黃崇祺

(上海電纜研究所，上海200093)

0 引言

金屬導體是電線電纜的基礎材料和重要組成部分。電線電纜具有傳輸電能、傳遞信息和實現電磁能量轉換的功能，被喻為人體的血管和神經。2008年中國電纜工業(yè)的銅、鋁導體的用量分別為412萬t(2007年378萬t)和145萬噸(2007年135萬t)，2008年和2007年相比，銅、鋁導體的用量分別提高9%和7%。2008年因受經濟危機的影響，全行業(yè)完成工業(yè)總產值約6904億元，比上年增長了21.5%;完成銷售產值約6695億元，比上年增長了20%。

解放初期，我國金屬導體的生產技術落后，裝備陳舊。即使是重大裝備——迴線式銅桿軋機，亦來自于援助國轉手的德國造的二手機?，F在金屬導體的生產面貌已經煥然一新，今非昔比了。然而與國外先進水平相比，特別在高技術和原創(chuàng)方面尚有相當的差距。外觀技術指標的差距只是表象，而實質性的差距則在于缺乏技術裝備。中國電纜工業(yè)金屬導體生產的發(fā)展可分為兩個階段，即改革開放前的以獨立自主、自力更生為主的發(fā)展階段和改革開放后的與國外接軌發(fā)展的階段，但在兩個階段中自主創(chuàng)新始終是我們的魂和基石。回顧六十年，中國電纜工業(yè)導體生產大致可勾劃出15項重大進步和技術創(chuàng)新，這是值得我們引以為榮的。

1 十五項重大進步和技術創(chuàng)新

中國電工鋁導體生產的快速發(fā)展，從材料、工藝、裝備和產品幾乎都體現著獨立自主、自力更生、自主創(chuàng)新、引進消化吸收和再創(chuàng)新精神。諸如在舉世矚目的三峽發(fā)電工程、750 kV和1000 kV高壓交流輸電工程、±500 kV和±800 kV直流輸電工程中用的都是國產的優(yōu)質導線，這代表了我國的能力和水平。

解放初期，中國沒有真正工業(yè)生產意義上的電工鋁導體:用半連續(xù)式澆鑄機制造方錠;經加熱由迴線式軋機生產鋁桿;用非滑動罐式拉線機拉制鋁線;用速度很慢的籠式絞線機生產導線?？傊?，工藝技術和裝備落后，環(huán)境污染嚴重。那時，鋁導體的用量也很少，如表1所示。

表1 上世紀80年代以前我國電纜行業(yè)銅鋁導體年用量(單位:t)

中國缺銅，銅又是戰(zhàn)略物資，改革開放前進口困難。自1957年開始電纜行業(yè)的產品結構進行了改革，并提出了“以鋁代銅”的方針。2006年前后銅價暴漲，在以鋁節(jié)銅、降低成本和減重節(jié)能的思維下，鋁導體的應用又得到了相應的發(fā)展。隨著我國電力事業(yè)的迅速發(fā)展，尤其是超、特高壓輸電工程和智能電網的建設，可以預計將會進一步擴大電工鋁導體的應用。

1.1 我國第一條鋁連鑄連軋生產線的開發(fā)和應用

在上世紀70年代開發(fā)完成的這條生產線，以熔、鑄、軋一條龍的連續(xù)生產方式獲得了歡迎，由此迅速推向全國，并有出口，直至現今。其意義在于:

(1)它與“稀土優(yōu)化綜合處理方法”相結合，可用國產的非電工級高硅普鋁錠生產出國外需用低硅電工級鋁錠才能生產出的電工用鋁桿，用此種鋁桿可生產出達到任何國際先進標準水平的鋁導線，并可大量出口。

(2)為導線新產品開發(fā)所需的基礎鋁桿，解決了重大的基礎裝備。

1.2 稀土優(yōu)化綜合處理技術生產電工鋁導體

稀土優(yōu)化綜合處理生產電工鋁導體的技術是繼鋁連鑄連軋生產線之后又一項重大基礎性獨樹一幟的自主創(chuàng)新成果。經幾十年大生產考驗，它已成為我國電工鋁導體生產的主導技術。它的意義在于:

(1)中國鋁礦資源含硅量高，不適于生產電工鋁導體。自解放后30年來，中國電工鋁導體的機、電性能一直不能完全達到國際標準的水平。而依靠這一成果，可用高硅普鋁錠生產出性能優(yōu)秀的電工鋁導體，并達到了工業(yè)化的穩(wěn)定生產，解決了我國生產量大面廣電工鋁導體的材料來源問題。

(2)發(fā)揮中國的綜合優(yōu)勢，取中國稀土多之長補中國礦源硅高之短，符合中國國情，解決中國自己的問題，滿足了廣大市場的需要。

(3)這一技術既適用于電工用鋁，也適用于電工用鋁合金，這將為導體新品種開發(fā)所需的基礎桿材創(chuàng)造了有利的條件。

1.3 研發(fā)了導電用的高強度、耐熱鋁合金

在保證導電率的條件下，開發(fā)具有高強度、耐熱和高強度/耐熱型鋁合金是高壓、超高壓、特高壓、大跨越、大容量輸電線路發(fā)展之必需。

自上世紀60年代開始至今，我國先后已開發(fā)了高強度鋁-鎂-硅和鋁-鎂-硅-稀土合金、非熱處理型高導電耐熱鋁合金和高強度耐熱鋁合金等，滿足了架空導線、大跨越導線、光纖復合架空地線、變電站用大電流母線的需求。為了適應對鋁合金桿的大生產需要，在已有的鋁連鑄連軋生產線基礎上進行改型，設計并生產了鋁合金連鑄連軋生產線。一般鋁-鋯型耐熱鋁合金均需熱處理，這樣耗電多、工時長，是大量生產的瓶頸之一。為此，自主創(chuàng)新開發(fā)了非熱處理型的高導電耐熱鋁合金。目前國產的各種耐熱鋁合金導線，其質量和性能均符合國際標準要求。

1.4 開發(fā)和應用“圓鋁線一次成型壓接法”生產鋁包鋼線

圓鋁線一次成型壓接法生產鋁包鋼線及其生產線是在上世紀70年代初完成的一項我國自主創(chuàng)新的新工藝和新生產線。它的特點是工藝簡單，原材料鋁比國外同類方法的利用率高，可達70%，并在原材料鋁線和鍍鋅鋼線的管道化連續(xù)清洗，圓鋁線一次成型、壓接有獨到的創(chuàng)新。線的性能可達到國外同類產品的水平。首次在南京長江220 kV、2000 m級大跨越輸電工程中應用，揭開了我國大跨越導線生產和應用的新篇章。現已有17條大跨越輸電線路采用了此種導線，30多年來，線路一直運行正常。在2008年春節(jié)前后我國南方各地遭受50年不遇的特大雪災，湖南全省很多500 kV以下的輸、配電線路停止正常運行，但架在湘江上的采用此種鋁包鋼導線的220 kV和110 kV大跨越輸電線路(分別已運行33年和15年)導線和鐵塔完好無損。

80年代中期，隨著康仿連續(xù)擠壓機和雙金屬同步拉線機的引進，用以生產包復法鋁包鋼線，可獲得更好的技術經濟效果，而后通過消化吸收，目前此種技術和設備已推向全國，為大跨越輸電線路的建設和兼有避雷和通信功能的光纖復合架空地線的發(fā)展和擴大生產提供了物質保證。

1.5 設計和生產高速鋁拉線機

在技術引進消化吸收的基礎上由我國自主創(chuàng)新設計和生產的直線式高速鋁拉線機，具有速度快，生產率高，可獲得抗拉強度高、表面質量好的鋁和鋁合金線，特別適于架空導線用硬鋁線的生產，為超、特高壓架空導線的開發(fā)和生產提供了必不可缺的裝備。

1.6 設計和生產了鋁、鋁合金型線拉線機

我國自主創(chuàng)新設計和生產的鋁、鋁合金型線拉線機，可使鋁和鋁合金桿經一個工序直接拉出所需形狀的型線。由此簡化了工序，提高了勞動生產率，改變了歷史上遺留下來落后的型線生產方式，為型線絞、碳纖維加強芯絞、預應力鋼芯絞的架空導線和型線絞纜芯電纜的生產，提供了很好的生產裝備。

