CN110828023A - 一种风电塔筒扭转电缆用软铝合金线芯及其制备方法 - Google Patents

一种风电塔筒扭转电缆用软铝合金线芯及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于扭转电缆技术领域，具体涉及一种风电塔筒扭转电缆用铝合金线芯及其制备方法。所述铝合金线芯包括如下组分：石墨烯钠镁铝粉、Fe、Cu、Mg、Co、Be、Ca、Zn、Sr、Zr、Na、K、Ti、V、Cr、Mn、Ga、Ge、Nb、Ru、Si、B，余量为Al和不可避免的杂质；所述石墨烯钠镁铝粉为质量分数为5‑8％石墨烯、0.05‑0.1％钠、0.04‑0.1％镁和余量的铝进行混合得到。本发明还提高了所述铝合金线芯的制备方法。有益效果：所述铝合金线芯兼具高延展性、高导电性，能够满足常温条件下±1440°扭转20000次，‑40℃条件下±1440°扭转5000次的特殊要求。

Description

一种风电塔筒扭转电缆用软铝合金线芯及其制备方法
技术领域
本发明属于扭转电缆技术领域，具体涉及一种风电塔筒扭转电缆用软铝合金线芯及其制备方法。
背景技术
风能是一种清洁无公害的可再生能源，我国风能资源非常丰富，带动了我国风电市场快速发展。与风力发电相关的产业均得到了快速发展的机会，包括风力发电机，大型风力发电机用叶片，软电缆等。
到目前为止，风机用软电缆基本是铜导体、镀锡铜导体。然而，我国铜资源相对匮乏，并且铜为主要材料的铜电缆价格很高，达到5万/吨。国内外做普通铝(铝合金)导体的厂家非常多，但软铝合金导体还未大面积应用到风机扭转电缆。依据《新兴能源产业发展规划》中预计，2020到年，风电装机接近150GW的规划，电缆的使用长度不低于12万千米，按照400mm2电缆计算，风机市场需要超过405万吨软铝合金导体，其产值将超过120亿元。
由于扭转电缆在风机塔筒内部使用，空间狭隘、环境温度温差较大、自承载落差较大、载流高。然而，现有技术中的铝合金电缆，一般导电性差、载流量低，扭转性能较差，不能呈现多次扭转的性能，因此，很难满足风机塔筒内部使用。虽然，传统的软铜导体以及镀锡软铜导体的性能可以满足用户要求，但***格高、自重大。
发明内容
为了解决现有技术存在的软铜导体以及镀锡软铜导体价格高、自重大的缺陷，本发明在于提供一种风电塔筒扭转电缆用软铝合金线芯及其制备方法。本发明首次采用0.20mm～0.50mm半退火态软铝合金单线利用束线复绞技术，并结合石墨烯钠镁铝粉改良铝合金熔炼技术，保证软铝合金杆拉制后的单线具备高强度的同时，兼具高延展性、高导电性，以满足成品软铝合金线芯在工作时能够满足常温条件下±1440°扭转20000次，-40℃条件下±1440°扭转5000次的特殊要求。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种风电塔筒扭转电缆用软铝合金线芯，包括如下重量百分比的组分：石墨烯钠镁铝粉：0.04％、Fe：0.015％～2.0％、Cu：0.012％～0.2％、Mg：0.001％～0.4％、Co:0.012％～0.35％、Be:0.001％～0.16％、Ca：0.001％～0.25％、Zn：0.02％～0.15％、Sr：0.001％～0.1％、Zr：0.001％～0.25％、Na：0.01％～0.3％、K：0.003～0.35％、Ti：0.001％～0.18％、V:0.001％～0.12％、Cr:0.002％～0.15％、Mn:0.012％～0.15％、Ga:0.001％～0.25％、Ge:0.005～0.3％、Nb:0.003％～0.2％、Ru:0.001～0.1％、Si:0.2～0.5％、B:0.00～1.0％，余量为Al和不可避免的杂质；
所述石墨烯钠镁铝粉为质量分数为5-8％石墨烯、0.05-0.1％钠、0.04-0.1％镁和余量的铝进行混合得到。
优选地，所述软铝合金线芯的电阻率≤0.0250Ω·mm2/m。
本发明还提供一种所述的风电塔筒扭转电缆用软铝合金线芯的制备方法，包括如下步骤：
(1)将上述铝合金线芯的各组分按比例进行熔炼工艺，得到铝合金熔融液，再经搅拌、静置、精炼、除渣、静置、除气、过滤后，进行浇铸成型，采用15道次轧辊压制，得到软铝合金杆；
(2)将步骤(1)得到的铝合金杆采用13模连续滑动式拉丝机连续拉拔后，再进行7道拉拔，得到线径为0.20mm～0.50mm的软铝合金单线；
(3)再将步骤(2)得到的软铝合金单线进行束线复绞工艺，得到软铝合金线芯。
优选地，步骤(1)中所述的软铝合金杆的直径为9.5mm，电阻率≤0.0285Ω·mm2/m，伸长率≥15％，抗拉强度为100MPa～140MPa。
优选地，步骤(2)中所述软铝合金单线的电阻率≤0.025Ω·mm2/m，伸长率≥25％，抗拉强度为116MPa～125MPa。
