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硬鋁成分:Al——Cu——Mg——Mn合金,硬鋁有良好的機械性能,強度大(如2Al2-T4抗拉強度可達469MPa以上)又便于加工,而且密度小,可作輕型結(jié)構(gòu)材料。

一般的硬鋁中,鎂不超過2%。錳可提高強度和耐蝕性,但一般限制錳小于1%,加入少量的鈦可細化晶粒,鐵與硅均限制在小于0.5-0.6%,并希望鐵硅比值大于等于一。

硬鋁的缺點主要有:

1、耐蝕性不良,因此不得不在硬鋁板材表面用軋制方法包一層工業(yè)純鋁(純鋁厚度占板材厚度3-5%)成為包鋁硬鋁。有包鋁層時強度有所下降。

2、固溶處理溫度范圍窄,小于此溫度不能發(fā)揮最大強化效果,而超出上限溫度,又有產(chǎn)生晶界"過"的可能使晶粒聚集受到破壞。

3、焊接裂紋傾向大,用熔焊法有困難。

鋁元素在地球上儲量豐富,導電性良好(鋁合金電阻率約為銅的1.68倍),其價格也較為低廉,因此在電工行業(yè)得到了巨大應用與發(fā)展。20世紀初,鋁合金導線被首先應用于高壓輸電線路,之后在全世界范圍得到了飛躍發(fā)展。在高壓、超高壓和特高壓架空輸電線路中應用最為廣泛和成熟的是普通的鋼芯鋁絞線(Aluminium conductor steel-reinforced,ACSR),其導電率為61%IACS(International Annealed Copper Standard),電阻率一般在0.02790~0.028264Ω·mm/m。但是隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展,電力需求逐年攀升,如何提高輸電效率、降低線路損耗等問題對電力建設(shè)部門及研究工作者提出了挑戰(zhàn)。輸電線路損耗主要包括電阻損耗和電暈損耗兩方面,在后者基本相同的情況下,輸電線路損耗主要由前者決定,提高導電率是降低輸電損耗的一種有效方法,因此高導電率硬鋁導體材料應運而生。在國家提出加快推進智能電網(wǎng)建設(shè)以及"資源節(jié)約型、環(huán)境友好型"社會建設(shè)戰(zhàn)略的時刻,發(fā)展高導電率硬鋁合金及導線,具有巨大的經(jīng)濟意義與現(xiàn)實意義 。

高導電率硬鋁導體材料是通過合理控制合金元素的種類、含量及配比,采用合理的加工手段及熱處理工藝使得合金的細晶強化和加工硬化效果顯著,凈化晶界,得到導電率有較大程度提高的硬鋁合金。

高導電率硬鋁導線是由硬鋁導體材料制備而得,其導電率一般不小于61.5%IACS,強度不小于160MPa,延伸率為1.5~2.0,按照導電率的不同,又可以分為61.5%IACS、62%IACS、62.5%IACS、63%IACS四個等級。與普通鋼芯鋁導線(導電率不小于61%,強度不小于160MPa,延伸率為1.5~2.0)相比,其在力學性能基本相同的情況下,導電率有了不同程度的提高。

3種高導電率硬鋁絞線與普通鋼芯鋁絞線技術(shù)參數(shù)對比。通過對高導電率硬鋁絞線的力學性能(弧垂特性、風偏角、覆冰過載能力等)、電氣性能(電磁環(huán)境影響、導線電阻、載流量、極限輸送容量等)、造價因素(導線價格、塔桿質(zhì)量等)、節(jié)能效益與經(jīng)濟指標等方面進行分析,并與普通鋼芯鋁絞線進行對比,結(jié)果顯示高導電率硬鋁絞線具有巨大的優(yōu)越性。

