CN115463963A - 一种防冰除冰内外型铜钢复合线材的生产设备及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的一种防冰除冰内外型铜钢复合线材的生产设备及其方法，它包括依次设置的第一模具和第二模具；所述第一内模腔内设置钢芯，所述第一内模腔内的钢芯的外部设有轻质油，所述铜钢混合炉与铜钢炉水环形模腔连通，所述第一模具的外部设有第一冷却系统，所述铜钢混合炉中的铜钢混合炉水经第一冷却系统冷却成固态的铜钢复合层；所述第二内模腔内的固态铜钢复合层的外部设有轻质油，所述铜水环形模腔内注入铜水，所述第二模具的外部设有第二冷却系统，所述铜水经第二冷却系统冷却成固态铜；所述钢芯、铜与包覆有轻质油的铜钢复合层经轧制后经过整理模具形成复合线材。本发明的复合线材采用油膜绝缘的方法，解决接触线高寒低温覆冰的难题。

Description

一种防冰除冰内外型铜钢复合线材的生产设备及其方法

技术领域

本发明涉及线材领域，尤其涉及一种防冰除冰内外型铜钢复合线材的生产设备及其方法。

背景技术

接触网线是电气化铁路供电系统的主要元件，主要包括接触线和承力索，担负着把电能输送给电力机车使用的重要任务，对轨道机车安全运行具有关键作用。高寒低温，尤其像东北这样的高寒地区，导致接触线表面就会出现覆冰。现有技术中解决覆冰通常通过机械加人工，但除冰效率低果差，现急解决高寒低温地区接触线“覆冰”的问题。

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，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，中国专利CN110660499A，提供了一种大长度熔融渗透式铜钢复合线材，大大增强线材的抗拉强度，但此类接触线不能解决防冰除的难题。

在此情况下，既要保证机车的正常运行和安全，又要保证在高寒地区的接触线可以防冰除冰，因此亟需一种防冰除冰铜钢复合线材的生产设备及其制备方法，用于解决接触线覆冰的问题。钢均为合金钢，如镍铬钢、镍钢、钒钛钢、铬钢等，此类合金钢的特点是抗拉强度大，电阻较大等特点，此类合金钢本申请中简称钢。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种防冰除冰内外型铜钢复合线材的生产设备及其方法，突破了导电率和抗拉强度相互矛盾，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的等难题，均衡提高接触线的抗拉强度以及导电性。

本发明的目的是这样实现的：

一种防冰除冰内外型铜钢复合线材的生产设备，它包括依次设置的第一模具和第二模具；所述第一模具内设有铜钢炉水环形模腔，铜钢炉水环形模腔内为第一内模腔，所述第二模具内设有铜水环形模腔，铜水环形模腔内为第二内模腔；

所述第一内模腔内设置钢芯，所述第一内模腔内的钢芯的外部设有轻质油，所述铜钢混合炉与铜钢炉水环形模腔连通，所述第一模具的外部设有第一冷却系统，所述铜钢混合炉中的铜钢混合炉水经第一冷却系统冷却成固态的铜钢复合层；所述第二内模腔内的固态铜钢复合层的外部设有轻质油，所述铜水环形模腔内注入铜水，所述第二模具的外部设有第二冷却系统，所述铜水经第二冷却系统冷却成固态铜；所述钢芯、铜与包覆有轻质油的铜钢复合层经轧制后经过整理模具形成复合线材。

