钢芯成型铝绞线的制造技术

赵士林，王品山，张金玉，陈 卫

(特变电工股份有限公司新疆线缆厂，新疆 昌吉831100)

0 引言

随着国民经济的高速发展，国内(尤其是华东、华北和南方等经济发达地区)用电负荷急剧攀升。为了提高输送容量，保证输电过程可靠性，满足经济发展的需要，经电力行业的专家、学者论证，认为必须将大截面导线引入电网建设，由此1 250 mm2系列导线被引入灵州—绍兴±800 kV特高压直流输电线路工程。本文即以该工程所用的JL1X1/G2A-1250/100钢芯成型铝绞线为例，介绍钢芯成型铝绞线的制造技术。

1 结构设计

JL1X1/G2A-1250/100-437钢芯成型铝绞线产品的研发系依据国家标准GB/T 20141—2006《型线同心绞架空导线》、GB/T 1179—2008《圆线同心绞架空导线》和国家电网公司2013年9月正式发布的《JL1X1/G2A-1250/100-437钢芯成型铝绞线技术条件》。该产品在承载钢芯外采用了四层梯形铝型线，大大增加了导线的填充系数，减小了导线外径，其导线的结构示意图见图1。该导线的加强芯为19/2.61结构的镀锌钢绞线，加强芯外是4层60股等效硬铝线直径为5.16 mm的梯形铝型线同心绞制而成。

图1 JL1X1/G2A-1250/100钢芯成型铝绞线结构示意图

众所周知，普通导线的铝单线为圆形，非紧压绞合后铝线和铝线之间的空隙较大，铝导体填充系数仅达到75%(实际截面与轮廓截面之比)，普通紧压铝导体的填充系数约为85%。通过将铝单线设计为梯型铝型线，经过同心绞合后，铝导体的填充系数可达到92%～93%，这样在不改变导线标称截面的前提下，可有效减小导线的整体直径。例如JL1/G2A-1250/100钢芯铝绞线直径为47.85 mm，而JL1X1/G2A-1250/100钢芯成型铝绞线直径则为43.67 mm，相同规格的导线采用铝型线绞制后导线直径减小了约9%，和JL/G2A-1000/80钢芯铝绞线直径(42.82 mm)相近。

2 生产工艺

JL1X1/G2A-1250/100-437钢芯成型铝绞线的制造主要是通过电工圆铝杆生产、铝型线拉制、铝型线绞制等工序完成的。

2.1 电工圆铝杆

JL1X1/G2A-1250/100钢芯成型铝绞线中铝型线主要机械性能和电性能指标远比等效直径的硬铝线高，两者技术参数对比见表1。

表1 铝型线和硬铝线技术参数对比表

在生产普通导线时，通常电工圆铝杆的抗拉强度只要达到110～120 MPa，电阻率不大于28.01 nΩ·m，即能满足导线的机械性能和电性能要求。但是JL1X1/G2A-1250/100钢芯成型铝绞线的单线直径大、强度高、电阻率低，通过试制摸索，杆的抗拉强度只有达到120～130 MPa，伸长率不小于6%，电阻率不大于27.81 nΩ·m，才能满足要求。为了生产达到要求的电工圆杆，需要在生产中做好炉前分析，掌握好硅、铁元素含量，控制住熔、铸、轧等工艺参数。具体工作如下:

(1)将保温炉内铝液的Si控制在0.04%～0.09%，Fe控制在0.08%～0.16%，Fe/Si为1.5～2.0，Ti+V+Mn+Cr≤0.02%，其余杂质含量≤0.03%。其中铁、硅的含量可通过不同成分的铝锭搭配实现，或在采购铝锭时明确成分含量，其余元素含量均在铝锭采购时严格按上限规定。

(2)为改善制杆工艺加工性能，根据铝锭成分的分析情况，每炉15～16 t需填加30～50 kg铝中间稀土;为保证制杆较高或稳定的导电率，每炉需添加40～60 kg铝硼中间合金。

