黃崇祺

(上海電纜研究所, 上?！?00093)

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中國金屬導體制造業(yè)的創(chuàng)新開發(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,消費量高,中國己成為世界最大的導線電纜生產(chǎn)和消費國.近5年來,中國金屬導體制造業(yè)的工藝、技術、裝備和產(chǎn)品創(chuàng)新開發(fā)取得了令人矚目的成就.簡述了其中的5項主要成就,對中國金屬導體制造業(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); 金屬導體; 技術裝備; 發(fā)展方向

中國是世界最大的導體生產(chǎn)和消費國.金屬導體(銅導體、鋁導體)是電纜制造的重要基礎材料.2013年國內電纜行業(yè)銅導體的總用量約578萬噸,約占世界銅導體總用量的1/3[1].鋁導體總用量約220萬噸.中國電纜工業(yè)2014年行業(yè)銷售收入約1.4萬億元.據(jù)2014年7月統(tǒng)計,國內電纜企業(yè)已達近萬家,中、小企業(yè)占95%以上;我國前10名的電纜企業(yè),僅占國內市場份額的7%～10%,遠低于美國的70%.目前我國還沒有航空母艦級的電纜集團.

1　中國金屬導體制造領域取得的重要成果

1.1高速鐵路用超細晶強化型銅鎂合金接觸線關鍵技術

中國高鐵試驗速度已達486 km/h;中俄財團中標莫斯科-喀山高鐵,全長770 km,時速為400 km.我國電氣化高鐵設計要求為:設計時速370 km/h,最低時速350 km/h,最高時速410 km/h.隨著我國城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略的實施,極需發(fā)展中低速的磁浮交通,目前我國已擁有了自主知識產(chǎn)權的中低速磁浮交通系統(tǒng)技術,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.長沙機場線(18.55 km)和北京S1線(10.23 km)擬于2016年建成;高速磁浮亦已進入議事日程.這些都對高速鐵路接觸線的性能提出了更高的要求,高速鐵路用超細晶強化型銅鎂合金接觸線的成功研制為中國高鐵發(fā)展提供了強有力的支撐[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)新之處在于實現(xiàn)了超細晶強化,其措施是通過固溶強化(控制鎂含量,避免人工熱處理)、細晶強化以及冷作硬化(控制總變形量)3種強化方式相結合,使接觸線具有超細晶、高強度和高導電的特色,并可實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn),從而獲得技術經(jīng)濟效果好的大長度無接頭的無氧銅鎂合金接觸線.

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)的國外進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,晶粒已較細;圖2(c)為連鑄-連擠-連軋-連拉法生產(chǎn)的超細晶強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

試驗證明,有了好的接觸線產(chǎn)品,還要用好的施工機械相匹配(見圖3),才能保證高速電氣化線路工程質量一流,延長接觸線的使用壽命.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)進行中;圖3(c)為采用恒張力放線車進行掛網(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的速度試運行,效果甚好.

弓網(wǎng)系統(tǒng)對接觸線電弧燒蝕的影響:高速時速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,侵蝕創(chuàng)面會隨弓網(wǎng)摩擦很快消失,對接觸線影響不大;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程中,迅速受熱熔化,并在電弧移開后凝固,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)生在機車停止或低速狀態(tài),試驗采用0.1 s的侵蝕時間,證明接觸線有較強的抗電蝕能力.大生產(chǎn)的接觸線性能優(yōu)良,質量穩(wěn)定.以150型Cu-0.51Mg合金接觸線為例(見圖4),檢測結果為:抗拉強度560 MPa(國際鐵聯(lián)標準470 MPa),導電率66～70%IACS(國際鐵聯(lián)標準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際領先水平,接觸線產(chǎn)品質量好,機電性能好,已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn),為我國高鐵走向世界做出了貢獻.

1.2電工用廢雜銅火法精煉直接再生高導電銅桿12萬噸生產(chǎn)線及其示范工程

電工用廢雜銅火法精煉直接再生高導電銅桿12萬噸生產(chǎn)線及其示范工程,是國家科技部下達的科技支撐項目.其目標是:

(1) 解決廢雜銅再生桿存在的嚴重質量問題;

(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,采用國產(chǎn)新工藝、新裝備,實現(xiàn)廢雜銅再生桿生產(chǎn)工藝、技術和裝備的更新?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為新開發(fā)的廢雜銅預處理裝置,圖6為廢雜銅火法精煉直接制桿工藝流程.

