淺析銅包鋁材料的實(shí)際應(yīng)用探討的論文
我國(guó)現(xiàn)有的電線電纜材料所選用的內(nèi)導(dǎo)體主要有銅、鋁兩種金屬。目前大部分企業(yè)還是以銅做內(nèi)導(dǎo)體，但是我國(guó)的銅資源相對(duì)匱乏，而鋁資源卻很豐富。20世紀(jì)50～70年代中期，在全國(guó)范圍內(nèi)推廣鋁芯線纜，當(dāng)時(shí)鋁芯產(chǎn)品的使用量達(dá)到了線纜市場(chǎng)份額一半以上，但是到了80年代和90年代，銅鋁差價(jià)又逐漸縮小。由于銅本身的導(dǎo)電性能就比鋁好，使鋁芯電纜的推廣使用受到阻礙。
改革開放以后，特別是近15年來(lái)，中國(guó)工業(yè)基礎(chǔ)建設(shè)飛速發(fā)展，使得發(fā)展過(guò)程中消耗了大量的銅材，主要應(yīng)用在輸、配、變電設(shè)施，家用電器、工業(yè)設(shè)備、軍工產(chǎn)品等方面。因國(guó)內(nèi)銅資源稀缺，其40%～50%的銅材依賴于進(jìn)口，致使銅價(jià)在5年內(nèi)上漲了4倍，最高時(shí)達(dá)到了83000元/噸，銅價(jià)格的過(guò)高給電纜行業(yè)帶來(lái)巨大的壓力，企業(yè)生產(chǎn)利潤(rùn)驟減，一些企業(yè)不得停產(chǎn)、改行，為了適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，很大一部分企業(yè)競(jìng)相偷工減料，給工程用戶造成了用電隱患。
銅鋁間價(jià)差的迅速拉大，使銅電纜的經(jīng)濟(jì)性失去價(jià)格優(yōu)勢(shì)，以2008年4月份銅鋁價(jià)格為例計(jì)算，用1萬(wàn)元資金生產(chǎn)鋁芯電纜的長(zhǎng)度是同規(guī)格銅芯電纜長(zhǎng)度的10倍之多，可見當(dāng)今鋁芯電纜的經(jīng)濟(jì)性相對(duì)銅優(yōu)勢(shì)非常明顯。
1.國(guó)內(nèi)外銅包鋁線的發(fā)展
銅包鋁線與銅線相比，鋁線生產(chǎn)成本低，相對(duì)銅生產(chǎn)成本下降20%～40%，市場(chǎng)價(jià)格相當(dāng)穩(wěn)定，具有良好的腐蝕性，其與錫的可焊性和銅相同，在傳輸性能上，載流量要比銅好，線損要比銅低;另外連接容易，可靠性好，重量輕，易于安裝和運(yùn)輸，克服了銅成本高、價(jià)格大起大落等弊端，因此可成為可靠的銅線代替品。在電力行業(yè)使用鋁芯線纜，可有效降低生產(chǎn)成品，合理規(guī)避行業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。
歐美國(guó)家早在20世紀(jì)60年代就開始研究和應(yīng)用銅包鋁材料，使銅包鋁成為繼銅鋁后的第三種導(dǎo)體。鋁本身裸露在空氣中極易氧化，產(chǎn)生的氧氣膜不易消去，從而嚴(yán)重影響了鋁代銅制品的普及率。銅包鋁產(chǎn)品開發(fā)，帶來(lái)了鋁代銅制品的轉(zhuǎn)機(jī)。開發(fā)早期，銅包鋁制品主要應(yīng)用在建筑電線和廣播電視電纜上。近十來(lái)年其產(chǎn)品才在我國(guó)開始推廣應(yīng)用，生產(chǎn)技術(shù)也日趨成熟，主要用于信號(hào)傳輸線，通訊行業(yè)的CATV同軸線纜，銅包鋁在電力電纜中的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，為銅包鋁電纜的普及起到重要的作用。銅、鋁、銅包鋁三種導(dǎo)體性能參數(shù)對(duì)照表如表1所示：
