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探索铜电缆的新应用方向 实现创新跨越式发展

2017-08-15 08:38:37 厦门天研仪器有限公司 阅读

经历史和实践证明,电缆行业与有色金属冶炼、加工行业唇齿相依、可谓“我发展你增产”。相关数据统计显示,2016年我国电缆行业铜导体用量695万吨,比2015年增长6%;铝导体用量250万吨,比2015年增长5%;电缆行业2000万元以上产值的企业2048家,行业销售总产值1.47万亿元,比2015年增长4.7%,利润增长4.9%。
电缆行业清理整顿初见成效
3月份,西安地铁查出使用的不合格电缆,存在严重安全隐患。“西安地铁问题电缆”事件,再次证明了“没有质量就没有未来”。电缆被喻为身体的“血管和神经”,但得了病往往就触及严重的“质量安全”危机。问题发生后,国务院决定依法依规对“西安地铁问题电缆”事件严厉问责,进一步强化全过程、全链条、全方位监管,确保质量安全。此外,中国电器工业协会电线电缆分会向电缆行业全体会员、业内所有从业组织和从业人员发出提升质量水平,加强规范自律的倡议书。提出严格遵守国家法律法规、自觉遵循社会公序良俗,诚信生产经营,积极采用新工艺、新技术、新材料、新设备,全面提高质量可靠性和稳定性等要求。
中国电器工业协会电线电缆分会已全面启动“行业质量提升工程”。据电缆生产企业的市场反映表明,当前,电缆行业已开始出现了向好的“优胜劣汰”势头,质量好的铜杆订单明显增加,质量差的铜杆生产企业遭淘汰,致使铜杆整体行业经营状况好转。另一方面,由于国家、地方政府对环保要求的进一步落实,一批不达标,甚至脱标、非标的劣质铜杆产品已被勒令停产。由此可以看出,经过这一阶段的规范和“洗牌”,势必对未来铜电缆行业发展起到积极的促进作用。
废杂铜杆发展升级未来前景可期
我国火法精炼废杂铜直接再生制杆技术生产厂家拥有先进的工艺和装备,符合标准、良好的铜杆性能,可与国外先进的同类标准(欧标、美标)并驾齐驱,此类铜杆在电缆工业中的应用认可度最高。此外,目前我国对陈旧的废杂铜制杆方法及其所制造的不合格杆线已明令淘汰,电缆工业也不再使用。那么再生铜杆企业,到底要不要改造求新生?诸如废杂铜杆生产有否前途?每吨杆的能源消耗究竟多少和国家是否有新的政策?
从现阶段情况来看,在绿色环保节能的循环经济中,再生行业的前景是明朗灿烂的。2016年6月16日,国务院办公厅印发的《关于营造良好市场环境促进有色金属工业调结构促转型增效益的指导意见》第三条“加强技术创新,推动智能制造”明确指出,要提高再生有色金属回收利用技术和装备水平,鼓励企业提高再生有色金属的使用比例。上海电缆研究所黄崇祺院士认为,可以说再生铜杆的前景是明朗和值得期待的,它不因铜价波动而受到影响。或许可以说,在经济低谷时,应做好再生铜杆技术的改造,做好充足的准备,一旦经济回暖,正好“捷足先登”。绿色环保、节约能源、淘汰落后产能,把产品向中、高端水平提升,是目前我国再生铜杆的发展方向。中国是世界第一用铜大国但自身缺少铜资源,节约铜矿开采和原生电解铜是我国铜产业的策略。淘汰旧工艺和旧装备,实现生产升级换代,可使再生铜杆全国性的质量问题得到解决,是绝对有前途的。
从国外和国内行业发展的势态看,一方面,废杂铜直接再生铜杆产量在国际上正在逐年增长。据中国有色金属工业协会再生金属分会信息显示,废杂铜直接再生铜杆和电解铜杆的应用态势已达60%和40%之比,且废杂铜直接再生铜杆(FRHC牌号的铜杆)在我国已有标准可循,国外已于2013年列入欧洲标准、2015年列入美国标准。另一方面,近十年来,世界再生铜产量已占原生铜产量的40%~55%,其中美国占约60%,日本约占45%,德国约占80%,而中国仅约占30%左右,与先进国家相比,我国再生铜产量尚有一定差距。
此外,我国生产每吨再生铜杆的能源消耗水平与国外同类生产方式的先进水平相当。在四炉组合布置生产条件下,每吨再生铜杆管道天然气用量平均水平70m3/吨杆,属国际先进水平。能源消耗与废铜原料、工人操作和停机辅助时间有关,天然气用量最低值能达到65m3/吨杆,整条生产线的电耗为105摄氏度/吨杆左右。所谓四炉组合,即竖炉熔化(1ⅹ20t/h)、精炼炉精炼(倾动式,2ⅹ50t)、保温炉保温(倾动式,1ⅹ25t)。这样布置,可按市场需求,实现不间断连续生产优质再生铜杆或电解铜杆。