进一步地，所述铜钢混合炉水由铜钢按质量比0.8~1.5均匀混合形成。

进一步地，所述钢芯经清洁除垢干燥装置后进入第一模具。

进一步地，所述第一内模腔和第二内模腔的入口均设有入口防油溢出装置。

进一步地，所述第一内模腔呈漏斗状，其底部与铜钢炉水环形模腔的底部汇聚至第二模具的第二内模腔内。

进一步地，所述第二模具的出口外设有左右两个圆槽轧制轮。

一种防冰除冰内外型铜钢复合线材的生产方法，包括以下内容：

a.先将铜钢混合炉水在铜钢混合炉中行混合熔炼形成铜钢复合部；

b.采用铜水制成钢芯，进入第一模具；

c.将铜水注入第二模具经冷却后形成固态铜；

d.在第一模具和第二模具的内模腔内封入轻质油；轻质油放置在钢芯与铜钢复合部之间，以及铜钢复合部与铜之间；

e.将上述经过模具挤压的线材通过轧制后经整理模具拉拔形成复合线材。

进一步地，步骤a中所述铜钢混合炉水由铜钢按质量比0.8~1.5均匀混合形成。

进一步地，步骤d中轻质油是加压推进的，加压1.02-1.05个标准大气压；封进油膜层的厚度通过对轻质油加大压强进行控制和调节。

进一步地，步骤e中采用两个圆槽轧制轮轧制，通过冷轧的工艺，加大形变量，将铜、复合层、钢三者压合在一起，同时将轻质油封在铜钢复合层的内外两层，形成一个牢固不可脱落的整体。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明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的等难题，同时解决接触线高寒低温覆冰的难题，实现了防冰除冰高强高导铜钢（合金钢）复合线材的生产设备的升级以及生产工艺的创新。

（2）本发明的接触线强度的提高，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；本发明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，同时解决接触线高寒低温覆冰的难题，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。

（3）本发明的铜钢复合层的铜钢通过铜铁按照1:1的原子比复合，比直接复合的方式更牢固，更能形成一个不可脱落的整体，提高了铜钢复合接触线的强度，强化复合线材的牢固度、结合度和一体性。

（4）本发明大大增强线材的抗拉强度，而且保持较高的导电率，列车运行具高安全系数，同时可以使列车在高寒地带防冰除冰，满足未来高速铁路线材发展要求。

附图说明

图1为本发明的复合线材的生产设备的结构示意图。

图2为本发明的实施例1的复合线材的结构示意图。

图3为本发明的复合线材的接线示意图。

图4为本发明的复合层微观结构示意图。

图5为本发明的实施例2的复合线材的结构示意图。

图中：

钢芯1、第一模具2、第一内模腔2.1、铜钢炉水环形模腔2.2、铜钢混合炉水3、第一冷却系统4、第二模具5、第二内模腔5.1、铜水环形模腔5.2、铜水6、轻质油7、第二冷却系统8、圆槽轧制轮9、整理模具10、复合线材11、钢芯11.1、铜层11.2、铜钢复合层11.3、内油膜层11.4、外油膜层11.5、沟槽11.6。

具体实施方式

为更好地理解本发明的技术方案，以下将结合相关图示作详细说明。应理解，以下具体实施例并非用以限制本发明的技术方案的具体实施态样，其仅为本发明技术方案可采用的实施态样。需先说明，本文关于各组件位置关系的表述，如A部件位于B部件上方，其系基于图示中各组件相对位置的表述，并非用以限制各组件的实际位置关系。

实施例1：

参见图1-2，图1绘制了一种防冰除冰内外型铜钢复合线材的生产设备的结构示意图。如图所示，本发明涉及的防冰除冰内外型铜钢复合线材的生产设备，包括依次设置的第一模具2和第二模具5；所述第一模具2内设有铜钢炉水环形模腔2.2，铜钢炉水环形模腔2.2内为第一内模腔2.1，所述第二模具5内设有铜水环形模腔5.2，铜水环形模腔5.2内为第二内模腔5.1。

所述第一内模腔2.1内设置钢芯1，所述第一内模腔2.1内的钢芯1的外部设有轻质油7，所述第一内模腔2.1的入口设有入口防油溢出装置。

所述铜钢混合炉与铜钢炉水环形模腔2.2连通，所述铜钢混合炉中的铜钢混合炉水3由铜钢按质量比0.8~1.5均匀混合形成，所述第一模具2的外部设有第一冷却系统4，铜钢混合炉水3经第一冷却系统4冷却成固态的铜钢复合层。

所述第一内模腔2.1呈漏斗状，其底部与铜钢炉水环形模腔2.2的底部汇聚至第二模具5的第二内模腔5.1内，所述第二内模腔5.1内的固态铜钢复合层的外部设有轻质油7，所述第二内模腔5.1的入口设有入口防油溢出装置。

所述铜水环形模腔5.2与铜水熔炉连通，注入铜水6，所述第二模具5的外部设有第二冷却系统8，所述铜水6经第二冷却系统8冷却成固态铜。

所述第二模具5的出口外设有左右两个圆槽轧制轮9，将铜、铜钢复合层、钢芯通过冷轧，加大形变量，使铜、铜钢复合层、钢复合在一起，同时将轻质油封钢芯与铜钢复合层之间、铜与铜钢复合层之间，形成油膜，形成一个牢固不可脱落的整体。

