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CN111041282A - 架空导线用软铝单丝及其制备方法 - Google Patents

架空导线用软铝单丝及其制备方法 Download PDF

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李海龙
金鹏
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Global Energy Interconnection Research Institute
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Abstract

本发明公开了一种架空导线用软铝单丝及其制备方法，其中，所述架空导线用软铝单丝，按重量计，由以下组分组成：B：0.002～0.05％，Er：0.001～0.10％，Si：0～0.06％，Fe：0～0.10％，V+Ti+Cr+Mn≤0.01％，余量为铝和不可避免的杂质元素，所述制备方法包括如下步骤：熔炼、精炼、浇铸、制杆、拉丝、退火处理。采用该方法制备的架空导线用软铝单丝导电率高，输电线路损耗低。

Description

架空导线用软铝单丝及其制备方法
技术领域
本发明属于电力行业输电线路架空导线技术领域，涉及一种导电率≥63.8％IACS(20℃)，抗拉强度≥80MPa，延伸率≥23.0％的架空导线用软铝单丝及其制备方法。
背景技术
电力系统为满足日益增长的电力需求，除不断加大电网覆盖面积，扩充线路输送容量外，更在电网建设的同时逐渐加大对节能环保、低碳减排的关注。近年来，国家多措并举推动能源结构调整，充分发挥电网在能源汇集传输和转换利用中的枢纽作用，积极推进清洁低碳、安全高效的能源体系建设。但风能、太阳能等清洁能源送出通道因受现役架空输电导线的限制，存在输电容量裕度低、短期过负荷承受能力弱、电能损耗高等问题，电网网架结构的约束一定程度上制约了风电、光伏等新能源的高效利用。针对已有网架结构上清洁新能源大容量送出需求，需要采用增容导线对现有输电线路进行增容改造，在不更换杆塔、不增加输电走廊的条件下实现扩容，有效解决清洁能源送出线路容量受限的问题。
电力部门通常采用导线增容来解决输电通道问题。钢芯软铝绞线是外层软铝线起导电作用，中间钢芯起整根导线的承力作用，充分发挥软铝导体和高强度钢芯各自的性能优势，是节能增容型导线，具有弛度低、自阻尼特性好、制造成本低、适用性强等特点。铝的热膨胀系数约为23×10-6/℃，而钢的热膨胀系数只有铝的1/2，约11.5×10-6/℃。当导线运行温度上升时，由于热膨胀系数的差异，软铝线股将产生不可恢复的永久变形，应力转移特性使导线所受张力转移到特强钢芯上，这时导线的热膨胀系数就是钢的热膨胀系数。因此，工作温度上升后，钢芯软铝绞线的弛度远比普通钢芯铝绞线小。钢芯软铝导线在美国和加拿大等国家已有近二十年应用历史，国内也有相关应用。对比国内外钢芯软铝绞线标准，主要技术差异体现在外层软铝线的导电率指标上，国外标准(ASTM-B609/B609M-2016、BS EN50540-2010等)要求导电率≥61.8％IACS，而我国标准(GB/T 29325-2012)要求导电率≥63.0％IACS。对于61％IACS导电率的普通钢芯铝绞线而言，导电率每提升1％IACS，可有效降低输电线损1.5％以上。因此提升输电导线的导电率，对于提高架空输电线路的电能输送效率、实现电网的节能减排具有重要意义。
当前，国内相关导线厂家已具备生产63.0％IACS软铝单丝的能力，但其生产工艺稳定性、导电率合格率尚待进一步提升。为进一步提高软铝单丝的导电率，降低输电线路损耗，亟需开展高导电率软铝单丝的合金成分与制备工艺研究，研制高导电率的软铝单丝材料，推动高性能钢芯软铝绞线的生产与规模化应用，满足我国电网安全消纳和输送清洁能源的发展需求。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供一种架空导线用软铝单丝及其制备方法，以提高软铝单丝的导电率，降低输电线路损耗。
本发明一方面提供了一种架空导线用软铝单丝，按重量计，由以下组分组成：B：0.002～0.05％，Er：0.001～0.10％，Si：0～0.06％，Fe：0～0.10％，V+Ti+Cr+Mn≤0.01％，余量为铝和不可避免的杂质元素。
