专利名称：一种轧制超导导线的轧机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种轧机，尤其涉及的是用于轧制超导导线的恒压型轧机。
轧制后导线需满足以下几点(1)获得的导线包括超导体核的几何尺寸均匀、平整。(2)超导体核的晶向符合要求，没有微断裂。如在Bi系2223相高温超导导线的制备过程中，由于Bi系2223相材料的机械性能是各向异性的，材料的结构如
图1所示，在结构上为垂直C轴的层状结构，传输电流在(a，b)面内的临界电流密度比在C轴方向要高，所以最好使超导体晶体的(a，b)面沿着导线的长度方向。(3)超导体的密度足够高，且能形成较好的织构。
为了达到以上目的，一般采用的方法有下面几种(一)压制通常，压制可以分为两种静态和半连续的压制。在美国专利US5639714中涉及了静态压制的方法，所加负载至少1000kg/cm2。在参考文献(Lahtimem M et al，Physica C 244(1995)115)中涉及了半连续地压制的方式，它是利用两个压模在垂直方向上给导线施压，并且采用一种特殊设备使压模实现导线长度方向的运动，以传输导线。导线所受的压力在整个压制过程中基本上保持恒定，从而使整个导线平整。
压制的工作原理可以按以下的模型来分析如图2所示，当压力加在Z方向时，导线可以在X、Y方向上移动。在实际工艺中，导线的形变主要受三方面的影响1)铁砧与导线本身的机械性能。2)铁砧与导线界面之间的摩擦力。铁砧与导线界面之间的摩擦力在导线的扩展过程中起着非常重要的作用。当摩擦力小时，在同样的压力下扩展就大。另外，由于界面之间的摩擦力的作用，在塑性形变中导线内部的压力和张力是不均匀的，这种不均匀的变形导致如图2所示的角形区域(图中的阴影部分)的形成，该区域会比其余部分形成较少的变形。3)导线的厚度H和导线与辊子的接触长度L之间的比例H/L。导线的形变依赖于H/L，当H/L较小时，引起导线扩展所需的压力就较大，扩展也会较小，反之，当H/L较大时，所需的压力就较小，扩展也会较大。另外，如果在x和y方向的接触长度不同，扩展也会不同，例如，当x方向的接触长度Lx比y方向的接触长度Ly短时，在x方向上的扩展会比y方向的扩展大。
根据以上的工作原理，如果能较好地设计以上三方面的参数，就能提高超导体的致密度，优化晶粒的排列方向，形成较均匀的电流传输通道，从而有效地提高超导性能。但压制的过程不连续，只是一段一段地压制导线，这样与轧制相比在单位时间内能够压制的导线的长度会少得多，对于长导线如长度大于1000米的导线的制作缺乏实用性。(二)轧制所谓轧制，就是金属坯料与一对旋转的轧辊相接触后，轧件在轧辊摩擦力的作用下进到轧辊的辊缝里，产生塑性变形，成为一定形状和尺寸的制品。轧制方法在美国专利US5304602、US5296456和US5187149中都有提及，其中在美国专利US5187149中所述的轧制是在低于800℃下进行的。
轧制过程涉及许多工艺参数，如轧辊直径、轧辊速度、导线减小比例、粉末的颗粒大小、起始的导线与套管的界面的光滑度和导线的厚度，但所制备的导线内超导体的密度主要由前驱粉末、套管材料和参数H/L1决定。
1)前驱粉末和套管对导线形变的影响。经过轧制，核中各物质分布的对称性会发生改变，如果核心的密度不是很高，可以被看作带材的软的部分，经过形变以后，核会比套管发生更显著的变形。另一方面，当核的密度很高，套管可以看成带材软的部分，那么就不能传输足够高的压力给核心使核心的密度增加。
2)参数H/L1对导线形变的影响。如果导线的高度比轧辊的直径小得多，轧制过程中导线所受的压力可以根据如下模型进行分析如图3所示，带材的平均厚度H为H＝(H1+H2)/2，其中H1为导线的初始厚度，H2为导线经过轧制后的厚度，导线与辊子的接触长度为L1,L1≈RδH]]>，其中R为辊子的半径，δH为带材厚度的减小，因而H/L1≈H/RδH]]>，它的大小依赖于辊子的半径、带材的厚度以及带材厚度的减小量。当H/L1较小时，引起带材扩展所需的压力就较大，当H/L1较大时，所需的压力就较小，扩展也会较大。
