中国电缆工业金属导体生产的六十年巨变

2010-03-26黄崇祺

电线电缆 2010年3期

黄崇祺

(上海电缆研究所，上海200093)

0 引言

金属导体是电线电缆的基础材料和重要组成部分。电线电缆具有传输电能、传递信息和实现电磁能量转换的功能，被喻为人体的血管和神经。2008年中国电缆工业的铜、铝导体的用量分别为412万t(2007年378万t)和145万吨(2007年135万t)，2008年和2007年相比，铜、铝导体的用量分别提高9%和7%。2008年因受经济危机的影响，全行业完成工业总产值约6904亿元，比上年增长了21.5%;完成销售产值约6695亿元，比上年增长了20%。

解放初期，我国金属导体的生产技术落后，装备陈旧。即使是重大装备——迴线式铜杆轧机，亦来自于援助国转手的德国造的二手机。现在金属导体的生产面貌已经焕然一新，今非昔比了。然而与国外先进水平相比，特别在高技术和原创方面尚有相当的差距。外观技术指标的差距只是表象，而实质性的差距则在于缺乏技术装备。中国电缆工业金属导体生产的发展可分为两个阶段，即改革开放前的以独立自主、自力更生为主的发展阶段和改革开放后的与国外接轨发展的阶段，但在两个阶段中自主创新始终是我们的魂和基石。回顾六十年，中国电缆工业导体生产大致可勾划出15项重大进步和技术创新，这是值得我们引以为荣的。

1 十五项重大进步和技术创新

中国电工铝导体生产的快速发展，从材料、工艺、装备和产品几乎都体现着独立自主、自力更生、自主创新、引进消化吸收和再创新精神。诸如在举世瞩目的三峡发电工程、750 kV和1000 kV高压交流输电工程、±500 kV和±800 kV直流输电工程中用的都是国产的优质导线，这代表了我国的能力和水平。

解放初期，中国没有真正工业生产意义上的电工铝导体:用半连续式浇铸机制造方锭;经加热由迴线式轧机生产铝杆;用非滑动罐式拉线机拉制铝线;用速度很慢的笼式绞线机生产导线。总之，工艺技术和装备落后，环境污染严重。那时，铝导体的用量也很少，如表1所示。

表1 上世纪80年代以前我国电缆行业铜铝导体年用量(单位:t)

中国缺铜，铜又是战略物资，改革开放前进口困难。自1957年开始电缆行业的产品结构进行了改革，并提出了“以铝代铜”的方针。2006年前后铜价暴涨，在以铝节铜、降低成本和减重节能的思维下，铝导体的应用又得到了相应的发展。随着我国电力事业的迅速发展，尤其是超、特高压输电工程和智能电网的建设，可以预计将会进一步扩大电工铝导体的应用。

1.1 我国第一条铝连铸连轧生产线的开发和应用

在上世纪70年代开发完成的这条生产线，以熔、铸、轧一条龙的连续生产方式获得了欢迎，由此迅速推向全国，并有出口，直至现今。其意义在于:

(1)它与“稀土优化综合处理方法”相结合，可用国产的非电工级高硅普铝锭生产出国外需用低硅电工级铝锭才能生产出的电工用铝杆，用此种铝杆可生产出达到任何国际先进标准水平的铝导线，并可大量出口。

(2)为导线新产品开发所需的基础铝杆，解决了重大的基础装备。

1.2 稀土优化综合处理技术生产电工铝导体

稀土优化综合处理生产电工铝导体的技术是继铝连铸连轧生产线之后又一项重大基础性独树一帜的自主创新成果。经几十年大生产考验，它已成为我国电工铝导体生产的主导技术。它的意义在于:

(1)中国铝矿资源含硅量高，不适于生产电工铝导体。自解放后30年来，中国电工铝导体的机、电性能一直不能完全达到国际标准的水平。而依靠这一成果，可用高硅普铝锭生产出性能优秀的电工铝导体，并达到了工业化的稳定生产，解决了我国生产量大面广电工铝导体的材料来源问题。

