高質(zhì)量鋁合金系列桿材制造工藝探討

尤偉任，繆小林，顧孫望，金 榕，鄭 秋，劉 斌

(1.上海中天鋁線有限公司，上海201108;2.上海電纜研究所，上海200093)

0 引言

近年來，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電網(wǎng)的發(fā)展勢(shì)頭迅猛。鑒于國(guó)內(nèi)外架空導(dǎo)線技術(shù)的發(fā)展，架空線路的輕質(zhì)化已經(jīng)成為可能。根據(jù)國(guó)外技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)，架空導(dǎo)線導(dǎo)電基體的合金化將是我國(guó)電力線路建設(shè)未來發(fā)展的主要方向。在導(dǎo)電基體合金化進(jìn)程中，國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)對(duì)鋁合金應(yīng)用中的相關(guān)要素，如價(jià)格、成材率、制造質(zhì)量水平等仍存在疑慮。如何保證高安全性、高質(zhì)量的產(chǎn)品應(yīng)用于電網(wǎng)，成為架空導(dǎo)線制造企業(yè)的一大課題。

目前我國(guó)輸電線路上使用的鋁合金導(dǎo)線主要是高強(qiáng)度鋁合金系列產(chǎn)品，其主要以鋼芯或特強(qiáng)鋼芯鋁合金絞線的形式應(yīng)用于大跨越、重冰區(qū)、大擋距工程。這些工程所處位置的環(huán)境條件一般都比較惡劣，而且又是整條輸電線路中比較關(guān)鍵的一段，因此對(duì)導(dǎo)線的機(jī)械性能(包括抗拉強(qiáng)度、弧垂特性、蠕變特性和抗疲勞能力等)要求非常高。

隨著鋁合金導(dǎo)線產(chǎn)品應(yīng)用量提高，越來越多的國(guó)內(nèi)導(dǎo)線廠家開始生產(chǎn)鋁合金導(dǎo)線。本文將著重探討如何控制鋁合金桿材制造中鋁熔體含氫和夾渣;如何生產(chǎn)出具有高安全性、高質(zhì)量的鋁合金系列桿材，為輸電線路安全提供保障。

1 鋁液中氫、渣危害性

在上文所述諸多影響導(dǎo)線運(yùn)行安全的因素中，抗疲勞特性是相當(dāng)重要的一點(diǎn)，作為大長(zhǎng)度應(yīng)用的架空導(dǎo)線，目前的檢測(cè)方法僅僅是對(duì)送檢產(chǎn)品負(fù)責(zé)。若產(chǎn)品存在缺陷，在導(dǎo)線架線初期無法體現(xiàn)，將在以后線路運(yùn)行中造成巨大隱患，一旦導(dǎo)線在使用過程中引發(fā)斷裂等現(xiàn)象，將造成重大事故。為此，要求制造廠家必須在制造工藝上下功夫，提高產(chǎn)品質(zhì)量。目前國(guó)內(nèi)大部分導(dǎo)線生產(chǎn)廠家對(duì)如何提高鋁合金桿材的機(jī)械性能，特別是抗疲勞特性，沒有找到較好的研究切入點(diǎn)。近年來，上海中天鋁線有限公司與國(guó)內(nèi)著名院校建立了聯(lián)合研究中心，以研究高純度、高精度鋁熔體為工作重點(diǎn)，積累了一定經(jīng)驗(yàn)，深刻了解到鋁液中氫、渣的危害性。

1.1 鋁液中的渣

鋁合金在生產(chǎn)過程中，會(huì)帶入一些非金屬夾雜物，在重熔過程中也會(huì)產(chǎn)生非金屬夾雜。這些非金屬夾雜物主要是氧化夾雜物，一部分由爐料帶入，一部分在澆注前由金屬熔體氧化而成:

從宏觀來說，夾雜物的存在直接減少了其存在截面的面積，導(dǎo)致軸向總抗拉力減小。此外，大顆粒的夾雜物會(huì)使鑄件組織不連續(xù)，降低工件的氣密性，成為腐蝕的根源，明顯地降低材料的強(qiáng)度和塑性，也往往成為零件的裂紋源。另外，細(xì)小的夾雜物分布在鋁熔體中，會(huì)使鋁熔體的粘度增加，從而降低鋁合金的補(bǔ)縮能力，容易形成縮孔或縮松。對(duì)高強(qiáng)度鋁合金來說，則使其機(jī)械強(qiáng)度和使用可靠性降低，這將嚴(yán)重影響鑄件的抗疲勞性能［1］。

