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技术 | 如何做好“以铝代铜”工作

2022-03-17 09:39:14 来源：中国有色金属报

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简介：19世纪初期，铝导体就已经出现了。20世纪60年代以后，由于铜资源有限，较为贵重，而与铜性能最为接近的铝资源丰富，取之不尽，“以铝代铜”的概念被提出。“以铝代铜”主要是指用铝材代替铜材生产导体。铝—镁—硅合金是在电线、电缆中使用得最多的铝合金，为6101及6201合金，状态为T1及T4。2020年，该种铝合金在全世界的用量超过5000kt，在中国的用量预计超过1600kt，约占总消费的30%以上。

19世纪初期，铝导体就已经出现了。20世纪60年代以后，由于铜资源（全国铜选冶实用技术与装备交流会）有限，较为贵重，而与铜性能最为接近的铝资源丰富，取之不尽，“以铝代铜”的概念被提出。“以铝代铜”主要是指用铝材代替铜材生产导体。铝—镁—硅合金是在电线、电缆中使用得最多的铝合金，为6101及6201合金，状态为T1及T4。2020年，该种铝合金在全世界的用量超过5000kt，在中国的用量预计超过1600kt，约占总消费的30%以上。俄罗斯正在研发纳米显微组织导线铝合金（第九届中国铝工业科学技术发展大会），其抗拉强度为320MPa-370MPa，电导率为57.2% IACS-56.1% IACS（国际退火铜标准，International Annealed Copper Standard）。中国铜资源较为稀缺，而铜在生产某些部件或产品时又是不可或缺的。因此，必须珍惜用铜，切实做好“以铝代铜”工作。

