一种铜或铜合金超微丝上引设备及上引生产工艺

摘要

本发明公开了一种铜或铜合金超微丝上引设备，包括：加压熔炼炉，与惰性气源连通，设置有进料口和泄压口；上引结晶器，进料端设置于加压熔炼炉的炉腔中，出丝端设置于加压熔炼炉外，设置有模孔以及与模孔内物料冷却换热的冷却件；收线机构，用于收取超微丝；限位件，与上引结晶器可移除连接，用于轴向限位穿设于上引结晶器内的引丝。该铜或铜合金超微丝上引设备利用丝材封堵上引结晶器的模孔，减少熔炼炉的惰性气体泄露和热量散失，降低炉气上行加热引丝的几率，同时避免熔融金属将引丝顶出模孔，有利于保持上引结晶器模孔中引丝的形态，提高引丝成功率，便于规模生产上引超微丝。本发明还公开了一种铜或铜合金超微丝上引生产工艺。

说明书

技术领域

本发明涉及引铸技术领域，具体涉及一种铜或铜合金超微丝上引设备及上引生产工艺。

背景技术

医用线束、机器人线束、ABS线束、扬声器线束、汽车线束等领域的轻量化需求使得铜及铜合金超微丝发展迅猛、需求量激增。制备超微丝(线径低于0.06mm)的母材纯净度和组织结构要求高。

现有技术中的超微丝生产方法为：采用引铸生产母材，再经多次拉丝制得超微丝，生产效率低。CN112157236A中公开了一种上引发无氧铜熔炼设备，包括熔炼炉、设置于熔炼炉中的结晶器、牵引结晶器中金属线出料的牵引器、收线机构以及设置有牵引器和收线机构之间的导线组件。上述方案适用于常压下线径较大的金属线上引生产，不适用于线径低于0.1mm(更进一步低于0.06mm)的超微丝上引。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种铜或铜合金超微丝上引设备，利用限位件密封上引结晶器的模孔，减少炉料升温过程中惰性气体的泄露，利于保温和保持模孔中引丝的形态。

为了实现上述技术效果，本发明的技术方案为：一种铜或铜合金超微丝上引设备，包括：

加压熔炼炉，与惰性气源连通，设置有进料口和泄压口；

上引结晶器，进料端设置于所述加压熔炼炉的炉腔中，出丝端设置于所述加压熔炼炉外，设置有模孔以及与所述模孔内物料冷却换热的冷却件；

收线机构，用于收取超微丝；

限位件，与所述上引结晶器可移除连接，用于轴向限位穿设于所述上引结晶器内的引丝上行。

优选的技术方案为，所述收线机构具有可切换的张力收线状态和无张力收线状态；所述张力收线状态用于收线预定长度的超微丝端部，所述无张力收线状态用于收线超微丝端部的后续引出丝。

优选的技术方案为，所述限位件为所述上引结晶器的模孔密封件。

优选的技术方案为，所述加压熔炼炉包括：

炉壳，可移除设置有炉盖，所述炉壳和/或炉盖设置有惰性气体进气口、泄压口，所述上引结晶器与所述炉盖穿接；

石墨坩埚，设置于所述炉壳的内腔中；

加热元件，用于加热石墨坩埚。

本发明的目的之二在于提供一种铜或铜合金超微丝上引生产工艺，基于上述的铜或铜合金超微丝上引设备，包括以下步骤：

S1：向上引结晶器中插入引丝，连接限位件与上引结晶器，轴向限位引丝上行；

S2：加压熔炼炉进料，置换加压熔炼炉内的空气后充入惰性气体至第一预定加压值，启动冷却件，加热熔融炉料，升高炉温至高于炉料熔点的预定熔炼温度，保温熔炼；

S3：加压熔炼炉内增压至第二预定加压值，移除限位件，连接引丝和收线机构，牵引引丝收线。

所述超微丝的线径为0.02～0.1mm，第二预定加压值为13～15MPa；所述S2中的预定熔炼温度与炉料主合金组分铜熔点的温度差为60～100℃。

进一步的，所述超微丝的线径为0.02～0.06mm；进一步的，第二预定加压值为13.5～14.5MPa；进一步的，S2中的预定熔炼温度与炉料熔点的温度差为95～110℃。