通常，在超导带材轧制过程中出现的问题是“香肠效应”。在实际工艺中，当导线经过低温热处理后，常常出现不均匀现象，即香肠效应，该效应可以用粉末流动模型来解释当轧制开始时，由套管材料驱动粉末流动，使粉末的密度增加，当粉末达到临界密度时，粉末的流动由于粉末之间的摩擦力会停止，套管材料在长度方向上的自由度限制了套管材料提供给粉末的最大压力，导致套管材料沿着带材在致密的粉末区域的流动，当达到银带(由于套管材料通常是银或银合金，因此带材也称为银带)最小的密度部分时，套管材料又能驱动粉末流动，因而间歇性的香肠效应就形成了。作为这种不均匀变形的结果，银带不仅在几何尺寸上显示不均匀性，而且在其他方面也显示了不均匀性，甚至不连续的性质，如超导体晶体的微断裂和位错。香肠效应表现为套管与超导体核之间形成不平整的界面，超导体核的形状与香肠类似，香肠窄的部分会减少超导核实际的截面面积，因而减少了总的临界电流，更严重的是，在香肠效应的形成过程中会引入微断裂或孔洞，其方向为沿导线的宽度方向，这些微断裂或孔洞将严重影响超导体的致密性，降低临界电流，甚至使电流断路。香肠效应还会引起导线机械性能的不均匀，降低导线的弯曲和拉伸性能。产生香肠效应的原因主要有以下三个方面，一是由于套管与超导体核有不同的机械强度，套管的材料采用银合金而不是纯银能较大地降低香肠效应；二是由于超导体核本身在结构上各向异性，即在不同的方向上超导体的硬度和强度都不同，在宽度方向的多相性对机械性能的影响并不是最关键的，因为在多数情况下主要的压力是在长度方向上，所以在轧制工艺中主要是需要避免长度方向上的香肠效应；三是由于轧机的设计原因。因此，改进轧机的性能可能是大幅度地降低香肠效应的一种有效途径。
由于轧机的性能对香肠效应有很大的影响，所以在轧机的性能改善方面进行了一些尝试，主要包括以下的几个方面(1)四辊轧制。
一般轧机只有一对轧辊，但在参考文献(Tenbrink，et al，AppliedSuperconductivity Conference，Chicago Aug.P23-28，1992和Motowidlo，Materials Research Society Meeting，Apr.12-15，1993)中描述了采用四个轧辊的轧制方法。该轧机采用两对互相垂直的轧辊。它们的轧制方法如下导线穿过一对旋转的有一定间距的轧辊，两个附加的轧辊放在导线的两侧，垂直于轧辊，在导线的两边控制轧制过程中导线的形变。通过这种方法能形成有效的织构，但不能提供足够的临界电流密度。(2)提高轧制过程中轧辊与导线之间的摩擦力。
在美国专利US5434130中提出采用这种方法可以提高前驱粉末的密度，从而提高临界电流密度。具体的措施有以下三种1)在轧辊表面增加一层膜，该膜的摩擦系数比轧辊表面的摩擦系数大。
2)在轧制过程中提供给轧辊表面一种覆盖材料。
3)打毛轧辊表面。
第一种措施的缺点是薄膜在轧制过程中有可能变形，影响所轧制的导线的平整性。
第二种措施的缺点就是覆盖材料有可能挥发不完全，残余部分可能污染导线。
第三种措施的缺点就是打毛的轧辊表面在轧制过程中有可能影响所获得的导线的几何精度。(3)半连续的轧制。
辊子的运动轨迹如图4中的虚线所示，其中1为轧辊。它的缺点是压制的不连续性使有的地方压上，而有的地方没压上，且由于辊子的环线运动，加工速度慢。(4)大辊轧机。
