專利名稱：熔劑活化法銅包鋼線材熱浸鍍工藝及其裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種高強度且導電性能良好的銅包覆鋼絲的雙金屬復合導線制備技術，特別適用于需高強度、自承重和良好的接線功能的電纜。
銅包鋼線材是以鋼絲作為芯體，通過冶金、機械或電化學等方法在其上包覆一層銅，是一種金屬基芯包銅復合材料。從六十年代開始，國外先后開發(fā)出電鍍法、鑄造法、銅帶壓接法、焊接包覆法、套管包覆法等銅包鋼生產技術。目前，國內生產廠家多采用電鍍法，但電鍍法存在耗電大、鍍層與基體的結合較差、難以獲得厚鍍層、生產率低、場地利用率低等不足，特別是電鍍廢液對環(huán)境有污染，易造成公害。八十年代，日本、德國、美國等發(fā)達國家先后開發(fā)出熱浸鍍法生產銅包鋼線材，它克服了電鍍的“三廢”污染，銅包覆層厚，且生產率和場地利用率都很高。但由于銅包鋼熱浸鍍全都采用氣體還原工藝，它存在設備投資大，生產成本高的不足，不利于在中、小型企業(yè)推廣應用。
本發(fā)明目的是研制一種無污染、短流程、鍍層后、低成本、高效率的銅包鋼線材熱浸鍍工藝及其裝置。
本發(fā)明的熔劑活化法熱浸鍍銅是將凈化的鋼絲浸涂助鍍劑水溶液后，經烘干，除去水分后，再自下而上引入帶有反向結晶器的保溫電爐，銅液在鋼絲上附著凝固的熱浸鍍工藝過程。由于銅的熔點較高(1083℃)，因而需選擇高熔點的助鍍劑，否則助鍍劑會提前熔化、分解，起不到應有的保護作用，鋼絲表面又被重新氧化。本助鍍劑選用了高熔點材料，以硼砂和無水碳酸鈉為主要成分，并添加氯化物和氟化物。助鍍劑成分及配比分別為45％～50％硼砂，6％～8％NaCl，2％～4％Na3AlF6，4％～7％CuCl2，1％～3％NaF，其余為無水碳酸鈉。硼砂和無水碳酸鈉在熱浸鍍前保護已凈化的鋼絲表面，在熱浸鍍時熔化、揮發(fā)分解，上浮至液面。NaCl、Na3AlF6、CuCl2的熔點較低，在助鍍劑中主要起活化和促進溶劑分解的作用，使硼砂和無水碳酸鈉能在短時間內迅速熔化和揮發(fā)分解，確保鋼絲表面清潔、熔劑完全分解，同時增加鋼絲表面的活性。NaF為表面活性劑，它能降低鋼絲與銅液的表面張力，改善銅液的潤濕性，從而提高銅鍍層與芯體的結合力。將助鍍劑熔制成塊狀固體，再研磨成粉末后，配制4～10wt.％的助鍍劑水溶液，作為銅包鋼熱浸鍍用助鍍劑。
本發(fā)明中鋼絲表面預處理包括堿洗、酸洗、水洗等工藝，堿洗可去除油污，酸洗可去除鐵銹，水洗則去除殘留的堿液和酸液。
紫銅在熔煉時，極易吸氧，產生大量溶于銅液的氧化亞銅，這會導致銅鍍層導電性能的大幅度降低。為提高銅液的純度，需進行脫氧和精煉。脫氧劑采用0.005％～0.01％的磷、0.003％～0.007％的鋰和0.01％～0.015％的富Ce稀土。精煉劑為堿性鹽，由于堿性鹽與酸性氧化物夾雜形成低熔點的復鹽，這些復鹽不僅熔點低，而且比重小，易于聚集和上浮，而被排除掉。堿性鹽的組分及配比為30％～50％的蘇打、25％～40％碳酸鈣、其余為螢石。
