CN110735069B - 高导电率中强全铝合金节能导线及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高导电率中强全铝合金节能导线及其制备方法，属于铝基合金技术领域。高导电率中强全铝合金节能导线，由多层铝合金单丝绞制而成，所述铝合金单丝由如下质量百分比的成分组成：Mg0.35‑0.80，Si0.21‑0.60，Zr0.10‑0.20，Ti0.06‑0.12，V0.03‑0.08，La0.02‑0.06，Ce0.05‑0.10，B0.05‑0.12，Mg/Si≤1.73，其余为Al和不可避免的杂质，所述不可避免的杂质的总量小于0.05%。本发明铝合金导线产品性能满足Q/GDW1816‑2012《中强度铝合金绞线》要求，与常规中强度铝合金导线相比导电率高，可以显著降低线路损耗。

Description

高导电率中强全铝合金节能导线及其制备方法
技术领域
本发明属于铝基合金技术领域，具体涉及一种高导电率中强全铝合金节能导线及其制备方法。
背景技术
铝合金由于其良好的导电性、高比强度、良好的延展性和很好的加工性能，是目前应用最广的电线电缆原材料之一。全铝合金导线（AAAC）是国外大量应用的一种架空导线，这种导线全部由铝合金导线构成。中强度全铝合金导线是指由抗拉强度为230~265MPa的铝合金单丝绞制而成的铝合金绞线。在超高压、特高压输电线路上采用中强度全铝合金导线（AAAC）较目前普遍采用的钢芯铝绞线（ACSR）具有如下优点：（1）导线拉重比大，弧垂特性好，可增大输电杆塔档距，降低线路建设投资。中强度全铝合金导线的总拉断力与其单位长度重量之比为9.4 km，而常用ACSR为7~8 km。（2）导线延伸率大，中强度全铝合金导线具有优良的抗过载能力及疲劳特性。（3）导线高温特性好，中强度铝合金导线在更高温度下运行，强度损失较少。（4）在荷载方面，中强度铝合金导线与相同直径的ACSR相比，在水平荷载相当时，垂直荷载减少10%。（5）接续金具简单，施工方便。中强度全铝合金导线由同种材料绞成，故仅需一个接续管。其屈服强度约为铝线的1.5 倍，压缩型接续不易产生导线鼓包或灯笼现象。对耐强跳线可减少压接工作量，提高效率。（6）导线表面耐损伤。中强度全铝合金线的硬度（布氏硬度为85HB）为铝线的2 倍，但重量比ACSR轻，施工放线时可减少导线表面擦伤，提高施工质量。高表面质量的导线可减少运行时电晕损失及无线电干扰水平。（7）在线路运行过程中，中强度铝合金导线电能损失少。虽然中强度铝合金丝的直流电阻率比硬铝线约高4.3%，但由于同直径时，中强度全铝合金导线的导电截面积较ACSR大，所以20℃直流电阻要稍低于ACSR。ACSR 钢芯要产生磁滞损失和涡流损失，而中强度全铝合金导线无钢芯，交流电阻要比ACSR低，故电能损失减少，特别是大容量输电时降耗明显。（8）耐腐蚀。对大气腐蚀具有天然抵抗能力，而且又避免了铝线与镀锌钢线之间的电化学腐蚀，导线运行寿命长。（9）中强度全铝合金导线的外层铝合金丝的受力较ACSR外层铝丝的受力相对值要小，耐受振动的性能要好。鉴于此，中强度全铝合金导线在国内外受到重视。
公开号为CN102634695A的专利文献提供了一种高导电率非热处理型中强度铝合金线及其制造方法，该中强度铝合金导线的化学成分为0.10~0.90%Fe，0.10~0.50%Si，0.05~0.40%Mg，0.02~0.80%Cu，0.05~0.6%RE。尽管该专利申请者称该中强度铝合金在非热处理条件下其抗拉强度≥240MPa，导电率为60~60.8%。但从元素之间的交互作用机理来看，在非热处理条件下，强度和导电率很难达到要求。当铝合金中含铁时若Si含量>Fe含量时、主要形成脆性的β相（Al9Fe2Si2），当1.5<Fe/Si<3时、主要形成塑性较好的α相（Al12Fe3Si），当铁含量更高时，主要形成Al3Fe相，加入稀土会进一步对Al-Fe-Si相进行改性。若Al、Fe、Si和稀土交互作用，形成Al-Fe-Si-RE相和Al-Fe-RE将Fe、Si和稀土消耗掉，α-Al固溶体中还固溶有Cu和Mg，而Cu、Mg含量超过0.3%，则铝合金的导电率就小于58%IACS。目前，未见其有相关导线产品。
