專利名稱：金屬線材單晶化方法與設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及冶金領(lǐng)域的單晶連鑄技術(shù)，主要是涉及單晶線材的制備方法和設(shè)備，具體就是一種金屬線材單晶化方法及其設(shè)備。
現(xiàn)有單晶連鑄技術(shù)，是將一定量的金屬材料熔化于坩堝內(nèi)，采用了加熱鑄型替代傳統(tǒng)的冷鑄型，以消除鑄型內(nèi)壁形核。通過冷卻器強(qiáng)制冷卻作用，使熱流沿著拉鑄方向單向傳導(dǎo)，從而形成定向凝固的條件。美國專利4515204《ContinuousMetal Casting》、日本專利昭58-97463以及文獻(xiàn)《單晶連鑄技術(shù)研究進(jìn)展極其應(yīng)用前景》(范新會、嚴(yán)文，《西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)》1999年，第19卷第4期)均對單晶連鑄技術(shù)有詳細(xì)的報(bào)道。傳統(tǒng)單晶連鑄技術(shù)雖然能避免在鑄型內(nèi)壁形核、消除金屬凝固殼與鑄件之間的摩擦力，但具有以下缺點(diǎn)1.熔化于坩堝內(nèi)的金屬液，受到坩堝大小的限制，拉制出的金屬線長度有限；2.金屬液填充導(dǎo)流管以及鑄型內(nèi)，通過金屬液面高度來實(shí)現(xiàn)，對于表面張力大的金屬，當(dāng)制備超細(xì)線時，金屬液填充到導(dǎo)流管以及鑄型內(nèi)時會發(fā)生斷流等現(xiàn)象，以致出現(xiàn)生產(chǎn)中斷現(xiàn)象；3.拉制金屬導(dǎo)線時，坩堝內(nèi)的金屬液需要長時間加熱、保溫，浪費(fèi)能源；4.嚴(yán)格控制液面高度，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，提高了投入成本。目前，單晶導(dǎo)線由于具有優(yōu)良的傳輸性能，擁有廣泛的市場前景。但是，實(shí)際應(yīng)用對單晶線提出兩個最重要的要求——超細(xì)(比如應(yīng)用到高保真音響領(lǐng)域)、無限長(比如應(yīng)用到雷達(dá)系統(tǒng)以及通訊電纜)。采用傳統(tǒng)單晶連鑄技術(shù)生產(chǎn)出的單晶線，還無法實(shí)現(xiàn)無限長。超細(xì)只能將制備出的較粗的單晶金屬線經(jīng)過多次拉伸來實(shí)現(xiàn)，而多次拉伸增加單晶金屬線內(nèi)的晶體缺陷，降低了傳輸性能。并且，最近發(fā)現(xiàn)，多次拉伸變形后的單晶金屬線應(yīng)用于高保真音響領(lǐng)域中具有方向性，顯著降低單晶金屬線的市場上競爭力。
如

圖1和圖2所示，作為方法本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)還在于制備單晶金屬線所包括如下步驟1)原料多晶金屬線1通過固液轉(zhuǎn)化器11的導(dǎo)向管11-1，送入“坩堝”11-2，引晶器從鑄型11-3口通過冷卻器與拉絲系統(tǒng)4相連；2)采用加熱器加熱“坩堝”11-2以及鑄型11-3，其中鑄型11-3以及“坩堝”11-2的溫度維持在金屬熔點(diǎn)以上50～100℃左右，同時打開冷卻器，所需要的溫度場由固液轉(zhuǎn)化器11與冷卻器來共同實(shí)現(xiàn)，以利于鑄型11-3出口的固液界面形成凸界面以及界面位置穩(wěn)定于鑄型11-3出口附近，與傳統(tǒng)單晶連鑄需要采用復(fù)雜結(jié)構(gòu)來嚴(yán)格控制坩堝內(nèi)金屬液的高度相比，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單；3)分別輸入送料系統(tǒng)2以及拉絲系統(tǒng)4的速度參數(shù)，啟動送料系統(tǒng)2和拉絲系統(tǒng)，并使送料系統(tǒng)2和拉絲系統(tǒng)4之間的速度參數(shù)保持相互匹配，以實(shí)現(xiàn)“坩堝”11-2、鑄型11-3內(nèi)的金屬液16保持動態(tài)平衡。