这种方法的优点是局部很平，轧制是连续的，但该种方法在实际应用中受到很大的限制，因为通常轧制薄的高温超导带材时采用较小直径的轧辊。采用较小的轧辊直径的主要原因有以下三个方面1)一定直径的轧辊所能轧制工件的厚度存在一个最小值，这主要是因为辊身直径太大时，轧辊的弹性压扁变形也较大。M.D.Stone(《压力加工设备》，1995年，P16，熊及滋，冶金工业出版社)根据轧机上最小可轧厚度的临界条件，推导出轧辊直径的公式D＝0.28Ehmin/f(k-σp)，式中D为轧辊直径，E为轧辊的弹性系数，hmin为带材的最小厚度，f为轧辊与带材间的摩擦系数，k为带材的条件屈服限，σp为平均张力，大小为(T0+T1/2)，T0为后张力，T1为前张力。hmin越小，即轧件越薄，轧辊直径D越小，直径太大的辊身无法轧制很薄的薄板。
2)辊身直径太大时，由于加工精度引起的加工误差较大，从而使辊缝的设定很难精确。当银带的厚度为0.2mm，加工精度为5％时，误差只能为0.01mm，而辊子的直径为400mm，要使误差为0.01mm，精度必须达2.5×10-5，这样的精度在实际加工工艺中是很难达到的。
3)轧机体积大、笨重且价格贵。
所以，在一般的轧制工艺中还存在由于采用常轧辊间距带来的困难，即利用常轧辊间距很难精密地控制轧件的质量。由于进入辊缝的导线的尺寸是不均匀的，这些导线经过同样间距的轧辊轧制时，导线高度小于辊缝间距的将受不到轧辊的压力，导线高度等于辊缝的也几乎受不到轧辊的压力，而导线高度越是大于辊缝间距的，则所受到的轧辊的压力越大。因而，不同尺寸的导线经过常间距的轧辊将受到不同程度的压力，从而产生不同的形变，且由于辊子本身的加工误差也会导致导线经过轧辊受到不同程度的压力。
在实际的轧制工艺中，导线所受的压力F与导线的临界电流Ic之间存在如图7所示的关系，F的波动引起Ic的变化，且存在一个最佳的F值能使Ic达到最大值。由此，可以采用恒压而不是常轧辊间距的方法来制备均匀的超导导线，以使导线获得最大的临界电流，加在导线上的压力采用这个最佳的F值。
本发明的其它目的是分别提供加重式、杠杆式、液压式和弹簧式的恒压型轧机，所述的轧件可以是线状、带状以及其他有两个相对的平面需要扩展的轧件。
本发明的另一目的是提供一种恒压型轧机，所述的轧机能有效地提高轧制精度及轧件的均匀性，消除一般轧制过程中容易出现的香肠效应，特别适宜于高温超导导线的轧制，并且也可以用于其他种类材料的轧制，从而可提高所制备的高温超导导线的电学性能和机械性能。轧件可以是线状、带状以及其他有两个相对的平面需要扩展的轧件。
本发明所述的恒压型轧机，它是利用给轧件施加恒压的方式进行轧制，其工作原理如下导线所受的压力F与导线的临界电流Ic之间存在如图7所示的关系，F的波动引起Ic的变化，且存在一个最佳的F值能使Ic达到最大值。因此，可以采用恒压方法，而不是常轧辊间距的方法来制备均匀的超导导线，以使导线获得最大的临界电流，加在导线上的压力采用图7中所示的最佳的F值。
恒压型轧机的轧辊间距不是定值，可在一定范围内波动。另外，一般轧制薄的高温超导带材时轧辊直径较小，其原因主要有以下三个方面一、太大的辊身无法轧制很薄的薄板；二、辊身直径太大时，由于其加工精度引起的加工误差较大，从而使辊缝的设定很难精确；
三、轧辊直径太大的轧机体积大、笨重且价格贵。
所以，轧制薄的带材需用小直径的轧辊。但是，在制备高温超导导线(即，线材)中，通常要选择大直径的轧辊，这将使所轧制的导线尺寸的精度受到很大的影响。因而，在本发明的轧制高温超导导线的过程中，提出采用一种盘状的具有较小辊身长度轧辊的盘状辊恒压型轧机。因为盘状辊的辊身比较窄，即辊身的长度较小，所以加工导线时辊缝的精度较易控制，因此同样直径、同样材料的辊子能压更薄的导线，并且盘状辊轧机的价格较便宜。
所述恒压型轧机中所使用的辊子的直径D与长度L之间的比例D/L＞1，辊子的直径D可以选用200～800mm，辊身的长度为5～150mm，如在轧制过程中采用这种盘状辊恒压型轧机将会得到更好的轧制效果。