国网智能电网研究院、华北电力大学、中南大学等研究了合金元素对Al-Fe系导体材料性能的影响（参阅CN 104862541 A）。研究发现，适量稀土和硅元素可提高Al-Fe系硬拉铝线的抗拉强度但稍微降低导电率；而在Al-Fe-Mg系铝合金中加入稀土元素不仅降低导线的抗拉强度而且也降低导电率；合金元素Zr加入到Al-Fe-Mg系铝合金中会改善Al-Fe-Mg系合金的导电性，但使强度降低；在Al-Cu-Mg系铝合金中加入稀土元素可提高铝合金的导电率，但是强度有所降低。实验结果还发现，对于Al-Fe-Mg-RE系拉拔到一定程度后，铝合金的加工硬化率减小，而Al-Cu-Mg-RE在拉拔后期加工硬化率较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种高导电率中强全铝合金节能导线，以提高中强全铝合金导线的导电性能，降低线损。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
高导电率中强全铝合金节能导线，由多层铝合金单丝绞制而成，所述铝合金单丝由如下质量百分比的成分组成：Mg0.35-0.80，Si0.21-0.60，Zr0.10-0.20，Ti0.06-0.12，V0.03-0.08，La0.02-0.06，Ce0.05-0.10，B0.05-0.12，Mg/Si≤1.73，其余为Al和不可避免的杂质，所述不可避免的杂质的总量小于0.05%。
优选地，所述铝合金单丝，由如下质量百分比的成分组成：Mg0.40-0.60，Si0.35-0.45，Zr0.12-0.15，Ti0.06-0.08，V0.05-0.07，La0.04-0.06，Ce0.06-0.08，B0.08-0.10，Mg/Si≤1.73，其余为Al和不可避免的杂质，所述不可避免的杂质的总量小于0.05%。
优选地，所述铝合金单丝，由如下质量百分比的成分组成：Mg0.40，Si0.38，Zr0.12，Ti0.08，V0.05，La0.04，Ce0.06，B0.09，Mg/Si=1.05，其余为Al和不可避免的杂质，所述不可避免的杂质的总量小于0.05%。
优选地，所述铝合金单丝，由如下质量百分比的成分组成：Mg0.60，Si0.45，Zr0.15，Ti0.10，V0.06，La0.05，Ce0.08，B0.10，Mg/Si=1.33，其余为Al和不可避免的杂质，所述不可避免的杂质的总量小于0.05%。
高导电率中强全铝合金节能导线的制备方法，包括：
1）将Al源、Mg源、Si源、Zr源、Ti源、V源、La源、Ce源和B源进行熔炼，得到合金液；
2）将所述合金液进行铸造，得到铝合金铸锭；
3）对所述铝合金铸锭进行轧制，入轧温度520-530℃，出杆温度90℃，得到杆材；
4）将所述杆材在400-420℃下进行1-2h固溶处理，然后水淬；
5)将所述水淬后的杆材进行拉线、时效处理和绞制，得到全铝合金导线。
优选地，所述熔炼是在720℃-750℃环境中，采用泡沫陶瓷过滤板对熔体进行过滤，并在惰性气体环境中进行精炼。
优选地，所述泡沫陶瓷过滤板的孔径为20-40ppi，厚度为50±2mm。
