鋼芯成型鋁絞線的制造技術(shù)

趙士林，王品山，張金玉，陳 衛(wèi)

(特變電工股份有限公司新疆線纜廠，新疆 昌吉831100)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，國內(nèi)(尤其是華東、華北和南方等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū))用電負(fù)荷急劇攀升。為了提高輸送容量，保證輸電過程可靠性，滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，經(jīng)電力行業(yè)的專家、學(xué)者論證，認(rèn)為必須將大截面導(dǎo)線引入電網(wǎng)建設(shè)，由此1 250 mm2系列導(dǎo)線被引入靈州—紹興±800 kV特高壓直流輸電線路工程。本文即以該工程所用的JL1X1/G2A-1250/100鋼芯成型鋁絞線為例，介紹鋼芯成型鋁絞線的制造技術(shù)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

JL1X1/G2A-1250/100-437鋼芯成型鋁絞線產(chǎn)品的研發(fā)系依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20141—2006《型線同心絞架空導(dǎo)線》、GB/T 1179—2008《圓線同心絞架空導(dǎo)線》和國家電網(wǎng)公司2013年9月正式發(fā)布的《JL1X1/G2A-1250/100-437鋼芯成型鋁絞線技術(shù)條件》。該產(chǎn)品在承載鋼芯外采用了四層梯形鋁型線，大大增加了導(dǎo)線的填充系數(shù)，減小了導(dǎo)線外徑，其導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。該導(dǎo)線的加強(qiáng)芯為19/2.61結(jié)構(gòu)的鍍鋅鋼絞線，加強(qiáng)芯外是4層60股等效硬鋁線直徑為5.16 mm的梯形鋁型線同心絞制而成。

圖1 JL1X1/G2A-1250/100鋼芯成型鋁絞線結(jié)構(gòu)示意圖

眾所周知，普通導(dǎo)線的鋁單線為圓形，非緊壓絞合后鋁線和鋁線之間的空隙較大，鋁導(dǎo)體填充系數(shù)僅達(dá)到75%(實際截面與輪廓截面之比)，普通緊壓鋁導(dǎo)體的填充系數(shù)約為85%。通過將鋁單線設(shè)計為梯型鋁型線，經(jīng)過同心絞合后，鋁導(dǎo)體的填充系數(shù)可達(dá)到92%～93%，這樣在不改變導(dǎo)線標(biāo)稱截面的前提下，可有效減小導(dǎo)線的整體直徑。例如JL1/G2A-1250/100鋼芯鋁絞線直徑為47.85 mm，而JL1X1/G2A-1250/100鋼芯成型鋁絞線直徑則為43.67 mm，相同規(guī)格的導(dǎo)線采用鋁型線絞制后導(dǎo)線直徑減小了約9%，和JL/G2A-1000/80鋼芯鋁絞線直徑(42.82 mm)相近。

2 生產(chǎn)工藝

JL1X1/G2A-1250/100-437鋼芯成型鋁絞線的制造主要是通過電工圓鋁桿生產(chǎn)、鋁型線拉制、鋁型線絞制等工序完成的。

2.1 電工圓鋁桿

JL1X1/G2A-1250/100鋼芯成型鋁絞線中鋁型線主要機(jī)械性能和電性能指標(biāo)遠(yuǎn)比等效直徑的硬鋁線高，兩者技術(shù)參數(shù)對比見表1。

表1 鋁型線和硬鋁線技術(shù)參數(shù)對比表

在生產(chǎn)普通導(dǎo)線時，通常電工圓鋁桿的抗拉強(qiáng)度只要達(dá)到110～120 MPa，電阻率不大于28.01 nΩ·m，即能滿足導(dǎo)線的機(jī)械性能和電性能要求。但是JL1X1/G2A-1250/100鋼芯成型鋁絞線的單線直徑大、強(qiáng)度高、電阻率低，通過試制摸索，桿的抗拉強(qiáng)度只有達(dá)到120～130 MPa，伸長率不小于6%，電阻率不大于27.81 nΩ·m，才能滿足要求。為了生產(chǎn)達(dá)到要求的電工圓桿，需要在生產(chǎn)中做好爐前分析，掌握好硅、鐵元素含量，控制住熔、鑄、軋等工藝參數(shù)。具體工作如下:

