經(jīng)噴砂處理后亞光架空導(dǎo)線的鋁單線性能

鄭 秋， 張傳省， 王詩勇， 趙文明， 劉 斌， 黨 朋， 沈建華

(1.上海電纜研究所，上海200093;2.無錫江南電纜有限公司，江蘇宜興214251)

0 引言

隨著城市的發(fā)展和公共設(shè)施的完善，光污染已日漸成為一些特殊場合周邊環(huán)境條件的重要影響因素。例如機(jī)場周邊的光污染會對飛行員駕駛和飛機(jī)安全起降產(chǎn)生嚴(yán)重影響。為有效降低機(jī)場周邊設(shè)施的反射光對飛行員駕駛的影響，從而避免由此帶來的安全隱患，相關(guān)部門對機(jī)場周邊設(shè)施的表面反射度提出了一定要求。這些設(shè)施就包括機(jī)場周圍的架空輸電線路。傳統(tǒng)的架空導(dǎo)線表面呈光亮的鏡面，而對于機(jī)場附近，有必要采用表面反射度低的亞光架空導(dǎo)線。在不影響輸電線路正常運(yùn)行的前提下，以最大限度地減少導(dǎo)線表面反射的太陽光，從而降低光污染。在歐美一些國家，相關(guān)部門要求在機(jī)場等特殊場合下必須使用亞光架空導(dǎo)線，并對導(dǎo)線表面反射度提出了嚴(yán)格要求。

本文介紹了四種鋁表面的亞光處理方法，并重點(diǎn)對噴砂處理前后架空導(dǎo)線的鋁單線性能進(jìn)行了對比分析。

1 鋁表面的亞光處理方法

架空導(dǎo)線以鋁或鋁合金作為導(dǎo)體來傳輸電能，鋁的表面處理有化學(xué)法、電化學(xué)法和物理方法。為使鋁制品表面呈現(xiàn)亞光狀態(tài)，目前普遍采用的是氧化和著色，氧化主要包括化學(xué)氧化和陽極氧化。另外，對于鋁表面的亞光處理，還包括亞光電泳涂漆和噴砂處理，其中僅噴砂處理屬于物理方法。

1.1 化學(xué)及電化學(xué)處理法

1.1.1 化學(xué)氧化處理

化學(xué)氧化中的化學(xué)消光和酸蝕亞光處理，均為鋁材表面因發(fā)生均勻腐蝕而變得無光，其利用溶液中起活化作用的氟離子或其它鹵族元素的離子，具有強(qiáng)大的穿透能力，能有效溶解鋁制品表面的氧化膜，進(jìn)而侵蝕基體金屬，使之出現(xiàn)許多高度均勻、高密度分布的腐蝕點(diǎn)。同樣在含有鹵族元素離子的溶液中進(jìn)行電解也是基于這個原因，使鋁材表面呈現(xiàn)無光澤狀態(tài)，類似的還有堿蝕亞光處理，但其鋁耗損量是酸蝕的5倍以上。二者都對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染:酸蝕工藝將產(chǎn)生氟化氫等有毒氣體污染、含氟離子廢水和氟鋁酸鹽廢渣等;堿蝕工藝將產(chǎn)生堿霧污染、含堿鋁離子廢水、氫氧化鋁廢渣。

1.1.2 陽極氧化處理及氧化膜著色

陽極氧化時陽極電位較高，由于電解質(zhì)是強(qiáng)酸性的，故陽極反應(yīng)首先是水的電解，產(chǎn)生初生態(tài)的氧原子。氧原子立即在陽極對鋁件表面發(fā)生化學(xué)氧化反應(yīng)，生成氧化鋁，即薄而致密的陽極氧化膜。陽極氧化種類很多，常用的有硫酸法、草酸法、鉻酸法、硬質(zhì)厚膜法、瓷質(zhì)法等。

試驗(yàn)表明，鋁單線經(jīng)20 min陽極氧化處理后，其表面由光亮鏡面變?yōu)槁曰疑珌喒獗砻?，效果明顯。但利用陽極氧化得到理想的亞光表面，需要很長的反應(yīng)時間，嚴(yán)重影響導(dǎo)線生產(chǎn)效率，不適用于實(shí)際生產(chǎn)。

陽極氧化膜的電解著色是，首先將鋁制件在硫酸電解液中制出潔凈的透明多孔的陽極氧化膜，再轉(zhuǎn)移到酸性的金屬鹽溶液中施以交流電電解處理，將金屬微粒不可逆地沉積在氧化膜孔隙底部。采用陽極氧化－著色處理的鋁制品，其最后工序還需進(jìn)行封孔處理。

