CN113035457B - 铝包钢芯铝合金绞线的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种铝包钢芯铝合金绞线的制备方法，通过设于线芯的铝包钢线和设于所述线芯外周的铝合金线进行绞合成型所述铝包钢芯铝合金绞线，采用的所述铝包钢线的性能符合以下条件：抗拉强度≥1850MPa；断时伸长率≥2.5％；断后伸长率≥2.0％；扭转≥20圈；采用的所述铝合金线通过铝镁硅合金熔体经陶瓷过滤板和多级电磁净化后在线平稳浇铸而成，其中净化后铝镁硅合金熔体中颗粒大小为1μm以上的杂质的残留率≤6.2％。本发明通过提高铝包钢线芯层与铝合金线的断后伸长率的匹配程度和控制铝合金线的杂质含量，消除潜在的疲劳裂纹源，从而改善绞线的整体拉断力和抗疲劳特性。

Description

铝包钢芯铝合金绞线的制备方法

技术领域

本发明涉及金属线材技术领域，特别是指一种铝包钢芯铝合金绞线的制备方法。

背景技术

GB/T 17937-2009《电工用铝包钢线》规定铝包钢线的断后伸长率不低于1.0％，GB/T 23308-2009《架空绞线用铝-镁-硅合金圆线》规定LHA1型铝合金线的伸长率不低于3.0％。对于传统的铝合金芯铝绞线，由于芯层铝包钢线与导体层铝合金线的断后伸长率不匹配，导线受到载荷时，芯层铝包钢优先断裂，使得铝包钢芯的抗拉强度不能完全发挥，从而影响整根导线的拉断力。即使用标准要求的单丝，无法满足GB/T 1179-2017《圆线同心绞架空导线》中规定的成品绞线的实际拉断力≥额定拉断力*95％的要求。此项不足，制约了铝包钢线在架空输电线路的广泛运用。为了解决铝包钢芯铝(铝合金)绞线的拉断力发挥问题，导线的制造商实际在标准值基础上，制定了各自的内控指标，通常需在标准基础上提高50-100MPa，即通过提高铝包钢芯单线的抗拉强度来保证设计要求的拉断力。

但对于大跨越用铝包钢芯铝合金绞线，因线路条件苛刻，所以在设计过程中就需采用高强度的铝包钢芯铝合金绞线方可满足大跨越要求。然而导线制造厂家在供货时，因铝包钢线的抗拉强度已达到极限，无法再通过提高内控指标来实现，所以此类大跨越导线实际拉断力无法满足设计要求。若大跨越导线的拉断力无法保证，则给大跨越线路安全带来极大隐患。而且，目前导线的抗疲劳特性不足也使得大跨越线路的使用安全和稳定性有限。

发明内容

鉴于以上内容，有必要提供一种改进的铝包钢芯铝合金绞线的制备方法。

本发明提供的技术方案为：一种铝包钢芯铝合金绞线的制备方法，通过设于线芯的铝包钢线和设于所述线芯外周的铝合金线进行绞合成型所述铝包钢芯铝合金绞线，

采用的所述铝包钢线的性能符合以下条件：

抗拉强度≥1850MPa；

断时伸长率≥2.5％；

断后伸长率≥2.0％；

扭转≥20圈；

采用的所述铝合金线通过铝镁硅合金熔体经陶瓷过滤板和多级电磁净化后在线平稳浇铸而成，其中净化后铝镁硅合金熔体中颗粒大小为1μm以上的杂质的残留率≤6.2％。

进一步的，所述铝包钢线的制备包括铝材包覆钢材之后的时效处理和/或表面处理，其中表面处理的步骤设于时效处理的步骤之后。

进一步的，所述时效处理包括离线时效处理或在线时效处理，离线时效处理中时效炉内温度控制在150-300℃，保温时长控制为3-8h；在线时效处理中感应加热装置的加热功率控制在10-20kw，铝材包覆钢材的被牵引速度控制在100-180m/min。