(1)將保溫爐內(nèi)鋁液的Si控制在0.04%～0.09%，F(xiàn)e控制在0.08%～0.16%，F(xiàn)e/Si為1.5～2.0，Ti+V+Mn+Cr≤0.02%，其余雜質(zhì)含量≤0.03%。其中鐵、硅的含量可通過不同成分的鋁錠搭配實現(xiàn)，或在采購鋁錠時明確成分含量，其余元素含量均在鋁錠采購時嚴(yán)格按上限規(guī)定。

(2)為改善制桿工藝加工性能，根據(jù)鋁錠成分的分析情況，每爐15～16 t需填加30～50 kg鋁中間稀土;為保證制桿較高或穩(wěn)定的導(dǎo)電率，每爐需添加40～60 kg鋁硼中間合金。

(3)在爐前配料中，當(dāng)保溫爐鋁液達(dá)到容量的80%時，將鋁硼中間合金分批從熔爐爐口處加入，鋁稀土中間合金在保溫爐鋁液達(dá)到100%時，一次性加入到保溫爐，經(jīng)人工攪拌2 min后，進(jìn)行電磁攪拌，正轉(zhuǎn)10 min、反轉(zhuǎn)10 min后，再人工攪拌2 min，使鋁液內(nèi)微量元素和各種添料均勻分布，然后進(jìn)行精煉除氣、扒渣。

(4)扒渣后的鋁液需靜置25～30 min后，將保溫爐鋁液放出，經(jīng)陶瓷泡沫板過濾，進(jìn)入鑄、軋工序。

(5)鑄、軋工序主要是注意各段的溫度控制，如澆鑄溫度控制在690～710℃，入軋溫度控制在480～500℃，終軋溫度控制在280～320℃。

2.2 梯形鋁型線

2.2.1 梯形鋁型線模具設(shè)計

JL1X1/G2A-1250/100鋼芯成型鋁絞線的單線為梯形鋁型線，主要用梯形模具拉制。在梯形模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要充分考慮金屬變形的速度均勻性、材料的成本和易取性等因素，因為梯形模具不同于圓形模具，梯形模具在拉制時由于型腔中變形不均勻，其承受負(fù)荷遠(yuǎn)大于圓形模具的受力;如果設(shè)計或選材不當(dāng)，會造成模具使用過程中易變形、腔體尺寸變化，甚至出現(xiàn)裂紋不能使用。通過生產(chǎn)試制比較，最終認(rèn)為采用硬質(zhì)合金模具(鎢鋼模)的性價比較高。

梯形模具的孔形截面尺寸是根據(jù)產(chǎn)品的總截面和絞層數(shù)來確定的，設(shè)計遵循每層梯形線高度相等的原則，采用了“連續(xù)線性變形”的設(shè)計思想，從第一塊模具開始，由圓形逐漸變至梯形狀，盡量做到鋁線變形均勻。通過對JL1X1/G2A-1250/100鋼芯成型鋁絞線外層的梯形鋁型線多次的試制驗證，最終確定了梯形模具的尺寸和各區(qū)的角度，見表2。

表2 梯形模和圓形模結(jié)構(gòu)參數(shù)對比

試制過程中，模具進(jìn)口區(qū)穿線順利，進(jìn)口區(qū)和變形區(qū)拋光后拉絲液能順利回旋，定徑區(qū)可長時間保證線材的精確直徑和光潔度，出口區(qū)的角度可保證線材拉出無傷痕，加之模具的選材具有拉力強(qiáng)、耐酸堿、耐腐蝕、不變形等優(yōu)點，模具的使用壽命也較長。