1.1.3 亞光電泳涂漆

亞光電泳涂料的亞光程度可通過高光漆和消光漆比例變化進(jìn)行凋整，消光漆涂料產(chǎn)生亞光效果。制作消光電泳漆有三種原理:(1)在涂料中分散超細(xì)二氧化硅來達(dá)到降低光澤，但超細(xì)二氧化硅耐化學(xué)藥品性，特別是耐堿性差，不能獲得良好透明性的涂膜，對于涂裝施工復(fù)雜的被涂物，超細(xì)二氧化硅會在被涂物上沉積，因而在其部分區(qū)域會產(chǎn)生光澤差別等缺點(diǎn)。(2)將比重小的有機(jī)微粒子分散在涂料中，該方法對溶劑型噴涂用涂料或浸漬型涂裝用涂料是實(shí)用的，但對于電泳用涂料要考慮該有機(jī)微粒子的電泳性，即通電后的恒定速率泳動特性，水洗時不會造成有機(jī)微粒子脫落。(3)在電泳涂料用樹脂中形成不溶性的粒子內(nèi)微凝膠［1］。

1.2 噴砂處理法及其優(yōu)點(diǎn)

1.2.1 噴砂處理法

噴砂處理屬于機(jī)械物理方法，與化學(xué)方法(如堿蝕亞光處理)相比，不但降低了生產(chǎn)成本，而且大大減少了使用化學(xué)處理方法所帶來的大量廢水、廢氣污染，可以稱之為“綠色工藝”。

傳統(tǒng)堿蝕方法生產(chǎn)鋁材亞光表面時，由于槽液同鋁金屬發(fā)生反應(yīng)，所以導(dǎo)致約5%的鋁金屬溶解在堿槽內(nèi)，造成鋁損。在噴砂處理中，依靠沙粒高速沖擊鋁導(dǎo)體表面，留下無數(shù)細(xì)小的凹坑而形成亞光表面。整個加工過程中，鋁導(dǎo)體表面受到的幾乎只是擠壓，并無明顯鋁損。本文對噴砂處理前后亞光架空導(dǎo)線鋁單線單位長度質(zhì)量的對比正說明了這一點(diǎn)。

1.2.2 噴砂處理法在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中的優(yōu)勢

上述四種鋁表面處理方法原理上均可使鋁表面呈現(xiàn)亞光狀態(tài)，但考慮到架空導(dǎo)線實(shí)際生產(chǎn)的特點(diǎn)，化學(xué)方法和電化學(xué)方法需要的時間過長，在不影響導(dǎo)線生產(chǎn)前期絞制工序的前提下，很難與架空導(dǎo)線的絞制生產(chǎn)結(jié)合起來，而且需要對廠房進(jìn)行較大改造。故化學(xué)氧化處理、陽極氧化處理和亞光電泳涂漆不適用于線纜行業(yè)產(chǎn)品需連續(xù)生產(chǎn)的特點(diǎn)。

噴砂處理是物理方法，且噴砂設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，占地面積小，只要尺寸設(shè)計合理，完全可以與導(dǎo)線絞制生產(chǎn)線結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)在線噴砂處理:即絞線在絞制完成后，直接進(jìn)入噴砂室;在噴砂處理中，僅對絞線最外層鋁單線的部分外表面進(jìn)行處理，依靠沙粒高速沖擊絞線最外層鋁導(dǎo)體表面，留下無數(shù)細(xì)小的凹坑而形成漫反射面即亞光表面;完成噴砂后絞線直接進(jìn)入收線裝置。上海電纜研究所針對導(dǎo)線絞制生產(chǎn)線的實(shí)際場地條件來設(shè)計噴砂沒備的結(jié)構(gòu)、尺寸，將其安裝于絞線機(jī)牽引輪與收線裝置之間，與絞線機(jī)、收線機(jī)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動，使導(dǎo)線在絞制后經(jīng)噴砂機(jī)多頭均勻噴砂，直接得到符合工程應(yīng)用要求的亞光架空導(dǎo)線。

本文試驗(yàn)中，利用上述噴砂設(shè)備生產(chǎn)的亞光架空導(dǎo)線，取樣后對其絞線表面反射度、絞線外觀進(jìn)行觀測比較，并對噴砂處理前后鋁單線的電性能、機(jī)械性能和鋁損進(jìn)行對比。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試樣的制備

本試驗(yàn)取截面積為800/100 mm2、54/19結(jié)構(gòu)的鋼芯鋁絞線，長度為3 m，其一半長度表面經(jīng)亞光處理。測定絞線表面的反射度后，將對應(yīng)的外層鋁單線進(jìn)行編號，在亞光處理和未處理分界處將絞線切斷并拆分外層鋁單線作為試驗(yàn)對象。由此得到經(jīng)亞光處理和未處理的兩組各24根鋁單線樣品。

2.2 試驗(yàn)步驟

(1)利用PHOTOVOLT-577反射度測定儀對經(jīng)噴砂處理后的導(dǎo)線表面進(jìn)行反射度測量。

(2)將取得的兩組鋁單線退扭校直，并在20℃恒溫室保溫18 h后，對兩組試樣進(jìn)行直流電阻測量。

(3)對測量直流電阻后的兩組試樣，在其電橋夾具鉗口印記處截取，為1 m長度，用千分尺測量每根試樣的外徑后，平分為三段，進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。

(4)力學(xué)性能試驗(yàn)后，測量屬于同一根1 m長試樣的三根斷后拉伸試樣的質(zhì)量總和，用于計算各根1 m鋁單線試樣的外徑。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 外觀比較

