中國(guó)金屬導(dǎo)體制造業(yè)的創(chuàng)新開(kāi)發(fā)與發(fā)展趨向

黃崇祺

(上海電纜研究所, 上海　200093)

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中國(guó)金屬導(dǎo)體制造業(yè)的創(chuàng)新開(kāi)發(fā)與發(fā)展趨向

黃崇祺

(上海電纜研究所, 上海200093)

電線電纜工業(yè)是重要的配套工業(yè),其生產(chǎn)規(guī)模大,消費(fèi)量高,中國(guó)己成為世界最大的導(dǎo)線電纜生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó).近5年來(lái),中國(guó)金屬導(dǎo)體制造業(yè)的工藝、技術(shù)、裝備和產(chǎn)品創(chuàng)新開(kāi)發(fā)取得了令人矚目的成就.簡(jiǎn)述了其中的5項(xiàng)主要成就,對(duì)中國(guó)金屬導(dǎo)體制造業(yè)的發(fā)展方向作了一定的分析并提出了一些建議.

電線電纜工業(yè); 金屬導(dǎo)體; 技術(shù)裝備; 發(fā)展方向

中國(guó)是世界最大的導(dǎo)體生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó).金屬導(dǎo)體(銅導(dǎo)體、鋁導(dǎo)體)是電纜制造的重要基礎(chǔ)材料.2013年國(guó)內(nèi)電纜行業(yè)銅導(dǎo)體的總用量約578萬(wàn)噸,約占世界銅導(dǎo)體總用量的1/3[1].鋁導(dǎo)體總用量約220萬(wàn)噸.中國(guó)電纜工業(yè)2014年行業(yè)銷售收入約1.4萬(wàn)億元.據(jù)2014年7月統(tǒng)計(jì),國(guó)內(nèi)電纜企業(yè)已達(dá)近萬(wàn)家,中、小企業(yè)占95%以上;我國(guó)前10名的電纜企業(yè),僅占國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額的7%～10%,遠(yuǎn)低于美國(guó)的70%.目前我國(guó)還沒(méi)有航空母艦級(jí)的電纜集團(tuán).

1　中國(guó)金屬導(dǎo)體制造領(lǐng)域取得的重要成果

1.1高速鐵路用超細(xì)晶強(qiáng)化型銅鎂合金接觸線關(guān)鍵技術(shù)

中國(guó)高鐵試驗(yàn)速度已達(dá)486 km/h;中俄財(cái)團(tuán)中標(biāo)莫斯科-喀山高鐵,全長(zhǎng)770 km,時(shí)速為400 km.我國(guó)電氣化高鐵設(shè)計(jì)要求為:設(shè)計(jì)時(shí)速370 km/h,最低時(shí)速350 km/h,最高時(shí)速410 km/h.隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略的實(shí)施,極需發(fā)展中低速的磁浮交通,目前我國(guó)已擁有了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中低速磁浮交通系統(tǒng)技術(shù),形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈.中低速磁浮已作為一種新的制式.長(zhǎng)沙機(jī)場(chǎng)線(18.55 km)和北京S1線(10.23 km)擬于2016年建成;高速磁浮亦已進(jìn)入議事日程.這些都對(duì)高速鐵路接觸線的性能提出了更高的要求,高速鐵路用超細(xì)晶強(qiáng)化型銅鎂合金接觸線的成功研制為中國(guó)高鐵發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支撐[2].

1.1.1銅鎂合金接觸線的制備工藝及加工設(shè)備

圖1(a)為生產(chǎn)銅鎂合金接觸線的工藝流程.圖1(b)為銅鎂合金的擠壓原理.圖1(c)為上引連鑄法生產(chǎn)的無(wú)氧銅鎂合金桿材.

銅鎂合金接觸線生產(chǎn)工藝的創(chuàng)新之處在于實(shí)現(xiàn)了超細(xì)晶強(qiáng)化,其措施是通過(guò)固溶強(qiáng)化(控制鎂含量,避免人工熱處理)、細(xì)晶強(qiáng)化以及冷作硬化(控制總變形量)3種強(qiáng)化方式相結(jié)合,使接觸線具有超細(xì)晶、高強(qiáng)度和高導(dǎo)電的特色,并可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn),從而獲得技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果好的大長(zhǎng)度無(wú)接頭的無(wú)氧銅鎂合金接觸線.

1.1.2不同工藝生產(chǎn)的接觸線組織的比較

圖2為由擠壓-拉制法、連鑄-連軋法和連鑄-連擠-連軋-連拉法3種工藝生產(chǎn)的銅鎂合金接觸線的晶粒度對(duì)比照片.圖2(a)為擠壓-拉制法生產(chǎn)的銅鎂接觸線晶粒組織,晶粒粗大,均勻性差,存在大量鑄態(tài)未變形組織.圖2(b)為連鑄-連軋法生產(chǎn)的國(guó)外進(jìn)口銅銀接觸線的晶粒組織,晶粒度處于擠壓-拉制法和連鑄-連擠-連軋-連拉法之間,此時(shí),晶粒已較細(xì);圖2(c)為連鑄-連擠-連軋-連拉法生產(chǎn)的超細(xì)晶強(qiáng)化型鎂銅接觸線的晶粒組織,晶粒平均尺寸在2 μm左右,為坯料晶粒的1/10.

圖1　銅鎂合金接觸線生產(chǎn)工藝流程、 連續(xù)擠壓原理及生產(chǎn)接觸線的桿Fig.1　Production process,continuous extrusion princile and rod of Cu-Mg alloys contact wire

試驗(yàn)證明,有了好的接觸線產(chǎn)品,還要用好的施工機(jī)械相匹配(見(jiàn)圖3),才能保證高速電氣化線路工程質(zhì)量一流,延長(zhǎng)接觸線的使用壽命.圖3(a)為掛網(wǎng)銅鎂接觸線的外觀圖;圖3(b)為銅鎂接觸線掛網(wǎng)進(jìn)行中;圖3(c)為采用恒張力放線車進(jìn)行掛網(wǎng).150 mm2銅鎂接觸線,在鄭(州)到西(安)的高速電氣化鐵路上,以350～380 km/h的速度試運(yùn)行,效果甚好.

