CN105671374A - 一种高导电耐热铝合金导体的制备方法 - Google Patents

一种高导电耐热铝合金导体的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种高导电耐热铝合金导体的制备方法，涉及一种合金导体的制备方法，方法包括以下过程：第一步，纯度大于99.7%的工业纯铝(Wt,Fe≦0.13%,Si≦0.0.08%)在加热炉中加热熔化后，向熔化的纯铝熔体中加入Al-Zr、Al-Er中间合金，第二步，对熔体进行除气、除杂、扒渣、覆盖等进化处理：第三步，通过保温静置后的熔体，借助流槽从保温炉进行放流，铝熔体先后经流槽流过接在后边的在线除气和陶瓷过滤系统，第四步，将连铸成形的铝线錠，第五步：以4-6道次连续ECAE成形的直径为8.5-12mm的铝合金杆为原料，在拉丝机上自动卷取成卷。该方法是一种高强度高导电率耐热铝合金导线的制备及连续ECAE动态时效成形方法，获得高性能铝合金导线。

Description

一种高导电耐热铝合金导体的制备方法
技术领域
本发明涉及一种合金导体的制备方法，特别是涉及一种高导电耐热铝合金导体的制备方法。
背景技术
我国地域宽广，发展很不平衡,西部资源丰富，工业落后；东部沿海地区，工业发达，资源稀缺，特别是电力资源。国家电力西电东送、南北互供、全国联网的战略部署，在电网的建设中对架空输电导线的要求也越来越高，远距离、大容量、大跨度的新型输电线路的建设势在必行，“中国制造2025”10大重点技术领域技术路线图：输变电工程要建1100KV特高压直流工程成套装备示范应用，急需新型电工材料。
我国架空导线普遍采用钢芯铝绞线，但是，钢芯铝绞线生产工艺落后，导线耐热性能差、不能用作融冰导线，我国高寒地区、高山、湖泊，电力系统尚未开发高山地区出冰车等，冬季极易发生冰冻等自然灾害，严重的导致输电线路的损坏，危及线路的输电安全。
采用高性能铝合金绞线代替钢芯铝绞线受到国际普遍关注。
日本在20世纪60年代相继开发了以铝-锆系为主的固溶型和析出型耐热合金导线。固溶型耐热合金导线锆含量低于0.1%，单线强度160MPA，等效导电率60.0%IACS；析出型特耐热合金导线强度和等效导电率分别为225MPA和52.5%IACS，在日本运行效果良好，但由于需要在时效温度200℃时进行长大200h时效，制造成本高，高强度耐热合金导线的推广应用受到限制。也受到世界各国高度重视。我国铝合金导线的研制始于上世纪60年代初期，三峡工程的建设，大力促进了我国架空导线技术的发展，目前已成为架空导线生产强国，耐热合金导线的强度达到了日本的生产水平，但我国大江、大河、高山、峡谷多，单线强度低、任然不能满足我国大跨越输电的要求。2012年沈阳大学开展了铝合金导线连续ECAE动态时效过程析出相演变与细晶强化机理研究（国家自然科学基金项目：51174139）。提出一种耐热铝合金导线的制备及在线形变热处理方法。流变挤压成形制备高性能铝锆耐热合金导线,其强度可达224MPa,挤压产品光洁度低，强度和导电率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高导电耐热铝合金导体的制备方法，该方法是一种高强度高导电率耐热铝合金导线的制备及连续ECAE动态时效成形方法，拉制成所需尺寸的成卷线材后将成卷线材在时效炉中进行最终人工时效，以获得高性能铝合金导线。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种高导电耐热铝合金导体的制备方法，所述方法包括以下过程：
