CN104862509B - 架空输电导线用高导电率铝杆的制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种架空输电导线用高导电率铝杆的制备工艺，包括以下步骤：将Al99.70和Al99.85重熔铝锭组合使用，投入熔铝炉熔炼；将获得的熔炼后铝液转注到保温炉，搅拌均匀后取样用直读光谱仪进行快速分析，检测溶液中Al、Si、Fe和Mn、Cr、Ti、V的含量；在熔炼后铝液中加入铝硼中间合金、铝铈稀土中间合金，控制保温炉铝液温度在740±10℃时，人工搅拌并电磁搅拌20分钟，获得合金铝液，此合金铝液中Al≥99.82wt%、Si≤0.04wt%、Fe 0.08~0.12wt%、（Mn+Cr+Ti+V）＜0.01 wt%、Ce 0.01~0.05%wt%，并使Fe/Si≥2.0。本发明减少针状晶，增加球状晶，有效控制高纯铝枝晶组织的粗化，改善高纯铝的机械性能，提高铝导体的抗拉强度和伸长率。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝合金杆的制造工艺，尤其涉及一种架空输电导线用高导电率铝杆的制备工艺。
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组成，其中导体材料可分为纯铝和铝合金2类，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、技术最成熟的架空输电导线为钢芯铝绞线。其导体材料采用工业纯铝，主要机械、电气性能指标分别为：铝单线的抗拉强度在160~200MPa，20℃的直流电阻率不大于28.264nΩ.m（导电率为61%IACS）。
据电网输电线路使用统计资料显示，导体导电率在61%IACS时，电网损耗达传输电量的8.9%以上。如果能通过改善材料和加工工艺等方法，降低电阻率，将铝导体导电率原来的61%IACS提高到62.5-63.0% IACS，不仅可以减少输电线路线损及能耗，而且可以提高导线的载流量和传输效率。据相关资料统计，导体导电率提高1%，输电线路损耗可降低1%左右。在倡导追求节能、高效的今天，高导电率导线作为节能导线成为当前架空输电导线，尤其是高压和特高压架空输电导线发展方向之一。
目前，国内开发的高导电率导线产品:钢芯软铝绞线、应力转移型特强钢芯软铝绞线、复合芯软铝倍容量导线等,主要采用对拉丝后的铝导体进行退火工艺处理方法，用软铝代替电工硬铝，导体导电率可由61% IACS提高到63% IACS. 然而通过退火的软铝导体，其导电率得到了提高，但抗拉强度则大为降低，由原来硬铝时的160-200 MPa下降为60-98MPa，达不到GB/T 17048-2009架空导线用硬铝线的指标要求，由于软铝导体存在强度、表面硬度低等缺陷，放线施工时易擦伤导线表面，因此对导线施工和运行要求较高。因而不适用于跨度大、高压或特高压输电工程。
发明内容
本发明提供一种架空输电导线用高导电率铝杆的制备工艺，此制备工艺获得的架空输电导线用高导电率铝杆从原材料选择和导体线坯—铝杆生产工艺着手，提供一种既有高导电率，又适合生产架空导线用的铝杆及其硬铝线。其中铝线的性能指标主要取决于铝杆的指标，使用此种高导电率铝杆，导体可按常规拉丝工艺进行生产，无需经过退火工艺处理，也不需要改变拉丝配模工艺来就专用的铝杆外径尺寸（如Φ12mm，Φ15mm），导体导电率就可达到62.5-63.0% IACS，抗拉强度达到160-200MPa，符合架空导线用硬铝线的要求。简化了高导电率导线的生产过程，降低了该类导线的生产成本，极大地提高了高导电率导体的生产效率和合格率。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种架空输电导线用高导电率铝杆的制备工艺，包括以下步骤：
