CN111933352A - 热熔连铸连轧生产扁带型铜覆钢的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了热熔连铸连轧生产扁带型铜覆钢的装置和方法，属于电力设备接地材料领域，以圆棒形钢材和铜材为原料，借助除锈设备、校直机、轧制机、熔铜装置和热处理设备等进行加工，具体包括钢材预处理、钢材经过椭圆塑形成为椭圆形截面、椭圆形钢材经过熔铜炉进行连铸形成椭圆形铜覆钢、椭圆形铜覆钢轧制成为扁线型铜覆钢，再经过热处理后定型成为扁带型铜覆钢成品等工序。加工生产得到的铜覆钢铜层厚度均匀，耐腐蚀性好，柔韧性佳，弯折90度不会出现明显的开裂分层现象，各项指标优于目前市场上的电镀、机械包覆法等制作成的铜覆钢，具有广泛应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统及电气装置等接地体材料生产领域，具体的为热熔连铸连轧生产扁带型铜覆钢的装置和方法。
背景技术
目前电力系统的发展迅速，随着能源互联网概念的提出，对于电力系统的运行稳定性提出了新的要求，而接地体作为各个电力设备的共地点以及故障电流和雷击电流散流进入大地的介质，其重要性不言而喻。
接地体的性能和质量关系到电力设备的稳定运行，现阶段常用的接地体材料以钢材为主，比如镀锌钢、铜覆钢等，由于接地体往往位于地表以下，受土壤的pH值、含水量以及微生物的影响，接地体容易被腐蚀变细乃至断裂，这将严重威胁到接地体的正常生命周期，对电力系统的安全稳定运行造成干扰，故耐腐蚀性成为考量接地体服役年限的重要指标，比如在一些腐蚀性较强的地区，接地体埋设后2至3年后便会发生明显的腐蚀变细甚至断裂，所以在接地体材料的研究发展过程中，人们采取在芯线钢材外部包裹一层锌或者铜等金属以提高接地体的耐腐蚀性，此外纯铜材质的接地体耐腐蚀性和导电性均极好，但是由于纯铜材质的接地体造价昂贵，所以未被大范围采用。以铜覆钢为例，便是在钢材的外部包裹上一层铜，所以又叫做铜包钢，其导电性以及耐腐蚀性均优于钢材和锌包钢，所以铜覆钢材料成为接地体的较优选择。根据铜覆钢的截面形状可以被分为圆棒形和扁带型，两者的主要区别便是圆棒形铜覆钢在运输过程中无法卷曲，体积较大，而扁带型的铜覆钢可以卷曲成盘状，容易运输，在接地体的铺设过程中也较易操作，所以铜覆钢以扁带型为主，各个接地体材料加工企业也以生产扁带型的铜覆钢为主。事实上扁带型铜覆钢的加工难度要大于圆棒形铜覆钢，铜层的厚度控制以及如何确保材料在弯曲过程中铜层不会开裂等均成为限制扁带型铜覆钢材料加工生产的瓶颈。目前扁带型铜覆钢的生产方式主要由以下几大类：
机械包覆法：钢丝和铜带预处理、铜带螺旋卷绕在钢丝的表面并焊接成铜管、轧制或拉伸到所需的线径。这种方法设备简单、操作方便、易于控制、不污染环境，但须采用高质量的无氧铜带，加工量大、铜带利用率低、产品成本高，且难以得到长尺寸的连续制品。
电镀法：电镀法是利用电解原理在铜盐中给钢丝表面镀上铜。传统电镀法的工艺是：将铜棒加工成螺旋形的线卷、连续不断地输入到电解槽内、一面转动一面电镀铜、根据不同的用途拉伸到预定线径、热处理。近年来这种工艺又有了改进，新研制的电镀法是在纵型供电旋转卷筒上多级卷绕钢丝，使钢丝多次通过电镀液而进行多次电镀，这样可获得高质量的厚铜层。电镀法设备简单，操作容易，原材料利用率高，但由于电镀液中含有剧毒的氰化物，其排放造成了极大的社会公害。多年来，许多研究者进行了大量的研究以期找到具有氰化物特性的无氰镀铜配方，但在与基体金属结合方面未取得与氰化物相匹敌的电解液。此外，电镀法难以获得厚的包覆铜层，成品线的直径一般在14mm以下。
