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电工铝合金相关资料
第一部分 综述
电工铝即用作电导体的特殊工业纯铝，说它特殊是因为其铝含量处于工业纯铝的范畴，但杂质含量却要低于一般工业纯铝，尤其是硅含量须低于0.10%，因此，电工铝就单独制定了标准并赋予专用型号-AL 99.70E和AL 99.65E。但由于我国的铝土矿含硅量高，而且铝厂生产电工铝的成本高，因此，重溶用电工铝锭的产量远远不能满足电线电缆的生产需要，于是，电缆厂不得不拓宽电工铝的原材料，而采用工业纯铝的某些牌号来加工，其中用的最多的就是引《GB/T 1195-重溶用铝锭》规定的“AL 99.70A“和”AL 99.70“俗称“双0铝”.虽然“双0铝”的杂质含量比专用电工铝略高，但只要重溶精炼和轧制工艺控制得当，拉制铝线的性能完全可以满足《GB 3955-电工圆铝线》和《GB/T 17048-架空绞线用硬铝线》要求，常用作电工铝的工业纯铝型号及其主要化学成分。
2003年我国电缆工业电工铝导体的总用量已达90万t，名列世界前茅。现在，我国电缆工业已可按国际先进标准生产各种架空导线，达到了材料全部国产化，不需进口和内外销两旺的可喜局面。在举世瞩目的三峡工程中已应用了以直流超高压(土500 kV)、长距离(1 000 km级)和大截面(ACSR 720／50)为代表的技术要求高的钢芯铝绞线，以及AAcsR／EsT(450／200和640／290)特强钢芯高强度铝合金导线、光纤复合架空地线(OPGw)、铝包钢导线、耐热铝合金导线等新产品。
当今，中国的电力需求十分迫切，大容量的输、配电线路，无论新建的大容量输电线路或老线路的市场需求，又开发了经改进的高导电(60％队cS)、耐热150℃铝合金线，以满足架空输、配电线路的需要。
我国高端架空导线产品，诸如高强度铝合金导线、耐热铝合金导线、钢芯铝绞钱、铝包钢导线、特种导线等，应用滞后，并不是因为这些产品的技术开发和生产能力不足，而是因为市场用量太少。而市场用量不大的原因，主要是用户太偏重于经济方面的考虑，而忽视了产品的性价比和应用的必要性。然尔，这种状况正在逐步改变。
来自国家电网的有关数据显示，国家电网对特种导线的使用量明显增加。国网一批特种导线招标总量2011 年与2010 年同比增加439.41%。国网二批特种导线招标总量2011 年与2010 年同比增加82.35%。地方特种导线2011 年一季度与2010 年一季度投标总量同比增加274.77%，中标量同比增加196.62%。长江三峡及西部水电站的输电线路建设会带动至少90 万吨架空导线增长，各类架空导线平均每年增长10%。
有资料表明，今后2~3 年，架空导线和电力电缆市场将以6%~8%的速度增长。在今后一个较长的时期内，钢芯铝绞线(包括铝绞线)仍然是我国高压线路所采用的主要品种，其中铝合金导线在钢芯铝绞线中比例将有所扩大。铝合金线包括铝合金绞线，钢芯铝合金线等。
第二部分
稀土电工铝
我国稀土资源丰富，列世界第一。我们采用了丰富的混合稀土金属优化处理非电工级铝，并在铝连铸连轧生产线上生产出优质的电工圆铝杆，然后生产出“稀土铝导线”。“稀土铝导线”不是一种新的铝．而是用混合稀土金属对非电工级铝进行工艺处理而制成的电工铝导线，简称“稀土铝”或“稀土铝线”或“稀土铝导体”。
2.1 稀土材料在国内的发展现状
稀土金属具有独特的化学活性,加入铝和铝合金熔炼过程和材料中,显示出明显的净化、细化和合金化效果而被广泛应用。我国铝稀土合金的应用开发萌芽于二十世纪六十年代,虽然比国外晚约30 年,但发展速度快,后来居上,首先将稀土金属用于66Si 活塞合金。七十年代为初创时期,铝稀土在AlSi 加强型输电线和FeCrAl 电热丝中获得应用。1980-1985 年为发展时期。在应用方面,广州有色院发现加入稀土可以提高铝的导电率和耐腐蚀性,在稀土电工铝和铝制品中的应用取得突破性进展。