步骤一、将Al99.70和Al99.85重熔铝锭组合使用，投入熔铝炉熔炼，控制炉内铝液温度≤760℃，其中Al99.70铝锭占比为20~40%，Al99.85铝锭占比为60~80%；
步骤二、将步骤一获得的熔炼后铝液转注到保温炉，搅拌均匀后取样用直读光谱仪进行快速分析，检测溶液中Al、Si、Fe和Mn、Cr、Ti、V的含量；
步骤三、在熔炼后铝液中加入铝硼中间合金、铝铈稀土中间合金，控制保温炉铝液温度在740±10℃时，人工搅拌并电磁搅拌20分钟，获得合金铝液，此合金铝液中Al≥99.82wt%、Si≤0.04wt%、 Fe 0.08~0.12wt%、（Mn+Cr+Ti+V）＜0.01 wt%、Ce 0.01~0.05%wt%，并使Fe/ Si≥2.0；
步骤四、完成步骤三后，在铝液温度达到750±10℃时用99.996%的高纯氮气作载体，将高效喷粉精炼剂通入保温炉内熔体中进行精炼，达到合金铝液除气、除杂等净化处理；
步骤五、步骤四完成后，铝液静置5~10分钟，打开保温炉扒渣门进行扒渣，清理浮在合金铝液表面上的铝渣；
步骤六、将步骤五获得除渣后合金铝液进行取样分析，如果各组分含量偏离设定值，则进一步添加相应的组分，使得Al≥99.82wt%、Si≤0.04wt%、Fe 0.08-0.12wt%、（Mn+Cr+Ti+V）＜0.01 wt%、Ce 0.01~0.05% wt%，并使Fe/ Si≥2.0；
步骤七、经步骤六后，保温炉内铝液静置30~40分钟，温度达到740±10℃时，出炉，铝液从保温炉出来经过流槽进入在线除气装置和过滤装置，进行炉外精炼，再次除气除渣；
步骤八、对步骤七再次精炼后的洁净合金铝液进行连续浇铸，浇铸温度控制在690~700℃，采用水平浇铸方式进行浇铸，同时根据拉制单丝的直径范围，控制结晶轮的速度、冷却水压力，使从结晶轮出来到引桥上的铸坯温度为520~550℃；
步骤九、将骤八制得的铸坯进行校直、冷却，控制进轧前铸坯温度保持在470-490℃，轧制过程采用乳化液对轧辊和铝杆进行润滑和冷却，调整乳化液压力和流量，使高导铝杆终轧温度≤300℃；
步骤十、用水或稀乳化液对轧机出来的高导电率铝杆进行淬火—快速冷却处理，控制铝杆表面温度≤60℃；
步骤十一、铝杆清洁后自然冷却获得所述高导电率铝杆。
上述技术方案中进一步改进的技术方案如下：
1. 上述方案中，所述步骤四中精炼时控制精炼剂吹入的速度和氮气的压力，使精炼时间控制在15~20分钟，氮气压力控制在10~15KPa。
2. 上述方案中，所述步骤三中铝硼中间合金主元素硼含量为4.5~5.5wt%，所述铝铈稀土中间合金主元素铈含量为9~11 wt%。
3. 上述方案中，所述步骤八浇铸温度控制在690~700℃，结晶轮转速为1.4~1.8转/分，铸造冷却水温度为25~35℃，引桥上的铸坯温度为520~550℃。
4. 上述方案中，所述步骤九中进轧前用于冷却的稀乳化液的温度为20~40℃，稀乳化液浓度为2~3%。
5. 上述方案中，所述步骤九中轧制过程中乳化液浓度为8~10%，高导电率铝杆终轧温度≤300℃。
6. 上述方案中，所述步骤十淬火采用稀乳化液，它们的温度为20~40℃，压力为0.25~0.35 MPa。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1. 本发明制备工艺获得的架空输电导线用高导电率铝杆，其铝铈稀土合金细化组织晶粒及枝晶，改变熔体中Si、Fe等的形态，减少针状晶，增加球状晶，有效控制高纯铝枝晶组织的粗化，改善高纯铝的机械性能，提高铝导体的抗拉强度和伸长率，使高导铝杆这两项指标分别达到：抗拉强度110~130 MPa，伸长率≥6.5%，满足硬铝丝要求。解决了高导电率铝导体强度偏低，达不到架空导线用硬铝线标准要求的问题。
