CN114944253A - 一种63.5%iacs高导电率硬铝导线的制备方法及导体 - Google Patents

一种63.5%iacs高导电率硬铝导线的制备方法及导体 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种63.5％IACS高导电率硬铝导线的制备方法及导体，其中制备方法选用Si≤0.04wt％、Fe≤0.06wt％、(Cr+V+Mn+Ti)≤0.005wt％、Ga≤0.02wt％、Pb≤0.005wt％、Sn≤0.005wt％、Al含量≥99.85wt％高纯铝锭进行熔炼制得铝液，经硼化处理后，采用大晶粒连续真空铸造工艺生产出高导电铝杆，拉拔后制成硬铝导线并进行高温处理。本发明所制备出的硬铝导线具有优良的导电性能，大幅度降低了线路损耗，提高了远距离输送效率，降低电网工程投资成本，提高电网经济运行水平，同时降低了传统工艺的制造成本，相较于采用原材料99.99％铝锭的原工艺上降低了5～10％的成本，进一步提高线路的经济性。

Description

一种63.5％IACS高导电率硬铝导线的制备方法及导体
技术领域
本发明涉及电缆技术领域，尤其涉及一种63.5％IACS高导电率硬铝导线的制备方法及导体。
背景技术
我国电力建设发展战略的特点是大力发展西部电力资源，实现西电东送和全国联网，为了完成上述战略目标，国家电力发展将大力发展西部电力资源。目前，随着国民经济的高速发展，加速了电网建设。然而，电能的损耗也随之增加，据电力部门调查，国家电网损耗是电网传输电量的8.9％以上，巨大的电能损耗早已使我国电力工作者认识到提高铝的导电性，改善电网的输送效率的重要性和紧迫性。目前，大批量应用的电工铝导体(包括稀土优化处理的电工铝导体)导电率为 61％IACS。随着科学技术的进步，进一步提高电工硬铝导电率就成为行业中的一个新课题。将电工铝导体导电率由61％IACS提高到62.5％IACS，也就成为新时期铝导体研究发展的方向。
目前国内62.5％IACS的钢芯高导电率铝绞线已经被多条线路应用。为了进一步降低能耗，最大限度的节约资源，将硬铝的导电率提高至63.5％IACS，这样相应的可以减少电能损耗3.8％以上，每年有550亿度电的节约，因而电工铝导体导电率提高到 63.5％IACS也将成为电网发展的趋势。然而随着铝导体导电率的提高，其制造成本也相应增加，目前国内做得较为成熟的62.5％IACS硬铝导体多选用99.85％铝锭为原材料， 63.0％IACS硬铝导体多选用99.99％铝锭为原材料，而99.99％铝锭比99.85％铝锭贵大约 8000元/吨，极大的增加了成本。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足之处而提出一种63.5％IACS高导电率硬铝导线的制备方法及导体，具有优良的导电性能，大幅度降低了线路损耗，提高了远距离输送效率，降低电网工程投资成本，提高电网经济运行水平，同时降低了传统工艺的制造成本，相较于采用原材料99.99％铝锭的原工艺上降低了5～10％的成本，进一步提高线路的经济性。
实现本发明目的技术方案是：
一种63.5％IACS高导电率硬铝导线的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：电工铝熔炼，选用Si≤0.04wt％、Fe≤0.06wt％、(Cr+V+Mn+Ti)≤0.005wt％、Ga≤0.02wt％、Pb≤0.005wt％、Sn≤0.005wt％、Al含量≥99.85wt％高纯铝锭进行熔炼制得铝液；