在冶炼方面,中科院长春应化所笔者领导的研究室创造性地获得了“在较低温度下(690～750 ℃),电解制取铝稀土中间合金系列”,为研发稀土在铝和铝合金中的应用提供了物质条件;中国相继发明了往铝电解槽中添加稀土化合物,直接生产铝稀土合金新工艺。1984 年长春应化所主办了我国铝稀土合金生产、应用和分析学习班,30 多个单位66 名技术人员参加形成一个高潮。1988 年稀土电工铝通过国家鉴定,国务院稀土办和能源部科技司联合下文推广应用1990～1995 年为黄金时期,我国将稀土和铝这两门不同学科更紧密地结合起来推动稀土铝的科研、生产和应用以惊人的速度全面发展,与我国自己开发的稀土农用、毛织物染色、稀土铸铁等并驾齐驱,在世界上颇具特色,处于领先地位。
稀土元素的加入使得稀土铝合金成为一种性能优良、用途广泛的新型材料。目前稀土铝合金的产量已近全国铝产量的1/4。
2.2 稀土材料在电工用铝合金中的作用
稀土在铝和铝合金中应用相当广泛,使用它做合金添加剂和混合稀土金属相比,烧损率大大下降,不仅降低了成本,而且使稀土在合金中的含量增高.使用稀土铝合金的材料,其性能优越,一般可使其耐磨、抗蚀、机械强度及其延伸率等都有较大提高.如加入0.15 %～0.25 %
稀土的铝导线,其导电率可提高1 %～3 %,达到并超过国际电工委会的标准[1].用稀土铝合金生产的钢芯铝绞线,耐振性显著增强,振动3 000 万次未发现有疲劳断股.用稀土铝合金生产的金属铝箔由于稀土的作用使合金基体得到了强化,其平均比容较纯铝箔提高25 %～50 %,机械强度提高14.3 %～42.8 %,延伸率提高25 %～50 %,用在10V10-4F 电容器上,体积缩小了2 个壳号,重量减轻47 %,因此稀土铝箔是一种生产电子原器件较为理想的材料
具体到电工行业，稀土的应用一般如下：
1.高导电稀土铝导线(铝盘条、铝绞线、钢芯铝绞线)：除气、除杂、细化组织,提高导电率和耐腐蚀性,改善物理和加工性能。铝母排(大电流输电)：除气、除杂、细化组织,提高导电率和耐腐蚀性,改善物理和加工性能。
3高强度稀土铝合金导线(大跨越、高山、高压输电线和电车线)：改善耐震性能, 强度高, 重量轻,弧垂性能好,使用寿命长耐热稀土铝合金导线(变电站和大电流母线)：载流量为纯铝线的116～2 倍,使用温度高(可达150 ℃)5 铝箔(包装、装饰和电容器)铝簿板和带:除气、除杂,细化组织,提高热轧与冷轧板、带、箔变形塑性,减少断裂,提高加工成品率
锆和稀土在耐热铝合金导线中应用广泛,其中添加了锆元素的耐热铝合金导线,可以在基本保持导电性的同时,大幅度提高导线的耐热性,从而使导线可以通过更大的电流;而稀土可以提高铝合金的导电性能和力学性能等.第三部分 铝圆杆
在电工侣导体生产中, 铝杆的质量直接影响铝线的性能和拉线的生产率, 因此设法生产出优质的铝杆对电工铝导体生产具有决定性的作用。目前，全世界生产的铝约有14% 用作电工材料，连铸连轧生产的电工圆铝杆作为基础加工材料，经过进一步的加工，是电力行业应用最广泛导电材料，在发达国家和发展中国家均有很大的市场需求量。
3.1
电工圆铝杆的技术与发展
电工圆铝杆在我国的发展、研究与应用大致经过了普通纯铝电工圆铝杆、稀土电工圆铝杆、高强度铝合金杆、高纯度电工圆铝杆阶段，现向高导耐热方向发展。3.1.1普通纯铝电工圆铝杆
导电用铝既要求有高的导电率，又要求有足够好的力学性能。国际电工委员会规定导电
纯铝的成分为: Si ≤0.10% Fe ≤0.40% Cu ≤0.05% Mg ≤0.01% Cr ≤0.01% Zn ≤0.05% B ≤0.05% V+Ti ≤0.02% 其他元素每种≤0.03% 其他元素总和≤0.10% Al ≥99.5%。世界铝工业大国及有关组织在此基础上根据本国或本地区铝工业发展情况分别制定了相关的产品标准，虽各具特色，但主体元素与国际电工委员会规定的含量要求基本一致；抗拉强度介于60MPa ～ 150MPa 之间； 在20 ℃ 时电阻率维持在国际退火铜标准（IACS）62.6% ～ 60.3 % 之间，根据加工状态，一般分为5 个档次。