进一步的，所述表面处理通过将铝材包覆钢材从孔径小于其线径1-3mm的模具中拉***实现表面硬化，其中拉拔速度控制在2-5m/s。

进一步的，所述铝镁硅合金熔体经陶瓷过滤板和多级电磁净化的步骤之前，包括以下步骤：

将纯度为99.7％铝锭、铝硅合金锭及镁锭进行混合，并采用精炼剂进行除渣、除气；

将铝镁硅合金熔体加热至730±15℃，并伴随转子搅拌，其中转子搅拌速度为450±50r/min。

进一步的，所述将铝镁硅合金熔体加热至730±15℃，并伴随转子搅拌的步骤之后且所述铝镁硅合金熔体经陶瓷过滤板和多级电磁净化的步骤之前，包括：将加热的铝镁硅合金熔体通过电磁搅拌除气，在线测量氢气含量控制在0.15ml/100g AL。

进一步的，所述陶瓷过滤板的每厘米长度内的目孔数包括20-30。

进一步的，所述陶瓷过滤板包含多层筛网。

进一步的，所述多级电磁净化通过陶瓷管外垂直绕包多层线圈，在铝镁硅合金熔体的流动方向上形成轴向交变磁场，其中陶瓷管内含多孔通道，铝镁硅合金熔体流经时在电磁作用力下颗粒大小介于1μm至10μm范围的微小杂质偏移到陶瓷管内壁。

进一步的，所述陶瓷管内含多级多孔通道，后一级多孔通道的外壁角点正对当前级多孔通道的中心；或者后一级多孔通道的外壁角点正对之前多级多孔通道的交叠孔的中心；或者不同孔大小的多孔通道分级间隔设置；或者多孔通道的孔大小随着铝镁硅合金熔体的流动方向逐级变小。

与现有技术相比，本发明提供的铝包钢芯铝合金绞线的制备方法，选用高强度、大伸长率的铝包钢线和高纯的铝合金线为原材进行绞合；一方面，芯层的铝包钢线和外层的铝合金线的伸长率匹配性高，使得成品绞线的实际拉断力提高，保证了架空输出线路的安全；另一方面，铝镁硅合金熔体经过滤、多级磁净化处理，有效去除杂质，且在线平稳浇铸确保铝合金线的结晶度，极大消除了潜在的疲劳裂纹源，从而提高成品绞线的抗疲劳特性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明一实施方式中铝包钢芯铝合金绞线的制备流程。

图2为本发明一具体实施方式中多级电磁净化模块示意图。

图3为图2模块的另一角度示意图。

图4为图2示出的陶瓷管的结构示意图一。

图5为图2示出的陶瓷管的结构示意图二。

图6为图2示出的陶瓷管的结构示意图三。

图7为图2示出的陶瓷管的结构示意图四。

图8为本发明一实施方式中铝包钢芯铝合金绞线的结构示意图。

附图标记说明:

陶瓷管 10

多孔通道 100

多孔通道外壁角点 101a

多孔通道外壁角点 103a

多孔通道外壁角点 105a

多级通道的交叠孔 13b

多级通道的交叠孔 135b

一级多孔通道 101

二级多孔通道 103

三级多孔通道 105

线圈 30

铝包钢芯铝合金绞线 3

铝包钢线 1

铝合金线 2

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明实施例。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明实施例的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明实施例，所描述的实施方式仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明实施例保护的范围。

本文中“断时伸长率”，材料受外力作用至拉断时，拉伸前后的伸长长度与拉伸前长度的百分比。

本文中“断后伸长率”指材料受外力(拉力)作用至断裂后，拉伸前后的伸长长度与拉伸前长度的百分比。

本文中“精炼剂”是白色粉末状或颗粒状熔剂，由多种无机盐干燥处理后按一定比例混合配制而成，主要是用于清除铝液内部的氢和浮游的氧化夹渣。以市购为主。

本文中“趋肤效应”，当导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀，电流集中在导体的“皮肤”部分，也就是说电流集中在导体外表的薄层，越靠近导体表面，电流密度越大，导体内部实际上电流较小。结果使导体的电阻增加，使它的损耗功率也增加。这一现象称为趋肤效应(skin effect)。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明实施例的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明实施例。

