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高导电性能的研究与应用 张卫星 山东大学电气工程学院 济南 250061 摘 要 本文针对目前输电线路已使用的耐蚀型铝导线普遍存在导线耐蚀性能提高则相应导电性能下降的实际情况，提出了采用在已满足电工用铝标准的铝线中添加富铈稀土提高导电率，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标基础上达到平衡“稀土与耐蚀合金导电平衡技术”的方法。对其机理进行了初步分析与研究。同时对拉拔成型的铝导线进行了导电性能及耐蚀性能的比较，结果表明该技术是提高铝导线耐蚀性能同时保持良好导电性能的有效方法。关键词 输电线路 耐蚀性能 导电性能 由于大气环境的变化，特别是工业重污染地区、酸雨频繁和沿海地区，对钢芯铝绞线的抗大气腐蚀性能提出了越来越高的要求。虽然钢芯铝绞线长期使用后腐蚀危害主要集中在钢芯，但是铝导线的腐蚀也是不可忽视的一部分，主要表现为：长期使用后的铝导线在大气环境下不可避免的产生腐蚀现象，主要以“晶间腐蚀”为特征，而腐蚀后的铝导线其导电率受到影响，在维持原线路电负载的条件下，不仅增加了“线耗”，同时运行时导线温度一般会不同程度提高，温度的提高则又使腐蚀速度加快，从而形成恶性循环。 国外从五十年代开始了耐蚀铝导线的研制工作，六十年代在国内也引起了关注。但目前该类耐蚀铝导线产品存在一个共同的缺陷，就是随着耐蚀性能提高，其导电率下降。如具有代表性的产品铝镁合金导线，虽然耐蚀性能提高同时兼有抗拉强度高的特点，但是其导电率下降13左右，因而限制了其广泛应用。因此研究确保导电率61 IACS，电阻率0.028264mm2/m前提下，具有优良的抗大气腐蚀的耐蚀铝导线是有着实际重要意义的研究工作。 一、“稀土与耐蚀合金导电平衡技术”的基本原理 我国科技工作者12就稀土添加在铝中提高导电率的作用，进行了深入的研究并获得了很好的应用效果，并从七个方面解释了其作用机理，总结性的提出了“稀土的加入，降低了铝固溶体中硅的含量，这是提高导电率的主要原因”，并采用“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的产品，实际生产工业化后解决了我国由于大部分铝资源与国外不同，生产的铝锭为含硅量高的非电工用铝锭的难题。影响铝导电性能的主要因素是铝中的硅含量。“稀土优化综合处理法”的目的是将非电工用铝锭经处理达到国标要求的导电率61 IACS，电阻率0.028264mm2/m水平的电工用铝锭，由于课题性质原因，因而未做继续提高导电率的工作。 “稀土与耐蚀合金导电平衡技术”的基本原理为：在符合国家标准的电工级铝锭中，继续添加富铈稀土进行处理，使铝固溶体中硅含量继续减少，导电率进一步提高，然后再添加耐蚀合金元素，由于耐蚀合金元素的加入使导电率下降，最后在富铈稀土处理提高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0.028264mm2/m，又能使耐蚀性能提高的经济合理平衡点。 铝固溶体中硅含量是影响导电率的主要因素。富铈稀土加入铝中与硅一起以置换固溶的方式溶入Fe3SiAl12杂质相（相）并形成CeSi2或Ce5Si3等类化合物是稀土在铝中存在的主要形式。富铈稀土存在于晶界骨骼和枝晶间圆形或椭圆形的颗粒中，而晶界条状相中一般不含稀土。晶界骨骼相中都含有稀土，但颗粒相中稀土含量更高，并且形态和组成不是单一的。但是不论以何种组成与形态出现，含稀土相中的硅含量要明显高于纯铝中的硅含量。 采用自行冶炼的铝基富铈稀土铌系+M中间合金为耐蚀合金元素，它在铝中的组成与分布由于多种元素的加入更加复杂，我们将深入研究，本文着重就耐蚀性能提高幅度、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，即保证导电率61 IACS，电阻率0.028264mm2/m前提下，找出最优控量点，其他特性指标及相关机理的研究另行发表。 二、实验方法及实验步骤 实验条件： SG-2.5-16硅钼棒高温电炉 先科仪器公司 SG-1.5-12坩埚电阻炉 先科仪器公司 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 恒物高新技术有限公司 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 实验步骤及实验方案： 实验方案一：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的影响。 