CN103352145A - 一种电缆用新型铝合金线材及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及有色金属线材领域，特别是涉及一种电缆用新型铝合金线材及其制备方法。一种电缆用铝合金线材，按重量百分比，包括如下组分：硅0.05-0.15wt%；铁0.5-0.9wt%；铜0.1-0.3wt%；锌0.05-0.08wt%；硼0.05-0.2wt%；锑0.01-0.04wt%；镍0.05-0.08wt%；锆0.05-0.09wt%；稀土0.05-0.08wt%；余量为铝及不可避免的杂质。本发明所提供的电缆用铝合金线材，通过对线材中稀土元素含量的调整，并引入其他掺杂元素，所制得的铝合金线材其电导率达到62%IACS以上，拉伸强度最高可达135MPa，且伸长率均达到30%左右，尤其是其抗蠕变性质得到明显改善，综合电性能得到明显提高。

Description

一种电缆用新型铝合金线材及其制备方法与应用

技术领域

本发明主要涉及有色金属线材领域，尤其涉及一种电缆用新型铝合金线材及其制备方法与应用。

背景技术

由于铜的优良的电性能，目前国内市场大多采用铜作为主要导体材料制备电缆。但是资源匮乏等各种原因的影响，使得铜价越来越高，很大程度上限制了铜芯电缆的应用和发展。因此，近年来很多研究者都致力于寻找一种能够替代铜作为电缆芯材的价廉物美的新材料。

因为铝资源丰富且成本低，以铝代替铜作为导体用于电线电缆将是一种趋势。在同样体积下，铝合金的实际重量大约是铜的三分之一。按照该计算，在满足相同导电性能的前提下，相同重量铝合金电缆的长度是铜电缆的两倍。因此，相同载流量时铝合金电缆的重量大约是铜缆的一半。采用铝合金电缆取代铜缆，可以减轻电缆重量，降低安装成本，减少设备和电缆的磨损，使安装工作更轻松。

但是用普通的铝线材用作电线电缆时，其延伸率、柔韧性和抗蠕变性能无法达到要求，且使用安全稳定性低。因而近年来对铝合金线材的改性，以使其获得优越的电性能，已经成为一个热门的研究课题。

在面对铝合金导体的合金材料改性时，主要需要改进性能包括：抗蠕变性能、拉伸强度、延伸率和电导率等。抗蠕变性能的提高能够减少了导体在受热和压力下的“蠕变”倾向，避免由于冷流或蠕变引起的松弛问题，而拉伸强度和延伸率的提高能够使铝合金导体使用更加安全可靠。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种电缆用新型铝合金线材及其制备方法与应用。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种电缆用铝合金线材，按重量百分比，包括如下组分：

硅Si0.04-0.15wt%；

铁Fe0.5-0.9wt%；

铜Cu0.1-0.3wt%；

锌Zn0.06-0.08wt%；

硼B0.05-0.2wt%；

锑Sb0.01-0.04wt%；

镍Ni0.05-0.08wt%；

锆Zr0.05-0.09wt%；

稀土0.05-0.08wt%；

余量为铝及不可避免的杂质。

优选的，所述电缆用铝合金线材中，其铝的含量≥98.1wt%。

优选的，所述稀土组分，以铝合金中稀土总重量为基准，组成如下：

轻稀土  70-80wt%；

中稀土  5-10wt%；

重稀土  15-20wt%。

所述轻稀土选自镧La、铈Ce、镨Pr、钕Nd和钷Pm中的一种或多种，其中La、Ce、P、Nd的重量之和占轻稀土总重量的90wt%以上。

优选的，所述轻稀土为镧La、铈Ce、镨Pr和钕Nd的混合，其中镧La、铈Ce、镨Pr和钕Nd的重量比为30-39.98：60-69.98：0.01-0.1：0.01-0.1。

