CN110669951B - 一种架空输电导线用高伸长率硬铝线及其制备方法 - Google Patents

一种架空输电导线用高伸长率硬铝线及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种架空输电导线用高伸长率硬铝线及其制备方法。该硬铝线是在铝液中添加合金化元素依次经搅拌、精炼、成分调整、去气除渣、静置、过滤后得到液态铝合金熔体直接铸造挤压的铝线；或将液态铝合金熔体经连铸连轧形成圆形铝合金杆后拉制成铝合金线，并经过热处理工艺制成的铝线；或将过滤后液态铝合金熔体经连铸连轧形成铝合金杆后经过挤压制成的铝线，其主要化学成分：Si:0.10～0.30％,Fe:0.10～0.40％,Mg:0.15～0.30％，Cu≤0.10,Zn≤0.10,其余总量为铝。本发明中制备的高伸长率硬铝线抗拉强度和电阻率均能满足硬铝线要求，在250mm标距断裂伸长率≥3.0％，由其生产的钢芯铝绞线总拉断力可增加30％左右，可增大导线档距，减少架线用铁塔和输电走廊占地约30％。

Description

一种架空输电导线用高伸长率硬铝线及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种架空输电导线用高伸长率硬铝线及其制备方法，属于架空输电用新材料技术领域。
背景技术
架空输电导线由导电材料和支撑材料组成，导电材料包括铝及铝合金，支撑材料包括镀锌钢线、铝包钢线、碳纤维或其他复合材料芯棒等。其中，铝线按导电率分类：61％IACS、61.5％IACS、62％IACS、62.5％IACS、63％IACS；按状态分软铝线、半硬铝线和硬铝线，其中：软铝线伸长率≥10％，强度60～90MPa，导电率为63％IACS(即电阻率为27.366nΩ.m)；半硬铝线伸长率≥3％，90～130MPa，导电率为62％IACS(即电阻率为27.808nΩ.m)；硬铝线伸长率1.2～1.8％，160～210MPa，导电率为61％IACS(即电阻率为28.264nΩ.m)。
目前，使用最为广泛架空输电导线为钢芯铝绞线，钢芯铝绞线采用普通硬铝线同心绞合在钢芯上，其导体材料为硬铝线，主要性能指标为抗拉强度≥160MPa，20℃时导体电阻率≤0.028264Ω·mm2/m。但现有硬铝线为了满足抗拉强度，其250mm标距断裂伸长率≤2.0％，一般为1.2～1.8％，由于其伸长率较低，导致钢芯铝绞线中钢线部分抗拉强度大的优势仅仅使用70～75％，没有充分发挥其抗拉强度100％优势，导线总拉断力降低。而现有伸长率较大的软铝线其抗拉强度为60～90MPa，在施工过程中，由于软铝线强度较低，导线表面易损伤或损坏，给导线施工带来很大的难度。
授权公告号CN 102682872B公开的一种半硬铝线，其伸长率较大，但是其抗拉强度只有70～110MPa，无法达到硬铝线的抗拉强度≥160MPa的标准，只能算是半硬铝线，无法应用到对抗拉强度要求比较高的野外架空导线中。授权公告号CN 103854807B公开了一种高导电率硬铝导线，其制成铝杆时抗张强度控制在90～140MPa，其伸长率达到了8％，最终铝线产品性能指标中没有提到伸长率，在实际生产中，该类产品的抗拉强度可以达到160MPa的标准，但其伸长率仅仅为1.2～1.6％，该硬铝线主要目的是提高硬铝线的导电率，其伸出率与普通的硬铝线一样，使用该导线，可以降低输电时线路损耗，但没有充分发挥钢绞线芯的抗拉强度大优势。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种架空输电导线用高伸长率硬铝线的制造方法，本申请中的方法生产出的硬铝线的伸长率可以与钢芯铝绞线用钢芯断裂伸长率相匹配，充分钢线部分抗拉强度大优点，且电阻率抗压强度均能满足硬铝线的要求，能够替代普通硬铝线作为野外架空输电导线，并可以减少架线用铁塔和输电走廊占地，降低工程造价。
