黃崇祺

(上海電纜研究所，上海 200093)

1 前言

縱觀世界“以鋁節(jié)銅”的歷史，根據(jù)各國的國情、科技的進步，各國有所不同，走走停停甚至出現(xiàn)反復(fù)，但總體是漸進式向前發(fā)展的，因此“以鋁節(jié)銅”的前景大體上是明朗的。

目前，中國電纜工業(yè)年產(chǎn)值已突破9000億元大關(guān)，成為機械行業(yè)中僅次于汽車制造業(yè)的第二大產(chǎn)業(yè)，同時也極大帶動了銅、鋁等重要原材料產(chǎn)業(yè)和上、下游相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，在國民經(jīng)濟發(fā)展中具有十分重要的作用。電線電纜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的成就令人矚目，但存在的問題，特別是質(zhì)量問題不容回避[1]?？梢哉f，當(dāng)前我國線纜產(chǎn)業(yè)集中體現(xiàn)了“中國制造”產(chǎn)業(yè)“大而不強”的突出特點。

中國電纜工業(yè)“以鋁節(jié)銅”的驅(qū)動力來自以下幾個方面。

1)行業(yè)年用銅量很大，2011年行業(yè)銅、鋁用量分別已達484萬t(約占全世界銅導(dǎo)體產(chǎn)量的1/3)和220萬 t，而且歷來電工用銅都屬高品位的99.95%和99.99%銅。但我國銅礦藏缺乏，且目前回收廢雜銅亦不多，要依靠進口。

2)世界性銅價飛漲壓縮了線纜產(chǎn)品利潤空間。

3)經(jīng)試用證明，確有取得良好技術(shù)經(jīng)濟效果的鋁線纜產(chǎn)品。

導(dǎo)體“以鋁節(jié)銅”的含義是指該用銅的線纜產(chǎn)品就用銅，對可用銅或鋁作導(dǎo)體的產(chǎn)品，需經(jīng)科學(xué)實驗，實際試用成功的產(chǎn)品，才得以推廣應(yīng)用，反對盲目推行，致使產(chǎn)品質(zhì)量下降，生產(chǎn)大起大落。電纜行業(yè)的節(jié)銅除用鋁、鋁合金、復(fù)合金屬外，還涉及非金屬的光導(dǎo)纖維代銅;用廢雜銅直接再生代電解精銅制桿;用碳纖維復(fù)合高分子材料代加強材料——鍍鋅鋼線制造的架空輸電用特種導(dǎo)線已完成制標(biāo)，產(chǎn)品已在試用之中。2011年中國金屬導(dǎo)體“以鋁節(jié)銅”進展的不完全統(tǒng)計見表1。

2 中國電線電纜大類產(chǎn)品的“以鋁節(jié)銅”現(xiàn)狀和前景

2.1 電力電纜

2011年電力電纜用銅約為150萬～160萬t，占行業(yè)銅導(dǎo)體總用量的31%以上。我國20世紀(jì)60～70年代，在“以鋁代銅”方針的指引下，一度鋁芯電力電纜的使用比例達40%左右，當(dāng)時為了推廣使用鋁芯電力電纜，對電纜的連接也做了一些研究和推廣應(yīng)用工作。20世紀(jì)80年代改革開放以后，鋁芯電力電纜的使用比例大幅下降，至目前可能10%都不到，其原因有以下幾個方面。

表1 2011年中國金屬導(dǎo)體“以鋁節(jié)銅”進展的不完全統(tǒng)計(按電線電纜產(chǎn)品類別分)Table 1 Incomplete statistic of copper and aluminum as conductors in China in 2011(sorted by wire and cable product)

1)銅儲備足夠。有進口銅，價格貴一些，但電力部門可以承受，換來的是安全可靠、施工方便。

2)從安全可靠的角度出發(fā)，使用鋁芯力纜的關(guān)鍵點是接頭技術(shù)及其使用的可靠性。目前，國內(nèi)外鋁芯力纜的連接有氬弧焊、冷壓焊、螺釘(栓)壓緊3種方法，且積累了一些經(jīng)驗。

3)在城市中，特別是大城市，由于地下敷設(shè)空間有限而不用鋁力纜。國內(nèi)有些省份設(shè)計供電系統(tǒng)曾發(fā)出指令，35 kV以下才可以使用鋁力纜。

