銅包鋼雙金屬複合材終形鑄軋方法
2023-11-11 17:14:42 1
專利名稱：銅包鋼雙金屬複合材終形鑄軋方法
技術領域：
本發明屬於複合材料的製造方法。
銅包鋼複合線纜具有導電性和強度兼備的良好性能，因而被應用在電氣化高速鐵道高架線上和遠程高壓輸電線纜上。銅包鋼複合線纜的製造方法過去均採用複合擠壓法，這種方法受定尺限制。近年來，美國GE公司，日本藤倉電線株式會社及歐洲的Battelle研究中心開發出高速熱浸鍍(HighSpeed Hot Dipping)技術，簡稱HSHD法。HSHD技術是以鋼絲為種子線，使其連續穿過熔融的銅液，經固、液相間熱流傳輸，使銅液凝結在鋼絲表面，從而獲得銅包鋼複合線纜。HSHD法使熔融的銅凝固並附著在鋼芯上(日本專利平2-258157)，雖然不象擠壓法那樣產品受定尺限制，但因銅包鋼復層厚度取決於銅液溫度、走線速度、液面高度和鋼絲表面狀態等多種因素，這些因素的波動常引起銅復層厚度沿園周方向和長度方向的分布不均而導致導電率等性能的變化。包復層厚度取決於固、液金屬間的熱交換，而達到熱平衡時則決定了包複比的極限值。通常，包複比的可控範圍在20-40％，為了獲得大於50％的包複比，則需要二次重複浸鍍。所以HSHD法普遍存在產品尺寸精度低，銅包複比可按範圍窄和復層質量不穩定的問題。除此而外，HSHD法只能生產軸對稱複合線纜，不適用於製造複合帶材和異型斷面複合材。
本發明的目的在於提供一種產品尺寸精度高，銅包複比可控範圍寬，能夠直接生產不同斷面形狀銅包鋼雙金屬複合線、扁帶和異型材的終形鑄軋方法。
本發明的內容其方法步驟主要包括熔化金屬復層材料從上方進料口將銅(或銅合金)送進熔化爐，並把熔化後的銅液導入結晶器；予處理鋼線將固態鋼絲(或鋼帶)由開卷裝置經表面予處理裝置予處理，在保護氣氛中經矯直、預熱裝置快速加熱到一定溫度；複合將經過予處理並加熱到一定溫度的鋼線(或帶)由下面連續穿過通模進入裝有銅液的結晶器，使固態鋼線與液態金屬在結晶器中有效接觸，經界面浸潤，熱流傳輸，液體結晶，界面擴散等一系列物理化學變化，使液態金屬快速凝結在鋼的表面；鑄軋在鋼線表面的復層金屬銅還處於半凝固態時，經過鑄軋輥，使其快速冷卻凝結，並承受塑性加工變形，從而獲得所要求的不同形狀，不同規格，復層組織細化的終形銅包鋼雙金屬複合材。工藝參數依雙金屬複合材組成金屬種類不同，形狀和尺寸規格不同，走線速度可控制在15-450m/min，鋼絲(或帶)的預熱溫度為150-650℃，金屬液的過熱度50-150℃，包複比(復層面積與總面積之比)的可控範圍20-90％。工藝條件採用中頻感應加熱在熔化爐中熔化銅(或銅合金)，銅液面採用木碳或還原氣體保護，銅液中氧含量控制在40ppm以下；引入結晶器的鋼線(或帶)可採用碳素鋼、合金鋼等任意材料，經表面脫脂處理、機械清刷、矯直和預熱處理後由下而上貫穿結晶器，在氮氣或其它還原性氣體保護下採用高頻感應加熱預熱鋼芯，鋼芯預熱溫度150-650℃；結晶器的下方與熔化爐流入的熔融銅液相連，底部裝設通模引入鋼芯，上部裝設鑄軋輥。鑄軋時鋼線(或帶)垂直於兩鑄軋輥的連心線。
圖1為本發明的銅包鋼液/固相鑄軋複合裝置示意圖；圖2為用本發明的方法製成的銅包鋼線材的斷面示意圖；圖3為用本發明的方法製成的銅包鋼異型材的斷面示意圖；圖4為用本發明的方法製成的銅包鋼帶材的斷面示意圖。
圖中1開卷裝置，2鋼絲(帶)，3表面處理裝置，4銅液，5主加熱器，6熔化爐，7木炭，8加料口，9液面控制系統，10氣體保護器，11矯直機，12預熱裝置，13通模，14結晶器，15輔助加熱器，16鑄軋輥，17卷取裝置，18銅/鋼複合材，19鋼芯，20包復層。
結晶器是用石墨製成，中部裝設輔助加熱器15用來控制結晶器中銅液的溫度；頂部裝設的鑄軋輥是由通水冷卻的螺旋狀銅內套和帶有孔型的鉬合金套構成。主加熱器5用來熔化銅液，為中頻感應加熱，輔助加熱器15、預熱裝置12為高頻感應加熱。
