《架空導線用鋁導體》是遠東電纜有限公司、江蘇新遠東電纜有限公司和遠東複合技術有限公司於2008年8月22日申請的發明專利，該專利的申請號為2008101957081，公布號為CN101345098，公布日為2009年1月14日，發明人是徐靜、汪傳斌、龔欣明、馮鈺、盛金偉。
《架空導線用鋁導體》其特徵是在電工鋁錠熔煉中，視原料中矽、重金屬、鐵含量，分別加入/或不加富鑭稀土鋁合金、硼或鋁硼合金、鐵或鋁鐵合金，控制鋁中含矽≤0.05wt％，重金屬≤0.01wt％，鐵0.12－0.16wt％，經拉絲得到鋁導體的電阻率27.300～27.650納歐姆·米，抗拉強度160～200兆帕。既保持了硬鋁導體抗拉強度，又使得導電率得到提高，主要技術指標明顯優於國標GB/T17048－1997硬鋁導體，用於架空導線，可以明顯提高載流量。
2014年11月6日，《架空導線用鋁導體》獲得第十六屆中國專利優秀獎。
基本介紹
- 中文名：架空導線用鋁導體
- 公布號：CN101345098
- 公布日：2009年1月14日
- 申請號：2008101957081
- 申請日：2008年8月22日
- 申請人：遠東電纜有限公司、江蘇新遠東電纜有限公司、遠東複合技術有限公司
- 地址：江蘇省宜興市高塍鎮范道遠東路8號
- 發明人：徐靜、汪傳斌、龔欣明、馮鈺、盛金偉
- 分類號：H01B1/02（2006.01）
- 代理機構：宜興市天宇智慧財產權事務所
- 類別：發明專利
- 代理人：蔡鳳苞
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
2008年8月前，輸電架空導線用鋁導體，主要由電工用鋁熔煉，並經例如500℃左右軋製成鋁桿，再經拉絲而成，20℃導體電阻率不大於28.264納歐姆·米，換算最高導電率為61％IACS，抗拉強度160-200兆帕（單絲直徑5-1.25毫米）。電工用鋁的化學組成（GB/T3954-2001）：Si≤0.11，Fe≤0.25，Cu≤0.01，重金屬（V+Ti+Mn+Cr）總含量≤0.02，Al≥99.6。有資料顯示，導體導電率在61％IACS，電網損耗達傳輸電量的8.9％以上，地方電網差時可達20％。如果降低鋁導體電阻率，可以提高導線的載流量，減少輸電過程中無謂能耗，提高傳輸電量的傳輸效率，有統計導電率提高1％，損耗將降低1％左右。因此提高鋁導體的導電率，為人們長期所期望和追求。
人們曾採取多種方式來降低鋁導體的電阻率，例如：
採用將鋁以退火或擠壓方式改變其狀態，製得軟鋁導體，可使鋁導電率由61％IACS提高到約62.5％IACS，如中國專利CN101174490、CN2699439所述軟鋁導線，均是通過此方法實現。然而通過退火或擠壓製成的軟鋁導體，其導電率是得到了提高，但抗拉強度則大為下降，由原來硬鋁時的160～200兆帕下降僅為60～98兆帕，使得同截面導線拉斷力下降25％～36％，導線安全和可靠性降低，因而不適用於大跨度架空導線。
中國專利CN1271024公開的高導電率含硼鋁合金，是在99.5％～99.7％工業純鋁中加入0.05％～0.13％硼及制桿後經（200～320℃）×（1.5～3h）的退火或自退火，並配合鋁液惰性氣體淨化處理及泡沫陶瓷過濾工藝，使鋁導體電阻率達到（2.72～2.74）×10歐·米，相當於62.5％IACS。通過加入硼，以及採用退火工序，鋁導體電阻率是得到了降低，但鋁經退火後抗拉強度必然下降，實際強度僅為100-108兆帕，與軟鋁導體相仿，軟鋁導體的缺陷沒有得到消除。
中國專利CN1616696公開的高導電率含稀土、硼鋁基材料，通過同時加入稀土元素和硼元素，以及退火工藝，20℃導體電阻率27.05～27.28（62％～63％IACS），抗拉強度105-115兆帕。仍然由於存在退火工藝，所得導體抗拉強度下降較大，僅稍高於軟鋁導體，同樣不適用於大跨度架空導線。
