高导耐热铝合金及铝包钢芯高导耐热铝合金导线的工艺方法

技术领域

本发明涉及输电线路制备技术领域，尤其涉及一种高导耐热铝合金及铝包钢芯高导耐热铝合金导线的工艺方法。

背景技术

架空导线输电线路是国民经济和社会发展的能源主动脉，而双碳目标对我国电网建设提出更高的要求与目标。架空输电线路具有远距离、大容量传输特点，相关数据显示，近几年我国年输电线损约相当于三峡大坝三年的发电量，为进一步降低输电损耗节能减排，需要进一步提升现有输电材料的导电能力。

此外，以光伏发电、风电等为代表的新能源发电得到迅速发展，然而此类新能源电力具有波动性、随机性的特点，这就要求必须要建设弹性电网，允许导线载流量短时升高而不会对输电线路造成不良影响，而耐热导线较好的满足了这一要求。因此，开发高导电率耐热铝合金对于建设弹性电网、促进节能减排具有重要意义。

当前国内耐热铝合金导线主要通过加入少量合金元素Zr等实现耐热性的提高，但合金强度和导电率受到很大限制，难以获得突破性提升。有必要研发新型合金材料和热处理工艺，在此基础上开发高导耐热铝合金以及具有高导电率和良好耐热性的铝包钢芯高导耐热铝合金导线。

发明内容

针对以上不足，本发明提供一种高导耐热铝合金及铝包钢芯高导耐热铝合金导线的工艺方法，用以解决现有的耐热铝合金导线的合金强度和导电率受限并制约铝包钢芯高导耐热铝合金导线的导电率和耐热性的问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高导耐热铝合金，其特征在于，所述铝合金的组分及质量百分比为：Fe：0.1-0.2%，Si：≤0.05%，Er：0.05-0.1%，Zr：0.1-0.15%，La：0.01-0.05%，Ce：0.01-0.05%，其余为Al 和不可避免的杂质元素，其中，不可避免的杂质元素中每种元素的含量均≤0.005%，总量≤0.02%。

进一步地，所述铝合金组分的质量百分比为：Fe：0.12-0.16%，Si：≤0.03%，Er：0.06-0.1%，Zr：0.12-0.14%，La：0.02-0.05%，Ce：0.02-0.05%。

另一方面，本发明还提供一种铝包钢芯高导耐热铝合金导线的工艺方法，采用上述的高导耐热铝合金，包括以下步骤：

铝液熔炼、炉内精炼、在线精炼、连铸连轧、高温热处理、拉拔和绞线；

其中，高温热处理中，对连铸连轧获得的铝合金杆材进行高温热处理，加热温度为350~420℃，保温时间为30~50h。

进一步地，连续铸造采用轮式结晶器，铸坯截面积为2400mm

进一步地，铝液熔炼中，向熔炼炉中加入铝锭、铁剂、铝锆合金、铝铒合金、铝稀土中间合金加热熔化，将铝液充分搅拌均匀，取样进行光谱分析，控制熔体成分在要求的范围内。

进一步地，炉内精炼中，将铝液转至倾动式保温炉，开启炉底电磁搅拌装置，将熔体加热至740~750℃进行炉内精炼，精炼结束后对熔体进行扒渣静置，并重新调整温度至710~720℃。

进一步地，在线精炼包括在线除气和过滤除杂，在线除气采用旋转喷吹除气箱，以高纯氮气为除气介质，喷嘴转速为450r/min，在线过滤采用双级泡沫陶瓷过滤板，孔隙率为30~50PPI。

进一步地，在滑动式拉丝机上对高温热处理后的合金杆材进行拉拔，拉拔获得的单丝的直径为2.5~4.0mm。

进一步地，用导电率为40%IACS的铝包钢绞线作为加强芯进行绞制，得到铝包钢芯高导耐热铝合金绞线。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的高导耐热铝合金，通过合理的合金元素配比，配合杆材高温热处理使难扩散的Er、Zr元素协同析出，形成大量亚稳态的Al