为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种架空输电导线用高伸长率硬铝线，其特征在于：所述硬铝线是将杂质含量不大于0.3％的铝锭融化成铝液后添加合金化元素或在杂质含量不大于0.3％电解铝液添加合金元素，然后依次经搅拌、精炼、成分调整、去气除渣、静置、过滤后得到液态铝合金熔体直接铸造挤压成直径Φ2.00～5.50mm的铝线；
或将静置后液态铝合金熔体经连铸连轧形成圆形铝合金杆后拉制成铝合金圆线或非圆线，并经过热处理工艺制成直径Φ2.00～5.50mm的铝线；
或将静置后液态铝合金熔体经连铸连轧形成圆形铝合金杆后经过挤压制成直径Φ2.00～5.50mm的铝线；
上述铝线在20℃时电阻率≤0.028264Ω·mm2/m,250mm标距断裂伸长率≥3.0％，抗拉强度≥160MP，其主要化学成分重量百分比为：Si:0.10～0.30％,Fe:0.10～0.40％,Mg:0.15～0.30％，Cu≤0.10,Zn≤0.10,其余总量为铝。
本发明较优的技术方案：所述液态铝合金熔体直接挤压成的铝线或圆形铝合金杆经过挤压制成铝线的过程中，其模腔温度为450℃～480℃，挤出速度130～160m/min。
本发明较优的技术方案：当圆形铝合金杆拉制成铝合金圆线经过热处理工艺制成铝线时，其热处理的过程是将铝线放入时效炉内在温度170～220℃的条件下热处理6～12小时。
本发明提供的一种架空输电导线用高伸长率硬铝线的制备方法，其特征在于：
(1)将铝锭在熔铝炉中熔化成铝液或直接将电解铝液倒入800～950℃的保温炉内，依次添加单质硅锭或铝硅合金锭、单质铁剂或铝铁合金锭和纯镁后，进行精炼、除气滤渣、静置、过滤处理后得到液态铝合金熔体；其中混合铝液中主要化学成分重量百分比为：Si:0.10～0.30％,Fe:0.10～0.40％,Mg:0.15～0.30％，Cu≤0.10,Zn≤0.10,其余总量为铝；
(2)将步骤(1)中的液态铝合金熔体通过铝杆连铸连轧机制成直径为Φ8.0～15mm的铝杆，或将步骤(1)中的液态铝合金熔体直接在温度450℃～480℃、挤出率130～160m/min的条件下挤压成型得到直径为Φ2.00～5.50mm，20℃时电阻率≤0.028264Ω·mm2/m,250mm标距断裂伸长率≥3.0％，抗拉强度≥160MPa的高伸长率硬铝线；
(3)将步骤(2)中的连铸连轧制备的铝杆通过拉丝机拉制功轧制成直径为Φ2.50～5.50mm的铝线，将铝线放入时效炉内在温度170～220℃的条件下热处理6～12小时得到直径为Φ2.00～5.50mm，20℃时电阻率≤0.028264Ω·mm2/m,250mm标距断裂伸长率≥3.0％，抗拉强度≥160MPa的高伸长率硬铝线；
或将步骤(2)中的铝杆通过在温度450℃～480℃、挤出速度130～160m/min的条件下挤压成型制得直径为Φ2.00～5.50mm，20℃时电阻率≤0.028264Ω·mm2/m,250mm标距断裂伸长率≥3.0％，抗拉强度≥160MPa的高伸长率硬铝线。
本发明较优的技术方案：所述步骤(2)和步骤(3)中的挤压过程均采用铝康仿机(Conform机组)。
本发明进一步的技术方案：所述制备的高伸长率硬铝线为圆线或T型或S型或Z型或人字形铝线。
本发明进一步的技术方案：所述铝锭的杂质含量不大于0.3％。
本发明进一步的技术方案：所述步骤(2)中铝杆铸造温度控制在680～720℃，入轧温度470～550℃，收杆温度保持80～330℃；制备的铝杆抗张强度控制在82～135MPa，20℃时导体电阻率≤0.02880，200mm标距断裂伸长率≥6％。