优选地，所述铸造是将步骤1)的合金液浇铸在模具内，在710℃-730℃的温度下，以120-125mm/min的铸造速度进行铸造，并快速冷却至275℃，冷却后在275-300℃下保温8个小时，得到铝合金铸锭。
优选地，所述轧制的速度为1.2m/s-2.5m/s。
优选地，所述时效处理的参数为：250-300℃保温 2-4h。
我国架空输电线路导线的现状是以钢芯铝绞线为主，若采用增加导线截面积制造大截面钢芯铝绞线方式提高输送容量，必须建造更高强度的杆塔来实现，不仅增加线路走廊面积而且加大建设成本。为了解决输电线路的节能改造，降低输电线损，提高线路寿命，采用高导电率的全铝合金导线替代钢芯铝绞线实现输电线路的节能降耗是发展的趋势之一。但国内高强全铝合金导线导电率较低，线损较大；而国内中强全铝合金导线导电率虽比高强全铝合金导线有所提升，但生产工艺复杂，成本高，产品综合性能与国外也存在较大差距。因此，开发高导电率中强度铝合金导体材料及其导线是目前国内全铝合金导线技术发展的趋势和亟待解决的技术难题。对于铝合金而言，其导电性与铝的化学成分、杂质含量、铝的结晶状态、加工工艺等息息相关。由于我国铝矿石自然条件的原因，铝中部分对导电不利的化学成分难以去除或不容易得到严格控制，比如：Mn、Cr、Fe等；微量杂质元素在铝导体中的含量虽少，但对铝导体导电率的影响却不容忽视，有研究表明，每1%（Cr+Ti+Mn+V）的有害作用为每1%硅对铝导电性有害作用的5倍。严格控制微量杂质元素的含量需要从加工工艺入手，对铝液进行净化，然而目前铝合金加工工艺较为繁琐，且直接影响到铝合金以及相应导线的最终性能，因此，寻求合适的制造工艺和参数并非易事。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明基于以上技术方案，提供了一种高导电率中强全铝合金节能导线，为了获得强度及导电率的最佳组合，必须对合金的成分及导线制备工艺过程进行精心控制。首先，本发明严格控制合金元素的含量，使强度、耐热性和电导率最佳搭配是十分重要的。Mg、Si是铝合金中的强化元素，使Mg、Si元素在合金中形成稳定的强化相结构，将Mg/Si比值控制在1.73以下有助于提高合金的强度。添加Zr、Ti、V有助于提高铝材的耐热性能和抗蠕变能力，但会影响合金的电导率，应严格控制添加量，以使合金在提高耐热性的同时减小电导率的损失，本发明中Zr、Ti和V的质量含量分别为0.10-0.20wt%、0.06-0.12 wt %、0.03-0.08wt %。La和Ce具有极高的化学活性，加入铝熔体中具有除H、改变杂质形态和分布的作用，利于铸造和提高合金杆锭的塑性，可提高铝合金导线的电导率和伸长率，还具有一定的合金强化作用，并使合金导电性、塑性、强度、耐蚀性和光亮度等性能获得改善，延长导线的使用寿命。B是降低电阻率的有效元素，为减小其他合金元素对电导率的不利影响，本发明控制铝合金中添加B的含量为0.05-0.12 wt%。
其次，本发明铝合金导线的工艺步骤为：熔炼、铸造、轧制、固溶处理、拉线、时效处理和绞制，铝合金在熔炼中吸气能力很强，Al、Mg等合金元素易与O、N等元素化合生成夹杂物，会在铸锭中形成疏松、气孔、夹渣等冶金缺陷。夹杂物的含量高，造成铸造过程中铸坯的裂纹倾向增大，H、O等含量高也是影响铸坯裂纹倾向的主要因素，Na含量高会造成“钠脆”现象。因此，在熔炼过程中应进行除H除Na、降低夹杂物的含量、控制夹杂物的颗粒尺寸、消除大颗粒夹杂物的影响。本发明结合炉内净化处理和炉外净化处理方法，炉内净化处理主要采用惰性气体，如氮气或氩气；炉外净化主要是采用泡沫陶瓷过滤板过滤，在此过程中控制熔炼温度为720℃-750℃。在铸造过程中，铸造速度和冷却方式直接影响铸锭的表面质量和内部组织，浇铸中应合理控制，以消除铸造常见缺陷（如开裂、缩孔、冷隔等），获得均匀的组织。铝合金属于可热处理强化型合金，轧制过程中对温度和轧制速度进行控制，可使合金杆材具有良好的力学性能和导电性能。对杆材进行人工时效处理，有助于固溶的Zr以Al3Zr形式弥散析出，提高合金耐热性，减小其对电导率的影响，而且有利于组织的稳定性及最终产品性能的提高和稳定。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明做进一步说明。