1.7 設計和生產了框式絞線機

在技術引進消化吸收的基礎上，由我國自主創(chuàng)新設計和生產的框式絞線機，與舊式的籠絞機、叉絞機相比不僅操作的自動化程度提高了，而且導線的質量和生產率有了明顯的提高。此種設備已推向全國，成為架空導線生產的主導設備，而且已開發(fā)和生產了更大型的710四段框式絞線機，以滿足大截面(1000mm2級)超、特高壓架空輸電線路用導線發(fā)展的需要。

1.8 開發(fā)了各種系列國產架空導線產品

架空導線生產的基礎和保證在于材料、裝備和工藝。目前我國已建立了比較完整的生產體系，開發(fā)了各種導線的系列產品，可滿足當前電力發(fā)展的需要。

(1)架空導線的最大截面已達1000mm2;變電站用大電流母線的截面已達1600mm2;導線品種比較齊全，碳纖維加強的型線絞架空導線和鋼芯預應力型線絞防冰雪架空導線，亦在開發(fā)和國產化之中;光纖復合架空相導線(OPPC)亦曾引進使用，國內亦可以生產。

(2)不同材料構成的1000、1500和2000 m級大跨越架空導線亦已在跨越江河的線路上應用。

(3)良導體架空地線、光纖復合架空地線(OPGW)，尤其是OPGW在老線路改造、新線路建設中獲得了廣泛的應用。

(4)架空線路和變電站用的擴徑導線，已在超、特高壓輸電工程中應用。它們有300mm2截面擴大到400mm2截面、結構為多層抽股式擴徑導線;630mm2截面擴大到900mm2截面、結構為鋼芯蘑菇頭高密度聚乙烯支撐兩層“Z”型線絞的擴徑導線(外徑40mm)和連續(xù)焊接管軋紋支撐(直徑70mm)式的擴徑大電流母線。

1.9 建立和采用光亮無氧銅桿生產線

我國銅導體生產的特點是采用電工用光亮低氧銅桿生產的，其快速的發(fā)展主要是得益于引進、消化吸收及自主再設計，但由于設計中簡化了某些影響銅桿質量的關鍵技術，招致消化不良，尤其在以后的廢雜銅直接制桿生產中加劇了銅桿的質量問題。目前先進的廢雜銅直接制桿連鑄連軋生產線已經引進我國，銅桿質量可以達到需求，個別技術指標也可超過國家三級桿標準的水平，這將有利于促進我國廢雜銅制桿生產的技術進步，以及質量和環(huán)境污染的改善。

在上世紀80年代前，我國沒有電工用光亮銅桿，生產的全是質差、圈重小的黑銅桿;生產方式是平爐熔煉-鑄船形錠-加熱-迴線式軋機生產黑桿-酸洗-成品供貨。

80年代后我國陸續(xù)引進了諸如浸涂法、上引法和連鑄連軋法(美國式、德國式、意大利式和芬蘭式)生產無氧和低氧銅桿，可以說全世界擁有的方法我國都有了。自那以后，我國電工用光亮銅桿的數量和質量有了快速的增長和提高。由此我國自主設計銅連鑄連軋生產線也開始了。

我國光亮無氧銅桿生產線的研發(fā)、設計和生產是自主研發(fā)和引進消化改進相結合的產物，使我國光亮無氧銅桿的生產從無到有，質量和技術經濟效果明顯提高，現在的產量與連鑄連軋低氧銅桿相比約各占半壁江山。

上世紀70年代中，我國開始自主研發(fā)設計上引法無氧銅桿生產線，到80年代初，通過消化吸收，得到進一步的改進和完善，從此中國制造的生產線迅速推向全國和國外，開創(chuàng)了我國光亮無氧銅桿生產的新篇章。

1.10 廢雜銅直接再生制桿技術的引進和應用

中國缺銅，且使用電工用銅桿的數量又屬世界之最，因此優(yōu)質的符合三級桿標準的電工用再生銅桿必定會獲得推廣應用。電纜工業(yè)呼喊銅桿質量危機、國家號召節(jié)約能源，盡管我國廢雜銅直接再生制桿利用在廢雜銅分類和分揀、預處理方法和裝備、熔煉爐和精煉工藝技術、銅連鑄連軋裝備、環(huán)保、質檢認證和管理等尚有許多不盡人意之處，但我們應從速組織起來打好這一質量仗。2008年我國首條國際先進的廢雜銅連鑄連軋生產線的引進，為我國在這一領域促進技術進步、提高質量、改進環(huán)保、加強引進消化吸收再創(chuàng)新打下了良好的基礎。

