CN108349007B - 用于制造连续导线的方法和根据该方法制造的导线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种制造连续导线的方法，该方法包括：将由至少一种金属材料形成的带料(10)形成为通道(21)；将至少一种粉末(32)放置至通道(21)中；和将通道(21)的边缘密封到一起以便生产导线(28)，其中该方法还包括将粉末(32)与载体液体(41)混合以便形成浆料，以及将浆料放置到通道(21)中。所述载体液体相对于所述至少一种粉末为化学惰性的。
Description
技术领域
本发明涉及一种制造连续生产的导线的方法，特别是涉及一种制造连续生产的超导导线的方法。
背景技术
使用粉末装管(PIT)导体技术形成的超导MgB2连续导体特别地使用在15-20K的温度范围内工作的应用中。这包括MRI应用、高能量需求应用(如数据中心的DC线缆、钢和铝的精制、混合能量存储应用和风力发电机中的电磁体)。对于用于多种应用的超导导体的大量需求对复合导线的传统粉末装管(PIT)间歇式技术的制造能力施加了压力。
在最常见的PIT技术中，前驱粉末被包装在一个或多个金属管件中，这些管件随后被拉伸、压锻或拉伸成导线或条带，并且随后在真空、空气或者惰性气体环境中进行热处理。PIT导线可以根据起始材料被分类为两种主要的制造途径。第一种为使用未反应的起始粉末Mg和B的所谓原位(in situ)法。第二种为利用MgB2粉末作为起始材料的非原位(exsitu)法。
现有的技术基于间歇式工艺，所述间歇式工艺固有地生产长度受限的导线，这对于大尺寸的应用来说是不期望的，在大尺寸的应用中，绕组上的超导接头将产生不可接受的系统的机械热和电磁约束。为了由PIT MgB2导线生产大线圈或长线缆，导线的许多分离的长度必须被接合(splice)到一起，以便生产具有足够长度的导线。每个接头都将增加损失超导能力的风险，这对于超导体工业来说是不可接受的工艺。
目前不存在制造具有大尺寸应用(诸如MRI的磁体)所要求长度的连续MgB2超导导线的技术。连续导线的生产依靠于不间断的Mg、B或MgB2粉末的供给，所述供给具有或不具有任何另外的添加物(诸如均匀地添加至“U”形轮廓的掺杂物)。WO2014/135893公开了一种工艺，其中连续供给的带料首先被转化成“U”形，随后在被闭合成导线并且被激光接缝焊接密封之前利用粉末供给装置进行填充。该工艺和其他相似的工艺要求供给装置能够均一地并且精确地将纳米或微米尺寸的粉末供给至相对窄的“U”形轮廓。
预定量的均匀的细小粉末(小于10微米，更特别地，小于1微米)的混合和供给产生了许多问题，所述问题包括但不限于湿气吸收、静电带电和粉末压实。环境主要影响湿气吸收和静电带电。静电带电还受机械设计的影响。粉末压实问题主要为特定粉末的特有问题，该问题也主要受机械设计的影响。
此外，如果粉末具有燃烧或者爆炸特性，那么在大多数时候使得系统环境惰性化仅仅是用于混合和供给的安全的解决方案。惰性化的最简单方法是引入惰性(不可燃烧)气体，使得永远不存在具有可燃烧浓度的混合物。引燃能量对于防止爆炸是非常重要的特性。一些种类的粉末(包括镁粉末)具有非常低的最小引燃能量。惰性化解决了湿气吸收的问题，但没有解决静电带电和粉末压实。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种制造导线的方法，该方法包括：使得由至少一种金属材料形成的带料形成为通道；将至少一种粉末放置到通道中；以及将通道的边缘密封在一起以便生产导线，其中所述方法还包括将粉末和载体液体混合以便形成浆料，以及将浆料放置到通道中。
所述载体液体相对于所述至少一种粉末是化学惰性的。
多种粉末可以各自与载体液体混合以便形成多种浆料，随后将所述多种浆料结合以便形成一种结合的浆料。可替代地，所有粉末可以从最初就被混合于一种浆料内。
本方法还可以包括在浆料被放置在通道中之后进行加热，以便将固体残余物留在通道中。
液体载体优选地为液体碳氢化合物中的一种或者为乙醇、丙酮、乙酸甲酯或乙酸乙酯中的一种。
所述至少一种粉末期望地能够形成超导材料并且因此使得导线为超导导线。
所述至少一种金属材料优选地为Ni、Co、Nb、Ti、Fe、所述这些材料的合金、不锈钢、Mg、青铜或蒙乃尔合金(Monel)中的一种。
带料可以由具有不同导电率的至少两种金属材料形成和/或由多层金属材料形成。
优选地，至少两种不同的粉末被放置在所述通道中。