鋼芯高導電率硬鋁線與普通鋼芯鋁絞線相比,電氣、力學性能相同或相當,導電性能提升,因此可以代替普通鋼芯鋁絞線在新建輸電線路中使用。高導電率硬鋁絞線單價較普通鋼芯鋁絞線稍高,但是由于導線風荷載降低約10%,塔重可降低約0.5%,減少了桿塔投資,而且采用高導電率鋁合金絞線可以壓縮走廊寬度,同樣降低了初期投資�？傮w來說,采用高導電率鋁合金絞線的初始投資要略高于普通鋼芯鋁絞線,但是從長遠發(fā)展來看,其對節(jié)能環(huán)保、降耗減排意義重大,并且其增加的初始投資成本將會在較短的時間內(nèi)收回。綜合以上分析,新型高導電率硬鋁線在新建線路上有很大的利用空間,相比以往的鋼芯鋁絞線更有優(yōu)勢,在節(jié)省損耗、降低投資、增大傳輸容量上極具優(yōu)勢,因此值得大力發(fā)展并推廣使用。

天津某一工程中應用鋼芯高導電率鋁型線絞線,該工程為新建220kV變電站,4臺主變均為240MVA 容量,線路年輸送容量為10.3萬kW。通過對比可知,應用鋼芯高導電率鋁型線絞線可以降低桿塔自重,鐵塔尺寸占地賠償費用、電力走廊通道占用費用等隨之降低,其在桿塔、基礎(chǔ)工程方面的投資不會增加,經(jīng)濟性反而更好;并且在施工過程中,與普通導線配套使用的金具基本能夠適用于高導電率硬鋁導線;施工機具、安裝方法、施工方法等也不會有特殊要求。所以在裝置性材料、施工措施費等方面也基本無價差可比。高導電率硬鋁導線與普通導線在成本回收期限與能耗指標方面對比情況如表2所示。對比可見,使用高導電率硬鋁導線引起的投資增加在較短期限內(nèi)即可收回,具有"短期收回成本"的可觀經(jīng)濟效益,并且與普通導線相比,高導電率硬鋁導線在節(jié)能降耗方面具有普通導線無法比擬的巨大優(yōu)勢,將會產(chǎn)生巨大的社會效益,推動智能電網(wǎng)的建設(shè)及社會發(fā)展。

遠東電纜有限公司研發(fā)了具有低損耗的架空導線用鋁導體,其主要技術(shù)經(jīng)濟指標為:硬鋁單線導電率達到62.5%IACS;鋁絲強度為硬鋁強度,達160~200MPa;如該鋁線用于一條500kV線路中,與同規(guī)格常規(guī)導線相比,降低線路損耗2.5%,按照年損耗3000h計算,每年每公里線路可節(jié)電0.0492萬kW·h,全線一年創(chuàng)造節(jié)能降耗直接效益393.6多萬元;按供電煤耗360g標煤/(kW·h)計算,全線一年將減少標煤消耗0.773萬t,減排二氧化碳約1.12萬t。由此可見,在輸電線路中采用高導電率硬鋁導線,可以明顯節(jié)約電能,產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益,與普通導線相比具有較大的優(yōu)勢。

國內(nèi)外對于耐熱鋁合金和中強度鋁合金導體材料的研究較多,制備工藝成熟。相比而言,對于高導電率硬鋁合金及其導線的研究較少。武漢理工大學對高強度高導電率鑄造鋁合金進行了研究,研究結(jié)果表明通過合金元素優(yōu)化配比、改善熱處理工藝和復合變質(zhì)可以顯著提高鑄造鋁合金力學性能和導電率;昆明理工大學通過同時添加硼和稀土元素,結(jié)合生產(chǎn)工藝及設(shè)備優(yōu)化,達到了提高電工圓鋁桿的力學性能、降低電阻率以及改善電工圓鋁桿性能的目的;大連理工大學對電工鋁的成分優(yōu)化進行了研究,認為電工用工業(yè)純鋁的成分優(yōu)化可以用"添加硼、限制Si、放寬Fe含量"來概括;福州大學研究了電工鋁桿用高效排雜凈化熔劑及其處理效果,研究結(jié)果表明熔劑組成對電工鋁合金的凈化效果具有重要的影響,應對其進行合理設(shè)計,從而提高電工圓鋁桿的力學性能與導電性能;2010年,無錫華能電纜有限公司申請了《一種高導電率硬鋁導線及制造方法》發(fā)明專利,公開了一種高導電率硬鋁導線及其制造方法,該硬鋁線配合中心加強構(gòu)件絞合制造出導電率不小于63%IACS、強度不小于160MPa的高導電率硬鋁導線;2013年,東南大學申請了《一種高導電率稀土硬鋁導線及制備方法》發(fā)明專利,公開了高導電率稀土硬鋁導線的組分,同時還公開了該高導電率稀土硬鋁導線的制備方法,主要是選配鋁錠,熔煉,再進行硼化、精煉等處理,制得導電率為63%IACS、抗拉強度為160MPa的硬鋁導線。