1.11 “以鋁節(jié)銅”銅包鋁線的制造和應用

銅包鋁線的質量優(yōu)劣，其核心取決于銅、鋁結合的牢固性和過渡層合金的厚度?，F在還有許多制造廠用的是早已淘汰的水平牽引連鑄鋁(合金)桿、技術不完善的包覆設備和不相稱的銅拉線與退火的裝備。由此引起產品質量的現狀是粗線和細線做不好、斷頭率高、表面針孔頻出，這都明顯影響生產和應用的效果。

一般而言，在弱電特別是高頻和射頻電纜中已獲得廣泛應用，但用于強電方面國內外均有疑慮。使用中出現的問題有銅、鋁分離，電化腐蝕加速，制品假接頭影響信號傳遞，廢料回收和應用困難等。

2008年我國已引進了首條國際先進的銅包鋁生產線，預期將在產品質量、品種開發(fā)、裝備改進等方面開創(chuàng)新局面。

1.12 引進和發(fā)展“康仿”連續(xù)擠壓裝備及其應用

“康仿”連續(xù)擠壓技術自上世紀70年代從英國引進以后，經消化吸收和再創(chuàng)新，特別將上引法無氧銅連續(xù)生產技術與“康仿”連續(xù)擠壓技術相結合形成的智能生產線更是各抒其長，將各自的優(yōu)勢發(fā)揮到極致。由此對“康仿”機組、擠壓制品材料和產品種類的發(fā)展，產品質量的提高，簡化工藝過程和減少工模具消耗，改善環(huán)保和節(jié)約能源均獲得了明顯的技術經濟效果。

現在，“康仿”機的生產不僅滿足國內需要，亦有相當數量出口。早先，“康仿”機以擠壓鋁材為主，現已發(fā)展到銅和銅合金。由于連續(xù)包覆技術和金屬流動模具設計(坯桿尺寸小，擠出尺寸大，即所謂的“小變大技術”)及其模具材料的改進，不僅使連續(xù)擠出長度增加，而且可以向更大的寬度和直徑方向發(fā)展，即可生產鋁包鋼雙金屬線、鋼鋁接觸線、高強度超細晶鎂銅、錫銅、銀銅接觸線和磷銅球大直徑坯棒?！翱捣隆睓C已形成 250、300、350、400(最大銅排170×15mm、鋁管 50mm)和630型機組的系列化生產。630型機組的生產將為無氧銅寬帶帶坯(25×320mm)、高壓電纜的皺紋鋁護套(220 kV電纜，截面2500mm2，鋁護套直徑150mm)和超高壓變電站大電流母線用大直徑支撐鋁管的生產獲得良好的技術經濟效果。長期以來，電纜和冶金行業(yè)對銅排生產一直不能解決臟、污染環(huán)境的落后面貌，由于應用“康仿”技術，可改善環(huán)保，簡化生產工序，提高銅排質量和節(jié)約能源(節(jié)能效果可達40%)。

1.13 研發(fā)了電氣化鐵路接觸網用接觸線

隨著我國電氣化鐵路從低速向高速發(fā)展，速度等級不同的客運專線，到2012年初或2011年末即將通車的約1300 km的京-滬高速電氣化鐵路，其運行速度在350 km/h及以上。由此，對接觸導線提出了很高的“高強度和高導電”的要求。

我國材料工作者在既有技術積累的基礎上集思廣益，進行自主創(chuàng)新，特別是應用“康仿”新技術，形成了中國自主創(chuàng)新開發(fā)的上引法連續(xù)制桿-“康仿”連續(xù)擠壓制坯-冷軋-冷拉制線的新工藝，實現了大規(guī)模工業(yè)化生產。銅鎂接觸線的質量、性能明顯提高，且高于國外同類產品的水平?，F以在京-滬高速鐵路上用的150mm2銅鎂(中鎂)接觸導線為例，其實測抗拉強度和導電率分別可達520 MPa和68%IACS，而相應的歐洲聯(lián)盟標準(EN501.49)值分別470 MPa和62%IACS;銅鎂接觸線的組織細密，其平均晶粒度8 μm。這種新工藝之所以能獲得如此好的強度和導電率，主要得益于材料成分、晶粒細化和冷加工量等控制得當。此種工藝不僅適用于加工銅鎂合金，也適用于銅錫、銅銀和純銅等接觸導線。

