CN104946936A

CN104946936A - 一种架空导线用高导电率稀土硬铝单丝材料

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Publication number: CN104946936A
Application number: CN201510289790.4A
Authority: CN
Inventors: 祝志祥; 陈保安; 韩钰; 张强; 马光; 聂京凯; 潘学东; 王晓芳; 赵蕊; 杨富尧; 陈新; 刘东雨; 冯砚厅; 杨长龙; 于鑫; 刘君; 杨印; 符少朋
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; State Grid Hebei Electric Power Co Ltd; North China Electric Power University; State Grid Liaoning Electric Power Co Ltd; Smart Grid Research Institute of SGCC
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; State Grid Hebei Electric Power Co Ltd; North China Electric Power University; State Grid Liaoning Electric Power Co Ltd; Smart Grid Research Institute of SGCC
Priority date: 2015-05-29
Filing date: 2015-05-29
Publication date: 2015-09-30
Anticipated expiration: 2035-05-29
Also published as: CN104946936B

Abstract

本发明公开了一种架空导线用高导电率稀土硬铝单丝材料，由B：0.002～0.05％，Er：0.02～0.20％，Y：0.02～0.20％，Si：0～0.060％，Fe：0～0.140％，V+Ti+Cr+Mn≤0.01％，余量为铝和不可避免的杂质元素组成。本发明通过加入微量合金化元素并优化控制合金的成分，制得的硬铝单丝材料导电率大于63.0％IACS，拉伸强度大于165MPa，常温力学性能和电学性能达到高导电率硬铝导线要求，可用于电力行业中架空导线领域以满足节能降耗的需求。

Description

一种架空导线用高导电率稀土硬铝单丝材料

【技术领域】

本发明涉及一种电力行业输电线路架空导线，具体讲涉及一种导电率≥63.0％IACS，抗拉强度≥165MPa，延伸率≥2.0％的架空导线用高导电率稀土硬铝单丝材料。

【背景技术】

现有的常规钢芯铝绞线用硬铝导体材料的导电率为61％IACS，其输电线损较高，而纯铝的极限导电率约为64％IACS，但这种电工纯铝也无法满足目前架空铝导线的市场需求，且其成本约为普通纯铝锭的1.5倍之高。

现有的63％IACS高导软铝导线在强度和表面硬度等方面存在的缺陷阻碍了推广使用。通过晶粒细化、铝线冷拉拔工艺的低缺陷控制、敏感元素的精确控制，在保证铝线强度并满足国家标准GB/T 17048的条件下，又可使铝线导电率达到63％IACS，这种高导电率钢芯硬铝导线可有效降低输电线路的电阻损耗1.0％～2.0％左右，节能效益显著，而其结构、机械性能及施工条件与普通钢芯铝绞线媲美，直接取代普通钢芯铝绞线。虽然根据目前制造成本及利润测算，高导电率硬铝导线价格一般高出普通钢芯铝绞线的5％～10％，但经试点应用例如，江苏省电力公司500KV斗山至常熟南线路、220KV南通西至常青线路以及示范工程的对比计算分析表明，采用高导电率硬铝导线每年输电损耗的减少所带来的收益，可在5～10年内即可收回因采用节能导线增加的初期建设投资。

【发明内容】

本发明为克服常规钢芯铝绞线导电率低61％IACS、输电线路损耗大的技术问题，提供了一种用于电力行业中架空导线用高导电率稀土硬铝单丝材料，通过加入微量合金化元素优化控制合金的成分，开发出导电率＞63.0％IACS(20℃)，抗拉强度≥165MPa的硬铝单丝材料。

为实施上述目的本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种架空导线用高导电率稀土硬铝单丝材料，由按质量百分比计的下述成分组成：

B：0.002～0.05％、Er：0.02～0.20％、Y：0.02～0.20％、Si：0～0.060％、Fe：0～0.140％、V+Ti+Cr+Mn≤0.01％和余量为铝及不可避免的杂质。

本发明提供的硬铝单丝材料由按质量百分比计的下述成分组成：

B：0.002～0.05％、Er：0.02～0.20％、Y：0.02～0.20％、Si：0.01～0.060％、Fe：0.01～0.140％、V+Ti+Cr+Mn≤0.01％和余量为铝及不可避免的杂质。