经过圆槽轧制轮9的轧制的线材，最后经过整理模具10形成复合线材11。

所述整理模具10为大小头整理模具，整理模具腔口从最前端到最后端，逐渐收缩1-2%左右，防止整个接触线热胀冷缩之后，接触线与模具之产生空隙，影响接触线的成型；同时，模具的腔体出口段逐渐收缩，使得接触线本向受到一定程度的挤压，使得内部晶粒更加紧密，强度会进一步增强。

参见图1-4，本发明涉及的防冰除冰内外型铜钢复合线材的生产方法，包括以下内容：

a.先将铜钢混合炉水在铜钢混合炉中行混合熔炼形成铜钢复合部；

a1.所述铜钢混合炉水由铜钢按质量比0.8~1.5均匀混合形成，使铜原子和钢原子的个数相同，温度控制在2000℃左右；

b.采用铜水制成钢芯，经过清洁除垢干燥装置后，进入第一模具；

c.将铜水注入第二模具经冷却后形成固态铜；

d.在第一模具和第二模具的内模腔内封入轻质油；

d1.轻质油放置在钢芯与铜钢复合部之间，以及铜钢复合部与铜之间；

d2.轻质油是加压推进的，加压1.02-1.05个标准大气压；封进油膜层的厚度通过对轻质油加大压强进行控制和调节；

e.将上述经过模具挤压的线材通过轧制后经整理模具拉拔形成复合线材；

e1.采用两个圆槽轧制轮轧制，通过冷轧的工艺，加大形变量，将铜、复合层、钢三者压合在一起，同时将轻质油封在铜钢复合层的内外两层，形成一个牢固不可脱落的整体；

e2.最后经过整理模具拉拔形成复合线材，因复合层与铜、钢的结合部晶粒较为粗大，结构不致密，经过大小头整理模具的拉拔使得复合层与铜、钢结合更加紧密，更加牢固，形成一个铜钢复合的不可脱落的整体。

参见图2，图2绘制了本发明的接触线的结构示意图。如图所示，所述复合线材11包括线材本体，所述线材本体包括钢芯11.1、铜层11.2、铜钢复合层11.3、内油膜层11.4和外油膜层11.5，所述钢芯11.1的外圈设有一圈铜钢复合层11.3，所述铜钢复合层11.3的内圈设有一层内油膜层11.4，所述铜钢复合层11.3的外圈设有一层外油膜层11.5，所述外油膜层11.5的外部由铜层11.2包覆。

所述钢芯11.1采用的钢均为合金钢，如镍铬钢、镍钢、钒钛钢、铬钢等，此类合金钢的特点是抗拉强度大，电阻较大等特点。

参见图3，图3绘制了本发明的接线示意图。如图所示，本发明涉及的一种上下型铜钢复合接触线的电压对称接线法，包括以下内容：

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接触线，同时轻质油层是电的绝缘体，可以让CD间导电，而AB间不导电。悬挂铜钢接触线，连接CD通电，A、B、E、F均不通电，由于轻质油层的绝缘体作用，此时，电流只在CD间流动，达到良好导电效果，此种方法可大大提高抗拉强度，提高机车运行的安全系数，同时充分发挥了铜的良导体作用。

当出现高寒低温天气时，可以同时在钢的AB两端通电，由于合金钢有较大的阻值，接触线会升高温度，温度升至5℃可以将覆冰溶化，从而解决覆冰的难题，也可以高寒天气来临之前，提前通电升温，预防结冰，合金钢上通电由于油膜层绝缘的作用，铜层可以正常供电，不影响机车的正常运行。

参见图4，图4绘制了复合层微观结构示意图。如图所示，黑色双箭头表示铁原子之间的金属键，连接强，灰色双箭头表示铜原子之间的金属键，连接较强，空心双箭头表示铁原子和铜原子之间的金属键，连接较弱；因此，铜钢复合层通过铜铁原子比为1:1的复合方式，远比铜钢直接复合的方式更牢固，更能形成一个不可脱落的整体。铜钢复合层按照铜铁原子比为1:1复合，铜原子的相对原子质量为64，钢是对含碳量质量百分比介于0.02%至2.11%之间的铁碳合金的统称，铁原子的相对原子质量为56，加上0.02%~2.11%的碳原子，碳原子的相对原子质量为12，即铜钢混合炉水由铜钢按质量比0.8~1.5均匀混合。