在本发明的盘状辊恒压型轧机中，通常使用的提供恒压的方式可以有以下几种(1)压重式加恒压如图8所示，对需要加恒压的动轴5提供支撑系统4，并根据需要通过支撑系统4在所述的动轴5上施加一定量的重物3，从而使导线受到恒压。所述的压重式恒压型轧机如图8所示，所述的轧机包括上辊1和下辊2，上辊1绕支撑它的动轴5转动，该轴不是定轴而是动轴，其位置能在很小的范围内波动，下辊2绕支撑它的定轴6转动，该轴为定轴。在轧制开始时，两辊之间有一定的距离，两轴互相平行，在轧制过程中随着轧件7的波动该距离会有微量的波动，两个轧辊安装在两个支撑架8、9上，辊子的直径为D，长度为L。
该轧机主要有以下优点1)能很好地消除一般轧制过程中容易出现的香肠效应，获得的导线几何尺寸均匀、平整。
2)能优化导线的晶粒取向，增加致密度，提高导线的电学性能和机械性能。
3)设备结构简单，维护操作容易。
(2)杠杆式加恒压如图9所示，用杠杆加重物于上轴，从而使导线受到恒压。如图9所示的杠杆式加恒压轧机，包括上辊1和下辊2，上辊1绕上面的动轴5转动，该轴不是定轴，其位置能在很小的范围内波动，下辊2绕下面的定轴6转动，该轴为定轴，两个轧辊安装在两个支撑架8、9上，辊子的直径为D，长度为L。两轴在同一个平面上，支撑系统4支撑在动轴5上，并利用加重杠杆3通过支撑系统4对动轴5加重W，杠杆的支撑点为支撑系统4的支撑面的中心，该点与上辊1的重心和导线的重心在同一直线上。在轧制开始时，两辊1和2之间有一定的距离，两轴互相平行，在轧制过程中该距离会有微量的波动，但在整个轧制过程中导线受到的压力恒定。
该轧机主要有以下优点(1)能很好地消除一般轧制过程中容易出现的香肠效应，获得的导线几何尺寸均匀、平整。(2)能优化导线的晶粒取向，增加致密度，提高导线的电学性能和机械性能。(3)系统结构简单，所加重物的重量易于调节，维护操作容易。
(3)液压式加恒压如图10所示的液压式恒压型轧机，由液压加压装置3通过支撑系统4向下对动轴5加压，从而使导线7受到恒压加压。所述的液压式恒压型轧机包括上辊1和下辊2，上辊1绕上面的动轴5转动，该轴不是定轴，其位置能在很小的范围内波动，下辊2绕下面的定轴6转动，该轴为定轴，两个轧辊1和2分别通过动轴5和定轴6安装在两个支撑架8和9上，轧辊的直径为D，长度为L。在轧制开始时，两辊之间有一定的距离，两轴互相平行，在轧制过程中该距离会有微量的波动，但轧制压力保持恒定。
本轧机主要具有以下优点(1)很好地消除一般轧制过程中容易出现的香肠效应，获得的导线几何尺寸均匀、平整。(2)能优化导线的晶粒取向，增加致密度，提高导线的电学性能和机械性能。(3)系统结构简单，所加压力易于调节，维护操作容易。
(4)弹簧式加恒压如图11所示，所述的加弹簧式恒压型轧机利用弹簧3施弹力于动轴5，从而使导线7受到恒压。这种方法的特点是，虽然在动轴5上所加的不是恒压，但接近恒压。所述的加弹簧式恒压型轧机包括上辊1和下辊2，上辊1绕上面的动轴转动，该轴是动轴，其位置能在很小的范围内波动，下辊2绕下面的定轴转动，该轴为定轴，两个轧辊1和2通过轴5和6安装在两个支撑架8和9上，轧辊的直径为D，长度为L。两个轴5和6在同一个平面上，通过支撑系统4利用位于支撑系统4和支撑架8之间的弹簧3对上面的动轴施加一定量的弹力。在轧制开始时，两辊1和2之间有一定的距离，两轴互相平行，在轧制过程中，该距离会有微量的波动，弹簧的硬度和刚度需适宜，以保证施加给动轴5的压力只在一定的范围内波动。
该轧机主要有以下优点(1)能很好地消除一般轧制过程中容易出现的香肠效应，获得的导线几何尺寸均匀、平整。(2)能优化导线的晶粒取向，增加致密度，提高导线的电学性能和机械性能。(3)系统结构简单，所加弹簧的弹力易于调节，维护操作容易。
