CN114807686B

CN114807686B - 一种高强度耐热铝合金单丝及其生产工艺和应用

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Publication number: CN114807686B
Application number: CN202210732936.8A
Authority: CN
Inventors: 单小龙; 白清领; 王鑫寓; 缪姚军; 冯祝华; 徐一峰; 周峰
Original assignee: Shanghai Zhongtian Aluminium Wire Co ltd; Jiangsu Zhongtian Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Zhongtian Aluminium Wire Co ltd; Jiangsu Zhongtian Technology Co Ltd
Priority date: 2022-06-27
Filing date: 2022-06-27
Publication date: 2023-03-24
Anticipated expiration: 2042-06-27
Also published as: CN114807686A

Abstract

本发明公开了一种高强度耐热铝合金单丝及其生产工艺和应用。本发明的高强度耐热铝合金单丝，由按质量百分比计的下述成分组成：Fe 0.3~0.5wt%，Si≤0.03wt%，Zr 0.15~0.25wt%，Y 0.1~0.5wt%，Pr 0.01~0.2wt%，Cr+Mn+V+Ti≤0.03wt%，其余为Al和不可避免的其它杂质元素，不可避免的杂质元素中每种元素的含量均≤0.005wt%，不可避免的其它杂质元素的总量≤0.02wt%，该铝合金单丝的抗拉强度≥260MPa，导电率≥57%IACS，伸长率≥3.0%，在230℃持续加热1h或者在180℃持续加热400h的强度残存率≥95%。

Description

一种高强度耐热铝合金单丝及其生产工艺和应用

技术领域

本发明涉及铝合金导线制造技术领域，具体而言，涉及一种高伸长率高导电率的高强度耐热铝合金单丝及其生产工艺和应用。

背景技术

“双碳”背景下，以新能源为主的新型电力系统建设迫在眉睫，电网输电区域将越来越广，面临的输电环境、工况将越来越复杂。面向大跨越、重覆冰等重要输电线路工程建设和改造时，需要考虑输电导线在安全的基础上，具有更大的输电容量，满足电力以及新能源传输需求，一般可以选择采用高强度耐热铝合金线，提高导线连续运行温度，提高导线载流能力。

目前国内采用的高强度耐热铝合金线导电率通常为55%IACS，线路运行时电阻损耗大。其次，该耐热铝合金线的伸长率通常在1.5%~2.0%，其抗耐疲劳特性较差，尤其是经长期微风疲劳振动后，容易出现断裂现象，对输电线路造成一定安全隐患。因此，在保证强度不降低或者略微提高的基础上，进一步提高高强度耐热铝合金线的耐热性、导电率以及伸长率显得尤为重要。

目前，国内技术人员通过经验改进已实现高强度耐热铝合金线的耐热性、导电率以及伸长率的改善，例如，专利公开号为CN105369073B的中国专利涉及一种智能电网用高强耐热铝合金单线，该发明铝合金单线的抗拉强度大于230MPa，导电率大于55％IACS，伸长率大于3.5％，加热230℃，1h或加热180℃，400h，高强耐热铝合金线强度残存率大于90％；但高强度耐热铝合金线耐热性、导电率等仍存在进一步提升空间。

因此，开发一种高伸长率高导电率高强度耐热铝合金线极具重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度耐热铝合金单丝及其制备方法，该高强度耐热铝合金单丝具有高导电率、高伸长率，耐热性能好、强度高。

本发明的目的还在于提供一种高强度耐热铝合金导线，可应用于大跨越、重覆冰等特殊工况下的电能传输。

本发明首先提出一种高强度耐热铝合金单丝，由按质量百分比计的下述成分组成：Fe 0.3~0.5wt%，Si ≤0.03wt%，Zr 0.15~0.25wt%，Y 0.1~0.5wt%，Pr 0.01~0.2wt%，Cr+Mn+V+Ti ≤0.03wt%，其余为 Al 和不可避免的其它杂质元素，不可避免的杂质元素中每种元素的含量均≤0.005wt%，不可避免的其它杂质元素的总量≤0.02wt%，其中Y、Pr以铝稀土中间合金的形式加入。