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

該新工藝及主要技術指標:清潔的廢雜銅原料含銅的質量分數(shù)為96%;火法精煉后可達到銅的質量分數(shù)≥99.90%,含氧量≤0.04%,導電率≥100 %IACS,伸長率≥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).由于采用新型增強型不定型澆鑄料CM2、爐內渣線下耐火材料和爐門材料等,使精煉爐耐火材料的抗渣性顯著提高,從而進入銅液的剝落料減少,提高了銅桿質量,爐子使用壽命延長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

1.2.212萬噸/年廢雜銅直接再生火法精煉連鑄連軋制桿設備及示范生產(chǎn)線

1.2.2.1廢雜銅預處理裝置

新開發(fā)的廢雜銅預處理裝置由圓筒篩等組成,可有效除去灰塵及細小顆粒,提高入爐品位2%～3%,并降低能耗、勞動強度和生產(chǎn)成本.試驗證明,對廢雜銅進行分揀、篩分等預處理是十分必要的.

1.2.2.2四爐組合布置

采用1個豎爐熔化(20 t/h),2個傾動式精煉爐(2×50 t)交替精煉供液以及1個傾動式保溫爐(25 t)布置.銅液經(jīng)保溫爐(25 t)向澆包和連鑄機不斷供液.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,各機架獨立傳動;裝機容量2 000 kW;軋制道次為粗軋、精軋各6道;生產(chǎn)線總裝機容量3 000 kW;生產(chǎn)能力20 t/h(最大23.5 t/h);年產(chǎn)能為12萬噸.

生產(chǎn)線的特點:

(1) 系國內第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)線融合國內外最新的工藝、裝備和輔助設施,實現(xiàn)自動控制.

(3) 在我國首次實現(xiàn)連鑄自動液位控制,從而降低勞動強度,穩(wěn)定產(chǎn)品質量,填補了國內空白.

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

(5) 采用先進高效的氣體凈化技術、燃燒系統(tǒng)實現(xiàn)PLC界面操控,具有強化冶煉、高效除雜、綠色環(huán)保和低能耗等特點.生產(chǎn)銅桿的天然氣消耗指標為100 m3/t左右,與傳統(tǒng)的廢雜銅—陽極銅—電解銅—反射爐熔煉—國產(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,機架單獨傳動,實現(xiàn)軋制孔型快速精準調整,整體軋制系統(tǒng)伸長率可調;軋輥快速更換和調整,徹底解決了我國幾十年來軋制生產(chǎn)線油、乳混合的難題,軋機使用壽命延長、生產(chǎn)成本降低、生產(chǎn)效率提高[3-4].

(7) 實現(xiàn)了精確控溫、控氧,產(chǎn)品質量穩(wěn)定.

(8) 解決了輔機系統(tǒng)液體(冷卻水、乳化液、潤滑油、清洗液)的流量、溫度、壓力的自動控制和乳化液過濾,使輔機與主機相配合,保證了穩(wěn)定生產(chǎn).

(9) 采用目前國際先進的控制系統(tǒng),實現(xiàn)了設備的連鎖啟停、回路自動調節(jié)、報警和記錄等一系列功能,系統(tǒng)的兼容性、可靠性和響應速度得到了有效的保證.

1.2.2.4行業(yè)標準和質量評估體系的建立

在廢雜銅火法精煉連鑄-連軋直接再生制桿生產(chǎn)工藝和設備的研發(fā)成功以及12萬噸/年示范生產(chǎn)線建立的同時,行業(yè)標準及質量評估體系隨之相應建立,為節(jié)能環(huán)保、物盡其用以及優(yōu)質優(yōu)價創(chuàng)造了條件.

建立行業(yè)標準和質量評估體系的工作包括:

(1) 制定了廢雜銅直接再生制桿行業(yè)標準《電工用火法精煉再生銅線坯 》(YS/T 793—2012),已于2012年11月1日起正式實施.YS行標填補了行業(yè)國內空白,經(jīng)有色金屬標委會專家評定,認為達到國際先進水平.