實施例1φ8mm銅包鋼複合線的製造。用圖1所示裝置，將電解銅加入熔化爐6中加熱熔化，熔融的銅液由熔化爐底部流入結晶器14，含碳量0.2％，φ3.5mm的鋼絲從開卷裝置引出經表面淨化處理後，預熱到400℃，穿過三氧化二鋁與碳化矽製成的通模13進入結晶器14與銅液接觸，在鋼芯和鑄軋輥孔型之間形成凝固層。銅包鋼複合材從鑄軋輥的孔型中軋出，軋制速度為40m/min，複合線經捲曲裝置收卷。鋼線的位置垂直於兩鑄軋輥連心線且處於孔型中心位置。由開卷裝置、鑄軋輥和捲曲裝置的速度調節建立張力，張力設定為鋼材的0.2～0.66s。經表面淨化處理後的鋼絲進入充滿氮氣的保護箱，以防止鋼絲表面再次氧化。在熔化爐中熔融的銅液表面復蓋一層木炭，以防銅液的氧化。銅液的溫度保持在1150℃，液面的變化控制在5mm以內。通過控制鑄軋輥銅套的冷卻水量調節輥溫把複合材出口溫度控制在500℃以下。按此方法獲得結合強度好，尺寸精確的φ8mm銅包鋼複合線。
實施例2，厚度h＝4mm，寬度b＝15mm的銅包鋼複合窄帶的製造。用圖1所示的裝置，以厚度h＝2mm，寬度b＝12mm的鋼帶為鋼芯，採用實施例1相同的方法製造銅包鋼複合窄帶，軋制速度為60m/min。
本發明的方法具有以下優點使銅(或銅合金)液在結晶器中經反向凝固和半凝固態塑性變形包裹在鋼芯表面，銅與鋼複合界面可以達到非常好的冶金結合；鑄軋輥的快速冷卻和半固態塑性加工變形作用不僅可以保證複合材準確的斷面形狀和尺寸精度，而且可以細化組織，優化性能。應用本發明的方法可以直接生產不同規格、不同斷面形狀銅包鋼雙金屬複合線、扁帶和異型材，包複比的可控範圍達到20％-90％。
權利要求
1.一種銅包鋼雙金屬複合材終形鑄軋方法，其特徵在於a.該方法的工藝步驟主要包括熔化金屬復層材料，預處理鋼線(或帶)，複合，鑄軋；b.工藝參數依雙金屬複合材組成金屬種類不同、形狀和尺寸規格不同，走線速度控制在15-450m/min，鋼絲(帶)的預熱溫度為150-650℃，液態金屬的過熱度為50-150℃，包複比的可控範圍20-90％；c.工藝條件採用中頻感應加熱在熔化爐中熔化銅(銅合金)，銅液表面採用木碳或還原氣體保護，銅液中氧含量控制在40ppm以下，鋼線(帶)可採用碳素鋼、合金鋼等任意材料，鋼芯預熱在氮氣或其它還原性氣體保護下採用高頻感應加熱，結晶器下方與熔化爐流入的熔融銅液相連，底部裝設通模引入鋼芯，上部裝設鑄軋輥。
2.如權利要求1所述的銅包鋼雙金屬複合材終形鑄軋方法，其特徵在於所說的熔化復層材料是從上方進料口將銅(或銅合金)送進熔化爐熔化，並把熔化後的銅液由下方導入結晶器。
3.如權利要求1、2所述的銅包鋼雙金屬複合材終形鑄軋方法，其特徵在於所說的預處理是將固態鋼絲(或鋼帶)由開卷裝置經表面淨化預處理，在保護氣氛中經矯直裝置矯直，預熱裝置快速加熱到一定溫度。
4.如權利要求1所述的銅包鋼雙金屬複合材終形鑄軋方法，其特徵在於所說的複合是將經過表面預處理並預熱到一定溫度的鋼線(或帶)由下而上連續穿過通模進入裝有銅液的結晶器，使固態鋼與液態金屬在結晶器中有效接觸。
5.如權利要求1所述的銅包鋼雙金屬複合材終形鑄軋方法，其特徵在於所說的鑄軋是使經過複合後，當鋼線表面的復層金屬銅還處於半凝固態時，經過鑄軋輥軋出。
6.如權利要求3所述的銅包鋼雙金屬複合材終形鑄軋方法，其特徵在於所說的對鋼線表面預處理是指對鋼線(或帶)表面脫脂處理，機械清刷。
7.如權利要求1、5所述的銅包鋼雙金屬複合材終形鑄軋方法，其特徵在於鑄軋輥是通水冷卻的螺旋狀銅內套和帶有孔型的鉬合金外套構成，銅包鋼複合材是從鑄軋輥的孔型中軋出。
8.如權利要求7所述的銅包鋼雙金屬複合材終形鑄軋方法，其特徵在於鑄軋時鋼線(或鋼帶)垂直於兩鑄軋輥的連心線，由開卷裝置、鑄軋輥和捲曲裝置的速度調節建立張力，張力設定為鋼材的0.2～0.66s。
9.如權利要求8所述的銅包鋼雙金屬複合材終形鑄軋方法，其特徵在於鑄軋時是通過控制鑄軋輥銅套的冷卻水量來調節輥溫，從而控制複合材的出口溫度。
全文摘要
一種銅包鋼雙金屬複合材終形鑄軋方法,該方法的工藝步驟主要包括熔化金屬復層材料、預處理鋼線、複合和鑄軋;工藝參數依雙金屬複合材組成金屬種類不同、形狀和尺寸規格不同而不同;工藝條件採用中頻感應加熱熔化銅液,銅液表面採用木碳或還原氣體保護,鋼線為碳素鋼、合金鋼等任意材料,鋼芯預熱在氮氣或其它還原性氣體保護下採用高頻感應加熱,底部裝設通模引入鋼芯,上部裝有鑄軋輥。應用本發明方法可以直接生產不同規格、不同斷面形狀銅包鋼雙金屬複合線、扁帶和異型材,包覆比可控範圍達到20%—90%。
文檔編號B22D11/00GK1253052SQ9811443
公開日2000年5月17日 申請日期1998年11月3日 優先權日1998年11月3日
發明者於九明, 孝雲楨, 王群驕, 王廷溥 申請人:東北大學