，并均匀分布在模具中内层金属的周围，在结晶器冷却下外层金属液发生凝固，最终均匀无缝地包覆在芯材外侧（形成包覆层），并在牵引机的作用下，连续不断地拉出复合线材。现有的结晶器大多带有水冷系统，用以从包覆层外部冷却熔化的外层金属材料并促进其凝固。但是，额外增加水冷系统会增加设备的复杂程度以及生产成本，并且从包覆层外部施加额外的冷源，会对芯材和包覆层的界面结合强度产生负面影响。亟需开发一种能够对复合线材进行无水冷却的连铸工艺。

发明内容

本发明意在提供一种用于贯通地线的复合线材无水冷却工艺，以解决现有的线材冷却设备复杂且需要水冷辅助的技术问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于贯通地线的复合线材无水冷却工艺，包覆层通过连铸设备覆盖在芯材外，形成复合线材；所述连铸设备包括容纳有熔融包覆材料的加热坩埚，加热坩埚下方设有石墨模具，石墨模具内设有与加热坩埚连通的凝固成型定位通道；所述芯材在加热坩埚中与熔融包覆材料接触后，运动通过凝固成型定位通道，所述芯材在凝固成型定位通道中的运动速度为200-1500mm/min。

本方案的原理及优点是：本方案通过将芯材在凝固成型定位通道中的运动速度控制在200-1500mm/min（即连铸速度）之间，来实现熔融包覆材料在芯材上的冷却凝固。而现有技术中，通常在石墨模具外设置水冷结构，以辅助熔融包覆材料凝固。采用本技术方案可以简化连铸设备结构，不用再设置水冷结构。经发明人大量研究发现，如果连铸速度过小，会造成芯部金属（芯材）熔化，使得复合材料的包覆层厚度变化，不满足质量要求。另外，连铸速度过小也会导致芯部金属与外层金属产生界面反应，产生脆性化合物，影响界面结合强度。如果连铸速度过大，则会出现包覆不完成，结合强度过低，表面裂纹等缺陷。所以将连铸速度控制在200-1500mm/min之间，可以实现复合线材的无水冷却，获得的复合材料的复合界面的界面结合强度高、接触电阻小、表面平整光滑且不开裂，整体产品性能优异，可靠性高。

进一步，所述芯材与熔融包覆材料的接触距离为20-50mm。适当的接触距离配合连铸速度，可以有效防止芯部金属（芯材）熔化、芯部金属与外层金属产生界面反应、包覆不完整、界面结合强度低等现象的出现。接触距离过大或者过小都会导致金属界面结合强度不理想，线材表面平整度不佳等负面影响。

进一步，所述凝固成型定位通道的冷却段的长度为凝固成型定位通道的直径的6-10倍。凝固成型定位通道太短，会出现冷却强度不够，出现拉漏的情况。凝固成型定位通道太长，相应的石墨模具也会变长，会影响连铸表面质量和连铸速度，制造成本比较高。

进一步，所述芯材的材质为纯铜或45#钢。上述材质为贯通地线用芯材的常用材质，适用性广且易于获取。

进一步，所述包覆层的材质为H65黄铜、紫铜、纯铜或者纯铝。上述材质为贯通地线用包覆材料的常用材质，具较为理想的强度和导电性能。

进一步，所述芯材的线径为5-20mm。5-20mm的线径的芯材是现有技术中常用尺寸，本方案的无水冷却方法均可以对上述芯材进行加工。

进一步，所述包覆层的厚度为0.5-5mm。上述厚度的包覆层可保证其具有良好的耐腐蚀性、导电性和力学性能。

进一步，熔融包覆材料的温度较熔融包覆材料的熔点高30-100℃。上述温度使得包覆材料充分熔融，使其可与芯材的外表面充分结合，形成界面结合力良好的复合线材。

进一步，所述石墨模具下方设有冷却设备。连铸设备还设置了位于石墨模具下方的冷却设备，为固化的包覆层进一步降温，冷却设备可以是向包覆层喷洒冷水的水冷设备，也可以是向包覆层吹冷风的风冷设备。