1983 年，根据当时铝工业发展状况，我国颁布实施了国家标准GB3954《电工圆铝杆》，受当时生产工艺的影响，Si 含量只有控制在0.09% 以下，才能生产出符合要求的产品。根据力学性能，分为4 个档次，抗拉强度分别为60MPa ～ 80MPa、80MPa ～ 110MPa、95MPa ～ 130MPa、115MPa ～ 1470MPa；对应等效电阻率分别为（IACS）62.58%、61.90%、61.55%、61.55%，为了符合我国当时的拉制工艺要求、保证最终产品品质，对纯铝电工圆铝杆的伸长率作出要求，分别为25%、14%、12%、8%。3.1.2 稀土电工圆铝杆
在普通纯铝电工圆铝杆在电线电缆行业得到广泛应用之时，有些性能缺陷在特殊的生产工艺下显现出来，为了消除缺陷、获得更高品质的产品，生产厂家和科研院所从不同的角度对纯铝电工圆铝杆进行研究。20 世纪末21 世纪初，各项研究表明稀土在铝中起到除气除杂、晶粒细化的特性，能提高铝的耐腐蚀性、抗拉强度、蠕变强度，对导电率也有一定的提高作用，可显著改善加工性能。包头铝业、云南铝业、上海电缆研究所等均进行了相关研究，并实现产业化生产。2001 年，根据有色工业协会安排，包头铝业等单位负责修订1983 版国家标准GB3954《电工圆铝杆》时，稀土电工圆铝杆作为单独的材料分列出来，稀土元素含量要求为0.10% ～ 0.30%。本次标准修订，各项指标等效采用国际先进标准，为国际市场的开拓奠定了技术支持。3.1.3高强度铝合金杆
制造电线与电缆的普通纯铝电工圆铝杆在冷作硬化状态下的抗拉强度是150MPa ～ 170MPa，约相当导电率相同的钢强度的65%。一般情况下，强度可满足要求，但在冰动、大风等恶劣的气候下，危险较大，故只能制作小载荷或无载荷的电线和电缆。于是，研发了高强度的合金电工圆铝杆来解决这个问题。通常用的、国际上较为成熟的合金电工圆铝杆主要有6101、6201、3003、5005 等。3.1.4高纯度电工圆铝杆
研究表明，高纯度的铝（铝含量在99.99%）在20℃的导电性能：电阻率为26.548nΩ·m；
等体积的电阻率为（IACS）64.94%。在低温时，铝的导电性能对纯度十分敏感，99.996% 或纯度更高的铝在1.1 ～ 1.2K 时可能成为超导体。含铝在99.5% 以上的工业纯铝挤出的95mm2、150mm2 和240mm2 截面积实芯铝电线特别软，容易铺设，经应用证实，高压地下电缆不再需要采用绞合导线，可直接使用实芯铝导线。目前，国内有些厂家已经掌握高纯铝电工圆铝杆的轧制技术，具备批量生产的能力，且工艺技术和产品质量均达到了世界先进水平，部分高纯圆铝杆牌号已纳入相关国家标准。3.1.5 高导耐热铝合金杆
目前国际架空输电线路用铝合金导体材料的研究和开发，已由高强度领域转向耐热方向。电力工业突飞猛进的发展趋势，迫使输电线路向高压化、大容量化、远距离化方面发展和延伸。在电压一定的前提下，提高输电电流密度，即提高导线单位面积的输电容量就显得尤为重要。在三峡水利工程及北京奥运场馆的建设中有些耐热铝合金导线已经得到应用。
3.2 生产过程、处理和质量监控
下图为电工用铝圆杆生产流程图：
3.2.1 铝锭成分
铝锭的成份对导体的性能, 特别是导电率具有决定性的作用。国外采用最低纯度为的99.81-99.66%、含硅量在0.05%左右的超高纯、高纯、中高纯和中低纯铝生产电工用铝杆。我国电线电缆厂的进料铝锭品位比较杂, 有电工级的和非电工级的国产和进口铝锭。我国有一部份铝矿资源的含硅量比较高, 因此侣锭的含硅水平比较高, 这样都为生产符合要求的电工用铝导体在技术上增加了难度, 因此必须采取相应的技术措施。目前我国已可采用最低纯度为99.65%，含硅量不大于0.08%或最低纯度为99.5%、含硅量不大于0.13%(使用稀土优化处理工艺)的铝锭, 生产出符合国际通用标准要求的电工用铝杆和铝线。
3.2.2 工艺过程