优选的技术方案为，所述超微丝的材质铜含量为55％以上，进一步优选超微丝的铜含量为85％以上，更进一步为90％以上。优选的，超微丝的引丝材质为纯铜。

优选的技术方案为，所述S2中的第一预定加压值为8～11MPa。进一步的，第一预定加压值为10～11MPa。

炉体器件由于温度、加压的影响，会存在些许变形，经由包括第一预定加压值和第二预定加压值的梯度增压，减轻炉体器件的变形，延长炉体器件的使用寿命。

优选的技术方案为，所述S3中超微丝降温至0～10℃后收线。进一步的，超微丝降温至0～6℃，优选3±1℃。

优选的技术方案为，所述S3包括：

S31：移除限位件，连接引丝和收线机构，牵引引丝收线，直至引丝接头收入收线机构中；

S32：上引结晶器内的超微丝自行上行，收线机构无张力收引丝接头的后续引出丝。

优选的技术方案为，S2中还包括炉料熔融前的预热保温除杂步骤，预热温度为100～150℃，优选100～130℃。

本发明的优点和有益效果在于：

该铜或铜合金超微丝上引设备结构合理，加压熔炼炉熔化炉料的过程中，丝材封堵上引结晶器的模孔，减少熔炼炉的惰性气体泄露和热量散失，降低炉气上行加热引丝的几率，同时避免熔融金属将引丝顶出模孔，有利于保持上引结晶器模孔中引丝的形态，提高引丝成功率；

本发明超微丝上引生产工艺步骤合理，与现有技术中拉丝生产超微丝相比，加工难度低，损耗低。

附图说明

图1是实施例铜或铜合金超微丝上引设备的结构示意图；

图2是实施例中上引结晶器和引丝闸阀的连接结构示意图；

图3另一实施例铜或铜合金超微丝上引设备的结构示意图；

图中：1、加压熔炼炉；11、炉壳；12、炉盖；13、惰性气体进气口；14、泄压口；15、石墨坩埚；16、加热丝；17、抽真空组件；2、上引结晶器；21、芯管；22、冷却夹套；23、导流罩；3、收线机构；31、导丝轮；32、张力传感器；33、牵引轮；34、红外传感器；4、引丝闸阀。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在本申请中提及“实施例”意味着结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向，并不是对本申请的具体结构进行限定。在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

限位件

限位件的作用在于将引丝限位于上引结晶器的模孔中，包括但不限于与上引结晶器直接连接的限位件，例如与上引结晶器直接连接的引丝闸阀、密封盖等，或者上引结晶器的出丝端设置有其他用于穿丝的连接件、导向件等，限位件与连接件或者导向件等连接。另外，还可以通过在于上引结晶器连接的限位件之间设置储丝沉孔，利用储丝沉孔放置引丝的卷绕集合体，达到将引丝限位于上引结晶器的模孔中的技术效果。

将引丝限位于上引结晶器的模孔中，形成封堵模孔的结构，减少因加压熔炼炉内高压导致炉气持续上行，使模孔中丝材熔化或者软化的几率，减少上引结晶器中冷却丝材的换热量。

限位件与上引结晶器的连接关系包括但不限于固定连接或者可移除、可拆卸的分体式连接。以引丝闸阀为例，具有密封效果的为引丝闸阀流道内的阀芯，或者可移除设置于引丝闸阀出丝端的密封盖。以上限位件以及与限位件相关的连接结构均满足将引丝插入上引结晶器后加压加热熔融炉料，减少气体以及热量损耗、并将超微丝封堵于上引结晶器模孔内的功能要求。