请参阅图1，本发明提供了一种铝包钢芯铝合金绞线3的制备方法，改善成品绞线(导线)的拉断力、抗疲劳特性的不足，使其满足大跨越线路的使用要求。

本方法的具体步骤包括：

步骤S1：制备铝包钢线1和铝合金线2。其中，

(S11)铝包钢线1的性能符合以下条件：

抗拉强度≥1850MPa；

断时伸长率≥2.5％；

断后伸长率≥2.0％；

扭转≥20圈。

符合以上性能的铝包钢线1可以通过以下工艺进行处理改性：

方式一：在铝材包覆钢材之后，对其进行时效处理。

其中，时效处理包括离线时效处理或在线时效处理，离线时效处理中时效炉内温度控制在150-300℃，保温时长控制为3-8h；在线时效处理中感应加热装置的加热功率控制在10-20kw，铝材包覆钢材的被牵引速度控制在100-180m/min。

方式二：在铝材包覆钢材之后，对其进行表面处理。具体地，表面处理通过将铝材包覆钢材从孔径小于其线径1-3mm的模具中拉***实现表面硬化，其中拉拔速度控制在2-5m/s。

方式三：在铝材包覆钢材之后，对其依次进行方式一的时效处理和方式二的表面处理。依据实践经验，采用本方式改性的铝包钢线1的综合性能较佳，其强度和断后伸长率与铝合金线的匹配程度高。

(S12)铝合金线2的成型是通过铝镁硅合金熔体经陶瓷过滤板和多级电磁净化后在线平稳浇铸而成。陶瓷过滤板用于过滤去除90％以上的10μm以上颗粒。多级电磁净化后的铝镁硅合金熔体中颗粒大小为1μm以上的杂质的残留率≤6.2％。

铝合金线2的具体制备步骤参考如下：

S121：将纯度为99.7％铝锭、铝硅合金锭及镁锭进行混合，并采用精炼剂进行除渣、除气(主要指氢气)。

S123：将铝镁硅合金熔体加热至730±15℃，并伴随转子搅拌，其中转子搅拌速度为450±50r/min。

S125：铝镁硅合金熔体流经陶瓷过滤板进行过滤。通过本步骤颗粒大小在10μm以上的去除率可以达90％。具体地，所述陶瓷过滤板的每厘米长度内的目孔数包括20-30，目孔数较大时大颗粒去除效果不够理想，目孔数较小时，熔体流动速度受限，处理效率低。在具体实施方式中，所述陶瓷过滤板可以包含多层筛网，兼顾熔体流动速率的前提下，多次过滤去除10μm以上的大颗粒杂质。

S127：过滤后的铝镁硅合金熔体通过多级电磁进化。在具体实施方式中，所述多级电磁净化通过陶瓷管10外垂直绕包多层线圈30，如图2和图3所示，在铝镁硅合金熔体的流动方向上形成轴向交变磁场，其中陶瓷管10内含多孔通道100，铝镁硅合金熔体流经时在电磁作用力下颗粒大小介于1μm至10μm范围的微小杂质偏移到陶瓷管10内壁，也就是说，通过在线圈内部接通交变电流在铝镁硅合金熔体内部形成感应磁场，在交变磁场作用下产生洛伦兹力。根据洛伦兹法则，导电体受到指向陶瓷管中部的洛伦兹力，非导电夹杂被迫向陶瓷管10壁聚集，在流动过程中被管壁捕获。具体的，按照铝镁硅合金熔体的流动方向正视所述陶瓷管10，其内含多级多孔通道。例如图4示出的第一实施方式，后一级多孔通道的外壁角点正对当前级多孔通道的中心，以一级多孔通道101和二级多孔通道103为例，某一二级通道的外壁角点103a正对一级多孔通道的一孔中心，也可以说，二级通道的外壁角点103a处于四个一级级通道的外壁角点101a围成的孔的中心，或多级类似组合交替排布；再如图5示出的第二实施方式中，后一级多孔通道的外壁角点正对之前多级多孔通道的交叠孔的中心；以一级多孔通道101和二级多孔通道103及三级多孔通道105为例，四个一级多孔通道的外壁角点101a形成的孔与四个二级多孔通道的外壁角点103a形成的孔存在交叠孔13b，本实施方式中，交叠孔13b为多孔通道单孔的四分之一；四个三级多孔通道的外壁角点105a形成的孔与交叠孔13b也形成新的交叠孔135b，本实施方式中为交叠孔135b为交叠孔13b的四分之一，或多级类似组合交替排布；又如图6示出的第三实施方式中不同孔大小的多孔通道分级间隔设置，如本实施方式中，二级通道103的孔大小为一级通道101孔大小的四分之一，或多级类似组合交替排布；还可以如图7示出的第四实施方式中，多孔通道(101、103、105)的单孔大小随着铝镁硅合金熔体的流动方向逐级变小。具体实施方式中，通过对磁场强度较弱的通道中心区域进行逐级收缩范围或交叠强化弱处理的区域的形式实现微小颗粒的高去除率。在其他实施方式中，也可以是以上实施方式的组合形式或其他变换形式，如交叠孔大小不为四分之一等等，只需达到1μm至10μm范围的微小杂质的去除率在93％及以上的等同效果。