本发明提供的硬铝单丝材料，由按质量百分比计的下述成分组成：

B：0.010％、Er：0.050％、Y：0.050％、Si：0.060％、Fe：0.137％、Cr+Mn+V+Ti：0.010％和余量为铝及不可避免的杂质元素。

本发明还提供了一种制备硬铝单丝材料的方法，包括下述步骤：

(1)熔炼：于730～750℃的铝熔融物中加入Al-B合金静置30min后加入Al-Y和Al-Er合金；

(2)精炼：在720～730℃下通入氮气10～15min，静置30min后扒渣；

(3)浇铸：于700～720℃下将铝合金液铸模，得22mm×22mm×380mm的铝合金锭；为减少Fe的带入，模具采用紫铜材质；

(4)制杆：将步骤(3)制得的铝合金锭在510～530℃下保温1h后轧制成Ф9.5mm的铝合金杆；

(5)拉丝：以15m/s的速度、20-25％的变形量，拉丝得直径为3.05～3.50mm的硬铝单丝。本发明提供的制备工艺的特点在于：先进行冶炼，当工业纯铝锭完全熔化后依次放入各中间合金，合金化温度为730～750℃；使用搅拌机对铝液进行搅拌，使合金元素充分均匀化；采用N₂对铝液进行除气、除渣及覆盖剂防氧化处理，静置30min后进行扒渣及铝合金液浇铸，采用紫铜材质模具浇铸成22×22×380mm的硬铝合金锭；采用热轧的方式将硬铝合金锭压制成Ф9.5mm的圆杆，然后进行拉丝，以15m/s的速度在拉丝机上冷拉丝，使用钢模经过多道次拉制，最终获得3.05～3.50mm的单丝。

本发明提供的制备方法中，在步骤(2)精炼过程中加入覆盖剂后静置。

本发明提供的制备方法中，覆盖剂的加入量为炉料总量的0.03％～0.05％。

本发明提供的硬铝单丝材料的导电率≥63.0％IACS，拉伸强度≥165MPa，延伸率≥2.48％。

本发明采用的各合金元素的作用及机理如下：

Er：本发明提供的技术方案加入0.02～0.20％铒元素不仅显著提高了铝合金的强度，且能减少铝合金的枝晶偏析，细化铝合金的晶粒组织。本发明中加入0.02～0.20％的Er元素充分考虑了其对晶粒的细化机理与其添加量间的关系，当Er含量较低时，符合传统的稀土细化机理；当Er含量超过本发明提供的0.20％时，由于在熔体中形成了初生Al₃Er质点，在结晶形核时可以作为非均质形核核心，从而显著细化晶粒组织；Er还可以与铝合金中的部分杂质元素反应，使杂质元素从原子态转变为析出态，从而提高铝合金的导电率。

Y：本发明的技术方案中加入0.02～0.20％的钇元素对铝合金导电性能的提高作用主要是由于Y与铝中主要固溶杂质元素Fe、Si发生强烈的交互作用，Y与杂质原子形成的稀土化合物在晶界处的析出，降低了Fe、Si等杂质元素在基体中的固溶度。而杂质元素在铝中以固溶态存在时对铝导体电阻率的增大作用远大于析出态，Fe、Si等杂质和Y反应生成化合物在晶界处的析出，减少了固溶的Fe、Si对电子的散射作用，故加入本发明中的量的Y能使铝合金的导电率提高。但过多的Y会形成杂质影响导电性能，而且Y含量增加会增强晶粒细化作用，增加了对电子的散射，从而降低了铝导体的导电率。因此本发明的量的Y可以保证铝导体的导电性能。

Si：硅主要来自铝矾土中的二氧化硅或硅酸盐，是纯铝中的一种主要杂质元素。本发明中将Si含量控制在0～0.065％不仅能够提高铝合金的铸造性能及焊接流动性，还能使铝合金具有较高的力学性能。但随着Si含量超过0.065％时铝合金的电阻率增加。这主要是由于Si是半导体，较铝基体的电阻率高得多，故Si含量的增加将减少铝基体的有效导电截面积，降低铝合金的导电率。因此，为降低硬铝材料的电阻率应尽量减少Si含量。

