专利名称：铜包覆钢上引连铸方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种同心度好、高导电率、高抗拉强度、耐腐蚀的电力架空线的生产方 法及其装置，特别是将铜包覆于钢芯线上的方法和装置，属于复合材料制造领域。
背景技术：
铜包覆钢(Copper clad steel wire，缩写为CCS)，是一种以优质碳素钢为芯体， 以铜为表面包覆层，经加工成整体的多金属复合材料，它既具有钢的抗拉强度，又有铜的良 好的导电性能和耐腐蚀性能。随着社会经济的不断发展，电网的负荷增加以及电源点的不 断建设，系统容量也越来越大。相应各变电所的短路电流也越来越大，对于高压输电线路来 讲，两端变电所进出线段的地线的热稳定问题也显得越来越重要，特别是对于挂有OPGW光 缆的输电线路这一问题尤为突出。雷击断电线的事故较多，2005年我国21条500KV线路 上共发生47次雷击事故，110 220KV线路总长量大，相对遭受雷击次数特大。2008年初， 五十年最大雪灾，全国110 500KV的电网因冰风雪灾停运电力线路共35819条，停运的变 电所共2003座，线路因灾倒塔8500基，塔杆损伤90%出现在挂有OPGW光缆一侧。这是因 为国内没有价格适中、品质优良的铜包钢复合光缆，只能选用过粗单线、过大直径的铝包钢 光缆的缺陷所致。目前，国内生产铜包钢的方法有铸造热压法、电镀法、铜带压接法、焊管包覆法、 套管包覆法和水平连铸法等几种。这些方法虽可生产铜包钢，却都有明显的缺点如其 中的铸造热压法，工艺流程长，且材料利用率低，质量较难保证；铜带压接法，成本要高出 15% -20% ；电镀法因使用氰化物而公害严重，表面电镀液不易洗净而使铜变黑，最后形成 洞孔；焊管包覆法和套管包覆法都因结合力差，难以获得满意效果。使用热浸涂层水平连铸方法，即用一根较细(一般Φ 10-Φ 14)的冷钢芯杆，水平 通过铜水池，使铜水与该移动的钢杆表面逐步凝固成为铸造状态的铜包钢杆。这种方法生 产的铜包钢杆有如下缺点(1)钢芯杆移动的方向与铜水冷热对流的方向相垂直，钢芯杆表面周围温度不相 等，表面吸热的能力就不相等。铜的包覆就不均勻，出现偏心。由于包覆铜层的偏心，就限 制了产品拉拔的程度，直径小于1. 8mm就会露钢。(2)铜包钢杆因自身的重量和横卧在进出线模口上，在高速进线时，钢芯杆与铜包 钢杆产生杂乱无章的振动，使逐步凝固的铸态组织产生偏心，同时加速了进出线模口下端 的磨损，使铜包钢杆逐步出现不规则形态。要克服这一个缺点，就要适时更换模具，严重影 响了生产能力。(3)由于钢芯杆在铜水中浸泡的时间达6-8秒，在高温的铜水中的钢芯表面温度 大于760°C时，会有部分磷离子释放到铜水中，污染了铜水，导致导电率急剧下降，使铜包钢 的电气性能遭到破坏。综上所述，依上述方法生产高抗拉强度、高导电率、耐腐蚀、小截面的铜包钢产品 是不太合适的，而电力建设又急需该产品。因此如何对现有技术进行改进，提供一种能够克服现有技术缺点的生产方法与装置，是一个值得研究与解决的技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种更节省、更快捷的方法生产出一种高强度、 高导电率、耐腐蚀、抗雷击的电力导线和架空地线，且产品的品质有了较大的提高。本发明的要解决的另一技术问题是根据生产该产品的需要，设计一套结构合理、 自动化程度高、低碳节能、使用寿命长的上引连铸装置，该装置不仅能够保证生产出来的产 品具有优良的品质，同时其巧妙的结构还保证了设备在维修也很方便，有利于提高生产效 率。为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案一种铜包覆钢上引连铸方法， 包括钢芯线的预热步骤，其还包括以下步骤将预热钢芯线从连铸炉底部进入，依次在炉内 铜水中连续铸造包覆后再从连铸炉上部垂直拉出，所述连铸炉内铜水温度控制在1150°C 1110°C，钢芯线在铜水中浸涂包覆距离控制在8cm 17cm，所述铜包覆钢芯线从炉内引出 的速度为100 120M/min。作为本发明所述铜包覆钢上引连铸方法的一种优选方案，其中所述钢芯线的预 热温度控制在600°C 700°C。