弓網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)接觸線電弧燒蝕的影響:高速時(shí)速350 km/h,采用碳滑板,模擬電流1 000 A.接觸線電弧燒蝕侵蝕深度≤5～10 μm時(shí),侵蝕創(chuàng)面會(huì)隨弓網(wǎng)摩擦很快消失,對(duì)接觸線影響不大;接觸線離線電弧燒蝕侵蝕深度≤20 μm的表面部分,表面晶粒組織在電侵蝕過(guò)程中,迅速受熱熔化,并在電弧移開(kāi)后凝固,侵入?yún)^(qū)呈現(xiàn)銅合金光澤;接觸線靜止電弧燒蝕情況發(fā)生在機(jī)車停止或低速狀態(tài),試驗(yàn)采用0.1 s的侵蝕時(shí)間,證明接觸線有較強(qiáng)的抗電蝕能力.大生產(chǎn)的接觸線性能優(yōu)良,質(zhì)量穩(wěn)定.以150型Cu-0.51Mg合金接觸線為例(見(jiàn)圖4),檢測(cè)結(jié)果為:抗拉強(qiáng)度560 MPa(國(guó)際鐵聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)470 MPa),導(dǎo)電率66～70%IACS(國(guó)際鐵聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)62 %IACS).

圖2　不同工藝生產(chǎn)的接觸線的晶粒度比較Fig.2　Comparision of the grain size of contact wires in different production processes

圖3　高速電氣化鐵路接觸線施工圖Fig.3　Construction site photos of the contact wire for high-speed electrified rialway

綜上所述,連鑄-連擠-連軋-連拉法制造銅鎂合金接觸線的工藝屬國(guó)際領(lǐng)先水平,接觸線產(chǎn)品質(zhì)量好,機(jī)電性能好,已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn),為我國(guó)高鐵走向世界做出了貢獻(xiàn).

1.2電工用廢雜銅火法精煉直接再生高導(dǎo)電銅桿12萬(wàn)噸生產(chǎn)線及其示范工程

電工用廢雜銅火法精煉直接再生高導(dǎo)電銅桿12萬(wàn)噸生產(chǎn)線及其示范工程,是國(guó)家科技部下達(dá)的科技支撐項(xiàng)目.其目標(biāo)是:

(1) 解決廢雜銅再生桿存在的嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題;

(2) 提高廢雜銅再生桿生產(chǎn)的節(jié)能環(huán)保效果;

圖4　150型Cu-0.51Mg合金接觸線性能Fig.4　Properties of the contact wire of the type 150 Cu-0.51Mg alloy

(3) 淘汰廢雜銅再生桿生產(chǎn)的舊工藝、舊裝備,采用國(guó)產(chǎn)新工藝、新裝備,實(shí)現(xiàn)廢雜銅再生桿生產(chǎn)工藝、技術(shù)和裝備的更新?lián)Q代.

1.2.1廢雜銅火法精煉連鑄-連軋直接再生制桿生產(chǎn)工藝

圖5為新開(kāi)發(fā)的廢雜銅預(yù)處理裝置,圖6為廢雜銅火法精煉直接制桿工藝流程.

圖5　新開(kāi)發(fā)的廢雜銅預(yù)處理裝置Fig.5　New developed pretreatment equipment for the scrap copper

該新工藝及主要技術(shù)指標(biāo):清潔的廢雜銅原料含銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為96%;火法精煉后可達(dá)到銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.90%,含氧量≤0.04%,導(dǎo)電率≥100 %IACS,伸長(zhǎng)率≥38%.工藝中可連續(xù)生產(chǎn)的熔化爐、精煉爐和保溫爐爐組既可用于廢銅生產(chǎn),亦可用于電解銅生產(chǎn).由于采用新型增強(qiáng)型不定型澆鑄料CM2、爐內(nèi)渣線下耐火材料和爐門(mén)材料等,使精煉爐耐火材料的抗渣性顯著提高,從而進(jìn)入銅液的剝落料減少,提高了銅桿質(zhì)量,爐子使用壽命延長(zhǎng)30%以上,并為降低成本創(chuàng)造了條件.

圖6　廢雜銅火法精煉直接制桿工藝流程Fig.6　Process of making rods directly using the scrap copper by the fire refining technology

1.2.212萬(wàn)噸/年廢雜銅直接再生火法精煉連鑄連軋制桿設(shè)備及示范生產(chǎn)線

1.2.2.1廢雜銅預(yù)處理裝置

新開(kāi)發(fā)的廢雜銅預(yù)處理裝置由圓筒篩等組成,可有效除去灰塵及細(xì)小顆粒,提高入爐品位2%～3%,并降低能耗、勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)成本.試驗(yàn)證明,對(duì)廢雜銅進(jìn)行分揀、篩分等預(yù)處理是十分必要的.

1.2.2.2四爐組合布置

采用1個(gè)豎爐熔化(20 t/h),2個(gè)傾動(dòng)式精煉爐(2×50 t)交替精煉供液以及1個(gè)傾動(dòng)式保溫爐(25 t)布置.銅液經(jīng)保溫爐(25 t)向澆包和連鑄機(jī)不斷供液.該爐組采用天然氣加熱,生產(chǎn)銅桿的天然氣用量約100 m3/t.

1.2.2.3廢雜銅桿連鑄-連軋生產(chǎn)線

連鑄:銅桿直徑8 mm;結(jié)晶輪直徑2 400 mm;鑄條截面積3 600 mm2;收桿形式為梅花型;成圈銅桿2～4 t.