Fe：本发明的技术方案中采用Fe：0～0.140％，铝中含有的一定量的铁是纯铝的一种主要杂质。因为熔炼与铸造使用的器具主要是钢质或铸铁，Fe元素就会因这些工具的使用而带入其中，而且在重熔废料时，也会混入铁与铁屑。铁对铸造铝的力学性能是有害的，因为其通常以粗大的一次晶体出现，或以Al-Fe-Si化合物形式存在，这在一定程度上提高了铝的硬度，使铝的塑性降低。本发明提供的技术方案中采用的铁/硅比为1.9～2.3，在保证提高铝导体强度的同时又不显著降低其导电性。

B：铝导体中杂质元素如果以固溶态存在，对导电性能的影响很大，本发明的技术方案中采用了B：0.002～0.05％，硼化处理能有效降低杂质含量，因为和过渡族杂质元素Cr、Mn、V、Ti等杂质元素发生反应，使之由固溶态转变为化合态并沉积于熔体底部而净化铝导体，从而提高铝合金的导电性能。

Cr、Mn、V、Ti：这四种元素均为电工纯铝中的杂质元素。铝导体中的Cr、Mn、V、Ti杂质元素以固溶态存在时，很容易吸收导体材料内的自由电子而填充它们不完整的电子层。这种传导电子数目的减少会导致铝导体电阻率的增加。对铝导体导电性能有害而言，每1％(Cr+Mn+V+Ti)是每1％Si的5倍。本发明中严格控制杂质元素V+Ti+Cr+Mn≤0.01％，保证了铝导体的导电性能。

本发明在通过硼化处理对杂质元素进行严格净化控制的基础上，在硬铝合金中同时添加了微量Er和Y稀土元素，在此两种稀土元素的共同作用下，既能降低杂质含量，又具有晶粒细化以及提高结晶温度的作用，一定程度上在保证硬铝合金具有高导电率的同时铝合金具有良好的力学性能；本发明熔炼过程中通入惰性气体N₂除气、除渣及加入覆盖剂既防止了氧化，且制备出的硬铝单丝材料无需进行后续热处理，从而简化了高导电率硬铝单丝材料的制备工艺，降低了生产成本，由此制备出的架空导线用硬铝单丝材料的导电率达到63.0％IACS(20℃)，抗拉强度达到165MPa以上，延伸率≥2.48％。

【具体实施方式】

为进一步理解本发明，所有实施方式都是采用现有的冶炼及轧制设备，按照前面所叙述的步骤进行，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例1

一种架空导线用高导电率稀土硬铝单丝材料，组分及其质量百分比为：

在纯度为99.7％的纯铝锭中加入各合金元素，使它们的最终含量如上所示，合金元素是以Al-B、Al-Er、Al-Y中间合金的形式加入。经紫铜模具浇铸形成硬铝合金锭；通过轧机对铝合金杆进行热轧；将轧制成的圆杆采用常规的铝单丝制备工艺，依次配模，在高速拉丝机上进行冷拉丝，所制备的硬铝单丝直径为3.05mm，导电率为63.08％IACS，抗拉强度为168.12MPa，延伸率为2.48％。

实施例2

在纯度为99.7％的纯铝锭中加入各合金元素，使它们的最终含量如上所示，合金元素是以Al-B、Al-Er、Al-Y中间合金的形式加入。经紫铜模具浇铸形成硬铝合金锭；通过轧机对铝合金杆进行热轧；将轧制成的圆杆采用常规的铝单丝制备工艺，依次配模，在高速拉丝机上进行冷拉丝，所制备的硬铝单丝直径为3.35mm，导电率为63.24％IACS，抗拉强度为167.28MPa，延伸率为2.50％。

实施例3

在纯度为99.7％的纯铝锭中加入各合金元素，使它们的最终含量如上所示，合金元素是以Al-B、Al-Er、Al-Y中间合金的形式加入。经紫铜模具浇铸形成硬铝合金锭；通过轧机对铝合金杆进行热轧；将轧制成的圆杆采用常规的铝单丝制备工艺，依次配模，在高速拉丝机上进行冷拉丝，所制备的硬铝单丝直径为3.50mm，导电率为63.27％IACS，抗拉强度为166.56MPa，延伸率为2.62％。