挤压法：芯材钢线经表面处理后，进行预先热处理，在模具出口处对钢线施以张力，以使铜与钢因磨擦压接而复合。应用挤压法获得的铜层厚度可从相当于镀层厚度到几毫米，形状可以是异形断面。但挤压复合时因为产生坯料和芯线间的相对滑移，所以若复合比确定不当，容易造成芯线或外包层的断裂。
由于以上几种方法制备得到的扁带型铜包钢在质量上或者加工过程中存在诸多不足之处，因此有必要研制出一种新型的扁带型铜覆钢加工工艺，来解决现有生产技术中存在的不足。
发明内容
针对目前扁带型铜覆钢生产技艺中存在的环境污染问题以及成品的质量问题，提出一种热熔连铸连轧法来生产扁带型铜覆钢，生产出的扁带型铜覆钢铜层均匀，可以生产较长长度的铜覆钢，且产品的耐弯折能力较强，即柔韧性较好，且生产过程中对于环境的负面影响较小，生产效率高，可以广泛的应用于扁带型铜覆钢的生产加工。
利用热熔连铸连轧生产扁带型铜覆钢的过程中，以圆棒形的钢材以及铜材为原料，借助除锈设备、校直机、熔铜装置和热处理设备等进行加工，请参阅附图1和图2，具体的加工工艺如以下步骤：
S01：将圆棒形钢材进行除锈，然后穿过校直机进行校直，使得钢材的表面条件满足后续热熔连铸连轧制作扁带型铜覆钢的要求；
S02：将S01中得到的钢材通过轧制机，将其轧制成截面为椭圆形的钢材；
S03：将S02中得到的椭圆形钢材由上而下穿过装有熔融铜的炉内，使其外部包裹上一层铜液；
S04：将S03中沾有铜液的钢材穿过熔铜炉下部的石墨结晶模具，将多余的铜液剔除：
S05：将S04中得到的材料穿过冷却管，使其冷却成为椭圆形的铜覆钢；
S06：将S05中得到的椭圆形铜覆钢通过拉轧设备，将其轧制成为扁线型的铜覆钢；
S07：将S06得到的扁线型铜覆钢进行热处理后定型得到扁带型铜覆钢的成品。
“热熔连铸连轧”技艺生产扁带型铜覆钢的过程中，“热熔连铸”指的是将钢材通过熔融的铜炉后直接冷却将铜包裹在钢材外部，“连轧”是指将步骤S05中制备得到的椭圆形铜覆钢通过轧制机成为扁线型的铜覆钢。
特别地，本发明实施步骤S02中的轧制机的滚轮通孔为椭圆形，可以将圆棒形的钢材轧制成椭圆形。
特别地，步骤S03中盛有铜液的熔铜炉在使用过程中一直通过保护气注入口注入氮气，以避免钢材和铜材被氧化变质影响最终产品的质量。
特别地，步骤S04中使用的石墨结晶模具的截面通孔为椭圆形，但是尺寸略大于椭圆形钢材，以保障钢材周围能均匀的沾有铜液，此外可以更换不同截面尺寸的石墨结晶模具，以便形成不同尺寸以及铜层厚度的铜覆钢。
特别地，步骤S06中将椭圆形铜覆钢轧制成为扁线型铜覆钢，在此过程中可以进一步提高铜层与钢材之间的连接强度和材料硬度。
特别地，步骤S07中的热处理是在300-400℃的氮气保护环境中进行，经过此步骤后的铜覆钢的柔韧性将明显提高。
值得说明的是，图1中在铜覆钢材料制备过程中的金属材料弯角是为了完全展示制备扁带型铜覆钢的流程图而采取的紧凑型布置，在实际生产中不会存在这样的弯角。
本发明具有如下有益效果：
利用“热熔连铸连轧”生产得到的扁带型铜覆钢，柔韧性较好，耐腐蚀性强，产品的铜层厚度均匀，铜层厚度易于控制，生产过程中对于环境的污染远小于电镀法制备工艺。当生产得到的铜覆钢弯曲90度时不会发生明显的翘皮和开裂现象。此外在生产过程中之所以不将扁带型的钢材通过热熔铜炉连铸制作成扁带型铜覆钢的原因主要是：由于铜和钢的热膨胀系数不同，液态铜凝固成固态时，直角处铜层易开裂。
