CN104538116B - 一种高强度、高导电率铝合金导线的生产方法 - Google Patents
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Abstract
一种高强度、高导电率铝合金导线的生产方法，由以下步骤组成：制备铝液、配制Mg质量百分比含量为1.2‑1.8%和Si质量百分比含量为1.0‑1.5%的铝合金液、炉外双级除气和双级过滤、超声连铸连轧、退火、拉拔和时效处理。本发明通过提高Mg、Si元素的含量，并利用炉外双级除气和双级过滤提高铝合金液的纯净度，使生产的铝合金导线同时具有高强度和高导电率，且采用超声连铸连轧，解决了铝合金圆杆容易断裂的问题，使企业能够连续、稳定地生产高强度、高导电率的铝合金导线，铝合金导线的抗拉强度为330‑365MPa，导电率为56‑58%IACS，满足长距离、大跨越架空输电线路建设对全铝合金绞线的需要，降低输电线路的电能损耗。
Description
技术领域
本发明属于铝合金导线制造领域，具体是涉及一种高强度、高导电率铝合金导线的生产方法。
背景技术
我国现有长距离、大跨越架空输电线路的电缆主要是由纯铝导线加工而成的钢芯铝绞线，这种钢芯铝绞线的电能损耗较大。为了降低输电线路的电能损耗，迫切需要开发高强度、高导电率的铝合金导线来制造全铝合金绞线，代替传统的钢芯铝绞线。但高强度、高导电率铝合金导线的生产难度较大，原因是铝合金导线的强度和导电率很难同时达到较高值。
对文献资料检索发现，为了提高铝合金导线的强度，现有技术通常添加大量的Fe、Cu、Zn、Zr、Sc、Cr、Ti、Mn等元素来增强铝合金导线的强度。但是，添加大量的这些合金元素会使铝合金导线的导电率大幅下降，导电率很难达到较高值。
现有技术生产铝合金导线都是采用炉内熔剂精炼、炉外单级除气或者单级过滤的方法来净化铝合金液。为了提高铝合金导线的导电率，现有技术通常添加B元素以及La、Ce、Y等稀土元素来进一步净化铝合金液，达到除气、除杂的目的。添加少量的这些元素对铝合金液的净化效果非常有限，而添加大量的这些元素不仅会增加铝合金导线的生产成本，还会使铝合金导线的导电率出现下降。
Al-Mg-Si合金是一种可热处理强化变形铝合金，Mg、Si元素含量越高，时效处理后Mg2Si强化相越多，铝合金的强度也越高。但是随着Mg、Si元素含量的升高，连铸连轧铝合金圆杆容易发生断裂，会严重影响生产的连续性和稳定性受。企业目前生产的铝合金导线的Mg、Si元素含量通常都低于0.9%，导线的抗拉强度低于300MPa，导电率低于55%IACS，难以满足长距离、大跨越架空输电线路对全铝合金绞线的要求。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种高强度、高导电率铝合金导线的生产方法, 使企业能够连续、稳定地生产铝合金导线，铝合金导线的抗拉强度为330-365MPa，导电率为56-58%IACS。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明所述的高强度、高导电率铝合金导线的生产方法，其特点是包括如下步骤：
第一步：制备铝液：选用Al质量百分比含量为99.8%的铝锭加入到熔铝炉内熔化成铝液，控制铝液温度在760-780℃，通过流槽将铝液转移到保温炉内；
第二步：配制铝合金液：选用Mg质量百分比含量为99.9%的镁锭和Si质量百分比含量为99.9%的结晶硅加入到保温炉内搅拌熔化，配制成Mg质量百分比含量为1.2-1.8%、Si质量百分比含量为1.0-1.5%的铝合金液；