(2) 起草了《電工用火法精煉高導電銅桿電線電纜行業(yè)專用標準草案》,在國內首次對再生銅桿規(guī)定了原料、銅桿的含銅量、銅粉量、氧化膜厚度和螺旋伸長的指標,并開發(fā)了相應的試驗方法和裝備,為保證制品的機電性能和工藝性能創(chuàng)造了條件.針對3種銅桿牌號提出了導向性的應用建議.

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

1.2.2.512萬噸/年廢雜銅火法精煉直接再生制桿國產(chǎn)化示范生產(chǎn)線

通過當前國際最先進技術及裝備的引進和消化吸收,并融合自行研發(fā)的科研成果,集成再創(chuàng)新,設計了一條全新的生產(chǎn)線.對引進的生產(chǎn)線升級改造,形成高端示范生產(chǎn)線,為穩(wěn)定提高產(chǎn)品質量和工藝“三性”(可軋性、可拉性和可退火性)以及推廣應用創(chuàng)造了條件.該示范生產(chǎn)線的先進性主要體現(xiàn)于:

(1) 自主研制了原料爐前預處理裝備,建立了廢雜銅的原料分類及管理體系.

(2) 在廢雜銅雜質復雜多變、連續(xù)生產(chǎn)的情況下,改進并實現(xiàn)了快速除雜新工藝.

(3) 對連續(xù)生產(chǎn)線爐組進行升級改造,使用銅的質量分數(shù)96%及以上的廢雜銅,通過豎爐、精煉爐和保溫爐可連續(xù)穩(wěn)定供應電工用銅水,使低品位廢雜銅在連續(xù)爐組生產(chǎn)線上的應用成為現(xiàn)實.

(4) 研究選型使用能滿足各爐組的國產(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,減少非金屬夾雜進入銅水影響產(chǎn)品質量.

(5) 國內首次自主創(chuàng)新,實現(xiàn)了連鑄液位自動控制與冶金爐組聯(lián)動控制,保證了鑄條質量的穩(wěn)定,從而提高了銅桿的質量.

(6) 改進銅桿質量在線監(jiān)控系統(tǒng)(磁性和渦流探傷),使銅桿質量更加直觀實時監(jiān)控,便于員工及時處理質量問題,操控性更強.

(7) 生產(chǎn)線采用五輪式連鑄、兩輥式機架單獨傳動的連軋機及其整個輔助系統(tǒng),實現(xiàn)整個生產(chǎn)線主輔機匹配的自動化智能操作,為穩(wěn)定銅桿質量創(chuàng)造了條件.

(8) 實現(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) 改進了繞桿機系統(tǒng),實現(xiàn)緊捆繞桿和在線包裝,安全性好.

含銅質量分數(shù)≥96%的廢雜銅通過火法精煉連鑄-連軋生產(chǎn)的銅桿,其產(chǎn)品質量經(jīng)國家電線電纜檢測中心檢測,產(chǎn)品化學成分的質量分數(shù)及性能達到:主成分(Cu+Ag)≥99.90%,導電率≥100.5%IACS,含氧量<0.04%,伸長率≥38%,完全達到國家和行業(yè)標準要求.其中扭轉、伸長率、銅粉量和含氧量等指標可與國標牌號為T1的電解銅桿相媲美.

1.3液氮制冷低溫絕緣高溫超導電力電纜及其示范工程

圖7為低溫絕緣高溫超導電纜結構圖.圖8為低溫絕緣高溫超導電纜系統(tǒng)示范工程現(xiàn)場,2013年12月9日投入實際供電線路運行,目前一直在安全運行中.圖9為上海電纜研究所超導電纜示范工程運行負載情況.