電工圓鋁桿的生產(chǎn)都是采用連鑄連軋的生產(chǎn)技術(shù),生產(chǎn)工序主要是鋁合金熔煉、鋁液凈化、鑄錠和軋制。對于硅含量小于0.08%的鋁液,合適的鐵硅比可以獲得合格的電工鋁產(chǎn)品,在高鐵硅元素含量的鋁液中加入適量的Al-B合金和稀土中間合金可以使產(chǎn)品的力學性能和導電性能滿足要求。韋良杰等通過二次精煉的方式凈化鋁液,控制合金成分,連續(xù)鑄造是需要澆注溫度、澆注速度與冷卻速度3個工藝參數(shù)合理匹配的過程,連續(xù)軋制過程中也需要合適的軋制溫度和軋制速度。實際生產(chǎn)過程中根據(jù)不同電工鋁的型號將開軋溫度一般設(shè)在480~520℃,終軋溫度為300~360℃。但是,高導電率硬鋁合金材料及相關(guān)導線的制備工藝較復雜、生產(chǎn)使用成本較高,現(xiàn)有的制備工藝已無法滿足高導電率硬鋁合金的制備要求,具備生產(chǎn)能力的廠家非常少。

為了增加高導電率硬鋁合金導體材料的實際應用性,有必要對高導電率鋁合金的成分體系及其制備工藝進行更為深入系統(tǒng)的研究。因此,發(fā)展高導電率硬鋁合金一方面應從調(diào)整鋁合金的成分、控制敏感元素以及添加微量合金元素等方法獲得更加優(yōu)良的高導電率硬鋁合金的成分著手研究,另一方面應從優(yōu)化硬鋁合金的制備工藝、簡化生產(chǎn)工藝、降低生產(chǎn)成本的思路進行。

國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院電工導體材料項目組按照上述發(fā)展思路,初步對Al-B-Zr-Re體系硬鋁合金的成分進行了摸索。

通過常規(guī)熔煉工藝熔煉后澆鑄成Φ45mm的硬鋁合金錠;合金錠在400℃保溫1h后通過擠壓制成Φ9.5mm的圓桿;硬鋁圓桿在拉絲機上通過15道次的冷拉拔,最后制備成Φ3.05mm的硬鋁單絲。

從制備的硬鋁單絲性能測試結(jié)果可以看出,隨著Zr含量增加,硬鋁單絲的導電率降低,抗拉強度增大,延伸率無明顯變化趨勢,高導電率硬鋁單絲的綜合性能明顯提高 。

高導電率硬鋁導線具有與普通鋼芯鋁導線相同的力學性能,但導電性能提升,施工方法、施工機具與普通鋼芯鋁導線基本一致,并且增加的初始投資成本會在較短時間內(nèi)收回,經(jīng)濟效益顯著。因此大力發(fā)展并推廣使用高導電率硬鋁導線符合建設(shè)"資源節(jié)約型,環(huán)境友好型"社會的發(fā)展要求,具備很好的經(jīng)濟與社會效益。

發(fā)展高導電率硬鋁導線的思路為:

1、通過調(diào)整鋁液的成分、控制敏感元素含量以及微合金化等方法獲得性能更優(yōu)良的高導電率硬鋁合金成分;

2、通過優(yōu)化制備工藝、簡化生產(chǎn)過程進一步降低生產(chǎn)成本。