所述中稀土选自钐Sm、铕Eu、钆Gd、铽Tb和镝Dy中的一种或多种。

优选的，所述中稀土为Eu。

所述重稀土选自钬Ho、铒Er、铥Tm、镱Yb、镥Lu、钇Y和钪Sc中的一种或多种，其中Sc占重稀土重量的50wt%以上。

优选的，所述重稀土为Sc。

一种电缆用铝合金线材的制备方法，包括如下步骤：

熔炼：先按配比将铝和铝-铁合金在720-730℃下熔化，再升温至780-790℃下按配比加入铜、锌、锑、镍、锆；充分混合后，在760-770℃下按配比加入轻稀土；充分混合后，在730-740℃下按配比加入中稀土；充分混合后，在780-790℃下按配比加入重稀土和硼；充分混合后通入精炼剂进行精炼、扒渣；再对铝液进行炉前化学快速分析，分析后根据配方中各组分的重量比调整铝液组分，对铝液进行补料；

保温：将步骤1所得铝液在720-750℃下保温15-20min；

连铸连轧：将步骤2所得铝液进行连铸连轧工艺，各项指标的控制范围为：浇铸温度为700-720℃，烧铸速度为7.0-7.6m/min，冷却速度为20-22℃/s，轧区的进轧温度为460-500℃，出轧温度为255-285℃；

优选的，所述铜、锌、锑、镍、锆、轻稀土、中稀土、重稀土、硼均以该物质与铝的中间合金的方式加入。在中间合金加入时，应尽可能在铝液的不同位置进行投料，使得中间合金的成分能够更快速、均匀地在铝液中分散。

此外，由于生产所用铝锭及铝合金中均不可避免的含有少量硅，因此硅无需额外加入。

优选的，所述步骤1中精炼剂由NaNO₃、石墨和冰晶石组成，精炼剂的导入温度为775-785℃，精炼剂与铝液的重量比为2-3:6000，所述精炼剂中各组分的重量百分比为：硝酸钠(NaNO₃)50-70wt%、石墨粉(C)5-15wt%、冰晶石（Na₃AlF₆）20-40wt％。

优选的，所述精炼剂中各组分的重量百分比为：硝酸钠60wt%、石墨粉10wt%、冰晶石30wt％。

所述精炼剂的加入时应压入铝液面下。

优选的，所述步骤1中，精炼剂加入后，采用永磁搅拌的方式搅动铝液，使其均匀熔化，分散于铝液内，以提高精炼剂的精炼效果。

优选的，所述步骤1中，精炼剂的反应时间为15分钟以上，即在精炼剂加入15分钟以后再进行扒渣操作。

在进行扒渣操作时，应尽量扒除表面浮渣，以减少精炼剂引入所带来的杂质。整个精炼过程中无需外加覆盖剂。

制备本发明的铝合金线材，在熔炼时无需加入覆盖剂，且相比添加覆盖剂工艺所得线材的电性能无不良影响，所得铝杆与单丝起皮更少，杂质去除更加容易，整体操作步骤大大简化。其具体体现在铝液在精炼扒渣以后，不再需要外加覆盖剂，直接静置后即可进行连铸连轧操作。

所述炉前化学快速分析按照ASTM B800-2005的规定执行，其具体方法为：在靠近铝液中央位置用专用工具取样，取好试样后及时用水冷却成型，对两个端面进行打磨后直接用光谱仪进行成分检测分析。

优选的，所述步骤3中，轧区的长度为51m，机架数为15，轧制速度为3.6-3.8m/s，出杆直径为9-10mm。

所述步骤3中，连铸连轧工艺中连铸轮机内外冷却水量之比为3：2，冷却水温低于50℃。铸机电压为60-90V。

当铝液进行上下浇包操作时，要保持铝液表面稳定，并保持平稳连续，不得抖动和停顿，另外无需对铝液表面的氧化皮进行挑除。

一种稀土铝合金绞合导体，其制备方法包括如下步骤：

1）冷拉丝：由所述电缆用铝合金线材通过冷拉丝工艺制备稀土铝合金单丝导线；

2）绞合：由多根所述铝合金单丝导线，通过同心层绞工艺绞合；

3）退火：将步骤2所得的铝合金绞合导体装盘后进行退火处理；

4）绞线：使用搓线机对步骤3所得的铝合金绞合导体进行搓线处理。

所述步骤2中，退火的方法为三段式退火，所述三段式退火具体指将步骤1所得的铝合金绞合导体盘和后，置于退火装置中，所述退火装置分为上、中、下三个温区，其中上温区的温度最低，且下温区的温度不低于中温区，所述上温区的温度范围为340-360℃，所述中温区的温度范围为350-370℃，所述下温区的温度范围为360-370℃，退火的时间为4-10h。