第三步：炉外双级除气和双级过滤：控制铝合金液温度在740-760℃，将保温炉内的铝合金液流入流槽，依次流过设置在流槽上的旋转石墨转子和泡沫陶瓷过滤板，进行一级除气和一级过滤，石墨转子的旋转速度为200-300转/分钟，氩气的压力为300KPa，泡沫陶瓷过滤板的孔隙度为50-60ppi；铝合金液再依次流过旋转喷吹除气箱和管式过滤箱，进行二级除气和二级过滤，旋转喷吹除气箱内的石墨转子的旋转速度为400-500转/分钟，氩气的压力为400KPa，管式过滤箱内的陶瓷过滤管的孔隙度为120-140ppi；
第四步：超声连铸连轧：经过二级除气和二级过滤的铝合金液的温度控制在680-700℃后，通过导流槽将铝合金液注入设有超声波振动杆的连铸机结晶轮的轮槽内，在超声波作用下将铝合金液连续铸造成连铸坯，连铸坯经过矫直后进入连轧机轧制成直径为9.5毫米的铝合金圆杆，超声波振动杆的直径为10毫米，超声波振动杆的材料为钛合金，超声波输出频率为30kHz，输出功率为400-500瓦，连轧机的终轧速度为7-8米/秒；
第五步：退火：将铝合金圆杆放入退火炉进行退火处理，退火温度为530-540℃，退火时间为2-3小时；
第六步：拉拔：将退火后的铝合金圆杆放入连续拉拔机上拔成直径为1-5毫米的铝合金导线，拉拔速度为16-18米/秒；
第七步：时效处理：将铝合金导线放入时效炉内进行时效强化处理，时效温度为180-190℃，时效时间为10-12小时，得到高强度高导电率的铝合金导线。
上述铝合金导线的合金成分和质量百分比含量为：Mg：1.2-1.8%，Si：1.0-1.5%，Fe：0.1-0.2％，Zn：0.04-0.07％，Cu：0.03-0.05％，Mn：0.01-0.03％，其余为Al和不可避免的其它杂质元素，所述不可避免的其它杂质元素中每种元素的含量均≤0.01％，不可避免的其它杂质元素的总量≤0.05％。
上述超声波振动杆是倾斜地设置在连铸机的铝合金液注入口处，超声波振动杆的下端位于连铸机结晶轮的轮槽中心位置，其上端与超声波换能器固定连接，超声波换能器通过电缆与超声波发生器连接。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
（1）本发明提高了铝合金导线的Mg、Si元素含量，大幅度增强了铝合金导线的强度，避免添加Fe、Cu、Zn、Zr、Sc、Cr、Ti、Mn等元素而造成对铝合金导线导电率的影响，使铝合金导线同时获得高的强度和高的导电率；
（2）本发明采用炉外双级除气和双级过滤来大幅度提高铝合金液的纯净度，进一步提高铝合金导线的导电率。其中流槽旋转石墨转子喷吹一级除气后可使铝合金液的含气量降低至0.14毫升/100克铝，旋转喷吹除气箱二级除气后可使铝合金液的含气量降低至0.11毫升/100克铝，流槽泡沫陶瓷过滤板一级过滤后可去除铝合金液中15微米以上的非金属夹杂物，陶瓷管管式过滤箱二级过滤后可以去除铝合金液中1微米以上的非金属夹杂物；
（3）本发明采用超声连铸连轧生产铝合金圆杆，通过在连铸机铝合金液注入口处安装超声波振动杆，将超声波引入到连铸机结晶轮的轮槽内而作用于铝合金液，利用超声波的振动作用和声空化效应，可以大幅度细化铝合金连铸坯的晶粒，提高铝合金连铸坯的塑性及组织致密度，防止连铸连轧铝合金圆杆发生断裂；
（4）采用本发明可使企业连续、稳定地生产高强度、高导电率的铝合金导线，铝合金导线的抗拉强度为330-365MPa，导电率为56-58%IACS，满足长距离、大跨越架空输电线路建设对全铝合金绞线的需要，降低输电线路的电能损耗。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1为本发明的生产工艺流程图。
具体实施方式
实施例1：