第一步，纯度大于99.7%的工业纯铝(Wt,Fe≦0.13%,Si≦0.0.08%)在加热炉中加热熔化后，向熔化的纯铝熔体中加入Al-Zr、Al-Er中间合金，合金中各成分所占的质量分数为：Zr0.40%～1.2%，Er0.01%～0.50%，余量为Al，杂质含量低于0.02%；加入中间合金后对熔体进行搅拌,加入AL-B中间合金，对铝熔体进行硼化处理，以除去铝熔体中严重降低铝合金导电性能的Cr、Mn、V、Ti四素，让其进行10～20min反应；
第二步，对熔体进行除气、除杂、扒渣、覆盖等进化处理：硼化后铝熔体的温度达到740℃时，以高纯氮气为载体，借助喷粉简炼罐对铝熔体进行喷粉精炼，向熔体中加入熔体质量分数0.1-0.2%1%的C2Cl6和0.2-0.4%的1号溶剂的均匀混合粉体进行喷粉精炼，对熔体进行除气除渣精炼，拔渣后在铝熔体表面均匀撒上一层覆盖剂，保温静置15-30分钟；
第三步，通过保温静置后的熔体，借助流槽从保温炉进行放流，铝熔体先后经流槽流过接在后边的在线除气和陶瓷过滤系统，完成铝熔体炉外除气和陶瓷过滤后，经过与陶瓷过滤与浇注系统连通的流槽进，铝熔体依次流过上浇包，中间浇包，最后由下浇包水平浇入连铸机中，铝液流入转速9-17RPM的连铸机铜轮槽口与钢带构成的型腔中，在浇注系统内冷却水，外冷却水，内侧冷却水和外侧冷却水的冷却下，不断连续凝固成温度为480-520℃的铝合金线錠，凝固的线錠穿过随后的高压冷却水包，以冷却速度高于95℃/分的速度冷却80～140℃,然后通过高压风机吹干，成为连续ECAE成形的铝合金导体坯料；
第四步，将连铸成形的铝线錠，在挤压轮转速为24～60m/min，靴座冷却水流量为5-20L/Min,
ECAE成形轮冷却水流量为15-60L/min的工艺条件下，,进行4-6道次连续ECAE成形制备出直径为5.5-9.8mm的铝合金杆坯。
第五步：以4-6道次连续ECAE成形的直径为8.5-12mm的铝合金杆为原料，用10模水箱拉伸机拉制成直进2.12-4.5mm的铝合金线材，连续拉线终了拉线速度为750-1850m/Ming,线材在拉丝机上自动卷取成卷。
第六步，将成卷的铝线准入时效炉中进行线材的最终人工时效，采用时效温度为180-260℃，时效时间为6-12小时；合金导线的拉伸强度、伸长率和等效导电率分别为245-275MPA，2.5-3.3%和59.5～60.5%IACS。
所述的一种高导电耐热铝合金导体的制备方法，所述第一步加热炉中加热温度、熔体温度为740～760℃。
所述的一种高导电耐热铝合金导体的制备方法，所述第三步铝液浇入连铸机的入口温度为690-730℃。
所述的一种高导电耐热铝合金导体的制备方法，所述第四步，每道次ECAE成形铝合金杆的挤出温度为200～360℃。
本发明的优点与效果是：
1、将连续铸造与在线快冷与连续ECAE动态时效成型结合起来,制备铝合金导电材料的原料杆,工艺连续化程度高,有利于提高合金的产量和质量,降低制造成本；
2、采用大变形连续ECAE动态时效成形工艺加速合金中的强化相元素Zr从铝基体中析出速度和完全析出来；连续拉线后进行最终人工时效制备铝合金导线工艺，通过最终人工动态时效热处理控制析出强化相的形貌、大小和分布，从而控制合金导线的综合力学性能和导电性能，通过增加合金导线中合金元素Zr的含量，制备较高强度及高导线性能的铝合金耐热导线。
附图说明
图1为本发明工艺流程图；
图2为本发明连续ECAE动态预时效形变热处理制备耐热铝合金杆的方法的示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例一：
如图1所示,1连铸铝线杆；2导向轮；3挤压轮；4挤压轮冷却；5靴座；6槽封瓦；7靴座冷却；8档料块；9挤出模具；10冷却控制；11-干燥；12-ECAE成形铝合金杆；13-液压缸;14-转轴