优选的，所述上、中、下三个温区为退火装置中，自上而下等分其中回火炉工艺盘的三个温区。

所述退火和搓线工艺可使铝合金绞合导体中各单丝之间更加紧密地结合，减少单丝之间的空隙，大大提高了铝合金绞合导体的致密度，填充系数达到92%以上。所得的铝合金绞合导体可直接包覆用于均衡电场的屏蔽层，且所包覆的屏蔽层不会出现渗入铝合金绞合导体的现象，保证了屏蔽层的均匀分布，确保了导体的优良性能。

所得包覆有屏蔽层的铝合金绞合导体可根据需要，进一步包覆绝缘层和保护层，从而获得所需的铝合金电缆。

一种稀土铝合金异形绞合导体，为由多根铝合金单丝导线同心层绞而成，除绞线中心外，各层均由多根异形铝合金单丝导线同心绞合而成，所述异形铝合金单丝导线的横截面为异形等腰梯形，所述异形等腰梯形为长底边替换为圆弧的等腰梯形，所述圆弧的圆心与所述异形等腰梯形的腰线的延长线的交点重合，所述异形铝合金绞合导体的绞线中心由多根扇形铝合金单丝导线绞合而成，或者由多根所述异形铝合金单丝导线绞合而成，或者为单根圆形铝合金单丝导线。

所述各铝合金单丝导线由所述电缆用铝合金线材制备。

具体的，所述各异形铝合金单丝导线由圆形铝合金单丝导线挤压生成，所述圆形铝合金单丝导线由所述电缆用铝合金线材通过冷拉丝工艺制备。

所述圆形铝合金单丝导线的横截面为圆形。

所述扇形铝合金单丝导线的横截面为扇形。

进一步的，所述异形等腰梯形的四个角均为圆角。

进一步的，所述扇形的三个角均为圆角。

所述异形等腰梯形除长底边外，其余各边的主体部分基本呈直线。

进一步的，同一层所用异形铝合金单丝导线的横截面形状一致。

各层所用异形铝合金单丝导线的数量n为：

其中，θ为该层所用异形铝合金单丝导线的横截面中，所述异形等腰梯形两腰的夹角。

进一步的，所述θ满足下列条件：

$\frac{57h}{R}\≤\mathrm{\θ}\≤\frac{95h}{R}$

所述h为所述异形铝合金单丝导线所在层的厚度；

所述R为所述异形铝合金单丝导线所在层的外半径。

各层所用异形铝合金单丝导线的横截面中，所述异形等腰梯形的高h’与该层厚度h基本相当，考虑到绞合可能产生的微量变形，优选等于或略高于该层厚度h，如为该层厚度h的1-1.05倍。

各层所用异形铝合金单丝导线的横截面中，所述异形等腰梯形的圆弧半径R’略大于该层的外半径R。较佳的，所述圆弧半径R’为该层的外半径R的1.02-1.05倍。

h的值可根据实际需要设定，如1.6mm≤h≤3.7mm。

R的值也根据常规绞合导线的实际需要设定，如2.4mm≤R≤12mm。

进一步的，所述θ还同时满足下列条件：

满足上述条件时，各同层的异形铝合金单丝导线之间配合得更为密切。

更佳的，所述θ还同时满足的条件为：

本发明所述异形铝合金单丝导线可由圆形铝合金单丝导线经物理挤压获得。

进一步的，挤压所用圆形铝合金单丝导线的最小半径r为：

$r=\sqrt{\frac{\mathrm{\θ}{R}^2}{360}-\frac{{(R-h)}^2\·\mathrm{tg}\frac{\mathrm{\θ}}{2}}{\mathrm{\π}}}$