作为本发明所述铜包覆钢上引连铸方法的一种优选方案，其中所述连铸炉内的 铜水液面高度控制在300mm 350mm。作为本发明所述铜包覆钢上引连铸方法的一种优选方案，其中所述连铸炉与保 温炉连通，所述保温炉与熔化炉连通，保温炉控制并调节温度。作为本发明所述铜包覆钢上引连铸方法的一种优选方案，其中所述钢芯线预处 理步骤还包括对抛光后的钢芯线进行超声波清洗。为了实施所述铜包覆钢上引连铸方法本发明提供了如下装置包括铜水预处理装 置、钢芯线预处理装置、收绕装置，其特征在于所述装置还包括熔化炉、保温炉及连铸炉， 所述熔化炉、保温炉及连铸炉组装在同一框架式平台上，所述熔化炉与保温炉之间、保温炉 与连铸炉之间通过导流槽连通。作为实施所述实施铜包覆钢上引连铸方法的装置的一种优选方案，其中所述保 温炉与连铸炉之间设置有连铸炉阀门，熔化炉与保温炉之间的导流槽开设在两炉之间的下 部，所述连铸炉的炉底高出保温炉的炉底，其导流槽开设在保温炉的中部与连铸炉的下部。作为实施所述实施铜包覆钢上引连铸方法的装置的一种优选方案，其中所述框 架式平台一端置于炉体活动支撑点，另一端连接炉体升降装置，所述炉体升降装置上升时 带动框架式平台向一侧倾斜。作为实施所述实施铜包覆钢上引连铸方法的装置的一种优选方案，其中所述熔 化炉、保温炉的容积为连铸炉的3 5倍。作为实施所述实施铜包覆钢上引连铸方法的装置的一种优选方案，其中所述连 铸炉内的模具外设置有陶瓷模口。本发明所述方法，关键在于将预热钢芯线从连铸炉底部进入，依次从炉内铜水中 连续铸造包覆后再从连铸炉上部垂直拉出。钢芯线预热温度为600°C -700°C，铜水温度控 制在1150°C -1110°C之间，钢芯线在铜液中包覆距离控制在8cm-17cm之间，连铸后的铜包覆钢芯线从炉内引出的速度为100-120m/min。随着所生产产品的直径变化，可通过调节 控制铜液温度，钢芯预热温度、连铸包覆距离和引出速度，使所生产出的产品达到预定的要 求。同时本发明所述装置由于采用了熔化炉、保温炉与连铸炉相连接，从而能够对连铸炉起 到很好的恒温作用，保证了产品的质量，另一方面，由于本发明设置有炉体升降装置，能够 方便的将连铸炉中的铜水转移，从而便于维修。
下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。图1是本发明所述铜包覆钢上引连铸方法工艺流程示意图。图2是本发明所述装置的结构示意图。
具体实施例方式如图1和图2，其中1放线机，2钢芯线，3剥皮机，4拉丝机，5抛光机，6超声波清 洗机，7预热及气体保护装置，8下导向轮” 9校直机，10压紧机，11预热前铜板，12铜板加 料机，13预热后的铜板，14熔化炉，15保温炉，16连铸炉阀门，17连铸炉，18连铸炉导入口， 19下石墨模，20上石墨模结晶器，21水冷却装置，22铜包覆钢线，23上导向轮24导管及 气体冷却装置，25上导向轮2，26上导向轮3，27热轧轧辊，28上导向轮4，29、收线机，30下 导向轮2，31下导向轮3，32炉体升降装置，33摇臂座，34升降装置万向摇臂，35炉体活动支 撑点，36炉体框架平台，37炉体底脚。本发明铜包覆钢线上引连铸方法，将预热钢线从连铸炉底部穿入，依次从炉内下 石墨模19，经过在两模之间吸热包覆铜液，然后从连铸炉顶部垂直引出，具体操作控制方法 如下1、在其中心具有钢线作芯线2，用包覆材料以实际需要的厚度包覆在该芯材的周 围，包覆材料是由纯铜板(含铜99. 99%)构成。使用优质钢线作为芯线(2)的原因是为了 符合电力架空导(地)线的要求，其特点是同层单丝材料、弹性模量、温度系数、比热容等 参数相等。还有铜与钢之间的热膨胀系数差小，表面不出现脱层、开裂、起泡等现象。2、铜水预处理装置，将铜板加入预热炉加热，并清除铜板表面的水分及硫酸根离 子等。在铜板预加热炉内稍加保护气体，从而使铜板不受氧化，加料机按指令把铜板放在预 热炉辊道，在预热炉加热到300°C 400°C，然后用铜板加料机12液压推杆将铜板加入熔化 炉。熔化炉设有装料口和扒渣口，装料口向上敞开，以便铜板连续加入，扒渣口用于清渣和 填加木炭保温脱氧层。