2.2.2 梯形模具公差及配模

模具設(shè)計余量，根據(jù)導(dǎo)線總截面和絞制設(shè)備張力大小一般設(shè)定為6%～8%。以本項目產(chǎn)品JL1X1/G2A-1250/100鋼芯成型鋁絞線為例，內(nèi)層、鄰內(nèi)層、鄰?fù)鈱雍屯鈱幽＞咴O(shè)計截面分別為22.32 mm2、22.24 mm2、22.18 mm2、22.11 mm2，以每層股數(shù)9、13、17、21計算，其四層股線設(shè)計總截面為1 331.37 mm2，按標(biāo)稱截面1 250 mm2計算，其富余量為6.5%，經(jīng)拉制、絞制工序后可將截面控制在標(biāo)稱截面公差范圍內(nèi)。

梯形模具承受的負(fù)荷遠(yuǎn)大于圓形模具，在配模時面積壓縮比(延伸系數(shù))不宜過大，否則容易斷線。如等效圓直徑4.75 mm的梯形線，采用9.5 mm桿進(jìn)線，需配7塊模子完成拉制(使用9+2鋁大拉機(jī)，前8道鼓輪速比為1.238，最后二道鼓輪速比為1.10～1.30)，而圓線只需6塊拉模即可完成拉制(使用11模鋁大拉機(jī)，前9道鼓輪速比為1.279，最后一道鼓輪速比為1.18)。配模見表3。

表3 截面積相等的單線配模對比表 (單位:mm)

2.2.3 拉絲油選擇

由于型線的不規(guī)則性，拉絲時產(chǎn)生的阻力并不是軸線方向，在同樣形變下，型單線比圓單線需要的張力大，導(dǎo)致線材與模具之間、線材與塔輪之間的摩擦力和拉伸力都較大，致使線材、模具、塔輪的溫升比拉制圓線時更高，這種溫升會直接影響線材的質(zhì)量，同時使?jié)櫥瑒┑淖饔米儔?，繼而影響產(chǎn)品質(zhì)量甚至不能連續(xù)拉絲。因此，選用良好的拉絲油是控制型線拉絲過程中溫度、保證線材質(zhì)量、提高拉絲速度的關(guān)鍵，拉制型線的拉絲油應(yīng)具有如下性能:

(1)應(yīng)與模具和導(dǎo)線表面有較強(qiáng)的吸附性能，要求其油溶性好，穩(wěn)定性高;

(2)有一定粘度的基礎(chǔ)油，其粘度要保證在負(fù)荷條件下，使金屬線材和模具間形成一個可以流動的油模層，達(dá)到減小摩擦力、延長模具使用壽命、提高拉絲速度的目的;

(3)要適應(yīng)鋁屑的自沉降，同時具有閃點高、耐高溫、氧化穩(wěn)定性佳，無腐蝕性、刺激性的氣味等要求。

2.2.4 梯形線拉絲速度和方向

與等效直徑相等的圓線相比，型單線與模具的接觸面積大，發(fā)熱較嚴(yán)重，因此速度不宜過快，一般控制在10 m/s以下。

模具放置時應(yīng)保持出線方向(大小弧面)形狀一致，為避免工人操作方向錯位或發(fā)生偏離放錯，在鑲嵌模套上設(shè)計一個定位面。每塊模具的放置應(yīng)使小弧面和拉絲鼓輪接觸，這樣有利于拉絲的形變，并且能有效地保證單線大弧面(即導(dǎo)線外表面)平滑和光潔。在走線時也應(yīng)使小弧面和導(dǎo)輪接觸，避免單線大弧面損傷。收線時各盤單線應(yīng)保證方向一致，導(dǎo)輪要求底部平整，且采用單盤收線，避免收線過程中單絲翻身。

2.3 鋼芯成型鋁絞線絞制

JL1X1/G2A-1250/100導(dǎo)線由四層梯形鋁型線同心絞制而成，絞制采用了710型84盤框絞機(jī)，在試制中，主要解決以下三個問題。

2.3.1 防止梯形線在絞制中翻身

為了避免梯形型線在進(jìn)入并線模前翻轉(zhuǎn)，絞制前應(yīng)在導(dǎo)線分線盤處安裝上定位裝置。它是由帶軸承的梯形成型尼龍輪和2個軸承壓輪組成，通過調(diào)整兩個軸承壓輪來保證梯形型線不發(fā)生翻轉(zhuǎn)。