采用本发明生产直径为5毫米的铝合金导线。主要生产设备为15吨天然气熔铝炉、15吨倾动式保温炉、四轮轮带式连铸机、15机架Y型连轧机。连铸机结晶轮直径为1.5米，连铸机结晶轮的轮槽横截面面积为2400平方毫米，连铸机的铝合金液注入口处倾斜地布置有超声波振动杆，该超声波振动杆的下端位于连铸机结晶轮的轮槽中心位置，其上端与超声波换能器固定连接，超声波换能器通过电缆与超声波发生器连接，且超声波换能器连同超声波振动杆一起固定在立于地面的脚架上，超声波振动杆的直径为10毫米，超声波振动杆的材料为TC4钛合金。生产工艺流程如图1所示，其生产方法如下：
第一步：制备铝液：称量10吨、Al质量百分比含量为99.8%的铝锭加入到熔铝炉内熔化成铝液，控制纯铝液温度在760℃，通过流槽将铝液转移到保温炉内；
第二步：配制铝合金液：称量122.7公斤、Mg质量百分比含量为99.9%的镁锭和102.2公斤、Si质量百分比含量为99.9%的结晶硅加入到保温炉内搅拌熔化，配制成Mg质量百分比含量为1.2%、Si质量百分比含量为1.0%的铝合金液；
第三步：炉外双级除气和双级过滤：控制铝合金液温度在740℃，将保温炉内的铝合金液流入流槽，依次流过设置在流槽上的旋转石墨转子和泡沫陶瓷过滤板，进行一级除气和一级过滤，石墨转子的旋转速度为200转/分钟，氩气的压力为300KPa，泡沫陶瓷过滤板的孔隙度为50ppi；铝合金液再依次流过旋转喷吹除气箱和管式过滤箱，进行二级除气和二级过滤，旋转喷吹除气箱内的石墨转子的旋转速度为400转/分钟，氩气的压力为400KPa，管式过滤箱内的陶瓷过滤管的孔隙度为120ppi；
第四步：超声连铸连轧：经过二级除气和二级过滤的铝合金液的温度控制在680℃后，通过导流槽将铝合金液注入设有超声波振动杆的连铸机结晶轮的轮槽内，在超声波作用下将铝合金液连续铸造成连铸坯，连铸坯经过矫直后进入连轧机轧制成直径为9.5毫米的铝合金圆杆，超声波振动杆的直径为10毫米，超声波振动杆的材料为钛合金，超声波输出频率为30kHz，输出功率为400瓦，连轧机的终轧速度为8米/秒；
第五步：退火：将铝合金圆杆放入退火炉进行退火处理，退火温度为530℃，退火时间为2小时；
第六步：拉拔：将退火后的铝合金圆杆放入连续拉拔机上拔成直径为5毫米的铝合金导线，拉拔速度为18米/秒；
第七步：时效处理：将铝合金导线放入时效炉内进行时效强化处理，时效温度为180℃，时效时间为10小时，得到高强度高导电率铝合金导线。
经分析检测，本实施例中铝合金导线的成分按质量百分比计算为：1.2%的Mg，1.0%的Si，0.2%的Fe，0.07%的Zn，0.05%的Cu，0.03%的Mn，其余为Al和不可避免的其它杂质元素，所述不可避免的其它杂质元素中每种元素的含量均≤0.01％，不可避免的其它杂质元素的总量≤0.05％。铝合金导线的抗拉强度为330MPa，导电率为56%IACS。
实施例2：
采用本发明生产直径为2.5毫米的铝合金导线。主要生产设备为15吨天然气熔铝炉、15吨倾动式保温炉、四轮轮带式连铸机、15机架Y型连轧机。连铸机结晶轮直径为1.5米，连铸机结晶轮的轮槽横截面面积为2400平方毫米，连铸机的铝合金液注入口处倾斜地布置有超声波振动杆，该超声波振动杆的下端位于连铸机结晶轮的轮槽中心位置，其上端与超声波换能器固定连接，超声波换能器通过电缆与超声波发生器连接，且超声波换能器连同超声波振动杆一起固定在立于地面的脚架上，超声波振动杆的直径为10毫米，超声波振动杆的材料为TC4钛合金。生产工艺流程如图1所示，其生产方法如下：
第一步：制备铝液：称量10吨、Al质量百分比含量为99.8%的铝锭加入到熔铝炉内熔化成铝液，控制铝液温度在770℃，通过流槽将铝液转移到保温炉内；
第二步：配制铝合金液：称量153.6公斤、Mg质量百分比含量为99.9%的镁锭和133.2公斤、Si质量百分比含量为99.9%的结晶硅加入到保温炉内搅拌熔化，配制成Mg质量百分比含量为1.5%、Si质量百分比含量为1.3%的铝合金液；
