适用于高导电率硬铝芯架空导线的铝杆制备工艺研究

适用于高导电率硬铝芯架空导线的铝杆制备工艺研究

陈涛,蔡宏强,王金淼 

 绍兴电力设备有限公司，浙江 绍兴 312025

摘要：2020年中国正式提出“2030年前碳达峰、2060年前碳中和的“双碳”战略目标”，面对这一战略提出的背景、挑战、机遇，国家电网公司于2021年3月份提出了国家电网发布“碳达峰、碳中和”行动方案，方案着力打造清洁能源优化配置平台，在输电通道的利用效率上，提升跨省跨区输电能力，也意味着在输电工程用节能导线的研制与应用上，提出了更高要求和市场展望。高导电率铝线是展望中市场前景最好的品种，其通过对电工铝导体与稀土优化铝的不断深入研究，将硬铝导电率提高了3%。通过合理控制合金元素的种类、含量及配比，采用合理的加工手段及热处理工艺，实现了合金的细晶强化、加工硬化以及净化晶界的显著效果，从而得到导电率有较大程度提高的高导电率铝杆，其导电率从61.5%上升到63%IACS，高于普通铝杆；高导电率铝杆加工后的铝线力学性能与普通铝线基本相同，完全可以代替普通铝绞线及组合绞线在新建输电线路中使用。

二、关键词：高导电率铝杆；工艺；设计；

一、高导电率铝杆制备主要工艺流程

高导电率铝杆制备的主要工艺流程为：

三、高导电率铝杆配方的优化设计

钢芯高导电率铝绞线不同于普通钢芯铝绞线的最主要因素，就是在电气性能上的直流电阻需要大幅降低，相应的铝单丝导电率要提高 5‰~15‰，在抗拉强度方面，目前为止国家电网公司招标要求虽然与普铝等同，但在实际研制时我们也要求参照特高压大截面导线的要求，提高3%~9%。一般说来，铝线的导电率与抗拉强度呈负相关的关系，所以往往大幅提升铝线的导电率的同时就需要牺牲一定的抗拉强度，如果同时优化两者，在线缆同行中普遍认为有较大的技术难度。

而对铝线的性能提升的前提保障，就首先要求对铝杆制备的技术要求的提升。在原材料铝锭的选择上，我们分别采用A公司和B公司的99.8%以上的高纯铝锭进行试制，在铝杆样品测试中发现，A公司质保书上的铝锭含铝纯度更高，但制得的铝杆的直流电阻测试结果反而比B公司的还要高。经过研究分析，我们确定了高纯铝杆的导电率和抗拉强度与铝中的多种杂质含量及主要杂质铁(Fe)硅(Si)含量比例有敏感关系，此外还与铝杆中存在气孔等缺陷有关。任何杂质的存在，都会使铝杆的抗拉强度有所提高，但伸长率降低，电阻率明显增大。首先，铁、硅比即W(Fe)/W(Si) 值越小，电阻率越小，但当W(Fe)/W(Si)<1时，铝、铁、硅会生成硬脆的β相（Al12Fe3Si2）为主的形态，使铝杆的伸长率和抗拉强度降低，严重影响铸造性能，使铸坯组织疏松，不利轧制，只有当W(Fe)/W(Si)>1时，铝、铁、硅则生成α相（Al9Fe2Si），虽也是硬脆相，但与β相比，其形变性能要好得多，所以在其它杂质的含量相同的条件下，控制铁、硅含量和铁、硅比W(Fe)/W(Si)是铝杆生产中提高导电率和抗拉强度的技术关键；其次，杂质元素对铝的电阻率的影响强烈程度依次为：铬(Cr)、锰(Mn)、钒(V)、钛(Ti)、镁(Mg)、铜(Cu)、锌(Zn)、铁(Fe)、硅(Si)，因此除铁、硅之外的微量元素的存在是不容忽视的。对比A公司和B公司的铝锭，虽然A公司铝锭纯度有一定优势，但是在铁、硅配比上与B公司存在一定的差异，并且在微量元素的比重上，A公司又比B公司含量多，才会出现测试结果上的劣势，因此在铝锭的选材上，我们倾向于B公司的配比。

定性分析之后，我们就进行杂质含量及铁(Fe)、硅(Si)含量比例的定量研究分析，通过对试制的各炉次铝水采样，将后续符合导电率和抗拉强度性能提升要求的“铝杆-硬铝线-成品铝线”对应试样的光谱检测结果统计汇总，符合要求的采样数据越多，统计分析结果的精度越高，分析结果中的各元素含量用于重新定义高导电率铝专用试块元素的含量上限值，并制备专用标称标样，提高试验结果的精准可靠性。

下列图表为精炼高导电率铝中部分主要杂质光谱试验的散点分布图：

根据上述实验及分析结果，本项目确定了以下高导电率铝杆的配方优化设计思路：

①确定能满足高导电率要求的铝杆新配方如下：铝(Al)≥99.75%，硅(Si)0.03%~0.05%，铁(Fe)0.09%~0.13%，铁(Fe)：硅(Si)为2.0~3.0，钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)等影响电阻的微量元素0.0015%~0.006%。

