CN105039795A - 石墨烯强化铝合金及其制备方法和制备装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石墨烯强化铝合金及其制备方法和制备装置，石墨稀强化铝合金所含成分按重量百分比计为石墨稀1～4%，钙2～6%，硅0.06～0.12%，铁0.12～0.22%，硼0.01~0.03%，铈0.08～0.15%，其他杂质元素≤0.03%，余量为铝。制备方法依次包括原料的选取、铝液熔炼、成分调整、净化处理、扒渣、保温静置、钙铝合金线喂丝、石墨稀注入、螺旋搅拌推进器开启、合金成型、合金杆冷却后绕杆收线制成需要的线径。本发明中制备方法简单，制备的石墨稀强化铝合金导电性好，强度高，重量轻，用于生产石墨烯强化铝合金的装置结构紧凑，使用方便，采用该装置生产的电线电缆，能够提高线路载流量，降低损耗。

Description

石墨烯强化铝合金及其制备方法和制备装置

技术领域

本发明涉及一种石墨烯强化铝合金及其制备方法和制备装置，属于输电导线的制备技术领域。

背景技术

随着科学技术水平的不断发展，材料不断推新，在我国电力建设中贯彻采用“两型三新”产品与技术，使得碳纤维复合导线、铝合金导线、高导硬铝绞线、铝包殷钢芯铝绞等新产品得以大量的应用。但我国幅员辽阔，发电资源主要集中在西部地区，而电力消费主要集中在东部地区，长距离输电，会产生大量线路损耗。如何进一步提高输电材料的导线性能是电工材料研究者努力的方向。铜、铝传统电工导体材料的性能得以不断的改善，为了进一步提高电工导体材料的机械性能和电气性能，科研工作者开始不断的引入新材料。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中新材料添加到导电材料中制备方法复杂工艺复杂的问题，提供了一种制备方法简单，易于操作的石墨烯强化铝合金及其制备方法和制备装置。

本发明采用如下技术方案：一种石墨烯强化铝合金，所述石墨稀强化铝合金所含成分按重量百分比计为：石墨稀1～4%，钙2～6%，硅0.06～0.12%，铁0.12～0.22%，硼0.01%~0.03%，铈0.08%～0.15%，其他杂质元素≤0.03%，余量为铝。

石墨烯强化铝合金的制备装置，包括熔铝炉，所述熔铝炉的出口端通过淌槽依次与第一保温炉和第二保温炉的进料口相连，所述第一保温炉和第二保温炉的出料口通过密封管道与螺旋搅拌推进器的进口端相连接，所述螺旋搅拌推进器的进口端还分别连接有石墨烯粉末注入器和钙铝合金喂丝机，所述螺旋搅拌推进器的出口端与滚压成型器的进口端相连接，所述滚压成型器的出口端与惰性气体保护管的进口端相连接，所述惰性气体保护管的末端连接有循环冷却水槽，循环冷却水槽与绕杆装置相连接。

进一步的，所述螺旋搅拌推进器中设置有陶瓷材质的旋转螺杆，旋转螺杆上设置有若干用于搅拌及螺旋推进的叶片。

石墨烯强化铝合金的制备方法，包括如下步骤：

（1）原料的选取：分别选取铝锭为基体材料，铝硅合金、铝铁合金、铝硼合金、铝铈稀土合金为中间合金，其中铝锭、铝硅合金、铝铁合金、铝硼合金和铝铈稀土合金的质量比为5000～6000:10～40:25～1200:22～30:100～120；

（2）铝液熔炼：首先将铝锭、铝硅合金、铝铁合金、铝铈稀土合金分别加入至熔铝炉中进行熔化，熔铝炉温度控制为685~730℃，熔化后的铝液经淌槽流入第一保温炉和第二保温炉内，在铝液流淌过程中在淌槽内连续均匀加入铝硼合金，若第一保温炉和第二保温炉中铝液化满后铝硼合金仍未溶解完，则将余下均匀的投入熔铝炉中铝液的中心和四角，待熔化后搅拌铝液，使铝液中合金元素分布均匀；