较佳的，挤压所用圆形铝合金单丝导线可选用半径为最小半径r的1.03-1.07倍的圆形铝合金单丝导线。

具体的，可将圆形铝合金单丝导线送入一压线孔型呈对应异形等腰梯形的挤铝机挤压获得。

扇形铝合金单丝导线可将圆形铝合金单丝导线送入一压线孔型呈扇形的挤铝机挤压获得。

本发明的异形铝合金绞合导体可采用下列方法制备：

1）根据所需绞合导线的外径设计绞合所需层数及各层的厚度与外半径，并确定各层异形铝合金单丝导线的θ角与异形等腰梯形截面的高度及圆弧半径；

2）计算并选择合适半径的圆形铝合金单丝导线挤压成所需的异形铝合金单丝导线；

3）根据设计，将各铝合金单丝导线装配入框式绞线机并经同心层绞获得所述异形铝合金绞合导体。

进一步的，所述框式绞线机的分线板上固定有数个异形单丝导线定位器，所述异形单丝导线定位器包括底座及设于底座上的槽口，底座固定于框式绞线机的分线板上，槽口的横截面呈内窄外宽的敞口倒等腰梯形，槽口的轴向平行于单丝导线的走向。异形单丝导线定位器的使用使得异形铝合金绞合导体在进行同心层绞时单丝线不会发生移位、翻转，保证各单丝导线间结合紧凑，无需进一步退火处理。

上述异形铝合金绞合导体在进行同心层绞时，无需紧压。进一步的，制成异形铝合金绞合导体后也无需退火处理即可外包导体屏蔽层。

本发明所提供的稀土铝合金异形绞合导体，将铝合金单丝导线的截面设计为异形等腰梯形，该种截面的铝合金单丝导线，经同心层绞合后，可拼合为层层相扣的近似圆环形，这样的绞合导体各单丝导体间间隙大大减小，且无需紧压即可基本实现紧密绞合，且绞合后的导线无需退火处理，填充系数达到92%以上。所得稀土铝合金异形绞合导体可直接包覆用于均衡电场的屏蔽层，且所包覆的屏蔽层不会出现渗入铝合金绞合绞合导体内部的现象，保证了屏蔽层的均匀分布，确保了导体的优良性能。

本发明的异形铝合金绞合导体适用于各种电力用铝合金材料。

所得异形铝合金绞合导体可根据需要进一步包覆有屏蔽层、绝缘层和保护层，从而获得所需的铝合金电缆。

本发明的优点是：

本发明在制备铝合金线材时，免去覆盖剂的使用，不仅减少了操作步骤，节省了时间和原材料成本，更避免了覆盖剂加入时可能引入其他杂质的可能；本发明所生产的电缆用铝合金线材，通过对线材中稀土元素含量的调整，并引入其他掺杂元素，所制得的铝合金线材其电导率达到62%IACS以上，拉伸强度最高可达135MPa，且伸长率均达到30%左右，尤其是其抗蠕变性质得到明显改善，综合电性能得到明显提高，可以作为一种优良的电缆线材。另外，本发明所提供的铝合金线材在制备铝合金单丝导线时，在冷拉丝过程中很少出现起皮现象，使得铝合金单丝导线的质量以及生产效率都得到了大幅提高，更提高了使用单丝制备电缆线材时的生产效率。

附图说明

图1显示为异形铝合金单丝导线的横截面示意图。

图2显示为异形铝合金单丝导线变形示意图。

图3显示为异形铝合金绞合导线横截面示意图。

元件标号说明：

θ：异形等腰梯形两腰的夹角

h’： 异形等腰梯形的高，与其所在层的厚度相当

R’： 异形等腰梯形圆弧的半径

r:   用于挤压异形铝合金单丝导线的圆形铝合金单丝导线的半径

具体实施方式

实施例1

电缆用新型铝合金线材的制备：

（1）熔炼：根据表1的配方，先按配比将铝和铝-铁合金在720-730℃下熔化，再升温至780-790℃下以中间合金的方式按配比加入铜、锌、锑、镍、锆；充分混合后，在760-770℃下按配比加入轻稀土-铝中间合金；充分混合后，在730-740℃下按配比加入铕-铝中间合金；充分混合后，在780-790℃下按配比加入钪-铝中间合金和硼-铝中间合金；在中间合金加入时，应尽可能在铝液的不同位置进行投料，使得中间合金的成分能够更快速、均匀地在铝液中分散；充分混合后在775-785℃下通入精炼剂进行精炼，所述精炼剂的组分为：硝酸钠60wt%、石墨粉10wt%、冰晶石30wt％。精炼剂与铝液的重量比为2:6000，精炼剂反应15分钟以上，再进行扒渣，精炼剂加入时应压入铝液面下；扒渣后进行炉前化学快速分析，并根据分析结果进行补料；