铝锭在竖炉中连续熔化, 竖炉可用燃料油、城市煤气、天然气、热煤气和煤等形式能源加热, 炉体中的部分炉壁采用铁砖以增加炉龄。熔融的铝液经预处理装置进入两个交替使用的保温炉。预处理装置具有加入中间合金、炉外精炼、瓜份均匀化和减轻劳动强度的作用。保温炉可选用电、燃料油、城市煤气、热煤气和天然气等多种能源加热。每个炉子的容量为8t左右, 在炉中监测铝液的关键元素铁、硅和稀土, 并完成必要的工艺处理, 精炼、均匀化, 实现铝液自动控温。铝液流经流槽（普通流槽或电磁流槽）, 通过玻璃丝布或其他要求较高的过滤装置过滤后, 进入中间浇包, 然后进入铸机。进入铸机的流股籍浇包上一级或二级天秤装置和人工操作保持稳定。3.2.3 工艺处理
为了保证铝杆和铝线稳定地符合规定的要求, 不仅要严格控制工艺参数, 而且特别在采用非电工级铝, 品位杂、含硅较高的情况下, 通过配料, 在最佳技术经济条件下有选择地和有针对性地采取必要的工艺处理措施是很重要的。
①配料： 影响铝导休导电率和强度的主要杂质元素是硅、铁、铜、钛、钒、锰、铬。在采用一部份非电工级铝或全部为非电工级铝的条件下, 通过配料控制铝液的成份, 使不同的铝锭配在一起取长补短, 达到规定的成份要求, 并为以后在最佳技术经济条件下进行工艺处理创造条件。
②稀土优化处理： 因为稀土元素在电工铝导体中具有变质的作用, 可降低硅对导电率和工艺性能的有害影响。所以在我们的连铸连轧生产线中, 已发展了一种稀土优化处理的方法, 成功地解决了稀上的加入方法、加入工艺, 找到了稀土的较优技术经济加入量。稀土优化处理是在连铸连轧生产线上连续生产的过程中, 用稀土含量10%左右的铝一混合稀土中间合金, 对铝液进行处理的一种方法
应用稀土优化处理, 可采用含硅量较高的铝锭, 从而可扩大电缆工业所需原料铝的来源。③硼化处理： 硼在铝中可降低钛、钒、锰、铬微量杂质对导电率的有害影响, 用硼铝中间合金在预处理装置中加入, 由于流过预处理槽的铝液温度不高, 一般在700℃左右, 所以硼铝中间合金慢慢地溶于铝液中,并且由于预处理槽的自搅拌作用使硼化剂在铝液中分布较为均匀, 同时硼与4个微量元素也有足够的反应和沉淀时间。因此在预处理槽中加入硼化剂比在保温炉中加入效果更好。
根据国产铝含硅比较高, 钛、钒、锰、铬含量比较低, 而进口铝含硅低, 钛、钒、锰、铬高的特点, 从技术、经济两方面考虑, 取长补短按一定比例搭配使用, 施行低硼量的硼化
处理。
硼化剂的加入量与4种微量元素的含量、铝杆的导电率要求以及处理每吨铝的费用密切相关, 当含硼量达到一定程度时, 再加入更多的硼化剂不会明显地提高铝导体的导电率, 反而引起经济上的浪费。
④加铁处理： 为了保证直径4.0毫米以上硬拉铝线的抗拉强度达到规定的要求,当原料铝中含铁量偏低时, 需要进行必要的加铁处理。加铁处理应在保证导电率合格的条件下, 在铝液中加入适量的铁铝中间合金。
⑤质量监控： 质量监控对稳定生产起着很重要的作用。在电工铝导体生产中, 应建立以铝杆为中心的全面质量控制体系。这个体系主要包括工艺监控、制品监测和铝杆质量分等管理三个部份。工艺监控的主要环节是成份、温度和冷却。制品监测的主要内容是对铝杆的导电率、抗拉强度和伸长率, 及时检测、统计和反馈, 与工艺监控互相配合。铝杆质量分等管理, 是按铝导线的用途对铝杆质量进行分等使用的办法。在电线电缆厂里为制造架空导线用的硬拉铝线, 质量要求最高, 因此通过分等使用可达到物尽其用, 充份利用原材料的目的。
第四部分
铝导线
4.1 铝导线应用情况及发展前景
全铝合金架空线的使用, 迄今已有近60多年历史, 所用的铝合金主要是以铝一镁一硅系列为基准。在此期间, 由于铝合金性能的改善, 以及人们对所有铝合金导线比钢芯铝绞线更优越的认识, 使全铝合金架空线的使用已非常广泛。全铝合金架空线带给用户的利益包括:提高了载流量, 降低运行成本, 简化了安装架设以及其它许多问题。全铝合金架空线现有较多的标准, 如英国标准(BS)、法国标准(NF)、国际电工委员会标准(IEC)、德国标准(DIN)、美国材料试验标准等等, 这些标准在对组成导线的铝合金单线的性能规定上略有差异。有些电力公用事业单位也编制了自己的技术参数规范, 它们都是基于以上标准附加了一些特殊要求。