粉末可以包括B、Mg、MgB2、NbTi、Nb-Al、NbZr、Nb-Sn、Nd、Fe、As(OF)、带有B的Mg、带有Ti的Nb、带有Zr的Nb、带有Al的Nb、带有Sn的Nb中的一种或多种。原位成分为未反应的组分，因此所述原位成分是在热处理时将会彼此反应的单独元素或化合物；非原位成分是已反应的组分，诸如在热处理时进一步反应的化合物。
在特别优选的实施例中，原位成分将为带有B的Mg，非原位成分将为MgB2。
粉末或多种粉末可以包含掺杂添加物，诸如氮化物、硼化物、硅化物、碳或无机碳、金属氧化物、金属元素或有机化合物。
所述通道可以形成为U形轮廓。
本方法还可以包括通过在惰性环境中焊接来密封通道的边缘从而形成密封的导线。
如果期望，可以通过轧制成具有更小的直径来进一步加工密封的导线。
密封的导线可以被热处理。
优选地，本方法作为在线(in-line)生产线中的一部分，为连续的工艺。
导线可以通过机械变形而被拉伸、挤压、压锻、轧制或变形至更小的尺寸，以便生产更小直径的导线。
导线可以被热机械处理以便使得粉末或多种粉末发生反应。
根据第二方面，本发明还提供使用如前文所述的方法制作的导线。
附图说明
现在将参考附图以示例的方式对本发明进行说明，在附图中：
图1示出了导线生产线的示意图；
图2示出了形成生产线的一部分的填充平台的示意图。
具体实施方式
应注意的是，本发明不限于本文中所描述的示例和简图，可以实施各种结合和修改而不改变本发明的目的。
图1为根据本发明的连续无缝超导导线生产线10的示意性图示。由铜片材和钢片材结合在一起所形成的双金属带料10从带料分配器12连续地供给至边缘定轮廓单元14，在所述边缘定轮廓单元处，带料10形成为U形轮廓。在平台16处，由“U”形轮廓的腔形成的U形通道21被无定形粉末的颗粒(所述无定形粉末的颗粒包含于液体浆料中)填充，然后干燥浆料，如同将参考图2更详细地描述的那样。
U形通道随后被闭合辊18闭合，并且在惰性氩气环境中使用在线的焊接设备20沿着所述U形通道的长度对所述U形通道进行接缝焊接以便形成完美闭合的接缝。随后使用辊22将密封的并且被填充的带料轧制成更小的直径以便形成导线28，通常所述导线制造成宽度在10至5mm之间并且厚度在0.8至2.5mm之间。导线28随后在保护性气体环境中经受在线的热处理24，以便确保完成所有成分的融合和化学反应，或者以便软化金属材料使得允许发生进一步的尺寸减小。可选择地，可以进行涡流测量29以便量化导线特性并且确保品质控制。超导导线28随后被储存在线缆组件30上。
图2示出了填充平台16中的步骤。超导导线28所要求的成分通常为与可选的掺杂物在一起的Mg 32、B 34和MgB2 36，以便形成超导MgB2导线。其他粉末成分可以根据所需的导线类型而使用，以便生产例如低温超导体(诸如铌基金属间化合物NbTi)、高温钙钛矿超导体、铁基超导体(诸如NdFeAs(OF))和可以通过粉末装管技术制造的其他超导材料。掺杂的化合物可以为氮化物、硼化物、硅化物、碳或无机碳、金属氧化物、金属元素或有机化合物。
硼粉末和镁粉末分别具有小于10微米的颗粒尺寸(大多数粉末小于1微米)和小于150微米的颗粒尺寸。超导体粉末的颗粒尺寸分布可以在几微米至几十微米之间变化。
工艺开始于将连续供给的平坦双金属带料转化成“U”形轮廓，随后进行独特的粉末供给技术，所述独特的粉末供给技术允许微米尺寸的镁粉末和铜粉末(通常地，直径为300-50微米)以及纳米尺寸的硼粉末和掺杂物粉末被连续地供给至“U”形材料。应用激光接缝焊接技术以便密封导体接缝，从而使得能够进行连续导线生产。
具有不同颗粒尺寸分布、不同颗粒形状和不同颗粒密度的粉末难以均匀地混合。此外，随着细小粉末的颗粒尺寸变得更小，它们的流动性变得非常差并且容易堵塞。
确保导线内的MgB2粉末的同一种品质(纯度、结晶度、密度、厚度)的连续性是重要的。
在图2中，形成导线28所需的成分粉末32、34、36在容器40中的低温沸点液体中混合，其中所述液体不使任何粉末发生氧化。液体可以为(但不限于)甲醇、乙醇或异丙醇。其他合适的液体包括丙酮、乙酸甲酯、乙酸乙酯和其他碳氢化合物。成分粉末可以在一个容器中或者在分离的容器中混合到一起，使得所述成分粉末一旦悬浮在液体内时才被结合。
诸如Mg、B、MgB2、掺杂添加物和其他金属和非金属成分的细小粉末以混合状态转移至容器40或者被分别地转移至所述容器。粉末在诸如乙醇的液体介质41中被混合，所述液体介质(即使在其沸点时)对所有粉末成分均为化学惰性的。取决于粉末复合物，可以使用丙酮、乙酸甲酯、乙酸乙酯、酒精或其他液体碳氢化合物来制备浆料混合物。
