CN1508813A - 获得用于制造高性能超导电缆的棒状半成品的冷合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种完全通过冷塑性变形来获得棒状半成品的合成方法，包括的步骤为：形成圆形截面的、单丝或多丝的相对较长的超导铜棒；使用安装在装配工作台上并可在上面滑动的模板，在大约相同长度的圆柱形铜芯周围安装该棒，该模板具有呈圆形分布的用来支撑棒的通孔，以及用来支撑芯的中心通座；将棒用带捆扎到芯的外侧表面；将多个放置于装配工作台的金属支撑环滑动至如此形成的组件的一端，而将模板滑出组件的另一端；将一个铜管滑套到该组件上，同时轴向顺序切割捆扎带并滑出支撑环；在完成的组件上执行多个拉伸操作，来逐渐降低组件的横截面并增加组件的长度以获得要求尺寸的棒状半成品，在经过盐浴式热处理之后，通过冷拔获得超导电缆。

Description

获得用于制造高性能超导电缆的棒状半成品的冷合成方法

技术领域

本发明涉及一种获得棒状半成品的冷合成方法，该半成品可用于制造超导电缆，特别是铌钛(下文称“NbTi”)超导电缆。

本发明还涉及由此棒状半成品制造的超导电缆。

背景技术

目前，超导体特别是NbTi电缆是由组件制造而成的，该组件包括：一个杯状铜铸锭，在其中顺次***具有超导材料芯部的棒，该芯部由一个或多个NbTi金属丝限定，以及一个铜(和/或其他贵重金属)套。棒很短(最长约800mm)，其横截面为六边形以使其便于安装在铜铸锭上。然后将铜铸锭的自由端通过焊接一个铜盖加以密封，在这样形成的组件体中形成真空，并经过一步或多步热挤压(温度大约为500℃)将其缩减成直径为60-80mm的棒(长度大于10m)。此时，可能经过热处理，对棒状金属半成品进行冷拔逐渐形成超导电缆。

如上所述的超导体特别是NbTi电缆的主要缺点是与合金的能力相比其临界电流(Jc)很低。

然而，本发明的技术人员发现去掉NbTi超导体的加工过程中的任何热挤压能够使对于给定化学成分和给定α值(电缆的铜与NbTi的体积比)的超导体的临界电流(Jc)增加25％以上。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种制造超导体，特别是NbTi电缆的方法，它能增加超导电缆的临界电流(Jc)。

本发明的另外一个目的在于提供一种获得用于制造超导体电缆的棒状半成品的冷合成方法，而且是一种成本低、简单、快速而且同时能确保高质量的方法。

本发明提供了一种从单丝和多丝超导体棒制造超导体，特别是NbTi电缆的方法，其特征为包括的步骤全部为冷塑性变形。

更具体地，本发明还涉一种例如全部用冷塑性变形操作的“冷”合成方法来获得棒状半成品，其包括的步骤为：形成圆形截面的、单丝或多丝的相对较长的超导体铜棒；在长度基本相同的圆柱形铜芯的周围装配该棒，使用可以像书那样打开的、安装在装配工作台上并可在其上滑动的模板，模板具有呈圆形排列的用来支撑棒的通孔，并有一个用来支撑芯的中心通座；将棒捆扎到芯的外侧表面；将放置在装配工作台上的多个金属支撑环滑动至如此形成的组件的一端，同时将该模板从组件相对的另一端滑出；将铜管滑套到这样形成的组件上，同时沿轴向切割该捆扎带并滑出支撑环；并在完成的组件上执行一系列的拉伸操作来逐渐降低组件的横截面、增加组件的长度来获得所需尺寸的棒状半成品，经过盐浴式热处理后，通过冷拔从中获得超导体电缆。

通过消除任何热挤压，通过冷拔棒状半成品获得的超导体电缆，其临界电流高于同样类型的超导体约25％，其中，最初的棒是用传统的方法合成的，即在铸锭上装配然后压缩并热挤压。