所述的高强度耐热铝合金单丝，抗拉强度≥260MPa，导电率≥57%IACS，伸长率≥3.0%，在230℃持续加热1h或者在180℃持续加热400h的强度残存率≥95%。

本发明还提供一种如上所述的高强度耐热铝合金单丝的制备方法，具体步骤如下：

（1）铝液熔炼：向熔炼炉中加入纯度大于99.8%铝锭、铝锆合金、铝铁合金、铝稀土中间合金，加热熔化后搅拌扒渣，对熔化后的铝液充分搅拌均匀。

（2）炉内精炼：将熔炼炉中的铝液转注至保温炉，进行搅拌，调整炉内熔体温度至740~750℃，对炉内熔体进行除气除渣处理，扒去表面浮渣，静置处理。

（3）在线精炼：通过流槽从保温炉对熔体进行放流，对流槽内的熔体进行在线除气和在线过滤。

（4）超声处理：在过滤箱后的流槽中进行熔体超声波处理，超声波功率为2~5KW、频率为2~2.5KHz。

（5）连续铸造：经在线精炼后的熔体浇入轮式结晶器内进行连续铸造，形成铸坯。

（6）连续轧制：铸坯进入连轧机组中进行连续轧制，得到铝合金杆材，采用全自动收线装置进行收卷。

（7）人工时效：对铝合金杆材进行时效处理，加热温度为350~500℃，保温时间为20~60h。

（8）拉拔：对时效后的铝合金杆材进行拉拔，得到高强度耐热铝合金单丝。

具体地，所述步骤（2）中，以高纯氮气和颗粒精炼剂为除气介质对炉内熔体进行除气除渣操作，时间为10~15分钟；静置处理温度为720±10℃，静置处理40分钟。

具体地，所述步骤（3）中，在线除气采用单转子旋转喷吹除气箱或双转子旋转喷吹除气箱，以高纯氮气为除气介质，经过在线除气处理后熔体中氢含量≤0.12ml/100g；采用双级泡沫陶瓷过滤板对熔体进行在线过滤，所述双级泡沫陶瓷过滤板的孔隙率为30/50PPI。

具体地，所述步骤（5）中，铸造温度710±10℃、铸造速度8~12m/min、冷却水温度15~40℃、冷却水压0.35~0.5MPa。

具体地，所述步骤（6）中，铸坯通过导入装置送入连轧机组，控制入轧温度在500±10℃，通过在线冷却水或空冷对铝合金杆材进行冷却，采用自动收线装置进行收卷。

具体地，所述步骤（8）中，在滑动式拉丝机上对时效后的铝合金杆材进行拉拔，拉拔模具采用钨钢模，拉拔速度为8~10m/s，最后道次拉拔尺寸精度控制在＜±0.02mm。

本发明还提供一种高强度耐热铝合金导线，包含上述的高强耐热铝合单丝，可应用于大跨越、重覆冰等特殊工况下的电能传输。

本发明具有以下有益效果：

（1）本发明的高强度耐热铝合金单丝，通过添加Fe元素和Zr元素以形成金属间化合物实现合金的强化，同时控制四小元素含量，并通过添加活性稀土元素Y和Pr来降低Fe、Si在合金中的固溶度，改善析出相的形态，提高合金导电率，本发明高强度耐热铝合金单丝的抗拉强度≥260MPa，导电率≥57%IACS，伸长率≥3.0%，在230℃持续加热1h或者在180℃持续加热400h的强度残存率≥95%。

（2）本发明高强度耐热铝合金单丝的制备方法，通过对熔体的超声处理细化晶粒，提高合金强度并降低Zr元素的偏析，并通过优化铝合金杆材的时效处理工艺，以充分析出细小弥散的Al₃Zr耐热相，既产生了良好的耐热性，又消除了固溶Zr元素对导电性能的不良影响。