(3)在炉前配料中，当保温炉铝液达到容量的80%时，将铝硼中间合金分批从熔炉炉口处加入，铝稀土中间合金在保温炉铝液达到100%时，一次性加入到保温炉，经人工搅拌2 min后，进行电磁搅拌，正转10 min、反转10 min后，再人工搅拌2 min，使铝液内微量元素和各种添料均匀分布，然后进行精炼除气、扒渣。

(4)扒渣后的铝液需静置25～30 min后，将保温炉铝液放出，经陶瓷泡沫板过滤，进入铸、轧工序。

(5)铸、轧工序主要是注意各段的温度控制，如浇铸温度控制在690～710℃，入轧温度控制在480～500℃，终轧温度控制在280～320℃。

2.2 梯形铝型线

2.2.1 梯形铝型线模具设计

JL1X1/G2A-1250/100钢芯成型铝绞线的单线为梯形铝型线，主要用梯形模具拉制。在梯形模具的结构设计时，要充分考虑金属变形的速度均匀性、材料的成本和易取性等因素，因为梯形模具不同于圆形模具，梯形模具在拉制时由于型腔中变形不均匀，其承受负荷远大于圆形模具的受力;如果设计或选材不当，会造成模具使用过程中易变形、腔体尺寸变化，甚至出现裂纹不能使用。通过生产试制比较，最终认为采用硬质合金模具(钨钢模)的性价比较高。

梯形模具的孔形截面尺寸是根据产品的总截面和绞层数来确定的，设计遵循每层梯形线高度相等的原则，采用了“连续线性变形”的设计思想，从第一块模具开始，由圆形逐渐变至梯形状，尽量做到铝线变形均匀。通过对JL1X1/G2A-1250/100钢芯成型铝绞线外层的梯形铝型线多次的试制验证，最终确定了梯形模具的尺寸和各区的角度，见表2。

表2 梯形模和圆形模结构参数对比

试制过程中，模具进口区穿线顺利，进口区和变形区抛光后拉丝液能顺利回旋，定径区可长时间保证线材的精确直径和光洁度，出口区的角度可保证线材拉出无伤痕，加之模具的选材具有拉力强、耐酸碱、耐腐蚀、不变形等优点，模具的使用寿命也较长。

2.2.2 梯形模具公差及配模

模具设计余量，根据导线总截面和绞制设备张力大小一般设定为6%～8%。以本项目产品JL1X1/G2A-1250/100钢芯成型铝绞线为例，内层、邻内层、邻外层和外层模具设计截面分别为22.32 mm2、22.24 mm2、22.18 mm2、22.11 mm2，以每层股数9、13、17、21计算，其四层股线设计总截面为1 331.37 mm2，按标称截面1 250 mm2计算，其富余量为6.5%，经拉制、绞制工序后可将截面控制在标称截面公差范围内。

梯形模具承受的负荷远大于圆形模具，在配模时面积压缩比(延伸系数)不宜过大，否则容易断线。如等效圆直径4.75 mm的梯形线，采用9.5 mm杆进线，需配7块模子完成拉制(使用9+2铝大拉机，前8道鼓轮速比为1.238，最后二道鼓轮速比为1.10～1.30)，而圆线只需6块拉模即可完成拉制(使用11模铝大拉机，前9道鼓轮速比为1.279，最后一道鼓轮速比为1.18)。配模见表3。

表3 截面积相等的单线配模对比表 (单位:mm)

2.2.3 拉丝油选择

由于型线的不规则性，拉丝时产生的阻力并不是轴线方向，在同样形变下，型单线比圆单线需要的张力大，导致线材与模具之间、线材与塔轮之间的摩擦力和拉伸力都较大，致使线材、模具、塔轮的温升比拉制圆线时更高，这种温升会直接影响线材的质量，同时使润滑剂的作用变坏，继而影响产品质量甚至不能连续拉丝。因此，选用良好的拉丝油是控制型线拉丝过程中温度、保证线材质量、提高拉丝速度的关键，拉制型线的拉丝油应具有如下性能:

(1)应与模具和导线表面有较强的吸附性能，要求其油溶性好，稳定性高;

(2)有一定粘度的基础油，其粘度要保证在负荷条件下，使金属线材和模具间形成一个可以流动的油模层，达到减小摩擦力、延长模具使用寿命、提高拉丝速度的目的;

