特耐热铝合金导线及其制备方法、钢芯特耐热铝合金绞线与流程

1.本发明属于铝合金材料加工生产技术领域，具体涉及一种特耐热铝合金导线及其制备方法、钢芯特耐热铝合金绞线。


背景技术：

2.随着国经济的快速发展和人们对美好生活向往的追求，电力的需求持续增长，对现有输电线路进行增容改造以提升线路的传输容量显得尤为重要。但传输容量的提高必然导致导线产生大量的热，使增容导线长期处于高温工况环境，因此必须设法提高导电材料的耐热性能。经过多年的研发，我国运行温度为150℃的耐热铝合金和运行温度为210℃的超耐热铝合金目前相对比较成熟，但是在允许连续运行温度为230℃以上的特耐热铝合金方面尚不成熟。因此，开发一种特耐热铝合金导线，对于架空输电线路的输电扩容、降低铁塔的高度来减少土地占用和线路建设成本，都具有重要意义。
3.特耐热铝合金导线耐热性能指标，主要是指在高温下铝合金强度的保持率。经检索公开号为cn114672702a的发明专利公开了一种特耐热铝合金单丝，其元素组成：fe 0.15～0.30%，si≤0.08%，ni 0.1～0.3%，nb 0.01～0.2%，zr 0.2～0.35%，re 0.05～0.2%，其余为al和不可避免的其它杂质元素；不可避免的杂质元素的总量≤0.03%，制造过程中采用二次时效，使得生产工艺复杂，制造成本高。公开号为cn108220693b的发明专利公开了一种稀土铝合金，百分含量的元素组成：锆zr为0.1～2％，镧la为2～5％，铈ce为2～6％，y为2～6％，铁fe为0.05～0.20％，硅si为0.05～0.10％，其他杂质元素含量≤0.10％，其余为铝，该发明的合金具有耐高温性能，但是合金中稀土元素含量在10%以上，合金成本较高，不具备规模化生产和应用的条件。