圖7　低溫絕緣高溫超導電纜結構示意圖Fig.7　Structure diagram of CD insulated HTS cable

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

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

1.3.1超導電力電纜的特點及適用場合

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

適用場合:人口密集或電力負荷特大的中心城區(qū)或工作區(qū);地下空間擁擠,電網(wǎng)改造費用極高的地區(qū).1.3.2低溫絕緣超導電力電纜的結構和特點

1.3.2.1低溫絕緣超導電力電纜的結構

低溫絕緣結構是目前國際上開發(fā)應用的主流方向,優(yōu)于室溫絕緣結構的超導電力電纜.低溫絕緣超導電力電纜的結構如圖7所示.最中心的襯芯,是電纜導體繞制的骨架;襯芯外是超導體層,用多層超導帶材按電流均流分布設計節(jié)距繞制而成,使用的超導帶材為YBCO鍍膜的二代超導帶材,它優(yōu)于Bi系(BSCCO)的一代超導帶;超導體外是PPLP絕緣層;絕緣層外是屏蔽層,由超導帶等組成,致冷介質使用液氮,在77 K溫度下運行的3根單相電纜中采用兩進一回方式流動,電纜進出口溫差<2 K;電纜最外層是絕熱管和護套.

1.3.2.2低溫絕緣超導電力電纜的特點及性能測試結果

所研發(fā)的低溫絕緣高溫超導電纜系統(tǒng)額定容量為120 MVA(額定電壓35 kV,額定電流2 000 A),長度50 m,三相交流;超導電纜實測(77 K)臨界電流為3 350 A.系統(tǒng)在壓力測試前后無明顯變化,耐壓性符合設計要求,實測(77 K)超導電纜絕熱管的熱損耗約為2 W/m,2 000 A負載下超導電纜的交流損耗約為1.2 W/m,每套超導終端的熱損耗為200 W.主要電性能試驗參考GB/T 12706—2008和IEC 60840—2004標準.主要電性能試驗及結果見表1.

表1　主要電性能試驗及結果Tab.1　Experiments and results of the main electric properties

1.3.2.3超導電纜系統(tǒng)工程現(xiàn)場安裝竣工試驗

三相50 m超導電纜及終端,施加交流電壓42 kV時間1 h時,試驗通過.

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,實現(xiàn)了無人電站的遠程控制,為評估和研究超導電纜運行狀態(tài)提供基礎參數(shù).在日常運行中,超導電纜短時負荷的有效值約為1 800 A,最大電流超過2 000 A(見圖9),該超導電纜示范工程運行的負荷遠大于國際著名的美國奧爾巴尼工程項目的負荷.本項目已從研究開發(fā)階段轉入產(chǎn)業(yè)化階段,有關超導電力電纜系統(tǒng)的全生命周期分析(LCA),上纜所已經(jīng)連續(xù)進行了8年,預計后續(xù)的LCA研究工作還將至少需要5年左右的時間.

1.40.075 mm超薄無氧銅帶

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

1.551 mm大直徑電鍍陽極磷銅球

用400型連續(xù)擠壓機生產(chǎn)直徑50 mm磷銅棒,通過螺旋孔型斜軋工藝,生產(chǎn)具有國際同類產(chǎn)品先進水平的51 mm磷銅球,用于線路板電鍍陽極球,該種產(chǎn)品已進入國內外市場.創(chuàng)新開發(fā)的前景是生產(chǎn)更大直徑的磷銅球.

2　中國金屬導體制造業(yè)的發(fā)展趨向

展望未來,中國金屬導體制造業(yè)值得關注的主要發(fā)展趨向有四項:繼續(xù)推進“以鋁節(jié)銅”;繼續(xù)擴大高質量廢雜銅直接再生導體的應用;創(chuàng)新開發(fā)增加品種,提高產(chǎn)品質量,使產(chǎn)品向中高端方向發(fā)展,擴大新的應用領域;開發(fā)國產(chǎn)銅、鋁、雙金屬導體的制桿和制線裝備,向高端升級換代.

2.1繼續(xù)推進“以鋁節(jié)銅”

中國電纜工業(yè)“以鋁節(jié)銅”涉及:以部分鋁和鋁合金導體取代部分銅導體;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“光進銅退”逐漸取代銅;以廢電工級鋁保級利用節(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,對可用銅或鋁作導體的產(chǎn)品,需經(jīng)科學試驗,實際試用成功的產(chǎn)品,才得以推廣應用,反對盲目推行造成產(chǎn)品質量下降.“以鋁節(jié)銅”提倡實事求是,反對虛假促銷、宣傳失實,擾亂市場秩序和盲目投資.

中國缺銅,但用銅的總量又是世界之最,且銅價起伏往往甚大,由此,銅和鋁、鋁和鋁合金早已互為競爭者;這方面國內外都如此.