扁带型铜覆钢具有电气性能、机械性能、耐腐蚀性能良好的特点，施工方便，性能可靠，具有比传统的圆柱形铜覆钢更优秀的综合性能。
附图说明
图1为热熔连铸连轧生产扁带型铜覆钢接地材料的设备结构示意图；
图2为利用热熔连铸连轧技术生产扁带型铜覆钢的工艺流程图；
图1中：1-圆棒形钢材、2-校直后的圆棒形钢材、3-椭圆形钢材、4-无氧椭圆形铜覆钢、5-扁线型铜覆钢、6-结晶模具、7-热处理中的铜覆钢、8-扁带型铜覆钢成品、9-校直机、10-椭圆轧制成型机、11-熔铜坩埚、12-引导管、13-外壳、14-冷却管、15-轧制牵引器、16-热处理设备、17-保护气注入口。
具体实施方式
实施例1
步骤一：把直径22mm的圆棒形钢材(1)进行除锈，通过校直机(9)进行校直，得到校直后的圆棒形钢材(2)：
步骤二：将步骤一得到的钢材(2)通过轧制机(10)进行椭圆塑形，得到椭圆形截面的钢材(3)；
步骤三：通过保护气注入口往坩埚炉腔内通入氮气，避免铜在融化过程中，氧气对铜的氧化。将椭圆形钢材依次插入引导管(12)、结晶模具(6)
步骤四：熔铜炉内坩埚(11)中融化后的铜液从结晶器上的小孔流入并在结晶模具(6)中的椭圆形钢材上结晶从而制止了铜液继续往下流，此时拉动椭圆形钢材，使椭圆形钢材向下移动，铜液不断从结晶器的孔中注入包在椭圆形钢材的周围，结晶器底部的冷却管(14)带走铜覆钢上的大量的热量，铜液在椭圆形钢材表面形成铜覆盖层，得到椭圆形铜覆钢(4)；
步骤五：将得到的椭圆形铜覆钢穿过轧制机(15)，将其轧制成为扁线型铜覆钢(5)；
步骤六：得到的扁线型铜覆钢经过热处理设备(16)在200℃环境下保温30分钟后得到扁带型铜覆钢(8)的成品，扁带截面尺寸为30×15mm，其中铜层厚度为0.8mm。
应用中华人民共和国电力行业标准DL/T 1312-2013《电力工程接地用铜覆钢技术条件》和国家电网公司企业标准Q/GDW 1466-2014《电气工程接地用铜覆钢技术条件》对生产得到的截面尺寸为30mm×15mm的扁带型铜覆钢的成品进行实验室检验，检测得到铜层表面结晶细密、颜色均匀、光滑洁净、无明显缺陷及杂质和表面污染物，无漏覆、浮铜和黑斑，将材料弯折30°二十次试验后铜层未出现裂纹、裂缝、凹坑和其他有碍于材料腐蚀性能的缺陷，将材料弯折90°三次试验后铜层未出现裂纹、裂缝、凹坑和其他有碍于材料腐蚀性能的缺陷，截面宽度偏差±0.01，截面长度偏差±0.02，平均铜层厚度为0.83mm，电阻率为7.95×10-8Ω·m，相对导电率为21.7％，抗拉强度为379MPa
从以上实验室检测结果可以看出，应用本发明公开的热熔连铸连轧生产扁带型铜覆钢的装置和方法制备得到的截面尺寸为30mm×15mm柔性扁带型铜覆钢符合相关标准中的规定，性能良好。
实施例2
步骤一：把直径17mm的圆棒形钢材(1)进行除锈，通过校直机(9)进行校直，得到校直后的圆棒形钢材(2)；
步骤二：同实施例1；
步骤三：同实施例1；
步骤四：同实施例1；
步骤五：同实施例1；
步骤六：得到的扁线型铜覆钢经过保温设备(16)在250℃环境下保温25分钟后得到扁带型铜覆钢(8)的成品，扁带截面尺寸为30×10mm，其中铜层厚度为0.8mm。