本发明进一步的技术方案：所述步骤(3)中铝杆通过拉丝机拉制功轧制成的铝线，抗拉强度≥160MPa，20℃时电阻率≤0.02910Ω·mm2/m,250mm标距断裂伸长率≥1.8％。
本发明的合金元素采用了Si、Fe、Mg，其中Fe起到铝合金固溶强化作用，增加铝合金抗拉强度，细化晶粒作用，避免产品开裂，加工过程中当含量≥0.6％时，生成不溶解的AlMnFeSi相，降低产品强度、塑性和耐腐蚀性；Si和Mg形成Mg2Si强化相，进一步提高铝合金抗拉强度，改善铝合金机械性能，提高塑性和加工性能，一般添加量为Mg：Si≤1.73：1，性能最佳，少量Cu、Zn对合金强度影响不大，Cu含量≥0.1％，降低铝合金耐腐蚀性。
本发明中的Si和Mg形成Mg2Si，其强化相只有经过热处理后强度才能达到最大，另外热处理可提高铝合金塑性，提高伸长率，降低电阻率。而温度太低，金属原子扩散速度太慢，由于金属加拉制等硬化晶格再结晶效果不明显，温度太高，铝合金组织中低熔点合金溶化，引起过烧，造成晶粒粗大，产生裂纹等缺陷，恶化机械性能和腐蚀性能。热处理的时间长度决定铝合金中固熔体和强化相扩散充分，时间太长降低铝合金机械性能，同时增加能消。
本发明采用了直接将液态铝合金熔体经过挤压制成铝线的工艺，该工艺减少了铝连铸连轧工序，降低生产成本，直接将液态铝合金熔体经过挤压制成铝线，避免铸造过程中结晶不良、成分偏析等缺陷，提高铝线导电率和机械性能均匀性。
本发明中采用将铝杆经过挤压制成铝线的工艺中，其铝杆挤压成铝线，重新改变铝杆中合成分不均匀性、结晶不良、气孔等缺陷，在稍微降低强度情况下提高铝线导电率和机械性能均匀性。
本发明中制备的高伸长率硬铝线，在250mm标距断裂伸长率≥3.0％，与钢芯铝绞线用钢芯断裂伸长率相匹配，可充分钢线部分抗拉强度大优点，由其生产的钢芯铝绞线总拉断力可增加30％左右，可增大导线档距，减少架线用铁塔和输电走廊占地约30％，缩短施工周期，降低工程总造价等优势。
附图说明
图1是实施例一的工艺流程图；
图2是实施例二的工艺流程图；
图3是实施例三的工艺流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本发明进一步说明。
实施一提供的一种架空输电导线用高伸长率硬铝线的制备方法，其工艺流程如图1所示，具体步骤如下：
(1)将铝锭在熔铝炉中熔化成铝液或直接将电解铝液倒入800～950℃的保温炉内，依次添加单质硅锭或铝硅合金锭、单质铁剂或铝铁合金锭和纯镁，然后依次经搅拌、精炼、成分调整、去气除渣、静置、过滤后得到液态铝合金熔体经连铸连轧机组后制成Φ9.5～15mm铝杆，铝杆铸造温度控制在680～720℃，入轧温度470～550℃，收杆温度保持80～330℃；其中铝锭或电解铝液成分如表1，浇铸前保温炉内液态铝合金熔体成分如表2，连铸连轧制成不同直径的铝杆性能表如表3所示；
表1为实施例一中铝锭或电解铝液成分(重量百分比)
Figure BDA0002256207250000051
表2为实施例一中浇铸前保温炉液态铝合金熔体内成分(重量百分比)
Figure BDA0002256207250000052
表3高伸长率硬铝线用铝杆性能
Figure BDA0002256207250000053
通过表3可以看出，铝液经过连铸连轧制成的铝杆其抗拉强度在120MPa左右，其伸长率大于等于6％；
(2)将步骤(1)中制备的直径Φ9.5和直径Φ12铝杆据单线要求规格直径和形状，拉制高伸长率硬铝线为圆线或非圆线，拉丝机可选用滑动式拉丝机或非滑动式拉丝机，拉制生产T型非圆线，截面12.5mm2(等效直径Φ3.99mm)，放置室温24小时后测试其各个性能，测试结果如表4所示，
表4不同直径铝杆拉制成铝线后的测试性能参数
Figure BDA0002256207250000054