着力研发铜电缆特别应用领域是重点
目前,对铜材、铝材的选用,正向着实事求是的方向发展,走上以技术经济效果比较、安全使用和电力系统的最终设计及用户的决定为准则的理性化道路。在国外部分国家或地区,不使用铝合金电缆,只选用铝电缆,也有的国家将铝合金电缆主要用于建筑物中。铝合金“线束”也在汽车、飞机等场合使用。而我国铝(铝合金)线缆(除架空导线外),已在家电、电子变压器、小变压器、移动网用射频线、风电电缆、超高压和特高压直流输电用干式平波电抗器、轨道交通用钢铝导电轨、屏蔽编织线等上使用,并已取得了较好的技术经济效果。为了规范市场和推进“以铝节铜”,7个铝和铝合金电缆新标准已陆续出台,标准内容分别为电缆的导体 GB/T3956-2008/IEC60228:2004、电缆导体用铝合金线”GB/T30552-2014、架空绞线用耐热铝合金线GB/T30551-2014/IEC62004:2007、架空绞线用铝-镁-硅系合金圆线GB/T23308-2009/IEC60104:1987、架空绞线用中强度铝合金线(报批稿)NB/T xxxxx-xxxx、额定电压0.6/1 KV铝合金导体交联聚乙烯绝缘电缆NB/T42051-2015、额定电压1KV(Um=1.2KV)到35KV(Um=40.5KV)铝合金芯挤包绝缘电力电缆GB/T31840.1-2015。
2016年《中国电力与能源》杂志提出了节能优先方针的论述,其中阐述了从电力传输和建设智能电网的角度出发,对铜和铝合金电缆的选择,电网公司在实施节能优先方针时的途径有八个方面:
第一,节能优先方针的提出及其含义,应在能源开发中坚持开发与节能并举,把节能放在首位,把节约贯穿在能源开发、产生、传输、使用的全过程,这是国家能源战略的核心任务之一;第二,淘汰落后产能是节能优先战略的重点之一,淘汰落后产能对降低工业领域的产值能耗有着重要作用,电缆是电网公司大量使用的产品,其对社会能耗总量的影响不得不加以认真考量;第三,从节能优先战略的能源科技创新角度看铜、铝合金电缆的应用能源输送,是重点突破的技术领域,即安全和高效的传输技术,包括大规模交直流混合电网运行控制技术、智能电网技术、实时测量技术、全数字实时仿真技术、超导电力技术、大电网安全保障技术、特高压输变电成套设备、电网安全防护设备、可再生能源并网群控设备等装备的研究;第四,节能优先战略目标是建设“坚强智能电网”。 “坚强智能电网”是国网公司实施各种能源战略的核心,该理念得到国际社会的高度认可,电气电子工程学会(IEEE)标准化协会主席亚当·恰克明确表示:“中国在智能电网领域已经处于领军地位。”对于这样一个具有中国能源传输核心作用的网络,任何增加其不确定性、增加能耗水平和增加风险性的材料都必须坚决避免;第五,节能优先战略需要电网建设朝清洁能源方向发展,电网公司在未来清洁能源大幅度提升的形势下,更要了解何种电缆是清洁能源最优势的选择材料,风能、太阳能等新能源具有随机性和间歇性特点,其可控性和可预测性低于传统石化能源发电,对电网的控制和协调能力提出了巨大挑战,在此方面,建议我国应花大力气研发铜电缆的特别应用领域;第六,节能优先战略,提倡能源可持续发展,能源可持续发展可从四个指标来衡量,即国内资源支撑力、环境承载能力、能源系统安全性、国外资源获取能力;第七,从系统安全角度看,电力传输系统因铝合金电缆的加入,尤其是在接头端子技术欠缺的条件下,还要考虑到标准缺失,现场施工人员素质和质量控制管理体系薄弱,人员培训等方方面面因素;第八,“坚强智能电网”前行中的每一步,应该在节能优先方针下慎重思考并制定有远见的战略。
高性能铜合金电子材料研发在即
