输电线路耐蚀型铝导线提高导电性能的研究与应用.doc

输电线路耐蚀型铝导线提升导电性能研究与应用
张卫星 山东大学电气工程学院 济南 250061

[摘 要] 本文针对现在输电线路已使用耐蚀型铝导线普遍存在导线耐蚀性能提升则对应导电性能下降实际情况, 提出了采取在已满足电工用铝标准铝线中添加富铈稀土提升导电率, 再添加耐蚀合金元素并经特殊工艺处理, 使之在满足电工用铝导线国家标准基础上达成平衡－“稀土与耐蚀合金导电平衡技术”方法。对其机理进行了初步分析与研究。同时对拉拔成型铝导线进行了导电性能及耐蚀性能比较, 结果表明该技术是提升铝导线耐蚀性能同时保持良好导电性能有效方法。
[关键词] 输电线路 耐蚀性能 导电性能

因为大气环境改变, 尤其是工业重污染地域、 酸雨频繁和沿海地域, 对钢芯铝绞线抗大气腐蚀性能提出了越来越高要求。即使钢芯铝绞线长久使用后腐蚀危害关键集中在钢芯, 不过铝导线腐蚀也是不可忽略一部分, 关键表现为: 长久使用后铝导线在大气环境下不可避免产生腐蚀现象, 关键以“晶间腐蚀”为特征, 而腐蚀后铝导线其导电率受到影响, 在维持原线路电负载条件下, 不仅增加了“线耗”, 同时运行时导线温度通常会不一样程度提升, 温度提升则又使腐蚀速度加紧, 从而形成恶性循环。

国外从五十年代开始了耐蚀铝导线研制工作, 六十年代在中国也引发了关注。但现在该类耐蚀铝导线产品存在一个共同缺点, 就是伴随耐蚀性能提升, 其导电率下降。如含有代表性产品铝镁合金导线, 即使耐蚀性能提升同时兼有抗拉强度高特点, 不过其导电率下降13％左右, 所以限制了其广泛应用。所以研究确保导电率≥61％ IACS, 电阻率≤0.028264Ω·mm2/m前提下, 含有优良抗大气腐蚀耐蚀铝导线是有着实际关键意义研究工作。

一、 “稀土与耐蚀合金导电平衡技术”基础原理

中国科技工作者[1][2]就稀土添加在铝中提升导电率作用, 进行了深入研究并取得了很好应用效果, 并从七个方面解释了其作用机理, 总结性提出了“稀土加入, 降低了铝固溶体中硅含量, 这是提升导电率关键原因”, 并采取“稀土优化综合处理法”, 使国产非电工级铝锭经该法处理后直接生产达电工级铝锭要求产品, 实际生产工业化后处理了中国因为大部分铝资源与国外不一样, 生产铝锭为含硅量高非电工用铝锭难题。影响铝导电性能关键原因是铝中硅含量。“稀土优化综合处理法”目是将非电工用铝锭经处理达成国家标准要求导电率≥61％ IACS, 电阻率≤0.028264Ω·mm2/m水平电工用铝锭, 因为课题性质原因, 所以未做继续提升导电率工作。

“稀土与耐蚀合金导电平衡技术”基础原理为: 在符合国家标准电工级铝锭中, 继续添加富铈稀土进行处理, 使铝固溶体中硅含量继续降低, 导电率深入提升, 然后再添加耐蚀合金元素, 因为耐蚀合金元素加入使导电率下降, 最终在富铈稀土处理提升导电率和耐蚀合金加入降低导电率这一对矛盾中, 找出既满足导电率≥61％ IACS, 电阻率≤0.028264Ω·mm2/m, 又能使耐蚀性能提升经济合理平衡点。

铝固溶体中硅含量是影响导电率关键原因。富铈稀土加入铝中与硅一起以置换固溶方法溶入Fe3SiAl12杂质相（α相）并形成CeSi2或Ce5Si3等类化合物是稀土在铝中存在关键形式。富铈稀土存在于晶界骨骼和枝晶间圆形或椭圆形颗粒中, 而晶界条状相中通常不含稀土。晶界骨骼相中都含有稀土, 但颗粒相中稀土含量更高, 而且形态和组成不是单一。不过不管以何种组成与形态出现, 含稀土相中硅含量要显著高于纯铝中硅含量。