(3)将步骤(2)表4中制备的三种直径为Φ3.99铝线放入时效炉内，在不同温度和不同时间的条件下进行热处理，并放置室温24小时后进行性能，其测试结果如表5。
表5中不同直径铝杆拉制成铝线进行热处理后的性能参数
Figure BDA0002256207250000061
通过表4和表5的对比可以看出，铝杆拉制成铝线后其抗拉强度超过了180MPa，但是伸长率均降低到2.3％以下，而经过热处理后，其单线抗拉强度MPa仍然大于160MPa，伸长率达到4％左右，其抗拉强度符合硬铝线的标准，而伸长率远远大于未进行热处理的硬铝线，与钢芯铝绞线用钢芯断裂伸长率相匹配，可充分钢线部分抗拉强度大优点。
本申请针对实施例一中的热处理参数设定进行了以下对比试验：
对比试验1：将实施例一中制备的单线等效直径3.99mm的铝线，分别在温度190℃和温度210℃条件进行热处理，其热处理的时间分别为5.5h、7.5h、9h、12.5h、14h，并将处理后的铝线分别进行检测，其性能参数如表6所示：
表6为不同热处理时间条件下处理后的铝线性能参数
Figure BDA0002256207250000062
Figure BDA0002256207250000071
通过表6中性能参数可以看出，同样的温度条件下，其热轧时间太长或太短均为影响其断裂伸长率，其热轧时间在六小时以下时，其断裂伸长率为3％以下，当时间超过十二小时后，断裂伸长率也会下降到3％以下。通过上述对比试验可以看出，其热处理时间长短决定铝合金中固熔体和强化相扩散充分，时间太长降低铝合金机械性能，同时增加能耗。
对比试验2：将实施例一中制备的单线等效直径3.99mm的铝线，分别在保温时间7.5h和9h条件进行热处理，其热处理的温度分别为160℃、170℃、190℃、220℃、230℃，并将处理后的铝线分别进行检测，其性能参数如表7所示：
表7为不同热处理温度条件下处理后的铝线性能参数
Figure BDA0002256207250000072
由于热轧温度太低其电阻率太高达不到技术要求，所以一般不会采用低温处理，通过表6中性能参数可以看出，在温度达到170℃时，各项性能参数均能达到标准，而同样的时间条件下，其热轧温度太高便会影响单线抗拉强度，当温度超过220℃时，其单线抗拉强度便会降低到160MPa以下。
实施例二提供的一种架空输电导线用高伸长率硬铝线的制备方法，其工艺流程如图2所示，具体步骤如下：
(1)将铝锭在熔铝炉中熔化成铝液或直接将电解铝液倒入800～950℃的保温炉内，依次添加单质硅锭或铝硅合金锭、单质铁剂或铝铁合金锭和纯镁，然后依次经搅拌、精炼、成分调整、去气除渣、静置、过滤后得到液态铝合金熔体经连铸连轧机组后制成Φ9.5～15mm铝杆；其中保温炉内温度控制在720～780℃，铸造温度控制在680～720℃，入轧温度470～550℃，收杆温度保持80～330℃。其中铝锭或电解铝液成分如表8，浇铸前保温炉内液态铝合金熔体成分如表9，连铸连轧制成不同直径的铝杆性能表如表10所示；
表8为实施例二中铝锭或电解铝液成分(重量百分比)
Figure BDA0002256207250000081
表9为实施例二中浇铸前保温炉内液态铝合金熔体成分(重量百分比)
Figure BDA0002256207250000082
表10高伸长率硬铝线用铝杆性能参数
Figure BDA0002256207250000083
(2)上述表8中直径为15mm的铝杆，在不同温度条件下一次性挤压出六根直径2.56mm和六根直径3.00mm的铝线，分别进行性能测试，其测试结果如图表11所示：
表11不同模腔温度条件下挤压出不同直径铝线的性能参数
Figure BDA0002256207250000084
Figure BDA0002256207250000091