此外，如上所述的组合方法从采用圆形截面的超导体棒开始，这种棒非常容易制造，并具相当的长度(大约5m)，这样获得棒状半成品(大约14m)就更容易而且更便宜。

最后，本发明通过完全冷处理(即在环境温度下)的方法进行制造的棒状半成品，可以取代当前使用的用传统拉伸***的半成品挤压棒，不需要对已有的超导体电缆制造***进行任何改变。

附图说明

结合附图举例说明本发明的非限制性的实施例，其中：

图1为根据本发明的方法制造超导体电缆的完整处理过程的流程图；

图2是本发明的冷合成方法的一个步骤及使用的特殊设备的一部分的透视图；

图3为图2所示的方法的下一步示意图，及结果组件的侧视图；

图4为图2所示的方法的下一步示意图，及使用的特殊设备的其余部分；

图5显示了本发明的合成方法的最后一步的细节。

具体实施方式

参考附图，数字1(图5)代表了根据本发明一个方面的冷合成方法制造的棒状半成品的整体，该半成品可以用于制造超导体电缆的方法之中，根据本发明的另一方面，其特征为任何一个塑性变形步骤都完全为例如在环境温度下的冷变形，如流程图1所示。

本发明开始于用已知方法制造的棒2，每个棒都包括由超导体材料特别是NbTi合金构成单丝和多丝所限定的芯，以及铜套，并可能具有***超导体与铜之间的由贵金属或金属合金做成的屏障层。在多丝棒情况下，芯包括121个超导合金制成的单丝。

尽管，在此及下文中指的是NbTi超导体和铜，但是本发明的目的显然并不限于这些材料，还可以延伸到使用其他材料，其中超导体材料的临界电流值还在一定程度上取决于材料加工硬化的程度，其中可以用与根据本发明获得的超导体电缆的操作性能基本相同的其他金属或金属合金代替铜。

多丝棒2最好具有的α比(铜的体积与超导体的体积之比)为0.5，多丝棒2较高的α比大约可为2。

根据现有技术，棒2必须安装在铜壳的内部，并且最终的组件要进行一系列的塑性变形步骤直至获得所需尺寸的电缆。

根据本发明的第一个特征，与六边形横截面相反，棒2具有圆形横截面，例如其直径大约4毫米，由最终直径为50微米的单丝或最终直径为4微米或以上的多丝构成。

根据本发明，使用棒状半成品的合成方法，棒2安装于铜壳的内部，其中主要步骤详细地显示于图2、3和4中，其余步骤在图1中示意，其形成根据本发明的超导电缆制造方法的一部分，其以包括全部为冷塑性变形步骤为特征。

根据本发明的组合方法使用具有如上所述特征的棒2，其还具有的特征是相对较长(轴向)，例如大约5m，至少是用于已知方法的传统六边形横截面的超导体棒长度的7-8倍。

一旦成形，对棒2进行传统的化学处理包括：连续浸入不同的脱脂和酸洗槽并烘干。然而，处理如此长的棒时，是以成捆的方式进行的，并***用来支撑整个棒2长度的、具有动力的、侧面敞开的旋转篮中，通过将旋转篮浸入槽中来进行化学处理，并通过将整个旋转篮***烘干炉中来烘干。

通过例如金属支撑结构来限定该旋转篮(为了简明没有在图中示出)，该支撑结构钩住一个提升装置并将电机支撑一定高度，这样即使当支撑结构浸入到处理槽中，也能使电机保持干燥；通过多个安装于金属支撑结构上的旋转盘，彼此周向连接，并且每个支撑多个朝向圆周方向的辊子(例如：3个相隔120度的辊子)，以支撑该棒。这样通过电机使机械传动旋转盘和辊子，其构成相对于金属支撑结构实际旋转的篮。