采取自行冶炼铝基富铈稀土铌系+M中间合金为耐蚀合金元素, 它在铝中组成与分布因为多个元素加入愈加复杂, 我们将深入研究, 本文着重就耐蚀性能提升幅度、 形成铝基合金杆冷拉拔成铝线后导电水平二个方面进行宏观研究, 以导电平衡点来决定用量大小, 即确保导电率≥61％ IACS, 电阻率≤0.028264Ω·mm2/m前提下, 找出最优控量点, 其她特征指标及相关机理研究另行发表。

二、 试验方法及试验步骤
试验条件: SG-2.5-16硅钼棒高温电炉 先科仪器企业
SG-1.5-12坩埚电阻炉 先科仪器企业
富铈稀土铝基中间合金
富镧稀土铝基中间合金
镧铈混合稀土铝基中间合金 恒物高新技术有限企业
耐蚀元素铝基中间合金系列品种 自冶
AL99.7重熔用电工级铝锭 山东铝厂
SAN-04铝（渣泡型）质净化均匀剂 华特金属热处理厂
FQY015型盐雾试验箱 上海试验仪器总厂
EG高精度综合电导测试仪 哈尔滨电工仪器厂

试验步骤及试验方案:

试验方案一: 特点为: 先加铝基稀土中间合金, 后加铝基耐蚀元素中间合金, 以观察添加次序及添加量对性能影响。

试验方案二: 特点为: 先加铝基耐蚀元素中间合金, 后加铝基稀土中间合金, 以观察添加次序及添加量对性能影响。

试验方案三: 特点为: 铝基耐蚀元素中间合金和铝基稀土中间合金首先熔炼混合, 后加入电工级铝液中, 以观察添加次序及添加量对性能影响。

三、 试验结果讨论与应用测试

试验过程就不一样铝基耐蚀元素中间合金品种选择及添加用量; 不一样铝基稀土中间合金品种选择及添加用量; 两类铝基中间合金混合含量配比选择及添加次序三个方面, 在导电率和耐蚀性能上进行优化筛选。最终确定: 电工级铝锭中添加:
铝基富铈稀土 0.12～0.23％ wt
铝基铌+MB11 0.18～0.27％ wt

两类中间合金与SAN-04铝（渣泡型）质净化均匀剂混合, 以钟罩沉入法加入整体均匀化, 形成测试用耐蚀铝基合金铝杆。表1给出耐蚀铝基合金铝杆与电工级铝锭铝杆导电率及耐蚀性能对比试验结果。
表1 电工级铝锭铝杆与耐蚀铝基合金铝杆导电性能与耐蚀性能对比试验
电工级铝锭铝杆
耐蚀铝基合金铝杆
φ9.51五组试样平均值
φ9.51五组试样平均值
电阻率
Ω·mm2/m
耐蚀性能盐雾失重法
g/m2·hr
电阻率
Ω·mm2/m
耐蚀性能盐雾失重
g/m2·hr
0.02798
0.479
0.02794
0.187
φ6.43五组试样平均值
φ6.43五组试样平均值
电阻率
Ω·mm2/m
耐蚀性能盐雾失重法
g/m2·hr
电阻率
Ω·mm2/m
耐蚀性能盐雾失重
g/m2·hr
0.02804
0.481
0.02817
0.179

