CN102766788B

CN102766788B - 自然时效处理的中强度铝镁硅合金杆和合金线的制备方法

Info

Publication number: CN102766788B
Application number: CN201210283158.5A
Authority: CN
Inventors: 郑秋; 刘斌; 党朋; 曾伟; 蔡西川; 王晨生
Original assignee: Shanghai Electric Cable Research Institute
Current assignee: Shanghai Electric Cable Research Institute
Priority date: 2012-08-09
Filing date: 2012-08-09
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2032-08-09
Also published as: CN102766788A

Abstract

本发明涉及导线材料领域，具体公开了一种自然时效处理的中强度铝镁硅合金杆和合金线的制备方法，其工艺包括1）合金化处理；2）精炼；3）炉前分析调整；4）二次精炼；5）铸造；6）轧制；7）淬火；8）自然时效等步骤。相对于其他铝镁硅合金杆的制备方法，本发明工艺制得的铝镁硅合金杆后，以及在合金杆拉制成合金线后一般不需要进行人工时效处理，只需要自然时效就可获得符合架空输电导线使用要求的中强度铝镁硅合金线，在完全满足架空导线用铝合金线使用要求的前提下，大大降低了铝镁硅合金线的生产成本。

Description

自然时效处理的中强度铝镁硅合金杆和合金线的制备方法

技术领域

本发明涉及导线材料领域，具体公开了一种自然时效处理的中强度铝镁硅合金杆和合金线的制备方法。

背景技术

架空输电导线一般由导体材料和加强材料两部分构成，其中导体材料可分为纯铝和铝合金两类，而支撑材料一般为钢绞线或其他复合材料。目前，国内使用最为广泛的架空输电导线为钢芯铝绞线，其导体材料为工业纯铝，主要性能指标为：铝单线的抗拉强度介于60MPa和205MPa之间，20℃的直流电阻率介于0.02759Ω·mm²/m（62.5%IACS）和0.028264Ω·mm²/m（61%IACS）之间。

随着导体合金化的发展，以铝合金材料作为导体材料和加强材料的新型架空输电导线在国内外应用也日趋广泛，其代表种类包括全铝合金绞线和铝合金芯铝绞线。全铝合金绞线由同一材料构成，制造工艺非常简便，且在工程应用上具有诸多优点；而相比传统的钢芯铝绞线，铝合金芯铝绞线在保证加强芯材料强度的条件下，可以充分利用加强芯铝合金材料的导电性能，同时避免了由钢芯的磁滞作用而引起的电能损耗。同时，以上两种新型架空导线具有更好的耐腐蚀性，架线施工也更方便，将来在废旧导线回收时也更具经济性。因此，全铝合金绞线和铝合金芯铝绞线成为当前架空输电导线发展的一个重要方向。

目前，架空输电导线用中强度铝合金主要为铝镁硅合金，应用最多的为以下两类：一类为导电率不低于57%IACS，抗拉强度不低于250MPa；另一类为导电率不低于59%IACS，抗拉强度不低于235MPa。目前国内这种中强度铝镁硅合金线的制造方法在制造过程中均需要对铝合金杆和铝合金线进行热处理。专利CN102041418A和专利CN102162050A中分别提到了两种不同导电率的中强度铝合金线的制造方法，这两种方法在制得铝合金杆后需对其进行固溶处理和人工时效处理，在铝合金杆拉制成铝合金线后又需对其进行人工时效处理。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术制备中强度铝镁硅合金杆或合金线需要人工时效的缺陷，提供一种在连铸连轧并淬火后，通过自然时效处理来制备铝合金杆的工艺方法。本发明方法制备的铝合金杆经过拉制后，不需要其他热处理工艺就可用作架空输电导线用的中强度铝合金线，大大降低了铝镁硅合金线的生产成本，同时达到节能减排的目的。