实施例1
高导电率中强全铝合金节能导线，由多层铝合金单丝绞制而成，多层铝合金单丝由芯层、一层、二层和三层组成，其中，芯层为一根铝合金单丝，一层为6根铝合金单丝，二层为12层铝合金单丝，三层为18层铝合金单丝，铝合金单丝，由如下质量百分比的成分组成：Mg0.40，Si0.38，Zr0.12，Ti0.08，V0.05，La0.04，Ce0.06，B0.09，Mg/Si=1.05，其余为Al和不可避免的杂质，不可避免的杂质的总量小于0.05%。
其中，不可避免的杂质包括Mn、Cr、Fe等元素，单一杂质的质量百分比低于0.03%。
高导电率中强全铝合金节能导线的制备方法，包括：
1）将Al源、Mg源、Si源、Zr源、Ti源、V源、La源、Ce源和B源进行熔炼，得到合金液；
2）将合金液进行铸造，得到铝合金铸锭；
3）对铝合金铸锭进行轧制，入轧温度525℃，出杆温度90℃，得到杆材；
4）将杆材在410℃下进行1.5h固溶处理，然后水淬；
5)将水淬后的杆材进行拉线、时效处理和绞制，得到全铝合金导线。
其中，Al源可选择铝锭，Mg源可选择镁锭，Si源可选择Al-Si中间合金，Zr源可选择Al-Zr中间合金，Ti源可选择Al-Ti中间合金，V源可选择Al-V中间合金，La源可选择Al-La中间合金，Ce源可选择Al-Ce中间合金和B源可选择Al-B中间合金。
作为优选方案，熔炼是在735℃环境中，采用泡沫陶瓷过滤板对熔体进行过滤，并在惰性气体环境中进行精炼。
惰性气体为氩气或氮气。
作为优选方案，泡沫陶瓷过滤板的孔径为30ppi，厚度为50±2mm。
作为优选方案，铸造是将步骤1)的合金液浇铸在模具内，在720℃的温度下，以123mm/min的铸造速度进行铸造，并快速冷却至275℃，冷却后在290℃下保温8个小时，得到铝合金铸锭。
作为优选方案，轧制的速度为2.0m/s。
作为优选方案，时效处理的参数为：280℃保温 3h。
实施例2
本实施例所描述的高导电率中强全铝合金节能导线，与实施例1不同的是：铝合金单丝，由如下质量百分比的成分组成：Mg0.60，Si0.45，Zr0.15，Ti0.10，V0.06，La0.05，Ce0.08，B0.10，Mg/Si=1.33，其余为Al和不可避免的杂质，不可避免的杂质的总量小于0.05%。
高导电率中强全铝合金节能导线的制备方法，包括：
1）将Al源、Mg源、Si源、Zr源、Ti源、V源、La源、Ce源和B源进行熔炼，得到合金液；
2）将合金液进行铸造，得到铝合金铸锭；
3）对铝合金铸锭进行轧制，入轧温度520℃，出杆温度90℃，得到杆材；
4）将杆材在400℃下进行2h固溶处理，然后水淬；
5)将水淬后的杆材进行拉线、时效处理和绞制，得到全铝合金导线。
作为优选方案，熔炼是在720℃环境中，采用泡沫陶瓷过滤板对熔体进行过滤，并在惰性气体环境中进行精炼。
作为优选方案，泡沫陶瓷过滤板的孔径为20ppi，厚度为50±2mm。
作为优选方案，铸造是将步骤1)的合金液浇铸在模具内，在710℃的温度下，以120mm/min的铸造速度进行铸造，并快速冷却至275℃，冷却后在275℃下保温8个小时，得到铝合金铸锭。
作为优选方案，轧制的速度为1.2m/s。