制备的高导耐热铝合金单丝强度≥170MPa、导电率≥61.5%IACS、伸长率≥3%、230℃加热1h强度残存≥90%；

本发明的铝包钢芯高导耐热铝合金导线的工艺方法，以导电率为40%IACS的铝包钢绞线做为加强芯进行绞制，得到具有优良导电性能和耐热性能的铝包钢芯高导耐热铝合金绞线。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种高导耐热铝合金，所述铝合金的组分及质量百分比为：Fe：0.1-0.2%，Si：≤0.05%，Er：0.05-0.1%，Zr：0.1-0.15%，La：0.01-0.05%，Ce：0.01-0.05%，其余为Al 和不可避免的杂质元素，其中，不可避免的杂质元素中每种元素的含量均≤0.005%，总量≤0.02%。

本发明的高导耐热铝合金通过以下步骤进行制备：

铝液熔炼：向熔炼炉中加入铝锭、铁剂、铝锆合金、铝铒合金、铝稀土中间合金加热熔化，将铝液充分搅拌均匀，取样进行光谱分析，控制熔体成分在要求的范围内。

炉内精炼：将铝液转至倾动式保温炉，开启炉底电磁搅拌装置，将熔体加热至740~750℃进行炉内精炼，精炼结束后对熔体进行扒渣静置，并重新调整温度至710~720℃。

在线精炼：浇铸开始后，熔体要经过在线精炼进一步提高纯净度。在线精炼包括在线除气和过滤除杂两个部分，在线除气采用旋转喷吹除气箱，以高纯氮气为除气介质，喷嘴转速为450r/min，在线过滤采用双级泡沫陶瓷过滤板，孔隙率为30~50PPI。

连铸连轧：连续铸造过程采用轮式结晶器，铸坯截面积为2400mm

高温热处理：对铝合金杆材进行高温热处理，加热温度为350~420℃，保温时间为30~50h。高温热处理有两个目的，一是使合金中固溶的Er、Zr以弥散过渡相的形式充分析出，在冷变形后钉扎位错提高再结晶温度；二是使合金导电性能得到大幅提升。

拉拔：在滑动式拉丝机上对高温热处理后的合金杆材进行拉拔，获得直径为2.5~4.0mm的单丝。

以上，完成高导耐热铝合金的制备，高导耐热铝合金以单丝的形式体现。

本发明还提供一种铝包钢芯高导耐热铝合金导线的工艺方法，采用上述的高导耐热铝合金制成，主要包括铝合金的制备以及绞线，包括铝液熔炼、炉内精炼、在线精炼、连铸连轧、高温热处理、拉拔和绞线等步骤，具体为：

铝液熔炼：向熔炼炉中加入铝锭、铁剂、铝锆合金、铝铒合金、铝稀土中间合金加热熔化，将铝液充分搅拌均匀，取样进行光谱分析，控制熔体成分在要求的范围内。

炉内精炼：将铝液转至倾动式保温炉，开启炉底电磁搅拌装置，将熔体加热至740~750℃进行炉内精炼，精炼结束后对熔体进行扒渣静置，并重新调整温度至710~720℃。

在线精炼：浇铸开始后，熔体要经过在线精炼进一步提高纯净度。在线精炼包括在线除气和过滤除杂两个部分，在线除气采用旋转喷吹除气箱，以高纯氮气为除气介质，喷嘴转速为450r/min，在线过滤采用双级泡沫陶瓷过滤板，孔隙率为30~50PPI。

连铸连轧：连续铸造过程采用轮式结晶器，铸坯截面积为2400mm

高温热处理：对铝合金杆材进行高温热处理，加热温度为350~420℃，保温时间为30~50h。高温热处理有两个目的，一是使合金中固溶的Er、Zr以弥散过渡相的形式充分析出，在冷变形后钉扎位错提高再结晶温度；二是使合金导电性能得到大幅提升。