步骤(2)中所述拉拔过程中的鼓轮的速比为6:1，此速比保证拉制的软铝合金单线的表面质量光滑，无毛刺，提高生产效率，减少断线的可能性。
优选地，步骤(3)中所述束线复绞工艺采用型号为JM-800高速束线机进行同向绞合，并不断对股线绞合时的节距进行调整，达到紧密、圆整的目的。
本发明的有益效果：
(1)本发明在铝中增加微量的硅、铁、铜、镁、锌、硼等元素并经过工艺处理后形成的软铝合金导体材料，铝合金导体大大改善了铝的弯曲、耐腐蚀、机械加工、耐热、机械强度等性能；另外，现有技术中的铝合金中一般Cu的含量较高，虽然可以提升铝合金抗拉强度，但是会导致软铝合金单丝***，电缆整体柔软性变差，而本发明加入少量的Cu，再配合其他微量元素铁、镁、锌、硼等元素，既可以在增加铝合金强度的同时，又保证其柔韧性不下降，且成本大大降低。
(2)本发明在铝合金中加入石墨烯钠镁铝粉，提升了软铝合金的导电性能，使其电阻率由0.028Ω·mm2/m降至至0.025Ω·mm2/m，导电性提高11.5％，且该指标设计时，以软铜导体的20℃直流电阻为基准，不断验证和试制，完全可以满足“铝代铜”的要求。
(3)软铝合金导体的密度为2.71g/dm3,约为铜的1/3，以20℃直流电阻相同前提条件下，软铝合金导体截面为软铜导体的1.5倍，单位长度重量约为软铜导体的50％，可以减小因高落差而产生的自重力，从而延长使用周期。相同长度条件下，软铝合金导体的价格为软铜导体的60％左右。重量的减轻，有效节约风机塔筒制造安装的成本，增加了铝合金电缆的应用前景。
附图说明
图1为实施例1得到的软铝合金芯线模拟距离上端面40mm处铝合金芯线横截面在±1440°扭转20000次的应力分布图；
图2为单股软铝合金芯线导体横截面的示意图；
图3为实施例1所得软铝合金芯线模拟电缆建模在±1440°扭转10000～18000次的应力分布图；
图4为±1440°扭转20000次后的单股的芯丝、内层丝和外层丝的应力分布图；
图中，1-芯丝；2-内层丝；3-外层丝；4-直股；5-螺旋股。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明，但不限于此。
实施例1
一种风电塔筒扭转电缆用软铝合金线芯，包括如下重量百分比的组分：石墨烯钠镁铝粉：0.04％、Fe：2.0％、Cu：0.2％、Mg：0.2％、Co:0.3％、Be:0.1％、Ca：0.2％、Zn：0.1％、Sr：0.1％、Zr：0.15％、Na：0.2％、K：0.25％、Ti：0.18％、V:0.12％、Cr:0.15％、Mn:0.15％、Ga:0.2％、Ge:0.25％、Nb:0.2％、Ru:0.1％、Si:0.35％、B:0.05％，余量为Al和不可避免的杂质；
所述石墨烯钠镁铝粉为质量分数为5％石墨烯、0.05％钠、0.04％镁和余量的铝进行混合得到。
所述的风电塔筒扭转电缆用软铝合金线芯的制备方法，包括如下步骤：
(1)将上述软铝合金线芯的各组分按比例进行熔炼工艺，得到铝合金熔融液，再经搅拌、静置、精炼、除渣、静置、除气、过滤后，进行浇铸成型，采用15道次轧辊压制，得到直径为9.5mm，电阻率≤0.0285Ω·mm2/m，伸长率≥15％，抗拉强度为100MPa～140MPa的软铝合金杆；
(2)将步骤(1)得到的软铝合金杆采用13模连续滑动式拉丝机连续拉拔后，再进行7道拉拔，得到线径为0.20mm～0.50mm的软铝合金单线，所述软铝合金单线的电阻率≤0.025Ω·mm2/m，伸长率≥25％，抗拉强度为116MPa～125MPa；拉拔过程中的鼓轮的速比为6:1，此速比保证拉制的软铝合金单线的表面质量光滑，无毛刺，提高生产效率，减少断线的可能性；
(3)将步骤(2)得到的软铝合金单线进行束线复绞工艺，采用型号为JM-800高速束线机进行同向绞合，并不断对股线绞合时的节距进行调整，得到紧密、圆整的软铝合金线芯。
实施例2
一种风电塔筒扭转电缆用软铝合金线芯，包括如下重量百分比的组分：石墨烯钠镁铝粉：0.04％、Fe：0.015％、Cu：0.12％、Mg：0.005％、Co:0.012％、Be:0.005％、Ca：0.005％、Zn：0.02％、Sr：0.001％、Zr：0.003％、Na：0.01％、K：0.005％、Ti：0.001％、V:0.005％、Cr:0.002％、Mn:0.012％、Ga:0.001％、Ge:0.005％、Nb:0.003％、Ru:0.001％、Si:0.2％、B:1.0％，余量为Al和不可避免的杂质；
所述石墨烯钠镁铝粉为质量分数为8％石墨烯、0.1％钠、0.1％镁和余量的铝进行混合得到。
所述的风电塔筒扭转电缆用软铝合金线芯的制备方法同实施例1。
实施例3