連軋:軋制形式兩輥式,各機(jī)架獨(dú)立傳動(dòng);裝機(jī)容量2 000 kW;軋制道次為粗軋、精軋各6道;生產(chǎn)線總裝機(jī)容量3 000 kW;生產(chǎn)能力20 t/h(最大23.5 t/h);年產(chǎn)能為12萬(wàn)噸.

生產(chǎn)線的特點(diǎn):

(1) 系國(guó)內(nèi)第1條高端裝備生產(chǎn)線,既適用于廢雜銅直接再生制造電工用銅桿,也適用于用電解銅生產(chǎn)電工用銅桿.

(2) 生產(chǎn)線融合國(guó)內(nèi)外最新的工藝、裝備和輔助設(shè)施,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制.

(3) 在我國(guó)首次實(shí)現(xiàn)連鑄自動(dòng)液位控制,從而降低勞動(dòng)強(qiáng)度,穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白.

(4) 生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、在線的質(zhì)量控制,保證了生產(chǎn)的穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量的一致性,提高了銅桿和銅線的“可軋性、可拉性、可退火性”.

(5) 采用先進(jìn)高效的氣體凈化技術(shù)、燃燒系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)PLC界面操控,具有強(qiáng)化冶煉、高效除雜、綠色環(huán)保和低能耗等特點(diǎn).生產(chǎn)銅桿的天然氣消耗指標(biāo)為100 m3/t左右,與傳統(tǒng)的廢雜銅—陽(yáng)極銅—電解銅—反射爐熔煉—國(guó)產(chǎn)連鑄-連軋生產(chǎn)線制桿相比,節(jié)能約一半.

(6) 集成再創(chuàng)新了新型兩輥懸臂式連軋機(jī),機(jī)架單獨(dú)傳動(dòng),實(shí)現(xiàn)軋制孔型快速精準(zhǔn)調(diào)整,整體軋制系統(tǒng)伸長(zhǎng)率可調(diào);軋輥快速更換和調(diào)整,徹底解決了我國(guó)幾十年來(lái)軋制生產(chǎn)線油、乳混合的難題,軋機(jī)使用壽命延長(zhǎng)、生產(chǎn)成本降低、生產(chǎn)效率提高[3-4].

(7) 實(shí)現(xiàn)了精確控溫、控氧,產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定.

(8) 解決了輔機(jī)系統(tǒng)液體(冷卻水、乳化液、潤(rùn)滑油、清洗液)的流量、溫度、壓力的自動(dòng)控制和乳化液過(guò)濾,使輔機(jī)與主機(jī)相配合,保證了穩(wěn)定生產(chǎn).

(9) 采用目前國(guó)際先進(jìn)的控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的連鎖啟停、回路自動(dòng)調(diào)節(jié)、報(bào)警和記錄等一系列功能,系統(tǒng)的兼容性、可靠性和響應(yīng)速度得到了有效的保證.

1.2.2.4行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量評(píng)估體系的建立

在廢雜銅火法精煉連鑄-連軋直接再生制桿生產(chǎn)工藝和設(shè)備的研發(fā)成功以及12萬(wàn)噸/年示范生產(chǎn)線建立的同時(shí),行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及質(zhì)量評(píng)估體系隨之相應(yīng)建立,為節(jié)能環(huán)保、物盡其用以及優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)創(chuàng)造了條件.

建立行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量評(píng)估體系的工作包括:

(1) 制定了廢雜銅直接再生制桿行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《電工用火法精煉再生銅線坯 》(YS/T 793—2012),已于2012年11月1日起正式實(shí)施.YS行標(biāo)填補(bǔ)了行業(yè)國(guó)內(nèi)空白,經(jīng)有色金屬標(biāo)委會(huì)專家評(píng)定,認(rèn)為達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平.

(2) 起草了《電工用火法精煉高導(dǎo)電銅桿電線電纜行業(yè)專用標(biāo)準(zhǔn)草案》,在國(guó)內(nèi)首次對(duì)再生銅桿規(guī)定了原料、銅桿的含銅量、銅粉量、氧化膜厚度和螺旋伸長(zhǎng)的指標(biāo),并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的試驗(yàn)方法和裝備,為保證制品的機(jī)電性能和工藝性能創(chuàng)造了條件.針對(duì)3種銅桿牌號(hào)提出了導(dǎo)向性的應(yīng)用建議.

(3) 建立再生銅桿質(zhì)量評(píng)估體系,形成生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品性能以及產(chǎn)品應(yīng)用三結(jié)合的評(píng)估體系,能有效地綜合評(píng)估再生銅桿質(zhì)量水平的優(yōu)劣,促進(jìn)再生銅桿產(chǎn)品質(zhì)量和行業(yè)技術(shù)水平的提高.該質(zhì)量評(píng)估體系亦適用于對(duì)“電解銅質(zhì)量及其升水”的評(píng)估.

1.2.2.512萬(wàn)噸/年廢雜銅火法精煉直接再生制桿國(guó)產(chǎn)化示范生產(chǎn)線

通過(guò)當(dāng)前國(guó)際最先進(jìn)技術(shù)及裝備的引進(jìn)和消化吸收,并融合自行研發(fā)的科研成果,集成再創(chuàng)新,設(shè)計(jì)了一條全新的生產(chǎn)線.對(duì)引進(jìn)的生產(chǎn)線升級(jí)改造,形成高端示范生產(chǎn)線,為穩(wěn)定提高產(chǎn)品質(zhì)量和工藝“三性”(可軋性、可拉性和可退火性)以及推廣應(yīng)用創(chuàng)造了條件.該示范生產(chǎn)線的先進(jìn)性主要體現(xiàn)于:

(1) 自主研制了原料爐前預(yù)處理裝備,建立了廢雜銅的原料分類及管理體系.