(2)发挥中国的综合优势，取中国稀土多之长补中国矿源硅高之短，符合中国国情，解决中国自己的问题，满足了广大市场的需要。

(3)这一技术既适用于电工用铝，也适用于电工用铝合金，这将为导体新品种开发所需的基础杆材创造了有利的条件。

1.3 研发了导电用的高强度、耐热铝合金

在保证导电率的条件下，开发具有高强度、耐热和高强度/耐热型铝合金是高压、超高压、特高压、大跨越、大容量输电线路发展之必需。

自上世纪60年代开始至今，我国先后已开发了高强度铝-镁-硅和铝-镁-硅-稀土合金、非热处理型高导电耐热铝合金和高强度耐热铝合金等，满足了架空导线、大跨越导线、光纤复合架空地线、变电站用大电流母线的需求。为了适应对铝合金杆的大生产需要，在已有的铝连铸连轧生产线基础上进行改型，设计并生产了铝合金连铸连轧生产线。一般铝-锆型耐热铝合金均需热处理，这样耗电多、工时长，是大量生产的瓶颈之一。为此，自主创新开发了非热处理型的高导电耐热铝合金。目前国产的各种耐热铝合金导线，其质量和性能均符合国际标准要求。

1.4 开发和应用“圆铝线一次成型压接法”生产铝包钢线

圆铝线一次成型压接法生产铝包钢线及其生产线是在上世纪70年代初完成的一项我国自主创新的新工艺和新生产线。它的特点是工艺简单，原材料铝比国外同类方法的利用率高，可达70%，并在原材料铝线和镀锌钢线的管道化连续清洗，圆铝线一次成型、压接有独到的创新。线的性能可达到国外同类产品的水平。首次在南京长江220 kV、2000 m级大跨越输电工程中应用，揭开了我国大跨越导线生产和应用的新篇章。现已有17条大跨越输电线路采用了此种导线，30多年来，线路一直运行正常。在2008年春节前后我国南方各地遭受50年不遇的特大雪灾，湖南全省很多500 kV以下的输、配电线路停止正常运行，但架在湘江上的采用此种铝包钢导线的220 kV和110 kV大跨越输电线路(分别已运行33年和15年)导线和铁塔完好无损。

80年代中期，随着康仿连续挤压机和双金属同步拉线机的引进，用以生产包复法铝包钢线，可获得更好的技术经济效果，而后通过消化吸收，目前此种技术和设备已推向全国，为大跨越输电线路的建设和兼有避雷和通信功能的光纤复合架空地线的发展和扩大生产提供了物质保证。

1.5 设计和生产高速铝拉线机

在技术引进消化吸收的基础上由我国自主创新设计和生产的直线式高速铝拉线机，具有速度快，生产率高，可获得抗拉强度高、表面质量好的铝和铝合金线，特别适于架空导线用硬铝线的生产，为超、特高压架空导线的开发和生产提供了必不可缺的装备。

1.6 设计和生产了铝、铝合金型线拉线机

我国自主创新设计和生产的铝、铝合金型线拉线机，可使铝和铝合金杆经一个工序直接拉出所需形状的型线。由此简化了工序，提高了劳动生产率，改变了历史上遗留下来落后的型线生产方式，为型线绞、碳纤维加强芯绞、预应力钢芯绞的架空导线和型线绞缆芯电缆的生产，提供了很好的生产装备。

1.7 设计和生产了框式绞线机

在技术引进消化吸收的基础上，由我国自主创新设计和生产的框式绞线机，与旧式的笼绞机、叉绞机相比不仅操作的自动化程度提高了，而且导线的质量和生产率有了明显的提高。此种设备已推向全国，成为架空导线生产的主导设备，而且已开发和生产了更大型的710四段框式绞线机，以满足大截面(1000mm2级)超、特高压架空输电线路用导线发展的需要。

1.8 开发了各种系列国产架空导线产品

架空导线生产的基础和保证在于材料、装备和工艺。目前我国已建立了比较完整的生产体系，开发了各种导线的系列产品，可满足当前电力发展的需要。

(1)架空导线的最大截面已达1000mm2;变电站用大电流母线的截面已达1600mm2;导线品种比较齐全，碳纤维加强的型线绞架空导线和钢芯预应力型线绞防冰雪架空导线，亦在开发和国产化之中;光纤复合架空相导线(OPPC)亦曾引进使用，国内亦可以生产。

(2)不同材料构成的1000、1500和2000 m级大跨越架空导线亦已在跨越江河的线路上应用。

(3)良导体架空地线、光纤复合架空地线(OPGW)，尤其是OPGW在老线路改造、新线路建设中获得了广泛的应用。

(4)架空线路和变电站用的扩径导线，已在超、特高压输电工程中应用。它们有300mm2截面扩大到400mm2截面、结构为多层抽股式扩径导线;630mm2截面扩大到900mm2截面、结构为钢芯蘑菇头高密度聚乙烯支撑两层“Z”型线绞的扩径导线(外径40mm)和连续焊接管轧纹支撑(直径70mm)式的扩径大电流母线。