銅液經脫氧和精煉后，為了細化鍍層銅的晶粒，改善銅鍍層的晶界組織，降低銅液的表面張力，并改善銅包鋼線材導電性能和鍍層與基體結合力，添加了微量元素。添加的微量元素為鋅、錫、鋯、硅和微量富鈰稀土，添加元素的總量為0.1％左右，添加量為0.01％～0.02％鋅、0.01％～0.015％錫、0.005％～0.01％鋯、0.005％～0.01％硅、0.02％～0.03％富鈰稀土。
凈化的鋼絲經浸涂4～10wt.％的助鍍劑水溶液后，經烘干，除去熔劑層中的水分，在表面形成一層致密的熔劑層，它可防止已凈化的鋼絲重新氧化，并可進一步除去酸洗后殘余的鐵鹽和酸洗反應產物的殘渣。在熱浸鍍時，此熔劑層受熱揮發(fā)或溶解上浮，從而使新鮮的鋼絲表面與熔融金屬直接接觸，并發(fā)生擴散反應，從而實現銅液對鋼絲的鍍覆。
鋼絲從保持熔融銅液的反向結晶器的下側垂直向上通過銅液，銅液在鋼絲上附著凝固。該工藝使鋼絲與銅液的接觸時間大大縮短，生產效率和鍍層質量大幅度提高。反向結晶器內襯采用石墨材料，銅液對其浸潤性很低。熱浸鍍工藝參數的選擇對鍍層厚度的調節(jié)起關鍵作用。隨鋼絲浸入時間的增加，初始銅鍍層附著比迅速增加，達到最大值后，隨浸入時間的增加附著比反而降低，因而浸入時間一般在0.05～1.0秒之間。銅液過熱溫度升高，附著比隨浸入時間變化的曲線下降，即附著比降低。銅液溫度不同，但銅鍍層的附著比隨浸入時間的延長，先增加，后降低。銅液溫度越高，重熔發(fā)生的時間越短，因而銅液溫度一般在1130～1280℃之間，保溫過程是為了保證銅液處于恒定的溫度，銅液的溫度直接影響銅包鋼線材的鍍層厚度。鋼絲的預熱會降低銅附著比，但會使鍍層表面光滑、減少漏鍍，鋼絲預熱溫度在550～800℃之間。熱浸鍍后的鋼絲需快速冷卻，否則銅包鋼表面會形成大量的氧化皮，并影響線材的導電性能。
下面根據附圖對本發(fā)明作詳細敘述。

圖1給出銅包鋼線材熱浸鍍工藝及裝置示意圖。1為放線架，2為鋼絲，3為堿洗槽，4為水洗槽，5為酸洗槽，6為水洗槽，7為助鍍槽，8為烘干箱，9為感應預熱，10為反向結晶器，11控溫儀表，12為保溫電爐，13為銅熔化爐，14為冷卻器，15為銅包鋼復合線材，16為收線架。鋼絲預處理設備包括放線架、堿洗槽、水洗槽、酸洗槽、助鍍槽、烘干箱，它們采取直線型依次排列；銅熔煉爐和保溫電爐要就近放置，并通過澆道連接；感應預熱裝置、熱浸鍍用反向結晶器和冷卻器采用自下而上的垂直排列方式；控溫儀表測量的是反向結晶器內的銅液溫度；收線設備則可充分利用空間，使其布局合理、緊湊。銅包鋼線材生產過程為鋼絲首先進入堿洗槽，然后進行水洗、酸洗、水洗、助鍍處理、烘干；銅熔化后，在熔煉爐中依次進行脫氧、精煉、添加微量元素，此后將銅液澆入保溫爐中，反向結晶器與保溫爐連通，當結晶器中的熱電偶顯示溫度達到要求時，鋼絲經高頻感應預熱后，從反向結晶器的底部垂直進入銅液，以很短的時間穿過銅液，隨即從結晶器的上部引出，最后經高速冷卻后得到銅包鋼線材。
銅包鋼復合線材在通訊、能源、交通、電子等行業(yè)獲得廣泛的應用，它可作為銅的代用材料，大大節(jié)省了銅的用量，并且它綜合了銅和鋼兩種金屬的優(yōu)良性能，兼有銅的優(yōu)異的耐蝕性能、導電性能及鋼的高強度性能。本發(fā)明首次提出銅包鋼熱浸鍍的熔劑活化法，并研制出一種新型的熱浸鍍銅用助鍍劑。利用該技術生產的銅包鋼線材綜合性能遠超過用電鍍法生產的產品。該技術是一種無污染、短流程、低成本、高效率的銅包鋼線材生產方法，它將有利于銅包鋼線材的推廣應用。