步骤S2：对所述铝液进行硼化处理制得铝硼溶液，所述铝硼溶液中的硼元素质量百分数为0.015wt％≤B≤0.025wt％；
步骤S3：将所述铝硼溶液经过大晶粒连续真空铸造工艺生产出高导电铝杆，通过XRF光谱分析、元素添加和硼化处理，控制铝杆的组成和配比按质量数为0.02wt％≤Si ≤0.03wt％，0.04wt％≤Fe≤0.06wt％，(Cr+V+Mn+Ti+Pb)≤0.005wt％，0.01wt％≤B ≤0.02wt％，0.01wt％≤Ga≤0.02wt％，0.001≤Sn≤0.005wt％，Al含量≥99.85wt％；
步骤S4：将所述铝杆通过冷拉拔拉工艺制成铝丝；
步骤S5：将所述铝丝按照设计要求绞合成硬铝导线，并对所述硬铝导线进行高温处理工艺。
进一步地，步骤S1中，采用熔炼炉对所述高纯铝锭进行熔炼，熔炼温度为850～1000℃。
进一步地，步骤S2中，所述硼化处理采用保温炉，所述保温炉的温度为750～760℃，保温时间为30～35min。
进一步地，步骤S3中，所述大晶粒连续真空铸造工艺采用由抽真空装置、密封流道、流道加热装置、氮气冷却装置、高导电铝杆牵引装置和高导电铝杆收线装置组成的大晶粒连续真空铸造设备进行处理，密封流道长度为10～12m，浇铸温度为665～675℃，再进入氮气冷却装置和高导电铝杆牵引装置，氮气冷却装置与最后一道流道加热装置的出口距离为5～20cm，铝杆牵引速度为5～10m/min，经高导电铝杆收线装置成圈。
进一步地，所述密封流道每隔2m设有一个独立的温度控制装置。
进一步地，步骤S3中，所述铝杆的直径为6.5±0.1mm。
进一步地，步骤S4中，所述铝丝的直径为2.05～2.98mm。
进一步地，步骤S5中，所述高温处理工艺采用井式加热保温炉，加热速率为1℃/min，设定温度为155～165℃，保温时间为5～12h，温度波动为±1.5℃。
一种63.5％IACS高导电率硬铝导体，包括至少一层绞合而成的铝单线，所述铝单线由多根按照上述制备方法制成的硬铝导线绞合而成。
进一步地，所述硬铝导线的截面形状为圆形、扇形或瓦形。
采用了上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：
(1)本发明制备方法第一采用便宜很多的99.85％的铝锭即可生产出63.5％IACS高导电率的硬铝导线，成本在采用原材料99.99％铝锭的原工艺上降低了5～10％；第二采用接近于单晶的大晶粒连续真空铸造技术，大幅降低杂质的引入，减少了铸造过程中铝晶体中气孔和晶界的形成，从而在保持较高强度的同时，提高了铝的导电性，无需通过二次除杂、添加成本过高的稀土元素和成本过高的Sb元素等方法即可来改善铝的导电和力学性能；第三通过控制Ga、Sn元素的含量，一方面可提高铝线强度，另一方面降低了稀土、过滤等二次除杂过程带来的过高成本；第四对绞合成的硬铝导线进行高温处理，降低硬铝导线的内部应力，在抗张强度降幅很小的情况下，大幅提高铝导线导电率。
(2)本发明制备方法通过控制浇铸温度为665～675℃，使得制成的铝杆抗张强度≥ 105MPa，20℃时导体电阻率≤0.027024Ω·mm2/m。
(3)本发明在密封流道每隔2m设有一个独立的温度控制装置，使得铝熔液从 750～760℃逐渐均匀地冷却到665～675℃，防止铝熔液从高温极速降低至凝固温度后产生的内外侧熔液温度差异较大问题，实现铝熔液内外近似同步凝固，减少极速冷却凝固过程中产生的过多晶核、晶界和气孔。
(4)本发明铝熔液首先进入氮气冷却装置，开始时可通过增大氮气流量和调整氮气冷却位置使得铝熔体快速凝固，再经过高导电铝杆牵引装置，实现正常牵引后再降低氮气流量和调整氮气冷却位置实现铝熔体缓慢凝固，从而实现接近于单晶的大晶粒连续真空铸造技术，大幅降低杂质的引入，减少了铸造过程中铝晶体中气孔和晶界的形成。