中國專利CN101074465公開的高強度耐熱鋁合金導線，選取99.7％純度標準鋁錠，其雜質除矽、鐵、銅除外含量不超過0.02％重量百分數，通過添加合金元素提高導體強度，抗拉強度高達225兆帕，但降低了導體的導電性能，導電率僅為55％IACS，長期耐熱溫度150℃。
由上述2008年8月前已有技術可以看出，通過添加一些合金元素同時進行退火，可以降低鋁導體的電阻率，但同時也降低了所得鋁導體的抗拉強度，其抗拉強度只是稍高於軟鋁導體，所得鋁導體仍然不適用作大跨度架空導線。同時，相關技術給出啟示：鋁導體一個性能改變，就會影響到另一性能，例如導電率提高了，強度下降；耐熱等級提高，導電率沒有提高；導體強度提高，導電性能降低。因此同時提高鋁導體的導電率，抗拉強度又要保持硬鋁高水平，難度極大，沒有一種能同時實現降低導體電阻率，又能保持導體高的抗拉強度（表1）。
發明內容
專利目的
《架空導線用鋁導體》目的在於克服上述已有技術不足，提供一種既有高的導電率，又有硬鋁高抗拉強度的架空導線用鋁導體。
技術方案
《架空導線用鋁導體》經試驗發現鋁中矽及重金屬會影響其導電性能，因此通過控制及降低鋁中矽及重金屬含量，能提高導電率；同時保持或提高鐵含量，使鐵/矽比大於1.5，保持達到硬鋁的抗拉強度，這樣不經退火工藝，就能實現電阻率的提高，並抗拉強度不下降，從而實現該發明目的。具體說，該發明架空導線用鋁導體，其特徵在於在電工鋁錠熔煉中，視原料中矽、重金屬、鐵含量，分別加入/或不加富鑭稀土鋁合金、硼或鋁硼合金、鐵或鋁鐵合金，控制鋁中含矽≤0.05wt％，重金屬≤0.01wt％，鐵0.12-0.16wt％，經拉絲得到鋁導體的電阻率27.300～27.650納歐姆·米，抗拉強度160～200兆帕。
該發明中：電工用鋁錠，是指符合GB12768-91“重熔用電工鋁錠”，或GB/T1196-2002“重熔用鋁錠”，用於製造電線、電纜導電材料用鋁錠。
加入富鑭稀土鋁合金作用，使雜質矽由固溶態轉變為析出態，達到降低矽含量，減小對導體導電性能的影響；如果所選鋁材中矽符合前述要求，則可以不加；如果含量超標，則通過加入富鑭稀土鋁合金，降低矽含量至前述要求。富鑭稀土鋁合金加入量則視鋁材中矽含量而定，以降低後達到前述要求為準。
加入硼或鋁硼合金作用，利用硼元素與鋁液中Ti、V、Cr、Mn等重金屬雜質元素生成TiB2、VB2、CrB2、MnB2化合物，並以難熔渣形態從鋁液中析出，從而達到降低鋁中影響導電性能的重金屬含量；同時試驗還發現：硼元素加入還可細化鑄錠晶粒，改善鋁桿的延伸率等機械性能。該發明硼元素加入，較好採用鋁硼合金，有利於加入硼元素的均勻。
加入鐵或鋁鐵合金作用，主要是適當提高鋁材中鐵含量，使之有高的鐵/矽比，例如大於1.5，以提高鋁材的抗拉強度和伸長率。視鋁原料中鐵含量，決定加或不加及加入量。試驗發現，如果鋁中鐵含量過低，會降低鋁導體的抗拉強度；但明顯過高，也會因雜質含量的提高，降低導電性能，因此該發明試驗認為適宜含量為0.12-0.16wt％。該發明鐵元素加入，較好採用鋁鐵合金，有利於加入鐵元素的均勻。
鋁錠經上述熔煉調整指標後，經通用方法軋製成鋁桿，拉製成製備絞合鋁導線的鋁導體細絲，電阻率在27.300～27.650納歐姆·米，抗拉強度160～200兆帕。
該發明一種更好為控制鋁中矽≤0.03wt％，重金屬≤0.01wt％，鐵0.12-0.14wt％。
為使所得鋁導體有更高的導電率，以及減少加工過程雜質去除，該發明所用電工鋁錠純度，顯然是越純越好，純度越高，其他影響雜質顯然越少，不僅對提高導電率是有利的，而且降低其含量也相對容易，但檢驗發現，鋁中雜質含量過低，會降低導體的抗拉強度。因此，該發明試驗確定，較好選用鋁錠純度≥99.85，銅≤0.002wt％，矽≤0.03wt％，鐵0.08～0.12wt％，鉻釩錳鈦等重金屬總含量小於0.01wt％的高純電工鋁錠。
該發明熔煉、制桿、拉絲工藝條件，與通常製備鋁導體基本相仿，可以採用2008年8月前已有製備鋁導體技術進行熔煉去雜、軋製得到鋁桿，經拉絲得到鋁導體。
改善效果