4)在引晶初始階段，連鑄速度要慢，然后逐步加速，平穩(wěn)的過渡到所要求的速度，進(jìn)入穩(wěn)定階段，速度的控制均通過觸摸屏輸入數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)。
送料系統(tǒng)2提供的附加力將熔化的金屬液16擠入鑄型11-3，該力抵消鑄型11-3以及“坩堝”11-2內(nèi)金屬液產(chǎn)生的表面張力以及鑄型與金屬液之間的摩擦力，從而實(shí)現(xiàn)超細(xì)。引晶器將拉絲系統(tǒng)4與鑄型11-3相連。只要送料系統(tǒng)2所送的原材料金屬線1與拉絲系統(tǒng)4所拉出的單晶金屬絲5體積相等，“坩堝”和鑄型內(nèi)的金屬液16就能保持動態(tài)平衡，即就能拉制出無限長的單晶金屬絲5。在拉制金屬絲時，不再受傳統(tǒng)坩堝內(nèi)的金屬液需要長時間加熱、保溫的限制，從而也節(jié)約了能源。
作為方法本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)還在于將設(shè)備豎置，還適應(yīng)于上拉法和下拉法。
作為方法本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)還在于其制備過程中的送料系統(tǒng)2和拉絲系統(tǒng)4的速度以及速度之間的配合均是由計(jì)算機(jī)軟件和計(jì)算機(jī)硬件控制電路來實(shí)現(xiàn)的。送料速度一般在0.5mm/min--25mm/min；出料速度一般在20mm/min--1600mm/min。
本發(fā)明的金屬線材單晶化設(shè)備的實(shí)現(xiàn)是在總設(shè)備中包括有拉絲系統(tǒng)4、自動收料機(jī)構(gòu)6以及輔助的機(jī)構(gòu)與儀器，關(guān)鍵在于整個設(shè)備呈生產(chǎn)完全連續(xù)、自動給進(jìn)生產(chǎn)形式，將傳統(tǒng)單晶連鑄技術(shù)中的坩堝、導(dǎo)流管合為一體構(gòu)成固液轉(zhuǎn)化器11，在其外圍進(jìn)行區(qū)域化加熱形成區(qū)域熔化，總設(shè)備還包括有送料系統(tǒng)2、驅(qū)動控制箱8、加熱控制箱7和工作臺9，加熱控制箱7、驅(qū)動控制箱8可以置于工作臺9下。單晶處理系統(tǒng)3和送料系統(tǒng)2、拉絲系統(tǒng)4均安置在工作臺9上，送料系統(tǒng)2通過所夾持的多晶金屬絲1與自動卸料機(jī)構(gòu)10相連，拉絲系統(tǒng)4通過所夾持的單晶金屬絲5與自動收料機(jī)構(gòu)6相連。區(qū)域熔化和單晶連續(xù)鑄技術(shù)相結(jié)合是本發(fā)明的基本思想；本發(fā)明的設(shè)備主要包括三個大部分，即送料系統(tǒng)2、單晶化處理系統(tǒng)3、拉絲系統(tǒng)4。送料系統(tǒng)2包括四組輪一個主動輪，其余從動輪；拉絲系統(tǒng)4包括兩組輪一個主動輪，其余從動輪。每個輪子的輪面開V形槽，以便于夾持。送料系統(tǒng)2中的主動輪為2-2，其余為從動輪2-1。金屬線材1從從動輪2-1一側(cè)引入，從主動輪2-2一側(cè)被送進(jìn)單晶化處理系統(tǒng)3中。工作臺9采用虎口形支撐架支撐送料系統(tǒng)2、單晶處理系統(tǒng)3以及拉絲系統(tǒng)4。拉絲系統(tǒng)4的主動輪為4-1，其余為從動輪4-2；其基本原理與送料系統(tǒng)2相同。處理后的單晶金屬絲5被送入自動收料機(jī)構(gòu)6。送料系統(tǒng)2以及拉絲系統(tǒng)4的主動輪采用電動機(jī)驅(qū)動，電動機(jī)的控制系統(tǒng)包括控制電路、觸摸顯示屏、PCL軟件硬件系統(tǒng)等，觸摸顯示屏設(shè)置在驅(qū)動控制箱8的面板上，控制電路、PCL軟件硬件系統(tǒng)等安裝在驅(qū)動控制箱8內(nèi)。自動收料機(jī)構(gòu)6包括支撐架、盤狀盛料器、導(dǎo)向輪等裝置；支撐架支撐盤狀盛料器、導(dǎo)向輪等裝置。