在噴砂處理中，僅對架空絞線最外層鋁單線的部分外表面進(jìn)行處理，依靠沙粒高速沖擊絞線最外層鋁導(dǎo)體表面，留下無數(shù)細(xì)小的凹坑而形成亞光表面。由圖1對比照片可以看出，未處理導(dǎo)線表面呈光亮的鏡面，而經(jīng)噴砂處理后的導(dǎo)線表面為灰色的亞光表面。經(jīng)PHOTOVOLT-577反射度測定儀測量，噴砂處理后導(dǎo)線表面反射度為28%，符合美國鋁業(yè)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)AAAAC 7.69—1996中規(guī)定的導(dǎo)線表面反射度≤32%的要求。

圖1 經(jīng)噴砂處理和未處理導(dǎo)線外觀對比

3.2 電性能比較

試驗(yàn)結(jié)果顯示，未處理鋁單線的平均20℃直流電阻率為 0.027901 Ω·mm2/m(61.79%IACS)，經(jīng)噴砂處理后鋁單線的平均20℃直流電阻率為0.027950 Ω·mm2/m(61.69%IACS)，平均 20℃ 直流電阻率的增幅僅為0.18%，電阻率變化很小，符合工程應(yīng)用要求。各對應(yīng)編號的試樣經(jīng)噴砂處理與未處理鋁單線20℃直流電阻率對比如圖2所示。

3.3 機(jī)械性能比較

圖2 噴砂處理與未處理鋁單線20℃直流電阻率對比

試驗(yàn)結(jié)果顯示，未處理鋁單線的平均抗拉強(qiáng)度為184.11 MPa，經(jīng)噴砂處理后鋁單線的平均抗拉強(qiáng)度為182.58 MPa，降幅為0.83%。架空導(dǎo)線經(jīng)噴砂處理在鋁單線的部分表面留下細(xì)小的凹坑，相當(dāng)于在鋁單線表面留下微損傷，難免會對其抗拉強(qiáng)度造成影響，但通過試驗(yàn)證明其影響很小，抗拉強(qiáng)度降幅僅為0.83%，可忽略不計。各對應(yīng)編號的試樣經(jīng)噴砂處理與未處理鋁單線的抗拉強(qiáng)度對比如圖3所示。

圖3 噴砂處理與未處理鋁單線抗拉強(qiáng)度對比

試驗(yàn)結(jié)果顯示，未處理鋁單線的平均伸長率為2.2%，經(jīng)噴砂處理后鋁單線的平均伸長率為2.3%。噴砂前后鋁單線的伸長率還有微小增幅，但考慮到伸長率試驗(yàn)存在測量誤差，可以認(rèn)為本試驗(yàn)中噴砂前后鋁單線的伸長率無變化。各對應(yīng)編號的試樣經(jīng)噴砂處理與未處理鋁單線的伸長率對比如圖4所示。

3.4 鋁損情況

試驗(yàn)結(jié)果顯示，未處理鋁單線的平均單位長度質(zhì)量為40.1919 g，經(jīng)噴砂處理后鋁單線的平均單位長度質(zhì)量為40.1757 g，質(zhì)量損耗為0.04%。對比傳統(tǒng)堿蝕處理等化學(xué)方法加工后的約5%的鋁損，采用噴砂處理前后的鋁損可忽略不計。各對應(yīng)編號的試樣經(jīng)噴砂處理與未處理鋁單線的鋁損情況對比如圖5所示。

圖4 噴砂處理與未處理鋁單線伸長率對比

圖5 噴砂處理與未處理鋁單線單位長度質(zhì)量對比

4 結(jié)束語

采用噴砂處理法對架空導(dǎo)線進(jìn)行表面處理，可以得到效果良好的亞光表面。上海電纜研究所設(shè)計研發(fā)的亞光架空導(dǎo)線噴砂設(shè)備，已成功應(yīng)用在無錫江南電纜有限公司絞線生產(chǎn)線上，配合相應(yīng)的噴砂處理工藝，其生產(chǎn)的亞光架空導(dǎo)線產(chǎn)品外觀良好，符合美國鋁業(yè)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。該亞光架空導(dǎo)線產(chǎn)品已成功出口英國，導(dǎo)線的各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合英國電網(wǎng)公司的要求。同時，上海電纜研究所對亞光架空導(dǎo)線的生產(chǎn)工藝已申請實(shí)用新型專利，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。

目前，我國還沒有對機(jī)場等特殊場合的架空導(dǎo)線提出表面反射度的要求，但隨著我國城市建設(shè)的發(fā)展，相關(guān)部門對保證航空安全運(yùn)行環(huán)境條件的關(guān)注，以及人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，亞光架空導(dǎo)線將在更多的場合得到廣泛應(yīng)用。

［1］吳錫坤主編.鋁型材加工用技術(shù)手冊［M］.武漢:中南大學(xué)出版社，2006.

［2］AA AAC 7.69—1996 Non-specular suface finish on bare overhead aluminum conductors［S］.