(2) 在廢雜銅雜質(zhì)復(fù)雜多變、連續(xù)生產(chǎn)的情況下,改進(jìn)并實(shí)現(xiàn)了快速除雜新工藝.

(3) 對(duì)連續(xù)生產(chǎn)線爐組進(jìn)行升級(jí)改造,使用銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)96%及以上的廢雜銅,通過(guò)豎爐、精煉爐和保溫爐可連續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)電工用銅水,使低品位廢雜銅在連續(xù)爐組生產(chǎn)線上的應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí).

(4) 研究選型使用能滿足各爐組的國(guó)產(chǎn)化耐火材料,大幅度提高耐火材料的使用壽命(30%左右),成本降低30%左右,減少非金屬夾雜進(jìn)入銅水影響產(chǎn)品質(zhì)量.

(5) 國(guó)內(nèi)首次自主創(chuàng)新,實(shí)現(xiàn)了連鑄液位自動(dòng)控制與冶金爐組聯(lián)動(dòng)控制,保證了鑄條質(zhì)量的穩(wěn)定,從而提高了銅桿的質(zhì)量.

(6) 改進(jìn)銅桿質(zhì)量在線監(jiān)控系統(tǒng)(磁性和渦流探傷),使銅桿質(zhì)量更加直觀實(shí)時(shí)監(jiān)控,便于員工及時(shí)處理質(zhì)量問(wèn)題,操控性更強(qiáng).

(7) 生產(chǎn)線采用五輪式連鑄、兩輥式機(jī)架單獨(dú)傳動(dòng)的連軋機(jī)及其整個(gè)輔助系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)線主輔機(jī)匹配的自動(dòng)化智能操作,為穩(wěn)定銅桿質(zhì)量創(chuàng)造了條件.

(8) 實(shí)現(xiàn)銅桿在線連續(xù)清洗、涂蠟、渦流和磁性聯(lián)合探傷,確保銅桿表面的光潔度.

(9) 改進(jìn)了繞桿機(jī)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)緊捆繞桿和在線包裝,安全性好.

含銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥96%的廢雜銅通過(guò)火法精煉連鑄-連軋生產(chǎn)的銅桿,其產(chǎn)品質(zhì)量經(jīng)國(guó)家電線電纜檢測(cè)中心檢測(cè),產(chǎn)品化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及性能達(dá)到:主成分(Cu+Ag)≥99.90%,導(dǎo)電率≥100.5%IACS,含氧量<0.04%,伸長(zhǎng)率≥38%,完全達(dá)到國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求.其中扭轉(zhuǎn)、伸長(zhǎng)率、銅粉量和含氧量等指標(biāo)可與國(guó)標(biāo)牌號(hào)為T(mén)1的電解銅桿相媲美.

1.3液氮制冷低溫絕緣高溫超導(dǎo)電力電纜及其示范工程

圖7為低溫絕緣高溫超導(dǎo)電纜結(jié)構(gòu)圖.圖8為低溫絕緣高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)示范工程現(xiàn)場(chǎng),2013年12月9日投入實(shí)際供電線路運(yùn)行,目前一直在安全運(yùn)行中.圖9為上海電纜研究所超導(dǎo)電纜示范工程運(yùn)行負(fù)載情況.

圖7　低溫絕緣高溫超導(dǎo)電纜結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7　Structure diagram of CD insulated HTS cable

圖8　低溫絕緣高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)示范工程現(xiàn)場(chǎng)Fig.8　Practical demonstration project of CD insulated HTS cable systems

圖9　上海電纜研究所超導(dǎo)電纜示范工程運(yùn)行負(fù)載情況Fig.9　Load conditions of the demonstration project of CD insulated HTS cable at Shanghai electric cable research Institute

1.3.1超導(dǎo)電力電纜的特點(diǎn)及適用場(chǎng)合

特點(diǎn):體積小、重量輕、容量大、損耗低;安全穩(wěn)定性強(qiáng)、故障下可兼具限流器的作用;具有良好的電磁屏蔽功能,不干擾其他地下設(shè)施;土建安裝成本較低.

適用場(chǎng)合:人口密集或電力負(fù)荷特大的中心城區(qū)或工作區(qū);地下空間擁擠,電網(wǎng)改造費(fèi)用極高的地區(qū).1.3.2低溫絕緣超導(dǎo)電力電纜的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

1.3.2.1低溫絕緣超導(dǎo)電力電纜的結(jié)構(gòu)

低溫絕緣結(jié)構(gòu)是目前國(guó)際上開(kāi)發(fā)應(yīng)用的主流方向,優(yōu)于室溫絕緣結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)電力電纜.低溫絕緣超導(dǎo)電力電纜的結(jié)構(gòu)如圖7所示.最中心的襯芯,是電纜導(dǎo)體繞制的骨架;襯芯外是超導(dǎo)體層,用多層超導(dǎo)帶材按電流均流分布設(shè)計(jì)節(jié)距繞制而成,使用的超導(dǎo)帶材為YBCO鍍膜的二代超導(dǎo)帶材,它優(yōu)于Bi系(BSCCO)的一代超導(dǎo)帶;超導(dǎo)體外是PPLP絕緣層;絕緣層外是屏蔽層,由超導(dǎo)帶等組成,致冷介質(zhì)使用液氮,在77 K溫度下運(yùn)行的3根單相電纜中采用兩進(jìn)一回方式流動(dòng),電纜進(jìn)出口溫差<2 K;電纜最外層是絕熱管和護(hù)套.