1.2 鋁液中的氫

氫是唯一能大量溶解于鋁熔體中的氣體，在鋁熔體中的氣體，80%甚至90%以上都是氫氣，這一觀點(diǎn)已被萃取氣體的光譜分析數(shù)據(jù)以及用鈀片過濾氫氣所得的試驗(yàn)結(jié)果所證實(shí)［2］。生產(chǎn)架空導(dǎo)線鋁單絲用的 9.5 mm鋁桿是通過改良的普洛佩茲法制造的，屬于連鑄連軋范疇。制造過程中鋁熔體是在大氣中進(jìn)行熔煉的，在這樣的熔煉環(huán)境中，不可避免地存在水蒸氣。當(dāng)鋁熔體暴露于這些水蒸汽時(shí)，氫原子將按下式從水蒸汽中分離出來并溶解在鋁熔體中:

圖1為氫在純鋁中的溶解度與溫度的關(guān)系。從圖1中可以看出，在溫度降低至熔點(diǎn)以下、鋁液凝固的瞬間，只有不到5%的氫原子能以原子形式繼續(xù)存在于固態(tài)鋁中，其余95%的氫都將從鋁中析出并形成分子態(tài)的氫氣，進(jìn)而在凝固后的鋁材中形成氣孔或疏松組織，如圖2。

另外，有研究實(shí)踐表明，鋁液中夾雜和氫存在相互作用關(guān)系［3］。鋁液中夾雜含量越高，除氫動(dòng)力學(xué)條件就越差，產(chǎn)品針孔率就越高。因此，為滿足越來越高的性能要求，在架空導(dǎo)線用鋁導(dǎo)體的生產(chǎn)過程中必須采取相應(yīng)的除渣除氣措施，并推陳出新，探尋凈化效率更高的工藝方法。

2 鋁液純凈化工藝探討

架空導(dǎo)線生產(chǎn)制造行業(yè)發(fā)展至今，各道次工序都已經(jīng)過各方的深入研究。有相當(dāng)部分的工藝技術(shù)已被公式化并得到行業(yè)認(rèn)可，特別是拉絲和絞線工序的相關(guān)參數(shù)。但在連鑄連軋生產(chǎn)鋁(合金)桿這道最初工序里卻仍有許多值得探討的地方，而只有生產(chǎn)出高質(zhì)量的鋁(合金)桿，才能生產(chǎn)出高質(zhì)量鋁合金導(dǎo)線。為此，控制鋁熔體中含氫量、含渣量將成為制造鋁(合金)桿的重中之重。

圖1 一個(gè)大氣壓下純鋁中氫的溶解度隨溫度的變化

圖2 典型析氫缺陷金相

2.1 熔煉與爐內(nèi)精煉

原材料優(yōu)選是產(chǎn)品質(zhì)量控制的第一個(gè)步驟，控制鋁熔體含氫量、含渣量應(yīng)從鋁錠和中間合金抓起。由于固體測(cè)氫難度較大，原材料產(chǎn)地的氣候(氣候潮濕鋁液吸氫量較大)、生產(chǎn)廠家的工藝控制水平和金相分析可以作為選擇原材料的主要參考依據(jù)。如圖3為兩塊鋁硅中間合金錠的金相分析圖片。其中，a圖試樣存在明顯的鑄造缺陷，原材料中本來就存在的氫或夾雜將熔入到鋁熔體中，增加后續(xù)工序的精煉難度;b圖為理想的Al－Si中間合金組織。

圖3 典型Al－Si中間合金金相圖

熔煉之后的爐內(nèi)精煉也是鋁合金生產(chǎn)的必經(jīng)步驟，在一般鋁制品生產(chǎn)中常用的爐內(nèi)凈化方法有:

(1)單純氣體吹洗。氣體吹洗分為惰性氣體吹洗、活性氣體吹洗和混合氣體吹洗，利用氣體與熔體間物理、化學(xué)作用，以及對(duì)非金屬夾雜物的吸附凈化作用，將雜質(zhì)去除。常見的如N2、Cl2或N2和Cl2混合氣體吹洗。

(2)熔劑精煉。利用堿金屬、堿土金屬的氯鹽或氟鹽按一定配比制成熔劑，通過熔劑的吸附、溶解作用，達(dá)到除氣除渣效果。這種方法是最早應(yīng)用的凈化方法之一，但是通過實(shí)踐證明其作用主要在除渣，除氫效果十分有限。

(3)氣體熔劑混合吹洗。由于氣體吹洗和熔劑精煉各有側(cè)重，各具優(yōu)劣，難以全面除渣。因此人們又采用了氣體和粉狀熔劑混合噴吹法，此法綜合了前兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，使總體凈化水平得到提高。

(4)真空處理。利用真空將熔體中的氣體和夾雜除去，可以避免熔體再度吸氣和二次污染，凈化效果好，對(duì)環(huán)境污染小。但是該方法目前較常用于實(shí)驗(yàn)室制備高純鋁制品，工業(yè)化批量生產(chǎn)對(duì)裝備水平的要求過高。

以上幾種精煉方法，都需要配合以均勻、適度的攪拌，才能充分發(fā)揮精煉效果。實(shí)踐證明，單一的攪拌方式無法達(dá)到最理想的效果，人工攪拌、機(jī)械攪拌和電磁攪拌的合理配合不僅有助于精煉劑發(fā)揮效能，更能使合金成分均勻分布于鋁液各處。

2.2 爐外精煉

由于爐內(nèi)凈化除渣效果不佳，而且熔體有可能二次污染，使得僅靠爐內(nèi)精煉措施獲得的凈化效果不佳，往往需要一系列的爐外精煉措施，而使用連鑄連軋的方法制造鋁(合金)桿則需要所有爐外精煉措施均為在線連續(xù)式。

2.2.1 除 渣

現(xiàn)在生產(chǎn)中一般采取的在線除渣方式都是在保溫爐和澆鑄系統(tǒng)之間的流槽使用陶瓷過濾器過濾熔體。過濾介質(zhì)是泡沫狀結(jié)構(gòu)，原始產(chǎn)品是聚酸醋泡沫，涂一層陶瓷介質(zhì)，然后干燥并在高溫下焙燒，焙燒時(shí)有機(jī)成分分解，最終產(chǎn)品是原始泡沫的陶瓷。

生產(chǎn)時(shí)熔體從上向下流過過濾器，由于陶瓷結(jié)構(gòu)的表面張力而吸附了夾雜物。這個(gè)機(jī)理和夾雜粒子相應(yīng)的粘結(jié)力之間相互作用，以致在過濾器上部形成一個(gè)濾孔更細(xì)小的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，最終對(duì)熔體形成過濾作用的就是這層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

由于過濾器原始孔徑大小的不同，其吸附夾雜的表面張力不同，最終形成的濾網(wǎng)過濾能力也不同。隨著市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品性能、精細(xì)度的要求不斷提高，很多廠家將過濾器的規(guī)格也逐步由20目調(diào)至30目，甚至為40目，但由于過濾器目數(shù)對(duì)生產(chǎn)效率有明顯的影響，所以在大規(guī)模生產(chǎn)中采用40目以上過濾器的例子較少;此外過濾箱體結(jié)構(gòu)也由最初的開放式改造成密封式，有的還加裝了自動(dòng)控溫系統(tǒng)。有數(shù)據(jù)顯示，正常工藝條件下鋁液通過30目陶瓷過濾器后剩余夾雜物尺寸基本在5～20μm之間，若要進(jìn)一步提升凈化效果，還需尋找新的凈化措施。