限位件进一步优选为上引结晶器的模孔密封件，须满足密封模孔的技术效果，包括但不限于直接与上引结晶器连接的模孔密封件。引丝插接于模孔中，限位件轴向限位引丝具有一定的模孔封堵效果，但是还存在一定程度的漏气现象，模孔密封件达到完全密封的效果，与限位件轴向限位引丝相比，模孔密封件能提高利用引丝引出后续丝材的几率。

冷却件

冷却件设置于上引结晶器中，通常为具有穿孔的冷却套管，丝材走管程，冷却介质走壳程。冷却件的冷却介质包括但不限于液氮、水冷、盐水溶液等。冷却件的液态冷却介质壳程还连通诸如水冷机等的制冷设备。冷却介质根据超微丝的冷却温度具体选择。冷却件的基本作用促使上引结晶器中的熔融金属凝固成超微丝。更进一步的，将超微丝降温至0～10℃收线，(优选0～6℃，进一步优选3±1℃)，能提高超微丝的抗拉强度，改善因超微丝收线牵引或者丝材转角处的断线脱线、丝材强度分布不均等问题。

超微丝通过上引结晶器中的冷却件降温，也可以通过上引结晶器与收线机构之间的再冷却件降温。优选的，通过上引结晶器将超微丝冷却至0～10℃，或者通过与上引结晶器出丝端连接的再冷却件将超微丝冷却至0～10℃。上述结构均能减小环境温度与超微丝温度变化的影响，丝材温度成梯度下降，更有利于改善断线脱线、丝材强度分布不均等的问题。通过与上引结晶器出丝端连接的再冷却件冷却超微丝，利用上引结晶器中的冷却件阻隔炉气对再冷却件的影响，再冷却件的温度波动更小。

引丝接头

引丝是指上引前穿入上引结晶器模孔内的丝材，用于引出炉体中熔融的炉料，引丝与炉料凝结丝材端部的交接处为引丝接头，引丝接头处的抗拉强度较正常引丝以及引丝接头后续丝材低，容易断线。引丝的材质优选为纯铜，纯铜具有良好的韧性，在上引结晶器的金属熔液凝结段中，引丝端部熔化与熔融的炉料混合，改善引丝接头韧性，提高利用引丝引出后续丝材的几率。

引丝接头收于收线机构中后，预定压力和预定熔炼温度条件下，超微丝自行经由上引结晶器上行，无张力牵引能进一步减小丝材强度公差。

如图1和2所示，在一实施例中，超微丝上引生产设备的结构包括：与惰性气源连通加压熔炼炉1、上引结晶器2、收线机构3和限位件；

加压熔炼炉1包括具有底壁和底壁的炉壳11，炉壳11的敞口可移除设置有炉盖12，打开炉盖即可进料，炉壳11和炉盖12设置有惰性气体进气口13，炉盖12上设置有泄压口14，泄压口14连通泄压阀，炉盖的内表面设置温度传感器设置炉温，上引结晶器2与炉盖12穿接，上引结晶器2的冷却夹套设置于炉盖12上方；炉壳11的内腔中设置有石墨坩埚15，石墨坩埚15外设置有加热元件例如加热丝16，炉壳11设置有排气口，排气口与抽真空组件17连接；

上引结晶器2包括模孔轴向对接的芯管21和冷却夹套22，芯管21与炉盖12穿接并延伸至炉腔中，冷却夹套22设置于加压熔炼炉外，上引结晶器2的出丝端即为冷却夹套22的出丝端，芯管位于石墨坩埚15中的端部设置有用于稳流的导流罩23，芯管21的进料口设置于导流罩23的内腔中，导流罩23设置有与内腔相通的进料口。即降低熔融金属的流动导致芯管进料断续的几率；芯管的进料口为喇口状。

收线机构3包括收线组件、设置于收线组件进料一侧的两个导丝轮31以及设置于导丝轮31之间的张力传感器32；收线机构3设置牵引轮33，主动牵引超微丝；

限位件为引丝闸阀4，引丝闸阀4设置有容纳引丝穿过的流道以及截止流道的阀板，流道与上引结晶器2的模孔对接连通，可选的，对接意为孔口相对且相通，超微丝与流道侧壁之间的摩擦应趋小控制，以避免超微丝表面损伤，减小超微丝出料阻力。