技术实现要素：

4.本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种特耐热铝合金导线及其制备方法、钢芯特耐热铝合金绞线。本发明能够避免二次时效，并减少昂贵稀土元素的耗用，从而降低制造成本；通过本发明制备方法制得的特耐热铝合金导线的导电率≥58.5% iacs，在310℃的高温下加热400小时，其强度保持率不低于室温时初始测量值的95%。
5.为实现以上技术目的，本发明实施例采用的技术方案是：第一方面，本发明实施例提供了一种特耐热铝合金导线，按重量百分含量计，包括以下组分：锆zr 0.55～1.00wt%，硅si 0.18～0.25 wt %，钪sc 0.07-0.12％，镱yb 0.03～0.06 wt %，铁fe≤0.15 wt %，其它不可避免的微量杂质元素的总和≤0.05 wt %，余量为铝。
6.进一步地，所述特耐热铝合金导线的导电率≥58.5% iacs，抗拉强度≥180mpa，断裂伸长率≥5%。
7.进一步地，所述特耐热铝合金导线在310℃的高温下连续保持400小时，其抗拉强度保持率不小于室温时初始测量值的95%。
8.本发明的特耐热铝合金同时添加有zr元素和sc元素，其中锆zr组分控制在0.55～1.00wt%，钪sc 组分控制在0.07-0.12％。锆zr、钪sc复合添加到铝合金中，利于制备和热处理过程中与al形成的al3zr、al3sc，al3(sc，zr)相的析出，可以有效钉扎位错、亚晶界与晶界，在高温回复过程中阻碍再结晶形核核心的长大，从而提高铝合金的高温强度和再结晶温度。
9.本发明的特耐热铝合金中硅si组分添加控制在0.18～0.25 wt %，这种含量si即能均匀分散到铝基体中，又能控制合金的导电性能。均匀分散在合金热中的si是合金热处理时al3zr、al3sc，al3(sc，zr)相的析出核，使al3zr、al3sc，al3(sc，zr)相析出更分散，进一步提高铝合金的高温强度和再结晶温度。
10.本发明的特耐热铝合金中镱(yb)组分添加控制在0.03～0.06wt%，yb元素在铝中的扩散较zr的扩散快，在进行复合微合金化时，扩散快的yb元素与al优先形成的al3yb先成为内核，进而扩散慢的zr元素以al3yb为异质形核的核心而析出，从而缩短合金杆时效热处理时间，且还能优化其导电性能。
11.本发明的特耐热铝合金中杂质铁fe元素含量≤0.15 wt%，其它不可避免的微量杂质元素的之和≤0.05 wt%，是实现特耐热铝合金导线的导电率≥58.5%iacs的保证。
12.第二方面，本发明实施例提供了一种特耐热铝合金导线的制备方法，包括以下步骤：（1）合金配制：根据铝合金导线的元素组分，在熔炉中添加铝锭原料和中间合金进行熔化，当铝合金液温度升至790～840℃时，对铝液进行搅拌，配制成权利要求1中所需元素配比的铝合金液，再对铝合金液进行精炼、除渣、静置、除气与过滤处理；（2）浇铸轧制：将熔炉中790～840℃的铝合金液经溜槽导入浇嘴，再经浇嘴将铝合金液水平注入结晶器浇铸成型，形成铝合金锭；铝合金锭经过轧机，轧制成直径为9～12mm的铝合金杆；（3）时效处理：将轧制的铝合金杆放入时效炉中，在420～460℃炉温下热处理60～120小时，然后自然冷却至室温，得到时效热处理后的耐热铝合金杆材；（4）单线拉拔：将经过时效热处理的耐热铝合金杆通过拉丝设备冷拉拔成所需形状及规格的特耐热铝合金导线。
13.第三方面，本发明实施例提供了一种钢芯特耐热铝合金绞线，包括中心加强件及同心绞制在其外侧的特耐热铝合金导线，所述中心加强件为钢芯，所述特耐热铝合金导线采用上述的制备方法制得。
14.进一步地，所述钢芯特耐热铝合金绞线为铝包殷钢芯特耐热铝合金绞线，包括铝包殷钢芯加强件及同心绞制在其外侧的特耐热铝合金导线。
15.进一步地，所述钢芯特耐热铝合金绞线为间隙型钢芯特耐热铝合金绞线，包括钢芯加强件及同心绞制在其外侧的特耐热铝合金导线，并且导线绞层与钢芯绞层之间留有间隙。
16.本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明在铝合金中同时加入锆zr和钪sc，可有效改善铝合金导线的耐热性能，在310℃的高温下连续保持400小时，其抗拉强度保持率不小于室温时初始测量值的95%。通过稀土元素镱yb含量的优化，优化耐热铝合金导线的导电性能，使其导电率≥58.5%iacs。制
得的特耐热铝合金导线在310℃的高温下持续加热400小时的过程，相当于在230℃的温度下连续加热40年的过程。可实现输电工程中导线在230℃的温度下运行40年其抗拉强度保持率不低于初始测量值的95%。
17.本发明的特耐热铝合金导线同心绞制在中心加强件钢芯外侧制成钢芯特耐热铝合金绞线，可解决输电线路扩容及光伏、风能等新型能源发电量波动较大的电能输送问题，与常规导线相比可提高2.5倍以上的传输载流量，本发明的特耐热铝合金导线在电力传输过程中，具备在运行温度230℃情况下连续运行40年的承载能力。采用本发明的钢芯特耐热铝合金绞线进行线路扩容，不仅能够降低工程投资造价，还能缩短施工周期，减少土地占用。
附图说明
18.图1是本发明特耐热铝合金导线的制备工艺流程图。
19.图2是本发明实施例1铝包殷钢芯特耐热铝合金绞线的典型结构示意图。
20.图3是本发明实施例2间隙型钢芯特耐热铝合金绞线的典型结构示意图。
21.附图标记说明：1-1-特耐热铝合金导线；1-2-铝包殷钢芯加强件；2-1-特耐热铝合金导线；2-2-钢芯加强件；2-3-间隙。