1.3.2.2低溫絕緣超導(dǎo)電力電纜的特點(diǎn)及性能測(cè)試結(jié)果

所研發(fā)的低溫絕緣高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)額定容量為120 MVA(額定電壓35 kV,額定電流2 000 A),長(zhǎng)度50 m,三相交流;超導(dǎo)電纜實(shí)測(cè)(77 K)臨界電流為3 350 A.系統(tǒng)在壓力測(cè)試前后無(wú)明顯變化,耐壓性符合設(shè)計(jì)要求,實(shí)測(cè)(77 K)超導(dǎo)電纜絕熱管的熱損耗約為2 W/m,2 000 A負(fù)載下超導(dǎo)電纜的交流損耗約為1.2 W/m,每套超導(dǎo)終端的熱損耗為200 W.主要電性能試驗(yàn)參考GB/T 12706—2008和IEC 60840—2004標(biāo)準(zhǔn).主要電性能試驗(yàn)及結(jié)果見(jiàn)表1.

表1　主要電性能試驗(yàn)及結(jié)果Tab.1　Experiments and results of the main electric properties

1.3.2.3超導(dǎo)電纜系統(tǒng)工程現(xiàn)場(chǎng)安裝竣工試驗(yàn)

三相50 m超導(dǎo)電纜及終端,施加交流電壓42 kV時(shí)間1 h時(shí),試驗(yàn)通過(guò).

系統(tǒng)配備了一套完備的制冷和監(jiān)控系統(tǒng),采用高端智能控制與通訊技術(shù),實(shí)現(xiàn)了無(wú)人電站的遠(yuǎn)程控制,為評(píng)估和研究超導(dǎo)電纜運(yùn)行狀態(tài)提供基礎(chǔ)參數(shù).在日常運(yùn)行中,超導(dǎo)電纜短時(shí)負(fù)荷的有效值約為1 800 A,最大電流超過(guò)2 000 A(見(jiàn)圖9),該超導(dǎo)電纜示范工程運(yùn)行的負(fù)荷遠(yuǎn)大于國(guó)際著名的美國(guó)奧爾巴尼工程項(xiàng)目的負(fù)荷.本項(xiàng)目已從研究開(kāi)發(fā)階段轉(zhuǎn)入產(chǎn)業(yè)化階段,有關(guān)超導(dǎo)電力電纜系統(tǒng)的全生命周期分析(LCA),上纜所已經(jīng)連續(xù)進(jìn)行了8年,預(yù)計(jì)后續(xù)的LCA研究工作還將至少需要5年左右的時(shí)間.

1.40.075 mm超薄無(wú)氧銅帶

30 mm連鑄無(wú)氧銅桿,經(jīng)連擠獲得320 mm×16 mm坯料(擴(kuò)展比10～12倍),通過(guò)冷軋可生產(chǎn)含氧量為5 ppm(1 ppm=1×10-4%),最小厚度達(dá)0.075 mm,最大寬度達(dá)300 mm的超薄無(wú)氧銅帶.這種具有國(guó)際先進(jìn)水平的工藝所生產(chǎn)的產(chǎn)品已暢銷國(guó)外,用于電子工業(yè)和電纜屏蔽.

1.551 mm大直徑電鍍陽(yáng)極磷銅球

用400型連續(xù)擠壓機(jī)生產(chǎn)直徑50 mm磷銅棒,通過(guò)螺旋孔型斜軋工藝,生產(chǎn)具有國(guó)際同類產(chǎn)品先進(jìn)水平的51 mm磷銅球,用于線路板電鍍陽(yáng)極球,該種產(chǎn)品已進(jìn)入國(guó)內(nèi)外市場(chǎng).創(chuàng)新開(kāi)發(fā)的前景是生產(chǎn)更大直徑的磷銅球.

2　中國(guó)金屬導(dǎo)體制造業(yè)的發(fā)展趨向

展望未來(lái),中國(guó)金屬導(dǎo)體制造業(yè)值得關(guān)注的主要發(fā)展趨向有四項(xiàng):繼續(xù)推進(jìn)“以鋁節(jié)銅”;繼續(xù)擴(kuò)大高質(zhì)量廢雜銅直接再生導(dǎo)體的應(yīng)用;創(chuàng)新開(kāi)發(fā)增加品種,提高產(chǎn)品質(zhì)量,使產(chǎn)品向中高端方向發(fā)展,擴(kuò)大新的應(yīng)用領(lǐng)域;開(kāi)發(fā)國(guó)產(chǎn)銅、鋁、雙金屬導(dǎo)體的制桿和制線裝備,向高端升級(jí)換代.

2.1繼續(xù)推進(jìn)“以鋁節(jié)銅”

中國(guó)電纜工業(yè)“以鋁節(jié)銅”涉及:以部分鋁和鋁合金導(dǎo)體取代部分銅導(dǎo)體;以廢銅直接再生利用制桿取代部分電解銅桿;以部分雙金屬制品取代部分銅制品;以“光進(jìn)銅退”逐漸取代銅;以廢電工級(jí)鋁保級(jí)利用節(jié)約部分原生鋁.

“以鋁節(jié)銅”的含義是該用銅的線纜產(chǎn)品就用銅,對(duì)可用銅或鋁作導(dǎo)體的產(chǎn)品,需經(jīng)科學(xué)試驗(yàn),實(shí)際試用成功的產(chǎn)品,才得以推廣應(yīng)用,反對(duì)盲目推行造成產(chǎn)品質(zhì)量下降.“以鋁節(jié)銅”提倡實(shí)事求是,反對(duì)虛假促銷、宣傳失實(shí),擾亂市場(chǎng)秩序和盲目投資.

中國(guó)缺銅,但用銅的總量又是世界之最,且銅價(jià)起伏往往甚大,由此,銅和鋁、鋁和鋁合金早已互為競(jìng)爭(zhēng)者;這方面國(guó)內(nèi)外都如此.

