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2020年中国电工材料供需交易峰会

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2020年中国电工材料供需交易峰会

【电工会】黄崇祺:铜及铜合金导体制造最新技术、应用及创新

来源:SMM

【铜及铜合金导体制造技术的新进展】在“2020(第五届)中国电工材料供需交易峰会”上,中国工程院院士黄崇祺带来了主题为“铜及铜合金导体制造技术的新进展”的演讲,他的讲话主要围绕近些年来国内外有关铜和铜合金的新成果及新应用展开。

SMM11月5日讯:在2020(第五届)中国电工材料供需交易峰会上,中国工程院院士黄崇祺带来了主题为“铜及铜合金导体制造技术的新进展”的演讲,他的讲话主要围绕近些年来国内外有关铜和铜合金的新成果及新应用展开。

我国电工用铜导体的总用量已约占国际相应总量的1/3,2019年我国铜、铝导体的总用量分别约为670万吨(占我国总用铜量的60%以上)和190万吨;电线电缆行业的销售总产值已达1.42万亿元。在大机械行业中,除汽车行业外,排第2。

近些年来,国内外有关金属导体先进制造的新材料、新工艺、新技术、新设备和新产品不断出现,例如:

►“再生铜原料”(GB/T 38471-2019)和“电工用火法精炼高导电铜杆”(NB/T 10194-2019)新标准已在2020年颁布实施,与标准相配套,这种铜杆的质量评估体系也已同时建立。为保证电线电缆导体质量、节能环保、物尽其用、优质优价创造了必要的条件。

►用再生铜原料在上引法生产线上,生产电工级和电子级高导电无氧铜杆(UNS C10100和C10200)已不是神话,而是现实。

►再生铜漆包线原料脱漆预处理技术已有了新的进展。对保证电线电缆导体的质量,在再生有色金属市场上再生铜漆包线原料和电工用涂漆零部件等供货较多,具有重要的技术经济意义。

►我国超高纯5N、6N铜的产业化已取得实质性的进展,后续的纯度再提高及其检测,大幅调整价格,扩展市场,不再依靠进口,是需要深化研究的问题。

►“czochralki”单晶铜制造法有别于日本“ohno”连铸法,其单晶铜导电率高达105.6%IACS,在视频/音频电缆上应用,可改善信号的传递效果。

►铜银合金线用于架空输电线路可获得高强度高导电的导线,从而可有效增加载流量达12%,工作温度可达150°C,与其他高温导线(铝-锆耐热铝合金导线)方案相比,传输能量损耗最大可降低40%。

本文着重介绍高纯铜银线箔、键合线和精密电阻以及12万吨/年再生铜原料火法精炼高导电低氧铜(FRHC)直接再生制杆国产化示范生产线。

高纯铜银线箔、键合线和精密电阻

由上海电缆研究所组织的技术攻关集团,在国家科技部电子材料专项的支持下,电工用铜合金,正在向电子用铜合金的方向发展,我国秉持“独立自主,自力更生”的精神已发起攻关,并已取得成果,相信在不久的将来定能跟上我国电子工业迅猛发展的需要。

我国已组织建设了国内首条超纯铜合金微细线箔示范生产线,具有全国产从原料到成品的全部自主制造能力。

技术难点:

► 提高原料纯度,精炼除气,严控含氧量,抑制界面脆性相的形成,防止晶粒疏松,气孔富集,保证线坯和线质量一致性,为精密加工打好基础。

►控制Ag含量适当和稳定,寻找超细线适宜的多道次加工硬化,随拉拔道次的增加,形成明显纤维化的组织,复合强化效应逐渐得以显示。

►铜-银系中,银易通过置换固溶形成均质固溶体,难以实现性能提升。需要改进热处理工艺,精确控制每个工艺要点,以达到Cu、Ag双相的连续析出和弥散分布,进而调控合金性能。

12万吨/年再生铜原料火法精炼高导电低氧铜(FRHC)直接再生制杆国产化示范生产线

由赣州江钨新型合金材料公司和上海电缆研究所组织的技术攻关集团,开发的12万吨/年再生铜原料火法精炼直接再生制杆国产示范生产线,在国家科技部支持下,已于2014年通过科技部验收,当即成为科技部重点推广项目。该种杆可用于电力电缆、装备线缆、漆包线和裸铜线等生产。

目前“FRHC”已成为国际标准中通用的专用术语,首先纳入欧标,然后中国YS/T793-2012行标第二,美标ASTM第三。我国再生铜原料火法精炼直接制杆工艺、装备、技术和产品质量已进入国际先进水平行列。绿色环保要求亦已达到国家标准要求。

该生产线的创新点:

►研发了国内第一条高端装备生产线,不仅适用于废杂铜直接再生制造电工用铜杆,也适用于用电解铜生产电工用铜杆;

►生产线融合国内外最新的工艺、装备、辅助设施、自动控制;