本发明还提供了一种架空导线用软铝单丝的制备方法，包括如下步骤：
(1)熔炼：于730～750℃的铝熔融物中加入Al-B合金静置30min后加入Al-Er合金；
(2)精炼：在720～730℃下通入氮气15～20min，静置30min后扒渣；
(3)浇铸：于710～720℃下将铝合金液浇铸到模具内，制备出尺寸为22mm×22mm×380mm的铝合金锭；
(4)制杆：将步骤(3)制得的铝合金锭在500～510℃保温1h后轧制成Ф9.5mm的铝合金杆；
(5)拉丝：以14m/s的速度、20～25％的变形量，拉丝得直径为3.05～3.60mm的铝单丝；
(6)退火处理：将步骤(5)制得的铝单丝进行退火处理，制得软铝单丝线。
优选，步骤(1)中，还包括使用搅拌机对铝液进行搅拌的步骤。
进一步优选，步骤(2)中，加入覆盖剂后静置。
进一步优选，步骤(2)中，按重量计，覆盖剂的加入量为炉料总量的0.02％～0.04％。
进一步优选，步骤(3)中，为减少Fe的带入，模具采用紫铜材质。
进一步优选，步骤(6)中，铝单丝的退火处理工艺为：退火温度：350～400℃，退火时间：2～4h。
本发明采用的各合金元素的作用及机理如下：
Er：本发明的技术方案中Er元素的加入对铝导体的导电和力学性能均有改善作用。Er与铝中主要固溶杂质元素Fe、Si发生强烈的交互作用，形成的稀土化合物在晶界处析出，降低了Fe、Si等杂质元素在基体中的固溶度，改善了铝合金的金相组织，细化了晶粒，提高了铝合金的强度和塑性；同时Er元素的加入，可使铝合金的铸态组织细化，减小对传导电子的散射，从而使电阻率大幅降低。但过多的Er会形成杂质影响铝的导电性能，而且Er含量增加会增强晶粒细化作用，增加了对电子的散射，从而降低了铝导体的导电率。因此Er含量应控制在一定范围内以保证铝导体的导电性能。
B：化学成分是影响铝导体电导率的最关键因素，因此降低杂质元素含量对电导率的影响是提高铝导体电导率的主要途径。杂质元素若在铝导体中以固溶态存在，对其导电性能的影响很大。硼化处理是降低杂质含量的一种有效方法。本发明的技术方案中采用了B：0.002～0.05％，即在电工铝中加入一定量的B元素后，能够和过渡族杂质元素Cr、Mn、V、Ti等发生反应，使它们由固溶态转变为化合态，形成不溶解的硼化物，从而以铝渣形式从铝液中脱离，达到降低杂质元素含量提升铝导体导电性能的目的。
Si：硅主要来自铝矾土中的二氧化硅或硅酸盐，是纯铝中的一种主要杂质元素。Si能提高铝合金的铸造性能及焊接流动性，还能使铝合金具有较高的力学性能。但随着Si含量增加，铝合金的电阻率增加。这主要是由于Si是半导体，较铝基体的电阻率高得多，故Si含量的增加将减少铝基体的有效导电截面积，降低铝合金的导电率，因此硅含量应有效控制，若含量超出要求，则通常采用稀土化处理。
Fe：铝中含有一定量的铁，是纯铝中的一种主要杂质。因为熔炼与铸造使用的工具主要是钢质或铸铁，Fe元素就会因这些工具带入铝中，而且在重熔废料时，则可混入铁与铁屑。铁对铸造铝的力学性能是有害的，因为其通常以粗大的一次晶体出现，或以Al-Fe-Si化合物形式存在，它们一定程度上都提高了铝的硬度，但使铝的塑性降低。铁会降低铝的导电性能，但由于铁在常温下的固溶度很小，因此它对铝的导电率的影响相对其他元素是比较低的。当然，铁的含量也不能太高，若铁含量较高，除会降低导电性能外，也可能由于分布不均匀而导致加工过程出现脆断的现象。
Cr、Mn、V、Ti：本发明中控制V+Ti+Cr+Mn≤0.01％，这四种元素均为电工纯铝中的杂质元素。铝导体中的Cr、Mn、V、Ti杂质元素以固溶态存在时，很容易吸收导体材料内的自由电子而填充它们不完整的电子层。这种传导电子数目的减少会导致铝导体电阻率的增加。研究表明，每1％(Cr+Mn+V+Ti)的有害作用为每1％Si对铝导体导电性能有害作用的5倍。由此可以看出严格控制Cr、Mn、V、Ti杂质元素的含量对保证铝导体的导电性能具有重要作用。
本发明在通过硼化处理对杂质元素进行严格净化控制的基础上，在铝合金中添加了微量Er稀土元素，既能够降低杂质含量，又具有晶粒细化以及提高结晶温度的作用，一定程度上在保证铝导体具有高导电率的同时具有良好的力学性能；本发明熔炼过程中采用了吹入N2除气、除渣及加入覆盖剂防止氧化；采用退火热处理，改善或消除铝线在铸造、轧制及拉丝过程中所造成的各种微观组织缺陷以及残余应力，改善组织以优化铝线的电学和力学性能，由此制备出的架空导线用软铝线材料的导电率≥63.8％IACS(20℃)，抗拉强度≥80MPa，延伸率≥23.0％。