无线输电是电力传输的最先进技术,它让传输的距离不再是问题。无线输电技术可分为三类,一是基于电磁感应的短距离传输技术。例如,在医疗器械领域,它可改变传统的植入式医疗电子产品的供电方式,避免更换电池带来病痛与感染。在交通运输、电子通信等领域的应用。二是基于磁共振耦合的中距离传输技术,例如,在人工心脏中的核电池充电的应用。三是基于微波/飞秒激光的长距离传输技术。微波电能传输(MPT)是将电能转化为微波,让微波经自由空间传送到目标,再经整流,转化成直流电能。此技术主要有空间太阳能电站、低轨道和同步轨道卫星供电等的应用。
未来,无线输电技术可能投入应用,这种技术有望在未来解决电动汽车的充电难题。据美国《科学美国人》月刊网站2017年5月11日报道,以色列拟铺无线充电公交道路。以政府与“电子公路公司”合作,利用路面下的无线充电技术在特拉维夫铺设一条公交道路,以免除到充电站充电的麻烦。电子公路公司的技术解决方案表明,感应充电技术价格合理,且性价比高,电动公交车可携带一种轻型便宜的电池,它体积不庞大,造价低,且永远不用停下来充电,这种技术一旦在路上使用可以持续不断地为具有适当装备的车辆充电,只需一次性地铺设这种基础设施,就可供各种车辆使用。这是一大突破性技术,且能在全世界范围内的道路上大规模采用。该公司目前唯一的一个试验点是一段长24.4米的测试道路,进一步拟在特拉维夫打造一段长800米的公交线路。在未来,这种道路的单位造价是一项关键因素,目前探索该技术的国家越来越多,以色列只是其中之一。据英国《Nature》(Letter)2017年6月15日报道,美国斯坦福大学的研究成果利用非线性的“宇称—时间—对称”(PT对称)的量子物理学原理设计了一种无线输电系统。该系统的创新点主要有:可自动调整无线电波的频率,以应对充电板与汽车之间的距离变化;该系统在电力传输间距达69cm时,传输效率仍可达100%。该系统不需调谐电路,设备相对于充电板的移动速度也不会受到影响。这可以给一些难以架设的线路或危险的地区供电,并解决新能源电站的电能输送问题。
铜包铝线绕制的线圈可能在无线输电技术中获得重要的应用。这种技术,是在高频下通过磁场感应耦合的无线输电系统需要低电阻的线圈,因为它的效率极大地受到它的质量系数的影响。铜包铝线(CCA),不仅轻,而且具有与铜、铝不同的特性,如频率 (MHZ)—电阻、损耗密度分布、频率—涡流损耗、在绕制成线圈后的交流电阻与频率的关系和如何计算交流电阻等都在从理论到实验进行深入研究。
黄崇祺院士认为,铜包铝线在生产和应用中有四个关注点:第一,铜铝过渡层(Al2Cu、Al2Cu3、Al2Cu9)性脆,应越薄越好,铜包铝线的铜层如脱(针孔露铝),使铝底暴露在空气中则加速线的电化腐蚀;第二,铜包铝线的使用温度一般不超过200℃为佳,因为这与铜铝扩散、增厚铜铝过渡层有关;第三,使用断屑剥皮—等温复合法,或许会有很薄的铜铝扩散层,从而铜铝结合强度高,产品质量也高;第四,当铜包铝线大量应用时,要注意解决低成本的回收方法和不产生对环境的二次污染。
另外值得思考的是,目前我国国产铜包铝线生产从原材料到装备和产品质量尚需升级改造。陈旧的水平连铸铝或铝合金制杆方式应该淘汰,否则会影响整个制线过程和产品质量。现有的国产包覆机组和连续焊接监测达不到铜、铝初始结合和焊缝连续稳定监测的效果,会致使后续工序生产效率低和线的质量差。拉线机和需要时的退火炉,也需要改善工艺条件,以适应拉制双金属线和退火的条件,保证线的质量。
电缆工业有色金属加工
专用重大装备实现新突破
现阶段,国内新一代铝、铝合金连铸连轧生产线已投入运行。针对国内现有的传统铝及铝合金连铸连轧生产线存在的诸多缺陷,例如,环保、高能耗、铝及铝合金连铸时熔体的液位自动控制、线锭和轧机的张力自动控制、低于80℃线杆的收杆、生产线的信息化缺失问题等。上海中联电缆工程技术总公司在经过详细调研的基础上精心研发设计的新一代铝合金连铸连轧生产线在贵州塑力调试成功并投入运行,并另两条同样生产线已在山东、新疆投入生产,生产出的铝合金杆经检测满足相关标准的要求。该铝合金连铸连轧生产线的特点是:自动化程度高、配置齐全、能耗低、环保达标、浇铸液位及铸坯张力实现自动控制,成品线杆满足80℃以下收杆(实际线杆温度在38℃~45℃),并配置了信息化管理系统。该铝合金连铸连轧生产线的研制成功并投入运行,为制造高端铝合金线杆创造了良好的必备条件,可以满足业内高质量的铝及铝合金线杆的生产需求。