拉拔：在滑动式拉丝机上对高温热处理后的合金杆材进行拉拔，获得直径为2.5~4.0mm的单丝。

绞线：用导电率为40%IACS的铝包钢绞线做为加强芯进行绞制，得到具有优良导电性能和耐热性能的铝包钢芯高导耐热铝合金绞线。

为了更好地解释或说明本发明的高导耐热铝合金及铝包钢芯高导耐热铝合金导线的工艺方法，以下为更为具体的示例性的实施例。

实施例1

本优选的实施例提供一种高导耐热铝合金，所述铝合金的组分及质量百分比为：Fe：0.1%，Si：0.02%，Er：0.05%，Zr：0.1%，La：0.01%，Ce：0.01%，其余为 Al 和不可避免的杂质元素，其中，不可避免的杂质元素中每种元素的含量均≤0.005%，总量≤0.02%。

本优选的实施例还提供一种铝包钢芯高导耐热铝合金导线的工艺方法，包括以下步骤：

铝液熔炼：向熔炼炉中加入铝锭、铁剂、铝锆合金、铝铒合金、铝稀土中间合金加热熔化，将铝液充分搅拌均匀，取样进行光谱分析，控制熔体成分在本实施例的高导耐热铝合金要求的范围内。

炉内精炼：将铝液转至倾动式保温炉，开启炉底电磁搅拌装置，将熔体加热至740℃进行炉内精炼，精炼结束后对熔体进行扒渣静置，并重新调整温度至720℃。

在线精炼：浇铸开始后，熔体要经过在线精炼进一步提高纯净度。在线精炼包括在线除气和过滤除杂两个部分，在线除气采用旋转喷吹除气箱，以高纯氮气为除气介质，喷嘴转速为450r/min，在线过滤采用双级泡沫陶瓷过滤板，孔隙率为30PPI。

连铸连轧：连续铸造过程采用轮式结晶器，铸坯截面积为2400mm

高温热处理：对铝合金杆材进行高温热处理，加热温度为350℃，保温时间为30h。高温热处理有两个目的，一是使合金中固溶的Er、Zr以弥散过渡相的形式充分析出，在冷变形后钉扎位错提高再结晶温度；二是使合金导电性能得到大幅提升。

拉拔：在滑动式拉丝机上对高温热处理后的合金杆材进行拉拔，获得直径为2.5mm的单丝。

对本实施例制得的高导耐热铝合金进行测试，铝合金单线强度为172MPa、导电率为63%IACS、伸长率为3.2%、230℃加热1h强度残存为92%。

实施例2

本优选的实施例提供一种高导耐热铝合金，所述铝合金的组分及质量百分比为：Fe：0.2%，Si：0.05%，Er：0.1%，Zr：0.15%，La：0.05%，Ce：0.05%，其余为 Al 和不可避免的杂质元素，其中，不可避免的杂质元素中每种元素的含量均≤0.005%，总量≤0.02%。

本优选的实施例还提供一种铝包钢芯高导耐热铝合金导线的工艺方法，包括以下步骤：

铝液熔炼：向熔炼炉中加入铝锭、铁剂、铝锆合金、铝铒合金、铝稀土中间合金加热熔化，将铝液充分搅拌均匀，取样进行光谱分析，控制熔体成分在本实施例的高导耐热铝合金要求的范围内。

炉内精炼：将铝液转至倾动式保温炉，开启炉底电磁搅拌装置，将熔体加热至750℃进行炉内精炼，精炼结束后对熔体进行扒渣静置，并重新调整温度至710℃。

在线精炼：浇铸开始后，熔体要经过在线精炼进一步提高纯净度。在线精炼包括在线除气和过滤除杂两个部分，在线除气采用旋转喷吹除气箱，以高纯氮气为除气介质，喷嘴转速为450r/min，在线过滤采用双级泡沫陶瓷过滤板，孔隙率为50PPI。

连铸连轧：连续铸造过程采用轮式结晶器，铸坯截面积为2400mm

高温热处理：对铝合金杆材进行高温热处理，加热温度为420℃，保温时间为50h。高温热处理有两个目的，一是使合金中固溶的Er、Zr以弥散过渡相的形式充分析出，在冷变形后钉扎位错提高再结晶温度；二是使合金导电性能得到大幅提升。