本发明首先公开了一种自然时效的中强度铝镁硅合金杆的制备方法，步骤如下：

1）合金化处理：将铝液装入保温炉中，控制铝液温度在720~750℃，加入铝硅中间合金、铝稀土中间合金及铝镁中间合金/镁锭，搅拌均匀获得合金熔液，所述合金熔液的组成为：硅0.40wt%~0.60wt%，镁0.30wt%~0.50wt%，铁0.10wt%~0.20wt%，铜﹤0.04wt%，稀土﹤0.12wt%，其他每种杂质元素含量﹤0.03wt%，杂质含量合计﹤0.10wt%，余量为铝；

2）精炼：加入精炼剂对保温炉中的合金熔液进行精炼，扒渣，静置不少于35分钟；

3）炉前分析调整：对步骤2）精炼后的合金熔液进行取样分析，含量偏离时进行调整，确认合金熔液的组成为：硅0.40wt%~0.60wt%，镁0.30wt%~0.50wt%，铁0.10wt%~0.20wt%，铜﹤0.04wt%，稀土﹤0.12wt%，其他每种杂质元素含量﹤0.03wt%，杂质含量合计﹤0.10wt%，余量为铝；

4）二次精炼：对步骤3）分析调整后的合金熔液进行变质处理，炉外除气和炉外除渣；

5）铸造：对步骤4）二次精炼后的合金熔液进行连续浇铸，浇铸温度为690℃~700℃，所得的铸坯温度为470℃~490℃之间；

6）轧制：对步骤5）制得的铸坯进行校直，进轧机前对铸坯进行加热，保持进轧温度在515℃~535℃之间，轧制过程中采用乳化液润滑，轧制得到铝合金杆；

7）淬火：对步骤6）轧制所得的铝合金杆进行淬火处理；

8）自然时效：对步骤7）所得的铝合金杆进行自然时效处理，获得中强度铝镁硅合金杆。

步骤1）所述铝液为铝锭置入竖炉中熔化所得。精选铝锭合金：使Fe﹤0.20wt%，Si﹤0.07wt%，Cu﹤0.01wt%，Mg﹤0.02wt%，Zn﹤0.04wt%，B﹤0.04wt%，Cr﹤0.004wt%，（Mn+Ti+Cr+V）﹤0.02wt%，其它每种杂质元素含量均不得大于0.03wt%，且杂质元素含量总和不大于0.10%。

较优的，步骤1）所述铝硅中间合金中硅含量为9wt%~20wt%；所述铝稀土合金中含混合稀土8wt%~10wt%，并且混合稀土中铈的含量不低于混合稀土总量的45wt%；铝镁中间合金中镁含量为50wt%。

步骤2）所述精炼剂为常用铝合金精炼剂。较优的，所述精炼剂选自固体精炼剂或固气混合精炼剂，所述精炼剂用量为全部炉料质量的2‰~4‰。在入炉前需要对精炼剂进行预热干燥。