第三步：炉外双级除气和双级过滤：控制铝合金液温度在750℃，将保温炉内的铝合金液流入流槽，依次流过设置在流槽上的旋转石墨转子和泡沫陶瓷过滤板，进行一级除气和一级过滤，石墨转子的旋转速度为250转/分钟，氩气的压力为300KPa，泡沫陶瓷过滤板的孔隙度为60ppi；铝合金液再依次流过旋转喷吹除气箱和管式过滤箱，进行二级除气和二级过滤，旋转喷吹除气箱内的石墨转子的旋转速度为450转/分钟，氩气的压力为400KPa，管式过滤箱内的陶瓷过滤管的孔隙度为140ppi；
第四步：超声连铸连轧：经过二级除气和二级过滤的铝合金液的温度控制在690℃后，通过导流槽将铝合金液注入设有超声波振动杆的连铸机结晶轮的轮槽内，在超声波作用下将铝合金液连续铸造成连铸坯，连铸坯经过矫直后进入连轧机轧制成直径为9.5毫米的铝合金圆杆，超声波振动杆的直径为10毫米，超声波振动杆的材料为钛合金，超声波输出频率为30kHz，输出功率为450瓦，连轧机的终轧速度为7.5米/秒；
第五步：退火：将铝合金圆杆放入退火炉进行退火处理，退火温度为535℃，退火时间为2.5小时；
第六步：拉拔：将退火后的铝合金圆杆放入连续拉拔机上拔成直径为2.5毫米的铝合金导线，拉拔速度为17米/秒；
第七步：时效处理：将铝合金导线放入时效炉内进行时效强化处理，时效温度为185℃，时效时间为11小时，得到高强度高导电率铝合金导线。
经分析检测，本实施例中铝合金导线的成分按质量百分比计算为：1.5%的Mg，1.3%的Si，0.15%的Fe，0.05%的Zn，0.03%的Cu，0.01%的Mn，其余为Al和不可避免的其它杂质元素，所述不可避免的其它杂质元素中每种元素的含量均≤0.01％，不可避免的其它杂质元素的总量≤0.05％。铝合金导线的抗拉强度为345MPa，导电率为57%IACS。
实施例3：
采用本发明生产直径为1毫米的铝合金导线。主要生产设备为15吨天然气熔铝炉、15吨倾动式保温炉、四轮轮带式连铸机、15机架Y型连轧机。连铸机结晶轮直径为1.5米，连铸机结晶轮的轮槽横截面面积为2400平方毫米，连铸机的铝合金液注入口处倾斜地布置有超声波振动杆，该超声波振动杆的下端位于连铸机结晶轮的轮槽中心位置，其上端与超声波换能器固定连接，超声波换能器通过电缆与超声波发生器连接，且超声波换能器连同超声波振动杆一起固定在立于地面的脚架上，超声波振动杆的直径为10毫米，超声波振动杆的材料为TC4钛合金。生产工艺流程如图1所示，其生产方法如下：
第一步：制备铝液：称量10吨、Al质量百分比含量为99.8%的铝锭加入到熔铝炉内熔化成铝液，控制铝液温度在780℃，通过流槽将铝液转移到保温炉内；
第二步：配制铝合金液：称量154.1公斤、Mg质量百分比含量为99.9%的镁锭和128.4公斤、Si质量百分比含量为99.9%的结晶硅加入到保温炉内搅拌熔化，配制成Mg质量百分比含量为1.8%、Si质量百分比含量为1.5%的铝合金液；
第三步：炉外双级除气和双级过滤：控制铝合金液温度在760℃，将保温炉内的铝合金液流入流槽，依次流过设置在流槽上的旋转石墨转子和泡沫陶瓷过滤板，进行一级除气和一级过滤，石墨转子的旋转速度为300转/分钟，氩气的压力为300KPa，泡沫陶瓷过滤板的孔隙度为60ppi；铝合金液再依次流过旋转喷吹除气箱和管式过滤箱，进行二级除气和二级过滤，旋转喷吹除气箱内的石墨转子的旋转速度为500转/分钟，氩气的压力为400KPa，管式过滤箱内的陶瓷过滤管的孔隙度为140ppi；
