架空导线殷钢加工工艺与检测方法范文

摘要：殷钢导线作为一种新型的增容导线已在电网中得到应用，但现有国家和电力行业标准中针对架空导线用殷钢芯线的性能检测实验方法尚不明确，质量管控的依据还不完善。阐述了殷钢芯线的制备工艺，并对市售殷钢芯线进行了取样实验分析。结果表明，架空导线用殷钢芯线的成分与冶金标准存在差异，金相组织中也存在晶界碳化物聚集的问题。由此提出了架空导线用殷钢芯线质量检测的方法和检测项目要求。

关键词：架空导线；殷钢；加工工艺；检测方法

架空输电线路是电能长距离、大容量输送的主要通道。架空输电线路一般由导线、地线、金具、绝缘子、杆塔和防雷接地等部分组成，这其中架空导线是输电线路的关键设备，是电能传输的通路。长期以来，架空导线主要使用钢芯铝绞线，伴随着电网的快速发展，对电网可靠性和经济性的要求逐步提高，各种通流容量大、高温弧垂特性好的新型导线逐渐在电网中得到应用[1]。与传统的钢芯铝绞线最大的不同是，新型导线的芯线材料由传统的碳素钢或低合金钢转变为殷钢、纤维增强复合材料（如碳纤维复合材料、铝基陶瓷纤维复合材料）等新型材料[2-4]。这类材料具有强度高、耐腐蚀和热膨胀系数小的特性。纤维增强复合材料芯导线，顾名思义，是采用树脂固化的单根圆棒状纤维复合材料作为芯线，外部绞合多层铝线制成[5]。由于纤维增强复合材料压接、弯折后易出现开裂等问题，这类导线的配套金具和安装方式与传统的钢芯铝绞线差别较大。殷钢导线是采用殷钢作为线芯材料，由于殷钢本质上也是一种钢铁材料，其线芯制备和绞制成型工艺与传统的钢芯铝绞线几乎一致，所用配套金具和安装方式也基本相同，线路增容改造施工相比纤维增强复合材料芯导线更方便，因此得到了较广泛的现场应用[6-10]。

1殷钢技术特性

1897年，瑞士物理学家发现了一种奇妙的合金，在室温附近的一个很宽的温度范围内，合金的热膨胀系数几乎等于零。这种合金的元素成分组成是65%Fe和35%Ni，晶体结构呈面心立方结构[11]。由于其热膨胀系数几乎为零，因此被命名为因瓦合金（Invaralloy），意为不胀钢，中文名称为殷钢。殷钢最显著的特性是其非常低的室温热膨胀系数，仅为3.7×10-6℃-1，是普通钢的1/3、铝的1/5。常规的钢芯铝绞线在传输大电流时由于温度升高而伸长，造成导线弧垂增大，影响线路安全运行。相比较而言，殷钢材料的膨胀系数是普通钢丝的1/3，强度却能与普通钢丝相当，可缓解导线热伸长，减小导线弧垂，通过提高运行温度可实现增加输送容量的目的。图1为不同档距（L）下的SB-ZTACIRAS149/43SQ型殷钢导线的弧垂温度变化曲线[12]。可看出，殷钢导线存在明显的弧垂变化温度拐点，导线运行温度超过拐点后，弧垂变化很小。除了低热膨胀性能外，耐腐蚀性能也是殷钢的一个特性。殷钢中含有36%以上的Ni元素，其室温金相组织为单相奥氏体，因此在大气、海水中具有较好的耐腐蚀性。用殷钢做架空导线的线芯时，采用铝包覆工艺，殷钢芯线的抗腐蚀能力大为提高，适用于各种工况环境。

2架空导线用铝包殷钢芯线的成分控制、强化机理和制备工艺

2.1成分控制

普通殷钢的化学成分主要为Fe64Ni36，不添加其他合金元素成分。但是该成分配比的殷钢强度较低，通过冷加工后的强度也低于900MPa，远低于架空导线用钢芯线的强度要求，需要在成分组成中添加碳元素作为强化元素。按照金属材料强化理论，在奥氏体的Fe-Ni合金中，在镍原子周围的铁原子和碳原子形成类似渗碳体Fe3C的配位原子组态，使合金的硬度增大，在塑性变形过程中能更有效地产生加工硬化。虽然游离的碳原子可改变合金的晶格常数，但对膨胀系数带来不利影响，在合金中加入微量的铌（含量小于0.3%）形成富铌颗粒，可固定游离的碳原子，从而降低合金的膨胀系数[13-14]。这种颗粒弥散分布在晶界与晶内，也有利于合金强度的提高。通过添加上述合金成分，就能在后续的生产加工过程中形成碳化物和析出相，为合金的强化奠定基础。