（3）成分调整：用直读光谱仪对铝液进行快速炉前分析，监测和调整各元素含量，确保整炉铝液成分均匀；

（4）净化处理：使第一保温炉和第二保温炉升温，铝液温度达到730～760℃时对铝液进行精炼处理，以含氮99.99%及以上的高纯氮气为载体，采用不锈钢管向铝液中吹入炉料总质量0.1～0.2%的精炼剂，控制氮气流量使铝液微微沸腾，防止铝液翻滚中氧化，氮气的压力为3-6ba；

（5）扒渣：将铝液温度控制为730～760℃，静置10～15min，将铝液表面的铝渣扒出至保温炉外；

（6）保温静置：扒渣完成后对铝溶液进行保温静置处理，静置保温的温度为730～760℃，时间为20～30min；

（7）保温炉出料：分别打开第一保温炉和第二保温炉的出料口，铝液经密封管道流至螺旋搅拌推进器中；

（8）钙铝合金喂丝：铝液经密封管道流至螺旋搅拌推进器后，开启钙铝合金喂丝机连续匀速的向铝液中喂入钙铝合金线；

（9）石墨稀注入：打开石墨稀粉末注入器，加入铝液总质量1～3%的石墨烯粉末，将石墨稀粉末连续匀速的注入铝液中；

（10）螺旋搅拌推进器开启：打开螺旋搅拌推进器中，螺旋搅拌推进器中的旋转螺杆的转速为45-90r/min，使钙与石墨稀均匀的分布在铝液中；

（11）合金成型：螺旋搅拌推进器将掺有钙和石墨稀的铝液注入滚压成型器模腔，滚压成型器连续转动挤压，合金挤出成型的温度为380~500℃，使铝液通过成型模具获得直径为5～12mm铝合金杆；

（12）合金杆冷却：铝合金杆通过惰性气体保护管预冷，当铝合金杆的温度降低到150～200℃时，再通过循环冷却水槽迅速冷却至80℃以下；

（13）绕杆收线：将冷却后的合金杆通过绕杆装置绕杆成圈收线；

（14）合金拉拔：将成捆直径为5～12mm合金杆通过拉丝设备，将合金杆拉制成需要的线径。

进一步的，所述步骤（1）中铝锭中所含Si元素的重量百分比≤0.1%；Fe元素的重量百分比≤0.20%；Ti+Mn+Cr+V的重量百分比≤0.02%，所述铝硅合金中Si元素的重量百分比含量为9.5~10.5%，所述铝铁合金中Fe元素的重量百分比为5~10%，所述铝硼合金中B元素的重量百分比为3~5%，所述铝铈稀土合金中Ce元素的重量百分比为5～8%，La元素的重量百分比为0.5～1%。

进一步的，所述步骤（1）中的钙铝合金线的直径大小为5～12nm。

进一步的，所述步骤（1）中的粉末状石墨烯的直径小于10μm。

进一步的，所述步骤（8）中钙铝合金喂丝速度与步骤（11）中铝合金杆成型出杆的速度相匹配，钙铝合金线的喂丝量保证铝液中的钙元素的重量百分比为2～6%。

进一步的，所述步骤（9）中石墨烯粉末的注入速度与步骤（11）中铝合金杆成型出杆的速度相匹配，石墨烯粉末的加入量保证铝液中石墨稀的重量百分比为1～4%。

本发明中制备方法简单，步骤易于操作，制备的石墨稀强化铝合金的导电性能好，强度高，重量轻等性能优势，可替代传统的导体，用于生产石墨烯强化铝合金的装置结构紧凑，使用方便，采用该装置生产的电线电缆，可节约材料用量，能够提高线路提高载流量，降低线路损耗。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

图2为本发明的工艺流程图。

附图标记：熔铝炉1、淌槽2、第一保温炉3、第二保温炉4、密封管道5、螺旋搅拌推进器6、石墨烯粉末注入器7、钙铝合金喂丝机8、滚压成型器9、惰性气体保护管10、循环冷却水槽11、绕杆装置12。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明中使用的精炼剂采购于派罗特克（深圳）高温材料有限公司的精炼剂6AB。