本发明提供的架空导线用软铝单丝，通过加入B、稀土Er微量合金化元素，优化了合金成分，并通过热处理工艺来调整合金的微观组织，可制出导电率≥63.8％IACS(20℃)，抗拉强度≥80MPa，延伸率≥23.0％的软铝单丝，可以解决架空输电线路损耗大的问题。
具体实施方式
下面将结合具体的实施方案对本发明进行进一步的解释，但并不局限本发明。
本发明一方面提供了一种架空导线用软铝单丝，按重量计，由以下组分组成：B：0.002～0.05％，Er：0.001～0.10％，Si：0～0.06％，Fe：0～0.10％，V+Ti+Cr+Mn≤0.01％，余量为铝和不可避免的杂质元素。
本发明还提供了上述架空导线用软铝单丝的制备方法，包括如下步骤：
(1)熔炼：于730～750℃的铝熔融物中加入Al-B合金静置30min后加入Al-Er合金；
(2)精炼：在720～730℃下通入氮气15～20min，静置30min后扒渣；
(3)浇铸：于710～720℃下将铝合金液浇铸到模具内，制备出尺寸为22mm×22mm×380mm的铝合金锭；
(4)制杆：将步骤(3)制得的铝合金锭在500～510℃保温1h后轧制成Ф9.5mm的铝合金杆；
(5)拉丝：以14m/s的速度、20～25％的变形量，拉丝得直径为3.05～3.60mm的铝单丝；
(6)退火处理：将步骤(5)制得的铝单丝进行退火处理，制得软铝单丝线。
优选，步骤(1)中，还包括使用搅拌机对铝液进行搅拌的步骤，以使合金元素充分均匀化。
进一步优选，步骤(2)中，加入覆盖剂后静置，以防止氧化。
进一步优选，步骤(2)中，按重量计，覆盖剂的加入量为炉料总量的0.02％～0.04％。
进一步优选，步骤(3)中，为减少Fe的带入，模具采用紫铜材质。
进一步优选，步骤(6)中，铝单丝的退火处理工艺为：退火温度：350～400℃，退火时间：2～4h。
实施例1
架空导线用软铝单丝，按重量计，由以下组分组成：B：0.02％；Er：0.03％；Si：0.051％；Fe：0.086％；Cr+Mn+V+Ti：0.007％；余量为Al和不可避免的杂质元素。
制备方法如下：在纯度为99.7％的工业纯铝锭中加入各合金元素，使它们的最终含量如上所示。合金元素B、Er以Al-B、Al-Er中间合金的形式加入。经紫铜模具浇铸形成铝合金锭；通过轧机对铝合金锭进行热轧，将轧制成的铝合金圆杆采用常规的铝单丝制备工艺，依次配模，在高速拉丝机上进行拉丝，所制备的铝合金单丝直径为3.05mm，经退火温度为380℃、退火时间为2h的退火处理，制得导电率为63.8％IACS，抗拉强度为85.2MPa，延伸率为23.2％的软铝单丝材料。
实施例2
架空导线用软铝单丝，按重量计，由以下组分组成：B：0.03％，Er：0.03％，Si：0.048％，Fe：0.078％，V+Ti+Cr+Mn：0.006％，余量为Al和不可避免的杂质元素。
制备方法如下：在纯度为99.7％的工业纯铝锭中加入各合金元素，使它们的最终含量如上所示。合金元素B、Er以Al-B、Al-Er中间合金的形式加入。经紫铜模具浇铸形成铝合金锭；通过轧机对铝合金锭进行热轧，将轧制成的铝合金圆杆采用常规的铝单丝制备工艺，依次配模，在高速拉丝机上进行拉丝，所制备的铝合金单丝直径为3.05mm，经退火温度为380℃、退火时间为3h的退火处理，制得导电率为63.9％IACS，抗拉强度为84.5MPa，延伸率为23.5％的软铝单丝材料。
实施例3
架空导线用软铝单丝，按重量计，由以下组分组成：B：0.03％，Er：0.05％，Si：0.036％，Fe：0.065％，V+Ti+Cr+Mn：0.005％，余量为Al和不可避免的杂质元素。
在纯度为99.7％的工业纯铝锭中加入各合金元素，使它们的最终含量如上所示。合金元素B、Er以Al-B、Al-Er中间合金的形式加入。经紫铜模具浇铸形成铝合金锭；通过轧机对铝合金锭进行热轧，将轧制成的铝合金圆杆采用常规的铝单丝制备工艺，依次配模，在高速拉丝机上进行拉丝，所制备的铝合金单丝直径为3.45mm，经退火温度为400℃、退火时间为3h的退火处理，制得导电率为64.1％IACS，抗拉强度为81.3MPa，延伸率为25.1％的软铝单丝材料。
实施例4
架空导线用软铝单丝，按重量计，由以下组分组成：B：0.02％，Er：0.05％，Si：0.042％，Fe：0.068％，V+Ti+Cr+Mn：0.005％，余量为Al和不可避免的杂质元素。
