一般的硬铝中,镁不超过2%。锰可提高强度和耐蚀性,但一般限制锰小于1%,加入少量的钛可细化晶粒,铁与硅均限制在小于0.5-0.6%,并希望铁硅比值大于等于一。
硬铝的缺点主要有:
1、耐蚀性不良,因此不得不在硬铝板材表面用轧制方法包一层工业纯铝(纯铝厚度占板材厚度3-5%)成为包铝硬铝。有包铝层时强度有所下降。
2、固溶处理温度范围窄,小于此温度不能发挥最大强化效果,而超出上限温度,又有产生晶界"过"的可能使晶粒聚集受到破坏。
3、焊接裂纹倾向大,用熔焊法有困难。
高导电率硬铝导线是由硬铝导体材料制备而得,其导电率一般不小于61.5%IACS,强度不小于160MPa,延伸率为1.5~2.0,按照导电率的不同,又可以分为61.5%IACS、62%IACS、62.5%IACS、63%IACS四个等级。与普通钢芯铝导线(导电率不小于61%,强度不小于160MPa,延伸率为1.5~2.0)相比,其在力学性能基本相同的情况下,导电率有了不同程度的提高。
3种高导电率硬铝绞线与普通钢芯铝绞线技术参数对比。通过对高导电率硬铝绞线的力学性能(弧垂特性、风偏角、覆冰过载能力等)、电气性能(电磁环境影响、导线电阻、载流量、极限输送容量等)、造价因素(导线价格、塔杆质量等)、节能效益与经济指标等方面进行分析,并与普通钢芯铝绞线进行对比,结果显示高导电率硬铝绞线具有巨大的优越性。
钢芯高导电率硬铝线与普通钢芯铝绞线相比,电气、力学性能相同或相当,导电性能提升,因此可以代替普通钢芯铝绞线在新建输电线路中使用。高导电率硬铝绞线单价较普通钢芯铝绞线稍高,但是由于导线风荷载降低约10%,塔重可降低约0.5%,减少了杆塔投资,而且采用高导电率铝合金绞线可以压缩走廊宽度,同样降低了初期投资。总体来说,采用高导电率铝合金绞线的初始投资要略高于普通钢芯铝绞线,但是从长远发展来看,其对节能环保、降耗减排意义重大,并且其增加的初始投资成本将会在较短的时间内收回。综合以上分析,新型高导电率硬铝线在新建线路上有很大的利用空间,相比以往的钢芯铝绞线更有优势,在节省损耗、降低投资、增大传输容量上极具优势,因此值得大力发展并推广使用。
远东电缆有限公司研发了具有低损耗的架空导线用铝导体,其主要技术经济指标为:硬铝单线导电率达到62.5%IACS;铝丝强度为硬铝强度,达160~200MPa;如该铝线用于一条500kV线路中,与同规格常规导线相比,降低线路损耗2.5%,按照年损耗3000h计算,每年每公里线路可节电0.0492万kW·h,全线一年创造节能降耗直接效益393.6多万元;按供电煤耗360g标煤/(kW·h)计算,全线一年将减少标煤消耗0.773万t,减排二氧化碳约1.12万t。由此可见,在输电线路中采用高导电率硬铝导线,可以明显节约电能,产生巨大的经济效益,与普通导线相比具有较大的优势。
电工圆铝杆的生产都是采用连铸连轧的生产技术,生产工序主要是铝合金熔炼、铝液净化、铸锭和轧制。对于硅含量小于0.08%的铝液,合适的铁硅比可以获得合格的电工铝产品,在高铁硅元素含量的铝液中加入适量的Al-B合金和稀土中间合金可以使产品的力学性能和导电性能满足要求。韦良杰等通过二次精炼的方式净化铝液,控制合金成分,连续铸造是需要浇注温度、浇注速度与冷却速度3个工艺参数合理匹配的过程,连续轧制过程中也需要合适的轧制温度和轧制速度。实际生产过程中根据不同电工铝的型号将开轧温度一般设在480~520℃,终轧温度为300~360℃。但是,高导电率硬铝合金材料及相关导线的制备工艺较复杂、生产使用成本较高,现有的制备工艺已无法满足高导电率硬铝合金的制备要求,具备生产能力的厂家非常少。
为了增加高导电率硬铝合金导体材料的实际应用性,有必要对高导电率铝合金的成分体系及其制备工艺进行更为深入系统的研究。因此,发展高导电率硬铝合金一方面应从调整铝合金的成分、控制敏感元素以及添加微量合金元素等方法获得更加优良的高导电率硬铝合金的成分着手研究,另一方面应从优化硬铝合金的制备工艺、简化生产工艺、降低生产成本的思路进行。
国网智能电网研究院电工导体材料项目组按照上述发展思路,初步对Al-B-Zr-Re体系硬铝合金的成分进行了摸索。
通过常规熔炼工艺熔炼后浇铸成Φ45mm的硬铝合金锭;合金锭在400℃保温1h后通过挤压制成Φ9.5mm的圆杆;硬铝圆杆在拉丝机上通过15道次的冷拉拔,最后制备成Φ3.05mm的硬铝单丝。
从制备的硬铝单丝性能测试结果可以看出,随着Zr含量增加,硬铝单丝的导电率降低,抗拉强度增大,延伸率无明显变化趋势,高导电率硬铝单丝的综合性能明显提高 。
发展高导电率硬铝导线的思路为:
1、通过调整铝液的成分、控制敏感元素含量以及微合金化等方法获得性能更优良的高导电率硬铝合金成分;
2、通过优化制备工艺、简化生产过程进一步降低生产成本。