保温炉亦为工频炉，其作用主要是控制和稳定铜液温度，一般控制在 1150°C 1110°C之间，氧含量控制在0.03% 0.05%之间。另一个功能是控制炉内液面 高度，在保温炉内装有液面探杆，用以控制液面高度。通过改变保温炉感应器的电压进行温 度自动控制。3、钢芯线2如图经放线机1、剥皮机3、拉丝机4、抛光机5、超声波清洗机6、预热及 气体保护装置7、校直机9、压紧机10穿入连铸炉导入口 18。由放线机1将钢芯线2进入剥 皮机3，剥去氧化皮，经拉丝机4将芯线拉至需要的规格，再经抛光机5，抛光机由一台三组 高速旋转的钢丝轮机和三组经压实的布轮组成，对钢芯线360度打磨抛光，使芯线表面清 洁光亮，经超声波清洗机6再一次清洗，进入预热装置7这里有气体保护，再经下导向轮力、校直机9、压紧机10，从连铸炉17底部连铸炉导入口 18垂直向上进入石墨模腔。进入下石 墨模19与上石墨模结晶器20之间吸热包覆铜，再经上石墨模结晶器20向上垂直引出，后 由水冷却装置21导管及气体冷却装置24进入热轧轧辊27进行第一次热轧，最后由收线机 29收绕完成。
4、本发明的一体化可倾斜式连铸炉，是把熔化炉14保温炉15连铸炉17组装在 同一活动的框架式平台36上，在熔化炉14保温炉15底部之间的位置设一炉体活动支撑 点35，另一端平放在炉体底脚37上，在炉体底脚37内侧设一炉体升降装置32，在需要检修 时，松开上导向轮225，炉体升降装置32升起，三个炉体向左倾斜15度 30度，连铸炉17 内铜液将从导流槽回流到保温炉15，随即关闭连铸炉阀门16，炉体升降装置32下降，炉体 复位，即可进行检修操作。在连铸炉外侧设一升降装置万向摇臂34，可以按需要进行手动 或自动操作。在未开机时，通过调节升降装置万向摇臂34使炉内上下石墨模具紧密闭合， 铜液不进入模腔；开机时，该装置向上升起，进入连铸状态。为了确保在连铸状态时需要的 炉温1130°C 士2. 5°C时，炉内埋设测温探头。测温数据输送给感应器，感应器把信息传输给 计算机管理系统，经计算机处理后，给升降装置万向摇臂34下达指令，适时调节包覆距离， 修正生产速度，使得铜液温度、铜芯预热温度包覆距离、生产速度四者协调一致。连铸炉17 如图1内铜液应保持一定的高度。熔化炉14、保温炉15的容积约为连铸炉17的四倍，熔化 炉14、保温炉15的底部在同一水平线上，导流槽开口在两炉之间的下部，用以分离铜液中 的杂质，连铸炉17的炉底则高出保温炉15约20%，导流槽开口在保温炉15中部与连铸炉 17的下部。当在熔化炉14加入整块新料和生产速度较快、耗用铜液较多时，由于有了保温 炉的控温作用，所以对铜液的温度影响不大，能够将连铸炉温差变化控制在士 左右。本 发明所述连铸炉，用高密度石墨做模具，具有耐高温、耐磨损的特点，在模具的下口，装有陶 瓷导入口，导入口的上端内径与穿入的钢芯线外径一致；上口陶瓷模与结晶器相互配合，其 内径等于铜包覆钢线的外径，陶瓷模口对石墨模具起保护作用。5、研发铜包覆钢电力架空导(地)线，产品目标明确，根据GB-T7424. 4-2003光纤 复合架空地线国家标准规定，选定其导电率为30% 40% I ACS范围。那么，我们就要做 出一系列方案进行优化，选择最优方案。只需包覆一次，就能达到导电率为30% 40% I ACS的要求，其相关参数如下铜水液面高度300mm 350mm，包覆距离8cm 17cm，铜液温 度控制在1150°C 1110°C之间，生产速度为100 200m/min。其理由如下(1)设定铜水液面高度在300mm 350mm之间，首先是利用铜液压差提高铜的包覆 质量，其次是生产速度为100 120m/min，铜液温差控制在1150°C 1110之间，生产效率 尚ο(2)设定包覆距离为8cm 17cm之间。包覆距离与钢芯杆预热温度、生产速度、铜 液温度密切相关。距离短，铜包覆量不充分，出现脱包现象；距离长，使得钢芯杆在铜水中停 留时间长，部分磷离子释放污染铜水。假定预热温度为600°C，生产速度为120m/min，炉内温度1130°C 士2. 5°C时，包覆 距离则选择17cm ；预热温度为700°C时，生产速度为lOOm/min，炉内温度1130°C 士2. 5°C 时，包覆距离8cm。