高頻線圈的控制系統(tǒng)安裝在加熱控制箱7內(nèi)，包括淬火變壓器、電容器、以及用于測量固液界面前沿的金屬液溫度的紅外線測溫儀等。自動卸料機(jī)構(gòu)10，包括支承架、阻尼出料器、盤狀盛料器、校直送料機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向輪等裝置等。盤狀盛料器安裝在支撐架上，在一定作用力下阻尼出料器限制盤狀盛料轉(zhuǎn)動，金屬線1通過校直機(jī)構(gòu)等后，保持具有一定張力的進(jìn)入送料系統(tǒng)2。本發(fā)明排除了使用單晶連鑄技術(shù)的坩堝，使得無限長的單晶拉絲系統(tǒng)成為可能。
主動輪均靠電動機(jī)驅(qū)動，電動機(jī)與觸摸屏相連，觸摸屏輸入數(shù)據(jù)對電動機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，電動機(jī)與觸摸屏之間的數(shù)據(jù)響應(yīng)通過PCL硬件以及軟件系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。氣體保護(hù)系統(tǒng)防止高溫下的固液轉(zhuǎn)化器11、冷指13、固液界面附近易氧化的金屬氧化。紅外線測溫儀位于鑄型口與拉絲系統(tǒng)4之間，以利于隨時反映固液界面前沿的金屬液16的溫度。
作為設(shè)備本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)還在于單晶處理系統(tǒng)3主要包括固液轉(zhuǎn)化器11、加熱裝置15、石英管12、冷指13、水套14和保護(hù)氣體17，固液轉(zhuǎn)化器11中心設(shè)有內(nèi)腔，內(nèi)腔為粗、細(xì)兩段，石英管12套在固液轉(zhuǎn)化器11在外面，沿固液轉(zhuǎn)化器11的中心線方向還安置有冷指13，冷指13的中心是通孔，一端帶沿，冷指13的沿端外側(cè)緊配合安裝有水套14，水套14上設(shè)有進(jìn)水口，下部設(shè)有出水口，由固液轉(zhuǎn)化器11、石英管12、冷指13和水套14之間形成的空腔內(nèi)充有保護(hù)氣體17，保護(hù)性氣體可選氮?dú)?、氬氣或一氧化碳?xì)怏w等。在石英管12的外側(cè)套有加熱裝置15。固液轉(zhuǎn)化器11在于不僅作為一個金屬線的導(dǎo)向管，同時還作為單晶連鑄技術(shù)中的坩堝、鑄型，雖是一個整體件，依其工作情況分為三段，即導(dǎo)向管11-1、“坩堝”11-2和鑄型11-3。區(qū)域熔化“坩堝”11-2長度在5-20mm，鑄型11-3長度在5mm-20mm范圍左右。鑄型區(qū)間11-3的內(nèi)徑小于導(dǎo)向管11-1和“坩堝”11-2的內(nèi)徑。導(dǎo)向管11-1和“坩堝”11-2的內(nèi)徑在6-10mm左右。金屬線由送料系統(tǒng)經(jīng)導(dǎo)向管11-1，進(jìn)入“坩堝11-2”。套在“坩堝”11-2外面的加熱器15提供熱源。由送料系統(tǒng)將金屬絲1送入固液轉(zhuǎn)化器11的導(dǎo)向管11-1中。當(dāng)金屬絲進(jìn)入導(dǎo)向管的“坩堝”11-2范圍內(nèi)，由加熱裝置15提供的熱源將金屬絲熔化。由于加熱裝置15的加熱、保溫進(jìn)入鑄型11-3的金屬仍為液態(tài)。在冷卻水套14強(qiáng)制冷卻的作用下，形成單向熱流，使鑄型內(nèi)的金屬液冷卻，固液界面位于在距鑄型口1～3mm處，形成為凸界面。凝固的金屬絲經(jīng)過石墨冷指13，進(jìn)入拉絲系統(tǒng)4。
作為設(shè)備本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)還在于固液轉(zhuǎn)化器11和冷卻器由導(dǎo)熱性材料制成，如由石墨、陶瓷材料做成，其長度以及直徑大小可以作適當(dāng)調(diào)整。
作為設(shè)備本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)還在于加熱裝置15為高頻線圈。