2. 本发明制备工艺获得的架空输电导线用高导电率铝杆，采用优选原材料的方法，进一步改进将Al99.70和Al99.85重熔铝锭组合使用，不仅改善了使用单一高纯铝晶粒粗大、加工朔性差、强度低的缺点，使铝导体保持硬铝性能；而且解决了使用单一工业纯铝，由于铝的纯度问题造成铝杆20℃电阻率仅能在27.90~28.01 nΩ.m （导电率 61.79~61.55）范围的局限，提高了铝的纯度和铝杆的电气性能。高导铝杆（直径为9.5mm）的电性能指标可分别达到：（1）20℃电阻率≤27.53 nΩ.m（导电率≥62.63 %IACS）；（2）20℃电阻率：≤27.32 nΩ.m（导电率≥63.11 %IACS）。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述：
实施例1：一种架空输电导线用高导电率铝杆的制备工艺，包括以下步骤：
步骤一、将Al99.70和Al99.85重熔铝锭组合使用，投入熔铝炉熔炼，控制炉内铝液温度≤760℃，其中Al99.70铝锭占比为20~40%，Al99.85铝锭占比为60~80%；
步骤二、将步骤一获得的熔炼后铝液转注到保温炉，搅拌均匀后取样用直读光谱仪进行快速分析，检测溶液中Al、Si、Fe和Mn、Cr、Ti、V的含量；
步骤三、在熔炼后铝液中加入铝硼中间合金、铝铈稀土中间合金，控制保温炉铝液温度在740±10℃时，人工搅拌并电磁搅拌20分钟，获得合金铝液，此合金铝液中Al≥99.82wt%、Si≤0.04wt%、 Fe 0.08~0.12wt%、（Mn+Cr+Ti+V）＜0.01 wt%、Ce 0.01~0.05%wt%，并使Fe/ Si≥2.0；
步骤四、完成步骤三后，在铝液温度达到750±10℃时用99.996%的高纯氮气作载体，将高效喷粉精炼剂通入保温炉内熔体中进行精炼，达到合金铝液除气、除杂等净化处理，所述精炼剂用量为炉料总量的0.15%~0.3%，精炼剂入炉前需进行预热干燥；
步骤五、步骤四完成后，铝液静置5~10分钟，打开保温炉扒渣门进行扒渣，清理浮在合金铝液表面上的铝渣；
步骤六、将步骤五获得除渣后合金铝液进行取样分析，如果各组分含量偏离设定值，则进一步添加相应的组分，使得Al≥99.82wt%、Si≤0.04wt%、 Fe 0.08-0.12wt%、（Mn+Cr+Ti+V）＜0.01 wt%、Ce 0.01~0.05% wt%，并使Fe/ Si≥2.0；
步骤七、经步骤六后，保温炉内铝液静置30~40分钟，温度达到740±10℃时，出炉，铝液从保温炉出来经过流槽进入在线除气装置和过滤装置，进行炉外精炼，再次除气除渣；
步骤八、对步骤七再次精炼后的洁净合金铝液进行连续浇铸，浇铸温度控制在690~700℃，采用水平浇铸方式进行浇铸，同时根据拉制单丝的直径范围，控制结晶轮的速度、冷却水压力，使从结晶轮出来到引桥上的铸坯温度为520~550℃；
步骤九、将骤八制得的铸坯进行校直、冷却，控制进轧前铸坯温度保持在470-490℃，轧制过程采用乳化液对轧辊和铝杆进行润滑和冷却；调整乳化液压力和流量，使高导铝杆终轧温度≤300℃；
步骤十、用水或稀乳化液对轧机出来的高导电率铝杆进行淬火—快速冷却处理，控制铝杆表面温度≤60℃；
步骤十一、铝杆清洁后自然冷却获得所述高导电率铝杆。
上述步骤四中精炼时控制精炼剂吹入的速度和氮气的压力，使精炼时间控制在15~20分钟，氮气压力控制在10~15KPa。
上述步骤三中铝硼中间合金主元素硼含量为4.5~5.5wt%，所述铝铈稀土中间合金主元素铈含量为9~11 wt%。
上述步骤八浇铸温度控制在690~700℃，结晶轮转速为1.4~1.8转/分，铸造冷却水温度为25~35℃，引桥上的铸坯温度为520~550℃。
实施例2：一种架空输电导线用高导电率铝杆的制备工艺，包括以下步骤：
步骤一、将Al99.70和Al99.85重熔铝锭组合使用，投入熔铝炉熔炼，控制炉内铝液温度≤760℃，其中Al99.70铝锭占比为20~40%，Al99.85铝锭占比为60~80%；
步骤二、将步骤一获得的熔炼后铝液转注到保温炉，搅拌均匀后取样用直读光谱仪进行快速分析，检测溶液中Al、Si、Fe和Mn、Cr、Ti、V的含量；
