一种低成本制备单晶铜丝的装置及方法与流程

1.本发明属于单晶铜丝制备技术领域，尤其涉及一种低成本制备单晶铜丝的装置及方法。


背景技术：

2.单晶金属丝由于消除了金属晶体的晶界缺陷，极大地提高了导线的延伸率、导电性能及信号传输性能，技术上具有广阔的应用前景。特别是单晶铜丝，其电阻率较普通铜丝低30%以上，若应用到高速电机、发电机、变压器等领域，将产生极大的节能效果，极大地降低碳排放量。而目前在我国电力行业的碳排放已占总排放量的41%之多，主体系列电机的平均运行效率仅为 87.6%，若全部采用单晶铜线作为线圈材料，将电机效率提升到 90%，每年可减少二氧化碳排放约1亿吨，节能减排效果十分显著。
3.然而，传统制备方法制备的单晶铜丝是普通铜丝成本的10倍以上，是限制单晶铜丝大规模应用的主要原因。传统的单晶铜丝是先采用单晶连铸技术铸成直径为 6～8 mm单晶铜棒，然后通过多道次拉拔、退火等工序制成0.25～2 mm单晶铜丝。该方法由于采用了较大的坩埚对几十公斤到几百公斤的铜进行熔化，在数十小时的单晶铜棒的制备过程中需要消耗大量的电能维持坩埚内金属液的温度，同时在多道次的拉拔和退火过程中依然需要消耗大量的能源和人工成本，而且单晶铜棒在拉拔过程中由于会在晶体中积累大量位错等晶体缺陷，在后续的热处理过程中十分容易造成再结晶，从而使得单晶铜变成普通的多晶铜丝，导致单晶铜丝的成品率极低，由此使得单晶铜丝的成本十分高昂。
4.为了解决上述问题，现有技术中有的采用小坩埚熔化20~30ml铜液进行单晶铜丝连续拉拔，理论上可实现无限长的单晶铜丝，部分解决了高能耗及后续拉拔造成的再结晶问题。然而，当拉制超细导线时，由于金属液表面张力的影响金属液不能顺利流到石墨铸型中，需通过送丝系统的作用在坩埚中产生压力使得金属液流向石墨铸型，这就需要送丝系统和拉丝系统的速度要严格匹配，同时向坩埚送料的铜丝与坩埚、坩埚与石墨铸型、石墨铸型与冷指之间需要高的密封性能，稍有磨损或者送丝速度不匹配，便可能导致金属液喷溅从而使单晶铜丝拉丝失败，中断生产，维修及中断生产带来的时间成本很高。也有的方案采用稍大的坩埚，铸型口在坩埚底部，金属液采用液面高度差的方式通过重力充填铸型，虽可解决送丝速度不匹配及喷溅的问题，但是坩埚中金属液太少，液面高度太低，在拉制超细单晶铜丝时，金属液面高度产生的重力压头不足以抵消铸型与金属液之间的表面张力，金属液向铸型流动十分困难，拉丝过程依然非常困难，失败率极高。现有另一种解决方案是通过感应线圈加热石墨铸型，通过石墨铸型加热金属液，由于铸型较大，铸型在高温状态下通过热辐射对外散失大量的热量，能量利用率不高，成本也较高，虽然解决了金属液向铸型顺利流动的问题，但又回到了采用大坩埚保温大量金属的传统单晶拉制方法，能耗非常高，成本难以控制。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明提供了一种不需要使用坩埚及石墨铸型、大幅降低生产过程的能耗、提高单晶铜丝特别是ф 0.1~ф2mm细丝及超细丝的拉丝成功率的制备单晶铜丝的装置及方法，可大幅降低单晶铜丝的生产成本。
6.本发明具体通过以下技术方案来实现：本发明第一方面提供一种低成本制备单晶铜丝的装置，包括送料机构、单晶铜生长机构、冷却机构及收料机构；所述送料机构用于将连接有籽晶的普通铜丝校直及输送至所述单晶铜生长机构内，所述籽晶为一段单晶铜丝；所述单晶铜生长机构包括单匝线圈、隔热挡板及耐热保护套，所述隔热挡板置于所述单晶铜生长机构靠近所述冷却机构的一侧，所述隔热挡板上开设第一通孔，所述耐热保护套内形成封闭的空腔，所述铜丝依次通过所述空腔及所述第一通孔，且初始状态所述籽晶置于所述单匝线圈的中心处，启动单匝线圈的加热功能，能够在所述铜丝通过所述单匝线圈的中心处形成一个尺寸与所述铜丝直径相当的熔池，所述隔热挡板将所述熔池辐射的光和热隔离在所述熔池一边（避免了对温度梯度造成的影响），使单晶铜在所述熔池处稳定向前生长；所述冷却机构用于在所述冷却机构及所述熔池之间形成高的温度梯度及冷却单晶铜丝；所述收料机构用于将冷却后的所述单晶铜丝抛光并进行收卷。