实验方案二：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的影响。 实验方案三：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的影响。 三、实验结果讨论与应用测试 实验过程就不同铝基耐蚀元素中间合金品种选择及添加用量；不同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 0.120.23 wt 铝基铌+MB11 0.180.27 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实验结果。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实验电工级铝锭铝杆耐蚀铝基合金铝杆9.51五组试样平均值9.51五组试样平均值电阻率mm2/m耐蚀性能盐雾失重法g/m2hr电阻率mm2/m耐蚀性能盐雾失重g/m2hr0.027980.4790.027940.1876.43五组试样平均值6.43五组试样平均值电阻率mm2/m耐蚀性能盐雾失重法g/m2hr电阻率mm2/m耐蚀性能盐雾失重g/m2hr0.028040.4810.028170.179 * 盐水喷雾试验条件：NaCl：CuCl2，505g/L：0.260.2g/L ；pH=3.13.3； 试验温度501，试验周期96小时。 以650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给出了批量生产的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/m2hr平均失重率g/m2hr直径长度耐蚀铝基合金线12.807160.10.1860.18422.806160.40.179 32.801160.70.183 42.803160.90.190电工级铝线12.804160.70.4760.48822.807160.30.48132.803160.10.48742.806160.50.479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/m2hr平均失重率g/m2hr耐蚀铝基合金线12.8070.4130.39622.8010.390 32.8030.385电工级铝线12.8070.5510.56122.8040.57032.8020.560 * 全浸腐蚀试验条件：4.55.5 NaCl溶液，用乙酸调整至pH=7.0，25恒温不搅拌。 从系统实验结果，结合目前理论研究和分析观察，我们初步认为：1. 稀土的添加 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，对导电率提高而言同含量加入时，以铝基富铈稀土中间合金为最佳，这说明稀土中铈起着主要作用。主要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高导电率效果最差。铝基富铈稀土中间合金可提高导电率的原因可能为：铈与铝中的硅的置换固溶入杂质相内，而影响铝导电率的主要因素为铝中硅的含量高低。这种置换固溶传质使铝固溶体中硅含量减少，从而提高铝导线的导电率，这与文献报道一致。能谱分析说明，纯铝颗粒相中含硅量在2.312.53之间，而加入稀土的铝颗粒相中含硅量在3.276.72之间，也说明了加入稀土可减少铝固溶体中硅含量。2. 耐蚀合金元素的添加 “稀土与耐蚀合金导电平衡技术”的关键是稀土加入后提高导电率的幅度，提高幅度的大小决定添加耐蚀合金元素量的大小。由于提高导电率幅度有限，所以要求添加的耐蚀合金元素的量应该尽可能少，使“耐蚀合金元素加入导电率下降”的影响减至最小，在耐蚀合金使用最少的基础上，应选择提高耐蚀性能幅度大的耐蚀合金元素同时应尽可能选择耐蚀合金元素导电率高的品种。实验结果表明铝基铌+MB11中间合金可满足上述要求，特别MB11的加入效果明显，一般认为该耐蚀元素应该对导电率有较大影响，但是实验中表现出影响不大的效果。其原因可能是该合金元素与稀土表现为类似的传质性能，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，这有待于进一步深入研究和讨论。 四、结论 1. 采用添加稀土使电工铝中固溶体硅含量有效降低，从而提高铝导线导电率，在此基础上添加耐蚀元素，使“铝导线中添加耐蚀元素可提高耐蚀性能，但导电率下降”这一矛盾，在满足导电率61 IACS，电阻率0.028264mm2/m条件下达到平衡，