然后将处理过的棒2传送给装配工作台3，如图2和图4所示。同样地，与棒2的长度基本相同的实心圆柱形铜芯20也在上面描述的旋转篮中处理，之后也送到装配工作台3。

工作台3包括床身或带有例如圆柱形的直导杆5的实际工作台4，在该导杆5上带有可滑动多个装配模板6(只在图2中显示了一个)，其可像书一样地打开。每个模板6包括底半部7，它与导杆5连接并可以沿着导杆5滑动；以及位于底半部一侧并与其成180℃的顶半部8，顶半部8或者直接与相应的底半部7以铰链连接，如图2所示，或者更好地，连接到另外一个与导杆5平行的导杆上(未在图中显示)，并可在其上滑动。

半部7和半部8为鞍状，从而当半部8翻转180℃至半部7之上时，限定出用于容置和支撑芯20的圆柱状通座9，如此由工作台3上的模板6支撑的芯的轴对称地平行于导杆5。相似的，半部7和8含有沿与中心圆柱形座9(当半部7、8装配成一个位于另一个之上而形成模板6时)同心的一个圆分布的多个通孔10，该多个通孔具有能够容纳棒2的直径，每个棒2通过一个孔10，这样棒2环绕芯20呈圆形分布，由在工作台3上的模板6支撑，并与导杆5平行。

孔10可以环绕座9在一个圆形分布，或者在如例子中所述，沿两个同心圆分布，11代表内圆，12代表外圆。

首先，将多个棒2***到外圆12的孔10中，此时模板6还处于打开状态，半部7和8并排放置并彼此翻开；然后将剩余的棒2***内圆11的孔10中；最后，将芯20放置在半部7上，然后将半部8(带有***至其中的棒)沿着箭头方向(图2)翻转夹紧内部的芯20并关闭模板6。

这样棒2顺序支撑于芯20四周，这时，利用带30通过例如手工扎捆的方法(图3)将棒绑在芯的外表面21上，该带30可用铜线制造，用带30沿着导杆5逐渐地连续捆扎，一次系一个带，从工作台3的一端32(图4)至相反的另一端33。

同时，仍然从端部32开始，将多个例如由铜制成的环34安装于工作台3，其被设置为位于导杆5上并可沿导杆5滑动，同时围绕芯20和棒2，并使得棒2与表面21接触。很明显，上述操作要与每个模板6留有一定的距离以允许棒2弯曲并与表面21相接触。更具体地，从第一条带开始，第一个环34安装在端部32，还处在关闭位置的模板6逐渐沿着导杆5朝端部33滑动。然后，安装第二个环34，这样它接替向后滑动的模板6来支撑芯20，并通过带30来将棒2捆扎到芯20，同时第一个环34进一步沿着导杆5滑动，再系另一条带30。

在上述步骤结尾，获得了组件40，其通过环34被支撑在工作台3上并由靠着芯20安装成圆环的棒2限定，由带30保持，而现在模板6完全释放并移动至端部33，随着该模板从棒2和芯20上释放，它们逐渐滑下导杆5。

换句话说，执行的步骤就是环34滑至与工作台3的端部32相邻的组件40的第一个端部41时，模板6滑出组件40(部分地显示于图3的截面图中)的与第一个端部相反的第二个端部42，并与工作台3的端部33相邻。

此时，铜管50(图4)滑至组件40上，从组件40的第一个端部41开始；而且同时，当管50到达带30时，该带被逐渐切断，并且支撑环34逐渐滑出组件40的第二个端部42，以最终获得组件40/铜管50的组件，其中棒2完全由铜管50固定在靠着铜芯20的位置上，该铜管与芯20同心且同轴安装。