一度有的電纜廠，從經(jīng)濟利益出發(fā)自訂企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推行銅包鋁(線)電力電纜。此種力纜目前既無國標(biāo)，亦無行標(biāo)，只有少數(shù)企業(yè)的企標(biāo)產(chǎn)品，質(zhì)量如何?答案是誰制造的，誰負(fù)責(zé)。歸根結(jié)底在力纜上目前推廣困難的原因有二:銅包鋁線制造水平低，質(zhì)量堪憂;銅包鋁力纜和鋁力纜是競爭對手，用戶往往寧愿使用更價廉、一樣適合使用的鋁力纜而不用銅包鋁力纜。

作鋁力纜芯線用的導(dǎo)線，除鋁線外，電工用退火和中間熱處理的8000系鋁合金線早已在北美洲應(yīng)用，現(xiàn)在也在中國推廣應(yīng)用;具有高導(dǎo)電率、受控抗拉強度和伸長率的鋁合金導(dǎo)線已在日本開發(fā)成功。

國外對鋁力纜的應(yīng)用已涉及低壓、中壓和高壓各個等級，實芯鋁電纜早已大量應(yīng)用，鋁電纜的連接和安裝問題都已解決。要求很高的海底實芯鋁電纜，其最大鋁截面已達1600 mm2。國外鋁芯電纜的用量百分?jǐn)?shù)已達兩位，而國內(nèi)目前最多在10%左右，因此我國鋁芯力纜的擴大應(yīng)用尚留有相當(dāng)?shù)目臻g。

2.2 電氣裝備線纜

飛機上的裝備用線纜的“以鋁節(jié)銅”已取得實質(zhì)性的應(yīng)用，正在推廣之中，已走在我國的“以鋁節(jié)銅”發(fā)展的前列。

每架飛機需用許多電氣裝備用線纜[7]，如一架波音或空中客車的長程飛機要用超過250 km的航空導(dǎo)線，或毛重為2.5 t的導(dǎo)體，為了連接要用超過1萬個連接器;一架短程噴氣機要用70 km的航空導(dǎo)線，而一架小型直升機需用30 km的航空導(dǎo)線。一架A380飛機需用超過500 km的各種電線電纜，如單根電話線、多芯電纜、高溫電纜、同軸電纜、數(shù)據(jù)傳輸電纜和特殊結(jié)構(gòu)的光纖電纜。它們都分布在飛機的不同部位，從機體、發(fā)動機和發(fā)動機艙，通過復(fù)雜的控制設(shè)備——內(nèi)部的通信系統(tǒng)連接。為了減輕重量、節(jié)約能源和節(jié)省空間，已采用了鋁芯電纜和薄壁電纜。由于對鋁線的連接接觸需要防水，不能敞開，且要便于識別、方便維護，已開發(fā)成功了與之相配套的用于鋁線的激光預(yù)標(biāo)志新方法[8]，并推廣應(yīng)用于各種飛機。這種技術(shù)和裝備亦適用于汽車中對鋁線連接的預(yù)標(biāo)志。

2.3 繞組線

繞組線主要用于電磁線圈、變壓器和電動機等領(lǐng)域。2011年，繞組線用銅已達120萬t，隨著國產(chǎn)家電有50%出口美、歐、日等國，帶出了相當(dāng)數(shù)量的銅線。一般電動機設(shè)計壽命為20年，不考慮用鋁線;變壓器行業(yè)是用銅大戶，目前用銅已達40萬t左右，特別10 kVA以上的變壓器一般不用鋁線。近些年來，繞組線用鋁和銅包鋁線有所增長，主要用于微波爐變壓器、洗衣機電動機、電扇電動機、冰箱壓縮機，特別是電子變壓器有著廣泛的使用領(lǐng)域，如中頻、音頻、脈沖、電源、片式等多種變壓器。中國電子變壓器生產(chǎn)量占世界總量的20%以上，其中60%用于供應(yīng)國際市場。曾用鋁漆包線生產(chǎn)微波爐用高溫變壓器獲得成功和好評，給我國電子變壓器生產(chǎn)指出了一個光明的前途。由此“銅改鋁”已具不可逆性，深信在新技術(shù)、新材料、新工藝的推動下，電子變壓器行業(yè)的“銅改鋁”將迎來新的春天。

