CN116435003A - 改性铝合金导体及其生产工艺、改性铝合金导体电缆 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种改性铝合金导体及其生产工艺、改性铝合金电缆。以质量百分比计，该改性铝合金导体包括0.03～0.06wt％的Si，0.50～0.80wt％的Fe，0.20～0.30wt％的Cu，Mg≤0.01wt％，Zn≤0.02wt％，B≤0.04wt％，不可避免的杂质总含量≤0.08wt％，余量为Al。本申请对铝合金成分进行调整，合理的铜、铁等成分含量的控制，最大限度地提高了各组分之间的协同配合作用，确保铝合金导体具有良好的抗蠕变性能、机械性能、柔韧性和电性能，从而提高了电缆的连接可靠性，避免了导体连接处出现滑脱等现象，保证电缆安全可靠运行。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金加工技术领域，具体而言，涉及一种改性铝合金导体及其生产工艺、改性铝合金导体电缆。
背景技术
传统的铝电缆具有强度低、易蠕变、耐腐蚀性差、表面极易形成坚固的氧化膜导致接触电阻增大的缺点，所以在应用上受到了极大的限制。铝合金电缆在电工铝中加入合金元素，同时通过工艺调整，使得铝合金导体的机械性能大幅提高，避免纯铝导体的伸长率低、抗蠕变性能差、柔韧性差的问题，提高了电缆的连接可靠性。
近年来，铝合金电缆广泛应用于光伏发电项目及海上风电项目上。电缆敷设运行过程中，部分电缆处于水泡的情况，甚至完全浸入水中。为了保证电缆安全可靠运行，防水铝合金电缆的需求将越来越大。但是，现有市场上铝导体电缆存在以下问题：抗蠕变性能差，随着电缆使用时间的增加，导体连接处极易出现滑脱等现象，给生产、生活用电带来安全隐患。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种改性铝合金导体及其生产工艺、改性铝合金导体电缆，以解决现有技术中铝合金导体的抗蠕变性能差导致存在安全隐患的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种改性铝合金导体，以质量百分比计，该改性铝合金导体包括：0.03～0.06wt％的Si，0.50～0.80wt％的Fe，0.20～0.30wt％的Cu，Mg≤0.01wt％，Zn≤0.02wt％，B≤0.04wt％，不可避免的杂质总含量≤0.08wt％，余量为Al。
进一步地，上述改性铝合金导体中的Fe与Si的质量比为12～15：1。
进一步地，上述改性铝合金导体中的Al与Cu的质量比为350～490：1。
进一步地，上述改性铝合金导体的单丝抗拉强度≥105N/mm2，单丝断裂伸长率≥15％，单丝反复弯曲次数≥23次。
进一步地，上述改性铝合金导体的抗蠕变性能≥70％。
根据本发明的另一个方面，提供了一种改性铝合金导体的生产工艺，依次包括：配料步骤、熔炼铸造步骤、精炼步骤、净化步骤、铸坯步骤、轧杆步骤、成品退火步骤，熔炼铸造步骤包括：对铝合金液依次进行初级过滤、精过滤，得到过滤后铝合金液，其中精过滤的过程采用电磁净化方式进行。
进一步地，上述精过滤的过程包括：将初级过滤所得过滤液依次经过第一级磁场与第二级磁场，第一级磁场的磁场强度小于第二级磁场的磁场强度，优选第一级磁场的磁场强度为0.3T～0.5T，优选第二级磁场的磁场强度为0.6T～0.8T。
进一步地，采用30/50PPI双级陶瓷过滤板进行初级过滤，优选过滤后铝合金液中≥1μm的非金属杂质颗粒的去除率≥90％，优选过滤后铝合金液中非金属杂质颗粒的杂质含量为0.010～0.022mm2/kg。
进一步地，控制成品退火步骤中的温度在310℃～340℃之间，优选控制成品退火的时间为8h～12h。
根据本发明的又一方面，提供了一种改性铝合金导体电缆，包括导体，该导体为前述的改性铝合金导体。