粉末被混合直到它们均匀地分布在乙醇中并且以单相浆料形式流动。粉末混合物可以以高达58％的固体成分比例被供给至乙醇中。高于所述比例之后，将粉末混合成单相将变得更加困难。
通过将粉末混合到惰性载体液体中，避免了氧化、湿气吸收等等的问题，并且粉末被混合至更好的均匀水平。粉末的氧化、湿气、静电带电和压缩不再是问题。
浆料混合容器40设计成以细小粉末均一地分散在浆料混合物内而不产生任何离析或优先分离的方式连续地混合浆料。对于相对较小的“U”形轮廓，这确保了在高精度速率下的一致性以及不具有离析。供给管件连接至诸如蠕动泵、螺杆泵和旋转泵的浆料泵或浆料供给装置，以便通过供给管件将混合的浆料通过供给喷嘴泵送至“U”形轮廓21中。
使用标准泵42，浆料随后被供给至移动的U形带料中。带料供给装置可以容易地与泵通信并且调整系统速度。在“U”形轮廓21中的溶液需要在激光接缝焊接之前移除，因此使用在线的加热器44将已填充的带料干燥至任何湿度水平，所述加热器可以为管式炉、陶瓷加热器、红外加热器或感应加热器。通过刮吹热空气或热气体来移除蒸发的溶液，或者使用真空泵抽出所述蒸发的溶液。
保持在轮廓中的混合物随后准备好进行接缝焊接。
干燥后的粉末比现有技术中的以标准混合技术和供给技术制备和供给的粉末混合物的密度更大。密度更大的混合物不仅仅提高了导电性能，还防止在激光焊接期间由于受温度影响的空气膨胀所产生的空气流动而导致的任何粉末移动。本发明可以用于供给至导线中的任何类型的细小粉末或细小粉末混合物。
使用惰性浆料的方法可以用于任何包含粉末的导线的生产中，诸如用于焊接、电弧喷涂和双金属包覆绝缘导线。
因此，使用粉末装管工艺的超导导线可以使用连续自动接缝焊接工艺来制造，所述连续自动接缝焊接工艺基于使用双金属包覆带料和浆料供给系统。
Claims (16)
1.一种制造导线的方法，所述方法包括：将由至少一种金属材料形成的带料形成为通道；将至少两种不同的粉末放置到所述通道中；和利用激光接缝焊接将所述通道的边缘密封到一起以便生产导线，其特征在于，所述方法还包括将所述至少两种不同的粉末和相对于所述至少两种不同的粉末为化学惰性的载体液体混合以便形成浆料，将所述浆料放置到所述通道中，以及在所述浆料已经被放置在所述通道中之后、在所述激光接缝焊接之前进行加热以便在所述通道中留下固体残余物。
2.根据权利要求1所述的制造导线的方法，包括通过将所述至少两种不同的粉末中的多种粉末各自与所述载体液体混合来形成多种浆料，随后将所述多种浆料结合以便形成一种结合的浆料。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的制造导线的方法，其中所述载体液体是液体碳氢化合物中的一种或者是乙醇、丙酮、乙酸甲酯或乙酸乙酯中的一种。
4.根据权利要求1所述的制造导线的方法，其中所述至少两种不同的粉末中的至少一种粉末能够形成超导材料。
5.根据权利要求1或2所述的制造导线的方法，其中所述至少一种金属材料为Ni、Co、Nb、Ti、Fe、所述这些材料的合金、不锈钢、Mg、青铜或蒙乃尔合金中的一种。
6.根据权利要求1或2所述的制造导线的方法，其中所述带料由至少两种金属材料形成，所述至少两种金属材料具有不同的导电率。
7.根据权利要求1或2所述的制造导线的方法，其中所述带料由多层金属材料形成。
8.根据权利要求1或2所述的制造导线的方法，其中所述导线为超导导线。
9.根据权利要求1或2所述的制造导线的方法，其中所述粉末包括B、Mg、MgB2、NbTi、Nb-Sn、NbZr、Nb-Al、Nd、Fe、带有B的Mg、带有Ti的Nb、带有Zr的Nb、带有Al的Nb、带有Sn的Nb中的一种或多种。
10.根据权利要求1所述的制造导线的方法，其中所述至少两种不同的粉末中的第一种粉末为MgB2，所述至少两种不同的粉末中的第二种粉末为Mg和B的混合物。
11.根据权利要求1或2所述的制造导线的方法，其中所述粉末包括掺杂添加物，所述掺杂添加物包括氮化物、硼化物、硅化物、碳或无机碳、金属氧化物、金属元素或有机化合物中的至少一种。
12.根据权利要求1或2所述的制造导线的方法，其中所述通道形成为U形轮廓。
13.根据权利要求1所述的制造导线的方法，其中所述导线通过轧制成更小的直径而被进一步加工。
14.根据权利要求1或13所述的制造导线的方法，其中所述导线被热处理。
15.根据权利要求1所述的制造导线的方法，其中所述导线被热机械处理。
16.一种根据权利要求1至15中的任一项所述的方法而制造的导线。
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