上述步骤是通过分别安装于工作台3端部32和33的两个辅助装置52和54(图4)进行的。

更具体地，装置52为所谓的“夹送辊”装置，可移动地安装于工作台3(例如这样它可以移至一边)，其包括两个平行安装的并具有可调中心距离的辊子55、56。辊子55、56通过例如液压或气缸等压缩装置57来使其相互压紧，来夹紧管50，如图4所示，并且其中至少一个辊子(在本例中为辊子56)由电机驱动。

装置54通过可向“夹送辊”装置52轴向移动(例如沿着导杆5)的反向顶头来限定，其包括顶板60、与导杆5平行的液压或气缸61。

在所述的步骤中，铜管50通过“夹送辊”装置52的作用，即通过具有动力的辊子56摩擦地将轴向力施加于管50；从组件40的第一个端部41滑至组件40，并且同时，组件40轴向顶置于反向顶头54的顶板60上，在此步骤中，通过止动机构或闸(为了简便未在图中示出)防止反向顶头54沿着导杆5的滑动。

将铜管50安装至组件40的最后阶段(即如图4所示，当管50几乎完全安装至组件40上时)，是通过停止辊55、56的转动来夹紧铜管50来进行的，通过轴向向前移动反向顶头54，本例中是通过气缸61来向前移动顶板60，此时，以便将组件40反向地***管50中。

在管50安装至组件40上之后，其与靠近端部41的环34接触，并将其朝向端部42推进，使其与下一个环34接触，如此直至随着铜管50逐渐安装于组件40，环34全部逐渐推向端部42。当去除带30时，若要提高此步骤的效率并同时将组件40保持在一起，根据本发明，环34基本上应具有与铜管50相同的径向尺寸(内径和外径)。

此时，管50/组件40从工作台3移开，根据本发明，经过多个冷拔操作来逐渐减少其横截面来增加它的长度，最终获得需要尺寸的棒状半成品1。

根据本发明的另一方面，在冷拔之后，对棒状半成品1进行盐浴式热处理，但首先将其相对的两端用盖子70(图5中示出了其中一个)基本上以液密封的方式封闭。

盖子70为杯状以安装在棒状半成品1相对的两端，由比铜的热膨胀系数低的材料例如铁制成，这样可以自动密封。事实上，当受热进行热处理时，铁膨胀小于铜的膨胀，这样能够充分密封，使盖子70过盈配合于棒状半成品1上。

更具体地，组件40/铜管50构成的组件在进行了第一步拉伸之后获得了相对较小的截面积下降，范围在4％至9％之间，这样锁住铜芯20、铜管50和棒2，使它们彼此机械地连成一体；然后经过一系列连续的拉伸步骤，每次截面积以固定量降低，直到获得需要的尺寸。

以大约18％至24％的截面积下降速率来进行每次连续拉伸步骤，来降低组件40/铜管50构成的组件的截面。

在拉伸之前，组件40/铜管50组件的相对端部可以被气密地密封，例如通过一次性聚酰胺或聚乙烯(disposable polyamide or polyethylene)密封来保护部件防止氧化。但是，与传统的组件不同，不再需要真空，因为在拉伸时，在管50内部或在芯20和棒2之间的空气可以从管50的端部漏出，此阶段密封被破坏或去除。在任何情况下，在第一个拉伸步骤中，管50在长度上的增加要比芯20和棒2大，这样形成了“补偿”室可以接收从零件中泄漏的空气。

在上述的步骤结束时，获得了长度为10-14m、直径为60-80mm的棒状半成品1，之后对其进行盐浴式热处理，然后可以对其进行传统的连续拉伸操作的冷处理过程来获得要求尺寸的超导体电缆。

然而，超导体电缆的特征为具有相当高的临界电流(Jc)，通常，高出相同横截面和化学成分的、由经过热挤压形成的半成品制成的超导体电缆至少20％。

使用本发明的合成方法，该产品(棒状半成品1)具有比挤压形成的半成品在质量指标值“n”和轴向常数α值上高出大约30％，也就是说，典型的挤压的半成品棒的端部没有大约20％的变化，这样可以减少浪费。