对于在不偏离本发明所述的恒压型轧机以及所述的加恒压的各种方式和从属的权利要求所述的精神和范围下，本技术领域的普通技术人员所作出的各种变动和修改均属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种新型轧机，其特征在于它包括一对轧辊、带动所述的轧辊转动的相应的轴、支撑所述轴的支撑架以及驱动所述轴转动的驱动装置，还包括配重及支撑配重的支撑系统；在所述的轴中一个是动轴，一个是定轴；被轧制物置于轧辊对之间进行轧制，轧辊之间的距离可在一定范围内变化，在轧制过程中被轧制物受到恒定或近恒定的轧制压力。
2.如权利要求1所述的轧机，其特征是，所述的恒压型轧机包括上辊(1)和下辊(2)，上辊(1)绕支撑它的动轴(5)转动，下辊(2)绕支撑它的定轴(6)转动，动轴(5)和定轴(6)互相平行，两个轧辊通过相应的轴安装在两个支撑架(8、9)上；通过支撑系统(4)在动轴(5)上加一定量的重物(3)，在轧制开始时，两辊之间有一定的距离，在轧制过程中随着轧制物的波动该距离会有微量的变化，但轧制物在轧制过程中受到的压力恒定。
3.如权利要求1所述的轧机，其特征是，所述的恒压型轧机包括上辊(1)和下辊(2)，所述的上辊(1)绕动轴(5)转动，所述的下辊(2)绕定轴(6)转动，两轴(5)和(6)互相平行，所述的两个轧辊分别通过动轴和定轴安装在两个支撑架(8、9)上，由杠杆系统(3)通过支撑系统(4)加重物W于动轴(5)上，从而使轧件(7)受到恒压，杠杆的支撑点为支撑系统(4)的支撑面的中心，该点、上辊(1)的重心和轧制物的重心在同一直线上，在轧制开始时，两辊(1)和(2)之间有一定的距离，在轧制过程中该距离会有微量的波动，但轧制物在轧制过程中受到的压力恒定。
4.如权利要求1所述的轧机，其特征是，所述的恒压型轧机包括上辊(1)和下辊(2)，上辊(1)绕动轴(5)转动，其位置能在很小的范围内波动，下辊(2)绕定轴(6)转动，两轴互相平行，两个轧辊(1)和(2)分别通过动轴(5)和定轴(6)安装在两个支撑架(8)和(9)上，由液压加压装置(3)通过支撑系统(4)向下对动轴(5)加压，从而使轧制物受到恒定压力，在轧制开始时，两辊之间有一定的距离，两轴互相平行，在轧制过程中该距离会有微量的波动，但轧制压力保持恒定。
5.如权利要求1所述的恒压型轧机，其特征是，所述的恒压型轧机包括，上辊(1)和下辊(2)，上辊(1)绕动轴(5)转动，其位置能在很小的范围内波动，下辊(2)绕定轴(6)转动，两轴互相平行，两个轧辊(1)和(2)通过轴(5)和(6)安装在两个支撑架(8)和(9)上，通过支撑系统(4)利用位于支撑系统(4)和支撑架(8)之间的弹簧(3)对动轴(5)施加一定量的弹力，从而使轧制物受到近恒定的压力，在轧制开始时，两辊(1)和(2)之间有一定的距离，在轧制过程中，该距离会有微量的波动，但轧制物受到的压力接近恒定，弹簧需有适宜的硬度和刚度，以保证施加给动轴5的压力只在一定的范围内波动。
6.根据权利要求1-5所述的恒压型轧机，其特征在于用于高温超导导线(BSCCO)的轧制。
7.根据权利要求1-6所述的恒压型轧机，其特征在于轧辊采用盘状(D/L＞1)，且辊子的直径D可以选用200～800mm，辊身的长度L为5～150mm。
8.根据权利要求1-5所述的恒压型轧机，其特征在于恒压的压力为5-5000kg。
全文摘要
本发明涉及一种新型轧机。它包括一对轧辊、带动所述的轧辊转动的相应的轴、支撑所述轴的支撑架以及驱动所述轴转动的驱动装置，还包括配重及支撑配重的支撑系统。在所述的轴中一个是动轴，一个是定轴。所述的超导导线置于轧辊对之间进行轧制，在轧制过程中材料受到恒定或近恒定轧制压力。所述的轧机可以均匀、平整地轧制超导导线包括薄的带材或线材，可提高超导导线的综合性能。
文档编号B21B27/02GK1400064SQ0112387
公开日2003年3月5日 申请日期2001年8月8日 优先权日2001年8月8日
发明者韩征和 申请人:北京英纳超导技术有限公司