2003年我国电缆工业电工铝导体的总用量已达90万t，名列世界前茅。现在，我国电缆工业已可按国际先进标准生产各种架空导线，达到了材料全部国产化，不需进口和内外销两旺的可喜局面。在举世瞩目的三峡工程中已应用了以直流超高压(土500 kV)、长距离(1 000 km级)和大截面(ACSR 720／50)为代表的技术要求高的钢芯铝绞线，以及AAcsR／EsT(450／200和640／290)特强钢芯高强度铝合金导线、光纤复合架空地线(OPGw)、铝包钢导线、耐热铝合金导线等新产品。
目前，我国已是铝的世界第一生产大国。我国的铝矿资源含硅较高，在深脱硅技术没有解决的情况下，曾严重影响电工铝导体的性能和生产。其主要问题是导电率低下，达不到国际公认的61％1ACS的水平及与其相制约的强度问题。稀土优化综合处理技术为我国电工铝导体和稀土电工铝导体提高导电率，解决量大面广的国产的材料来源和达到工业化的稳定生产等方面实现了具有中国自主知识产权的技术创新，使我国的电工铝导体生产达到了国际先进的水平；在电工铝导体的生产装备上，适合中国国情的生产设备亦已基本配套。
当今，中国的电力需求十分迫切，大容量的输、配电线路，无论新建的大容量输电线路或老线路的市场需求，又开发了经改进的高导电(60％队cS)、耐热150℃铝合金线，以满足架空输、配电线路的需要。
我国高端架空导线产品，诸如高强度铝合金导线、耐热铝合金导线、钢芯铝绞钱、铝包钢导线、特种导线等，应用滞后，并不是因为这些产品的技术开发和生产能力不足，而是因为市场用量太少。而市场用量不大的原因，主要是用户太偏重于经济方面的考虑，而忽视了产品的性价比和应用的必要性。然尔，这种状况正在逐步改变。
来自国家电网的有关数据显示，国家电网对特种导线的使用量明显增加。国网一批特种导线招标总量2011 年与2010 年同比增加439.41%。国网二批特种导线招标总量2011 年与2010 年同比增加82.35%。地方特种导线2011 年一季度与2010 年一季度投标总量同比增加274.77%，中标量同比增加196.62%。长江三峡及西部水电站的输电线路建设会带动至少90 万吨架空导线增长，各类架空导线平均每年增长10%。
有资料表明，今后2~3 年，架空导线和电力电缆市场将以6%~8%的速度增长。在今后一个较长的时期内，钢芯铝绞线(包括铝绞线)仍然是我国高压线路所采用的主要品种，其中铝合金导线在钢芯铝绞线中比例将有所扩大。铝合金线包括铝合金绞线，钢芯铝合金线等。
4.2 铝包钢芯铝导线
架空输电线的导线的基本要求：要有良好的导电率；具有一定的机械强度以支持其自身的重量及外来的自然荷重(风荷载、冰荷载)。铝比铜有更高的强度重量比以及更好的导电性能与重量比。即某一特定的强度及导电率可以从较轻的重量中获得。铝的比重小。而且资源丰富．价格也比铜低得多。
大档距的高压架空输电线路，则需由一种高强度的钢绞线作为输电线路导线的加强芯，组成钢芯铝绞线。由于科技的高速发展，在线路上用铝合金绞线代替钢芯铝绞线已在国际上广泛应用。
铝包钢芯铝绞线与钢芯铝绞线相比有以下优点。
(1)普通钢芯铝绞线的内层铝单丝与镀镁钢丝直接接触，在外界水汽和污染浸渍下两种金属之间产生电位腐蚀，加速了钢芯的老化。而铝包钢芯铝绞线的钢丝被铝层包裹而不与铝股接触，避免了电腐蚀，且与空气中的水汽隔绝，进一步提高了抗腐能力，延长了导线使用寿命。(2)铝包钢芯比镀锌钢芯、稀土锌铝合金镀层钢芯和镀铝钢芯的耐雾腐能力分别提高11倍、5.5倍和2.1倍，可见采用铝包钢芯对延长镀锌使用寿命有显著效果。
(3)采用20％IAcs的铝包钢锌可使铝包钢芯铝绞线的铝截面比钢芯铝绞线增加，导线电导 率增加。
(4)铝包钢芯铝绞线与钢芯铝绞线相比，水平荷载相同，最大使用张力相差不大，但由于单位自重轻，弧垂略小，施放档距略大。
(5)铝包钢芯铝绞线在国外有较长的运行历史，国内近年已有生产厂家引进国外制线设备生 产，并在华东、华北地区使用。
现就目前几种常用的导线的结构、特性、载流量等参数等进行对比介绍。4.2.1导线防腐能力