进一步，所述复合线材再经过拉拔和轧制处理、退火处理以及收卷处理，获得复合线材成品；在拉拔和轧制处理中，单道次变形量≤30%；在退火处理中，退火温度为400-600℃。复合线材经过冷形变和高温退火处理，芯材和包覆层形成更为紧密的结合，获得导电性能优异且易加工的复合线材成品。

附图说明

图1为连铸设备的纵向剖视图。

图2为拉拔和轧制处理的工艺示意图。

具体实施方式

说明书附图中的附图标记包括：芯材1、进线器2、加热坩埚3、熔融包覆材料4、石墨模具5、凝固成型定位通道6、冷却设备7、包覆层8、冷却段9、线材孔型轧制设备10。

实施例1

如图1所示，本方案的连铸设备不设置水冷却设备7，连铸设备包括加热坩埚3，加热坩埚3上方密封固定有进线器2，加热坩埚3下方密封固定有石墨模具5。进线器2中设有供芯材1（线径为5-20mm）通过的进线通道，石墨模具5的材质为石墨材质，其中设有供芯材1通过的凝固成型定位通道6。凝固成型定位通道6和进线通道同轴设置。在加热坩埚3中放置熔融包覆材料4，芯材1依次通过进线通道和凝固成型定位通道6，在此同时，加热坩埚3中的熔融包覆材料4附着在芯材1上，在凝固成型定位通道6中冷却形成固态的包覆层8。连铸设备还设置了位于石墨模具5下方的冷却设备7，为固化的包覆层8进一步降温，冷却设备7可以是向包覆层8喷洒冷水的水冷设备，也可以是向包覆层8吹冷风的风冷设备，用于将已经成型的包覆层8进一步降温。本方案的连铸设备不设置包覆在石墨模具5外层的水冷却装置，通过参数控制使得熔融包覆材料4在通过凝固成型定位通道6之后冷却形成固态的包覆层8。

本方案的复合线材的内部为芯材1，外部为包覆层8，使用本装置进行复合线材冷却的具体方法如下：使用连铸设备进行固液连铸，控制芯材1在凝固成型定位通道6中的运动速度为200-1500mm/min（又称为连铸速度）,并且接触距离（见后文解释）为20-50mm，凝固成型定位通道6的冷却段9的长度为凝固成型定位通道6的直径的6-10倍。本方案依靠芯材1金属温度较低的特点，利用芯材1吸热，使得外层的熔融包覆材料4发生凝固，完全凝固后，形成包覆层8（厚度0.5-5mm）。之后可以再采用风冷或者水冷降低符合线材温度。熔融包覆材料4与芯材1之间的接触面的高度被称为接触距离。接触距离的更具体的描述可参考图1，其为进线通道和凝固成型定位通道6之间的距离，在进线通道和凝固成型定位通道6之间的空间中，熔融包覆材料4与芯材1的外表面接触。芯材1的材料熔点高于熔融包覆材料4的熔点，加热坩埚3将熔融包覆材料4加热，熔融包覆材料4在加热坩埚3中的温度比熔融包覆材料4的熔点高30-100℃。

包覆层8为H65黄铜，芯材1为纯铜时，接触长度为30mm，连铸速度需要控制在500-1200mm/min。包覆层8为H65黄铜，芯材1为45钢，接触长度为50mm，连铸速度需要控制在200-1500mm/min。包覆层8为纯铜，芯材1为45钢，接触长度为50mm，连铸速度需要控制在400-1500mm/min。包覆层8为纯铝，芯材1为纯铜，接触长度为20mm，连铸速度需要控制在500-1200mm/min。

通过上述连铸过程获得复合线材，然后再对复合线材进行拉拔和轧制处理、热处理（退火处理）以及收卷处理，获得复合线材成品。

拉拔和轧制处理过程为：采用线材孔型轧制对复合线材进行冷变形（如图2所示），复合线材被引入线材孔型轧制设备10的轧制孔中，从左侧牵拉复合线材，复合线材通过轧制轧制孔，其线径缩小，形成形变后复合线材。

单道次变形量和两种金属中塑性较差的保持一致。例如：针对H65黄铜包覆纯铜形成的复合线材，单道次变形量≤30%；纯铜包覆45#钢形成的复合线材，单道次变形量≤20%；外层H65黄铜包覆芯部45钢的复合线材，单道次变形量≤20%。单道次变形量是指形变后复合线材和复合线材线径的缩小比例。本方案也可以采用圆盘拉伸的方法，对复合线材进行拉伸，使其线径变小，形成形变后复合线材。