本发明的工艺方法主要是通过配料、熔炼、合金化、熔体净化、连铸铸造铝线錠、ＥＣＡＥ动态预时效制备铝合金导电杆、铝合金导线连续拉伸成形、线材最终人工时效等主要工序实现的。图2是连续ECAE动态时效成形预时效热处工艺方法流程图。连铸铝线杆1经导线轮2进入到挤轮3的环形沟槽和槽封瓦6形成的孔槽内，挤压轮3按顺时针方向旋转的同时，在挤压轮冷却4和靴座冷却7的冷却控制下，将合金料带入到挤出模具9处的变形区。伸入铸挤轮5环形沟槽内的、安装在铸挤靴6上的挤料块7将铝合金从挤出模具9的口中连续挤出。控制挤压轮3的转速及流入挤压轮3、靴座4中的冷却水的流量，使变形挤压区的合金温度保持在200-360℃之间。挤出铝合金杆穿过冷却控制10干燥11得到需铝合金杆坯12。
制备高导电率铝合金导线的连学ECAE动态时效形变热处理具体步骤如下：
第一步，将1900kg纯度大于99.7%的工业纯铝(Wt,Fe≦0.13%,Si≦0.0.08%)在加热炉中加热熔化后，在温度为740℃时，向熔化的纯铝熔体中加入Al-10%Zr中间合金105kg、Al-10%Er中间合金22kg，加入中间合金后对熔体进行搅拌，当熔体温度为740～760℃时,加入AL-3%B中间合金60kg，对铝熔体进行硼化处理，以除去铝熔体中严重降低铝合金导电性能的Cr、Mn、V、Ti四素，让其进行12min反应；
第二步，对熔体进行除气、除杂、扒渣、覆盖等进化处理：硼化后铝熔体的温度达到740℃时，以高纯氮气为载体，借助喷粉简炼罐对铝熔体进行喷粉精炼，向熔体中加入熔体质量分数1kgC2Cl6和4kg的1号溶剂的均匀混合粉体进行喷粉精炼，对熔体进行除气除渣精炼，拔渣后在铝熔体表面均匀撒上一层覆盖剂，保温静置15分钟；
第三步，通过保温静置后的熔体，借助流槽从保温炉进行放流，铝熔体先后经流槽流过接在后边的在线除气和陶瓷过滤系统，完成铝熔体炉外除气和陶瓷过滤后，经过与陶瓷过滤与浇注系统连通的流槽进，铝熔体依次流过上浇包，中间浇包，最后由下浇包水平浇入连铸机中，铝液浇入连铸机的入口温度为720℃；铝液流入转速12RPM的连铸机铜轮槽口与钢带构成的型腔中，在浇注系统内冷却水，外冷却水，内侧冷却水和外侧冷却水的冷却下，不断连续凝固成温度为500℃的铝合金线錠，凝固的线錠穿过随后的高压冷却水包，以冷却速度高于100℃/分的速度冷却100℃,然后通过高压风机吹干，成为连续ECAE成形的铝合金导体坯料；
第四步，将连铸成形的铝线錠，在挤压轮转速为30m/min，靴座冷却水流量为120L/Min,ECAE成形轮冷却水流量为25L/min的工艺条件下,进行4道次连续ECAE成形制备出直径为6.0mm的铝合金杆坯，每道次ECAE成形铝合金杆的挤出温度为220℃；
第五步：以连续ECAE成形的直径为6.0mm的铝合金杆为原料，在10模水箱拉伸机上采用5道次拉伸为成直径为3.0mm的铝合金线材，连续拉线终了拉线速度为750m/Min,线材在拉丝机上自动卷取成卷。
第六步，将成卷的铝线准入时效炉中进行线材的最终人工时效，采用时效温度为190℃，时效时间为6小时；合金中各成分所占的质量分数为：Al-0.50%Zr-0.1%Er-0.06%B合金导线，合金导线的拉伸强度、伸长率和等效导电率分别为255MPA，3.2%和60.2%IACS。
实施例二：
第一步，将1855kg的99.7%的工业纯铝(Wt,Fe≦0.13%,Si≦0.0.08%)在加热炉中加热熔化后，在温度为740～760℃时，向熔化的纯铝熔体中加入Al-10%Zr中间合金160kg、Al-10%Er中间合金22kg，加入中间合金后对熔体进行搅拌，当熔体温度为740～760℃时,加入AL-B中间合金，对铝熔体进行硼化处理，以除去铝熔体中严重降低铝合金导电性能的Cr、Mn、V、Ti四素，让其进行10～20min反应；