由于本發(fā)明采用了區(qū)域熔化、定向凝固有機(jī)結(jié)合的方法，并設(shè)計(jì)了一體化的設(shè)備，將直徑較粗的多晶無限長金屬線經(jīng)本發(fā)明可以直接制備、轉(zhuǎn)化成無限長、超細(xì)單晶金屬線，解決了單晶連鑄技術(shù)中拉絲過程中的斷流以及坩堝內(nèi)金屬液容量有限等問題，所制備的單晶金屬絲實(shí)現(xiàn)超細(xì)、無限長，直接生產(chǎn)出的單晶線最小直徑可達(dá)0.1mm數(shù)量級，設(shè)備機(jī)構(gòu)簡單，成本低，工藝新。為金屬線材的單晶化提供了一種實(shí)用、有效的新路子。
圖1是本發(fā)明整個設(shè)備的示意圖。
圖2是單晶化處理系統(tǒng)3的原理圖。
權(quán)利要求
1.一種金屬線材單晶化方法，其特征在于單晶金屬線的拉絲制備過程呈流水生產(chǎn)線形式，是區(qū)域熔化和單晶連鑄技術(shù)相結(jié)合的方法，對無限長、直徑較粗的多晶金屬線經(jīng)過區(qū)域熔化、定向凝固直接轉(zhuǎn)化成無限長、超細(xì)單晶金屬線，其過程主要包括送料、單晶化處理和拉絲三部分，能直接制備出無限長、超細(xì)、表面光滑的單晶金屬線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述金屬線材單晶化方法，其特征在于制備單晶金屬線包括如下步驟1)原料金屬線(1)通過固液轉(zhuǎn)化器(11)的導(dǎo)向管(11-1)，送入“坩堝”(11-2)、鑄型(11-3)，引晶器從鑄型(11-3)口通過冷卻器與拉絲系統(tǒng)(4)相連；2)采用加熱器(15)加熱“坩堝”(11-2)以及鑄型(11-3)，其中鑄型(11-3)以及“坩堝”(11-2)的溫度維持在金屬熔點(diǎn)以上50～100℃范圍左右，同時打開冷卻器，所需要的溫度場由固液轉(zhuǎn)化器(11)與冷卻器來共同實(shí)現(xiàn)，以利于鑄型(11-3)口的固液界面形成凸界面以及界面位置穩(wěn)定于鑄型(11-3)口附近；3)通過觸摸屏分別輸入送料系統(tǒng)(2)以及拉絲系統(tǒng)(4)的速度參數(shù)，啟動送料系統(tǒng)(2)和拉絲系統(tǒng)，并使送料系統(tǒng)(2)和拉絲系統(tǒng)(4)之間的速度參數(shù)保持相互匹配，以實(shí)現(xiàn)“坩堝”(11-2)、鑄型(11-3)內(nèi)的金屬液(16)保持動態(tài)平衡；4)在引晶初始階段，連鑄速度要慢，然后逐步加速，平穩(wěn)的過渡到所要求的速度，進(jìn)入穩(wěn)定階段。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述金屬線材單晶化方法，其特征在于將設(shè)備豎置還適應(yīng)于上拉法以及下拉法。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述金屬線材單晶化方法，其特征在于其制備過程中的送料機(jī)構(gòu)(2)和拉絲機(jī)構(gòu)(4)的速度以及速度之間的配合均是由計(jì)算機(jī)軟件和計(jì)算機(jī)硬件控制電路來實(shí)現(xiàn)的，送料速度一般在0.5mm/min--25mm/min；出料速度一般在20mm/min--1600mm/min。
5.一種金屬線材單晶化設(shè)備，包括有拉絲系統(tǒng)(4)、自動收料機(jī)構(gòu)(6)、工作臺(9)和輔助的機(jī)構(gòu)與儀器，其特征在于整個設(shè)備呈生產(chǎn)完全連續(xù)、自動給進(jìn)型設(shè)備，將傳統(tǒng)單晶連鑄技術(shù)中的坩堝、導(dǎo)流管合為固液轉(zhuǎn)化器(11)，還包括有送料系統(tǒng)(2)、單晶處理系統(tǒng)(3)、自動卸料機(jī)構(gòu)(10)、加熱控制箱(7)以及驅(qū)動控制箱(8)，單晶處理系統(tǒng)(3)和送料系統(tǒng)(2)、拉絲系統(tǒng)(4)均安置在工作臺(9)上，送料系統(tǒng)(2)通過所夾持的多晶金屬絲(1)與自動卸料機(jī)構(gòu)(10)相連，拉絲系統(tǒng)(4)也通過單晶金屬絲(5)與自動收料機(jī)構(gòu)(6)相連，驅(qū)動控制電路、控制軟硬件等均安裝驅(qū)動控制箱(8)內(nèi)，觸摸顯示屏設(shè)置在驅(qū)動控制箱(8)的面板上，輔助設(shè)備淬火變壓器、紅外線測溫儀等均安裝在加熱控制箱(7)，加熱控制箱(7)、驅(qū)動控制箱(8)可以置于工作臺(9)下。