* 盐水喷雾试验条件: NaCl: CuCl2, 50±5g/L: 0.26±0.2g/L ; pH=3.1～3.3; 试验温度50±1℃, 试验周期96小时。

以φ650铝基合金铝杆冷拉拔成铝线, 经测试铝线电气性能符合国家GB 3955-83标准。表2、 3给出了批量生产铝基导线盐水喷雾腐蚀试验和全浸腐蚀试验结果。盐水喷雾试验条件同表1。
表2 盐水喷雾加速腐蚀试验
试验样品编号
尺寸 mm
腐蚀失重率
g/m2·hr
平均失重率g/m2·hr
直径
长度
耐蚀铝基
合金线
1
2.807
160.1
0.186
0.184
2
2.806
160.4
0.179
3
2.801
160.7
0.183
4
2.803
160.9
0.190
电工级
铝线
1
2.804
160.7
0.476
0.488
2
2.807
160.3
0.481
3
2.803
160.1
0.487
4
2.806
160.5
0.479

表3 全浸腐蚀试验
试验样品编号
样品直径
mm
腐蚀失重率
g/m2·hr
平均失重率g/m2·hr
耐蚀铝基
合金线
1
2.807
0.413

0.396
2
2.801
0.390
3
2.803
0.385
电工级
铝线
1
2.807
0.551

0.561
2
2.804
0.570
3
2.802
0.560

* 全浸腐蚀试验条件: 4.5～5.5％ NaCl溶液, 用乙酸调整至pH=7.0, 25℃恒温不搅拌。

从系统试验结果, 结合现在理论研究和分析观察, 我们初步认为:

1. 稀土添加
铝基富镧中间合金、 铝基富铈稀土中间合金、 铝基镧铈混合稀土中间合金三种类别铝基稀土中间合金中, 对导电率提升而言同含量加入时, 以铝基富铈稀土中间合金为最好, 这说明稀土中铈起着关键作用。关键表现为三种类别铝基稀土合金同含量添加时以富镧系列提升导电率效果最差。铝基富铈稀土中间合金可提升导电率原因可能为: 铈与铝中硅置换固溶入杂质相内, 而影响铝导电率关键原因为铝中硅含量高低。这种置换固溶传质使铝固溶体中硅含量降低, 从而提升铝导线导电率, 这与文件报道一致。能谱分析说明, 纯铝颗粒相中含硅量在2.31～2.53％之间, 而加入稀土铝颗粒相中含硅量在3.27～6.72％之间, 也说明了加入稀土可降低铝固溶体中硅含量。

2. 耐蚀合金元素添加
“稀土与耐蚀合金导电平衡技术”关键是稀土加入后提升导电率幅度, 提升幅度大小决定添加耐蚀合金元素量大小。因为提升导电率幅度有限, 所以要求添加耐蚀合金元素量应该尽可能少, 使“耐蚀合金元素加入导电率下降”影响减至最小, 在耐蚀合金使用最少基础上, 应选择提升耐蚀性能幅度大耐蚀合金元素同时应尽可能选择耐蚀合金元素导电率高品种。试验结果表明铝基铌+MB11中间合金可满足上述要求, 尤其MB11加入效果显著, 通常认为该耐蚀元素应该对导电率有较大影响, 不过试验中表现出影响不大效果。其原因可能是该合金元素与稀土表现为类似传质性能, 富集于铝颗粒相中而铝固溶体含量少, 同时添加方法和次序对其发挥作用有较大影响, 这有待于深入深入研究和讨论。

四、 结论

1. 采取添加稀土使电工铝中固溶体硅含量有效降低, 从而提升铝导线导电率, 在此基础上添加耐蚀元素, 使“铝导线中添加耐蚀元素可提升耐蚀性能, 但导电率下降”这一矛盾, 在满足导电率≥61％ IACS, 电阻率≤0.028264Ω·mm2/m条件下达成平衡, 这一技术是处理输电铝导线提升耐蚀性能并确保导电率达成国家标准要求有效方法。

2. 在耐蚀铝基合金导线组成成份选择上, 以添加富铈稀土为佳, 而诸耐蚀元素中以添加铌+MB11为宜, 并以铝基中间合金形式加入, 其中成份均匀混合程度对性能影响很大。结果表明: 铝基富铈稀土添加量为0.12～0.23％（wt）, 铝基铌+MB11添加量为0.18－0.27％（wt）, 可使耐蚀铝基合金导线满足国家标准导电率基础上, 耐蚀性能提升30％以上。