“以鋁節(jié)銅”是國(guó)際性的總趨勢(shì),但按各國(guó)的國(guó)情、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步有所不同,走走停停甚至出現(xiàn)反復(fù),但總的趨向是漸進(jìn)式的向前發(fā)展的,因此以鋁節(jié)銅的前景大體上是明朗的.但到底是用銅的或鋁的電纜應(yīng)由終端用戶的設(shè)計(jì)和使用者根據(jù)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果和運(yùn)行安全可靠性來(lái)決定.

為了規(guī)范市場(chǎng),推進(jìn)以鋁節(jié)銅的進(jìn)展,我國(guó)已陸續(xù)頒布了下列7個(gè)標(biāo)準(zhǔn):

(1) GB/T 3956—2008/IEC 60228:2004《電纜的導(dǎo)體》.

(2) GB/T 30552—2014《電纜導(dǎo)體用鋁合金線》.

(3) GB/T 30551—2014/IEC 62004:2007《架空絞線用耐熱鋁合金線》.

(4) GB/T 23308—2009/IEC 60104:1987《架空絞線用鋁-鎂-硅系合金圓線》.

(5) NB/T xxxxx—xxxx《架空絞線用中強(qiáng)度鋁合金線》(報(bào)批稿).

(6) NB/T 42051—2015《額定電壓0.6/1 kV鋁合金導(dǎo)體交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜》.

(7) GB/T 31840.1—2015《額定電壓1 kV(Um=1.2 kV)到35 kV(Um=40.5 kV)鋁合金芯擠包絕緣電力電纜》.

第1部分:額定電壓1 kV(Um=1.2 kV)和3 kV(Um=3.6 kV)電纜.

第2部分:額定電壓6 kV(Um=7.2 kV)到30 kV(Um=36 kV)電纜.

第3部分:額定電壓35 kV(Um=40.5 kV)電纜.

2.2繼續(xù)擴(kuò)大高質(zhì)量廢雜銅直接再生導(dǎo)體的應(yīng)用

中國(guó)缺銅礦資源,再生制造作為循環(huán)經(jīng)濟(jì)“再利用”的高級(jí)形式,可達(dá)到與原有新品相同的質(zhì)量,并順應(yīng)綠色、循環(huán)、低碳的消費(fèi)理念和國(guó)際潮流.再生制造是一個(gè)富含技術(shù)含量的生產(chǎn)過(guò)程,品質(zhì)保障尤為關(guān)鍵.我國(guó)已將再制造業(yè)列入節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè),是陽(yáng)光工業(yè),大有發(fā)展前途.近10年來(lái),世界再生銅產(chǎn)量已占原生銅產(chǎn)量的40%～55%,其中美國(guó)約占60%,日本約占45%,德國(guó)約占80%,而中國(guó)約占30%,與先進(jìn)國(guó)家相比,我國(guó)尚有較大差距[5].

今后的方向很清楚,把近年來(lái)獲得的創(chuàng)新成果“電工用廢雜銅火法精煉直接再生高導(dǎo)電銅桿12萬(wàn)噸生產(chǎn)線及示范工程”推向市場(chǎng),使優(yōu)質(zhì)的再生銅桿進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用.

廢雜銅直接再生銅不僅用于桿和線,亦可用于制棒、制管和型材等生產(chǎn).隨著廢雜銅直接再生桿質(zhì)量的提高、制造裝備和技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化,廢雜銅直接再生桿與電解銅桿的競(jìng)爭(zhēng)將更激烈,電解銅桿生產(chǎn)的過(guò)剩問(wèn)題亦將更趨加深.

我國(guó)的再制造業(yè)起步比國(guó)外晚20多年,綜合國(guó)情,今后尚需完善下列工作:

(1) 完善再制造業(yè)法律法規(guī)的建設(shè),明確各方責(zé)任,推行“延伸的生產(chǎn)者責(zé)任制”,形成基于生產(chǎn)—消費(fèi)—回收—再制造全生命周期的閉環(huán)系統(tǒng).

(2) 采取激勵(lì)手段,大力開(kāi)展電子廢棄物的回收工作,解決再制造業(yè)的“無(wú)米之炊”.

(3) 加強(qiáng)對(duì)再制造業(yè)的監(jiān)督指導(dǎo),尤其是對(duì)質(zhì)量的全過(guò)程服務(wù)保障,使產(chǎn)品再制造與產(chǎn)品全生命周期服務(wù)組合起來(lái),提升產(chǎn)品質(zhì)量,為消費(fèi)者創(chuàng)造價(jià)值.

(4) 提高進(jìn)入“再生制造業(yè)的門(mén)檻標(biāo)準(zhǔn),為保證產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)”,對(duì)電工用再生銅桿應(yīng)實(shí)行生產(chǎn)許可證制.2.3創(chuàng)新開(kāi)發(fā)增加品種,提高產(chǎn)品質(zhì)量,使產(chǎn)品向中高端方向發(fā)展,擴(kuò)大新的應(yīng)用領(lǐng)域

制桿是電纜工業(yè)的火車頭.制桿的基礎(chǔ)在于材料、工藝和裝備.沒(méi)有桿的品種和質(zhì)量就沒(méi)有線、纜的品種和質(zhì)量,所以制好桿對(duì)于線纜生產(chǎn)十分重要.

2.3.1銅桿

我國(guó)引進(jìn)銅連鑄-連軋生產(chǎn)線有30多條,年產(chǎn)量為8～30萬(wàn)噸不等,原材料均使用電解銅.另有600余套無(wú)氧銅上引機(jī)組(大多為國(guó)產(chǎn))以及200余條國(guó)產(chǎn)連鑄-連軋生產(chǎn)線.從而銅桿裝備的裝機(jī)能力嚴(yán)重過(guò)剩(為國(guó)內(nèi)銅桿需求量的2.5倍以上),開(kāi)工率不足一半.再生銅桿嚴(yán)重的全國(guó)性質(zhì)量問(wèn)題(包括低氧和無(wú)氧銅桿),主要原因來(lái)自低水平的國(guó)產(chǎn)裝備、原材料和工藝.化解過(guò)剩,值得關(guān)注.淘汰或改造后另找商業(yè)出路乃是必然趨勢(shì).