2.4 通信電纜

通信領(lǐng)域的電纜市場“光進銅退”和“以鋁節(jié)銅”趨勢凸顯[2]。約用了15年的時間(1995—2010年)，通信領(lǐng)域用銅量由占行業(yè)總用銅量的9%，降到了目前的4.5%(20萬t)，并將繼續(xù)下降?！肮膺M銅退”意味著光纖逐步向用戶端延伸，最終實現(xiàn)光纖到戶和光纖到桌面;銅線纜逐步向用戶端退縮，并最終退網(wǎng)?，F(xiàn)在除核心網(wǎng)、城域網(wǎng)尚留有少量銅線纜外，接入網(wǎng)還有70%的銅線纜將被光纖代替(并且已開始進入個域網(wǎng)、片域網(wǎng))。目前我國接入網(wǎng)用電纜有5億線對公里(年降2.2%)，而光纜只有0.5億纖芯公里。個域網(wǎng)線纜組件(電子消費類產(chǎn)品)是個大市場(現(xiàn)全部用銅)，2010年我國電子線纜市場為370.8億元(其中一半為汽車線束)，預(yù)計到2015年將達到750億元。移動網(wǎng)用的射頻銅電纜，用鋁電纜代替不僅可以降低成本，而且在安裝、重量、減少能耗等方面也有顯著優(yōu)勢。事實上，從全球規(guī)模商業(yè)的情況看，鋁電纜已成為一種可顯著減少固定資產(chǎn)投資、可代替銅電纜的方案。

2.5 裸導(dǎo)線

2.5.1 電工用鋁和鋁合金

我國2011年電工用鋁和鋁合金的總用量已達220萬t，使用比例如表2、表3所示。

表2 2011年中國金屬裸導(dǎo)體總用量的不完全統(tǒng)計(按導(dǎo)體材料類別分)Table 2 Incomplete statistic of metallic conductors in China in 2011(sorted by conductor materials)

表3 2011年電工用鋁和鋁合金使用比例Table 3 Proportion of aluminum and aluminum alloy as electrical conductors in 2011

由表2、表3可看出，電工用鋁主要用于架空輸電、配電線路用的架空導(dǎo)線[3，4];電工用鋁合金在架空導(dǎo)線和電力電纜上的用量還很低，更不能和國外兩位數(shù)的使用百分?jǐn)?shù)相比。隨著電力事業(yè)的發(fā)展，這兩個領(lǐng)域的用量尚有較大的提升空間，特別是鋁合金。

長期以來，我國電工用鋁合金的用量沒有增長有兩個原因:需方的需求遲后;供方的質(zhì)量不穩(wěn)定，導(dǎo)致成品率低、價格高。產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定直接與裝備、工藝、監(jiān)控、管理落后有關(guān)，這是今后應(yīng)該努力的方向。

2.5.2 復(fù)合雙金屬

復(fù)合雙金屬是另一類“以鋁節(jié)銅”的導(dǎo)體，我國2011年復(fù)合雙金屬的總用量已達25.3萬t。它們的使用比例如表4所示。

表4 2011年復(fù)合雙金屬使用比例Table 4 Proportion of composite metallic conductors in 2011

1)銅包鋁線。銅包鋁線主要在通信線纜(弱電)上使用，2011年和前些年相比已有所增加，在漆包線上應(yīng)用也略有小增，但在電力類(強電)線纜上的應(yīng)用看不到有多少突破。國外銅包鋁線的開發(fā)比我國早很多，設(shè)備也先進，但實際應(yīng)用情況同樣也沒有突顯佳績，也多半在弱電上應(yīng)用。銅包鋁線的質(zhì)量優(yōu)劣，從根本上取決于銅、鋁冶金結(jié)合的優(yōu)劣。我國銅包鋁線生產(chǎn)的質(zhì)量問題，主要在于包覆生產(chǎn)線和原材料鋁合金桿生產(chǎn)的落后，此外，后續(xù)拉線工藝和裝備也沒有及時跟進。由此拉出的銅包鋁線斷頭率高、表面露鋁(脫皮)，在使用中產(chǎn)生加速的電化腐蝕而斷線，致使線纜產(chǎn)品使用壽命大減。這種不求技術(shù)改進、只求低價競爭的局面必須盡快結(jié)束。

為了規(guī)范市場，對主要用于屏蔽、通信電纜的音頻和視頻線的“銅包鋁鎂合金線”的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)正在制訂之中。