目前比較先進(jìn)的凈化措施有電磁凈化和管式過濾技術(shù)。以日本三井為代表的管式過濾器近來受到頗多關(guān)注，其凈化效果顯著，但同時(shí)付出的是較大的耗材成本和生產(chǎn)效率在一定程度上的降低，因此應(yīng)用范圍受到了限制。電磁凈化技術(shù)的研究工作在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開展了近十年，目前中國(guó)的電磁凈化技術(shù)在世界上處于領(lǐng)先地位，且已在國(guó)內(nèi)鋁加工行業(yè)有了非常好的應(yīng)用，經(jīng)加拿大ABB公司專利FoDFA測(cè)渣儀檢測(cè)證明其凈化效果非常顯著。上海中天鋁線有限公司目前正在與國(guó)內(nèi)著名院校合作，研制新型金屬熔體在線電磁凈化裝置，以應(yīng)用在鋁(合金)桿材的批量制造工藝上，目前已取得可喜成果。

2.2.2 除 氫

(1)透氣磚底吹凈化

近年來，在煉鋼工業(yè)有廣泛應(yīng)用的透氣磚開始應(yīng)用于鋁工業(yè)，開發(fā)了相應(yīng)的鋁精煉用透氣磚及除氣系統(tǒng)，在靜置爐或澆包上取得了良好的效果，隨后開始逐漸應(yīng)用于流槽或作為在線除氣裝置。

如圖4，熔煉爐內(nèi)的鋁液連續(xù)地由箱體一端的流槽進(jìn)入除氣室，在其中通過透氣磚從底部吹入N2或N2－Cl2混合氣體，并將其分散成氣泡進(jìn)入鋁液內(nèi)部，凈化氣體的壓力和流量可通過相應(yīng)的氣路進(jìn)行調(diào)節(jié)。氣泡在上浮的過程中，鋁液中溶解的氫通過擴(kuò)散不斷進(jìn)入，直至氣泡從鋁液表面逸出，經(jīng)過除氣處理后的鋁液通過另一端的流槽流出［4］。

圖4 透氣磚底吹凈化裝置示意圖

上海中天鋁線有限公司曾在生產(chǎn)中使用過該除氣裝置，由于環(huán)保，政府相關(guān)部門規(guī)定不得使用Cl2，之后發(fā)現(xiàn)在只使用N2的情況下其除氣效率只有40%左右;且若不加裝溫控裝置，透氣磚較容易因凝鋁而堵塞，若加裝溫控裝置，其成本提升又較高，因此改用了旋轉(zhuǎn)噴吹式精煉爐作為在線除氣措施。

(2)旋轉(zhuǎn)噴吹式精煉爐

圖5為旋轉(zhuǎn)噴吹式精煉爐的常見形式。瓶中的N2或N2－Cl2混合氣體通過伸入至鋁液底部的轉(zhuǎn)子吹入鋁液內(nèi)，電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，形成的渦流將大氣泡打碎成細(xì)小的氣泡并使之均勻分布在除氣室中鋁液的各個(gè)部位。

圖5 旋轉(zhuǎn)噴吹式精煉系統(tǒng)示意圖

精煉爐的箱體結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)子及葉片設(shè)計(jì)、溫控裝置等客觀條件都會(huì)對(duì)除氫效果產(chǎn)生影響，也是在選擇設(shè)備時(shí)需考慮的重要因素。密封性良好且有保護(hù)氣體填充爐腔的箱體結(jié)構(gòu)有助于減少鋁液在除氫過程中因液面波動(dòng)而再與空氣中的水蒸氣反應(yīng)發(fā)生吸氫，而爐腔面積與轉(zhuǎn)子大小及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速則共同影響著氣泡在鋁液中擴(kuò)散的均勻度和氣泡的平均尺寸。

目前，國(guó)內(nèi)鋁合金制造廠家基本上均首先采用保溫爐內(nèi)精煉技術(shù)以去除鋁液的含氫量，其次有的工廠具備了旋轉(zhuǎn)噴吹式精煉爐。采用保溫爐內(nèi)精煉技術(shù)有一定的除氫效果，對(duì)下一步的除氫有很好的促進(jìn)作用。因?yàn)槿翡X液在通過精煉爐前含氫量較低，其精煉后的含氫量也會(huì)相對(duì)較低。上海中天鋁線有限公司目前采用了保溫爐內(nèi)精煉技術(shù)和爐外旋轉(zhuǎn)噴吹式精煉技術(shù)相結(jié)合的制造工藝。在制造鋁合金桿材連鑄連軋?jiān)O(shè)備上均配置了旋轉(zhuǎn)噴吹式精煉爐，更為關(guān)鍵的是在生產(chǎn)鋁合金桿過程中，通過在線測(cè)氫儀數(shù)據(jù)反饋，使精煉爐調(diào)整到了最佳使用參數(shù)。在使用參數(shù)不變的情況下，近年來我們進(jìn)行了一定的數(shù)據(jù)積累。具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 鋁液含氫量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