实施例4

在纯度为99.7％的纯铝锭中加入各合金元素，使它们的最终含量如上所示，合金元素是以Al-B、Al-Er、Al-Y中间合金的形式加入。经紫铜模具浇铸形成硬铝合金锭；通过轧机对铝合金杆进行热轧；将轧制成的圆杆采用常规的铝单丝制备工艺，依次配模，在高速拉丝机上进行冷拉丝，所制备的硬铝单丝直径为3.50mm，导电率为63.10％IACS，抗拉强度为166.80MPa，延伸率为2.50％。

实施例5

在纯度为99.7％的纯铝锭中加入各合金元素，使它们的最终含量如上所示，合金元素是以Al-B、Al-Er、Al-Y中间合金的形式加入。经紫铜模具浇铸形成硬铝合金锭；通过轧机对铝合金杆进行热轧；将轧制成的圆杆采用常规的铝单丝制备工艺，依次配模，在高速拉丝机上进行冷拉丝，所制备的硬铝单丝直径为3.50mm，导电率为63.05％IACS，抗拉强度为167.50MPa，延伸率为2.52％。

表1 实施例制备的铝合金成分表(wt％)

组别	B	Y	Er	Cr+Mn+V+Ti	Fe	Si
							实施例1	0.01	0.05	0.05	0.010	0.137	0.060
实施例2	0.015	0.055	0.055	0.009	0.131	0.057
							实施例3	0.02	0.06	0.06	0.008	0.125	0.056
实施例4	0.02	0.1	0.1	0.008	0.119	0.054
							实施例5	0.03	0.15	0.15	0.007	0.112	0.053

表2 实施例及对比例制备的铝合金的性能测试结果

组别	导电率(IACS)	拉伸强度(MPa)	延伸率
				实施例1	63.08％	168.12	2.48％
实施例2	63.24％	167.28	2.50％
				实施例3	63.27％	166.56	2.62％

实施例4	63.10％	166.80	2.50％
				实施例5	63.05％	167.50	2.52％

通过表2可知，本发明的硬铝导线从综合性能上有明显的优势，特别是导电率能达到63.0％以上，且拉伸轻度达到166MPa以上，延伸率大于2.48％。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本领

域的普通技术人员来说，在本发明启示下，可以对本发明进行若干改进和改变，这些改进和改变均在申请待批的权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种架空导线用高导电率稀土硬铝单丝材料，所述硬铝单丝材料由按质量百分比计的下述成分组成：

2.如权利要求1所述的硬铝单丝材料，所述硬铝单丝材料由按质量百分比计的下述成分组成：

B：0.01-0.03％、Er：0.05-0.15％、Y：0.05-0.15％、Si：0.01～0.060％、Fe：0.01～0.140％、V+Ti+Cr+Mn≤0.01％和余量为铝及不可避免的杂质。

3.如权利要求2所述的硬铝单丝材料，所述硬铝单丝材料由按质量百分比计的下述成分组成：

B：0.010％、Er：0.050％、Y：0.050％、Si：0.060％、Fe：0.137％、Cr+Mn+V+Ti：0.010％和余量为铝及不可避免的杂质。

4.一种制备如权利要求1所述硬铝单丝材料的方法，所述方法包括下述步骤：

(1)熔炼：于730～750℃的熔融铝中加入Al-B合金静置30min后加入Al-Y和Al-Er合金；

(2)精炼：在720～730℃下通入氮气10～15min，静置30min后扒渣；

(3)浇铸：于700～720℃下将铝合金液铸模，得22×22×380mm的铝合金锭；

(5)拉丝：以15m/s的速度、20-25％的变形量，拉丝得直径为3.05～3.50mm的硬铝单丝。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于所述步骤(2)精炼中加入覆盖剂后静置。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于所述覆盖剂的加入量为炉料总量的0.03％～0.05％。

7.如权利要求1所述的硬铝单丝材料，其特征在于所述硬铝单丝材料的导电率≥63.0％IACS，拉伸强度≥165MPa，延伸率≥2.48％。