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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,可作輕型結構材料。

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,小于此溫度不能發揮最大強化效果,而超出上限溫度,又有產生晶界"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,因此在電工行業得到了巨大應用與發展。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。但是隨著我國經濟的快速發展,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部門及研究工作者提出了挑戰。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建設以及"資源節約型、環境友好型"社會建設戰略的時刻,發展高導電率硬鋁合金及導線,具有巨大的經濟意義與現實意義 。

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參數對比。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、塔桿質量等)、節能效益與經濟指標等方面進行分析,并與普通鋼芯鋁絞線進行對比,結果顯示高導電率硬鋁絞線具有巨大的優越性。

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。總體來說,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,但是從長遠發展來看,其對節能環保、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勢,在節省損耗、降低投資、增大傳輸容量上極具優勢,因此值得大力發展并推廣使用。

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、基礎工程方面的投資不會增加,經濟性反而更好;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即可收回,具有"短期收回成本"的可觀經濟效益,并且與普通導線相比,高導電率硬鋁導線在節能降耗方面具有普通導線無法比擬的巨大優勢,將會產生巨大的社會效益,推動智能電網的建設及社會發展。

遠東電纜有限公司研發了具有低損耗的架空導線用鋁導體,其主要技術經濟指標為: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,與同規格常規導線相比,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電0.0492萬kW·h,全線一年創造節能降耗直接效益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,可以明顯節約電能,產生巨大的經濟效益,與普通導線相比具有較大的優勢。

國內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,研究結果表明通過合金元素優化配比、改善熱處理工藝和復合變質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,結合生產工藝及設備優化,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化進行了研究,認為電工用工業純鋁的成分優化可以用"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。

電工圓鋁桿的生產都是采用連鑄連軋的生產技術,生產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,連續鑄造是需要澆注溫度、澆注速度與冷卻速度3個工藝參數合理匹配的過程,連續軋制過程中也需要合適的軋制溫度和軋制速度。實際生產過程中根據不同電工鋁的型號將開軋溫度一般設在480~520℃,終軋溫度為300~360℃。但是,高導電率硬鋁合金材料及相關導線的制備工藝較復雜、生產使用成本較高,現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的研究。因此,發展高導電率硬鋁合金一方面應從調整鋁合金的成分、控制敏感元素以及添加微量合金元素等方法獲得更加優良的高導電率硬鋁合金的成分著手研究,另一方面應從優化硬鋁合金的制備工藝、簡化生產工藝、降低生產成本的思路進行。

國網智能電網研究院電工導體材料項目組按照上述發展思路,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收回,經濟效益顯著。因此大力發展并推廣使用高導電率硬鋁導線符合建設"資源節約型,環境友好型"社會的發展要求,具備很好的經濟與社會效益。

發展高導電率硬鋁導線的思路為:

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

2、通過優化制備工藝、簡化生產過程進一步降低生產成本。