如图1所示，一种石墨烯强化铝合金的制备装置，包括熔铝炉1，熔铝炉1的出口端通过淌槽2依次与第一保温炉3和第二保温炉4的进料口相连，第一保温炉3和第二保温炉4的出料口通过密封管道5与螺旋搅拌推进器6的进口端相连接，螺旋搅拌推进器6的进口端还分别连接有石墨烯粉末注入器7和钙铝合金喂丝机8，螺旋搅拌推进器6的出口端与滚压成型器9的进口端相连接，滚压成型器9的出口端与惰性气体保护管10的进口端相连接，惰性气体保护管10的出口端连接有循环冷却水槽11，循环冷却水槽11与绕杆装置12相连接。

如图2所示为本发明中石墨烯强化铝合金的制备方法的工艺流程图，依次经过原料选择、材料配比、铝液熔炼、成分调整、净化处理、扒渣、保温静置、保温出料、钙铝合金喂丝、石墨烯注入、合金成型、合金杆冷却、绕杆收线、合金拉拔制成所需直径的电线电缆。

石墨稀强化铝合金所含成分按重量百分比计为：石墨稀1～4%，钙2～6%，硅0.06～0.12%，铁0.12～0.22%，硼0.01~0.03%，铈0.08～0.15%，其他杂质元素≤0.03%，余量为铝。

实施例一：

材料选择：铝锭选用6000kg的Al99.70的铝锭，铝锭中各元素的质量百分比为：Si-0.054%；Fe-0.12%；Ti+Mn+Cr+V-0.012%；铝硅合金选用10kg，硅元素的质量百分比为10.16%，其它杂质含量≤0.13%，铝含量89.71%；铝铁合金选用120kg，铁元素的质量百分比为5.24%，其它杂质量总和0.38%，铝含量94.38%；铝硼合金选用22kg，硼元素的质量百分比为：3.21%，其它杂质量总和0.28%，铝含量96.51%；铝铈稀土合金选用100kg，铈元素的质量百分比为5.35%，镧元素的质量百分比为0.58%，其它杂质量总和0.43%，铝含量93.64%。

将称量好的铝锭、铝硅合金、铝铁合金、铝铈稀土合金混合搭配，均匀加入熔铝炉中进行熔化；铝液从熔铝炉中流出时，在淌槽中加入铝硼合金；铝液熔化结束，对保温的铝液进行搅拌，控制保温炉中铝液的温度为730～760℃；用含氮99.99%的高纯氮气为载体用直径为18mm的不锈钢管向第一保温炉和第二保温炉底部的铝液中均匀吹入12kg的精炼剂，对铝液进行精炼处理，氮气让铝液微微翻腾，精炼时间为10min；打开扒渣门，用扒渣器将液面表面的浮渣扒出；取样进行铝也炉前分析：硅Si0.68%，铁Fe0.215%，铈Ce0.086%，硼B0.011%，其它杂质元素含量均小于0.03%，成份满足合金组分要求。将铝液升温750℃，静置20min，分别打开第一保温炉和第二保温炉底部的出料口，铝液经密封管道流经螺旋搅拌推进器，螺旋搅拌推进器的旋转螺杆转速45r/min。开启钙铝合金喂丝机连续匀速的向铝液中喂入重量百分比为75%的钙元素，直径6mm的钙铝合金线；同时开机打开石墨稀粉末注入器，连续匀速的将直径3-10μm的石墨稀注入铝液中，钙铝合金线喂丝速度和石墨稀注入与成品合金杆的速度相匹配，制得质量百分比为：石墨稀1.11%，钙3.21%，硅Si0.068%，铁Fe0.215%，铈Ce0.086%，硼B0.011%，其它杂质元素含量小于0.03%，直径为9.5mm的石墨稀强化铝合金杆，并通过绕杆装置绕杆成圈收线。

将制得的石墨稀强化铝合金杆放置24h后，在拉丝机上采用延伸率1.23-1.3配模，将直径9.5mm的合金杆拉制成为直径3.22mm铝合金单线，经检测铝合金线的导电率61.57~62.39%IACS，强度523~685MPa，断裂伸长率3.85%。