《架空導線用鋁導體》由於在鋁桿連鑄連軋過程中，視原料中矽、重金屬、鐵含量，通過加入富鑭稀土鋁合金，控制矽≤0.05wt％；加入硼或鋁硼合金，降低重金屬含量至≤0.01wt％，從而提高了鋁材的純度，鋁含量能夠達到99.85以上，導電率得到提高，不用退火導電率就能達到62％～63％IACS，從而為不降低抗拉強度奠定了基礎；再通過加入鐵或鋁鐵合金，使鋁中鐵含量在0.12-0.16wt％，以及使鐵/矽比大於1.5，保持了原鋁導體強度。該發明經上述調質，所製得的鋁絲導體，20℃導體電阻率為27.300～27.650納歐姆·米，平均導電率62.6％IACS，實際檢測鋁導體絲徑範圍抗拉強度在160～200兆帕，平均175兆帕（表2）。所得鋁導體強度保持硬鋁導體標準，導電率則得到提高，使得不用退火工藝，也能提高鋁絲導體的導電率，並保持抗拉強度基本不變，能夠用於架空導線，主要技術指標明顯優於國標GB/T17048-1997硬鋁導體。使用該發明導體製備的架空導線，可以明顯提高載流量，相同線徑提高了導線輸送容量，降低了線路損耗，並能確保線路的安全和可靠性。
附圖說明
附圖為該發明架空導線用鋁導體製備工藝流程簡圖。
附圖
權利要求
1、《架空導線用鋁導體》其特徵在於在電工鋁錠熔煉中，視原料中矽、重金屬、鐵含量，分別加入/或不加富鑭稀土鋁合金、硼或鋁硼合金、鐵或鋁鐵合金，控制鋁中含矽≤0.05wt％，重金屬≤0.01wt％，鐵0.12-0.16wt％，經拉絲得到鋁導體的電阻率27.300～27.650納歐姆·米，抗拉強度160～200兆帕。
2、根據權利要求1所述架空導線用鋁導體，其特徵在於拉絲鋁導體中含矽≤0.03wt％，鐵0.12-0.14wt％，重金屬≤0.01wt％。
3、根據權利要求1或2所述架空導線用鋁導體，其特徵在於電工鋁錠純度≥99.85，電工鋁錠中：銅≤0.002wt％，矽0.03～0.04wt％，鐵0.08～0.10wt％，鉻釩錳鈦重金屬總含量小於0.01wt％。
實施方式
實施例1
按附圖工藝，檢驗原料，選用牌號AL99.85A鋁錠（成份見表3），放入鋁錠熔煉爐中熔化，加入0.03wt％的鐵鋁合金（牌號為AlFe20）、0.02wt％的硼鋁合金（牌號為AlB3）。經均勻攪拌、精練除氣、取樣分析（視結果決定是否補充加料），除渣，精煉溫度740～750℃，精煉時間8～12分鐘，靜置時間15分鐘，（進行爐前化學快速分析，監測調控元素含量，見表4）後進行澆鑄，澆鑄溫度700～710℃，經軋制溫度為500℃左右，軋製成Φ12.0毫米的鋁桿，在高速拉絲機上，以16米/秒拉絲速度，配模為7道模具拉制Φ3.99毫米鋁絲。鋁絲導體雜質成份含量及性能見表4。
實施例2
按附圖工藝，檢驗原料，選用牌號AL99.70A鋁錠（成份見表3）。放入熔鋁爐中熔化，加入0.05wt％的富鑭稀土鋁合金，加入0.04wt％的硼鋁合金（牌號為AlB3）。經均勻攪拌、精練除氣、除渣，精煉溫度740～750℃，精煉時間8～12分鐘，靜置時間15分鐘，（進行爐前化學快速分析，監測調控元素含量，見表4）後進行澆鑄，澆鑄溫度700～710℃，入軋溫度控制在500℃左右，軋製成Φ12.0毫米的鋁桿，在高速拉絲機上，拉絲速度16米/秒，配模為7道模具進行拉Φ3.99毫米鋁絲。鋁絲導體雜質成份含量及性能見表4。
比較例1
選用牌號AL99.85A的鋁錠，添加AlB4、ALFe20後鋁桿的性能見表5，其餘工藝參數同上述實施例基本保持不變。
比較例2
選用牌號AL99.85A的鋁錠，不添加AlB4、ALFe20後鋁桿的性能見表5，其餘工藝參數同上述實施例基本保持不變。
20℃導體電阻率（納歐姆·米） | 導電率（％IACS） | 抗拉強度/兆帕 | |
該發明 | 27.300～27.650 | 62.4～63.2%IACS | 160～200 |
GB/T17048-1997 | 最大值28.264 | 61%IACS | 160-200 |
GB3955-1983 | 不大於28.264 | 61.0%IACS | 最大98 |
CN1271024 | 2.72～2.74 | 62.9～63.3%IACS | 108兆帕 |