我國(guó)火法精煉直接再生高導(dǎo)電低氧銅桿的生產(chǎn)技術(shù)、工藝裝備、質(zhì)量評(píng)估方法和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(YS/T 793—2012)已經(jīng)解決,今后重點(diǎn)應(yīng)在推廣應(yīng)用,建設(shè)新的生產(chǎn)線,淘汰老工藝、老裝備,為國(guó)家節(jié)約電解銅、節(jié)能、降低對(duì)環(huán)境的污染狀況.

2.3.2鋁及鋁合金桿

近些年來(lái),我國(guó)對(duì)電工用鋁和鋁合金導(dǎo)體新材料、新工藝和新裝備缺乏實(shí)質(zhì)性的創(chuàng)新開(kāi)發(fā),今后要加強(qiáng)開(kāi)發(fā);發(fā)展電工用鋁合金新材料,穩(wěn)定鋁合金生產(chǎn)的質(zhì)量,提高生產(chǎn)成品率,仍是今后努力的方向.歷史證明,沒(méi)有質(zhì)量就沒(méi)有前景.

2.3.3雙金屬導(dǎo)體

所有雙金屬(包括包覆和鍍覆)材料的質(zhì)量問(wèn)題,其核心技術(shù)在于兩種材料過(guò)渡層的脆性和冶金結(jié)合.如果原始的鋁或鋁合金桿與包覆層之間的過(guò)渡層厚而脆,且結(jié)合不良,進(jìn)而深加工的線或排,其質(zhì)量是不會(huì)好的.

(1) 銅包鋁桿.目前國(guó)產(chǎn)工藝和裝備有兩個(gè)主要問(wèn)題:即由水平連鑄法制造的鋁桿或鋁合金桿,表面質(zhì)量和內(nèi)在質(zhì)量不佳;由國(guó)產(chǎn)連續(xù)包覆機(jī)組制造的雙金屬桿坯結(jié)合不良.致使拉線脫皮(針孔),甚至斷線,從而引起加速的電化學(xué)腐蝕而斷線.故今后仍需努力改進(jìn),因銅包鋁線在通信領(lǐng)域尚有一定的市場(chǎng).

(2) 銅包鋁排.生產(chǎn)工藝有多種,但銅、鋁結(jié)合問(wèn)題同樣是技術(shù)核心,從而涉及產(chǎn)品的成品率和成本,今后尚需努力改進(jìn).銅包鋁排已制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),正在推廣應(yīng)用之中.

銅包鋁桿、銅包鋁線和銅包鋁排,如果產(chǎn)量很大,尚有1個(gè)共同的問(wèn)題:廢桿、廢線和廢排的銅、鋁分離處理問(wèn)題.未經(jīng)分離處理是不能用在火法精煉直接再生制桿中的;對(duì)分離處理的方法必須經(jīng)濟(jì),且不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生二次污染.對(duì)含銅的鋁合金生產(chǎn)中或許可“消化少量銅包鋁廢料”,但用量不會(huì)很大.

2.3.4制線是電纜生產(chǎn)的基礎(chǔ)

電工用銅合金線和高純銅線應(yīng)用于電氣化鐵道用接觸線和承力索;海洋開(kāi)發(fā)用線纜;航空、航天用線纜;機(jī)器人線纜;特種電子線纜;特種電磁線;醫(yī)療機(jī)械用線纜;音響線等用的高保真線;超導(dǎo)線;電真空器件.

2.3.4.1電工用銅合金線

電工用銅合金線是中國(guó)電纜工業(yè)的缺門(mén),它是制約發(fā)展特種電線電纜的原因之一,是創(chuàng)新開(kāi)發(fā)類別眾多的特種線纜的不可缺的基礎(chǔ)材料之一.在國(guó)外,有的電工用銅合金線甚至不上國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),不轉(zhuǎn)讓技術(shù).向國(guó)外出口,只賣半成品線,且由獨(dú)家拉線、制成鍍層線后在所在國(guó)銷售.

電工用銅合金線屬“小鍋菜”,用量不大(不能和銅線用量相比)但品種多而特殊,技術(shù)要求高(利潤(rùn)也高),要迎合各種不同“口味”的特種線纜的特殊要求.所以,我國(guó)電纜工業(yè)要針對(duì)不同的特種線纜產(chǎn)品,搞由本行業(yè)生產(chǎn)的電工用銅合金線,而且要完善特殊的生產(chǎn)配套,以適應(yīng)柔性生產(chǎn).從而必須從原料熔化、合金化鑄造和制桿入手,然后采用特種的深加工制線和制箔、熱處理和鍍銀、鎳、錫等技術(shù),做出高導(dǎo)電、高強(qiáng)度、細(xì)的甚至超細(xì)的線和超薄的箔桿為制造特種線纜所用.

無(wú)論低、中、高銅合金、微合金化的銅合金以及復(fù)合化的銅合金,都會(huì)對(duì)導(dǎo)電率有所犧牲,以換取其他性能的明顯提高,如抗拉強(qiáng)度和抗軟化溫度等.

2.3.4.2電工用高純銅線

高純銅,在于盡可能地提高銅材的導(dǎo)電率、導(dǎo)熱率和高保真性能等特殊要求,分4,6和8 N 3個(gè)等級(jí).已工業(yè)化的4 N銅在通訊、電子、醫(yī)療和雙零漆包線等線纜上已獲得廣泛應(yīng)用;超導(dǎo)線的熱穩(wěn)定材料需用高純銅,因?yàn)樗袣堄嚯娮杪?RRR=ρ293 K/ρ2.4 K)的要求;電真空器件需用高純無(wú)氧銅(一般含氧量有10 ppm,5 ppm和1 ppm 3個(gè)等級(jí));在高質(zhì)量的線纜中往往要用6～7 N銅來(lái)制造.在電子技術(shù)(如低溫粒子加速器)中,6 N銅(99.999 97%)已被使用;純度最高的8 N銅國(guó)外已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化,用于音響線.