较优的，步骤2）精炼过程中合金熔体的温度控制在730℃~750℃。

较优的，步骤2）所述精炼剂的加入方式为利用惰性气体将精炼剂吹入合金熔液中，同时对合金熔液进行充分搅拌，搅拌方式为人工搅拌的同时进行电磁搅拌。

所述扒渣为将合金熔液表面的浮渣扒净。较优的，步骤2）扒渣过程中合金熔液的温度控制在720℃~740℃。

步骤4）所述变质处理是指在合金熔液进入除气装置前，向流槽中的合金熔液中加入变质剂，细化晶粒，改善组织形态。

较优的，所述变质剂为Ti的中间合金，控制Ti含量占合金熔液总质量的0.003%~0.004%。

更优的，所述Ti的中间合金选自铝钛中间合金（例如Al-3Ti）或铝钛硼中间合金（如Al-5Ti-1B）。

步骤4）所述炉外除气是指铝合金熔液流经除气装置时，向合金熔液中连续通入惰性气体，除去合金熔液中游离的氢，达到除气的目的。

较优的，步骤4）所述炉外除渣是指采用陶瓷过滤板对铝合金熔液进行过滤，所述陶瓷过滤板的孔隙规格为20PPI~60PPI。

更优的，所述陶瓷过滤板的孔隙规格为30PPI～40PPI。

较优的，步骤5）中浇铸温度为690℃~695℃，铸机的结晶轮转速为1.8转/分~2.5转/分。

较优的，步骤6）轧制过程中乳化液温度为40℃~65℃，压力为2.0kg/cm²~2.5kg/cm²，轧制所得的铝合金杆的规格为直径9.5mm~12.7mm。

本发明所述乳化液为本领域常用润滑用乳化液。较优的，乳化液的浓度为20%~30%。

较优的，步骤7）淬火处理的条件为：水温为25℃~30℃，水压为2.5kg/cm²~4.0kg/cm²。经淬火处理后铝合金杆的温度在60℃以下，并保持铝合金杆表面干燥。

较优的，步骤8）所述自然时效的时间为7天以上。

在本发明中强度铝镁硅合金杆的制备方法的工艺参数范围内调整可制得两种不同导电率的铝合金杆（直径为9.5mm时）——A类：抗拉强度≥198MPa，伸长率≥14%，导电率≥59%IACS；B类：抗拉强度≥190MPa，伸长率≥14%，导电率≥61%IACS。

本发明还公开了一种自然时效的中强度铝镁硅合金线的制备方法，步骤如下：

A.铝镁硅合金杆的制备：采用本发明所述中强度铝镁硅合金杆的制备方法制备获得中强度铝镁硅合金杆；

B.铝镁硅合金成品线的制备：将上一步的中强度铝镁硅合金杆通过拉丝机拉制成所需形状和直径的中强度铝镁硅合金线；拉丝速度4m/s~10m/s，每道次截面变化率16%~24%。

较优的，拉丝可采用13模滑动式大拉机拉制圆线、或采用非滑动式型线拉丝机拉制型线。

本发明所提供的电工用中强度铝镁硅合金线，其截面可以是圆形、梯型或S/Z型；通过对上述两种不同导电率的中强度铝镁硅合金杆进行拉丝，能够获得两种不同导电率的中强度铝镁硅合金线，两种铝镁硅合金线的主要性能指标分别为：导电率≥57%IACS，抗拉强度≥250MPa，伸长率≥2.0%；导电率≥59%IACS，抗拉强度≥235MPa，伸长率≥2.0%。

本发明最后还公开了采用上述方法制备的电工用自然时效中强度铝镁硅合金杆，其合金组成如下：

硅0.40wt%~0.60wt%

镁0.30wt%~0.50wt%

铁0.10wt%~0.20wt%

铜﹤0.04wt%

稀土﹤0.12wt%

其他每种杂质元素﹤0.03wt%，杂质合计﹤0.10wt%

余量为铝。

相对于其他铝镁硅合金杆的制备方法，其制得的铝镁硅合金杆后，以及在合金杆拉制成合金线后一般均需要进行人工时效处理才能达到以上性能要求。本发明主要通过熔炼、精炼、铸造工艺，特别是轧制工艺的控制，制备出具有特定状态的铝镁硅合金杆，经过自然时效后，直接进行拉拔就可获得符合架空输电导线使用要求的中强度铝镁硅合金线。相比传统工艺，通过本发明所提供的制备方法所制得的铝镁硅合金杆性能稳定，所述铝镁硅合金杆拉制后的铝镁硅合金线性能稳定，不需要其他任何人工时效处理，在完全满足架空导线用铝合金线使用要求的前提下，大大降低了铝镁硅合金线的生产成本。

附图说明

图1：中强度铝镁硅合金线制备工艺流程示意图

具体实施方式

下面结合实施例进一步阐述本发明。应理解，实施例仅用于说明本发明，而非限制本发明的范围。

实施例1

1.材料

选用一定成分要求的铝锭、铝硅中间合金、铝镁中间合金、铝稀土中间合金作为原材料。

铝锭具体成分要求如下：Fe﹤0.20wt%，Si﹤0.07wt%，Cu﹤0.01wt%，Mg﹤0.02wt%，Zn﹤0.04wt%，B﹤0.04wt%，Cr﹤0.004wt%，（Mn+Ti+Cr+V）﹤0.02wt%，其它每种杂质元素含量均不得大于0.03%wt%，且杂质元素含量总和不大于0.10wt%。（本实施例采用牌号Al99.7E的电工铝锭）