CN1616696 | 27.21～27.85 | 61～63%IACS | 105～115 |
CN1978686 | 28.735～29.725 | 58～60%IACS | ≥170 |
CN1485455 | 28.735～29.725 | 58～60%IACS | ≥170 |
CN101074465 | ≤31.347 | ≥55%IACS | ≥255 |
說明：除該發明外，均沒有導電率和抗拉強度均高的鋁導體。
表2：該發明抗拉強度與GB/T17048-1997硬鋁及GB3955-1983軟鋁對比 | |||
|---|---|---|---|
直徑毫米 | 該發明抗拉強度/兆帕 | GB/T17048-1997抗拉強度/兆帕 | 軟鋁導體抗拉強度/兆帕 |
d≤1.25 | 200 | 200 | ≤98 |
1.25<d≤1.50 | 195 | 195 | 1.01<d≤10.0毫米 ≤98 |
1.50<d≤1.75 | 190 | 190 | |
1.75<d≤2.00 | 185 | 185 | |
2.00<d≤2.25 | 180 | 180 | |
2.25<d≤2.50 | 175 | 175 | |
2.50<d≤3.00 | 170 | 170 | |
3.00<d≤3.50 | 165 | 165 | |
3.50<d≤5.00 | 160 | 160 | |
註：該發明導體20℃導體電阻率納歐姆·米≤0.027585，相當於62.5％IACS，線膨脹係數1/℃，23×10，20℃時電阻溫度係數1/℃，0.00403；GB/T17048-1997鋁導線，20℃導體電阻率納歐姆·米≤28.264，相當於61％IACS，線膨脹係數1/℃，23×10，20℃時的電阻溫度係數1/℃，0.00403；軟鋁導線，20℃導體電阻率納歐姆·米≤0.02800，相當於61.6％IACS，線膨脹係數1/℃，23×10，20℃時的電阻溫度係數1/℃，0.00407。
/ | 鋁 | 矽 | 鐵 | 銅 | 鈣 | 鎂 | 雜質總和 |
例1 | 99.87 | 0.03 | 0.09 | 0.00 | 0.01 | 0.00 | 0.13 |
例2 | 99.70 | 0.06 | 0.13 | 0.002 | 0.019 | 0.008 | 0.215 |
比1 | 99.87 | 0.03 | 0.09 | 0.00 | 0.01 | 0.00 | 0.13 |
比2 | 99.87 | 0.03 | 0.09 | 0.00 | 0.01 | 0.00 | 0.13 |
/ | 例1 | 例2 |
Fe | 0.10～0.12wt% | 0.13wt% |
Si | ≤0.03wt% | 0.05wt% |
Fe/Si | 3.67 | 2.6 |
重金屬總含量 | ≤0.01% | ≤0.01% |
直徑（Φ毫米） | 3.99 | 3.99 |
20°C導體電阻率（納歐姆·米） | 27.39 | 27.690 |
導電率（％IACS） | 62.9%IACS | 62.3%IACS |
鋁桿抗拉強度兆帕 | 117 | 119 |
表5：AL99.85A鋁錠中添加或不加AlB4、ALFe20鋁桿性能 | ||||
|---|---|---|---|---|
直徑毫米 | 20℃導體電阻率/納歐姆·米 | 抗拉強度/兆帕 | 伸長率％ | |
添加AlB3、ALFe20 | 9.0～20.0 | ≤0.02750 | 110～130 | ≥10 |
不添加AlB3、ALFe20 | 9.0～20.0 | ≤0.02780 | 110～130 | ≥8 |
比較例表明，重金屬雜質對導電性能的影響，以及鐵含量對機械性能的影響。熔鋁中添加AlB3、ALFe20，降低了電阻率，伸長率得到提高，提高了加工性能。
榮譽表彰
2014年11月6日，《架空導線用鋁導體》獲得第十六屆中國專利優秀獎。