2.2强化机理

强度是架空导线用线芯材料的关键技术指标之一，目前，提高合金的强度主要有固溶强化、沉淀强化、细晶强化和形变强化等技术措施，殷钢芯线的制备过程中主要采用沉淀强化、形变强化来提高线芯的强度。（1）沉淀强化是指金属在过饱和固溶体中溶质原子偏聚区和（或）脱溶出微粒弥散分布于基体中而导致硬化的一种热处理工艺。沉淀强化中所形成的碳化物具有硬脆特性，析出沉淀的碳化物成为第二相强化质点，能阻碍位错运动而起到强化作用。（2）形变强化是通过冷加工达到强化目的。在一定压缩率范围内，冷加工使得合金的内部组织改变，造成了晶粒中位错密度的增加，位错移动更加困难，因而合金形变遇到的抗力也就随之而增大，合金的强度也随之提高。

2.3制备工艺

架空导线用殷钢芯线的生产工艺通常是采用真空感应炉或非真空感应炉冶炼殷钢，经热加工后进行轻度冷变形和酸洗，再冷加工拉拔成丝材。

2.3.1加热制度殷钢的塑性与温度关系曲线呈波浪形。在800℃左右时，热加工性能最差，因此，殷钢在800℃附近的升温速度应缓慢，以使其均匀加热，升温速度控制在15℃/min。在800～1100℃时，随着温度的提高，塑性急剧上升，升温速度应控制在30℃/min。在超过1150℃之后，塑性指标的增加已不太明显，为了减少高温氧化，保温温度应为1150℃左右，不宜太高。由于合金的导热系数低，应采用较长的加热时间，钢锭的加热时间为2.0～2.5h，保证钢锭的内外温度一致性[15]。

2.3.2变形制度变形是形变强化的关键工艺，变形加工过程中的延伸系数分配需遵循先大后小的原则。在粗轧道次中，由于温度高，所以伸长率好，变形量大，延伸系数大；中轧道次仍处于高温阶段，塑性好，变形抗力小，延伸系数应稍大于平均延伸系数；精轧道次的延伸系数应小于平均延伸系数，呈逐步递减的趋势。

2.3.3拉拔工艺从殷钢盘条到成品丝的变形过程，总压缩率超过了85%，中间还需要进行包铝，而包铝对钢丝表面的光洁度要求高，不能直接在盘条上包铝，需借助拔丝工艺将盘条拉拔出钢丝将表面光洁度提高后再包铝，然后再拉拔成品。因此，需要分配2次变形，将盘条粗拔至半成品后进行时效处理，并不会降低钢丝的强度，而使断后伸长率提高到8%以上，以改善后续拉拔条件。殷钢芯线在拉拔前要进行固溶处理，随着固溶温度的升高，合金的晶粒会逐渐长大，强度也随着退火温度的升高而下降。在840℃固溶处理时，合金的显微组织晶粒分布比较均匀，有利于下一步的冷加工。

2.3.4时效处理冷拔变形后，在殷钢基体上的位错密度会显著提高。时效主要起到以下两个作用：碳化物析出后，能提高后续冷加工过程的硬化率；提高了材料的塑性，有利于进一步拉拔。

2.3.5铝包殷钢芯线的拉拔铝包殷钢芯线属于双金属复合材料，外部为包覆铝层，芯部为高强度殷钢线，外层与芯部的2种金属强度的差别达到了5倍以上。为保证较软的铝层和较硬的殷钢芯能同时等比例拉伸，必须要有同步变形的工艺，采用组合压力模具及专用的拉丝粉进行拉拔，可达到既阻止铝层拉拔时往后移动，又保证拉拔时铝包钢线坯整体同步向前延伸，最终实现铝/钢同步拉拔的目的。

3殷钢芯线检测方法

对于拉制成型的架空导线用殷钢芯线，目前尚无专门的国家及行业标准。参照GB/T3428-2012《架空绞线用镀锌钢线》对于碳素钢芯线的检测技术和方法，殷钢芯线的检测项目也应至少包括外观、尺寸偏差、化学成分、力学性能（包括拉伸强度、断后伸长率、卷绕和扭转性能）、金相组织等。其中，外观和尺寸偏差的检测方法可依据GB/T14985-2007《膨胀合金尺寸、外形、表面质量、实验方法和检验规则的一般规定》进行检测和验收，其它检测实验方法如下。