②根据铝杆新配方要求，按重量搭配法初选原铝锭规格如下：铝(Al)≥99.70%，铁(Fe)≤0.13%，硅(Si)≤0.05%，铁(Fe)：硅(Si)为2.0~3.5之间，其他杂质单个含量≤0.015%。

③在精炼工序中，通过添加硼化剂、稀土元素等，使铝锭经精炼后，符合铝杆新配方的要求。

三、高导电率铝杆加工工艺的研究

针对现有技术的存在问题，本项目提出了一种更加优异的加工工艺，

我们主要从精炼、铸造和轧制等方面对现有技术进行升级。

1.一级精炼除杂质：为了达到新工艺配方，精炼需采取措施去除多余杂质：当铝液中影响导电率的微量元素钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)的总量大于0.01%时，需向保温炉中的铝液加入硼化剂（铝-硼合金），硼化剂含硼(B)元素相对于整炉铝水含量控制为0.015%~0.025%；当铝液中硅(Si)元素的含量大于 0.06%，可以进行混合稀土（铝-稀土合金）优化处理，加入稀土元素量相对于整炉铝水含量控制为0.015% ~0.025%，我们发现稀土的加入可促进精炼剂的活跃性和精炼的有效性，催化硼化剂与微量杂质的反应，提升合金基体韧、塑性和强度的均匀性。而针对传统精炼剂，优点是能满足生产工艺要求、成本低，但缺陷是黑烟浓重，刺激性大，造渣过多，铝烧损大，现采用氟铝酸钠（Na3AlF6）、氟铝酸钾（K3AlF6）替代传统的氟化钠（NaF），同时还采用铈（Ce）、镭（Ra）等稀土替代更新配方，达到低烟精炼。二级精炼除氢气：可借助与喷射精炼剂的同时，采用多孔球状吹氮管向铝液中通入0.5~0.8Mpa压力的高纯氮气，以“井”格状来回缓慢均匀吹入，促进弥散铝液中微细小气泡与熔剂协同作用，弥散气泡上升过程中带走氢气及残留夹杂物，迁移到炉面铝液的表面，以实现铝液净化渣液分离的目的。精炼和静置时间的控制也是十分重要的，不是时间越长越好，一般精炼控制在45分钟左右，静置控制在30分钟左右，时间越长，铝越容易烧损和吸气，实际生产过程中确实证实了“铁是百炼成钢，铝是百炼成渣”这句话。

2.人工控制浇包中铝液液位，如保持不稳定，与浇铸铝坯速度不匹配，液流供应不上会形成条坯和铝杆内部疏松和缩孔。我们将原先的钓鱼式（人工控制上浇包的出铝液流量）改成了自流式（上浇包流出的铝液由杆秤式平衡塞控制流量），通过参照物提示，浇包液位始终与铸造速度保持一致，避免了液位过高溢出结晶轮和液位过低发生疏松和缩孔。

3.铝杆生产条件不合理，连铸条坯温度太低及轧制降温过大，会造成铝杆机械性能差，表现为抗拉强度偏高而延伸率偏低，导致铝杆拔丝时发生脆断的质量问题。为改善以上现象，我们对结晶轮的水冷系统进行了延长，调整冷却水总量，并通过拍打反射方式，降低直射水压，改局部降温为匀化降温；在连轧机组前面增设了轧前冷却设备，多组内部喷头设有顺、逆条坯前进方向，在散射水花的作用下，既可以起到冷却缓冲又能达到进轧前冷却温度的要求，减轻轧机乳化液喷溅轧条引起的温度骤降影响；为了降低铝杆的收线温度，改善铝杆的性能不均匀性，我们采用“繁花曲线规梅花状绕线”，即出线幅度角度可控，绕大圈和绕小圈可以间歇进行，同时采用繁花曲线规的原理，绕圈中心有一定偏差；其次收线篮旋转方向和旋转速度的控制，有利于梅花绕线的实现，最终实现铝杆收线散热。

四、结论

采用以上改进后工艺方法制备的高导电率铝杆电阻率和抗拉强度可达到 ：其导电率从61.5%上升到63%IACS左右，即20℃时的电阻率不大于27.367nΩ·m（国家标准GB/T3954-2014牌号为1A60，状态为H16电工圆铝杆20℃时电阻率为28.01nΩ·m）；抗拉强度平均达到125~133MPa（国家标准为不小于120MPa），伸长率可达到8%（国家标准为6%）。相比现有技术中的铝杆，20℃电阻率、抗拉强度和伸长率都得到了明显的提升。

参考文献：

[1]徐静，汪传斌，冯砚厅. 钢芯高电导率（63%IACS）铝绞线的开发及应用  光纤与电缆及其应用技术，2016年第4期，17-21

[2]程雪梅. 电工圆铝杆电阻率偏高的影响因素及对策  甘肃冶金，2007年10月，第29卷第5期，70-73

[3]杨钢，何正夫，张红耀，郑兴贵，王吉坤. 含稀土、硼的高导电率电工圆铝杆试验研究  轻合金加工技术，2005，vol.33，X7，38-40