7.作为本发明的进一步说明，所述耐热保护套上设置充气管，所述充气管用于向所述空腔内充入惰性保护气体。
8.作为本发明的进一步说明，所述单晶铜生长机构还包括红外测温仪，所述红外测温仪用于测定所述熔池的温度，所述熔池的温度控制在1190~1350℃。
9.作为本发明的进一步说明，所述耐热保护套包括石英保护管及端盖；所述端盖及所述隔热挡板分别连接在所述石英保护管的两端，从而形成所述封闭的空腔；所述单匝线圈紧贴所述隔热挡板，所述端盖上还开设用于通过所述铜丝的第一通孔。
10.作为本发明的进一步说明，所述送料机构包括放线装置和送料导轮；所述放线装置用于卷装连接有籽晶的铜丝，所述送料导轮用于将所述放线装置输出的所述铜丝校直及输送至所述单晶铜生长机构内。
11.作为本发明的进一步说明，所述冷却机构包括通入冷却水的冷却水管，沿所述冷却水管径向开设一组第二通孔，所述单晶铜丝沿所述冷却水管径向通过所述第二通孔输出；所述冷却水管中通入的所述冷却水流量控制在300~1000ml/min，冷却水温度为20~30℃。
12.作为本发明的进一步说明，所述收料机构包括收线装置、抛光轮组及牵引导轮；所述牵引导轮用于将冷却后的所述单晶铜丝牵引出；所述抛光轮组用于对牵引出的所述单晶铜丝抛光减径；所述收线装置用于对抛光后的所述单晶铜丝进行收卷。
13.本发明第二方面提供一种低成本制备单晶铜丝的方法，所述方法采用上述的低成
本制备单晶铜丝的装置进行实施，包括：在普通铜丝的端头连接一段单晶铜丝作为籽晶，然后在所述单晶铜丝的另一端连接一段普通铜丝作为牵引段；将连接好所述籽晶和所述牵引段的铜丝依次通过送料机构、单晶铜生长机构、冷却机构及收料机构，使作为籽晶的所述单晶铜丝置于单匝线圈的中心处；启动冷却机构进行冷却，然后启动单匝线圈加热铜丝，并将熔池温度控制在1190~1350℃；启动送料机构和收料机构，进行单晶铜丝的生长及拉制。
14.作为本发明的进一步说明，在启动单匝线圈加热铜丝之前，还包括：向耐热保护套的空腔内通入惰性保护气体，在所述耐热保护套中形成微正压。
15.还需要说明的是，一卷铜丝拉制完成后，首先关闭送料机构和收料机构，然后关闭单匝线圈加热功能，最后关闭惰性气体的通入及关闭冷却机构，得到整卷的所述单晶铜丝。
16.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：本发明去除了传统单晶连铸设备的坩埚及石墨铸型，节约了大量的电能，且在熔池与冷却水管间设置了隔热挡板，避免了对温度梯度造成的影响，大大提高了单晶铜丝的拉丝成品率，在普通铜丝的基础上制成单晶铜丝，成本仅为普通铜丝的1.2-1.5倍，该成本可以将单晶铜丝推广到电机、变压器等国民经济基础设备中，可产生重大的经济效益及节能减排的社会效益。
附图说明
17.图1和图2是本发明提供的低成本制备单晶铜丝的装置的结构示意图。
18.附图标记：1-铜丝；100-送料机构、2-送料导轮、14-放线装置；200-单晶铜生长机构、201-耐热保护套、3-端盖、4-石英保护管、5-充气管，6-熔池，7-单匝线圈、8-隔热挡板、11-红外测温仪、16-第一通孔；300-冷却机构、9-冷却水管、10-橡胶密封圈、17-第二通孔；400-收料机构、12-牵引导轮、13-抛光轮组、15-收线装置。
具体实施方式
19.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
20.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一
个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