传统钢芯铝绞线的镀锌钢芯在内层，与铝层接触，当导线暴露在有一定湿度的大气环境中，由于表面的吸附作用，使钢丝与绞线表面形成一层水膜。锌铝接触形成电位差，再加上水膜的电解作用，加剧了钢丝表面的腐蚀作用。
铝包钢绞线的内层钢线表面是纯度很高的铝层(>99．5％)。水气无法渗透人内层钢丝，而铝层与外层的铝线接触也不会产生电位差，耐腐蚀能力大大提高
另外，传统钢芯铝绞线的易腐蚀的钢芯在导线内层，当导线运行时间比较长(超过10a)，在污染比较严重的地区(或者盐雾区)，由于外层是较耐腐蚀的铝线，导线表面状况虽可能良好，但是内层钢线的腐蚀可能已经非常严重，运行单位判断导线的腐蚀情况相当困难}而铝包钢绞线的内外层都是铝层，腐蚀情况基本一致，可以最大限度的利用旧导线，提高导线的使用寿命。
4.2.2 导电性能与载流量(1)导电性能
导线的导电性能与铝钢比有直接的关系，铝钢比越高，导电性能越好。由于铝包钢绞线用包覆铝层的加强钢线取代了镀锌钢线，铝的总面积增加，导电率也会相应增加，电阻下降。对两种结构、截面、外径均相同的绞线进行对照,可以看出两种导线的结构参数基本相同，但铝包钢芯铝绞线的直流电阻比钢芯铝绞线小了1．6％；而重量则前者比后者要轻1．5％(正
因为这样，厂家在铝包钢芯铝绞线的成本提高的前提下能够做到等长等价)。(2)裁流量
架空导线的载流量是受导线载流发热后的强度损失制约的。我国对架空线的允许温度定为70C。在相同温度时导线载流量与交流电阻成平方根反比关系。因此，电阻越小，载流量越大。
4.2.3 导线的机械特性
在相同条件下，铝包钢芯铝绞线的机械特与传统钢芯铝绞线基本相同．在较大档距时，弧垂甚至优于钢芯铝绞线，这样可能减少铁塔数量，节约投资。
4.3 全铝合金导线工艺
全铝合金架空线是比较容易架设安装的, 并且其生产工艺状况对导体最终特性的影响是显而易见的。全铝合金架空线在输电线路中使用正呈现持续增长趋势, 因为越来越多的电力部门已认识到它比钢芯绞线有着更好的技术和经济效益。安装是否简单迅速, 能否简化维护保养和降低传输损耗, 都是新建线路或改造老线路时选择导线的重要因素, 相对于钢芯铝绞线而言, 全铝合金架空线的额外费用将会在使用中迅速回收。
铝导线制造的正常工艺路线是: 将熔融金属浇铸轧制成杭经拉线后绞制成导线。对于全铝合金架空线, 则在上述工艺路线中必须增加金属合金化、固溶、淬火和人工时效热处理等步骤。所以, 全铝合金架空线的工艺路线为: 在金属熔融中对金属进行合金化, 铸轧成托固溶处理, 淬火, 拉线, 人工时效热处理和最终绞制成导线。为了获得成品导线所要求的性能, 上述每一道工艺都是必须的。对于工艺有许多混淆, 这是因为工艺过程可以有一些灵活性, 并且有可能将多道工序结合成为一道工序。由于随生产状况不同而建立的工艺差异是存在的, 但是下表所列出的基本要求都必须达到, 这样才能获得所需要的最终特性参数。
合金化即获得正确配比的合金组成,只能在熔融态进行。它不仅应对硅和镁的含量要仔细控制, 而且对其它杂质, 特别是铁以及铬、钛、锰和钒的含量亦要严格控制。熔融的铝合金必须马上铸造。其途径有两条, 一种是先将金属铸成锭子, 再在后一工序轧制成杆 另一种是在Properzi机组上连铸连轧成铝合金杆。连铸连轧则是更好的一种工艺路线, 这不光是技术的原因, 更主要的是其经济性。
在熔融状态下将合金元素加入溶体中,因而在连铸连轧过程中可以通过控制温度来获得固溶体。否则将需要分别进行固溶处理和淬火。
拉线可按通常方式进行。但因为铝合金比纯铝要硬, 因而需要采用功率更大的拉线机进行拉制。
在拉线过程中, 如果线材温度过高, 则会导致线材部分热处理的更为复杂状况, 故在拉线时调节线温是重要的。至于线模方面, 由于杆材硬度高, 聚晶线模被广泛使用, 碳化钨模也可使用, 但必须小心。
对拉制后的成盘单线进行人工时效, 通常是在电阻炉或煤气炉中完成, 时效时间及温度应根据最终所要得到的性能参数而定,整个过程需要严格控制。人工时效的另一种方法是在拉线前的轧杆过程中进行, 其进一步的变化是利用拉线过程中所产生的热量,实施人工时效热处理, 其间应特别注意控制拉线速度和温度。