2)銅包鋁排(母線)。銅包鋁排在國外用流體靜力擠壓法早在幾十年前就已開發(fā)，其目的是在開關(guān)和絕緣母線槽中推廣應(yīng)用，但沒有獲得突破性的應(yīng)用。近些年來，我國對銅包鋁排的開發(fā)有3種方法，包括銅管鑄鋁成錠—熱軋成型法，銅、鋁冷配合成錠—熱軋成型法，銅鋁冷配合—冷壓—拉制法。銅包鋁排質(zhì)量的優(yōu)劣和產(chǎn)品成品率、成本、利潤和銅包鋁線一樣取決于銅、鋁的冶金結(jié)合。因此，這些方法在工藝、裝備的完善，生產(chǎn)效率、成材率和利潤率上尚有提升的空間。上述3種方法2011年的產(chǎn)量約0.3萬t。為了規(guī)范市場，有關(guān)“電工用銅包鋁母線”的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)制訂和上報完畢，待審批發(fā)布，主要技術(shù)指標(biāo)如表5所示。

表5 銅包鋁母線主要技術(shù)要求Table 5 Main requirement of copper clad aluminum bus bars

銅包鋁排的主要應(yīng)用之一是絕緣母線槽，在此它的競爭者是鋁母排(線)。絕緣鋁母線槽在國外早已應(yīng)用，在國內(nèi)由國外進口的絕緣鋁母線槽在大賓館中亦有應(yīng)用，但目前反而不使用國產(chǎn)的絕緣鋁母線槽。

銅包鋁排和銅包鋁線還有一個同樣的問題需要解決，就是廢舊銅包鋁制品的銅、鋁分離回收問題，至今還沒有找到具有技術(shù)經(jīng)濟和環(huán)保效果的方法，如果銅包鋁大量應(yīng)用，為了節(jié)材，不影響材料再利用，這個問題是必須解決的。

3)鋁包鋼線。近些年來，隨著超高壓架空線路，特別是光纖復(fù)合架空地線和高強度大跨越導(dǎo)線的發(fā)展，鋁包鋼線的市場旺盛，前景看好。目前鋁包鋼生產(chǎn)線已有41條，2011年產(chǎn)量達11萬t，單機生產(chǎn)線年產(chǎn)量已達4000～4800 t，說明其生產(chǎn)操作已日趨成熟。

4)銅包鋼線。2011年全國總產(chǎn)量在3.0萬t左右，目前主要應(yīng)用于弱電場合，如CATV線、廣電線、芯片骨架線、汽車用線等。今后隨著電站接地網(wǎng)、線路避雷線等的改造和應(yīng)用，在其領(lǐng)域也有它的應(yīng)用前景。

5)鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌。在軌道交通中用鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌代替普通鋼軌對電力機車第三軌移動供電。導(dǎo)電軌由工字形導(dǎo)電鋁合金本體和槽形不銹鋼接觸帶復(fù)合而成。它的優(yōu)點在于導(dǎo)電性好，可節(jié)省運行用電30%，不用額外沿線敷設(shè)饋電電纜，并可將牽引供電站的設(shè)置距離提高2.5倍以上，總投資可降低20%左右;重量輕;以不銹鋼作滑動接觸面磨耗低，壽命可達60年;可靠性比柔性懸掛接觸網(wǎng)高兩個數(shù)量級，故障率低，保養(yǎng)簡單，維修方便。

6)膜包矩形絞和組合膜包矩形絞鋁繞組線。它的特點是可節(jié)銅、重量輕、價廉、繞組線中的股線電阻均勻、渦流損耗低，可在超高壓和特高壓直流輸電的干式平波電抗器中應(yīng)用。近些年來，我國通過自主研究設(shè)計和試制已成功開發(fā)出了用該種鋁繞組線制造的線圈和電抗器。經(jīng)驗證，該種鋁繞組線已達到了設(shè)計和試驗的要求。目前這種電抗器已進入在線路上實際試用的階段。以正在開始實施的溪洛渡和糯扎渡兩條線路為例，需44臺這種干式平波電抗器，每臺電抗器需用40多噸鋁繞組線，總計需1760～2000 t。隨著我國輸電事業(yè)的發(fā)展，這種繞組線將展現(xiàn)出美好的前景。

3 城市礦產(chǎn)廢物資源——廢雜銅和電工用廢鋁的直接再生利用

電纜工業(yè)歷來使用99.95%和99.99%品位的電解精銅以及99.7E或99.7(經(jīng)稀土優(yōu)化綜合處理的達電工級別的)重熔用鋁。廢雜銅和廢電工用鋁保級再生利用，是與“以鋁節(jié)銅”相應(yīng)的重要方面，它們對節(jié)能、環(huán)保、城市礦產(chǎn)廢物資源化起著重要的作用。