（2）保温：将步骤1所得铝液在720-730℃下保温15-20min；

（3）连铸连轧：将步骤2所得铝液进行连铸连轧工艺，各项指标的控制范围为：浇铸温度为710-720℃，烧铸速度为7.4-7.6m/min，冷却速度为20-22℃/s，轧区的进轧温度为490-500℃，出轧温度为255-265℃；轧区的长度为51m，机架数为15，轧制速度为3.6-3.8m/s，出杆直径为9-10mm。连铸连轧工艺中连铸轮机内外冷却水量之比为3：2，冷却水温低于50℃。铸机电压为60-90V。所得铝合金线材的性能如表2所示。

表1

*各轻稀土占轻稀土总量的重量百分比

表2

*蠕变的检测方法为：根据标准JIS Z2241，在150℃以及1/5的0.2%屈服强度下，对所得铝合金线材进行100小时的抗蠕变实验，以%/hr为单位，计算其每小时的平均变形值。所述0.2%屈服强度的检测方法参照标准：JID Z2241。

通过表2可发现，本发明所提供的电缆用铝合金线材，通过对线材中稀土元素含量的调整，并引入其他掺杂元素，所制得的铝合金线材其电导率达到62%IACS以上，拉伸强度最高可达135MPa，且伸长率均达到30%左右，尤其是其抗蠕变性质得到明显改善，综合电性能得到明显提高，可以作为一种优良的电缆线材。另外，本发明所提供的铝合金线材在制备铝合金单丝导线时，在冷拉丝过程中很少出现起皮现象，使得铝合金单丝导线的质量以及生产效率都得到了大幅提高，更提高了使用单丝制备电缆线材时的生产效率。

稀土铝合金绞合导体的制备：

冷拉丝：将实施例1所得的铝合金线材通过冷拉丝工艺获得稀土铝合金单丝导线；

绞合：通过同心层绞工艺绞合获得导体截面积为70mm²的稀土铝合金绞合导体；

退火：将步骤2所得的稀土铝合金绞合导体进行装盘和退火处理；装盘数量为70m/盘，盘规格为1600mm，采用三段式退火，退火装置分为等分的上、中、下三个温区，上温区的温度为340-350℃，中温区的温度为350-360℃，所述下温区的温度范围为360-370℃，退火的时间为6h。

搓线：使用RF-CN搓线机对步骤3所得的铝合金绞合导体进行搓线处理。

在退火和搓线工艺后，所得的铝合金绞合导体中各单丝之间结合更加紧密，单丝之间无明显空隙，铝合金绞合导体的致密度得到大大提高，填充系数达到92%以上。

稀土铝合金异形绞合导体的制备：

冷拉丝：将实施例1所得的铝合金线材通过冷拉丝工艺获得稀土铝合金单丝导线。

第一层层绞：如图3所示，该异形铝合金绞合导体的绞合中心为半径为1.39mm的圆形单丝。第一层由6根异形铝合金单丝导线绞合而成，该层厚度为2.61mm,外半径为4mm，所用异形铝合金单丝导线的θ角为59o，其横截面异形等腰梯形的高与该层厚度相当，圆弧半径R’为4.08mm，采用直径r为3.15 mm的圆形单丝挤压变形获得；单丝的结构参照图1和图2；

第二层层绞：如图3所示，第二层由11根异形铝合金单丝导线绞合而成，该层厚度为2.4mm,外半径为6.4mm，所用异形铝合金单丝导线的θ角为32o，其横截面异形等腰梯形的高与该层厚度相当，圆弧半径R’为6.6mm，采用直径r为3.1mm的圆形单丝挤压变形获得；