2.3.4.3電工用鋁和鋁合金線

電工用鋁和鋁合金線應(yīng)用于架空導(dǎo)線;家用電器線纜;電力電纜和安裝用線纜;汽車用線束;航空用線束;繞組線;船用線束;電力變壓器;電機(jī)變壓器(對(duì)可靠性、安全性要求不高的,非連續(xù)使用的,非長(zhǎng)時(shí)間使用的);移動(dòng)網(wǎng)用的射頻電纜;風(fēng)電用電纜;超高壓和特高壓直流輸電用干式平波電抗器(在線路上已進(jìn)入實(shí)際試用階段,使用膜包矩形絞和組合膜包矩形絞鋁繞組線制造);軌道交通用鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌;屏蔽用編織線.

中國(guó)缺銅,以鋁節(jié)銅絕非短期行為,也不會(huì)因銅價(jià)下跌而受到影響,它將漸進(jìn)式地向前發(fā)展,因而必須從長(zhǎng)計(jì)議.今后,鋁和鋁合金的用量,將逐漸向2位百分?jǐn)?shù)邁進(jìn).

電工用鋁和鋁合金,除在架空導(dǎo)線上應(yīng)用外,尚在下列應(yīng)用領(lǐng)域有發(fā)展空間,其特點(diǎn)是根據(jù)產(chǎn)品需求,鋁合金應(yīng)具有高導(dǎo)電、可控強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率外,在不同應(yīng)用中應(yīng)具有抗蠕變性能、耐振動(dòng)性能、可繞性、連續(xù)作業(yè)和長(zhǎng)期使用的安全可靠性.在此領(lǐng)域中,一般需要直徑達(dá)0.12 mm、0.30 mm的細(xì)線.對(duì)這種細(xì)鋁線或鋁合金線,如果制桿質(zhì)量不良,將在拉線時(shí)頻發(fā)斷線.目前制造鋁或鋁合金桿,除連鑄-連軋法外,國(guó)外已開(kāi)發(fā)用上引法連鑄線桿獲得成功,如再開(kāi)發(fā)特殊的深加工制線技術(shù),或許是研發(fā)的方向之一.

2.3.5國(guó)產(chǎn)銅、鋁、雙金屬制桿和制線裝備

無(wú)論從節(jié)能、環(huán)保和產(chǎn)品質(zhì)量上看,老舊的國(guó)產(chǎn)銅、鋁、雙金屬制桿生產(chǎn)線都應(yīng)從速淘汰、改造,向高端升級(jí).從總體上看,我國(guó)銅、鋁制線裝備尚處國(guó)際同類裝備20世紀(jì)90年代的水平,應(yīng)加緊改造,向高端升級(jí);國(guó)產(chǎn)銅包鋁雙金屬生產(chǎn)線,其中:用水平連鑄法生產(chǎn)的鋁(合金)桿質(zhì)量低下,包覆生產(chǎn)線銅、鋁結(jié)合不良,導(dǎo)致拉線斷線或脫銅;拉銅線的滑動(dòng)式拉線機(jī)不適宜拉銅包鋁線,由此拉線斷線或產(chǎn)生表面針孔,從而很快引起電化學(xué)腐蝕斷線.從而應(yīng)從速淘汰、改造,向高端升級(jí).

3　結(jié)束語(yǔ)

中國(guó)的金屬導(dǎo)體制造業(yè)應(yīng)以創(chuàng)新促發(fā)展,自強(qiáng)不息、自主創(chuàng)新,使金屬導(dǎo)體的材料、工藝、裝備和產(chǎn)品向高端提升,實(shí)現(xiàn)更新?lián)Q代,向更耀眼的目標(biāo)前進(jìn).

[1]黃崇祺.銅-鋁導(dǎo)體生產(chǎn)的發(fā)展趨向及有關(guān)問(wèn)題的探討[J].電線電纜報(bào),2004(3):3-12.

[2]黃崇祺.輪軌高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)用接觸線的研究[J].中國(guó)鐵道科學(xué),2001,22(1):1-5.

[3]金榮濤.中國(guó)銅加工產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)路在何方[J].世界有色金屬,2015(4):60-64.

[4]鐘華.國(guó)際電器電子產(chǎn)品再制造的經(jīng)驗(yàn)及對(duì)我國(guó)的啟示[J].再生資源,2015(3):17-20.

[5]丁濤,楊敬增.廢電線電纜提取銅材料的工藝技術(shù)研究與設(shè)備分析[J].再生資源,2014(8):62-65.

Innovation and Development Trends of the Metal Conductor’s Manufacture in China’s Cable Industry

HUANG Chongqi

(Shanghai Electric Cable Research Institute, Shanghai 200093, China)

Wire and cable industry is an important basic industry in China,its production scale is big,high consumption,has become the world’s largest producer and consumer of wire and cable.In recent five years,China’s cable industry metal conductor manufacturing process technology and equipment development and product innovation made remarkable achievements.This paper expounds the five important achievement,analyzes the development direction of the China’s cable industry and puts forward some suggestions.

electric wire and cable industry; metal conductor; technical equipment; developing direction

1005-2046(2016)03-0063-09

DOI：10.13258/j.cnki.nmme.2016.03.001

2016-04-20

黃崇祺(1934—),男,中國(guó)工程院院士. 主要從事電工用銅、鋁及其合金、雙金屬和再生銅壓力加工制品的研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用.

TD 952

A