在炉内装有测温装置、液面探杆等，与感应器相连，感应器将相关数据输入计算 机，由计算机处理后，给各调节装置下达指令，对钢芯杆预热温度、生产速度、包覆距离、炉内温度适时进行微调，让生产始终处于最佳状态。在生产大截面(上限17mm)，大导电率(上限80%IACS)时，除进行上述调节之外，还要在产品第一次包覆引出炉后进行热轧，以增强铜与钢的金属结合。6、一体化可倾斜式连铸炉，未开机时，通过安装在连铸炉17外侧的升降装置万向 摇臂(34)使炉内石墨模具准确闭合，铜液不进入模腔；开机时，升降装置升起，控制覆铜距 离，进入连铸状态。检修时，一体化炉体升降装置32从连铸炉底部一侧将炉子整体顶起，倾 斜15° -30°，铜液从连铸炉经导流槽回流到保温炉15，然后关闭连铸炉阀门16，再将炉体 复位应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳 实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术 方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发 明的权利要求范围当中。
权利要求
一种铜包覆钢上引连铸方法，包括钢芯线的预热步骤，其特征在于还包括以下步骤将预热钢芯线从连铸炉底部进入，依次在炉内铜水中连续铸造包覆后再从连铸炉上部垂直拉出，所述连铸炉内铜水温度控制在1150℃～1110℃，钢芯线在铜水中浸涂包覆距离控制在8cm～17cm，所述铜包覆钢芯线从炉内引出的速度为100～120M/min。
2.根据权利要求1所述的铜包覆钢上引连铸方法，其特征在于所述钢芯线的预热温 度控制在600°C 700°C。
3.根据权利要求1所述的铜包覆钢上引连铸方法，其特征在于所述连铸炉内的铜水 液面高度控制在300mm 350mm。
4.根据权利要求1所述的铜包覆钢上引连铸方法，其特征在于所述连铸炉与保温炉 连通，所述保温炉与熔化炉连通，所述保温炉控制并调节连铸炉温度。
5.根据权利要求1所述的铜包覆钢上引连铸方法，其特征在于所述钢芯线预处理步 骤还包括对抛光后的钢芯线进行超声波清洗。
6.一种实施权利要求1所述铜包覆钢上引连铸方法的装置，包括铜水预处理装置、钢 芯线预处理装置、收绕装置，其特征在于所述装置还包括熔化炉(14)、保温炉(15)及连铸 炉(17)，所述熔化炉(14)、保温炉(15)及连铸炉(17)组装在同一框架式平台(36)上，所 述熔化炉与保温炉之间、保温炉与连铸炉之间通过导流槽连通。
7.根据权利要求6所述的实施铜包覆钢上引连铸方法的装置，其特征在于所述保温 炉(15)与连铸炉(17)之间设置有连铸炉阀门(16)，熔化炉与保温炉之间的导流槽开设在 两炉之间的下部，所述连铸炉的炉底高出保温炉的炉底，其导流槽开设在保温炉的中部与 连铸炉的下部。
8.根据权利要求6所述的实施铜包覆钢上引连铸方法的装置，其特征在于所述框架 式平台(36) —端置于炉体活动支撑点(35)，另一端连接炉体升降装置(32)，所述炉体升降 装置上升时带动框架式平台向一侧倾斜。
9.根据权利要求6所述的实施铜包覆钢上引连铸方法的装置，其特征在于所述熔化 炉、保温炉的容积为连铸炉的3 5倍。
10.根据权利要求6所述的实施铜包覆钢上引连铸方法的装置，其特征在于所述连铸 炉内的模具外设置有陶瓷模口。
全文摘要
本发明公开了一种铜包覆钢上引连铸方法及其装置，其关键在于将预热钢芯线从连铸炉底部进入，依次从炉内铜水中连续铸造包覆后再从连铸炉上部垂直拉出。钢芯线预热温度为600℃-700℃，铜水温度控制在1150℃-1110℃之间，钢芯线在铜液中包覆距离控制在8cm-17cm之间，连铸后的铜包覆钢芯线从炉内引出的速度为100-120m/min。同时本发明所述装置由于采用了熔化炉、保温炉与连铸炉相连接，从而能够对连铸炉起到很好的恒温作用，保证了产品的质量，另一方面，由于本发明设置有炉体升降装置，能够方便的将连铸炉中的铜水转移，从而便于维修。
文档编号B22D11/04GK101804448SQ201010142548
公开日2010年8月18日 申请日期2010年4月9日 优先权日2010年4月9日
发明者秦志春, 黄国华 申请人:秦志春;黄国华