22.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
23.下面将结合具体实施例对本发明的技术方案加以解释。
24.如图1和2所示，提供一种低成本制备单晶铜丝的装置，包括送料机构100、单晶铜生长机构200、冷却机构300及收料机构400；所述送料机构100用于将连接有籽晶的普通铜丝校直及输送至所述单晶铜生长机构200内，所述籽晶为一段单晶铜丝；所述单晶铜生长机构200包括单匝线圈7、隔热挡板8及耐热保护套201，所述隔热挡板8置于所述单晶铜生长机构200靠近所述冷却机构300的一侧，所述隔热挡板8上开设第一通孔16，所述耐热保护套201内形成封闭的空腔，所述铜丝依次通过所述空腔及所述第一通孔16，且初始状态所述籽晶置于所述单匝线圈7的中心处，启动单匝线圈7的加热功能，能够在所述铜丝通过所述单匝线圈7的中心处形成一个尺寸与所述铜丝直径相当的熔池6，所述隔热挡板8将所述熔池6辐射的光和热隔离在所述熔池6一边，使单晶铜在所述熔池6处稳定向前生长；所述冷却机构300用于在所述冷却机构300及所述熔池6之间形成高的温度梯度及冷却单晶铜丝；所述收料机构400用于将冷却后的所述单晶铜丝抛光并进行收卷。
25.本发明去除了传统单晶铜丝制备过程中的坩埚及石墨铸型，没有石墨铸型的约束，使用普通工艺拉制成型并绕制成卷的铜丝1，并连接一段等直径的单晶铜丝作为引晶段（籽晶），使用单匝线圈7的加热功能，在铜丝通过单匝线圈7处形成一个尺寸与铜丝直径相当的熔池6，熔池6在铜液表面张力的作用下紧贴在普通铜丝与单晶铜丝的端头上，在铜丝1前进方向冷却机构300作用下，同时隔热挡板8将熔池6辐射的光和热隔离在熔池6一边，避免了对温度梯度造成的影响，在熔池6与冷却机构300之间形成稳定的高温度梯度，引晶段的单晶铜在熔池6处稳定向前生长并在收料机构400的作用下不断向后移动，送料机构100将普通铜丝不断送到单匝线圈7形成的熔池6处，送料速度与牵引速度恒定相等，形成一个稳定的单晶铜细丝的拉丝系统。
26.进一步的，上述单匝线圈7外接中频电源，从而能够实现单匝线圈7的通电加热功能。
27.在一种可实现方式中，如图2所示，所述送料机构100包括放线装置14和送料导轮2；所述放线装置14用于卷装连接有籽晶的铜丝1，所述送料导轮2用于将所述放线装置14输出的所述铜丝校直及输送至所述单晶铜生长机构200内。
28.在一种可实现方式中，如图2所示，所述耐热保护套201包括石英保护管4及端盖3；所述端盖3及所述隔热挡板8分别连接在所述石英保护管4的两端，从而形成所述封闭的空腔；所述单匝线圈7紧贴所述隔热挡板8，所述端盖3上还开设用于通过所述铜丝的第一通孔16。
29.其中，端盖3可以是石英玻璃或者陶瓷；隔热挡板8优选采用陶瓷材料制成，其将熔池6辐射的光和热隔离在熔池6一边，不对熔池6与冷却机构300之间的铜丝的温度梯度造成影响，从而在熔池6与冷却机构300之间形成稳定的高温度梯度。第一通孔16的直径比铜丝1直径大0.1~0.2mm，从而使生长好的单晶铜丝顺利通过且不产生大量漏光现象，影响温度梯度。
30.进一步的，所述耐热保护套201上设置充气管5，所述充气管5用于向所述空腔内充入惰性保护气体；所述保护气体对高温的熔池6进行保护，保护气体可以是氮气、氩气等惰性气体。
31.所述单晶铜生长机构200还包括红外测温仪11，所述红外测温仪11用于测定所述熔池6的温度，使所述熔池6的温度能够精确控制在1190~1350℃。
32.在一种可实现方式中，如图2所示，所述冷却机构300包括通入冷却水的冷却水管9，沿所述冷却水管9径向开设一组第二通孔17，所述单晶铜丝沿所述冷却水管9径向通过所述第二通孔17输出。冷却水管9可以由石英管或则铜管制成，第二通孔17上设置橡胶密封圈10进行密封，防止冷却水泄漏。