1.14 銅扁線、換位和組合繞組線研制和應用

金融危機影響全球，但我國輸變電工業(yè)一枝獨秀，2008年變壓器產量已達13億kVA，同比增長30%，2009年1～3月累計產量3.11億kVA，同比增長19%。

銅扁線是電力變壓器、電抗器、干式變壓器和牽引變壓器用繞組線的基礎材料。換位導線具有減小變壓器體積、降低由漏磁場引起的環(huán)流附加損耗和渦流損耗，可提高繞組線的機械強度和節(jié)省繞制時間，因此在超、特高壓變壓器中獲得了廣泛應用。換位導線的品種也相應驟增，其生產線已可打制5～71根不同絕緣的換位導線，并已掌握了制造高硬度、多根數、小節(jié)距、高輻向換位導線的技術。換位機已具有雙推指換位裝置，配置兩組換位器的換位頭，可確保差異較大的線規(guī)組成的換位導線的幾何尺寸精度、導線組合的緊密性和換位間距的正確性。我國首條引進的換位導線生產線具有9段絞籠，每籠可裝6盤扁線，換位根數最多可達54根，是目前國際上同類生產線中最先進之一。

用于繞組線的銅扁線，一般厚度為1～4.0mm，寬度為3～20mm?，F在采用先進的上引無氧銅與“康仿”連續(xù)擠壓(必要時再加拉線和適當的冷作硬化)相結合的生產線，可生產不同軟、硬的銅扁線，徹底改變了過去生產工序多、臟、亂和環(huán)保差的面目，建成了全封閉、全空調、恒溫、恒濕、無塵凈化的現代化電磁線制造廠房。

1.15 “斜拉索”和“預制平行鋼絲束”主纜的研發(fā)和應用

“斜拉索”和“預制平行鋼絲束”主纜，不是真正意義上的輸電電纜，而是大跨度橋梁中主要的承力構件，它們的制造工藝技術與電纜制造有點相似，但又不全是。這些“索”和“束”可向國外買，但很貴。我國的電纜工作者主動請纓，以獨立自主、自力更生、趕超國際先進水平的精神，自主創(chuàng)新研究設計和建立了我國歷史上第一個專業(yè)化纜索廠，滿足了橋梁高速發(fā)展的需求，開創(chuàng)了中國纜索生產的新篇章。

“斜拉索”與“預制平行鋼絲束”主纜，有共同點，就是都屬承力構件，均在工廠預制而成，因而，索和束的兩端都要分別預制“冷鑄錨頭”和“熱鑄錨頭”。根據纜索張力要求的不同，所用鋼材都為抗拉強度在1770～1870 MPa左右的預應力六角形鋼絲，松弛度為2.5%。但“索”與“束”又有差異，因而制造的工藝和設備又有不同，在結構上，“索”用六角形股線按正規(guī)方式絞制，螺旋升角在2～4°，絞合后，在外層繞包帶，然后擠高密度聚乙烯，定長切割，做環(huán)氧樹脂和鐵砂的冷鑄錨頭，最后加“索”工作張力1.5倍的力進行預拉。而“束”，六角形股線是不絞的，按正規(guī)平行排列方式形成一根“束”，在現場安裝成橋的兩根主纜。將成“束”的股線擠成圓線，然后繞3mm鋼絲，外涂防水層和刷漆，每“束”做鋅-2%銅合金的熱鑄錨頭，最后加“束”工作張力1.5倍的力進行預拉。因此預制平行鋼絲“束”是裸線。

2 結束語

展望未來的發(fā)展充滿機遇和挑戰(zhàn)，我們深深感到:

(1)中國的電纜工業(yè)雖然已是電纜生產的世界第一大國，但在高端產品與高科技方面與國外尚有差距，外觀技術指標的差距只是表象，而實質性的差距則在于缺乏技術儲備;

(2)從金屬導體的年用量可以看出一個企業(yè)或整個電纜工業(yè)的經濟規(guī)模。金屬導體加工技術和品種的不斷創(chuàng)新是中國電纜工業(yè)發(fā)展的發(fā)動機之一;

(3)中國電纜工業(yè)應在求質量、求強而大和求穩(wěn)中向前發(fā)展。