(3)要适应铝屑的自沉降，同时具有闪点高、耐高温、氧化稳定性佳，无腐蚀性、刺激性的气味等要求。

2.2.4 梯形线拉丝速度和方向

与等效直径相等的圆线相比，型单线与模具的接触面积大，发热较严重，因此速度不宜过快，一般控制在10 m/s以下。

模具放置时应保持出线方向(大小弧面)形状一致，为避免工人操作方向错位或发生偏离放错，在镶嵌模套上设计一个定位面。每块模具的放置应使小弧面和拉丝鼓轮接触，这样有利于拉丝的形变，并且能有效地保证单线大弧面(即导线外表面)平滑和光洁。在走线时也应使小弧面和导轮接触，避免单线大弧面损伤。收线时各盘单线应保证方向一致，导轮要求底部平整，且采用单盘收线，避免收线过程中单丝翻身。

2.3 钢芯成型铝绞线绞制

JL1X1/G2A-1250/100导线由四层梯形铝型线同心绞制而成，绞制采用了710型84盘框绞机，在试制中，主要解决以下三个问题。

2.3.1 防止梯形线在绞制中翻身

为了避免梯形型线在进入并线模前翻转，绞制前应在导线分线盘处安装上定位装置。它是由带轴承的梯形成型尼龙轮和2个轴承压轮组成，通过调整两个轴承压轮来保证梯形型线不发生翻转。

调整好成型轮与压轮的位置，做好型线预扭也是保障梯形铝型线绞制不翻身及顺利成型的关键。如果不调整好成型轮和压轮的位置关系，则会出现张力过大而拉细梯形铝线的问题。为保证张力适中，在轴承压轮与梯形尼龙轮压紧时，每个轴承压轮、成型轮与通过的梯形铝线应在一条直线上。梯形铝线绞合时，成型铝股线在围绕导线轴线绞合的同时，自身也绕其轴线扭转;为了消除绞合过程中形成的扭应力，保证梯形股线绞合后的服帖性，需要对每股梯形单线进行预变形处理，即在定位装置和并线模之间应对梯形股线预扭1～2圈，预扭的方向与绞笼旋转方向相反。

2.3.2 确定节径比

节径比的选择关系到导线绞合的质量。节径比选的太小，会出现“背股”、“过扭”等问题，节径比太大，会造成导线松股。通过生产试制，确定比较理想的从内到外节径比范围:内层14～16倍，邻内层13～14倍，邻内层11.5～13倍，外层10.0～11.5倍。绞制工艺参数见表4。

2.3.3 保证导线外观质量

梯形铝型线绞制时还要注意保护好绞线外观，如绞线前检查绞线机的牵引轮，牵引轮表面如有磨损应做相应的处理，可在牵引轮表面包裹一层剪裁好的毛毡，以防导线在牵引轮上打滑和擦伤。将绞线用并线模的进线区和定径区打磨光滑，进线区和定径区连接处光滑过渡，以防磨损导线表面。绞制时并线模不能压得太紧或太松，太紧会压伤铝线并有拉伸的可能，太松会导致导线绞合松股。开机前需更换所有已磨损的穿线管，通过上述措施即可保证绞制导线的外观质量。

表4 JL1X1/G2A－1250/100钢芯成型铝绞线绞制工艺参数表

3 结束语

本项目研究的JL1X1/G2A-1250/100-437钢芯成型铝绞线产品是灵州—绍兴±800 kV特高压直流线路工程用导线之一。该产品的单线采用了梯形型线，可增大导线的填充系数，减小导线轮廓直径，消除导线表面明显的节距沟，使导线表面光滑、圆整，达到降低导线表面电场强度、增强抗电晕性、减少电晕放电的目的。此外，这种外观平整、光洁的型线结构导线，还可以大大减少雪、霜和水在导线表面的积聚，提高了导线防冰雪和防冻雨的性能，更加适合超特高压输电线路建设的要求，对促进导线工艺技术进步起到了很好的推动作用。

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［4］GB/T 20141—2006型线同心绞架空导线［S］.