通过表11的可以看出，铝杆直接挤压得到的铝线，其单线抗拉强度均大于175MPa，伸长率达到4％以上，其抗拉强度符合硬铝线的标准，而伸长率远远大于未进行热处理的硬铝线，与钢芯铝绞线用钢芯断裂伸长率相匹配，可充分钢线部分抗拉强度大优点。
实施例三提供的一种架空输电导线用高伸长率硬铝线的制备方法，其工艺流程如图3所示，具体步骤如下：
将铝锭在熔铝炉中熔化成铝液或直接将电解铝液倒入800～950℃的保温炉内，依次添加单质硅锭或铝硅合金锭、单质铁剂或铝铁合金锭和纯镁，然后依次经搅拌、精炼、成分调整、去气除渣、静置、过滤后得到液态铝合金熔体直接经过铸挤压机一次性同时挤出3-6根Φ4.22单线；其中铝锭或电解铝液成分如表12，浇铸前保温炉内液态铝合金熔体成分如表13，其挤压出的铝线经过检测其性能如表14所示；
表12实施例三中铝锭或电解铝液成分(重量百分比)
Figure BDA0002256207250000092
表13实施例三中浇铸前保温炉内液态铝合金熔体成分(重量百分比)
Figure BDA0002256207250000093
表14不同模腔温度条件下挤压出的铝线性能参数
Figure BDA0002256207250000094
通过表14的对比可以看出，铝液直接挤压得到的铝线，其单线抗拉强度均大于170MPa，伸长率达到3.5％以上，其抗拉强度符合硬铝线的标准，而伸长率远远大于未进行热处理的硬铝线，与钢芯铝绞线用钢芯断裂伸长率相匹配，可充分发挥钢线部分抗拉强度大优点。

Claims (5)

1.一种架空输电导线用高伸长率硬铝线，其特征在于：所述硬铝线是将杂质含量不大于0.3%的铝锭熔化成铝液后添加合金化元素或在杂质含量不大于0.3%电解铝液添加合金元素，然后依次经搅拌、精炼、成分调整、去气除渣、静置、过滤后得到液态铝合金熔体直接铸造挤压成直径Φ2.00～5.50mm的铝线；其铸造挤压的过程中模腔温度为450℃～480℃，挤出速度130～160m/min；
上述铝线在20℃时电阻率≤0.028264Ω·mm2/m,250mm标距断裂伸长率≥3.0%，抗拉强度≥160MPa，其主要化学成分重量百分比为：Si: 0.10～0.30%, Fe: 0.10～0.40%,Mg:0.15～0.30%，Cu≤0.10%,Zn≤0.10%,其余总量为铝，其中Mg：Si≤1.73：1。
2.一种架空输电导线用高伸长率硬铝线的制备方法，其特征在于：
（1）将铝锭在熔铝炉中熔化成铝液或直接将电解铝液倒入800～950℃的保温炉内，依次添加单质硅锭或铝硅合金锭、单质铁剂或铝铁合金锭和纯镁后，进行精炼、去气除渣、静置、过滤处理后得到液态铝合金熔体；其中混合铝液中主要化学成分重量百分比为：Si:0.10～0.30%, Fe: 0.10～0.40%,Mg:0.15～0.30%，Cu≤0.10%,Zn≤0.10%,其余总量为铝；
（2）步骤（1）中的液态铝合金熔体直接在温度450℃～480℃、挤出率130～160m/min的条件下挤压成型得到直径为Φ2.00～5.50mm，20℃时电阻率≤0.028264Ω·mm2/m,250mm标距断裂伸长率≥3.0%，抗拉强度≥160MPa的高伸长率硬铝线。
3.根据权利要求2所述的一种架空输电导线用高伸长率硬铝线的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中的挤压过程均采用Conform机组。
4.根据权利要求2所述的一种架空输电导线用高伸长率硬铝线的制备方法，其特征在于：所述制备的高伸长率硬铝线为圆线或T型或S型或Z型或人字型铝线。
5.根据权利要求2所述的一种架空输电导线用高伸长率硬铝线的制备方法，其特征在于：所述铝锭的杂质含量不大于0.3%。
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