第三层层绞：如图3所示，第三层由15根异形铝合金单丝导线绞合而成，该层厚度为2.7mm,外半径为9.1mm，所用异形铝合金单丝导线的θ角为23o，其横截面异形等腰梯形的高与该层厚度相当，圆弧半径R’为9.3mm，采用直径r为3.4 mm的圆形单丝挤压变形获得；

所得以圆形单丝为绞合中心的三层层绞稀土铝合金异形绞合导体，在进行同心层绞时，无需紧压，填充系数达到93%以上。制成异形铝合金绞合导体后外表面光滑圆整，并且制作十分方便，无需退火处理即可外包导体屏蔽层，提高了绞合导体的电性能。其各单丝导线间结合紧凑，不会出现渗入铝合金绞合绞合导体内部的现象，保证了屏蔽层的均匀分布，确保了导体的优良性能。

Claims (8)

1.一种电缆用新型铝合金线材，其特征在于按重量百分比，包括以下组分：

硅     0.04-0.15wt%；

铁     0.5-0.9wt%；

铜     0.1-0.3wt%；

锌     0.06-0.08wt%；

硼     0.05-0.2wt%；

锑    0.01-0.04wt%；

镍    0.05-0.08wt%；

锆     0.05-0.09wt%；

稀土   0.05-0.08wt%；

余量为铝及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种电缆用铝合金线材，其特征在于所述稀土组分，以铝合金中稀土总重量为基准，组成如下：

轻稀土     70-80wt%；

中稀土     5-10wt%；

重稀土     15-20wt%。

3.根据权利要求2所述的一种电缆用新型铝合金线材，其特征在于所述轻稀土选自镧、铈、镨、钕和钷中的一种或多种。

4.根据权利要求2所述的一种电缆用铝合金线材，其特征在于所述中稀土选自钐、铕、钆、铽和镝中的一种或多种。

5.根据权利要求2所述的一种电缆用铝合金线材，其特征在于所述重稀土选自钬、铒、铥、镱、镥、钇和钪中的一种或多种。

6.一种如权利要求1-5所述的电缆用铝合金线材的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）熔炼：先按配比将铝和铝-铁合金在720-750℃下熔化，再升温至780-790℃下按配比加入铜、锌、锑、镍、锆；充分混合后，在760-780℃下按配比加入轻稀土；充分混合后，在730-750℃下按配比加入中稀土；充分混合后，在780-790℃下按配比加入重稀土和硼；充分混合后通入精炼剂进行精炼、扒渣；再对铝液进行炉前化学快速分析，分析后根据配方中各组分的重量比调整铝液组分，对铝液进行补料；

保温：将步骤1所得铝液在720-750℃下保温15-20min； 

（3）连铸连轧：将步骤（2）所得铝液进行连铸连轧工艺，各项指标的控制范围为：浇铸温度为700-720℃，烧铸速度为7.0-7.6m/min，冷却速度为20-22℃/s，轧区的进轧温度为490-500℃，出轧温度为255-265℃。

7.一种稀土铝合金绞合导体，其特征在于它是由权利1-6所述的电缆用新型铝合金线材制备而成，所述的制备方法包括如下步骤：

（1）冷拉丝：由权利要求1-6任一权利要求所述的电缆用铝合金线材通过冷拉丝工艺制备稀土铝合金单丝导线；

（2）绞合：由多根所述铝合金单丝导线，通过同心层绞工艺绞合；

（3）退火：将步骤2所得的铝合金绞合导体装盘后进行退火处理；

（4）搓线：使用搓线机对步骤3所得的铝合金绞合导体进行搓线处理。

8.根据权利要求6所述的所述一种电缆用铝合金线材的制备方法，其特征在于步骤1中所述的精炼剂由NaNO₃、石墨和冰晶石组成，精炼剂的导入温度为775-785℃，精炼剂与铝液的重量比为2-3:6000，所述精炼剂中各组分的重量百分比为：硝酸钠(NaNO₃)50-70wt%、石墨粉(C)5-15wt%、冰晶石（Na₃AlF₆）20-40wt％，所述精炼剂的加入时应压入铝液面下。

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