热处理（退火处理）：可采用现有技术的罩式退火或者连续感应退火的退火方法，对形变后复合线材进行退火处理，获得退火后的复合线材。外层H65黄铜包覆45钢的形变后复合线材的退火温度为400-500℃；外层纯铜包覆45钢的形变后复合线材的退火温度为400-600℃；外层纯铝包覆纯铜的形变后复合线材的退火温度为400-550℃。

收卷处理：采用现有技术的龙门收线设备，对退火后的复合线材进行收卷处理。线材通过收线机一层一层地卷在卷筒或者线盘上。在此过程中，可对线材进行表面处理、在线探伤、线材喷码等处理。

实施例2

本实施例采用实施例1的方法制备黄铜包覆铜的复合线材，复合线材的规格为φ17×2（直径×包覆层8厚度，单位mm），包覆层8材料为黄铜H65，芯材1为铜绞线。在融化温度1020℃下，获得熔融包覆材料4，然后加热坩埚3将熔融包覆材料4的温度加热至1000℃。本实施例采用的连铸速度为900mm/min，接触长度为30mm，凝固成型定位通道6的冷却段9的长度为凝固成型定位通道6的直径的6倍。拉拔和轧制的道次为φ17-φ14-φ11-φ8.5，然后在400℃下退火1小时。本实施例获得的复合线材成品外表光滑，包覆层8和芯材1界面结合良好，不会出现两者易剥离（分离）的情况。

实施例3

本实施例采用实施例1的方法制备黄铜包覆45钢的复合线材，复合线材的规格为φ12×1（直径×包覆层8厚度，单位mm），包覆层8材料为黄铜H65，芯材1为45钢。在融化温度1020℃下，获得熔融包覆材料4，然后加热坩埚3将熔融包覆材料4的温度加热至1000℃。本实施例采用的连铸速度为1000mm/min，接触长度为50mm。凝固成型定位通道6的冷却段9的长度为凝固成型定位通道6的直径的10倍。拉拔和轧制的道次为φ12-φ10-φ8-φ6.5，然后在500℃下退火0.5小时。本实施例获得的复合线材成品外表光滑，包覆层8和芯材1界面结合良好，不会出现两者易剥离（分离）的情况。

实施例4

本实施例采用实施例1的方法制备黄铜包覆铜的复合线材，复合线材的规格为φ17×2（直径×包覆层8厚度，单位mm），包覆层8材料为黄铜H65，芯材1为铜绞线。在融化温度1020℃下，获得熔融包覆材料4，然后加热坩埚3将熔融包覆材料4的温度加热至1000℃。凝固成型定位通道6的冷却段9的长度为凝固成型定位通道6的直径的6倍。本实施例采用的连铸速度为600mm/min，接触长度为30mm。拉拔和轧制的道次为φ17-φ14-φ11-φ8.5，然后在400℃下退火1小时。本实施例获得的复合线材成品外表光滑，包覆层8和芯材1界面结合良好，不会出现两者易剥离（分离）的情况。

实施例5

本实施例采用实施例1的方法制备黄铜包覆45钢的复合线材，复合线材的规格为φ14×1（直径×包覆层8厚度，单位mm），包覆层8材料为紫铜，芯材1为45钢。在融化温度1150℃下，获得熔融包覆材料4，然后加热坩埚3将熔融包覆材料4的温度加热至1100℃。凝固成型定位通道6的冷却段9的长度为凝固成型定位通道6的直径的10倍。本实施例采用的连铸速度为900mm/min，接触长度为30mm。拉拔和轧制的道次为φ14-φ12-φ10-φ8，然后在600℃下退火0.5小时。本实施例获得的复合线材成品外表光滑，包覆层8和芯材1界面结合良好，不会出现两者易剥离（分离）的情况。