3.1成分检测

经调研，目前架空导线用殷钢芯线的材料牌号多为YB/T5241-2005《低膨胀铁镍、铁镍钴合金》标准中的4J36。由于线芯直径较小，无法采用直读光谱仪进行元素成分分析，只能采用化学方法进行检测。表1为对市面上6种不同厂家、不同规格的殷钢芯线采用化学方法对成分分析的结果。可见，样品的碳元素含量普遍超过4J36对应的标准要求值，说明殷钢导线线芯为了提高强度，增加了碳元素的含量。3.2殷钢芯线力学性能检测殷钢芯线的抗拉强度、断后伸长率可通过拉伸实验测量，实验方法可参照GB/T3428-2012。与常规碳素钢钢芯线不同的是，殷钢芯线的断后伸长率要远小于常规钢芯，断后伸长率只有1%～2%，因此不测量1%伸长时的应力。表2为三种规格的殷钢芯线拉伸实验结果。可见其强度与G1级的钢芯线相当。

3.3殷钢芯线卷绕、扭转实验

卷绕实验和扭转实验是评判钢芯线韧性的有效方法。殷钢芯线的卷绕实验和扭转实验方法也可参照GB/T3428-2012进行；但考虑到殷钢芯线塑性低于普通钢绞线，为从严检验其韧性指标，实验速率可取标准的上限要求，即卷绕实验的速率取15r/min，卷绕芯轴直径选择为近似1倍钢线芯直径，扭转实验的速率可取60r/min。

3.4殷钢芯线金相组织检测

殷钢芯线的金相组织为奥氏体，晶内有少量弥散分布的碳化物，如图2所示。碳素结构钢的芯线金相组织一般为细珠光体+少量铁素体，如图3所示。值得注意的是，有的产品为了提高强度，而在成分中添加了较多的碳化物形成元素，致使碳化物析出后在晶界聚集，见图4。在晶界聚集的碳化物会降低晶界强度，影响了材料的韧性和持久强度，因此对殷钢芯线进行金相分析是非常重要的检测手段。

4结语

（1）殷钢导线作为一种新型的增容导线已在电网中得到应用，但由于目前尚无针对架空导线用殷钢芯线的国家和行业标准，使得殷钢芯线的质量管理和规范存在一定程度的技术空白，亟需制定相应的标准予以规范。（2）架空导线用殷钢芯线的生产工艺常是采用真空感应炉或非真空感应炉冶炼殷钢，经热加工后进行轻度冷变形和酸洗，再经冷加工拉拔成丝材。强化机理主要为沉淀强化和形变强化，关键的加工工艺包括加热制度、变形制度、拉拔工艺、时效处理，对于有防腐要求的线芯还需要覆铝处理后再进行拉拔。（3）由于殷钢芯线与传统的碳素钢芯线在材料特性上存在较大的不同，用作架空导线线芯的殷钢芯线在超过温度拐点（迁移点）后承受全部的导线张力，因此其质量检验应予以重视。殷钢芯线的外观成型质量、尺寸偏差、化学成分、力学性能（包括拉伸强度、断后伸长率、卷绕和扭转性能）、金相组织应确定为判定殷钢芯线质量的必检性能指标项目。

参考文献：

[1]王正风，袁辉．发输电设备检修优化决策系统设计与应用[J]．电力工程技术，2018，37(2)：132-137．

[2]张强，陈保安，祝志祥．架空导线用芯线材料综述[J]．热加工工艺，2016，45(6)：20-22．

[3]黄豪士．输电线路节能型增扩容导线的特性[J]．电力建设，2010，31(2)：29-34．

[4]尤传永．增容导线在架空输电线路上的应用研究[J]．电力设备，2006，10(7)：1-7．

[5]梁旭明，余军，尤传永．新型复合材料合成芯导线技术综述[J]．电网技术，2006(19)：1-6．

[7]韩志军，李显鑫，何健，等．增容导线选型边界条件的选择[J]．吉林电力，2015，43(4)：28-31．

[8]顾俊杰，袁奇，戈晴天．铝包殷钢芯耐热导线的技术特性及应用[J]．电力与能源，2014，35(5)：594-596．

[9]翟彬．铝包殷钢芯铝合金绞线在架空线路扩容中的应用[J].山东电力技术，2014，41(3)：37-39．

[10]王大江，江叶峰，等．江苏电网在线动态安全评估系统及应用研究[J]．电力工程技术，2017，36(2)：51-55．

[11]戴闻．殷钢中零热胀系数的微观机制[J]．物理，2000，29(5)：317-318．

[12]张颖璐．倍容量导线的张力弧垂特性分析计算[J]．电力建设，2006，27(9)：7-9．

[15]张德汉．殷钢电缆线芯的研制[J]．首钢科技，2015(1)：35-38．

作者：李鸿泽 刘建军 李成钢 祝志祥 张强 单位：国网江苏省电力有限公司