作为优选方案，时效处理的参数为：250℃保温 4h。
实施例3
本实施例所描述的高导电率中强全铝合金节能导线，与实施例1不同的是：铝合金单丝，由如下质量百分比的成分组成：Mg0.50，Si0.35，Zr0.13，Ti0.06，V0.07，La0.06，Ce0.07，B0.08，Mg/Si=1.43，其余为Al和不可避免的杂质，不可避免的杂质的总量小于0.05%。
高导电率中强全铝合金节能导线的制备方法，包括：
1）将Al源、Mg源、Si源、Zr源、Ti源、V源、La源、Ce源和B源进行熔炼，得到合金液；
2）将合金液进行铸造，得到铝合金铸锭；
3）对铝合金铸锭进行轧制，入轧温度530℃，出杆温度90℃，得到杆材；
4）将杆材在420℃下进行1h固溶处理，然后水淬；
5)将水淬后的杆材进行拉线、时效处理和绞制，得到全铝合金导线。
作为优选方案，熔炼是在750℃环境中，采用泡沫陶瓷过滤板对熔体进行过滤，并在惰性气体环境中进行精炼。
作为优选方案，泡沫陶瓷过滤板的孔径为40ppi，厚度为50±2mm。
作为优选方案，铸造是将步骤1)的合金液浇铸在模具内，在730℃的温度下，以125mm/min的铸造速度进行铸造，并快速冷却至275℃，冷却后在300℃下保温8个小时，得到铝合金铸锭。
作为优选方案，轧制的速度为2.5m/s。
作为优选方案，时效处理的参数为：300℃保温 2h。
实施例4
本实施例所描述的高导电率中强全铝合金节能导线，与实施例1不同的是：铝合金单丝，由如下质量百分比的成分组成：Mg0.45，Si0.42，Zr0.14，Ti0.07，V0.06，La0.05，Ce0.07，B0.09，Mg/Si=1.07，其余为Al和不可避免的杂质，不可避免的杂质的总量小于0.05%。
实施例5
本实施例所描述的高导电率中强全铝合金节能导线，与实施例1不同的是：铝合金单丝由如下质量百分比的成分组成：Mg0.35，Si0.21，Zr0.10，Ti0.06，V0.03，La0.02，Ce0.05，B0.05，Mg/Si=1.67，其余为Al和不可避免的杂质，不可避免的杂质的总量小于0.05%。
实施例6
本实施例所描述的高导电率中强全铝合金节能导线，与实施例1不同的是：铝合金单丝由如下质量百分比的成分组成：Mg0.80，Si0.60，Zr0.20，Ti0.12，V0.08，La0.06，Ce0.10，B0.12，Mg/Si=1.33，其余为Al和不可避免的杂质，不可避免的杂质的总量小于0.05%。
实施例7
本实施例所描述的高导电率中强全铝合金节能导线，与实施例1不同的是：铝合金单丝由如下质量百分比的成分组成：Mg0.40，Si0.30，Zr0.12，Ti0.07，V0.04，La0.03，Ce0.06，B0.06，Mg/Si=1.33，其余为Al和不可避免的杂质，不可避免的杂质的总量小于0.05%。
实施例8
本实施例所描述的高导电率中强全铝合金节能导线，与实施例1不同的是：铝合金单丝由如下质量百分比的成分组成：Mg0.70，Si0.55，Zr0.18，Ti0.10，V0.07，La0.05，Ce0.09，B0.11，Mg/Si=1.27，其余为Al和不可避免的杂质，不可避免的杂质的总量小于0.05%。
对比例1
本对比例所描述的全铝合金导线，与实施例1不同的是：其中，
铝合金单丝，由如下质量百分比的成分组成：Mg0.40，Si0.38，Zr0.12，Ti0.08，V0.05，Ce0.06，B0.09，Mg/Si=1.05，其余为Al和不可避免的杂质，不可避免的杂质的总量小于0.05%。
对比例2
本对比例所描述的全铝合金导线，与实施例1不同的是：其中，
铸造是将步骤1)的合金液浇铸在模具内，在760℃的温度下，以150mm/min的铸造速度进行铸造，并快速冷却至250℃，冷却后在250℃下保温10个小时，得到铝合金铸锭。