绞制通常在星式纹线机本刚体纹线机上进行。由于全铝合金导线相当“ 活泼” , 在绞 制时还必须采取前成型或后成型措施。这意味着导线通过牵引后需处理成为螺旋形。由
于采用单线的前成型使之成为螺旋形, 或对导线采用校直滚筒的后成型, 任何由单线的刚性所形成的残余弹性便会得到消除。
4.4 耐热铝合金导线
我国急需开发用于高架输电线路中的新型耐热铝合金导线,此类导线应具有较高的强度(不低于295MPa)、高导电率(60% IACS左右);短期与长期运行温度分别不低于150 ℃与230 ℃。新型导线的研发必须综合考虑强度与导电率、载流量与线损及弧垂的关系。导线还需具有良好的抗热膨胀性、抗蠕变性、一定的延伸率、较好的耐蚀性等以延长其使用寿命。在线路狭窄地区,只需更换相近截面规格的旧导线,基本上不需要征用土地更换铁塔,就能满足增加输电容量的要求,使原有线路提高了输电容量40%至60%,不仅能节约大量的工程投资、架塔所需的土地资源,而且施工快速。新型导线也有一些缺点,如价格比普通导线高、线损较大等,但是从综合经济效益来看缺点完全可以弥补。目前国内使用新型耐热铝合金的输电线路很少,我们应对这些线路进行调研并总结设计和运行经验。我国已具备了一般耐热导线与金具的研制和生产能力。1 导线的分类
耐热铝合金线根据耐热等级和强度分为高导电超耐热(ZTAL)、超耐热(UTAL)、特耐热(XTAL)、耐热(TAL)和高强度耐热铝合金(KTAL)五种,按导电率分有58%、60%、55% IACS等几档[ 1 ]。在几十年的发展中尽管牌号甚多,但都属Al2Zr系合金。2 导线的特点
耐热铝合金导线具有很多普通导线所不及的特点,由于Zr的添加提高了其耐热性,即导线允许的工作温度,从而提高了载流量;高温下较高的强度保证了较小的弧垂;具有较好的耐蚀性能等。3 生产的工艺
目前主要采用连铸连轧技术来生产耐热铝合金导线。(1)选料。选择合适材料一般Al≥99.5%。
(2)主要合金元素。加入Zr元素可提高合金再结晶温度、抗蠕变性能、细化晶粒、提高力学性能等,但会降低导电率;Fe、Mg、Si等元素可提高合金强度;Y、B 元素可提高导电率;Ti元素可细化晶粒提高耐热性。
(3)浇注工艺。铝液从流槽经过,进入浇包前需进行过滤,以除去杂物。浇注时需合理调整铸造速度、冷却方式,以消除铸造常见缺陷(如开裂、缩孔、冷隔等),获得均匀的组织。
(4)均匀化处理。Zr从α(Al)中充分析出,并以ZrAl3 弥散质点均匀分布在晶粒内部,可同时获得较高的电导率、较好的强度和耐热性。
(5)轧制。按金属变形温度分为热轧和冷轧,通过轧制使金属的形状、尺寸和性能发生改变。(6)拉制。轧制铝合金线材经过模具,使其截面积减小,长度增大的拉伸加工过程。
(7)人工时效处理。通过时效析出适量的第二相,蠕变裂纹扩展抗力明显增加[ 12 ] ,时效还可以提高合金的强度和导电率。
(8)绞制。将多根耐热铝合金单线与钢芯(钢绞线)通过盘式或笼式绞线机绞制成钢芯耐热铝合金导线(或绞线)。
第五部分 高强度、高电阻电工铝合金
铝应用于电工方面, 可追溯至上世纪末,然而, 铝在这方面占据优势地位, 还仅仅是最近几十年的事铝之所以大量用于电工领域,是因为它能代替铜的一种导电材料。因此对这两种材料加以比较是正确的。首先, 以铝代铜, 可取得相当大的经济效益, 尽管铝与铜的价值差不多。此外, 作为导体材料, 纯铝具有某些特别有意义的性质, 即重量轻, 耐腐蚀,导电率高以及易回收。尽管如此, 铝在电工方面的应用, 还是有某些困难, 如导体的韧性差和端部连接方面的一些问题, 从而明显地减慢了铝在电工方面的发展
制造高起动转矩、低起动电流的电动机,需要高电阻率、高机械强度的铸铝合金,铝-锰-钛-铬-锆合金是一种较为理想的材料。这时,疲劳强度为一般铝合金的4倍,是其它铝合金所无法比拟的。其抗热裂性,抗腐蚀性也相当优异。
5.1 化学成分及其影响