具体实施方式
22.下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
23.实施例1一种特耐热铝合金导线的制备方法，包括以下步骤：（1）合金配制：准备牌号为al 99.70的铝锭，锆(zr)元素含量10wt%的铝锆中间合金，硅(si)元素含量20 wt %铝硅中间合金，钪(sc)元素含量2wt %铝钪中间合金，及镱(yb)元素含量5 wt %铝镱中间合金；将铝锭在蓄热节能熔化炉中熔化，将铝液温度升温800℃，按合金的组分要求分别向铝液中再添加锆(zr)、硅(si)、钪(sc)、镱(yb)合金元素，并不停的搅拌，铝液中合金元素分布均匀后，对铝液组分进行分析：锆zr 0.565 wt %、硅si 0.182 wt %、钪sc 0.118 wt %、镱yb 0.06 wt %、铁fe 0.14 wt %，不可避免的微量杂质元素的之和为0.045 wt%，余量为铝（al），将调配好组分的铝合金液升温至810℃，再对铝合金液进行精炼、除渣、静置、除气与过滤处理；（2）浇铸轧制：805℃的铝合金液经溜槽导入浇嘴，经过浇嘴水平将铝合金液注入结晶器浇铸成型，形成铝合金锭，将浇铸成型铝合金锭引出，铸锭温度控制520-530℃，再通过轧机，轧制成直径9.5mm的铝合金杆材；（3）时效处理：将轧制的铝合金杆材放入炉温控制在455℃的时效处理炉中，恒温下保持70小时，然后自然冷却至室温，时效处理后合金铝杆抗拉强度120~125mpa，导电率59.14%~ 60.25 %iacs，断裂伸长率18%-22%。
24.（4）单线拉拔：将经过时效热处理的耐热铝合金杆通过拉丝设备，以20%~32%减缩，20~25m/s的速度拉拔成直径3.22mm的铝合金导线。
25.对上述直径3.22mm铝合金导线进行批量性能测试：铝合金导线的抗拉强度为182~
190mpa，导电率为58.75~ 59.38% iacs，断裂伸长率为5～8%。铝合金线放在310℃的高温下持续加热400小时，其强度保持率都大于室温时初始测量值的95.5%。
26.一种铝包殷钢芯特耐热铝合金绞线，包括铝包殷钢芯加强件1-2及同心绞制在其外侧的圆形特耐热铝合金导线1-1。
27.将拉制的48根3.22mm的圆形特耐热铝合金导线1-1同心绞制在7根2.5mm组成的铝包殷钢芯加强件1-2外侧，制得图2所示的典型结构规格为400/35铝包殷钢芯特耐热铝合金绞线。
28.实施例2一种特耐热铝合金导线的制备方法，包括以下步骤：（1）合金配制：准备牌号al 99.70的铝锭，锆元素含量10 wt%的铝锆中间合金，硅元素含量20 wt %铝硅中间合金，钪元素含量2 wt%铝钪中间合金，及镱元素含量5 wt %铝镱中间合金；将铝锭在蓄热节能熔化炉中熔化，将铝液温度升温845℃，按合金的组分要求分别向铝液添加铝锆中间合金、铝硅中间合金、铝钪中间合金、铝镱中间合金，并不停的搅拌，铝液中合金元素分布均匀后，对铝液进行组分分析，铝液中包括以下元素：锆zr 0.987wt%、硅si 0.245 wt%、钪sc 0.072 wt%、镱yb 0.037 wt%、铁fe 0.114 wt%，不可避免的杂质微量元素的之和为0.038 wt %，余量为铝al，将调配好组分的铝合金液升温至850℃，再对铝合金液进行精炼、除渣、静置、除气与过滤处理；（2）浇铸轧制：将845℃的铝合金液经溜槽导入浇嘴，经过浇嘴水平将铝合金液注入结晶器浇铸成型，形成铝合金锭，将浇铸成型铝合金锭引出，铸锭温度控制在540~550℃，再通过轧机，轧制成直径12mm的铝合金杆材；（3）时效处理：将轧制的铝合金杆材放入炉温控制在425℃的时效处理炉中，恒温下保持110小时，然后自然冷却至室温，时效处理后合金铝杆抗拉强度125~130mpa，导电率59.38%~ 60.14% iacs，断裂伸长率15%~20%；（4）单线拉拔：将经过时效热处理的耐热铝合金杆通过拉丝设备，以20%~25%减缩、速度15~20m/s拉拔成截面积为17.5mm2的梯形横截面的铝合金导线。
29.对上述梯形横截面的铝合金导线进行批量性能测试：铝合金导线的抗拉强度为185~200mpa，导电率为58.79%~ 59.52% iacs，断裂伸长率为6～8%。本实施例制得的铝合金导线放在310℃的高温下持续加热400小时，其强度保持率都大于室温时初始测量值的96.1%。
30.一种间隙型钢芯特耐热铝合金绞线，包括钢芯加强件2-2及同心绞制在其外侧的特耐热铝合金导线2-1，并且导线绞层与钢芯绞层之间留有间隙2-3。
31.将23根截面积为17.5mm2的梯形横截面的特耐热铝合金导线2-1同心绞制在7根直径3.44mm、抗拉强度为1850mpa的特高强度钢线组成的钢芯加强件2-2外侧，并且导体绞层与钢芯绞层之间留有间隙2-3，制得图3所示典型结构规格为400/65间隙型钢芯特耐热铝合金绞线。
32.本发明的特耐热铝合金导线同心绞制在中心加强件钢芯外侧制成钢芯特耐热铝合金绞线，可解决输电线路扩容，光伏、风能等新型能源发电量波动较大的电能输送问题，与常规导线相比可提高2.5倍以上的传输载流量，在230℃的高温度下可连续工作40年。工
程中应用本发明的钢芯特耐热铝合金绞线进行线路扩容，不仅能够降低工程投资造价，还能缩短施工周期，减少土地占用。
33.最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。