S129：在线平稳流铸成型铝合金线。

在具体实施方式中，在步骤S123之后且步骤S125之前，还可以包括步骤S124：将加热的铝镁硅合金熔体通过电磁搅拌除气，本步骤中气体主要是氢气，在线测量氢气含量控制在0.15ml/100g AL。在线平稳浇铸指通过高精度的激光液位计(如精度为1mm)实现浇铸液位的实时监测，并通过监测到的液位信号来调节杆杆机构，实现浇铸液位的自动化控制。

步骤S2：将若干铝包钢线集束在一起形成线芯，铝合金线设置于线芯的外周，然后绞合成型所述铝包钢芯铝合金绞线。

通过上述步骤，成型的所述铝包钢芯铝合金绞线JLHA1/QSLB14-500/230-42/37的拉断力≥483.23KN；该绞线的抗疲劳振动次数≥3.0*10⁷次，铝合金线及铝包钢线无断股。

下面举例对采用本发明方法成型的所述铝包钢芯铝合金绞线的性能与现有产品的进行比较。

实施例1

高强度高伸长率铝包钢线以高碳钢盘条和电工圆铝杆为原材料，在铝材包覆高碳钢之后，通过放入时效炉内加热至180℃，保温6h进行改性得到铝包钢线。

高抗疲劳特性铝合金线以纯度为99.7％铝锭为原料，铝锭、铝硅合金锭及镁锭熔炼浇铸成铝合金线的过程如下：

(1)在保温炉内采用粉状精炼剂和惰性气体(如氩气或氮气等)通过喷管混合喷射到铝液中进行除渣、除气。

(2)铝液经保温炉流至精炼炉，精炼炉加热至730℃±15℃，精炼炉的转子速度为450±50转/分。采用电磁搅拌，再次除气，在线测量氢气含量控制在0.15ml/100g AL。

(3)在流槽中使用30目陶瓷过滤板进行初级过滤，去除大颗粒的非金属杂质；

(4)经过初级过滤后，在流槽中增加多级电磁净化***进行精过滤，有效去除1μm以上杂质；

(5)铝合金液经过双重过滤后，1μm以上杂质去除率达到93.8％，再经流槽留至浇包口进行在线平稳浇铸，成型铝合金线。

按照图8示出的结构形式排布高强度高伸长率铝包钢芯铝合金绞线JLHA1/QSLB14-500/230-42/37，由四层共37根高强度高伸长率14％IACS铝包钢线作为加强芯，加强芯依次设置为1根层、6根层、12根层、18根层；在加强芯上螺旋缠绕有两层共42根LHA1型铝合金线，铝合金线依次设置为18根层、24根层，其相邻两层铝合金线的螺旋缠绕方向相反。整体绞合得到铝包钢芯铝合金绞线。

经设计，本实例铝包钢芯铝合金绞JLHA1/QSLB14-500/230-42/37绞线的额定拉断力≥508.66KN，其实际拉断力需≥483.23KN(508.66×0.95)。经检测，其实际拉断力为516.8KN，与现有产品相比，本实例中的实际拉断力≥额定拉断力的95％，且本例中实际拉断力远超设计要求可以满足大跨越导线的使用要求。

绞线的抗疲劳特性检测方法依据Q/FSDYS 007《架空线路导、地线振动疲劳试验方法》进行，试验结果显示，该绞线的抗疲劳振动次数≥3.0*10⁷次，未发现铝合金线及铝包钢线断股。