33.在一种可实现方式中，如图2所示，所述收料机构包括收线装置15、抛光轮组13及牵引导轮12；所述牵引导轮12用于将冷却后的所述单晶铜丝牵引出；所述抛光轮组13用于对牵引出的所述单晶铜丝抛光、减径；所述收线装置15用于对抛光后的所述单晶铜丝进行收卷。
34.由于拉制的单晶铜丝可能出现竹节状的细微尺寸起伏，因此在该装置的后端设置抛光轮组13，拉制成型的单晶细丝在抛光轮组13中减径0.01mm左右，形成表面光亮、直径均匀的单晶铜丝。抛光轮磨削下来的铜颗粒通过收集回收，可以进一步降低单晶铜丝的生产成本。进一步的，根据拉丝直径的大小，抛光轮组13可设置2~4组以提高抛光效率及精度。
35.本发明还提供一种低成本制备单晶铜丝的方法，所述方法采用上述的低成本制备单晶铜丝的装置进行实施，包括：在普通铜丝1的端头连接一段单晶铜丝作为籽晶，然后在所述单晶铜丝的另一端连接一段普通铜丝作为牵引段；将连接好所述籽晶和所述牵引段的铜丝依次通过送料机构100、单晶铜生长机构200、冷却机构300及收料机构400，使作为籽晶的所述单晶铜丝置于单匝线圈7的中心处；启动冷却机构300进行冷却，然后启动单匝线圈7加热铜丝，并将熔池6温度控制在1190~1350℃；启动送料机构100和收料机构300，进行单晶铜丝的生长及拉制。
36.进一步的，在启动单匝线圈7加热铜丝之前，还包括：向耐热保护套201的空腔内通入惰性保护气体，在所述耐热保护套201中形成微正压。
37.更进一步的，一卷铜丝拉制完成后，关闭送料机构100和收料机构400，关闭单匝线圈7的加热功能，最后关闭惰性气体的通入及关闭冷却机构300，得到整卷的所述单晶铜丝。
38.在一种可实现方式中，上述低成本制备单晶铜丝的方法，包括以下步骤：一、采用成卷的普通铜丝1，在端头先焊接一段5~15mm单晶铜丝作为籽晶，再在单晶铜丝的另一端焊接一段普通铜丝作为牵引段；二、将焊接了籽晶和牵引段的铜丝卷装入放线装置14中，牵引段铜丝依次通过送
料导轮2、石英保护管4、单匝线圈7、隔热挡板8、冷却水管9、牵引导轮12、抛光轮组13及收线装置15，调整放线装置14及收线装置15，将作为籽晶的单晶铜丝置于单匝线圈7中心处；三、调整隔热挡板8与冷却水管9之间的距离，距离控制在4~20mm；四、开启氩气阀门，向石英保护管4内通入保护惰性保护气体，在石英保护管4中形成微正压，开启冷却水阀门，使冷却水管9中的冷却水流量控制在300 ~1000ml/min，冷却水温度20~30℃；五、开启中频电源，加热铜丝，通过红外测温仪11测定熔池6温度，根据拉丝速度及铜丝直径调整中频电源功率，将熔池6温度控制在1190~1350℃，若铜丝直径在0.1~2 mm之间，中频电源功率为500 ~2000 w；六、启动放线装置14、送料导轮2、牵引导轮12、收线装置15及抛光轮组13，设定拉丝速度在100 ~2000 mm/min进行单晶铜丝生长及拉制；一卷铜丝拉制完成时，关闭放线装置14、收线装置15、抛光轮组13、送料导轮2及牵引导轮12，关闭单匝线圈7的中频电源，最后关闭惰性气体及冷却水，得到整卷单晶铜丝。
39.实施例1采用附图2提供的装置制备ф0.1 mm单晶铜超细丝，包括以下步骤：一、采用成卷的普通铜丝1，在端头先焊接一段5mm单晶铜丝作为籽晶，再在单晶铜丝的另一端焊接一段普通铜丝作为牵引段；二、将焊接了籽晶和牵引段的铜丝卷装入放线装置14中，牵引段铜丝依次通过送料导轮2、石英保护管4、单匝线圈7、隔热挡板8、冷却水管9、牵引导轮12、抛光轮组13及收线装置15，调整放线装置14及收线装置15，将作为籽晶的单晶铜丝置于单匝线圈7中心处；三、调整隔热挡板8与冷却水管9之间的距离，距离控制在4mm；四、开启氩气阀门，向石英保护管4内通入保护惰性保护气体，在石英保护管4中形成微正压，开启冷却水阀门，使冷却水管9中的冷却水流量控制在300ml/min，冷却水温度20℃；五、开启中频电源，加热铜丝，通过红外测温仪11测定熔池6温度，根据拉丝速度及铜丝直径调整中频电源功率，将熔池6温度控制在1350℃，中频电源功率为500 w；六、启动放线装置14、送料导轮2、牵引导轮12、收线装置15及抛光轮组13，设定拉丝速度在2000 mm/min进行单晶铜丝生长及拉制；一卷铜丝拉制完成时，关闭放线装置14、收线装置15、抛光轮组13、送料导轮2及牵引导轮12，关闭单匝线圈7的中频电源，最后关闭惰性气体及冷却水，得到整卷单晶铜丝。
