硬铝成分:Al——Cu——Mg——Mn合金,硬铝有良好的机械性能,强度大(如2Al2-T4抗拉强度可达469MPa以上)又便于加工,而且密度小,可作轻型结构材料。

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。

铝元素在地球上储量丰富,导电性良好(铝合金电阻率约为铜的1.68倍),其价格也较为低廉,因此在电工行业得到了巨大应用与发展。20世纪初,铝合金导线被首先应用于高压输电线路,之后在全世界范围得到了飞跃发展。在高压、超高压和特高压架空输电线路中应用最为广泛和成熟的是普通的钢芯铝绞线(Aluminium conductor steel-reinforced,ACSR),其导电率为61%IACS(International Annealed Copper Standard),电阻率一般在0.02790~0.028264Ω·mm/m。但是随着我国经济的快速发展,电力需求逐年攀升,如何提高输电效率、降低线路损耗等问题对电力建设部门及研究工作者提出了挑战。输电线路损耗主要包括电阻损耗和电晕损耗两方面,在后者基本相同的情况下,输电线路损耗主要由前者决定,提高导电率是降低输电损耗的一种有效方法,因此高导电率硬铝导体材料应运而生。在国家提出加快推进智能电网建设以及"资源节约型、环境友好型"社会建设战略的时刻,发展高导电率硬铝合金及导线,具有巨大的经济意义与现实意义 。

高导电率硬铝导体材料是通过合理控制合金元素的种类、含量及配比,采用合理的加工手段及热处理工艺使得合金的细晶强化和加工硬化效果显著,净化晶界,得到导电率有较大程度提高的硬铝合金。

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。

天津某一工程中应用钢芯高导电率铝型线绞线,该工程为新建220kV变电站,4台主变均为240MVA 容量,线路年输送容量为10.3万kW。通过对比可知,应用钢芯高导电率铝型线绞线可以降低杆塔自重,铁塔尺寸占地赔偿费用、电力走廊通道占用费用等随之降低,其在杆塔、基础工程方面的投资不会增加,经济性反而更好;并且在施工过程中,与普通导线配套使用的金具基本能够适用于高导电率硬铝导线;施工机具、安装方法、施工方法等也不会有特殊要求。所以在装置性材料、施工措施费等方面也基本无价差可比。高导电率硬铝导线与普通导线在成本回收期限与能耗指标方面对比情况如表2所示。对比可见,使用高导电率硬铝导线引起的投资增加在较短期限内即可收回,具有"短期收回成本"的可观经济效益,并且与普通导线相比,高导电率硬铝导线在节能降耗方面具有普通导线无法比拟的巨大优势,将会产生巨大的社会效益,推动智能电网的建设及社会发展。

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。

国内外对于耐热铝合金和中强度铝合金导体材料的研究较多,制备工艺成熟。相比而言,对于高导电率硬铝合金及其导线的研究较少。武汉理工大学对高强度高导电率铸造铝合金进行了研究,研究结果表明通过合金元素优化配比、改善热处理工艺和复合变质可以显著提高铸造铝合金力学性能和导电率;昆明理工大学通过同时添加硼和稀土元素,结合生产工艺及设备优化,达到了提高电工圆铝杆的力学性能、降低电阻率以及改善电工圆铝杆性能的目的;大连理工大学对电工铝的成分优化进行了研究,认为电工用工业纯铝的成分优化可以用"添加硼、限制Si、放宽Fe含量"来概括;福州大学研究了电工铝杆用高效排杂净化熔剂及其处理效果,研究结果表明熔剂组成对电工铝合金的净化效果具有重要的影响,应对其进行合理设计,从而提高电工圆铝杆的力学性能与导电性能;2010年,无锡华能电缆有限公司申请了《一种高导电率硬铝导线及制造方法》发明专利,公开了一种高导电率硬铝导线及其制造方法,该硬铝线配合中心加强构件绞合制造出导电率不小于63%IACS、强度不小于160MPa的高导电率硬铝导线;2013年,东南大学申请了《一种高导电率稀土硬铝导线及制备方法》发明专利,公开了高导电率稀土硬铝导线的组分,同时还公开了该高导电率稀土硬铝导线的制备方法,主要是选配铝锭,熔炼,再进行硼化、精炼等处理,制得导电率为63%IACS、抗拉强度为160MPa的硬铝导线。

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 。

高导电率硬铝导线具有与普通钢芯铝导线相同的力学性能,但导电性能提升,施工方法、施工机具与普通钢芯铝导线基本一致,并且增加的初始投资成本会在较短时间内收回,经济效益显著。因此大力发展并推广使用高导电率硬铝导线符合建设"资源节约型,环境友好型"社会的发展要求,具备很好的经济与社会效益。

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。