實施例Φ6.0mm鋼絲經堿洗、酸洗凈化后，浸入5～6wt.％的助鍍劑水溶液中。助鍍劑的配方為45％～50％硼砂，6％～8％NaCl，2％～4％Na3AlF6，4％～7％CuCl2，1％～3％NaF，其余為無水碳酸鈉。浸涂助鍍劑后，烘干。紫銅在熔煉時，采用0.005％的磷、0.003％的鋰與0.01％的富Ce稀土相結合的方法進行脫氧；采用35％～40％蘇打、30％～35％碳酸鈣、其余為螢石進行精煉；添加的微量元素為0.01％～0.02％鋅、0.01％～0.015％錫、0.005％～0.01％鋯、0.005％～0.01％硅、0.02％～0.03％富鈰稀土。鋼絲在650±10℃預熱后，浸入1175±5℃的銅液中，浸入時間為0.3秒，經快速冷卻后，得到銅包鋼復合線材。其性能指標為銅鍍層厚度1.05mm，導電率為49％IACS。
權利要求
1．熔劑活化法銅包鋼熱浸鍍工藝包括堿洗、酸洗、水洗、助鍍、烘干工藝，在銅熔化爐中分別加入脫氧劑、精煉劑和微量添加元素，銅熔化爐通過澆道與帶反向結晶器的保溫電爐連接，其特征在于預處理后的鋼絲經高頻感應預熱，自下而上垂直進入反向結晶器，引出后再通過冷卻器快冷；助鍍劑的成分和配比(重量百分比)為45％～50％硼砂，6％～8％NaCl,2％～4％Na3AlF6，4％～7％CuCl2，1％～3％NaF，其余為無水碳酸鈉，將助鍍劑熔制成塊狀固體，再研磨成粉末后，配制4～10wt.％的助鍍劑水溶液。
2．根據權利要求1所述的熔劑活化法銅包鋼線材熱浸鍍工藝，其特征在于所述的脫氧劑的成分和配比(重量百分比)為0.005％～0.01％的磷、0.003％～0.007％的鋰和0.01％～0.015％的富鈰稀土。
3．根據權利要求1所述的熔劑活化法銅包鋼線材熱浸鍍工藝，其特征在于所述的精煉劑的成分和配比(重量百分比)為30％～50％的蘇打、25％～40％碳酸鈣、其余為螢石。
4．根據權利要求1所述的熔劑活化法銅包鋼線材熱浸鍍工藝，其特征在于銅液經脫氧、精煉后，再加入以下微量元素0.01％～0.02％鋅、0.01％～0.015％錫、0.005％～0.01％鋯、0.005％～0.01％硅、0.02％～0.03％富鈰稀土。
5．根據權利要求1所述的熔劑活化法銅包鋼線材熱浸鍍工藝，其特征在于所述的反向結晶器內襯采用石墨材料；保溫電爐中銅液溫度為1130～1280℃；鋼絲通過反向結晶器的的浸入時間為0.05～1.0秒。
全文摘要
本發(fā)明熔劑活化法銅包鋼線材熱浸鍍工藝及其裝置,通過對鋼絲表面預處理,并采用以硼砂、無水碳酸鈉、NaCl、Na
文檔編號C23C2/04GK1300868SQ9912044
公開日2001年6月27日 申請日期1999年12月23日 優(yōu)先權日1999年12月23日
發(fā)明者吳佑實, 張 林, 倫寧, 石元昌, 方梅仙, 李景國 申請人:山東工業(yè)大學