应用本发明的技术方案，对铝合金成分进行调整，合理的铜、铁等成分含量的控制，最大限度地提高了各组分之间的协同配合作用，确保铝合金导体具有良好的抗蠕变性能、机械性能、柔韧性和电性能，从而提高了电缆的连接可靠性，避免了导体连接处出现滑脱等现象，保证电缆安全可靠运行。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。
如本申请背景技术所分析的，现有技术中铝合金导体的抗蠕变性能差导致存在安全隐患的问题，为解决该问题，本申请提供了一种改性铝合金导体及其生产工艺、改性铝合金电缆。
在本申请的一种典型的实施方式中，提供了一种改性铝合金导体，以质量百分比计，该改性铝合金导体包括0.03～0.06wt％的Si，0.50～0.80wt％的Fe，0.20～0.30wt％的Cu，Mg≤0.01wt％，Zn≤0.02wt％，B≤0.04wt％，不可避免的杂质总含量≤0.08wt％，余量为Al。
本申请对铝合金成分进行调整，合理的铜、铁等成分含量的控制，最大限度地提高了各组分之间的协同配合作用，确保铝合金导体具有良好的抗蠕变性能、机械性能、柔韧性和电性能，从而提高了电缆的连接可靠性，避免了导体连接处出现滑脱等现象，保证电缆安全可靠运行。
在本申请的一种实施例中，上述改性铝合金导体中的Fe与Si的质量比为12～15：1。
Fe在铝合金中通常是作为杂质元素存在，在有Si存在的情况下一般会形成FeAl3相、α(Al12Fe3Si2)相、β(Al9Fe2Si2)相等。这些富铁相硬度较高，有利于提高合金强度和抗蠕变性能，但同时也会降低合金的塑性，其中α(Al12Fe3Si2)相呈规则的块状，对合金塑性影响较小。通过调整Fe/Si比在上述范围内，使富铁相主要以α(Al9Fe2Si2)相析出，从而有助于在有效提高铝合金的强度的同时，将Fe对铝合金塑性的不利影响控制到最小。
在本申请的一种实施例中，上述改性铝合金导体中的Al与Cu的质量比为350～490：1。
在铝合金中加入的少量Cu会与铝形成CuAl2化合物融入固溶体中，并在热处理过程中以金属化合物的形式析出，从而有利于提高铝合金的导电率。进一步地，本申请优选控制Al与Cu的质量比在上述范围内，更有助于提高改性铝合金导体的导电率等性能。
在本申请的一些实施例中，优选上述改性铝合金导体的单丝抗拉强度≥105N/mm2，单丝断裂伸长率≥15％，单丝反复弯曲次数≥23次。
改性铝合金导体单丝的以上性能，使得相应的改性铝合金导体具有优良的机械性能和柔韧性。
在本申请的一些实施例中，优选上述改性铝合金导体的抗蠕变性能≥70％，从而更有助于避免导体连接处出现滑脱等现象，保证电缆安全可靠运行。
在本申请的另一种典型的实施方式中，提供了一种改性铝合金导体的生产工艺，依次包括：配料步骤、熔炼铸造步骤、精炼步骤、净化步骤、铸坯步骤、轧杆步骤、成品退火步骤，该熔炼铸造步骤包括：对铝合金液依次进行初级过滤、精过滤，得到过滤后铝合金液，其中精过滤的过程采用电磁净化方式进行。
改性铝合金导体的生产工艺中对铝合金液依次进行初级过滤、精过滤，有助于充分地对铝合金金属熔体中的杂质进行过滤去除，从而提高铝合金的导电性和抗疲劳性能。
在本申请的一种实施例中，上述精过滤的过程包括：将初级过滤所得过滤液依次经过第一级磁场与第二级磁场，第一级磁场的磁场强度小于第二级磁场的磁场强度，优选第一级磁场的磁场强度为0.3～0.5T，优选第二级磁场的磁场强度为0.6～0.8T。
通过弱区的第一级磁场与强区的第二级磁场的依次作用，有效提高了非金属杂质颗粒的与金属颗粒的分离效果，整体而言10μm以上颗粒物去除效率达到98％以上，从而极大地消除了铝合金内部的非金属夹渣物，促进了熔体的净化，改善了其导电特性。
在本申请的一种实施例中，采用30/50PPI双级陶瓷过滤板进行上述初级过滤，优选过滤后铝合金液中≥1μm的非金属杂质颗粒的去除率≥90％，优选过滤后铝合金液中非金属杂质颗粒的杂质含量为0.010～0.022mm2/kg。