從表1可以看出:

(1)通過一系列的參數(shù)優(yōu)化，使用旋轉(zhuǎn)噴吹可使精煉爐平均除氫效果達(dá)到55%左右，精煉后含氫量可控制在0.15 ml/100 g Al;

(2)在保溫爐內(nèi)噴射單一精煉劑的除氫效果比混合精煉劑的效果有一定差距，并且會(huì)加大后期精煉爐的除氫壓力，使最終含氫量偏高。另外資料顯示，如果在保溫爐內(nèi)進(jìn)行精煉，爐外精煉前含氫量將超過0.50 ml/100 g Al，雖然爐外精煉除氫效果可能達(dá)到70%或以上，但精煉后平均值將還是在0.18 ml/100 g Al左右。因此，保溫爐內(nèi)的精煉的處理也是必須的。

目前除航空航天工業(yè)外，以只用N2除氫氣體為前提，國(guó)外鋁及鋁合金材行業(yè)產(chǎn)品含氫量領(lǐng)先水平為(0.12～0.15)ml/100 g Al，國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平僅為(0.15～0.18)ml/100 g Al，因此在鋁液除氫的工藝上還需進(jìn)一步研究。在國(guó)外還有一些新興的除氫裝備，如法國(guó)的高壓噴氣除氫裝置Jetcleaner［6］等已經(jīng)在逐漸進(jìn)入鋁工業(yè)市場(chǎng)，其應(yīng)用效果值得關(guān)注。

3 結(jié)束語

架空導(dǎo)線具有大長(zhǎng)度制造這一特點(diǎn)，在各道次產(chǎn)品檢測(cè)時(shí)所取樣品的代表性不夠高，合格產(chǎn)品也有可能存在隱患，因此其材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、連續(xù)性非常重要。上海中天鋁線有限公司自與國(guó)內(nèi)著名院校共建聯(lián)合研究中心以來，借助院校的優(yōu)秀技術(shù)平臺(tái)在鋁熔體純凈化工藝研究上走在了國(guó)內(nèi)前列。經(jīng)過對(duì)鋁熔體含渣量、含氫量的控制，減少了生產(chǎn)過程中的斷線問題，提高了導(dǎo)線的抗疲勞性能，減少了線路安全隱患。

隨著架空導(dǎo)線合金化應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，國(guó)內(nèi)鋁合金制造生產(chǎn)線也越來越多。為使國(guó)內(nèi)架空導(dǎo)線技術(shù)提升，制造廠家在生產(chǎn)過程中除鋁合金配方以外，更要注重導(dǎo)線的品質(zhì)控制工藝技術(shù)，在設(shè)備及材料研究上下功夫，使中國(guó)的鋁合金系列桿材生產(chǎn)技術(shù)達(dá)到國(guó)際一流水平。

［1］姚若瓊.鋁合金電磁凈化的現(xiàn)狀及前景［J］.鑄造，2003，52(4):227-229.

［2］巫瑞智.鋁熔體除氫［J］.材料科學(xué)與工藝，2006，14(2):218-221.

［3］傅高升.鋁熔體中雜氣相互關(guān)系初探［J］.福州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1995，23(2):48-52.

［4］疏 達(dá).透氣磚底吹凈化鋁熔體的除氣效率分析［J］.輕合金加工技術(shù)，2009，37(9):24-38.

［5］巫瑞智.在線連續(xù)測(cè)氫儀在鋁熔體表面吸氫特性研究中的應(yīng)用［J］.輕合金加工技術(shù)，2006，34(1):27-34.

［6］蘇鴻英.法國(guó)彼施涅公司新型鋁水除氣裝置Jetcleaner［J］.有色金屬，2003(2):61.