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硬鋁成分:Al——Cu——Mg——Mn合金,硬鋁有良好的機(jī)械性能,強(qiáng)度大(如2Al2-T4抗拉強(qiáng)度可達(dá)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(qiáng)度和耐蝕性,但一般限制錳小于1%,加入少量的鈦可細(xì)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(diǎn)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(qiáng)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(qiáng)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(dǎo)電性良好(鋁合金電阻率約為銅的1.68倍),其價(jià)格也較為低廉,因此在電工行業(yè)得到了巨大應(yīng)用與發(fā)展。20世紀(jì)初,鋁合金導(dǎo)線被首先應(yīng)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(yīng)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(dǎo)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(jì)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(dǎo)電率是降低輸電損耗的一種有效方法,因此高導(dǎo)電率硬鋁導(dǎo)體材料應(yīng)運(yùn)而生。在國家提出加快推進(jìn)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(dǎo)電率硬鋁合金及導(dǎo)線,具有巨大的經(jīng)濟(jì)意義與現(xiàn)實(shí)意義 。

高導(dǎo)電率硬鋁導(dǎo)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(xì)晶強(qiáng)化和加工硬化效果顯著,凈化晶界,得到導(dǎo)電率有較大程度提高的硬鋁合金。

高導(dǎo)電率硬鋁導(dǎo)線是由硬鋁導(dǎo)體材料制備而得,其導(dǎo)電率一般不小于61.5%IACS,強(qiáng)度不小于160MPa,延伸率為1.5~2.0,按照導(dǎo)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(dǎo)線(導(dǎo)電率不小于61%,強(qiáng)度不小于160MPa,延伸率為1.5~2.0)相比,其在力學(xué)性能基本相同的情況下,導(dǎo)電率有了不同程度的提高。

3種高導(dǎo)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(dǎo)電率硬鋁絞線的力學(xué)性能(弧垂特性、風(fēng)偏角、覆冰過載能力等)、電氣性能(電磁環(huán)境影響、導(dǎo)線電阻、載流量、極限輸送容量等)、造價(jià)因素(導(dǎo)線價(jià)格、塔桿質(zhì)量等)、節(jié)能效益與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等方面進(jìn)行分析,并與普通鋼芯鋁絞線進(jìn)行對比,結(jié)果顯示高導(dǎo)電率硬鋁絞線具有巨大的優(yōu)越性。

鋼芯高導(dǎo)電率硬鋁線與普通鋼芯鋁絞線相比,電氣、力學(xué)性能相同或相當(dāng),導(dǎo)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(dǎo)電率硬鋁絞線單價(jià)較普通鋼芯鋁絞線稍高,但是由于導(dǎo)線風(fēng)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(dǎo)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(dǎo)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(yuǎn)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(dǎo)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(yīng)用鋼芯高導(dǎo)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(yīng)用鋼芯高導(dǎo)電率鋁型線絞線可以降低桿塔自重,鐵塔尺寸占地賠償費(fèi)用、電力走廊通道占用費(fèi)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(jì)性反而更好;并且在施工過程中,與普通導(dǎo)線配套使用的金具基本能夠適用于高導(dǎo)電率硬鋁導(dǎo)線;施工機(jī)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(fèi)等方面也基本無價(jià)差可比。高導(dǎo)電率硬鋁導(dǎo)線與普通導(dǎo)線在成本回收期限與能耗指標(biāo)方面對比情況如表2所示。對比可見,使用高導(dǎo)電率硬鋁導(dǎo)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(jì)效益,并且與普通導(dǎo)線相比,高導(dǎo)電率硬鋁導(dǎo)線在節(jié)能降耗方面具有普通導(dǎo)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(yuǎn)東電纜有限公司研發(fā)了具有低損耗的架空導(dǎo)線用鋁導(dǎo)體,其主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為:硬鋁單線導(dǎo)電率達(dá)到62.5%IACS;鋁絲強(qiáng)度為硬鋁強(qiáng)度,達(dá)160~200MPa;如該鋁線用于一條500kV線路中,與同規(guī)格常規(guī)導(dǎo)線相比,降低線路損耗2.5%,按照年損耗3000h計(jì)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(biāo)煤/(kW·h)計(jì)算,全線一年將減少標(biāo)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(dǎo)電率硬鋁導(dǎo)線,可以明顯節(jié)約電能,產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益,與普通導(dǎo)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(qiáng)度鋁合金導(dǎo)體材料的研究較多,制備工藝成熟。相比而言,對于高導(dǎo)電率硬鋁合金及其導(dǎo)線的研究較少。武漢理工大學(xué)對高強(qiáng)度高導(dǎo)電率鑄造鋁合金進(jìn)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(fù)合變質(zhì)可以顯著提高鑄造鋁合金力學(xué)性能和導(dǎo)電率;昆明理工大學(xué)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(dá)到了提高電工圓鋁桿的力學(xué)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(xué)對電工鋁的成分優(yōu)化進(jìn)行了研究,認(rèn)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(xué)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(yīng)對其進(jìn)行合理設(shè)計(jì),從而提高電工圓鋁桿的力學(xué)性能與導(dǎo)電性能;2010年,無錫華能電纜有限公司申請了《一種高導(dǎo)電率硬鋁導(dǎo)線及制造方法》發(fā)明專利,公開了一種高導(dǎo)電率硬鋁導(dǎo)線及其制造方法,該硬鋁線配合中心加強(qiáng)構(gòu)件絞合制造出導(dǎo)電率不小于63%IACS、強(qiáng)度不小于160MPa的高導(dǎo)電率硬鋁導(dǎo)線;2013年,東南大學(xué)申請了《一種高導(dǎo)電率稀土硬鋁導(dǎo)線及制備方法》發(fā)明專利,公開了高導(dǎo)電率稀土硬鋁導(dǎo)線的組分,同時還公開了該高導(dǎo)電率稀土硬鋁導(dǎo)線的制備方法,主要是選配鋁錠,熔煉,再進(jìn)行硼化、精煉等處理,制得導(dǎo)電率為63%IACS、抗拉強(qiáng)度為160MPa的硬鋁導(dǎo)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(xué)性能和導(dǎo)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(shí)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(dǎo)電率硬鋁合金材料及相關(guān)導(dǎo)線的制備工藝較復(fù)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(dǎo)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(dǎo)電率硬鋁合金導(dǎo)體材料的實(shí)際應(yīng)用性,有必要對高導(dǎo)電率鋁合金的成分體系及其制備工藝進(jìn)行更為深入系統(tǒng)的研究。因此,發(fā)展高導(dǎo)電率硬鋁合金一方面應(yīng)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(dǎo)電率硬鋁合金的成分著手研究,另一方面應(yīng)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(jìn)行。

國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院電工導(dǎo)體材料項(xiàng)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(jìn)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(jī)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(dǎo)電率降低,抗拉強(qiáng)度增大,延伸率無明顯變化趨勢,高導(dǎo)電率硬鋁單絲的綜合性能明顯提高 。

高導(dǎo)電率硬鋁導(dǎo)線具有與普通鋼芯鋁導(dǎo)線相同的力學(xué)性能,但導(dǎo)電性能提升,施工方法、施工機(jī)具與普通鋼芯鋁導(dǎo)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(jì)效益顯著。因此大力發(fā)展并推廣使用高導(dǎo)電率硬鋁導(dǎo)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(jì)與社會效益。

發(fā)展高導(dǎo)電率硬鋁導(dǎo)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(dǎo)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(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。