实施例二：

材料选择：铝锭选用5000kg的Al99.85的铝锭，各元素的质量百分比为：Si-0.042%；Fe-0.08%；Ti+Mn+Cr+V-0.008%；铝硅合金选用40kg，硅元素的质量百分比为10.32%，其它杂质含量≤0.12%，铝含量89.56%；铝铁合金选用25kg，铁元素的质量百分比为9.85%，其它杂质量总和0.42%，铝含量89.73%；铝硼合金选用30kg，硼元素的质量百分比为：4.86%，其它杂质量总和0.3%，铝含量94.84%；铝铈稀土合金选用120kg，铈元素的质量百分比为7.82%，镧元素的质量百分比为0.88%，其它杂质量总和0.43%，铝含量90.87%。

将称量好的铝锭、铝硅合金、铝铁合金、铝铈稀土合金混合搭配，均匀加入熔铝炉中进行熔化；铝液从熔铝炉中流出时，在淌槽中加入铝硼合金；铝液熔化结束，对保温的铝液进行搅拌，控制第一保温炉和第二保温炉中铝液的温度为730-760℃；用含氮99.99%的高纯氮气为载体用直径为18mm的不锈钢管向第一保温炉和第二保温炉的底部铝液中均匀吹入12kg的精炼剂，对铝液进行精炼处理，氮气让铝液微微翻腾，精炼时间为10min；打开扒渣门，用扒渣器将液面表面的浮渣扒出；取样进行铝也炉前分析：硅Si0.119%，铁Fe0.124%，铈Ce0.180%，硼B0.028%，其它杂质元素含量均小于0.03%，成份满足合金组分要求。将铝液升温730℃，静置30min，打开第一保温炉和第二保温炉底部的出料口，铝液经密封管道流经螺旋搅拌推进器，螺旋搅拌推进器的旋转螺杆转速90r/min。开启钙铝合金喂丝机连续匀速的向铝液中喂入钙元素的质量百分比为85%，直径12mm的钙铝合金线；同时开机打开石墨稀粉末注入器，连续匀速的将直径3-10μm的石墨稀注入铝液中，钙铝合金线喂丝速度和石墨稀注入与成品合金杆的速度相匹配，制得质量百分比为：石墨稀3.83%，钙5.98%，硅Si0.119%，铁Fe0.124%，铈Ce0.180%，硼B0.028%，其它杂质元素含量小于0.03%，直径为9.5mm的石墨稀强化铝合金杆，并通过绕杆装置绕杆成圈收线。

将制得的石墨稀强化铝合金杆放置24h后，在拉丝机上采用延伸率1.23-1.3配模，将直径9.5mm的合金杆拉制成为直径3.22mm铝合金单线，经检测铝合金线的导电率62.17~63.38%IACS，强度565~702MPa，断裂伸长率3.42%。

Claims (9)

1.一种石墨烯强化铝合金，其特征在于：所述石墨稀强化铝合金所含成分按重量百分比计为：石墨稀1～4%，钙2～6%，硅0.06～0.12%，铁0.12～0.22%，硼0.01~0.03%，铈0.08～0.15%，其他杂质元素≤0.03%，余量为铝。

2.如权利要求1所述的石墨烯强化铝合金的制备装置，其特征在于：包括熔铝炉（1），所述熔铝炉（1）的出口端通过淌槽（2）依次与第一保温炉（3）和第二保温炉（4）的进料口相连，所述第一保温炉（3）和第二保温炉（4）的出料口通过密封管道（5）与螺旋搅拌推进器（6）的进口端相连接，所述螺旋搅拌推进器（6）的进口端还分别连接有石墨烯粉末注入器（7）和钙铝合金喂丝机（8），所述螺旋搅拌推进器（6）的出口端与滚压成型器（9）的进口端相连接，所述滚压成型器（9）的出口端与惰性气体保护管（10）的进口端相连接，所述惰性气体保护管（10）的末端连接有循环冷却水槽（11），循环冷却水槽（11）与绕杆装置相连接。

3.如权利要求2所述的石墨烯强化铝合金的制备装置，其特征在于：所述螺旋搅拌推进器（6）中设置有陶瓷材质的旋转螺杆，旋转螺杆上设置有若干用于搅拌及螺旋推进的叶片。

4.如权利要求1所述的石墨烯强化铝合金的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）原料选取：分别选取铝锭为基体材料，铝硅合金、铝铁合金、铝硼合金、铝铈稀土合金为中间合金，其中铝锭、铝硅合金、铝铁合金、铝硼合金和铝铈稀土合金的质量比为5000～6000:10～40:25～1200:22～30:100～120；