步骤三、在熔炼后铝液中加入铝硼中间合金、铝铈稀土中间合金，控制保温炉铝液温度在740±10℃时，人工搅拌并电磁搅拌20分钟，获得合金铝液，此合金铝液中Al≥99.82wt%、Si≤0.04wt%、 Fe 0.08-0.12wt%、（Mn+Cr+Ti+V）＜0.01 wt%、Ce 0.01~0.05%wt%，并使Fe/ Si≥2.0；
步骤四、完成步骤三后，在铝液温度达到750±10℃时用99.996%的高纯氮气作载体，将高效喷粉精炼剂通入保温炉内熔体中进行精炼，达到合金铝液除气、除杂等净化处理，所述精炼剂用量为炉料总量的0.15%~0.3%，精炼剂入炉前需进行预热干燥；
步骤五、步骤四完成后，铝液静置5~10分钟，打开保温炉扒渣门进行扒渣，清理浮在合金铝液表面上的铝渣；
步骤六、将步骤五获得除渣后合金铝液进行取样分析，如果各组分含量偏离设定值，则进一步添加相应的组分，使得Al≥99.82wt%、Si≤0.04wt%、 Fe 0.08-0.12wt%、（Mn+Cr+Ti+V）＜0.01 wt%、Ce 0.01~0.05% wt%，并使Fe/ Si≥2.0；步骤七、经步骤六后，保温炉内铝液静置30~40分钟，温度达到740±10℃时，出炉，铝液从保温炉出来经过流槽进入在线除气装置和过滤装置，进行炉外精炼，再次除气除渣；
步骤八、对步骤七再次精炼后的洁净合金铝液进行连续浇铸，浇铸温度控制在690~700℃，采用水平浇铸方式进行浇铸，同时根据拉制单丝的直径范围，控制结晶轮的速度、冷却水压力，使从结晶轮出来到引桥上的铸坯温度为520~550℃；
步骤九、将骤八制得的铸坯进行校直、冷却，控制进轧前铸坯温度保持在470-490℃，轧制过程采用乳化液对轧辊和铝杆进行润滑和冷却；调整乳化液压力和流量，使高导铝杆终轧温度≤300℃；
步骤十、用水或稀乳化液对轧机出来的高导电率铝杆进行淬火—快速冷却处理，控制铝杆表面温度≤60℃；
步骤十一、铝杆清洁后自然冷却获得所述高导电率铝杆。
上述步骤三中铝硼中间合金主元素硼含量为4.5~5.5wt%，所述铝铈稀土中间合金主元素铈含量为9~11 wt%。
上述步骤九中进轧前用于冷却的稀乳化液的温度为20~40℃，稀乳化液浓度为2~3%。
上述步骤九中轧制过程中乳化液浓度为8~10%，高导电率铝杆终轧温度≤300℃。
上述步骤十淬火采用稀乳化液，它们的温度为20~40℃，压力为0.25~0.35 MPa。
采用上述制造工艺获得的铝合金杆时，其铝铈稀土合金细化组织晶粒及枝晶，改变熔体中Si、Fe等的形态，减少针状晶，增加球状晶，有效控制高纯铝枝晶组织的粗化，改善高纯铝的机械性能，提高铝导体的抗拉强度和伸长率，这两项指标分别达到：抗拉强度110~130 MPa，伸长率≥6.5%，满足硬铝杆要求；其次，将Al99.70和Al99.85重熔铝锭组合使用，不仅提高了铝的纯度和铝杆的电气性能，而且能使铝导体保持硬铝的性能。高导铝杆（直径为9.5mm）的电性能指标可分别达到—（1）20℃电阻率≤27.53 nΩ.m（导电率≥62.63 %IACS）；（2）20℃电阻率：≤27.32 nΩ.m（导电率≥63.11 %IACS）。
本发明铝杆及其铝线指标与相应国家标准相关指标对比表
表1
实施例1和2的检测结果如表2所示：
表2
采用上述制备工艺获得的架空输电导线用高导电率铝杆，其铝铈稀土合金细化组织晶粒及枝晶，改变熔体中Si、Fe等的形态，减少针状晶，增加球状晶，有效控制高纯铝枝晶组织的粗化，改善高纯铝的机械性能，提高铝导体的抗拉强度和伸长率，这两项指标分别达到：抗拉强度110~130 MPa，伸长率≥6.5%，满足硬铝杆要求；其次，将Al99.70和Al99.85重熔铝锭组合使用，不仅提高了铝的纯度和铝杆的电气性能，而且能使铝导体保持硬铝的性能。高导铝杆（直径为9.5mm）的电性能指标可分别达到—（1）20℃电阻率≤27.53 nΩ.m（导电率≥62.63 %IACS）；（2）20℃电阻率：≤27.32 nΩ.m（导电率≥63.11 %IACS）。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种架空输电导线用高导电率铝杆的制备工艺，包括以下步骤：