将实施例1得到的软铝合金芯线经过Pro/Engineer Wildfire 5.0和ANSYS模拟软件进行模拟，软铝合金单丝之间自由接触，受端面加载约束边界条件的影响较小，再考察距离上端面40mm处软铝合金芯线横截面在±1440°扭转20000次的应力分布，如图1-2所示，可以看出，单股软铝合金芯线导体横截面的应力均呈对称分布，并且软铝合金单丝平均应力大小顺序为：芯丝1的最大，内层丝2次之，外层丝3的最小。18000次循环后，直股4内部应力水平高，而螺旋股5中靠近直股4部分应力水平较高，20000次循环后，应力分布规律未发生变化，不过应力水平急剧提高，但未发生单线断裂的情况。
实施例4
将实施例1所得软铝合金芯线运用Pro/Engineer Wildfire 5.0进行软铝合金电缆建模，再利用ANSYS软件，按照GB/T 29631的要求，对400mm2单丝直径为0.50mm的软铝合金电缆进行10000～18000次±1440°扭转数值模拟，得出其应力分布图如图3所示，可见，随着扭转次数的增加，其电缆整体应力水平逐渐增加，18000次扭转的应力水平显著提高。
图4为±1440°扭转20000次后的单股的芯丝1、内层丝2和外层丝3的应力分布图，可以看出，芯丝1表面的整体应力已经接近发生塑性变形的应力水平，内层丝2和外层丝3应力水平已经高于屈服应力，此处已经进入塑性状态，但未发生断裂。
利用同样方法，测试模拟软铝合金芯线在-40℃条件下±1440°扭转5000次，结果表明，也未发生断裂。
综上所述，本发明的风电塔筒扭转电缆用软铝合金线芯经检测验证，20000次±1440°正反扭转后未发生单丝断裂的情况，说明本发明的软铝合金线芯的扭转性能与软铜导体的扭转性能基本持平，风机塔筒扭转电缆可以使用软铝合金替代。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种风电塔筒扭转电缆用软铝合金线芯，其特征在于，包括如下重量百分比的组分：石墨烯钠镁铝粉：0.04％、Fe：0.015％～2.0％、Cu：0.012％～0.2％、Mg：0.001％～0.4％、Co:0.012％～0.35％、Be:0.001％～0.16％、Ca：0.001％～0.25％、Zn：0.02％～0.15％、Sr：0.001％～0.1％、Zr：0.001％～0.25％、Na：0.01％～0.3％、K：0.003～0.35％、Ti：0.001％～0.18％、V:0.001％～0.12％、Cr:0.002％～0.15％、Mn:0.012％～0.15％、Ga:0.001％～0.25％、Ge:0.005～0.3％、Nb:0.003％～0.2％、Ru:0.001～0.1％、Si:0.2～0.5％、B:0.00～1.0％，余量为Al和不可避免的杂质；
所述石墨烯钠镁铝粉为质量分数为5-8％石墨烯、0.05-0.1％钠、0.04-0.1％镁和余量的铝进行混合得到。
2.根据权利要求1所述的风电塔筒扭转电缆用软铝合金线芯，其特征在于，所述铝合金线芯的电阻率≤0.0250Ω·mm2/m。
3.一种权利要求1或2所述的风电塔筒扭转电缆用软铝合金线芯的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将上述铝合金线芯的各组分按比例进行熔炼工艺，得到铝合金熔融液，再经搅拌、静置、精炼、除渣、静置、除气、过滤后，进行浇铸成型，采用15道次轧辊压制，得到铝合金杆；
(2)将步骤(1)得到的铝合金杆采用13模连续滑动式拉丝机连续拉拔后，再进行7道拉拔，得到线径为0.20mm～0.50mm的铝合金单线；
(3)再将步骤(2)得到的铝合金单线进行束线复绞工艺，得到铝合金线芯。
4.根据权利要求3所述的风电塔筒扭转电缆用软铝合金线芯的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的铝合金杆的直径为9.5mm，电阻率≤0.0285Ω·mm2/m，伸长率≥15％，抗拉强度为100MPa～140MPa。
5.根据权利要求3所述的风电塔筒扭转电缆用软铝合金线芯的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述铝合金单线的电阻率≤0.025Ω·mm2/m，伸长率≥25％，抗拉强度为116MPa～125MPa。
6.根据权利要求3所述的风电塔筒扭转电缆用软铝合金线芯的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述拉拔过程中的鼓轮的速比为6:1。
7.根据权利要求3所述的风电塔筒扭转电缆用软铝合金线芯的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述束线复绞工艺采用型号为JM-800高速束线机进行同向绞合，并不断对股线绞合时的节距进行调整。
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