铜、铝性能比较
铜是人类使用最早的金属元素之一。铜颜色紫红，热导率及电导率高，是良好的导体；在干燥空气中不氧化，在含有CO2的湿空气中会形成铜绿；与碱性溶液反应很慢，但易与氨形成配合物；标准电极电位为+0.337V，不能置换酸液中的氢，但可溶于有氧化作用的酸中，二价铜的电化当量为0.0003294g/C（库伦）。铜的提取、加工、回收与再利用并不困难，因此，从原始社会到文明昌盛、科学技术高度发达的今天，铜制品一直陪伴着人类，为人类的进步作出了重大贡献。
铝是一种较为年轻的金属元素。1746年，德国科学家波特（J.H.Pott）用明矾制得氧化铝。1807年，英国化学家戴维（H.Davy）试图电解熔融氧化铝制取铝，并于第二年给预想的金属取名为Alumium，后改为Aluminium，即铝。1825年，丹麦化学家奥斯特（H.C.Oersted）用钾汞齐还原无水氧化铝，获得了几毫克铝。1827年，德国科学家沃勒（F. Wohler）用钾还原氧化铝，得到了少量铝。1854年，法国科学家德维尔（S.C. Deville）用钠还原NaAlCl4配合盐制得铝，并生产一些皇室用品，如头盔、餐具及玩具，价格高昂，比黄金还贵。1884年，美国铝的总产量为56.7kg。1886年，美国大学生霍尔（Hall）和法国大学生埃鲁（Heroult）几乎同时发明了冰晶石-氧化铝溶盐电解炼铝法，宣告铝的工业提取工艺诞生，他们分别在美国和法国取得了发明专利。
1888年，霍尔在匹兹堡成立了世界上首个铝电解厂——匹慈堡冶金公司，并生产出第一块商业用铝。该公司制造了铝茶壶等生活用品，并制成了几种铝合金。从1888年到1893年，铝锭价格从10.7美元/kg下降到1.72美元/kg。1990年前后，铝箔、电线、电缆等产品也相继问世。
铝的标准电极电位为-1.662V，电化当量为0.3356g/（A·h）。铝的密度只有铜的30.13%，因此，用铝取代铜可以显著降低工件的质量，从而节约能源，减少温室气体排放。
以铝代铜可行吗
“以铝代铜”并不是指在所有领域和部门都使用铝材取代铜材，而主要是指用铝代替铜生产导电及导热（散热）件。
铝比铜轻约70%，可以减轻工件质量，从而使工件安装更为便捷。早在20世纪初，就开始用铝取代铜生产高压线路，使导线和线杆（铁塔）受到的张力大大下降。汽车工业和航空工业也纷纷采用铝导线。Airbus A380飞机是欧洲空客公司制造的世界上最大的客机，可容纳约800人，该客机上的所有导线都是铝的。
但是，在家中，使用铝导线取代铜导线安全吗？事实证明，是安全的，一点都不用担心。北美从20世纪60年代中期开始，就将住宅电线大规模改成铝制的。在世界其它地区，“铝线进家庭”的时间更早一些。铝线大概出现在1990年，当时，美国铝业公司用其提取的铝拉出了线材。
铝在哪些方面不如铜
必须承认的是，铝在一些方面不如铜。
铝的电导率比铜的低。99.990% Al在20°时的电阻率为2.6548×108Ω·m，等体积电导率为64.94% IACS。因此，必须采用直径更大的铝导线，才能使铝线的导电性与铜线相当。
铝的硬度比铜的低。99.5% Al退火状态的维氏硬度约为200MN/m2，比铜的低得多。电工的体会是，在剥去导线上的绝缘材料后，铝线比铜线更易产生切口、切痕、压痕等。因此，在进行铝线剥皮、对接与布线时宜格外小心，否则，伤口可能会成为过热点，引发过热现象。
铝的热胀系数比铜的大。电流通过导线时，导线会发热。在反复的加热膨胀与冷却收缩中，铝线会产生蠕变，从而引起连接松动和过热。
氧化铝的导电性能较差。铜线锈蚀并不是大问题，因为氧化铜导电，铜线仍然能正常地工作。但铝线锈蚀形成的氧化铝不是一种很好的导电体，对电流有阻碍作用，容易引起过热。该问题主要发生在连结处，如插座、闭合器、夹具、装置连接点、配电盘等。解决方案是采用专业连接件。
近年来，电动汽车市场成为投资热点。为降低CO2排放、减少电缆用量，电气配线成为重点问题。因此，改用专利1XXX、6XXX及8XXX系合金取代纯电工铝EC（Pure EC Grade Aluminium，99.7% Al）。这种趋势在20年前的欧洲就已经出现了，一些公司开始采用Aluflex 137050铝合金和标准电工合金EC Grade 1370-Conductal 137050铝合金制造汽车的铝电池电缆。为了降低汽车的净质量，日本的一些汽车公司倡导采用铝线替代铜线，目标是减轻20kg，现在已经接近此目标。
铝线应用发展历程
铝电线的小范围应用大概始于1900年，而其较大规模应用至今有100多年左右的历史。1944年，美国华盛顿哥伦比亚特区和马里兰州巴尔的摩间的线路最早采用铝电缆作为商业通信线。
早期，电缆线是用铁拉制的，很难生产，为了提高效率，工厂在铁线表面浸涂一层硫酸铜作为润滑剂，生产效率大为提高，于是改用铜制电线。1913年，国际电工委员会制订了IACS，认定铜的电导率为100% IACS。
1930年，德国试用PVC绝缘铝电缆。第二次世界大战末，人造橡胶和聚乙烯电缆开始大量应用。20世纪50年代，PVC在许多领域得到广泛的商业应用，特别是在家用线缆方面，“以铝代铜”几乎得到普及。在很长时间里，铝线缆大都是采用99.5%的工业纯铝AA1350制造的。
铝线缆新时代来临
在最初生产铝线缆时，采用的是8000系铝合金。美国铝业公司在开拓导体铝合金方面做了许多工作，首个8000系合金于1972年获得专利，紧接着，AA8030合金于1973年获得专利，AA8176合金于1975年获得专利。它们的力学性能与铜的等同，标志着铝线缆新时代的来临。
20世纪40年代后期，普罗帕齐（Properzi）铝线杆连续铸轧工艺和装备进入市场，用于连续铸轧有色金属线杆，最先生产的是市场急需的纯铝线杆；在满足纯铝线杆市场需求后，又进入铝合金线杆市场。先后推出的产品有AAC（全铝导线，All-Aluminium Conductors）、AAAC（全铝合金导线，All Aluminium Alloy Conductors）、ACAR（合金加强的铝导线，Aluminium Conductor Alloy Reinforced）、ACSR（钢加强的铝导线，Aluminium Conductor Steel Reinforced）、AACSR（钢加强的铝合金导线，Aluminium Alloy Conductor Steel Reinforced）、ACSR/AS（铝包钢加强的铝导线（Aluminium Conductor Aluminium Clad Steel Reinforced）、ACSR/TW（钢加强的异型铝导线（Shaped Wire Aluminium Conductor，Steel Reinforced）、ACSS/AS （铝包钢芯的铝导线Aluminium Conductors-Aluminium Clad steel suported）、ACCC（复合材料芯的铝导线，Aluminium Conductor Composite Core）、高温及HTLS导线（High Thermal and HTLS Conductors）。
随着生产技术的发展与应用的拓展，上述铝导线也有较大的发展，品种更多了，应用范围更广了。例如多种多样的复合AAC铝绞线，主要应用于低压线路和变电所连接线路；铝合金芯线的AAAC绞线，主要应用于低、中、高压线路和特高压的高空架线；芯线为铝-镁-硅合金高强度线与1350电线的ACAR绞合线，其绞线股数决定于设计；ACSR绞线，钢芯线经过电镀，外层为1层或多层冷拉1350-H19铝线；AACSR钢芯铝合金线，钢芯线经过电镀，外层为绞合，主要应用于中压、高压和特高压架空线路；ACSR/AS钢芯绞线，其力学性能与ACSR绞线相当。但钢芯之上包有铝，因此，载流量更大，抗腐蚀性能强。这类导线可用于严酷的腐蚀环境中；ACSR/TW（异型铝线，钢芯），在高强度钢丝之上绞合异型1350-H19导线；ACSS/AS（铝导线—铝包钢），以钢为芯线，钢芯上包以铝，再与1层或多层 350-0铝线绞合为一体的复合电缆；ACCC（复合材料芯线铝缆），芯线为质轻的高强度碳纤维和玻璃纤维增强的热树脂，采用先进的工艺制备，芯线为梯形的完全退火的高效铝线围绕而成；钢芯耐热铝合金线TACSR，其与常规ACSR导线结构相似，但常规ACSR线采用EC级铝（EC Grade Aluminium）线，而TACSR导线采用冷拉的耐热铝合金线TAL，可在210℃或更高些的温度下安全地长期工作；带有间隙的钢芯增强的耐热铝合金绞线GZTASCR（Thermal resistant aluminium conductors steel reinforced with GAP）。这种导线的钢芯与第一层梯形耐热铝合金线之间隔有一层不厚的间隙，能够使钢芯线承受安装时产生的拉伸，间隙内充满耐热润滑树脂。
普罗帕齐连铸连轧线