第二步，对熔体进行除气、除杂、扒渣、覆盖等进化处理：硼化后铝熔体的温度达到755℃时，以高纯氮气为载体，借助喷粉简炼罐对铝熔体进行喷粉精炼，向熔体中加入1.2kg的C2Cl6和4kg的1号溶剂的均匀混合粉体进行喷粉精炼，对熔体进行除气除渣精炼，拔渣后在铝熔体表面均匀撒上一层覆盖剂，保温静置22分钟；
第三步，通过保温静置后的熔体，借助流槽从保温炉进行放流，铝熔体先后经流槽流过接在后边的在线除气和陶瓷过滤系统，完成铝熔体炉外除气和陶瓷过滤后，经过与陶瓷过滤与浇注系统连通的流槽进，铝熔体依次流过上浇包，中间浇包，最后由下浇包水平浇入连铸机中，铝液浇入连铸机的入口温度为710℃；铝液流入转速14RPM的连铸机铜轮槽口与钢带构成的型腔中，在浇注系统内冷却水，外冷却水，内侧冷却水和外侧冷却水的冷却下，不断连续凝固成温度为510℃的铝合金线錠，凝固的线錠穿过随后的高压冷却水包，以冷却速度为105℃/分的速度冷却100℃,然后通过高压风机吹干，成为连续ECAE成形的铝合金导体坯料；
第四步，将连铸成形的铝线錠，在挤压轮转速为35m/min，靴座冷却水流量为14L/Min,ECAE成形轮冷却水流量为35L/min的工艺条件下，进行5道次连续ECAE成形制备出直径为8mm的铝合金杆坯，每道次ECAE成形铝合金杆的挤出温度为260℃；
第五步：将直径为8mm的铝合金杆为原料，在10模水箱拉伸机采用7道次将直径为8.0mm的铝杆拉伸成直径为3.0mm的铝合金线材，连续拉线终了拉线速度为1200m/Ming,线材在拉丝机上自动卷取成卷。
第六步，将成卷的铝线准入时效炉中进行线材的最终人工时效，采用时效温度为230℃，时效时间为8小时；制备成Al-0.8%Zr-0.1%Er-0.05%B的耐热合金导线，合金导线的拉伸强度、伸长率和等效导电率分别为265MPA，2.9%和59.8%IACS。
实施例3：
第一步，将1800kg的99.7%的工业纯铝(Wt,Fe≦0.13%,Si≦0.0.08%)在加热炉中加热熔化后，在温度为740～760℃时，向熔化的纯铝熔体中加入Al-10%Zr中间合金240kg、Al-Er中间合金22kg，加入中间合金后对熔体进行搅拌，当熔体温度为740～760℃时,加入AL-B中间合金，对铝熔体进行硼化处理，以除去铝熔体中严重降低铝合金导电性能的Cr、Mn、V、Ti四素，让其进行20min反应；
第二步，对熔体进行除气、除杂、扒渣、覆盖等进化处理：硼化后铝熔体的温度达到740℃时，以高纯氮气为载体，借助喷粉简炼罐对铝熔体进行喷粉精炼，向熔体中加入熔体质量分数1.5kg的C2Cl6和4kg的1号溶剂的均匀混合粉体进行喷粉精炼，对熔体进行除气除渣精炼，拔渣后在铝熔体表面均匀撒上一层覆盖剂，保温静置25分钟；
第三步，通过保温静置后的熔体，借助流槽从保温炉进行放流，铝熔体先后经流槽流过接在后边的在线除气和陶瓷过滤系统，完成铝熔体炉外除气和陶瓷过滤后，经过与陶瓷过滤与浇注系统连通的流槽进，铝熔体依次流过上浇包，中间浇包，最后由下浇包水平浇入连铸机中，铝液浇入连铸机的入口温度为700℃；铝液流入转速16RPM的连铸机铜轮槽口与钢带构成的型腔中，在浇注系统内冷却水，外冷却水，内侧冷却水和外侧冷却水的冷却下，不断连续凝固成温度为515℃的铝合金线錠，凝固的线錠穿过随后的高压冷却水包，以冷却速度为110℃/分的速度冷却95℃,然后通过高压风机吹干，成为连续ECAE成形的铝合金导体坯料；
第四步，将连铸成形的铝线錠，在挤压轮转速为45m/min，靴座冷却水流量为18L/Min,ECAE成形轮冷却水流量为50L/min的工艺条件下，进行6道次连续ECAE成形制备出直径为9.5mm的铝合金杆坯，每道次ECAE成形铝合金杆的挤出温度为280℃；