以上初级过滤有助于去除颗粒尺寸在10μm以上的非金属杂质颗粒，优选的以上过滤后铝合金液中非金属杂质颗粒的去除率和夹杂含量有助于显著提高铝合金材料的抗疲劳性能。其中，铝合金液中除了Al元素、Si元素、Fe元素、Cu元素、Mg元素、Zn元素和B元素以外的成分均为杂质。
合理的成品退火工艺有助于改善铝合金的微观组织、减小内应力，提高其机械性能与导电性，进一步地，优选控制上述成品退火步骤中的温度在310℃～340℃之间，优选控制上述成品退火的时间为8h～12h，从而优化改性铝合金导体的综合性能，与成品退火前相比，成品退火后的导体单丝的抗拉强度降低15～20％，断裂伸长率提高了400～600％，电阻率降低了10～15％。
在本申请的又一种典型的实施方式中，提供了一种改性铝合金导体电缆，包括导体，该导体为前述的改性铝合金导体。
前述的改性铝合金导体具有良好的抗蠕变性能、机械性能、柔韧性和电性能，从而使得包括该改性铝合金导体的电缆具有较高的连接可靠性，避免了导体连接处出现滑脱等现象，保证电缆安全可靠运行。
此外，本申请的电缆采用纵包铝塑复合带+挤包防水PE护套结构作为电缆的径向防水层。电缆样品在水中浸泡120小时后，去除绝缘层外面的复合层后，用肉眼观察，绝缘层外表面是干燥的。这避免了电力工程应用当中直接铺设在水中的电缆产生水树现象，最终避免了电缆被击穿，延长了电缆的使用寿命，提高了经济效益。
以下将结合实施例，进一步说明本申请的有益效果。
实施例1
表1
按照表1的成分表称取、配料后依次通过配料步骤、熔炼净化步骤、连铸连轧步骤、成品退火步骤、成品分切、成品检测、成品包装，得到改性铝合金导体，其中，Fe与Si的质量比为12：1，Al与Cu的质量比为395.8：1。
熔炼净化步骤，采用30/50PPI双级陶瓷过滤板对铝合金液进行初级过滤，得到过滤液；将过滤液依次经过交变电磁场式的电磁净化装置进行精过滤，具体地，该精过滤的过程包括：将过滤液依次经过磁场强度为0.4T的第一级磁场、磁场强度为0.7T的第二级磁场，得到过滤后铝合金液。
连铸连轧工艺，熔炼温度为780℃，铸造温度为720℃，铸造时结晶轮速度0.2～0.4m/s，冷却水水压0.03MPa；铸坯入连轧机进口温度为500～520℃，冷却乳液温度为50℃，冷却乳液用量为1m3/min，轧制成线坯的终了温度为480℃以上，在线淬火温度为460℃，轧制速度为5.0～6.0m/s。
成品退火步骤的温度在320℃之间，时间为10h，最终经过成品分切、成品检测、成品包装，得到改性铝合金导体。
实施例2
与实施例1的区别在于，
表2
按照表2依次通过配料步骤、熔炼铸造步骤、精炼步骤、净化步骤、铸坯步骤、轧杆步骤、成品退火步骤、成品分切、成品检测、成品包装，得到改性铝合金导体，其中，Fe与Si的质量比为15：1，Al与Cu的质量比为395.84：1。
实施例3
与实施例1的区别在于，
表3
按照表3依次通过配料步骤、熔炼铸造步骤、精炼步骤、净化步骤、铸坯步骤、轧杆步骤、成品退火步骤、成品分切、成品检测、成品包装，得到改性铝合金导体，其中，Fe与Si的质量比为8.3：1，Al与Cu的质量比为396.16：1。
实施例4
与实施例1的区别在于，
表4
按照表4依次通过配料步骤、熔炼铸造步骤、精炼步骤、净化步骤、铸坯步骤、轧杆步骤、成品退火步骤、成品分切、成品检测、成品包装，得到改性铝合金导体，其中，Fe与Si的质量比为26.67：1，Al与Cu的质量比为430：1。
实施例5
与实施例1的区别在于，
表5
按照表5依次通过配料步骤、熔炼铸造步骤、精炼步骤、净化步骤、铸坯步骤、轧杆步骤、成品退火步骤、成品分切、成品检测、成品包装，得到改性铝合金导体，其中，Al与Cu的质量比为329.7：1。
实施例6
与实施例1的区别在于，
表6