对比例1

本实施例采用实施例1的方法制备黄铜包覆铜的复合线材，复合线材的规格为φ17×2（直径×包覆层8厚度，单位mm），包覆层8材料为黄铜H65，芯材1为铜绞线。在融化温度1020℃下，获得熔融包覆材料4，然后加热坩埚3将熔融包覆材料4的温度加热至1000℃。本实施例采用的连铸速度为1600mm/min，接触长度为30mm，凝固成型定位通道6的冷却段9的长度为凝固成型定位通道6的直径的6倍。拉拔和轧制的道次为φ17-φ14-φ11-φ8.5，然后在400℃下退火1小时。由于连铸速度过大，获得的复合线材成品出现的包覆层8和芯材1界面结合差易剥离的情况。

对比例2

本实施例采用实施例1的方法制备黄铜包覆铜的复合线材，复合线材的规格为φ17×2（直径×包覆层8厚度，单位mm），包覆层8材料为黄铜H65，芯材1为铜绞线。在融化温度1020℃下，获得熔融包覆材料4，然后加热坩埚3将熔融包覆材料4的温度加热至1000℃。本实施例采用的连铸速度为50mm/min，接触长度为30mm，凝固成型定位通道6的冷却段9的长度为凝固成型定位通道6的直径的10倍。拉拔和轧制的道次为φ17-φ14-φ11-φ8.5，然后在400℃下退火1小时。由于连铸速度过小，尽管我们增加了冷却段9的长度，但是也会导致芯材1在与熔融包覆材料4接触时发生一定的损伤，进而导致芯材1熔化，线材拉断的情况。

对比例3

本实施例采用实施例1的方法制备黄铜包覆45钢的复合线材，复合线材的规格为φ12×1（直径×包覆层8厚度，单位mm），包覆层8材料为黄铜H65，芯材1为45钢。在融化温度1020℃下，获得熔融包覆材料4，然后加热坩埚3将熔融包覆材料4的温度加热至1000℃。本实施例采用的连铸速度为2000mm/min，接触长度为50mm。凝固成型定位通道6的冷却段9的长度为凝固成型定位通道6的直径的10倍。拉拔和轧制的道次为φ12-φ10-φ8-φ6.5，然后在500℃下退火0.5小时。由于连铸速度过大，芯材1未能完全包覆外层金属材料。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (7)

1.一种用于贯通地线的复合线材无水冷却工艺，其特征在于：包覆层通过连铸设备覆盖在芯材外，形成复合线材；所述连铸设备包括容纳有熔融包覆材料的加热坩埚，加热坩埚下方设有石墨模具，石墨模具内设有与加热坩埚连通的凝固成型定位通道；所述芯材在加热坩埚中与熔融包覆材料接触后，运动通过凝固成型定位通道，所述芯材在凝固成型定位通道中的运动速度为200-1500mm/min；

所述凝固成型定位通道的冷却段的长度为凝固成型定位通道的直径的6-10倍；

所述芯材的材质为纯铜或45#钢；

所述包覆层的材质为H65黄铜、纯铜或者纯铝；

连铸设备不设置包覆在石墨模具外层的水冷却装置，通过参数控制使得熔融包覆材料在通过凝固成型定位通道之后冷却形成固态的包覆层；依靠芯材金属温度低的特点，利用芯材吸热，使得外层的熔融包覆材料发生凝固；芯材的材料熔点高于熔融包覆材料的熔点。

2.根据权利要求1所述的一种用于贯通地线的复合线材无水冷却工艺，其特征在于：所述芯材与熔融包覆材料的接触距离为20-50mm。

3.根据权利要求1所述的一种用于贯通地线的复合线材无水冷却工艺，其特征在于：所述芯材的线径为5-20mm。

4.根据权利要求1所述的一种用于贯通地线的复合线材无水冷却工艺，其特征在于：所述包覆层的厚度为0.5-5mm。

5.根据权利要求1所述的一种用于贯通地线的复合线材无水冷却工艺，其特征在于：熔融包覆材料的温度较熔融包覆材料的熔点高30-100℃。

6.根据权利要求1所述的一种用于贯通地线的复合线材无水冷却工艺，其特征在于：所述石墨模具下方设有冷却设备。

7.根据权利要求1所述的一种用于贯通地线的复合线材无水冷却工艺，其特征在于：所述复合线材再经过拉拔和轧制处理、退火处理以及收卷处理，获得的复合线材成品；在拉拔和轧制处理中，单道次变形量≤30%；在退火处理中，退火温度为400-600℃。