拉拔：在滑动式拉丝机上对高温热处理后的合金杆材进行拉拔，获得直径为4.mm的单丝。

对本实施例制得的高导耐热铝合金进行测试，铝合金单线强度为171MPa、导电率为62.5%IACS、伸长率为3.8%、230℃加热1h强度残存为93%。

实施例3

本优选的实施例提供一种高导耐热铝合金，所述铝合金的组分及质量百分比为：Fe：0.12%，Si：0.03%，Er：0.06%，Zr：0.12%，La：0.02%，Ce：0.02%，其余为 Al 和不可避免的杂质元素，其中，不可避免的杂质元素中每种元素的含量均≤0.005%，总量≤0.02%。

本优选的实施例还提供一种铝包钢芯高导耐热铝合金导线的工艺方法，包括以下步骤：

铝液熔炼：向熔炼炉中加入铝锭、铁剂、铝锆合金、铝铒合金、铝稀土中间合金加热熔化，将铝液充分搅拌均匀，取样进行光谱分析，控制熔体成分在本实施例的高导耐热铝合金要求的范围内。

炉内精炼：将铝液转至倾动式保温炉，开启炉底电磁搅拌装置，将熔体加热至745℃进行炉内精炼，精炼结束后对熔体进行扒渣静置，并重新调整温度至718℃。

在线精炼：浇铸开始后，熔体要经过在线精炼进一步提高纯净度。在线精炼包括在线除气和过滤除杂两个部分，在线除气采用旋转喷吹除气箱，以高纯氮气为除气介质，喷嘴转速为450r/min，在线过滤采用双级泡沫陶瓷过滤板，孔隙率为20PPI。

连铸连轧：连续铸造过程采用轮式结晶器，铸坯截面积为2400mm

高温热处理：对铝合金杆材进行高温热处理，加热温度为400℃，保温时间为38h。高温热处理有两个目的，一是使合金中固溶的Er、Zr以弥散过渡相的形式充分析出，在冷变形后钉扎位错提高再结晶温度；二是使合金导电性能得到大幅提升。

拉拔：在滑动式拉丝机上对高温热处理后的合金杆材进行拉拔，获得直径为3.0mm的单丝。

对本实施例制得的高导耐热铝合金进行测试，铝合金单线强度为173MPa、导电率为63.5%IACS、伸长率为3.6%、230℃加热1h强度残存为94%。

实施例4

本优选的实施例提供一种高导耐热铝合金，所述铝合金的组分及质量百分比为：Fe：0.16%，Si：0.02%，Er：0.1%，Zr：0.14%，La：0.05%，Ce：0.05%，其余为 Al 和不可避免的杂质元素，其中，不可避免的杂质元素中每种元素的含量均≤0.005%，总量≤0.02%。

本优选的实施例还提供一种铝包钢芯高导耐热铝合金导线的工艺方法，包括以下步骤：

铝液熔炼：向熔炼炉中加入铝锭、铁剂、铝锆合金、铝铒合金、铝稀土中间合金加热熔化，将铝液充分搅拌均匀，取样进行光谱分析，控制熔体成分在本实施例的高导耐热铝合金要求的范围内。

炉内精炼：将铝液转至倾动式保温炉，开启炉底电磁搅拌装置，将熔体加热至740℃进行炉内精炼，精炼结束后对熔体进行扒渣静置，并重新调整温度至720℃。

在线精炼：浇铸开始后，熔体要经过在线精炼进一步提高纯净度。在线精炼包括在线除气和过滤除杂两个部分，在线除气采用旋转喷吹除气箱，以高纯氮气为除气介质，喷嘴转速为450r/min，在线过滤采用双级泡沫陶瓷过滤板，孔隙率为30PPI。

连铸连轧：连续铸造过程采用轮式结晶器，铸坯截面积为2400mm

高温热处理：对铝合金杆材进行高温热处理，加热温度为350℃，保温时间为30h。高温热处理有两个目的，一是使合金中固溶的Er、Zr以弥散过渡相的形式充分析出，在冷变形后钉扎位错提高再结晶温度；二是使合金导电性能得到大幅提升。

拉拔：在滑动式拉丝机上对高温热处理后的合金杆材进行拉拔，获得直径为3.0mm的单丝。

对本实施例制得的高导耐热铝合金进行测试，铝合金单线强度为174MPa、导电率为63%IACS、伸长率为3.2%、230℃加热1h强度残存为93%。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。