（3）本发明的高强度耐热铝合金导线，采用上述的高伸长率高导电的高强度耐热铝合金单丝，可应用于大跨越、重覆冰等特殊工况下的电能传输。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明高强度耐热铝合金单丝的制备方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

本发明技术人员通过长期研究发现，对于高强度耐热铝合金导线，通常是利用高的Fe、Zr等元素的添加来实现的，当上述合金元素添加量较高时，会在合金中形成Fe、Zr的粗大初生相Al₃Fe、Al₃Zr相及Zr的偏析，粗大初生相降低了强化作用且损害合金的伸长率，而Zr的偏析则影响合金的耐热性和导电性能。

本发明通过添加Fe元素和Zr元素以形成金属间化合物实现合金的强化，同时控制四小元素含量、添加活性稀土元素Y和Pr来提高合金导电率，通过对熔体的超声处理细化晶粒，提高合金强度并降低Zr元素的偏析，并优化合金杆材的时效处理工艺，以充分析出细小弥散的Al₃Zr耐热相，既产生了良好的耐热性，又消除了固溶Zr元素对导电性能的不良影响。

本发明的高强度耐热铝合金单丝，由按质量百分比计的下述成分组成：Fe 0.3~0.5wt%，Si ≤0.03wt%，Zr 0.15~0.25wt%，Y 0.1~0.5wt%，Pr 0.01~0.2wt%，Cr+Mn+V+Ti ≤0.03wt%，其余为 Al 和不可避免的其它杂质元素，不可避免的杂质元素中每种元素的含量均≤0.005wt%，不可避免的其它杂质元素的总量≤0.02wt%，其中Y、Pr以铝稀土中间合金的形式加入。本发明高强度耐热铝合金单丝的抗拉强度≥260MPa，导电率≥57%IACS，伸长率≥3.0%，在230℃持续加热1h或者在180℃持续加热400h的强度残存率≥95%。

请参阅图1，本发明的高强度耐热铝合金单丝的制备方法，具体包括如下步骤：

（1）铝液熔炼

向熔炼炉中加入纯度大于99.8wt%铝锭、铝锆合金、铝铁合金和铝稀土中间合金，加热熔化后搅拌扒渣，对熔化后的铝液充分搅拌均匀，取样进行光谱分析，控制熔体成分在要求的范围内。

（2）炉内精炼

将铝液转注至倾动式保温炉，开启炉底电磁搅拌装置对熔体进行充分搅拌，调整熔体温度至740~750℃，以高纯氮气和颗粒精炼剂为除气介质对炉内熔体进行除气除渣操作，时间为10~15分钟，随后将熔体表面浮渣彻底扒净，调整温度至720±10℃静置处理40分钟。

（3）在线精炼

浇铸开始后，熔体要经过在线精炼进一步提高纯净度，在线精炼包括在线除气和过滤除杂两个部分，在线除气采用单转子或双转子的旋转喷吹除气箱，以高纯氮气为除气介质，喷嘴转速为450r/min，经过处理后的熔体中氢含量≤0.12ml/100g；在线过滤采用双级泡沫陶瓷过滤板，孔隙率为30/50PPI，其中双级泡沫陶瓷过滤板也可以替换为其他形式的过滤装置，到达相应的除杂效果皆可以。

（4）超声处理

在过滤箱后的流槽中进行熔体的超声波处理，利用产生的空穴效应造成熔体局部过冷，促进晶粒细化，使铸造组织更均匀，降低Zr元素的偏析，超声波功率为2~5KW、频率为2~2.5KHz。

超声波处理的空穴效应，可以使Fe、Zr金属间化合物提前析出形成细小的析出相，作为有效形核核心强烈促进铝合金晶粒细化，根据Hall-Petch理论，这种晶粒细化可以在合金中形成显著的细晶强化作用，大幅提高耐热合金的强度，与此同时，晶粒细化有效改善了耐热合金中Zr元素偏析的难题，为高温时效时Al₃Zr过渡相在较短的时间内均匀弥散析出创造了条件。