一般的物质都是由分子组成的，固体分子间也是有空隙的，当然这个空隙是很小的，也足以让轻质油可以渗透进钢或铜中。在探究固体分子间是否有间隙的实验中，将机油装入一个壁很厚、相当坚固的钢筒中，然后加上2万个标准大气压，结果发现钢筒“流泪”了，也就说机油从钢筒里渗透出来，说明固体分子存在间隙，机油的侵入对钢筒没有任何影响。运用此原理和方法，我们可以将轻质油封进铜与复合层之间，以及钢与复合层之间，即封在复合层的两侧，形成两层油膜，起到绝缘的作用。

也就是说，当接触线悬挂时，只有铜的两端接通电源，由于轻质油的绝缘作用，钢及铜钢复合层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。

实施例2：

参见图5，图5绘制了本实施例的复合线材的结构示意图。如图所示，本实施例2与实施例1的不同之处为，所述钢芯11.1和铜钢复合层11.3将铜层11.2分成上下两个部分，上下两个部分之间对应的两侧分别设有一个沟槽11.6。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种防冰除冰内外型铜钢复合线材的生产设备，其特征在于：它包括依次设置的第一模具和第二模具；所述第一模具内设有铜钢炉水环形模腔，铜钢炉水环形模腔内为第一内模腔，所述第二模具内设有铜水环形模腔，铜水环形模腔内为第二内模腔；

所述第一内模腔内设置钢芯，所述第一内模腔内的钢芯的外部设有轻质油，所述铜钢混合炉与铜钢炉水环形模腔连通，所述第一模具的外部设有第一冷却系统，所述铜钢混合炉中的铜钢混合炉水经第一冷却系统冷却成固态的铜钢复合层；所述第二内模腔内的固态铜钢复合层的外部设有轻质油，所述铜水环形模腔内注入铜水，所述第二模具的外部设有第二冷却系统，所述铜水经第二冷却系统冷却成固态铜；所述钢芯、铜与包覆有轻质油的铜钢复合层经轧制后经过整理模具形成复合线材。

2.根据权利要求1所述的一种防冰除冰内外型铜钢复合线材的生产设备，其特征在于：所述铜钢混合炉水由铜钢按质量比0.8~1.5均匀混合形成。

3.根据权利要求1所述的一种防冰除冰内外型铜钢复合线材的生产设备，其特征在于：所述钢芯经清洁除垢干燥装置后进入第一模具。

4.根据权利要求1所述的一种防冰除冰内外型铜钢复合线材的生产设备，其特征在于：所述第一内模腔和第二内模腔的入口均设有入口防油溢出装置。

5.根据权利要求1所述的一种防冰除冰内外型铜钢复合线材的生产设备，其特征在于：所述第一内模腔呈漏斗状，其底部与铜钢炉水环形模腔的底部汇聚至第二模具的第二内模腔内。

6.根据权利要求1所述的一种防冰除冰内外型铜钢复合线材的生产设备，其特征在于：所述第二模具的出口外设有左右两个圆槽轧制轮。

7.一种防冰除冰内外型铜钢复合线材的生产方法，其特征在于，包括以下内容：

a.先将铜钢混合炉水在铜钢混合炉中行混合熔炼形成铜钢复合部；

b.采用铜水制成钢芯，进入第一模具；

c.将铜水注入第二模具经冷却后形成固态铜；

d.在第一模具和第二模具的内模腔内封入轻质油；轻质油放置在钢芯与铜钢复合部之间，以及铜钢复合部与铜之间；

e.将上述经过模具挤压的线材通过轧制后经整理模具拉拔形成复合线材。

8.根据权利要求7所述的一种防冰除冰内外型铜钢复合线材的生产方法，其特征在于：步骤a中所述铜钢混合炉水由铜钢按质量比0.8~1.5均匀混合形成。

9.根据权利要求7所述的一种防冰除冰内外型铜钢复合线材的生产方法，其特征在于：步骤d中轻质油是加压推进的，加压1.02-1.05个标准大气压；封进油膜层的厚度通过对轻质油加大压强进行控制和调节。

10.根据权利要求7所述的一种防冰除冰内外型铜钢复合线材的生产方法，其特征在于：步骤e中采用两个圆槽轧制轮轧制，通过冷轧的工艺，加大形变量，将铜、复合层、钢三者压合在一起，同时将轻质油封在铜钢复合层的内外两层，形成一个牢固不可脱落的整体。

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