对比例3
本对比例所描述的全铝合金导线，与实施例1不同的是：其中，
对铝合金铸锭进行轧制，入轧温度550℃，出杆温度105℃，轧制的速度为3m/s，得到杆材；
将杆材进行拉线、时效处理和绞制，得到全铝合金导线；
时效热处理的参数为：350℃保温2h。
对本发明实施例1-3以及对比例1-3所得全铝合金及其导线进行如下检测，检测依据为国家电网公司企业标准Q/GDW 1816-2012《中强度铝合金导线》、GB/T1179-2008《圆线同心绞架空导线》，检测结果如下表所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
由上表可知，本发明铝合金导线产品性能满足Q/GDW1816-2012《中强度铝合金绞线》要求，实际应用于某段66kV三相输电线路，线路长度10.8km，年最大负荷利用小时数为3500h，线路运行电流为300A，年平均环境温度15℃，与常规中强度铝合金导线（58.5%IACS）相比可以显著降低线路损耗，与常规钢芯铝绞线相比可以降低年运行费用。按线路运行30年计算，可以节约电价7490.5元/年×30年=224715元，减少二氧化碳排放12.55t/年×30a=376.5t，效果显著。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (3)

1.高导电率中强全铝合金节能导线，其特征在于：由多层铝合金单丝绞制而成，所述铝合金单丝由如下质量百分比的成分组成：Mg0.40，Si0.38，Zr0.12，Ti0.08，V0.05，La0.04，Ce0.06，B0.09，Mg/Si=1.05，其余为Al和不可避免的杂质，所述不可避免的杂质的总量小于0.05%；
或，所述铝合金单丝由如下质量百分比的成分组成：Mg0.60，Si0.45，Zr0.15，Ti0.10，V0.06，La0.05，Ce0.08，B0.10，Mg/Si=1.33，其余为Al和不可避免的杂质，所述不可避免的杂质的总量小于0.05%；
或，所述铝合金单丝由如下质量百分比的成分组成：Mg0.50，Si0.35，Zr0.13，Ti0.06，V0.07，La0.06，Ce0.07，B0.08，Mg/Si=1.43，其余为Al和不可避免的杂质，所述不可避免的杂质的总量小于0.05%；
所述的高导电率中强全铝合金节能导线的制备方法，包括：
1）将Al源、Mg源、Si源、Zr源、Ti源、V源、La源、Ce源和B源进行熔炼，得到合金液；
2）将所述合金液进行铸造，所述铸造是将步骤1)的合金液浇铸在模具内，在710℃-730℃的温度下，以120-125mm/min的铸造速度进行铸造，并快速冷却至275℃，冷却后在275-300℃下保温8个小时，得到铝合金铸锭；
3）对所述铝合金铸锭进行轧制，入轧温度520-530℃，出杆温度90℃，所述轧制的速度为1.2m/s-2.5m/s，得到杆材；
4）将所述杆材在400-420℃下进行1-2h固溶处理，然后水淬；
5)将所述水淬后的杆材进行拉线、时效处理和绞制，所述时效处理的参数为：250-300℃保温 2-4h，得到全铝合金导线。
2.根据权利要求1所述的高导电率中强全铝合金节能导线，其特征在于：所述熔炼是在720℃-750℃环境中，采用泡沫陶瓷过滤板对熔体进行过滤，并在惰性气体环境中进行精炼。
3.根据权利要求2所述的高导电率中强全铝合金节能导线，其特征在于：所述泡沫陶瓷过滤板的孔径为20-40ppi，厚度为50±2mm。
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