（5）连续铸造

采用轮式结晶器进行铸坯的连续铸造，铸坯截面积为2400mm²，铸造温度710±10℃、铸造速度8~12m/min、冷却水温度15~40℃、冷却水压0.35~0.5MPa。

（6）连续轧制

铸坯从结晶轮出来后，剪掉头部10米长度以保证去除开机阶段的不稳定状态段，随后铸坯通过导入装置送入连轧机组，控制入轧温度在500±10℃，轧制过程在三辊轧机或三辊轧机中进行，轧制后得到直径为9.5mm的铝合金杆材，通过在线冷却水对合金杆进行冷却，采用自动收线装置进行收卷。

（7）人工时效

对铝合金杆材进行时效处理，加热温度为350~500℃，保温时间为20~60h。时效处理的目的是使固溶的Zr元素从基体中充分析出，生成细小弥散分布的Al₃Zr相，既提升了合金的导电率，析出的耐热相又可以钉扎位错，提高合金线的耐热性能。

（8）拉拔

在滑动式拉丝机上对时效后的铝合金杆材进行拉拔，拉拔后合金单丝直径为2.0~4.5mm。拉拔模具采用钨钢模，拉拔速度为8~10m/s，最后道次拉拔尺寸精度控制在＜±0.02mm。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

（1）向熔炼炉中加入纯度大于99.8%铝锭、铝锆合金、铝铁合金和铝稀土中间合金，加热熔化后搅拌扒渣，对熔化后的铝液充分搅拌均匀，通过光谱方法调控合金成分。

（2）将铝液转注至倾动式保温炉，调整熔体温度至740℃进行除气除渣精炼，随后将铝熔体表面浮渣彻底扒净。调整温度至720℃静置处理40分钟。

（3）浇铸开始后对熔体进行在线除气和过滤处理，在线除气采用旋转喷吹除气箱，以高纯氮气为除气介质。在线过滤采用双级泡沫陶瓷过滤板，孔隙率为30/50PPI。

（4）采用轮式结晶器进行连续铸造，在流槽中对熔体进行超声波细化处理，使铸造组织更均匀，降低Zr元素的偏析。

（5）铸坯通过导入装置送入连轧机组，轧制后得到直径为9.5mm的铝合金杆材，在线冷却后自动收杆。

（6）对铝合金杆材进行时效处理，加热温度400℃、保温时间50h，使固溶的Zr元素从基体中充分析出，生成细小弥散分布的Al₃Zr相。

（7）在滑动式拉丝机上对时效后的铝合金杆材进行拉拔，拉拔后合金单丝直径为3.5mm。拉拔模具采用钨钢模，拉拔速度为10m/s。

经分析检测，本实施例1中铝合金单丝成分为：Fe 0.34%，Si 0.03%，Zr 0.18%，Y0.12%，Pr 0.05%，Cr+Mn+V+Ti 0.018%，所得铝合金单丝强度为272MPa，伸长率为3.7%，导电率为57.37%IACS，280℃加热1小时强度残存率96%。

实施例2

（6）对铝合金杆材进行时效处理，加热温度420℃、保温时间50h，使固溶的Zr元素从基体中充分析出，生成细小弥散分布的Al₃Zr相。

（7）在滑动式拉丝机上对时效后的铝合金杆材进行拉拔，拉拔后合金单丝直径为3.2mm。

经分析检测，本实施例中铝合金单丝成分为：Fe 0.39%，Si 0.02%，Zr 0.21%，Y0.15%，Pr 0.03%，Cr+Mn+V+Ti 0.015%，所得铝合金单丝强度为286MPa、伸长率为3.3%，导电率为57.13%IACS，280℃加热1小时强度残存率97%。