1.9 建立和采用光亮无氧铜杆生产线

我国铜导体生产的特点是采用电工用光亮低氧铜杆生产的，其快速的发展主要是得益于引进、消化吸收及自主再设计，但由于设计中简化了某些影响铜杆质量的关键技术，招致消化不良，尤其在以后的废杂铜直接制杆生产中加剧了铜杆的质量问题。目前先进的废杂铜直接制杆连铸连轧生产线已经引进我国，铜杆质量可以达到需求，个别技术指标也可超过国家三级杆标准的水平，这将有利于促进我国废杂铜制杆生产的技术进步，以及质量和环境污染的改善。

在上世纪80年代前，我国没有电工用光亮铜杆，生产的全是质差、圈重小的黑铜杆;生产方式是平炉熔炼-铸船形锭-加热-迴线式轧机生产黑杆-酸洗-成品供货。

80年代后我国陆续引进了诸如浸涂法、上引法和连铸连轧法(美国式、德国式、意大利式和芬兰式)生产无氧和低氧铜杆，可以说全世界拥有的方法我国都有了。自那以后，我国电工用光亮铜杆的数量和质量有了快速的增长和提高。由此我国自主设计铜连铸连轧生产线也开始了。

我国光亮无氧铜杆生产线的研发、设计和生产是自主研发和引进消化改进相结合的产物，使我国光亮无氧铜杆的生产从无到有，质量和技术经济效果明显提高，现在的产量与连铸连轧低氧铜杆相比约各占半壁江山。

上世纪70年代中，我国开始自主研发设计上引法无氧铜杆生产线，到80年代初，通过消化吸收，得到进一步的改进和完善，从此中国制造的生产线迅速推向全国和国外，开创了我国光亮无氧铜杆生产的新篇章。

1.10 废杂铜直接再生制杆技术的引进和应用

中国缺铜，且使用电工用铜杆的数量又属世界之最，因此优质的符合三级杆标准的电工用再生铜杆必定会获得推广应用。电缆工业呼喊铜杆质量危机、国家号召节约能源，尽管我国废杂铜直接再生制杆利用在废杂铜分类和分拣、预处理方法和装备、熔炼炉和精炼工艺技术、铜连铸连轧装备、环保、质检认证和管理等尚有许多不尽人意之处，但我们应从速组织起来打好这一质量仗。2008年我国首条国际先进的废杂铜连铸连轧生产线的引进，为我国在这一领域促进技术进步、提高质量、改进环保、加强引进消化吸收再创新打下了良好的基础。

1.11 “以铝节铜”铜包铝线的制造和应用

铜包铝线的质量优劣，其核心取决于铜、铝结合的牢固性和过渡层合金的厚度。现在还有许多制造厂用的是早已淘汰的水平牵引连铸铝(合金)杆、技术不完善的包覆设备和不相称的铜拉线与退火的装备。由此引起产品质量的现状是粗线和细线做不好、断头率高、表面针孔频出，这都明显影响生产和应用的效果。

一般而言，在弱电特别是高频和射频电缆中已获得广泛应用，但用于强电方面国内外均有疑虑。使用中出现的问题有铜、铝分离，电化腐蚀加速，制品假接头影响信号传递，废料回收和应用困难等。

2008年我国已引进了首条国际先进的铜包铝生产线，预期将在产品质量、品种开发、装备改进等方面开创新局面。

1.12 引进和发展“康仿”连续挤压装备及其应用

“康仿”连续挤压技术自上世纪70年代从英国引进以后，经消化吸收和再创新，特别将上引法无氧铜连续生产技术与“康仿”连续挤压技术相结合形成的智能生产线更是各抒其长，将各自的优势发挥到极致。由此对“康仿”机组、挤压制品材料和产品种类的发展，产品质量的提高，简化工艺过程和减少工模具消耗，改善环保和节约能源均获得了明显的技术经济效果。

现在，“康仿”机的生产不仅满足国内需要，亦有相当数量出口。早先，“康仿”机以挤压铝材为主，现已发展到铜和铜合金。由于连续包覆技术和金属流动模具设计(坯杆尺寸小，挤出尺寸大，即所谓的“小变大技术”)及其模具材料的改进，不仅使连续挤出长度增加，而且可以向更大的宽度和直径方向发展，即可生产铝包钢双金属线、钢铝接触线、高强度超细晶镁铜、锡铜、银铜接触线和磷铜球大直径坯棒。“康仿”机已形成 250、300、350、400(最大铜排170×15mm、铝管 50mm)和630型机组的系列化生产。630型机组的生产将为无氧铜宽带带坯(25×320mm)、高压电缆的皱纹铝护套(220 kV电缆，截面2500mm2，铝护套直径150mm)和超高压变电站大电流母线用大直径支撑铝管的生产获得良好的技术经济效果。长期以来，电缆和冶金行业对铜排生产一直不能解决脏、污染环境的落后面貌，由于应用“康仿”技术，可改善环保，简化生产工序，提高铜排质量和节约能源(节能效果可达40%)。