第五步：将直径为9.5mm的铝合金杆为原料，在10模水箱拉伸机上拉制成直进为3.0mm的铝合金线材，连续拉线终了拉线速度为1620m/Ming,线材在拉丝机上自动卷取成卷。
第六步，将成卷的铝线准入时效炉中进行线材的最终人工时效，采用时效温度为255℃，时效时间为12小时；制备成Al-1.15%Zr-0.11%Er-0.04B%合金导线,的拉伸强度、伸长率和等效导电率分别为267MPA，2.7%和59.6%IACS。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种高导电耐热铝合金导体的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下过程：
第一步，纯度大于99.7%的工业纯铝(Wt,Fe≦0.13%,Si≦0.0.08%)在加热炉中加热熔化后，向熔化的纯铝熔体中加入Al-Zr、Al-Er中间合金，合金中各成分所占的质量分数为：Zr0.40%～1.2%，Er0.01%～0.50%，余量为Al，杂质含量低于0.02%；加入中间合金后对熔体进行搅拌,加入AL-B中间合金，对铝熔体进行硼化处理，以除去铝熔体中严重降低铝合金导电性能的Cr、Mn、V、Ti四素，让其进行10～20min反应；
第二步，对熔体进行除气、除杂、扒渣、覆盖等进化处理：硼化后铝熔体的温度达到740℃时，以高纯氮气为载体，借助喷粉简炼罐对铝熔体进行喷粉精炼，向熔体中加入熔体质量分数0.1-0.2%1%的C2Cl6和0.2-0.4%的1号溶剂的均匀混合粉体进行喷粉精炼，对熔体进行除气除渣精炼，拔渣后在铝熔体表面均匀撒上一层覆盖剂，保温静置15-30分钟；
第三步，通过保温静置后的熔体，借助流槽从保温炉进行放流，铝熔体先后经流槽流过接在后边的在线除气和陶瓷过滤系统，完成铝熔体炉外除气和陶瓷过滤后，经过与陶瓷过滤与浇注系统连通的流槽进，铝熔体依次流过上浇包，中间浇包，最后由下浇包水平浇入连铸机中，铝液流入转速9-17RPM的连铸机铜轮槽口与钢带构成的型腔中，在浇注系统内冷却水，外冷却水，内侧冷却水和外侧冷却水的冷却下，不断连续凝固成温度为480-520℃的铝合金线錠，凝固的线錠穿过随后的高压冷却水包，以冷却速度高于95℃/分的速度冷却80～140℃,然后通过高压风机吹干，成为连续ECAE成形的铝合金导体坯料；
第四步，将连铸成形的铝线錠，在挤压轮转速为24～60m/min，靴座冷却水流量为5-20L/Min,ECAE成形轮冷却水流量为15-60L/min的工艺条件下，,进行4-6道次连续ECAE成形制备出直径为5.5-9.8mm的铝合金杆坯；
第五步：以4-6道次连续ECAE成形的直径为8.5-12mm的铝合金杆为原料，用10模水箱拉伸机拉制成直进2.12-4.5mm的铝合金线材，连续拉线终了拉线速度为750-1850m/Ming,线材在拉丝机上自动卷取成卷；
第六步，将成卷的铝线准入时效炉中进行线材的最终人工时效，采用时效温度为180-260℃，时效时间为6-12小时；合金导线的拉伸强度、伸长率和等效导电率分别为245-275MPA，2.5-3.3%和59.5～60.5%IACS。
2.根据权利要求1所述的一种高导电耐热铝合金导体的制备方法，其特征在于，所述第一步加热炉中加热温度、熔体温度为740～760℃。
3.根据权利要求1所述的一种高导电耐热铝合金导体的制备方法，其特征在于，所述第三步铝液浇入连铸机的入口温度为690-730℃。
4.根据权利要求1所述的一种高导电耐热铝合金导体的制备方法，其特征在于，所述第四步，每道次ECAE成形铝合金杆的挤出温度为200～360℃。
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