在其他实施方式，本发明可以采用在线时效处理铝包钢线，或采用在线时效处理和表面处理铝包钢线，或其他多级电磁净化***的情形下获得的铝合金线来绞合成型绞线，经性能测试，绞线的实际拉断力同样远大于标准要求额定拉断力的95％以上；且绞线的抗疲劳振动次数≥3.0*10⁷次，铝合金线及铝包钢线不存在断股现象。

综上，本发明通过改性得到高伸长率、高强度的铝包钢线，使其与铝合金线断后伸长率相匹配，提高绞线的实际拉断力。而且通过铝合金熔体的双重过滤，陶瓷过滤(初过滤)及多级电磁净化技术(精过滤)，在线净化Al-Mg-Si合金熔体，有效去除1μm以上杂质极大消除了潜在的疲劳裂纹源，从而提高了铝合金成品导线的抗疲劳特性。

以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种铝包钢芯铝合金绞线的制备方法，通过设于线芯的铝包钢线和设于所述线芯外周的铝合金线进行绞合成型所述铝包钢芯铝合金绞线，其特征在于，

采用的所述铝包钢线的性能符合以下条件：

抗拉强度≥1850MPa；

断时伸长率≥2.5％；

断后伸长率≥2.0％；

扭转≥20圈；

采用的所述铝合金线通过铝镁硅合金熔体经陶瓷过滤板和多级电磁净化后在线平稳浇铸而成，其中净化后铝镁硅合金熔体中颗粒大小为1μm以上的杂质的残留率≤6.2％；

所述多级电磁净化通过陶瓷管外垂直绕包多层线圈，在铝镁硅合金熔体的流动方向上形成轴向交变磁场；

其中所述陶瓷管内含多级多孔通道，后一级多孔通道的外壁角点正对当前级多孔通道的中心；或者后一级多孔通道的外壁角点正对之前多级多孔通道的交叠孔的中心；或者不同孔大小的多孔通道分级间隔设置；或者多孔通道的孔大小随着铝镁硅合金熔体的流动方向逐级变小。

2.根据权利要求1所述的铝包钢芯铝合金绞线的制备方法，其特征在于，所述铝包钢线的制备包括铝材包覆钢材之后的时效处理和/或表面处理，其中表面处理的步骤设于时效处理的步骤之后。

3.根据权利要求2所述的铝包钢芯铝合金绞线的制备方法，其特征在于：所述时效处理包括离线时效处理或在线时效处理，离线时效处理中时效炉内温度控制在150-300℃，保温时长控制为3-8h；在线时效处理中感应加热装置的加热功率控制在10-20kw，铝材包覆钢材的被牵引速度控制在100-180m/min。

4.根据权利要求2所述的铝包钢芯铝合金绞线的制备方法，其特征在于：所述表面处理通过将铝材包覆钢材从孔径小于其线径1-3mm的模具中拉***实现表面硬化，其中拉拔速度控制在2-5m/s。

5.根据权利要求1所述的铝包钢芯铝合金绞线的制备方法，其特征在于，所述铝镁硅合金熔体经陶瓷过滤板和多级电磁净化的步骤之前，包括以下步骤：

将纯度为99.7％铝锭、铝硅合金锭及镁锭进行混合，并采用精炼剂进行除渣、除气；

将铝镁硅合金熔体加热至730±15℃，并伴随转子搅拌，其中转子搅拌速度为450±50r/min。

6.根据权利要求5所述的铝包钢芯铝合金绞线的制备方法，其特征在于，所述将铝镁硅合金熔体加热至730±15℃，并伴随转子搅拌的步骤之后且所述铝镁硅合金熔体经陶瓷过滤板和多级电磁净化的步骤之前，包括：将加热的铝镁硅合金熔体通过电磁搅拌除气，在线测量氢气含量控制在0.15ml/100g AL。

7.根据权利要求1所述的铝包钢芯铝合金绞线的制备方法，其特征在于，所述陶瓷过滤板的每厘米长度内的目孔数包括20-30。

8.根据权利要求7所述的铝包钢芯铝合金绞线的制备方法，其特征在于：所述陶瓷过滤板包含多层筛网。

9.根据权利要求1所述的铝包钢芯铝合金绞线的制备方法，其特征在于：铝镁硅合金熔体流经陶瓷管时在电磁作用力下颗粒大小介于1μm至10μm范围的微小杂质偏移到陶瓷管内壁。

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