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述金屬線材單晶化設(shè)備，其特征在于單晶處理系統(tǒng)(3)主要包括固液轉(zhuǎn)化器(11)、加熱裝置(15)、石英管(12)、冷指(13)、水套(14)、和保護(hù)氣體(17)；固液轉(zhuǎn)化器(11)中心設(shè)有內(nèi)腔，內(nèi)腔為粗、細(xì)兩段，石英管(12)套在固液轉(zhuǎn)化器(11)在外面，沿固液轉(zhuǎn)化器(11)的中心線方向還安置有冷指(13)，冷指(13)的中心是通孔，一端帶沿，冷指(13)的沿端外側(cè)緊配合安裝有水套(14)，水套(14)上設(shè)有進(jìn)水口，下部設(shè)有出水口，由固液轉(zhuǎn)化器(11)、石英管(12)、冷指(13)和水套(14)之間形成的空腔內(nèi)充有保護(hù)氣體(17)，在石英管(12)的外側(cè)套有加熱裝置(15)，冷指(13)和水套(14)為單晶處理系統(tǒng)(3)中的冷卻器，單晶處理系統(tǒng)(3)所需要的溫度場由固液轉(zhuǎn)化器(11)與冷卻器來共同實(shí)現(xiàn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述金屬線材單晶化設(shè)備，其特征在于固液轉(zhuǎn)化器(11)為一體化構(gòu)件不僅作為一個金屬線的導(dǎo)向管(11-1)，同時還作為單晶連鑄技術(shù)中的“坩堝”(11-2)、鑄型(11-3)，依其工作情況分為三段，從進(jìn)料開始為導(dǎo)向管(11-1)、“坩堝”(11-2)和鑄型(11-3)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述金屬線材單晶化設(shè)備，其特征在于固液轉(zhuǎn)化器(11)和冷卻器由導(dǎo)熱性材料制成，如由石墨、陶瓷材料做成，其長度以及直徑大小可以作適當(dāng)調(diào)整。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述金屬線材單晶化設(shè)備，其特征在于加熱裝置(15)為高頻線圈。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種金屬線材單晶化的新方法和新設(shè)備，是將由無限長、直徑較粗的多晶金屬線經(jīng)過區(qū)域熔化、定向凝固直接轉(zhuǎn)化成無限長、超細(xì)單晶金屬線；將傳統(tǒng)單晶連鑄技術(shù)中的坩堝、導(dǎo)流管合為一體，以局部熔化代替整體熔化。其設(shè)備主要包括送料系統(tǒng)、單晶化處理系統(tǒng)、拉絲系統(tǒng)等。單晶金屬線材具有優(yōu)異信號性能，可用于制造高保真通訊器材、設(shè)備以及高質(zhì)量的傳輸電纜，市場前景廣闊。本發(fā)明解決了單晶連鑄技術(shù)中拉絲過程中的斷流以及坩堝內(nèi)金屬液容量有限等問題，實(shí)現(xiàn)了單晶金屬絲的超細(xì)和無限長，降低了投入成本、簡化了結(jié)構(gòu)，縮短了生產(chǎn)時間，提高效率、節(jié)約能源。
文檔編號B22D11/14GK1432442SQ02145540
公開日2003年7月30日 申請日期2002年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月20日
發(fā)明者范新會, 嚴(yán)文, 王鑫, 李炳, 陳建 申請人:西安工業(yè)學(xué)院