40.制备的铜丝经检测，延伸率达到69%，电阻率最高值1.63
×
10-8 ω
∙
m。
41.实施例2 采用附图2提供的装置制备ф0.8 mm单晶铜丝，包括以下步骤：一、采用成卷的普通铜丝1，在端头先焊接一段10mm单晶铜丝作为籽晶，再在单晶铜丝的另一端焊接一段普通铜丝作为牵引段；二、将焊接了籽晶和牵引段的铜丝卷装入放线装置14中，牵引段铜丝依次通过送料导轮2、石英保护管4、单匝线圈7、隔热挡板8、冷却水管9、牵引导轮12、抛光轮组13及收线装置15，调整放线装置14及收线装置15，将作为籽晶的单晶铜丝置于单匝线圈7中心处；三、调整隔热挡板8与冷却水管9之间的距离，距离控制在10mm；
四、开启氩气阀门，向石英保护管4内通入保护惰性保护气体，在石英保护管4中形成微正压，开启冷却水阀门，使冷却水管9中的冷却水流量控制在700ml/min，冷却水温度25℃；五、开启中频电源，加热铜丝，通过红外测温仪11测定熔池6温度，根据拉丝速度及铜丝直径调整中频电源功率，将熔池6温度控制在1250℃，中频电源功率为1000 w；六、启动放线装置14、送料导轮2、牵引导轮12、收线装置15及抛光轮组13，设定拉丝速度在1000 mm/min进行单晶铜丝生长及拉制；一卷铜丝拉制完成时，关闭放线装置14、收线装置15、抛光轮组13、送料导轮2及牵引导轮12，关闭单匝线圈7的中频电源，最后关闭惰性气体及冷却水，得到整卷单晶铜丝。
42.制备的铜丝经检测，延伸率达到68%，电阻率最高值1.59
×
10-8 ω
∙
m。
43.实施例3采用附图2提供的装置制备ф2 mm单晶铜丝，包括以下步骤：一、采用成卷的普通铜丝1，在端头先焊接一段15mm单晶铜丝作为籽晶，再在单晶铜丝的另一端焊接一段普通铜丝作为牵引段；二、将焊接了籽晶和牵引段的铜丝卷装入放线装置14中，牵引段铜丝依次通过送料导轮2、石英保护管4、单匝线圈7、隔热挡板8、冷却水管9、牵引导轮12、抛光轮组13及收线装置15，调整放线装置14及收线装置15，将作为籽晶的单晶铜丝置于单匝线圈7中心处；三、调整隔热挡板8与冷却水管9之间的距离，距离控制在20mm；四、开启氩气阀门，向石英保护管4内通入保护惰性保护气体，在石英保护管4中形成微正压，开启冷却水阀门，使冷却水管9中的冷却水流量控制在1000ml/min，冷却水温度30℃；五、开启中频电源，加热铜丝，通过红外测温仪11测定熔池6温度，根据拉丝速度及铜丝直径调整中频电源功率，将熔池6温度控制在1190℃，中频电源功率为2000 w；六、启动放线装置14、送料导轮2、牵引导轮12、收线装置15及抛光轮组13，设定拉丝速度在100mm/min进行单晶铜丝生长及拉制；一卷铜丝拉制完成时，关闭放线装置14、收线装置15、抛光轮组13、送料导轮2及牵引导轮12，关闭单匝线圈7的中频电源，最后关闭惰性气体及冷却水，得到整卷单晶铜丝。
44.制备的铜丝经检测，延伸率达到73%，电阻率最高值1.51
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10-8 ω
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m。
45.以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本发明的保护范围。