Claims (12)

1.一种由棒制造超导体电缆的方法，所述棒包括由超导体材料特别是NbTi合金制成的单丝或多丝，以及铜套所限定的芯，其间可以具有由贵重金属或合金制成的屏障层，其中所述的棒装配在一个铜壳的内部，并且这样成形的组件经过一系列的塑性变形步骤；其特征在于，所述步骤全部为冷塑性变形步骤。

2.一种获得棒状半成品的合成方法，所述棒状半成品特别是用于如权利要求1所述的制造方法中，其特征在于，包括如下步骤：

形成如权利要求1所述的超导体铜棒，其具有圆形截面和相对较长的长度；

使用可以像书那样打开的、安装在装配工作台上并可在其上滑动的一个安装模板，在与该棒在长度上基本相同的圆柱形铜芯的周围装配该棒，该模板具有呈圆形分布的用来支撑棒的通孔，并具有一个用来支撑该芯的中心通座；

将棒捆扎到芯的外侧面来获得一个组件，该组件通过呈圆形地依靠在芯四周的、用带组合在一起的棒来限定；

将放置在装配工作台上的多个金属支撑环滑动到这样形成的组件的第一端并装入该棒，同时将该模板由与该组件的第一端相对的第二端滑出；

从所述的第一端开始，将铜管滑动到如此形成的组件，同时随着铜管到达该带，逐渐切割该带，并将支撑环从该第二端滑出，以便最终获得组件/铜管组件，其中所述棒通过与芯同心安装的铜管保持在铜芯的位置上；

对组件/铜管组件进行一系列的拉伸操作，来逐渐降低组件的横截面积来增加组件的长度，从而获得所需尺寸的棒状半成品。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述环具有基本上与铜管相同的径向尺寸，随着铜管逐渐安装于组件上，铜管将环逐渐推向第二端。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在冷拔步骤的结尾，对该棒状半成品进行盐浴式热处理。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在该盐浴式热处理步骤之前，用盖子将棒状半成品相对的端部以液密封的方式封闭。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述盖子是杯状的，以安装在棒状半成品的相对端部；其中盖子由比铜的热膨胀系数低的材料例如铁制成，这样可以自动密封。

7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，组件/铜管组件首先进行第一步拉伸，以获得了相对较低的、介于4％至9％之间的截面降低，这样锁住所述铜芯、铜管和棒，使它们彼此机械地连成一体；然后进行一系列连续的拉伸步骤，每次将截面以固定量降低，直到获得所需的尺寸。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，以大约18％至24％的截面降低率执行每一个连续的拉伸步骤，以降低组件/铜管组件的截面。

9.如权利要求2所述的方法，其特征在于，通过可移动地安装于工作台一端的“夹送辊”装置，将所述铜管从组件的第一端部滑至所述组件上；所述的“夹送辊”装置包括通过压缩工具相互压紧在一起的两个辊子，所述的管夹在该两个辊子之中；并且至少一个辊子由电机驱动。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述组件的第二端部，所述装配工作台安装有一个反向顶头，其可朝“夹送辊”装置作轴向移动；当装配铜管时，该组件轴向顶置于所述反向顶头；将铜管安装至组件的最后阶段是通过停止辊子的旋转并夹紧铜管，并通过轴向向前进给该反向顶头将组件***该管中来进行的。

11.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在执行将棒安装至铜芯周围的步骤之前，通过将棒和芯浸入多个槽中并烘干的步骤来对其进行化学处理，上述步骤是通过将棒和芯***设计为支撑棒和芯整个长度的、侧面敞开的旋转篮中，并将该旋转篮浸入槽中来进行的。

12.使用如权利要求1所述的方法制造的超导NbTi电缆，其特征在于，具有相当高的临界电流，通常高出由相同横截面和化学成分、经过热挤压形成的半成品制成的超导电缆至少20％。

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