按照表6依次通过配料步骤、熔炼铸造步骤、精炼步骤、净化步骤、铸坯步骤、轧杆步骤、成品退火步骤、成品分切、成品检测、成品包装，得到改性铝合金导体，其中，Al与Cu的质量比为495：1。
实施例7
与实施例1的区别在于，
表7
按照表7依次通过配料步骤、熔炼铸造步骤、精炼步骤、净化步骤、铸坯步骤、轧杆步骤、成品退火步骤、成品分切、成品检测、成品包装，得到改性铝合金导体，其中，Al与Cu的质量比为396：1。
实施例8
与实施例1的区别在于，
表8
按照表8依次通过配料步骤、熔炼铸造步骤、精炼步骤、净化步骤、铸坯步骤、轧杆步骤、成品退火步骤、成品分切、成品检测、成品包装，得到改性铝合金导体，其中，Al与Cu的质量比为350：1。
实施例9
与实施例1的区别在于，
表9
按照表9依次通过配料步骤、熔炼铸造步骤、精炼步骤、净化步骤、铸坯步骤、轧杆步骤、成品退火步骤、成品分切、成品检测、成品包装，得到改性铝合金导体，其中，Al与Cu的质量比为490：1。
实施例10
与实施例1的区别在于，采用30/50PPI双级陶瓷过滤板对铝合金液进行初级过滤，得到过滤液；采用电磁净化装置对在磁场强度为0.7T的条件下进行一步精过滤，得到过滤后铝合金液。
实施例11
与实施例1的区别在于，第一级磁场的磁场强度为0.3T，第二级磁场的磁场强度为0.6T。
实施例12
与实施例1的区别在于，第一级磁场的磁场强度为0.5T，第二级磁场的磁场强度为0.8T。
实施例13
与实施例1的区别在于，第一级磁场的磁场强度为0.2T，第二级磁场的磁场强度为0.4T。
实施例14
与实施例1的区别在于，成品退火步骤中的温度为310℃。
实施例15
与实施例1的区别在于，成品退火步骤中的温度为340℃。
实施例16
与实施例1的区别在于，成品退火步骤中的温度为300℃。
对比例1
与实施例1的区别在于，
表10
按照表10依次通过配料步骤、熔炼铸造步骤、精炼步骤、净化步骤、铸坯步骤、轧杆步骤、成品退火步骤、成品分切、成品检测、成品包装，得到改性铝合金导体。
对比例2
与实施例1的区别在于，采用30/50PPI双级陶瓷过滤板对铝合金液进行过滤，得到过滤后铝合金液。
测试以上实施例1至16、对比例1与对比例2所得改性铝合金导体单丝的抗拉强度、单丝断裂伸长率、单丝反复弯曲次数、改性铝合金导体的抗蠕变性能和电阻率，并将测试结果列于表11。
其中，改性铝合金导体的抗蠕变性能的测试方法如下：
1、试验设备：蠕变试验机
2、试样制备：在成品电缆试验段样校直后的缆芯上截取一段130mm的电缆样品，两端各保留40mm，取中间50mm环切剥除绝缘，使电缆导体裸露，得到电缆导体样品。
3、试验步骤
(1)安装试样：蠕变试验机内采用夹具将电缆导体样品夹紧，夹具形状为两块圆弧凹面，夹具宽度为10mm，圆弧内径与导体的外径大小相近，对应导体截面的夹具内径见表11，圆弧弧度为150°，试验时圆弧凹面与电缆导体试样的外表面接触，上下夹具的平面分别与蠕变试验机上下压板接触。
表11
| 导体标称截面(mm2) | 夹具内径(mm) |
| 70 | 10.0 |
| 150 | 15.0 |
| 240 | 18.5 |
| 400 | 24.0 |
(2)设定试验条件：将试验腔内温度调节至试验温度130℃，预热30min。对试样进行预压，预压量为导体外径的10％。用纸带法测量导体的外径，计算导体外径的10％为导体压入量。预压前，先手动调节将压板贴近夹具上表面，至压力值显示读数后停止，读数不应大于20N，然后通过自动控制系统设定导体压入量，压入至上述规定压入量时停止压入，记录蠕变试验机上显示的压力值，即压力初始值。
(3)监测记录：在高温和压力的作用下，导体产生的蠕变会让夹具和导体、导体各单线之间产生松弛，压力值会逐渐衰减。随着时间的增长，压应力值会逐渐趋于一个稳定值，从试验开始至压力值稳定可以形成一条压力随时间逐渐下降然后慢慢趋于稳定的变化曲线。监测记录蠕变试验时间100h内的压力值随时间的变化曲线，以及试验结束时的压力值，即压力稳定值。