3.1 廢雜銅的直接再生制桿利用

要解決廢雜銅直接再生制桿利用嚴(yán)重的全國性質(zhì)量問題，加快淘汰落后國外20～30年的舊裝備、舊工藝乃是必經(jīng)之路。任務(wù)艱巨，任重而道遠(yuǎn)，但前途光明燦爛。優(yōu)質(zhì)再生銅桿可“名正言順”地進入電纜市場。

為了規(guī)范市場，“電工用火法精煉再生銅線坯”的有色金屬行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)報批，并即將由中華人民共和國工業(yè)和信息化部發(fā)布。這種優(yōu)質(zhì)再生銅桿的主要技術(shù)指標(biāo)如表6、表7所示。

表6 TH1、TH2、TH3牌號銅線坯的化學(xué)成分Table 6 Chemical composition of TH1，TH2 and TH3 copper drawing stock

表7 TH1、TH2、TH3牌號銅線坯的機電性能Table 7 Mechanical and electrical properties of TH1，TH2 and TH3 copper drawing stock

3.2 電工用廢鋁的保級再生利用[5]

隨著老的架空線路和農(nóng)網(wǎng)的改造[6]以及廢舊鋁芯電線電纜的替換，就會產(chǎn)生大量電工用廢鋁。生產(chǎn)再生鋁的能耗僅為原生鋁的5%，是一項獲得低污染資源、大幅節(jié)能的重要措施。符合質(zhì)量要求的再生電工鋁桿與用原生鋁生產(chǎn)的電工鋁桿相比，在使用中幾乎具有同樣的效果，這點與再生電工用銅桿是不同的。

電工用廢鋁是比較好的鋁，應(yīng)該保級利用才能收到較好的技術(shù)經(jīng)濟效果。所謂保級指的是鋁的純度(99.7%鋁)和質(zhì)量(達電工鋁桿的技術(shù)指標(biāo)，符合可軋性、可拉性、可退火性和表面質(zhì)量的要求)。為此，廢電工用鋁原料必須經(jīng)預(yù)處理，再熔過程亦必須仔細(xì)處理。廢鋁表面往往有油污，從而精煉除氣必須加強，否則影響可軋性和可拉性。為了保證導(dǎo)電率，雜質(zhì)元素必須要有針對性分別處理。導(dǎo)電率和抗拉強度是互相矛盾的，因此也必須要有針對性地處理。

4 結(jié)語

1)“以鋁節(jié)銅”是國際性的趨向，勢不可當(dāng)，其進程據(jù)各國的實際情況有所不同，但只能隨著科技的發(fā)展、人們習(xí)慣勢力的改變而漸進式地發(fā)展。

2)“以鋁節(jié)銅”和“光進銅退”還會繼續(xù)推進。

3)全國應(yīng)盡快建立廢舊銅、鋁的回收網(wǎng)絡(luò)，以解決或緩解銅、鋁再生工業(yè)的無米之炊。

[1] 中國電器工業(yè)協(xié)會電線電纜分會，上海電纜研究所.全國電線電纜產(chǎn)品質(zhì)量提升工作會議[C] .上海:電纜行業(yè)通訊，2011.

[2] 黃崇祺.中國電纜工業(yè)銅導(dǎo)體加工的發(fā)展、問題和新趨勢[J] .光電線纜，2011(12):1 －8.

[3] 佚名.2012年我國將進入大規(guī)模電網(wǎng)建設(shè)階段[J] .中國線纜，2012(2):16.

[4] 佚名.新疆建世界級特高壓線路，利好鋁線纜企業(yè)[J] .中國線纜，2012(3):19.

[5] 黃崇祺.廢銅、廢鋁在電纜工業(yè)中的優(yōu)化再生制桿利用[C] .寧波:第十屆再生金屬國際論壇，2010.

[6] 黃崇祺.中國線纜工業(yè)銅導(dǎo)體加工的發(fā)展、問題和新趨勢[J] .光電線纜，2012(12):1 －8.

[7] Aerospace cable:a look at market and trends[J] .Wire and Cable Technology International，2010(5):34.

[8] Marc Ruddy-Thimon.New making process for use on aluminum wire[J] .Wire and Cable Technology International 2011，5:46 －47.