“以鋁節(jié)銅”是國際性的總趨勢,但按各國的國情、科學技術的進步有所不同,走走停停甚至出現(xiàn)反復,但總的趨向是漸進式的向前發(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由終端用戶的設計和使用者根據(jù)綜合技術經(jīng)濟效果和運行安全可靠性來決定.

為了規(guī)范市場,推進以鋁節(jié)銅的進展,我國已陸續(xù)頒布了下列7個標準:

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

(2) GB/T 30552—2014《電纜導體用鋁合金線》.

(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《架空絞線用中強度鋁合金線》(報批稿).

(6) NB/T 42051—2015《額定電壓0.6/1 kV鋁合金導體交聯(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)擴大高質量廢雜銅直接再生導體的應用

中國缺銅礦資源,再生制造作為循環(huán)經(jīng)濟“再利用”的高級形式,可達到與原有新品相同的質量,并順應綠色、循環(huán)、低碳的消費理念和國際潮流.再生制造是一個富含技術含量的生產(chǎn)過程,品質保障尤為關鍵.我國已將再制造業(yè)列入節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè),是陽光工業(yè),大有發(fā)展前途.近10年來,世界再生銅產(chǎn)量已占原生銅產(chǎn)量的40%～55%,其中美國約占60%,日本約占45%,德國約占80%,而中國約占30%,與先進國家相比,我國尚有較大差距[5].

今后的方向很清楚,把近年來獲得的創(chuàng)新成果“電工用廢雜銅火法精煉直接再生高導電銅桿12萬噸生產(chǎn)線及示范工程”推向市場,使優(yōu)質的再生銅桿進一步擴大應用.

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量的提高、制造裝備和技術的國產(chǎn)化,廢雜銅直接再生桿與電解銅桿的競爭將更激烈,電解銅桿生產(chǎn)的過剩問題亦將更趨加深.

我國的再制造業(yè)起步比國外晚20多年,綜合國情,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,明確各方責任,推行“延伸的生產(chǎn)者責任制”,形成基于生產(chǎn)—消費—回收—再制造全生命周期的閉環(huán)系統(tǒng).

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

(3) 加強對再制造業(yè)的監(jiān)督指導,尤其是對質量的全過程服務保障,使產(chǎn)品再制造與產(chǎn)品全生命周期服務組合起來,提升產(chǎn)品質量,為消費者創(chuàng)造價值.

(4) 提高進入“再生制造業(yè)的門檻標準,為保證產(chǎn)品優(yōu)質”,對電工用再生銅桿應實行生產(chǎn)許可證制.2.3創(chuàng)新開發(fā)增加品種,提高產(chǎn)品質量,使產(chǎn)品向中高端方向發(fā)展,擴大新的應用領域

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

2.3.1銅桿

我國引進銅連鑄-連軋生產(chǎn)線有30多條,年產(chǎn)量為8～30萬噸不等,原材料均使用電解銅.另有600余套無氧銅上引機組(大多為國產(chǎn))以及200余條國產(chǎn)連鑄-連軋生產(chǎn)線.從而銅桿裝備的裝機能力嚴重過剩(為國內銅桿需求量的2.5倍以上),開工率不足一半.再生銅桿嚴重的全國性質量問題(包括低氧和無氧銅桿),主要原因來自低水平的國產(chǎn)裝備、原材料和工藝.化解過剩,值得關注.淘汰或改造后另找商業(yè)出路乃是必然趨勢.

我國火法精煉直接再生高導電低氧銅桿的生產(chǎn)技術、工藝裝備、質量評估方法和行業(yè)標準(YS/T 793—2012)已經(jīng)解決,今后重點應在推廣應用,建設新的生產(chǎn)線,淘汰老工藝、老裝備,為國家節(jié)約電解銅、節(jié)能、降低對環(huán)境的污染狀況.

2.3.2鋁及鋁合金桿

近些年來,我國對電工用鋁和鋁合金導體新材料、新工藝和新裝備缺乏實質性的創(chuàng)新開發(fā),今后要加強開發(fā);發(fā)展電工用鋁合金新材料,穩(wěn)定鋁合金生產(chǎn)的質量,提高生產(chǎn)成品率,仍是今后努力的方向.歷史證明,沒有質量就沒有前景.