(5)本发明制备方法通过限定高温处理工艺的温度为155～165℃，保温时间为 5～12h，加热速率为1℃/min，温度波动为±1.5℃，使得单根铝导线的抗张强度≥165MPa，20℃时导体电阻率≤0.027151Ω·mm2/m。
(6)本发明硬铝导体不仅成本相较于现有技术大幅度降低，进一步提高线路的经济性，同时具有优良的导电性能，大幅度降低了线路损耗，提高了远距离输送效率，降低电网工程投资成本，提高电网经济运行水平，并且具有较高的抗拉强度。
(7)本发明铝导线的截面形状为圆形、扇形或瓦形，满足不同的设计需求，使用范围广。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
(实施例1)
本实施例的63.5％IACS高导电率硬铝导体，包括至少一层绞合而成的铝单线，每股铝单线由多根截面为圆形的硬铝导线绞合而成，其中硬铝导线的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：电工铝熔炼，选用Si≤0.04wt％、Fe≤0.06wt％、(Cr+V+Mn+Ti)≤0.005wt％、Ga≤0.02wt％、Pb≤0.005wt％、Sn≤0.005wt％、Al含量≥99.85wt％高纯铝锭，相较于现有技术中采用原材料99.99％铝锭来制备63.0％IACS硬铝导体，成本降低了5～10％。通过控制Ga、Sn元素的含量，一方面可提高铝线强度，另一方面降低了稀土、过滤等二次除杂过程带来的过高成本。
采用熔炼炉对高纯铝锭进行熔炼，熔炼炉的温度为850～1000℃，从而制得铝液。
步骤S2：采用保温炉对铝液进行硼化处理，温度为750～760℃，保温时间为30～35min 制得铝硼溶液，控制铝硼溶液中的硼元素质量百分数为0.01wt％≤B≤0.02wt％。
步骤S3：采用接近于单晶的大晶粒连续真空铸造工艺，将铝硼溶液制成直径为6.5±0.1mm的高导电铝杆，大幅降低杂质的引入，减少铸造过程中铝晶体中气孔和晶界的形成，从而在保持较高强度的同时，提高铝的导电性，无需通过二次除杂、添加成本过高的稀土元素和成本过高的Sb元素等方法来改善铝的导电和力学性能。具体地，大晶粒连续真空铸造工艺采用由抽真空装置、密封流道、流道加热装置、氮气冷却装置、高导电铝杆牵引装置和高导电铝杆收线装置组成的大晶粒连续真空铸造设备进行处理，密封流道长度为10～12m，浇铸温度为665～675℃，再进入氮气冷却装置和高导电铝杆牵引装置，氮气冷却装置与最后一道流道加热装置的出口距离为5～20cm，铝杆牵引速度为5～10m/min，经高导电铝杆收线装置成圈。开始时可通过增大氮气流量和调整氮气冷却位置使得铝熔体快速凝固，再经过高导电铝杆牵引装置，实现正常牵引后再降低氮气流量和调整氮气冷却位置实现铝熔体缓慢凝固，从而实现接近于单晶的大晶粒连续真空铸造技术。为了使铝熔液从保温炉内的750～760℃逐渐均匀地冷却到665～675℃，在密封流道每隔2m设有一个独立的温度控制装置，从而调节流道加热装置的加热温度，防止铝熔液从高温极速降低至凝固温度后产生的内外侧熔液温度差异较大问题，实现铝熔液内外近似同步凝固，减少极速冷却凝固过程中产生的过多晶核、晶界和气孔。。
控制铝杆的组成和配比按质量数为0.02wt％≤Si≤0.03wt％，0.04wt％≤Fe≤0.06wt％，(Cr+V+Mn+Ti+Pb)≤0.005wt％，0.01wt％≤B≤0.02wt％，0.01wt％≤Ga≤0.02wt％，0.001≤Sn≤0.005wt％，Al含量≥99.85wt％。使得制成的铝杆抗张强度≥105MPa，20℃时导体电阻率≤0.027024Ω·mm2/m。