应用中华人民共和国电力行业标准DL/T 1312-2013《电力工程接地用铜覆钢技术条件》和国家电网公司企业标准Q/GDW 1466-2014《电气工程接地用铜覆钢技术条件》对生产得到的截面尺寸为30mm×10mm的扁带型铜覆钢的成品进行实验室检验，检测得到铜层表面结晶细密、颜色均匀、光滑洁净、无明显缺陷及杂质和表面污染物，无漏覆、浮铜和黑斑，将材料弯折30°二十次试验后铜层未出现裂纹、裂缝、凹坑和其他有碍于材料腐蚀性能的缺陷，将材料弯折90°三次试验后铜层未出现裂纹、裂缝、凹坑和其他有碍于材料腐蚀性能的缺陷，截面宽度偏差±0.01，截面长度偏差±0.01，平均铜层厚度为0.63mm，电阻率为6.70×10-8Ω·m，相对导电率为25.5％，抗拉强度为381MPa
从以上实验室检测结果可以看出，应用本发明公开的热熔连铸连轧生产扁带型铜覆钢的装置和方法制备得到的截面尺寸为30mm×10mm柔性扁带型铜覆钢符合相关标准中的规定，性能良好。
Claims (6)
1.热熔连铸连轧生产扁带型铜覆钢的装置和方法，其特征在于：以圆棒形的钢材(1)以及铜材为原料，借助除锈设备、校直机(9)、熔铜装置(11)和热处理设备(16)等进行加工，具体的加工工艺如以下步骤：
S01：将圆棒形钢材(1)进行除锈，然后穿过校直机(9)进行校直，使得钢材的表面条件满足后续热熔连铸连轧制作扁带型铜覆钢的要求；
S02：将S01中得到的校直后的圆棒形钢材(2)通过轧制机(10)，将其轧制成截面为椭圆形的钢材(3)；
S03：将S02中得到的椭圆形钢材(3)由上而下穿过装有熔融铜的炉内(11)，使其外部包裹上一层铜液；
S04：将S03中沾有铜液的钢材穿过熔铜炉下部的石墨结晶模具(6)，将多余的铜液剔除；
S05：将S04中得到的材料穿过冷却管(14)，使其冷却成为椭圆形的铜覆钢(4)；
S06：将S05中得到的椭圆形铜覆钢(4)通过拉轧设备(5)，将其轧制成为扁线型的铜覆钢(5)；
S07：将S06得到的扁线型铜覆钢(5)进行热处理(16)后定型得到扁带型铜覆钢(8)的成品。
2.根据权利要求1所述的热熔连铸连轧生产扁带型铜覆钢的装置和方法，其特征在于，步骤S02中的轧制机(10)的轧棍面为椭圆形，可以将圆棒形的钢材轧制成椭圆形。
3.根据权利要求1所述的热熔连铸连轧生产扁带型铜覆钢的装置和方法，其特征在于，步骤S03中盛有铜液的熔铜炉(11)在使用过程中一直通过保护气注入口(17)注入氮气，以避免钢材和铜材被氧化变质影响最终产品的质量。
4.根据权利要求1所述的热熔连铸连轧生产扁带型铜覆钢的装置和方法，其特征在于，步骤S04中使用的石墨结晶模具(6)的截面通孔为椭圆形，但是尺寸略大于椭圆形钢材，以保障钢材周围能均匀的沾有铜液，此外可以更换不同截面尺寸的石墨结晶模具，以便形成不同尺寸以及铜层厚度的铜覆钢。
5.根据权利要求1所述的热熔连铸连轧生产扁带型铜覆钢的装置和方法，其特征在于，步骤S06中将椭圆形铜覆钢(4)轧制成为扁线型铜覆钢(5)，在此过程中可以进一步提高铜层与钢材之间的连接强度和材料硬度。
6.根据权利要求1所述的热熔连铸连轧生产扁带型铜覆钢的装置和方法，其特征在于，步骤S07中的热处理是在300-400℃的氮气保护环境中进行，经过此步骤后的铜覆钢的柔韧性将明显提高。
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