2.3.3雙金屬導體

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

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

(2) 銅包鋁排.生產(chǎn)工藝有多種,但銅、鋁結合問題同樣是技術核心,從而涉及產(chǎn)品的成品率和成本,今后尚需努力改進.銅包鋁排已制定行業(yè)標準,正在推廣應用之中.

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

2.3.4制線是電纜生產(chǎn)的基礎

電工用銅合金線和高純銅線應用于電氣化鐵道用接觸線和承力索;海洋開發(fā)用線纜;航空、航天用線纜;機器人線纜;特種電子線纜;特種電磁線;醫(yī)療機械用線纜;音響線等用的高保真線;超導線;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電纜工業(yè)的缺門,它是制約發(fā)展特種電線電纜的原因之一,是創(chuàng)新開發(fā)類別眾多的特種線纜的不可缺的基礎材料之一.在國外,有的電工用銅合金線甚至不上國家標準,不轉讓技術.向國外出口,只賣半成品線,且由獨家拉線、制成鍍層線后在所在國銷售.

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,技術要求高(利潤也高),要迎合各種不同“口味”的特種線纜的特殊要求.所以,我國電纜工業(yè)要針對不同的特種線纜產(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,做出高導電、高強度、細的甚至超細的線和超薄的箔桿為制造特種線纜所用.

無論低、中、高銅合金、微合金化的銅合金以及復合化的銅合金,都會對導電率有所犧牲,以換取其他性能的明顯提高,如抗拉強度和抗軟化溫度等.

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電率、導熱率和高保真性能等特殊要求,分4,6和8 N 3個等級.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用;超導線的熱穩(wěn)定材料需用高純銅,因為它有殘余電阻率(RRR=ρ293 K/ρ2.4 K)的要求;電真空器件需用高純無氧銅(一般含氧量有10 ppm,5 ppm和1 ppm 3個等級);在高質量的線纜中往往要用6～7 N銅來制造.在電子技術(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用于架空導線;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;電機變壓器(對可靠性、安全性要求不高的,非連續(xù)使用的,非長時間使用的);移動網(wǎng)用的射頻電纜;風電用電纜;超高壓和特高壓直流輸電用干式平波電抗器(在線路上已進入實際試用階段,使用膜包矩形絞和組合膜包矩形絞鋁繞組線制造);軌道交通用鋼鋁復合導電軌;屏蔽用編織線.

中國缺銅,以鋁節(jié)銅絕非短期行為,也不會因銅價下跌而受到影響,它將漸進式地向前發(fā)展,因而必須從長計議.今后,鋁和鋁合金的用量,將逐漸向2位百分數(shù)邁進.

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

2.3.5國產(chǎn)銅、鋁、雙金屬制桿和制線裝備

無論從節(jié)能、環(huán)保和產(chǎn)品質量上看,老舊的國產(chǎn)銅、鋁、雙金屬制桿生產(chǎn)線都應從速淘汰、改造,向高端升級.從總體上看,我國銅、鋁制線裝備尚處國際同類裝備20世紀90年代的水平,應加緊改造,向高端升級;國產(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)桿質量低下,包覆生產(chǎn)線銅、鋁結合不良,導致拉線斷線或脫銅;拉銅線的滑動式拉線機不適宜拉銅包鋁線,由此拉線斷線或產(chǎn)生表面針孔,從而很快引起電化學腐蝕斷線.從而應從速淘汰、改造,向高端升級.

3　結束語

中國的金屬導體制造業(yè)應以創(chuàng)新促發(fā)展,自強不息、自主創(chuàng)新,使金屬導體的材料、工藝、裝備和產(chǎn)品向高端提升,實現(xiàn)更新?lián)Q代,向更耀眼的目標前進.

[1]黃崇祺.銅-鋁導體生產(chǎn)的發(fā)展趨向及有關問題的探討[J].電線電纜報,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].中國鐵道科學,2001,22(1):1-5.

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

[4]鐘華.國際電器電子產(chǎn)品再制造的經(jīng)驗及對我國的啟示[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研究與設備分析[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、開發(fā)和應用.

TD 952

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