第四步：超声连铸连轧：经过二级除气和二级过滤的铝合金液的温度控制在700℃后，通过导流槽将铝合金液注入设有超声波振动杆的连铸机结晶轮的轮槽内，在超声波作用下将铝合金液连续铸造成连铸坯，连铸坯经过矫直后进入连轧机轧制成直径为9.5毫米的铝合金圆杆，超声波振动杆的直径为10毫米，超声波振动杆的材料为钛合金，超声波输出频率为30kHz，输出功率为500瓦，连轧机的终轧速度为7米/秒；
第五步：退火：将铝合金圆杆放入退火炉进行退火处理，退火温度为540℃，退火时间为3小时；
第六步：拉拔：将退火后的铝合金圆杆放入连续拉拔机上拔成直径为1毫米的铝合金导线，拉拔速度为16米/秒；
第七步：时效处理：将铝合金导线放入时效炉内进行时效强化处理，时效温度为190℃，时效时间为12小时，得到高强度高导电率铝合金导线。
经分析检测，本实施例中铝合金导线的成分按质量百分比计算为：1.8%的Mg，1.5%的Si，0.1%的Fe，0.04%的Zn，0.04%的Cu，0.01%的Mn，其余为Al和不可避免的其它杂质元素，所述不可避免的其它杂质元素中每种元素的含量均≤0.01％，不可避免的其它杂质元素的总量≤0.05％。铝合金导线的抗拉强度为365MPa，导电率为58%IACS。
本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。
Claims (1)
1.一种高强度、高导电率铝合金导线的生产方法，其特征在于：
该铝合金导线的合金成分和质量百分比含量为：Mg：1.2-1.8%，Si：1.0-1.5%，Fe：0.1-0.2％，Zn：0.04-0.07％，Cu：0.03-0.05％，Mn：0.01-0.03％，其余为Al和不可避免的其它杂质元素，不可避免的其它杂质元素中每种元素的含量均≤0.01％，不可避免的其它杂质元素的总量≤0.05％；
该铝合金导线的生产方法由以下步骤组成：
第一步：制备铝液：选用Al质量百分比含量为99.8%的铝锭加入到熔铝炉内熔化成铝液，控制铝液温度在760-780℃，通过流槽将铝液转移到保温炉内；
第二步：配制铝合金液：选用Mg质量百分比含量为99.9%的镁锭和Si质量百分比含量为99.9%的结晶硅加入到保温炉内搅拌熔化，配制成Mg质量百分比含量为1.2-1.8%、Si质量百分比含量为1.0-1.5%的铝合金液；
第三步：炉外双级除气和双级过滤：控制铝合金液温度在740-760℃，将保温炉内的铝合金液流入流槽，依次流过设置在流槽上的旋转石墨转子和泡沫陶瓷过滤板，进行一级除气和一级过滤，石墨转子的旋转速度为200-300转/分钟，氩气的压力为300KPa，泡沫陶瓷过滤板的孔隙度为50-60ppi；铝合金液再依次流过旋转喷吹除气箱和管式过滤箱，进行二级除气和二级过滤，旋转喷吹除气箱内的石墨转子的旋转速度为400-500转/分钟，氩气的压力为400KPa，管式过滤箱内的陶瓷过滤管的孔隙度为120-140ppi；
第四步：超声连铸连轧：经过二级除气和二级过滤的铝合金液的温度控制在680-700℃，通过导流槽将铝合金液注入设有超声波振动杆的连铸机结晶轮的轮槽内，在超声波作用下将铝合金液连续铸造成连铸坯，连铸坯经过矫直后进入连轧机轧制成直径为9.5毫米的铝合金圆杆，超声波振动杆的直径为10毫米，超声波振动杆的材料为钛合金，超声波输出频率为30kHz，输出功率为400-500瓦，连轧机的终轧速度为7-8米/秒；
第五步：退火：将铝合金圆杆放入退火炉进行退火处理，退火温度为530-540℃，退火时间为2-3小时；
第六步：拉拔：将退火后的铝合金圆杆放入连续拉拔机上拔成直径为1-5毫米的铝合金导线，拉拔速度为16-18米/秒；
第七步：时效处理：将铝合金导线放入时效炉内进行时效强化处理，时效温度为180-190℃，时效时间为10-12小时，得到高强度高导电率的铝合金导线。
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