另外,废杂铜直接制杆装备已经实现中国制造。2015年10月,由中国再生资源产业技术创新战略联盟主办、江西稀有金属钨业控股集团有限公司和上海电缆研究所共同承办的“国家科技项目废杂铜直接制杆技术开发与示范产业化推广应用现场会”在江西赣州市召开,这是国内废杂铜直接制杆装备生产线的一次重大突破。这条融合了国内外最新的工艺、装备、辅助设施、自动控制的高端装备生产线,首次实现连铸自动液位控制,填补了国内空白。
长期以来,中国既是铜资源缺乏国又是铜的消费大国,仅2016年全国铜导体消费量约695万吨,原料的对外依存度高达70%,其中电缆工业用铜量占总用铜量的60%以上,约占世界铜导体总用量的1/3,以废杂铜为原料的再生铜已经逐渐成为弥补我国铜产业原料短缺的重要途径之一。2011年,江钨控股集团赣州江钨新型合金材料有限公司与上海电缆研究所等单位合作,牵头承担了由中国再生资源产业技术战略联盟组织的国家科技部科技支撑计划项目“废杂铜直接制杆技术开发与示范”,并于2014年10月顺利通过国家科技部验收,迈出了废杂铜直接制杆技术与装备国产化实质性的步伐。该项装备技术具有自主知识产权,有着流程短、资源综合利用率高、节能显著、绿色环保、成本低、产品“可轧性、可拉性、可退火性”稳定等优点,达到国际同类装备和产品先进水平,符合我国建设资源节约型、环境友好型社会的目标。项目的开发成功将有利于提高整个再生铜加工产业的装备水平,提升电工铜杆生产的工艺水平与产品质量,推动再生铜杆产业的升级。
目前,我国大直径电缆铝护套用立式双轮四槽连续包覆机组已开发成功。电力电缆铝护套的连续制造方法,至今国内外采用三种方法,即铝锭双筒卧式连续挤压法、铝带连续包覆—焊接法和铝杆连续挤压包覆法。大连交通大学经三年努力,用四根直径15mm铝杆为原料,用连续挤压包覆法可生产出直径达到180mm的铝护套,完全可以代替传统的铝锭双筒卧式连续挤压法,满足超高压电缆等大直径电缆铝护套的要求。该技术团队之所以能达到此要求,说明他们已完全掌握了先进的数值模拟技术,运用新型模具设计理论,才能生产出达国际先进水平的铝管圆度和壁厚均匀性。这完全可与国际著名的BWE公司相匹敌。
超导电缆与二代高温超导带材产业化
碳纳米管与石墨烯在铜导体中的应用待开发
据了解,上海电缆研究所超导电缆示范工程已从研究阶段转入产业化阶段。上海电缆研究所开发成功的“低温绝缘高温超导电缆”于2013年12月9日在上海宝钢投入实际供电线路运行,至今已历时3年,一直在安全运行之中,接着从开发阶段转入生产阶段,现在产业化厂房已经建成,生产大长度电缆生产线的装备已陆续进入调试阶段。上海超导公司已开发出了我国二代高温超导带及其交钥匙生产线。该技术的工艺流程,是在采用独特技术抛光后的基带上,分别利用磁控溅射法、离子束辅助沉积法、脉冲激光沉积法制备缓冲层、种子层、超导层,形成了具有自主知识产权的物理法制备第二代高温超导带材的成套工艺技术。二代超导带产品现有5个系列,即ST-04-E、ST-05-L、ST-05-E、ST-06-L、ST-10-E和ST-12-L系列。二代超导带基于物理气相沉积法制备的YBCO超导带,具有低温高场电性能、一流的自场电流密度、优异的磁体绕制性能,以及极低的交流损耗(0.36-0.5w/m),可应用于电力(超导电缆、超导电机)、交通、能源、医疗(医用核磁共振)、高能物理(大型粒子对撞机)、无线通讯(超导滤波)等各个领域。  
石墨烯是目前自然界最薄(一个碳原子厚)、强度最大、导电和导热性能最好的一种新型纳米材料。它的电流密度是铜的100万倍,导热率是铜的10倍,能够拉伸20%而不断裂,其强度超出钢铁数十倍。碳纳米管和石墨烯在铜、铝导体中的应用研究,我国尚处起步阶段,据资料研究,采用电镀法制备的层状CNTS(碳纳米管)/Cu(铜)复合材料,经900℃、3小时的退火处理后,所有样品的导电率都有大幅度提高,但只达到纯铜箔的52%。至于如何产业化应用尚需更多时日,目前还未见到具有突破性的进展。对铜、铝导体而言,所谓突破性的进展,是其性能指标是导电率和抗拉强度的双提高,并了解其取得效果的机理。其工艺标志是解决了加入碳纳米管或石墨烯的方法和加工方法,据此解决经济实用的整套产业化的装备。