(4)计算压力稳定值与压力初始值的比值，以此考核电缆导体的抗蠕变性能，比值越高表面导体的抗蠕变性能越好。
4、结果评定
在上述试验条件下，考核铝合金电缆导体的抗蠕变性能的指标为100h后的导体残余压力值，即压力稳定值与压力初始值的比值
考核标准为不小于60％。即：在规定的试验条件下，满足残余压力值不小于60％为样品抗蠕变性合格，小于60％为不合格。
单丝的抗拉强度的测试方法或者标准为GB/T 4909.3。
单丝断裂伸长率的测试方法或者标准为GB/T 4909.3。
单丝反复弯曲次数的测试方法或者标准为GB/T 4909.5
电阻率的测试方法或者标准为GB/T 3048.2。
表12
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
本申请对铝合金成分进行调整，合理的铜、铁等成分含量的控制，最大限度地提高了各组分之间的协同配合作用，确保铝合金导体具有良好的抗蠕变性能、机械性能、柔韧性和电性能，从而提高了电缆的连接可靠性，避免了导体连接处出现滑脱等现象，保证电缆安全可靠运行。
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 (10)
1.一种改性铝合金导体，其特征在于，以质量百分比计，所述改性铝合金导体包括：0.03～0.06wt％的Si，0.50～0.80wt％的Fe，0.20～0.30wt％的Cu，Mg≤0.01wt％，Zn≤0.02wt％，B≤0.04wt％，不可避免的杂质总含量≤0.08wt％，余量为Al。
2.根据权利要求1所述的改性铝合金导体，其特征在于，所述改性铝合金导体中的Fe与Si的质量比为12～15：1。
3.根据权利要求1或2所述的改性铝合金导体，其特征在于，所述改性铝合金导体中的Al与Cu的质量比为350～490：1。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的改性铝合金导体，其特征在于，所述改性铝合金导体的单丝抗拉强度≥105N/mm2，单丝断裂伸长率≥15％，单丝反复弯曲次数≥23次。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的改性铝合金导体，其特征在于，所述改性铝合金导体的抗蠕变性能≥70％。
6.一种改性铝合金导体的生产工艺，依次包括：配料步骤、熔炼铸造步骤、精炼步骤、净化步骤、铸坯步骤、轧杆步骤、成品退火步骤，其特征在于，所述熔炼铸造步骤包括：对铝合金液依次进行初级过滤、精过滤，得到过滤后铝合金液，其中所述精过滤的过程采用电磁净化方式进行。
7.根据权利要求6所述的生产工艺，其特征在于，所述精过滤的过程包括：将初级过滤所得过滤液依次经过第一级磁场与第二级磁场，所述第一级磁场的磁场强度小于所述第二级磁场的磁场强度，优选所述第一级磁场的磁场强度为0.3～0.5T，优选所述第二级磁场的磁场强度为0.6～0.8T。
8.根据权利要求6或7所述的生产工艺，其特征在于，采用30/50PPI双级陶瓷过滤板进行所述初级过滤，优选所述过滤后铝合金液中≥1μm的非金属杂质颗粒的去除率≥90％，优选所述过滤后铝合金液中非金属杂质颗粒的杂质含量为0.010～0.022mm2/kg。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的生产工艺，其特征在于，控制所述成品退火步骤中的温度在310℃～340℃之间，优选控制所述成品退火的时间为8h～12h。
10.一种改性铝合金导体电缆，包括导体，其特征在于，所述导体为权利要求1至5中任一项所述的改性铝合金导体。
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