对比例1

（4）采用轮式结晶器进行连续铸造，铸坯通过导入装置送入连轧机组，轧制后得到直径为9.5mm的铝合金杆材，在线冷却后自动收杆。

（5）对铝合金杆材进行时效处理，加热温度400℃、保温时间50h。

（6）在滑动式拉丝机上对时效后的铝合金杆材进行拉拔，拉拔后铝合金单丝直径为3.5mm。

经分析检测，本实施例中铝合金单丝成分为：Fe 0.35%，Si 0.05%，Zr 0.15%，Y0.04%，Re 0.03%，Cr+Mn+V+Ti 0.02%，所得铝合金单丝强度为255MPa，伸长率为3%，导电率为56.3%IACS，280℃加热1小时强度残存率93%。

通过上述实施例及对比例数据表明，本发明通过合金组分优化及工艺优化，可以确保本发明高强度耐热铝合金单丝的抗拉强度≥260MPa，导电率≥57%IACS，伸长率≥3.0%，在230℃持续加热1h或者在180℃持续加热400h的强度残存率≥95%。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高强度耐热铝合金单丝，其特征在于，由按质量百分比计的下述成分组成：Fe0.34~0.50wt%，Si ≤0.03wt%，Zr 0.18~0.25wt%，Y 0.1~0.5wt%，Pr 0.01~0.2wt%，Cr+Mn+V+Ti≤0.03wt%，其余为 Al 和不可避免的其它杂质元素，不可避免的杂质元素中每种元素的含量均≤0.005wt%，不可避免的其它杂质元素的总量≤0.02wt%，其中Y、Pr以铝稀土中间合金的形式加入，抗拉强度≥260MPa，导电率≥57%IACS，伸长率≥3.0%，在230℃持续加热1h或者在180℃持续加热400h的强度残存率≥95%;所述的高强度耐热铝合金单丝的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）铝液熔炼：向熔炼炉中加入纯度大于99.8%铝锭、铝锆合金、铝铁合金、铝稀土中间合金，加热熔化后搅拌扒渣，对熔化后的铝液充分搅拌均匀；

（2）炉内精炼：将熔炼炉中的铝液转注至保温炉，进行搅拌，调整炉内熔体温度至740~750℃，对炉内熔体进行除气除渣处理，扒去表面浮渣，静置处理；

（3）在线精炼：通过流槽从保温炉对熔体进行放流，对流槽内的熔体进行在线除气和在线过滤；

（4）超声处理：在过滤箱后的流槽中进行熔体超声波处理，超声波功率为2~5KW、频率为2~2.5KHz；

（5）连续铸造：经在线精炼后的熔体浇入轮式结晶器内进行连续铸造，形成铸坯；

（6）连续轧制：铸坯进入连轧机组中进行连续轧制，得到铝合金杆材，采用全自动收线装置进行收卷；

（7）人工时效：对铝合金杆材进行时效处理，加热温度为350~500℃，保温时间为20~60h；

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，以高纯氮气和颗粒精炼剂为除气介质对炉内熔体进行除气除渣操作，时间为10~15分钟；静置处理温度为720±10℃，静置处理40分钟。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，在线除气采用单转子旋转喷吹除气箱或双转子旋转喷吹除气箱，以高纯氮气为除气介质，经过在线除气处理后熔体中氢含量≤0.12ml/100g；采用双级泡沫陶瓷过滤板对熔体进行在线过滤，所述双级泡沫陶瓷过滤板的孔隙率为30/50PPI。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（5）中，铸造温度710±10℃、铸造速度8~12m/min、冷却水温度15~40℃、冷却水压0.35~0.5MPa。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（6）中，铸坯通过导入装置送入连轧机组，控制入轧温度在500±10℃，通过在线冷却水或空冷对铝合金杆进行冷却，采用自动收线装置进行收卷。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（8）中，在滑动式拉丝机上对时效后的铝合金杆材进行拉拔，拉拔模具采用钨钢模，拉拔速度为8~10m/s，最后道次拉拔尺寸精度控制在＜±0.02mm。

7.一种高强耐热铝合金导线，其特征在于，包含权利要求1所述高强度耐热铝合金单丝。