铝硅中间合金中硅含量为20wt%；铝稀土中间合金中含混合稀土10wt%，其中铈含量不低于45wt%；镁锭为牌号Mg9998的原生镁锭。

2.方法

按照如图1所示的工艺流程，首先将铝锭置入熔化速度为5吨/小时的竖炉中熔化。将熔化后的铝液装入保温炉并迅速升温。根据保温炉中的铝液量及各中间合金成分计算所需的铝硅、镁锭、铝稀土中间合金的加入量。当铝液温度达到720℃时，先加入铝硅中间合金，再利用工具向保温炉中加入镁锭和铝稀土中间合金，同时迅速压入熔液中，并伴随人工搅拌，尽量减少镁烧损。加料时停止加热，加热过程中或加料后，需控制熔体温度在740℃以上，但不得超过760℃。合金配置完毕后，对熔体进行充分搅拌（包括人工搅拌和电磁搅拌），搅拌时铝液温度控制在720℃~730℃之间。充分搅拌后，将铝液温度升高到750℃。采用卤盐类精炼剂（以钠盐和钾盐为主要成分）进行精炼，用量为全部炉料的2‰；利用氮气将精炼剂吹入合金熔液中，同时对炉内熔液进行再次充分搅拌。待精炼完毕后，在保持熔体温度不低于720℃时进行除渣，将铝液表面的浮渣扒净。扒渣时需避免剧烈搅动，防止炉渣破碎。在精炼扒渣后将铝液静置35分钟，并保持铝液温度在720℃~735℃，然后对保温炉中的合金液进行取样和化学成分分析，确认合金熔液的组成为：硅0.40wt%，镁0.50wt%，铁0.10wt%，铜﹤0.04wt%，稀土﹤0.12wt%，其他每种杂质元素含量﹤0.03wt%，杂质含量合计﹤0.10wt%，余量为铝。取样位置至少四处且应均匀分布，如果每次取样任何两处镁或硅的含量相差数超过0.03%，应重新搅拌，静置后再取样。待铝液成分符合要求后，控制炉内铝液温度在720~735℃之间，然后放出熔液进行二次精炼。即在熔液进入除气装置前，向流槽中的合金熔液内连续熔入杆状铝钛硼变质剂，根据熔液在流槽内的流量控制杆状铝钛硼变质剂的熔入速度，使熔液中的Ti含量控制在0.003%。熔液经除气、除渣处理（陶瓷过滤板的孔隙规格选用30PPI）后，进入上浇包，保持上浇包铝液温度在700℃~720℃，调节铸机转速为1.85转/分，浇铸温度为695℃。经结晶轮连续铸造得到铝合金铸坯，需对其端部进行剪头，直至铸坯温度达到480℃~490℃后，对其进行校直。校直后铝合金铸坯进入中频炉进行感应升热，调整中频炉参数使铸坯的进轧温度保持在520℃~535℃之间，连续轧制过程中采用乳化液润滑，乳化液浓度为20%，温度为40℃，压力为2.4kg/cm²，轧制所得的铝合金杆规格为直径9.5mm。经连续轧制后，迅速对铝合金杆进行淬火处理，淬火水温为30℃，水压为2.5kg/cm²。淬火处理后成盘铝合金杆的温度应在60℃以下，经压缩空气吹干，保持铝合金杆表面干燥。制成的铝杆应放置7天进行自然时效，这种铝合金杆直径为9.5mm，抗拉强度≥190MPa，伸长率≥14%，导电率≥61%IACS。采用13模滑动式大拉机拉制圆线，拉丝速度4m/s，每道次截面变化率24%。所制得的中强度铝合金线的主要性能指标为：抗拉强度≥235MPa，导电率≥59%IACS，伸长率≥2.0%。