2.主要生產(chǎn)工藝中的處理方法
由于鋁金屬存在不少力學(xué)性能和電學(xué)性能缺陷，為了克服這些缺陷，一些大的研發(fā)公司開發(fā)生產(chǎn)了銅包鋁導(dǎo)體(CCA)，該導(dǎo)體采用了“包覆焊接拉拔”方法，將高純度銅帶同心地包覆在鋁桿線的外表面，通過(guò)多道次拉拔及熱處理，制成電纜所需要的線徑及力學(xué)和電學(xué)性能技術(shù)要求。該導(dǎo)體兼具銅的導(dǎo)電性好、強(qiáng)度高、可焊性強(qiáng)、易加工等優(yōu)點(diǎn)，具有密度小、銅層密度均勻、高致密性、高延展性等特點(diǎn)，其較之純銅導(dǎo)體具有重量輕、線質(zhì)柔軟、成本低廉、節(jié)約銅資源等明顯優(yōu)勢(shì)。銅包鋁導(dǎo)體可廣泛應(yīng)用于有線電視信號(hào)傳輸線、大容量通訊、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸線、低壓電力電纜產(chǎn)品;將該導(dǎo)體深加工成銅包鋁漆包線(CCAW)后，可應(yīng)用于電感線圈、鎮(zhèn)流器線圈、音頻線圈、電視機(jī)激勵(lì)偏轉(zhuǎn)線圈等方面;還可以將該導(dǎo)體擠壓成銅包鋁扁排，可應(yīng)用于配電柜匯流排、母線槽、大型變壓器、電焊機(jī)等方面。銅包鋁導(dǎo)體的誕生為銅、鋁資源的合理搭配利用開創(chuàng)了新紀(jì)元，符合國(guó)家提倡資源內(nèi)節(jié)約型社會(huì)的大政策，由此可見銅包鋁具有廣泛的市場(chǎng)發(fā)展前景。
3.實(shí)際工程中的應(yīng)用
3.1.影響輸送電能的主要要素
電線電纜在輸送電荷時(shí)能力主要取決于導(dǎo)體的材質(zhì)、截面積大小、電壓等級(jí)與工作環(huán)境溫度。同等長(zhǎng)度、規(guī)格的導(dǎo)體在相同時(shí)間內(nèi)電壓越高導(dǎo)體分子間傳遞的電荷越多即輸電能力越強(qiáng);同等電壓不同材質(zhì)導(dǎo)體的輸電能力由材質(zhì)分子間運(yùn)動(dòng)能力決定的，分子運(yùn)動(dòng)越活躍即導(dǎo)電能力越強(qiáng)，同等材質(zhì)截面積越大輸電能力越強(qiáng)，工作環(huán)境溫度越高輸電能力越弱，反之越強(qiáng)。研究表明，銅分子的活躍性比鋁分子要強(qiáng)得多，由于銅包鋁導(dǎo)體外圓是銅，所以在銅包鋁導(dǎo)體上電流加大時(shí)銅就成了主要傳遞電荷的主要載體，內(nèi)芯鋁的電荷單位面積上比銅少得多，而且銅包鋁電纜更加能體現(xiàn)出導(dǎo)體的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)。
3.2.鋁芯電纜(銅包鋁芯)
鋁芯電纜最早在英國(guó)、美國(guó)、日本研究并應(yīng)用推廣，據(jù)MBR預(yù)計(jì)，2015年北美鋁線纜的發(fā)貨量將提高8%～10%。然而在發(fā)展中國(guó)家還僅僅停留在文字的提倡層面上，在工程招標(biāo)書中多有體現(xiàn)。在我國(guó)依然是銅芯電纜占據(jù)大部分市場(chǎng)份額，而鋁芯電纜市場(chǎng)份額還不到20%，目前銅價(jià)不斷飆升，企業(yè)為了節(jié)省成本引入鋁芯線纜，在逐步的推廣使用中，鋁芯產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯，這必然會(huì)形成鋁制產(chǎn)品逐漸取代銅制產(chǎn)品。我國(guó)2000多家電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)和7000余家電線電纜生產(chǎn)企業(yè)將為鋁芯電纜創(chuàng)造一個(gè)龐大的市場(chǎng)。電力供應(yīng)部門已經(jīng)得到授權(quán)，指定在中低電壓電纜業(yè)使用鋁。