步骤一、将Al99.70和Al99.85重熔铝锭组合使用，投入熔铝炉熔炼，控制炉内铝液温度≤760℃，其中Al99.70铝锭占比为20~40%，Al99.85铝锭占比为60~80%；
步骤二、将步骤一获得的熔炼后铝液转注到保温炉，搅拌均匀后取样用直读光谱仪进行快速分析，检测溶液中Al、Si、Fe和Mn、Cr、Ti、V的含量；
步骤三、在熔炼后铝液中加入铝硼中间合金、铝铈稀土中间合金，控制保温炉铝液温度在740±10℃时，人工搅拌并电磁搅拌20分钟，获得合金铝液，此合金铝液中Al≥99.82wt%、Si≤0.04wt%、 Fe 0.08~0.12wt%、（Mn+Cr+Ti+V）＜0.01 wt%、Ce 0.01~0.05% wt%，并使Fe/Si≥2.0；
步骤四、完成步骤三后，在铝液温度达到750±10℃时用99.996%的高纯氮气作载体，将高效喷粉精炼剂通入保温炉内熔体中进行精炼，实现合金铝液除气、除杂净化处理，所述精炼剂用量为炉料总量的0.15%~0.3%，精炼剂入炉前需进行预热干燥；
步骤五、步骤四完成后，铝液静置5~10分钟，打开保温炉扒渣门进行扒渣，清理浮在合金铝液表面上的铝渣；
步骤六、将步骤五获得除渣后的合金铝液进行取样分析，如果各组分含量偏离设定值，则进一步添加相应的组分，使得Al≥99.82wt%、Si≤0.04wt%、 Fe 0.08-0.12wt%、（Mn+Cr+Ti+V）＜0.01 wt%、Ce 0.01~0.05% wt%，并使Fe/ Si≥2.0；
步骤七、经步骤六后，保温炉内铝液静置30~40分钟，温度达到740±10℃时，出炉，铝液从保温炉出来经过流槽进入在线除气装置和过滤装置，进行炉外精炼，再次除气除杂；
步骤八、对步骤七再次精炼后的洁净合金铝液进行连续浇铸，浇铸温度控制在690~700℃，采用水平浇铸方式进行浇铸，同时根据拉制单丝的直径范围，控制结晶轮的速度、冷却水压力，使从结晶轮出来到引桥上的铸坯温度为520~550℃；
步骤九、将步骤八制得的铸坯进行校直、冷却，控制进轧前铸坯温度保持在470-490℃，轧制过程采用乳化液对轧辊和铝杆进行润滑和冷却；调整乳化液压力和流量，使高导铝杆终轧温度≤300℃；
步骤十、用水或稀乳化液对轧机出来的高导电率铝杆进行淬火—快速冷却处理，控制铝杆表面温度≤60℃；
步骤十一、铝杆清洁后自然冷却获得所述高导电率铝杆；所述步骤四中精炼时控制精炼剂吹入的速度和氮气的压力，使精炼时间控制在15~20分钟，氮气压力控制在10~15KPa。
2.根据权利要求1所述的高导电率铝杆的制备工艺，其特征在于：所述步骤三中铝硼中间合金主元素硼含量为4.5~5.5wt%，所述铝铈稀土中间合金主元素铈含量为9~11 wt%。
3.根据权利要求1所述的高导电率铝杆的制备工艺，其特征在于：所述步骤八浇铸温度控制在690~700℃，结晶轮转速为1.4~1.8转/分钟，铸造冷却水温度为25~35℃，引桥上的铸坯温度为520~550℃。
4.根据权利要求1所述的高导电率铝杆的制备工艺，其特征在于：所述步骤九中进轧前用于冷却的稀乳化液的温度为20~40℃，稀乳化液浓度为2~3%。
5.根据权利要求1所述的高导电率铝杆的制备工艺，其特征在于：所述步骤九中轧制过程中乳化液浓度为8~10%，高导电率铝杆终轧温度≤300℃。
6.根据权利要求1所述的高导电率铝杆的制备工艺，其特征在于：所述步骤十淬火采用稀乳化液，它们的温度为20~40℃，压力为0.25~0.35 MPa。
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