由这种中强度铝镁硅合金线可以制备架空输电导线用全铝合金绞线和铝合金芯铝绞线。

实施例2

1.材料

铝锭具体成分要求如下：Fe﹤0.20wt%，Si﹤0.07wt%，Cu﹤0.01wt%，Mg﹤0.02wt%，Zn﹤0.04wt%，B﹤0.04wt%，Cr﹤0.004wt%，（Mn+Ti+Cr+V）﹤0.02wt%，其它每种杂质元素含量均不得大于0.03%wt%，且杂质元素含量总和不大于0.10%。（本实施例采用牌号Al99.7E的电工铝锭）

铝硅中间合金中硅含量为20wt%；铝稀土中间合金中含混合稀土10wt%，其中铈含量不低于45wt%；铝镁中间合金中镁含量为50wt%。

2.方法

按照如图1所示的工艺流程，首先将铝锭置入熔化速度为5吨/小时的竖炉中熔化。将熔化后的铝液装入保温炉并迅速升温。根据保温炉中的铝液量及各中间合金成分计算所需的铝硅、镁锭、铝稀土中间合金的加入量。当铝液温度达到750℃时，先加入铝硅中间合金，再利用工具向保温炉中加入镁锭和铝稀土中间合金，同时迅速压入熔液中，并伴随人工搅拌，尽量减少镁烧损。加料时停止加热，加热过程中或加料后，需控制熔体温度在740℃以上，但不得超过760℃。合金配置完毕后，对熔体进行充分搅拌（包括人工搅拌和电磁搅拌），搅拌时铝液温度控制在720~730℃之间。充分搅拌后，将铝液温度升高到730℃。采用以钠盐和钾盐为主要成分的卤盐类精炼剂进行精炼，用量为全部炉料的4‰，精炼剂加入前需充分干燥；利用氮气将精炼剂吹入合金熔液中，同时对炉内熔液进行再次充分搅拌。待精炼完毕后，在保持熔体温度不低于740℃时进行除渣，将铝液表面的浮渣扒净。扒渣时需避免剧烈搅动，防止炉渣破碎。在精炼扒渣后将铝液静置35分钟，并保持铝液温度在720~735℃，然后对保温炉中的合金液进行取样和化学成分分析，确认合金熔液的组成为：硅0.60wt%，镁0.30wt%，铁0.10wt%，铜﹤0.04wt%，稀土﹤0.12wt%，其他每种杂质元素含量﹤0.03wt%，杂质含量合计﹤0.10wt%，余量为铝。取样位置至少四处且应均匀分布，如果每次取样任何两处镁或硅的含量相差数超过0.03%，应重新搅拌，静置后再取样。待铝液成分符合要求后，控制炉内铝液温度在720~735℃之间，然后放出熔液进行二次精炼。即在熔液进入除气装置前，向流槽中的合金熔液内连续熔入杆状铝钛硼变质剂，根据熔液在流槽内的流量控制杆状铝钛硼变质剂的熔入速度，使熔液中的Ti含量控制在0.004%。熔液经除气、除渣处理（陶瓷过滤板的孔隙规格选用40PPI）后，进入上浇包，保持上浇包铝液温度在700℃~720℃，调节铸机转速为2.5转/分，浇铸温度为690℃。经结晶轮连续铸造得到铝合金铸坯，需对其端部进行剪头，直至铸坯温度达到470℃~485℃后，对其进行校直。校直后铝合金铸坯进入中频炉进行感应升热，调整中频炉参数使铸坯的进轧温度保持在515℃~520℃之间，连续轧制过程中采浓度为30%的乳化液进行润滑，乳化液温度为65℃，压力为2.5kg/cm²，轧制所得的铝合金杆规格为直径9.5mm。经连续轧制后，迅速对铝合金杆进行淬火处理，淬火水温为25℃，水压为4.0kg/cm²。淬火处理后成盘铝合金杆的温度应在60℃以下，经压缩空气吹干，保持铝合金杆表面干燥。制成的铝杆应放置14天进行自然时效，这种铝合金杆直径为9.5mm，抗拉强度≥198MPa，伸长率≥14%，导电率≥59%IACS。采用13模滑动式大拉机拉制圆线，拉丝速度10m/s，每道次截面变化率16%。所制得的中强度铝合金线的主要性能指标为：抗拉强度≥250MPa，导电率≥57%IACS，伸长率≥2.0%。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围。