步骤S4：将铝杆通过冷拉拔拉工艺制成直径为2.05～2.98mm的铝丝；
步骤S5：将铝丝按照设计要求绞合成硬铝导线，并对硬铝导线进行温度为160℃，时间为8h的高温处理工艺，降低硬铝导线的内部应力，使得单根铝导线的抗张强度≥165MPa，20℃时导体电阻率≤0.027151Ω·mm2/m。
(实施例2)
本实施例的63.5％IACS高导电率硬铝导体的结构与制备方法与实施例1类似，区别在于硬铝导线的截面为扇形。
(实施例3)
本实施例的63.5％IACS高导电率硬铝导体的结构与制备方法与实施例1类似，区别在于硬铝导线的截面为瓦形。
(对比例1)
对比例1的铝杆的组成和配比按质量数为0.02wt％≤Si≤0.03wt％，0.04wt％≤Fe ≤0.06wt％，(Cr+V+Mn+Ti+Pb)≤0.005wt％，0.01wt％≤B≤0.02wt％，Ga≤0.005wt％，Sn≤0.0005wt％，Al含量≥99.85wt％。制成的铝杆抗张强度≥90MPa，20℃时导体电阻率≤0.027015Ω·mm2/m。
将铝杆通过冷拉拔拉工艺制成直径为2.05～2.98mm的铝丝；
将铝丝按照设计要求绞合成硬铝导线，并对硬铝导线进行温度为160℃，时间为8h的高温处理工艺，降低硬铝导线的内部应力，使得单根铝导线的抗张强度≥155MPa， 20℃时导体电阻率≤0.027132Ω·mm2/m，抗张强度明显低于实施例1。
(对比例2)
铝杆的组成和配比按质量数为0.02wt％≤Si≤0.03wt％，0.04wt％≤Fe≤0.06wt％， (Cr+V+Mn+Ti+Pb)≤0.005wt％，0.01wt％≤B≤0.02wt％，0.01wt％≤Ga≤0.02wt％，0.001≤Sn≤0.005wt％，Al含量≥99.85wt％。
将铝杆通过冷拉拔拉工艺制成直径为2.05～2.98mm的铝丝；
将铝丝按照设计要求绞合成硬铝导线，并对硬铝导线进行温度为157℃，时间为12h 的高温处理工艺，降低硬铝导线的内部应力，使得单根铝导线的抗张强度≥165MPa，20℃时导体电阻率≥0.027388Ω·mm2/m，导体电阻率差。
(对比例3)
铝杆的组成和配比按质量数为0.02wt％≤Si≤0.03wt％，0.04wt％≤Fe≤0.06wt％， (Cr+V+Mn+Ti+Pb)≤0.005wt％，0.01wt％≤B≤0.02wt％，0.01wt％≤Ga≤0.02wt％， 0.001≤Sn≤0.005wt％，Al含量≥99.85wt％。
将铝杆通过冷拉拔拉工艺制成直径为2.05～2.98mm的铝丝；
将铝丝按照设计要求绞合成硬铝导线，使得单根铝导线的抗张强度≥185MPa，20℃时导体电阻率≥0.027405Ω·mm2/m，导体电阻率差。
本发明制备方法采用便宜很多的99.85％的铝锭即可生产出63.5％IACS高导电率的硬铝导线，成本在采用原材料99.99％铝锭的原工艺上降低了5～10％；采用接近于单晶的大晶粒连续真空铸造技术，大幅降低杂质的引入，减少了铸造过程中铝晶体中气孔和晶界的形成，从而在保持较高强度的同时，提高了铝的导电性，无需通过二次除杂、添加成本过高的稀土元素和成本过高的Sb元素等方法即可来改善铝的导电和力学性能；通过控制Ga、Sn元素的含量，一方面可提高铝线强度，另一方面降低了稀土、过滤等二次除杂过程带来的过高成本；通过对绞合成的硬铝导线进行高温处理，降低硬铝导线的内部应力，在抗张强度降幅很小的情况下，大幅提高铝导线导电率，使得单根铝导线的抗张强度≥165MPa，20℃时导体电阻率≤0.027151Ω·mm2/m，具有优良的导电性能和力学性能，进一步降低了输电线路损耗，可大幅降低碳排放，同时提高了线路运行安全可靠性。