1.13 研发了电气化铁路接触网用接触线

随着我国电气化铁路从低速向高速发展，速度等级不同的客运专线，到2012年初或2011年末即将通车的约1300 km的京-沪高速电气化铁路，其运行速度在350 km/h及以上。由此，对接触导线提出了很高的“高强度和高导电”的要求。

我国材料工作者在既有技术积累的基础上集思广益，进行自主创新，特别是应用“康仿”新技术，形成了中国自主创新开发的上引法连续制杆-“康仿”连续挤压制坯-冷轧-冷拉制线的新工艺，实现了大规模工业化生产。铜镁接触线的质量、性能明显提高，且高于国外同类产品的水平。现以在京-沪高速铁路上用的150mm2铜镁(中镁)接触导线为例，其实测抗拉强度和导电率分别可达520 MPa和68%IACS，而相应的欧洲联盟标准(EN501.49)值分别470 MPa和62%IACS;铜镁接触线的组织细密，其平均晶粒度8 μm。这种新工艺之所以能获得如此好的强度和导电率，主要得益于材料成分、晶粒细化和冷加工量等控制得当。此种工艺不仅适用于加工铜镁合金，也适用于铜锡、铜银和纯铜等接触导线。

1.14 铜扁线、换位和组合绕组线研制和应用

金融危机影响全球，但我国输变电工业一枝独秀，2008年变压器产量已达13亿kVA，同比增长30%，2009年1～3月累计产量3.11亿kVA，同比增长19%。

铜扁线是电力变压器、电抗器、干式变压器和牵引变压器用绕组线的基础材料。换位导线具有减小变压器体积、降低由漏磁场引起的环流附加损耗和涡流损耗，可提高绕组线的机械强度和节省绕制时间，因此在超、特高压变压器中获得了广泛应用。换位导线的品种也相应骤增，其生产线已可打制5～71根不同绝缘的换位导线，并已掌握了制造高硬度、多根数、小节距、高辐向换位导线的技术。换位机已具有双推指换位装置，配置两组换位器的换位头，可确保差异较大的线规组成的换位导线的几何尺寸精度、导线组合的紧密性和换位间距的正确性。我国首条引进的换位导线生产线具有9段绞笼，每笼可装6盘扁线，换位根数最多可达54根，是目前国际上同类生产线中最先进之一。

用于绕组线的铜扁线，一般厚度为1～4.0mm，宽度为3～20mm。现在采用先进的上引无氧铜与“康仿”连续挤压(必要时再加拉线和适当的冷作硬化)相结合的生产线，可生产不同软、硬的铜扁线，彻底改变了过去生产工序多、脏、乱和环保差的面目，建成了全封闭、全空调、恒温、恒湿、无尘净化的现代化电磁线制造厂房。

1.15 “斜拉索”和“预制平行钢丝束”主缆的研发和应用

“斜拉索”和“预制平行钢丝束”主缆，不是真正意义上的输电电缆，而是大跨度桥梁中主要的承力构件，它们的制造工艺技术与电缆制造有点相似，但又不全是。这些“索”和“束”可向国外买，但很贵。我国的电缆工作者主动请缨，以独立自主、自力更生、赶超国际先进水平的精神，自主创新研究设计和建立了我国历史上第一个专业化缆索厂，满足了桥梁高速发展的需求，开创了中国缆索生产的新篇章。

“斜拉索”与“预制平行钢丝束”主缆，有共同点，就是都属承力构件，均在工厂预制而成，因而，索和束的两端都要分别预制“冷铸锚头”和“热铸锚头”。根据缆索张力要求的不同，所用钢材都为抗拉强度在1770～1870 MPa左右的预应力六角形钢丝，松弛度为2.5%。但“索”与“束”又有差异，因而制造的工艺和设备又有不同，在结构上，“索”用六角形股线按正规方式绞制，螺旋升角在2～4°，绞合后，在外层绕包带，然后挤高密度聚乙烯，定长切割，做环氧树脂和铁砂的冷铸锚头，最后加“索”工作张力1.5倍的力进行预拉。而“束”，六角形股线是不绞的，按正规平行排列方式形成一根“束”，在现场安装成桥的两根主缆。将成“束”的股线挤成圆线，然后绕3mm钢丝，外涂防水层和刷漆，每“束”做锌-2%铜合金的热铸锚头，最后加“束”工作张力1.5倍的力进行预拉。因此预制平行钢丝“束”是裸线。