Claims

1.一种自然时效的中强度铝镁硅合金杆的制备方法，步骤如下：

1)合金化处理：将铝液装入保温炉中，控制铝液温度在720～750℃，加入铝硅中间合金、铝稀土中间合金及铝镁中间合金/镁锭，搅拌均匀获得合金熔液，所述合金熔液的组成为：硅0.40wt％～0.60wt％，镁0.30wt％～0.50wt％，铁0.10wt％～0.20wt％，铜﹤0.04wt％，稀土﹤0.12wt％，其他每种杂质元素含量﹤0.03wt％，杂质含量合计﹤0.10wt％，余量为铝；所述铝硅中间合金中硅含量为9wt％～20wt％；所述铝稀土中间合金中含混合稀土8wt％～10wt％，并且混合稀土中铈的含量不低于混合稀土总量的45wt％；铝镁中间合金中镁含量为50wt％；

2)精炼：加入精炼剂对保温炉中的合金熔液进行精炼，扒渣，静置不少于35分钟；扒渣过程中合金熔液的温度控制在720℃～740℃；

3)炉前分析调整：对步骤2)精炼后的合金熔液进行取样分析，含量偏离时进行调整，确认合金熔液的组成为：硅0.40wt％～0.60wt％，镁0.30wt％～0.50wt％，铁0.10wt％～0.20wt％，铜﹤0.04wt％，稀土﹤0.12wt％，其他每种杂质元素含量﹤0.03wt％，杂质含量合计﹤0.10wt％，余量为铝；

4)二次精炼：对步骤3)分析调整后的合金熔液进行变质处理，炉外除气和炉外除渣；

5)铸造：对步骤4)二次精炼后的合金熔液进行连续浇铸，浇铸温度为690℃～700℃，所得的铸坯温度为470℃～490℃之间；

6)轧制：对步骤5)制得的铸坯进行校直，进轧机前对铸坯进行加热，保持进轧温度在515℃～535℃之间，轧制过程中采用乳化液润滑，轧制得到铝合金杆；轧制过程中乳化液温度为40℃～65℃，压力为2.0kg/cm²～2.5kg/cm²，轧制所得的铝合金杆的规格为直径9.5～12.7mm；

7)淬火：对步骤6)轧制所得的铝合金杆进行淬火处理；

8)自然时效：对步骤7)所得的铝合金杆进行自然时效处理，获得中强度铝镁硅合金杆。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)所述精炼剂选自固体精炼剂或固气混合精炼剂，所述精炼剂用量为全部炉料质量的2‰～4‰。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)精炼过程中合金熔体的温度控制在730℃～750℃。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤5)中浇铸温度为690℃～695℃，铸机的结晶轮转速为1.8转/分～2.5转/分。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤7)淬火处理的条件为：水温为25℃～30℃，水压为2.5kg/cm²～4.0kg/cm²。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤8)所述自然时效的时间为7天以上。

7.一种自然时效的中强度铝镁硅合金线的制备方法，步骤如下：

A.铝镁硅合金杆的制备：采用权利要求1-6任一权利要求所述中强度铝镁硅合金杆的制备方法制备获得中强度铝镁硅合金杆；

B.铝镁硅合金成品线的制备：将上一步的中强度铝镁硅合金杆通过拉丝机拉制成所需形状和直径的中强度铝镁硅合金线；拉丝速度4m/s～10m/s，每道次截面变化率16％～24％。

8.权利要求1-6任一权利要求所述方法制备的电工用自然时效的中强度铝镁硅合金杆，其合金组成如下：

硅0.40wt％～0.60wt％

镁0.30wt％～0.50wt％

铁0.10wt％～0.20wt％

铜﹤0.04wt％

稀土﹤0.12wt％

其他每种杂质元素﹤0.03wt％，杂质合计﹤0.10wt％

余量为铝。