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种63.5％IACS高导电率硬铝导线的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：电工铝熔炼，选用Si≤0.04wt％、Fe≤0.06wt％、(Cr+V+Mn+Ti)≤0.005wt％、Ga≤0.02wt％、Pb≤0.005wt％、Sn≤0.005wt％、Al含量≥99.85wt％高纯铝锭进行熔炼制得铝液；
步骤S2：对所述铝液进行硼化处理制得铝硼溶液，所述铝硼溶液中的硼元素质量百分数为0.015wt％≤B≤0.025wt％；
步骤S3：将所述铝硼溶液经过大晶粒连续真空铸造工艺生产出高导电铝杆，通过XRF光谱分析、元素添加和硼化处理，控制铝杆的组成和配比按质量数为0.02wt％≤Si≤0.03wt％，0.04wt％≤Fe≤0.06wt％，(Cr+V+Mn+Ti+Pb)≤0.005wt％，0.01wt％≤B≤0.02wt％，0.01wt％≤Ga≤0.02wt％，0.001≤Sn≤0.005wt％，Al含量≥99.85wt％；
步骤S4：将所述铝杆通过冷拉拔拉工艺制成铝丝；
步骤S5：将所述铝丝按照设计要求绞合成硬铝导线，并对所述硬铝导线进行高温处理工艺。
2.根据权利要求1所述的一种63.5％IACS高导电率硬铝导线的制备方法，其特征在于：步骤S1中，采用熔炼炉对所述高纯铝锭进行熔炼，熔炼炉的温度为850～1000℃。
3.根据权利要求1所述的一种63.5％IACS高导电率硬铝导线的制备方法，其特征在于：步骤S2中，所述硼化处理采用保温炉，所述保温炉的温度为750～760℃，保温时间为30～35min。
4.根据权利要求3所述的一种63.5％IACS高导电率硬铝导线的制备方法，其特征在于：步骤S3中，所述大晶粒连续真空铸造工艺采用由抽真空装置、密封流道、流道加热装置、氮气冷却装置、高导电铝杆牵引装置和高导电铝杆收线装置组成的大晶粒连续真空铸造设备进行处理，密封流道长度为10～12m，浇铸温度为665～675℃，再进入氮气冷却装置和高导电铝杆牵引装置，氮气冷却装置与最后一道流道加热装置的出口距离为5～20cm，铝杆牵引速度为5～10m/min，经高导电铝杆收线装置成圈。
5.根据权利要求4所述的一种63.5％IACS高导电率硬铝导线的制备方法，其特征在于：所述密封流道每隔2m设有一个独立的温度控制装置。
6.根据权利要求1所述的一种63.5％IACS高导电率硬铝导线的制备方法，其特征在于：步骤S3中，所述铝杆的直径为6.5±0.1mm。
7.根据权利要求1所述的一种63.5％IACS高导电率硬铝导线的制备方法，其特征在于：步骤S4中，所述铝丝的直径为2.05～2.98mm。
8.根据权利要求1所述的一种63.5％IACS高导电率硬铝导线的制备方法，其特征在于：步骤S5中，所述高温处理工艺采用井式加热保温炉，加热速率为1℃/min，设定温度为155～165℃，保温时间为5～12h，温度波动为±1.5℃。
9.一种63.5％IACS高导电率硬铝导体，其特征在于：包括至少一层绞合而成的铝单线，所述铝单线由多根按照权利要求1-8任一项所述的制备方法制成的硬铝导线绞合而成。
10.根据权利要求8所述的一种63.5％IACS高导电率硬铝导体：所述硬铝导线的截面形状为圆形、扇形或瓦形。
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