加压熔炼炉1的进料为纯铜，铜的熔点为1083℃；实施例均上引直径为0.05mm的超微丝，引丝为纯铜丝。

超微丝上引生产工艺的步骤为：

S1：向上引结晶器中插入引丝，引丝的材质与炉料材质相同，引丝经由引丝闸阀伸入上引结晶器的冷却夹套22、芯管21和导流罩内腔中，关闭引丝闸阀4轴向限位引丝上行；

S2：加压熔炼炉进料，抽真空置换加压熔炼炉内的空气，向炉腔中充入惰性气体至第一预定加压值M，启动冷却夹套22，启动加热丝16加热熔融炉料，升高炉温至高于炉料熔点的预定熔炼温度T1，保温熔炼5h；

S3：加压熔炼炉内增压至第二预定加压值N，打开引丝闸阀4，连接引丝和收线机构3，保持预定牵引力F引丝收线。

如图3所示，在另一实施例中，收线组件的导丝轮31之间设置红外传感器34，不设置牵引轮，利用该传感器检测收线组件进料一侧的超微丝张力和/或超微丝余量，例如红外传感器34，控制切换收线机构3的张力收线状态和无张力收线状态S3步骤为：

S31：打开引丝闸阀4，连接引丝和收线机构，保持预定牵引力F引丝收线，直至引丝接头收入收线机构中；

S32：上引结晶器内的超微丝自行上行，当导丝轮31之间的超微丝呈开口向上的抛物线形，抛物线拐点达到预定高度的较低值，触发红外传感器，驱动收线机构3开始收线或者加快收线速度，抛物线拐点达到预定高度的较高值，触发红外传感器，停止收线直至无张力或者减慢收线速度。

在另一实施例中，S2中还包括炉料熔融前的预热保温除杂步骤，预热温度为T2，保温1h。

实施例制得的超微丝工艺结果检测：

1、统计单炉断线次数；

2、称重单炉超微丝产量，最多以2.5kg连续超微丝为一盘，断线则重新收盘，产能以收盘的超微丝总质量计；

3、同炉超微丝随机选取30处，采用拉力测试机检测超微丝抗拉强度，计算同一根超微丝的抗拉强度极差；

4、同炉超微丝随机选取30处，测量超微丝的直径，计算线径公差，按照以下评价级别判定超微丝是否合格：线径公差≤0.0002，合格；线径公差大于0.0002，不合格；

工艺步骤和工艺参数对超微丝生产的影响：

1、实施例和对比例工艺参数T1、T2和N对超微丝上引生产影响见下表(下表中引丝接头前70CN牵引收线，引丝接头收入收线机构中后无张力收线；单炉炉料为300kg；“——”表示不经过预热保温除杂)：

实施例2-4、6-8中设置有预热保温除杂步骤，石墨坩埚使用寿命均较相应的实施例1和实施例5增加。实施例1和5在停炉后，部分杂质粘附在坩埚侧壁，影响清理过程，在清理难除杂质时会损伤坩埚。

对比例1-2的产能为“——”，表示不能正常引丝，对比例3和对比例4的断线频率过高，生产效率过低。

2、实施例9-10(工艺参数基于实施例8)超微丝上引生产工艺中工艺参数M和N对引丝工艺的影响：

3、实施例11-14(恒张力收线)与实施例15(先恒张力后无张力收线)的工艺参数基于实施例8，“F”中“/”前数值表示恒张力收线的张力值，“/”后的“0”表示无张力收线，收线方式对超微丝性能(强度极差、线径公差)影响见下表：

与恒张力首先的实施例11-14相比，实施例15的超微丝强度极差和线径公差均明显降低，超微丝产品线径公差合格。

实施例16：以铜银合金炉料(铜98％银2％)为原料引丝，工艺过程和工艺参数同实施例8，以纯铜丝为引丝，单炉断线次数1次，单炉产能258.5kg；强度极差7.1Mpa，线径公差0.0001mm。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。