意大利普罗帕齐连铸连轧线（Properzi CCR line）由普罗帕齐公司开发。目前，世界75%以上的钢、铝导线都是采用此工艺或类似的工艺生产的。普罗帕齐铝导线连续铸轧线由13部分组成。
经过多年研发，普罗帕齐公司可提供CRE（连续旋转挤压，Continuous Rotary Extrusion）技术和普罗帕齐成型机（Pro-Form，即Properzi Forming Machine），可以生产加工异型铝线（梯形线）、扇形铝电缆与导线、铝型材/母线、铝管、铝包钢线等。
俄罗斯研发纳米组织导线铝合金
2020年，世界各国共计消费约5000kt 6XXX系电线电缆铝合金，即铝—镁—硅系的6101及6201合金，状态为T1及T4。该种合金的抗拉强度为150MPa-220MPa，比电阻为0.034Ω·mm2/m-0.0360Ω·mm2/m，电导率相当于50.0% IACS-47.9% IACS，在架空线路与普通导线领域获得广泛应用。但工业界希望能生产出性能比6101-T4合金更好的合金，以延长线塔距离。6101合金的典型成分（质量%）为：Si 0.54、Fe 0.23、Cu 0.003、Mg 0.58、Zn 0.01、B 0.002、（Ti+V+Cr+Mn） 0.012、Al余量；典型性能为：抗拉强度195MPa，伸长率28%，比电阻0.03420Ω·mm2/m，电导率相当于50.4% IACS。
为了全面改善导线铝合金的性能，俄罗斯联合铝业公司和一些大学、科研院所的科学家开发出了纳米显微组织线杆，试样的抗拉强度达320MPa-370MPa，电导率相当于57.2% IACS-56.1% IACS。