在纯度为99.7％的工业纯铝锭中加入各合金元素，使它们的最终含量如上所示。合金元素B、Er以Al-B、Al-Er中间合金的形式加入。经紫铜模具浇铸形成铝合金锭；通过轧机对铝合金锭进行热轧，将轧制成的铝合金圆杆采用常规的铝单丝制备工艺，依次配模，在高速拉丝机上进行拉丝，所制备的铝合金单丝直径为3.45mm，经退火温度为400℃、退火时间为4h的退火处理，制得导电率为64.2％IACS，抗拉强度为80.8MPa，延伸率为25.4％的软铝单丝材料。
实施例5
架空导线用软铝单丝，按重量计，由以下组分组成：B：0.02％，Er：0.06％，Si：0.034％，Fe：0.063％，V+Ti+Cr+Mn：0.006％，余量为Al和不可避免的杂质元素。
在纯度为99.7％的工业纯铝锭中加入各合金元素，使它们的最终含量如上所示。合金元素B、Er以Al-B、Al-Er中间合金的形式加入。经紫铜模具浇铸形成铝合金锭；通过轧机对铝合金锭进行热轧，将轧制成的铝合金圆杆采用常规的铝单丝制备工艺，依次配模，在高速拉丝机上进行拉丝，所制备的铝合金单丝直径为3.60mm，经退火温度为380℃、退火时间为4h的退火处理，制得导电率为64.0％IACS，抗拉强度为83.4MPa，延伸率为23.6％的软铝单丝材料。
表1实施例制备的软铝单丝成分表(wt％)
组别 B Er Si Fe Cr+Mn+V+Ti Al
实施例1 0.02 0.03 0.051 0.086 0.007 余量
实施例2 0.03 0.03 0.048 0.078 0.006 余量
实施例3 0.03 0.05 0.036 0.065 0.005 余量
实施例4 0.02 0.05 0.042 0.068 0.005 余量
实施例5 0.02 0.06 0.034 0.063 0.006 余量
表2实施例制备的软铝单丝的性能测试结果
Figure BDA0002294391680000101
通过表2可知，本发明的软铝单丝综合性能上具有明显的优势，特别是室温(20℃)导电率达到63.8％IACS以上，且抗拉强度≥80MPa，延伸率≥23.0％。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.架空导线用软铝单丝，其特征在于，按重量计，由以下组分组成：B：0.002～0.05％，Er：0.001～0.10％，Si：0～0.06％，Fe：0～0.10％，V+Ti+Cr+Mn≤0.01％，余量为铝和不可避免的杂质元素。
2.权利要求1所述的架空导线用软铝单丝的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)熔炼：于730～750℃的铝熔融物中加入Al-B合金静置30min后加入Al-Er合金；
(2)精炼：在720～730℃下通入氮气15～20min，静置30min后扒渣；
(3)浇铸：于710～720℃下将铝合金液浇铸到模具内，制备出尺寸为22mm×22mm×380mm的铝合金锭；
(4)制杆：将步骤(3)制得的铝合金锭在500～510℃保温1h后轧制成Ф9.5mm的铝合金杆；
(5)拉丝：以14m/s的速度、20～25％的变形量，拉丝得直径为3.05～3.60mm的铝单丝；
(6)退火处理：将步骤(5)制得的铝单丝进行退火处理，制得软铝单丝线。
3.按照权利要求2所述的架空导线用软铝单丝的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，还包括使用搅拌机对铝液进行搅拌的步骤。
4.按照权利要求2所述的架空导线用软铝单丝的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，加入覆盖剂后静置。
5.按照权利要求4所述的架空导线用软铝单丝的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，按重量计，覆盖剂的加入量为炉料总量的0.02％～0.04％。
6.按照权利要求2所述的架空导线用软铝单丝的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，为减少Fe的带入，模具采用紫铜材质。
7.按照权利要求2所述的架空导线用软铝单丝的制备方法，其特征在于：步骤(6)中，铝单丝的退火处理工艺为：退火温度：350～400℃，退火时间：2～4h。
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