在這一領(lǐng)域，銅的總體消費(fèi)量約60多萬(wàn)噸將被鋁替代。據(jù)《中國(guó)電力報(bào)》報(bào)道：常州供電公司首次成功使用了鋁芯電纜，此批規(guī)格為500平方毫米、長(zhǎng)1640米的10千伏鋁芯電纜替代銅芯電纜后，可節(jié)約工程投資189萬(wàn)元，只相當(dāng)于銅芯電纜費(fèi)用的23%。另外，從國(guó)外電纜行業(yè)的發(fā)展情況看，鋁制電纜將應(yīng)用于航空業(yè)，空中客車(Airbus)基于重量因素已經(jīng)決定部分采用鋁制電纜制造A380客機(jī)。汽車行業(yè)鋁制電纜應(yīng)用也正在研究之中。
變壓器繞組的鋁材替代一個(gè)370kVA變壓器約使用33噸銅。因?yàn)殇X只有銅一半的導(dǎo)電性，但是同樣只有其重量的1/3，只需要60%鋁的重量能達(dá)到同樣的導(dǎo)電性。在國(guó)外，銅和鋁的變壓器都有供應(yīng)。然而在中國(guó)，目前只有銅變壓器。如果銅鋁價(jià)差繼續(xù)保持目前的水平或進(jìn)一步拉大，那么相關(guān)產(chǎn)業(yè)界將有足夠的動(dòng)力來(lái)研制鋁變壓器，實(shí)現(xiàn)對(duì)銅制變壓器的替代，一旦這種替代變成現(xiàn)實(shí)，鋁材在此領(lǐng)域的消費(fèi)份額將較銅具有更大的發(fā)展?jié)摿Αｋ娮硬牧闲袠I(yè)的鋁材將在功率模塊中替代銅材。
3.3.“銅包鋁”使電纜盜賊“失業(yè)”
用銅包鋁取代純銅電線，可減少70%的銅耗，降低電纜總造價(jià)40%。由于“銅包鋁”有良好的防盜性能，已成為光明工程的專用電纜。據(jù)了解，我國(guó)建設(shè)工程線纜用銅量占全國(guó)的20%，銅包鋁電線電纜除了可全面用于建設(shè)工程外，其最突出的優(yōu)勢(shì)是用于高頻通信(有線電視電纜)和電焊機(jī)等，因?yàn)橛斜燃冦~更優(yōu)越的性能，已成上述產(chǎn)品的專用電纜。此外，銅包鋁電纜還有更為優(yōu)異的防盜性。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，某市每年被盜電纜價(jià)值幾百萬(wàn)元，間接損失更為慘重，尤其是一些光明工程“屢換屢盜”令人頭疼。換上銅包鋁電纜，最近雖然也有被盜，但發(fā)案率大為降低。由于是銅鋁復(fù)合材料，回收利用都需要專門設(shè)備加工，盜賊無(wú)處銷贓。
事實(shí)也證明，銅包鋁電纜在全國(guó)多處工程實(shí)例運(yùn)用中已經(jīng)完全代替了銅電纜的性能。全國(guó)已有30多家電纜企業(yè)在按照自己的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制造銅包鋁電力電纜，并且還有繼續(xù)擴(kuò)大的趨勢(shì)。目前，鄭州電纜公司、上海盛華電纜集團(tuán)公司、武漢電纜集團(tuán)公司、興樂(lè)集團(tuán)和青島漢纜集團(tuán)等都在批量制造銅包鋁電力電纜，并且被用戶接受。
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