铝合金中除基本成份铝而外,尚有锰、钛、铬、锆等4种元素。另外,铁和硅作为杂质存在,当然它们的含量越少越好。下面就来谈谈锰、钛、铬、锆以及杂质对铝合金性能的作用。1.锰(Mn)(1)锰对电阻率的影响: 锰原子固熔在铝合金中打破铝点阵里场的周期性,使点阵产生畸变,电子被锰原子偏转而增加电阻。,当锰的含量大于2.8%～3.8%时,电阻率却随锰的含量增加而降低。除此以外,锰的含量在0～2.8%及3.8%以上时,电阻率均按锰含量增加而增加。(2)锰对机械强度的影响: 锰使铝合金形成球状结晶的金相组织,不同于硅铝片状结晶,因此铝合金的韧性极好。但是,锰含量不宜过高,一般大于2%就要出现MnAl6初晶,从而降低铝合金的强度。
2.钛(Ti)其对铝合金电阻率增加起辅助作用,而对合金强度有着极其重要的影响,它可以细化晶粒,从而使铝合金增加韧性和抗热裂性。3.铬(Cr)它也有细化晶粒的作用。加入过量铬同样会析出CrAl7初晶。降低铝合金强度。铬价昂贵,冶炼厂一般不愿多用。4.锆(Zr)锆有最优秀的抗热裂性,加入锆使铝合金抗热裂性改善,当然也能增加电阻率。锆价昂贵,加入过多,会使合金成本增加,为用户所不能接受。5.稀土(RE)稀土是作为提高铝合金机械强度加入的。6.杂质
杂质主要指硅和铁。硅虽然可以增加铝合金的金加工工艺性,但是这种特性对铸铝转子是不需要的。硅会使铝合金变脆降低延性。铁在铝合金中是有害的。铝合金含铁,一是降低耐蚀,二是降低延性。铝合金过多含铁,还会影响电阻率。如铁含量增加0.95%,电阻率将降低11%。
综上所述,高强度、高电阻电工铝合金,应该是Al-Mn-Ti-Cr系的,或者是Al-Mn-Ti-Cr-Zr系的。稀土(RE)挥发性强,在冶炼结束出炉前加入,以提高铝合金机械强度。
5.2 应用和品种拓展
（1）应用
铝-锰-钛-铬铝合金或者铝-锰-钛-铬-锆铝合金具有高而稳定的电阻率,优越的机械强度,良好的工艺性能,对于制造笼型起重电机、高转差率电机、力矩电机、防爆装岩电机、可逆转电机、洗衣脱水电机以及其它高起动转矩,低起动电流的电机,现在还没有找到比它更合适的转子铸铝合金。
铝-锰-钛-铬-锆铝合金就是在铝锰合金基础上改进而来的。其电阻率更高,机械强度更好,工艺性也更好。特别以其优越的抗热裂性,解决了铝锰合金在铸铝时转子端环容易开裂的问题。用此材料成批生产了YZ系列起重电机、力矩电机、制动电机等,受到欢迎。（2）品种扩展
前文已把各种元素对性能的影响作了说明。在使用时,如果电阻率不够,可以加锰,电阻率
嫌大则加入纯铝。如果要求有更好的抗热裂性时,可以加入钛或者铬、锆。一般情况下,电机厂在熔炼时,很少增加钛或者铬、锆成份。但为了调整电阻率,常加入锰元素。为了得到电阻率确切数据,必须进行炉前电阻率的测定。
如测得的电阻率达到要求,即可出炉;如达不到要求,电阻率大则加入纯铝,电阻率小则加入锰。元素应该制成中间合金加入,Al-Mn中间合金含Mn10%,Al-Ti含Ti5%,Al-Cr含Cr5%,Al-Zr含Zr4%。这些中间合金可向铝合金冶炼厂调剂。配料Mn、Ti、Cr、Zr可按98%～100%回收率计算。
5.3 铸铝工艺要点
1.熔铝
(1)坩埚选择。熔铝宜采用非铁坩埚,如石墨坩埚。若要用铁坩埚,则需用火泥内搪。铁勺也应如此处理。
(2)熔铝温度。应控制在690℃左右,最高不要超720℃。因为过高熔化温度会增加MnAl6和CrAl7初晶的折出,引起铸件的裂缝。2.铸铝形式和模具要求
(1)铸铝形式可以选择压力铸造,也可以采用离心铸造。两者比较,前者更为合适。
(2)模具设计要多用圆角过度,忌用清角。如叶片与端环的连接,平衡柱与端环连接均需圆角,端环的端面与内外圆周面要用大圆角连接。3.浇铸要求
(1)铸锭熔化后应及时浇铸,以免因停留时间过长而增加MnAl大量析出。
(2)浇铸时,要搅拌铝液,使比重大的、沉底的锰、铬等合金元素得以拌和,使其成份均匀。(3)浇铸温度应控制在680～690℃ ,最高不要超过700℃,过高的浇铸温度会增加热缩。(4)开模需要适当延时,以降低铸铝冷却速度。过快的脱模,会引起转子端环裂纹。