（2）铝液熔炼：首先将铝锭、铝硅合金、铝铁合金、铝铈稀土合金分别加入至熔铝炉中进行熔化，熔铝炉温度控制为685~730℃，熔化后的铝液经淌槽流入第一保温炉和第二保温炉内，在铝液流淌过程中在淌槽内连续均匀加入铝硼合金，若第一保温炉和第二保温炉中铝液化满后铝硼合金仍未溶解完，则将余下均匀的投入熔铝炉中铝液的中心和四角，待熔化后搅拌铝液，使铝液中合金元素分布均匀；

（3）成分调整：用直读光谱仪对铝液进行快速炉前分析，监测和调整各元素含量，确保整炉铝液成分均匀；

（4）净化处理：使第一保温炉和第二保温炉升温，铝液温度达到730～760℃时对铝液进行精炼处理，以含氮99.99%及以上的高纯氮气为载体，采用不锈钢管向铝液中吹入炉料总质量0.1～0.2%的精炼剂，控制氮气流量使铝液微微沸腾，防止铝液翻滚中氧化，氮气的压力为3-6ba，精炼时间为10～15min；

（5）扒渣：将铝液温度控制为730～760℃，静置10～15min，将铝液表面的铝渣扒出至保温炉外；

（6）保温静置：扒渣完成后对铝溶液进行保温静置处理，静置保温的温度为730～760℃，时间为20～30min；

（7）保温炉出料：分别打开第一保温炉和第二保温炉的出料口，铝液经密封管道流至螺旋搅拌推进器中；

（8）钙铝合金喂丝：铝液经密封管道流至螺旋搅拌推进器后，开启钙铝合金喂丝机连续匀速的向铝液中喂入钙铝合金线；

（9）石墨稀注入：打开石墨稀粉末注入器，加入铝液总质量1～3%的石墨烯粉末，将石墨稀粉末连续匀速的注入铝液中；

（10）螺旋搅拌推进器开启：打开螺旋搅拌推进器中，螺旋搅拌推进器中的旋转螺杆的转速为45-90r/min，使钙与石墨稀均匀的分布在铝液中；

（11）合金成型：螺旋搅拌推进器将掺有钙和石墨稀的铝液注入滚压成型器模腔，滚压成型器连续转动挤压，合金挤出成型的温度为380~500℃，使铝液通过成型模具获得直径为5～12mm铝合金杆；

（12）合金杆冷却：铝合金杆通过惰性气体保护管预冷，当铝合金杆的温度降低到150～200℃时，再通过循环冷却水槽迅速冷却至80℃以下；

（13）绕杆收线：将冷却后的合金杆通过绕杆装置绕杆成圈收线；

（14）合金拉拔：将成捆直径为5～12mm合金杆通过拉丝设备，将合金杆拉制成需要的线径。

5.如权利要求4所述的石墨烯强化铝合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中铝锭中所含Si元素的重量百分比≤0.1%；Fe元素的重量百分比≤0.20%；Ti+Mn+Cr+V的重量百分比≤0.02%，所述铝硅合金中Si元素的重量百分比为9.5~10.5%，所述铝铁合金中Fe元素的重量百分比为5~10%，所述铝硼合金中B元素的重量百分比为3~5%，所述铝铈稀土合金中Ce元素的重量百分比为5～8%，La元素的重量百分比为0.5～1%。

6.如权利要求4所述的石墨烯强化铝合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中的钙铝合金线的直径大小为5～12nm。

7.如权利要求4所述的石墨烯强化铝合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中的粉末状石墨烯的直径小于10μm。

8.如权利要求4所述的石墨烯强化铝合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（8）中钙铝合金喂丝速度与步骤（11）中铝合金杆成型出杆的速度相匹配，钙铝合金线的喂丝量保证铝液中的钙元素的重量百分比为2～6%。

9.如权利要求4所述的石墨烯强化铝合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（9）中石墨烯粉末的注入速度与步骤（11）中铝合金杆成型出杆的速度相匹配，石墨烯粉末的加入量保证铝液中石墨稀的重量百分比为1～4%。