►几十年来在我国首次实现连铸自动液位控制,从而降低劳动强度,稳定产品质量,填补了国内空白;

►生产线实现了实时、在线的质量控制,保证了稳定生产和产品质量的一致性,提高了产品的“可轧性、可拉性、可退火性”;

►采用先进高效的气体净化技术、燃烧系统实现PLC界面操控,具有强化冶炼、高效除杂、绿色环保、低能耗的显著特点,根据原材料的不同,天然气消耗指标为75-95m3/t铜杆左右,与传统废杂铜—阳极铜—电解铜—反射炉熔炼—旧的国产连铸连轧生产线制杆相比,节约能耗约一半,产品成品率几乎达100%。

►集成再创新了新型两辊悬臂式连轧机,机架单独传动,实现轧制孔型快速精准调整,整体轧制系统延伸率可调;轧辊可快速更换和调整;彻底解决了我国几十年来油、乳混合难题,延长轧机轧辊使用寿命、降低生产成本、提高生产效率;

►实现了精确控温、控氧,稳定了产品质量;

►解决了辅机系统液体(冷却水、乳化液、润滑油、清洗液)的流量、温度和压力的自动控制和乳化液过滤,使辅机与主机相配合,保证了稳定生产;

►采用目前国际先进的控制系统,实现了设备的连锁启停、回路自动调节、报警、记录等一系列功能,系统的兼容性、可靠性和响应速度得到了有效的保证。

FRHC铜杆生产在预处理上的新进展

“热解熔析”又称干馏,预处理法在再生铜漆包线上脱漆;在铜线上脱锡或铅锡合金和在铜包铝上脱铝的应用。

原理:“热解”又称干馏,是将有机物质在隔绝空气的条件下加热或在少量氧气存在的条件下部分燃烧,使之转化成有用的燃料或化工原料的基本热化学过程。“熔析”是指各种物质由于熔点不同,在熔融状态或缓慢冷却过程中使液相与固相分离。

技术亮点:

►环保有保证——热解产出的油气在密闭体系中(缺氧或还原气氛中不含合成二恶英)排出,热解油气经冷凝分离净化后在高温800℃-900℃燃烧,有效杜绝二恶英的存在(二恶英在800℃,26秒完全分解燃烧,在1000 ℃,1秒完全分解燃烧。

►节能——热解熔析连续生产线比间断热解炉要节能60%;连续生产热解的油气可以环保回收处理,每吨废漆包线至少有30公斤热解油气,此种油气可作为自身生产的燃料,从而可最大限度实现节能。

►资源可充分利用——可避免铜的氧化损失,金属回收率大于98%;保证铜和活性炭良好分离,活性炭亦可回收利用。

►“热解熔析”技术在预处理上的应用是一项我国自主创新的新技术,并已实现产业化和实际的应用。

新应用

绕组线方面的应用:

要求:强度高、电阻低、耐温性好、直径稳定。

用途:小型继电器、微电机、点火线圈,微型电感、电讯仪表。

海缆从浅海向远洋、深海方面的应用:

要求:高强度、长距离、低损耗、抗干扰、耐疲劳等。

用途:海底大长度光缆,海上风电光、电复合缆,海上采油综合(电缆)等。

先进医疗方面的应用:

要求:无毒、抗干扰、耐疲劳、特细、高柔性等。

用途:心电电缆及导联线、脑电极及电极片、高频电刀、多普勒探头、内窥镜等。

微电子方面的应用:

要求:超细、超薄、高导电、高耐热、抗应力松弛、耐磨损。

用途:连接器、连接线、键合线、高精密电阻、屏蔽片、散热板等。

工业机器人线缆的应用:

要求:柔软、耐弯曲、抗拉、防水、防油、耐酸碱、耐紫外线、耐疲劳、耐磨损。

用途:汽车生产线、物流搬运、喷涂、焊接及高温辐照作业等。

结论

►高导电、高强度、高耐热、超细铜银合金线、箔的自主创新研究成功,并实现批量产业化,为电子用铜合金线缆在集成电路、航空航天、海洋工程等场合的应用填补了国内空白,为国内首创。

►用再生铜原料在上引法生产线上生产电工级和电子级高导电无氧铜(UNS C10100和C10200)杆不是神话而是现实。

►  GB/T 38471-2019再生铜原料标准和NB/T 10194-2019电工用火法精炼高导电(FRHC)铜杆标准在2020年开始执行,对扩大再生铜杆、铜线的应用,提高和保证电线电缆产品的质量,具有重要的技术经济意义。

► 用化学法和干馏法对再生铜漆包线进行预处理,对绿色环保生产、提高再生铜杆和铜线的质量,有重要意义,应在推广应用中深化验证以使供需双方取得更好的技术、经济效果。

► 国产5N、6N铜的产业化已取得实质性的进展,今后应在高精尖产业中扩大应用,并向国外音响市场早已商业化应用的8N铜迈进,同时要解决8N铜的分析认证问题。

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