調(diào)整好成型輪與壓輪的位置，做好型線預(yù)扭也是保障梯形鋁型線絞制不翻身及順利成型的關(guān)鍵。如果不調(diào)整好成型輪和壓輪的位置關(guān)系，則會出現(xiàn)張力過大而拉細(xì)梯形鋁線的問題。為保證張力適中，在軸承壓輪與梯形尼龍輪壓緊時，每個軸承壓輪、成型輪與通過的梯形鋁線應(yīng)在一條直線上。梯形鋁線絞合時，成型鋁股線在圍繞導(dǎo)線軸線絞合的同時，自身也繞其軸線扭轉(zhuǎn);為了消除絞合過程中形成的扭應(yīng)力，保證梯形股線絞合后的服帖性，需要對每股梯形單線進(jìn)行預(yù)變形處理，即在定位裝置和并線模之間應(yīng)對梯形股線預(yù)扭1～2圈，預(yù)扭的方向與絞籠旋轉(zhuǎn)方向相反。

2.3.2 確定節(jié)徑比

節(jié)徑比的選擇關(guān)系到導(dǎo)線絞合的質(zhì)量。節(jié)徑比選的太小，會出現(xiàn)“背股”、“過扭”等問題，節(jié)徑比太大，會造成導(dǎo)線松股。通過生產(chǎn)試制，確定比較理想的從內(nèi)到外節(jié)徑比范圍:內(nèi)層14～16倍，鄰內(nèi)層13～14倍，鄰內(nèi)層11.5～13倍，外層10.0～11.5倍。絞制工藝參數(shù)見表4。

2.3.3 保證導(dǎo)線外觀質(zhì)量

梯形鋁型線絞制時還要注意保護(hù)好絞線外觀，如絞線前檢查絞線機(jī)的牽引輪，牽引輪表面如有磨損應(yīng)做相應(yīng)的處理，可在牽引輪表面包裹一層剪裁好的毛氈，以防導(dǎo)線在牽引輪上打滑和擦傷。將絞線用并線模的進(jìn)線區(qū)和定徑區(qū)打磨光滑，進(jìn)線區(qū)和定徑區(qū)連接處光滑過渡，以防磨損導(dǎo)線表面。絞制時并線模不能壓得太緊或太松，太緊會壓傷鋁線并有拉伸的可能，太松會導(dǎo)致導(dǎo)線絞合松股。開機(jī)前需更換所有已磨損的穿線管，通過上述措施即可保證絞制導(dǎo)線的外觀質(zhì)量。

表4 JL1X1/G2A－1250/100鋼芯成型鋁絞線絞制工藝參數(shù)表

3 結(jié)束語

本項目研究的JL1X1/G2A-1250/100-437鋼芯成型鋁絞線產(chǎn)品是靈州—紹興±800 kV特高壓直流線路工程用導(dǎo)線之一。該產(chǎn)品的單線采用了梯形型線，可增大導(dǎo)線的填充系數(shù)，減小導(dǎo)線輪廓直徑，消除導(dǎo)線表面明顯的節(jié)距溝，使導(dǎo)線表面光滑、圓整，達(dá)到降低導(dǎo)線表面電場強(qiáng)度、增強(qiáng)抗電暈性、減少電暈放電的目的。此外，這種外觀平整、光潔的型線結(jié)構(gòu)導(dǎo)線，還可以大大減少雪、霜和水在導(dǎo)線表面的積聚，提高了導(dǎo)線防冰雪和防凍雨的性能，更加適合超特高壓輸電線路建設(shè)的要求，對促進(jìn)導(dǎo)線工藝技術(shù)進(jìn)步起到了很好的推動作用。

［1］張永忠.型線同心絞特高強(qiáng)度鋼芯軟鋁導(dǎo)線梯形鋁線的角度設(shè)計［J］.電線電纜，2012(1):26-28.

［2］張傳省，劉 斌.型線的拉制與絞合工藝［J］.電線電纜，2009(4):19-20.

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