中國金屬導體“以鋁節銅”前景

黃崇祺

(上海電纜研究所，上海 200093)

1 前言

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

目前，中國電纜工業年產值已突破9000億元大關，成為機械行業中僅次于汽車制造業的第二大產業，同時也極大帶動了銅、鋁等重要原材料產業和上、下游相關產業的快速發展，在國民經濟發展中具有十分重要的作用。電線電纜產業發展的成就令人矚目，但存在的問題，特別是質量問題不容回避[1]。可以說，當前我國線纜產業集中體現了“中國制造”產業“大而不強”的突出特點。

中國電纜工業“以鋁節銅”的驅動力來自以下幾個方面。

1)行業年用銅量很大，2011年行業銅、鋁用量分別已達484萬t(約占全世界銅導體產量的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品利潤空間。

3)經試用證明，確有取得良好技術經濟效果的鋁線纜產品。

導體“以鋁節銅”的含義是指該用銅的線纜產品就用銅，對可用銅或鋁作導體的產品，需經科學實驗，實際試用成功的產品，才得以推廣應用，反對盲目推行，致使產品質量下降，生產大起大落。電纜行業的節銅除用鋁、鋁合金、復合金屬外，還涉及非金屬的光導纖維代銅;用廢雜銅直接再生代電解精銅制桿;用碳纖維復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線已完成制標，產品已在試用之中。2011年中國金屬導體“以鋁節銅”進展的不完全統計見表1。

2 中國電線電纜大類產品的“以鋁節銅”現狀和前景

2.1 電力電纜

2011年電力電纜用銅約為150萬～160萬t，占行業銅導體總用量的31%以上。我國20世紀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用工作。20世紀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年中國金屬導體“以鋁節銅”進展的不完全統計(按電線電纜產品類別分)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，使用鋁芯力纜的關鍵點是接頭技術及其使用的可靠性。目前，國內外鋁芯力纜的連接有氬弧焊、冷壓焊、螺釘(栓)壓緊3種方法，且積累了一些經驗。

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

一度有的電纜廠，從經濟利益出發自訂企業標準推行銅包鋁(線)電力電纜。此種力纜目前既無國標，亦無行標，只有少數企業的企標產品，質量如何?答案是誰制造的，誰負責。歸根結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用，現在也在中國推廣應用;具有高導電率、受控抗拉強度和伸長率的鋁合金導線已在日本開發成功。

國外對鋁力纜的應用已涉及低壓、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數已達兩位，而國內目前最多在10%左右，因此我國鋁芯力纜的擴大應用尚留有相當的空間。

2.2 電氣裝備線纜

飛機上的裝備用線纜的“以鋁節銅”已取得實質性的應用，正在推廣之中，已走在我國的“以鋁節銅”發展的前列。

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的航空導線，或毛重為2.5 t的導體，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的航空導線，而一架小型直升機需用30 km的航空導線。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、數據傳輸電纜和特殊結構的光纖電纜。它們都分布在飛機的不同部位，從機體、發動機和發動機艙，通過復雜的控制設備——內部的通信系統連接。為了減輕重量、節約能源和節省空間，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，已開發成功了與之相配套的用于鋁線的激光預標志新方法[8]，并推廣應用于各種飛機。這種技術和裝備亦適用于汽車中對鋁線連接的預標志。

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域。2011年，繞組線用銅已達120萬t，隨著國產家電有50%出口美、歐、日等國，帶出了相當數量的銅線。一般電動機設計壽命為20年，不考慮用鋁線;變壓器行業是用銅大戶，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量占世界總量的20%以上，其中60%用于供應國際市場。曾用鋁漆包線生產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、新材料、新工藝的推動下，電子變壓器行業的“銅改鋁”將迎來新的春天。

2.4 通信電纜

通信領域的電纜市場“光進銅退”和“以鋁節銅”趨勢凸顯[2]。約用了15年的時間(1995—2010年)，通信領域用銅量由占行業總用銅量的9%，降到了目前的4.5%(20萬t)，并將繼續下降。“光進銅退”意味著光纖逐步向用戶端延伸，最終實現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。現在除核心網、城域網尚留有少量銅線纜外，接入網還有70%的銅線纜將被光纖代替(并且已開始進入個域網、片域網)。目前我國接入網用電纜有5億線對公里(年降2.2%)，而光纜只有0.5億纖芯公里。個域網線纜組件(電子消費類產品)是個大市場(現全部用銅)，2010年我國電子線纜市場為370.8億元(其中一半為汽車線束)，預計到2015年將達到750億元。移動網用的射頻銅電纜，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勢。事實上，從全球規模商業的情況看，鋁電纜已成為一種可顯著減少固定資產投資、可代替銅電纜的方案。

2.5 裸導線

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年中國金屬裸導體總用量的不完全統計(按導體材料類別分)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線[3，4];電工用鋁合金在架空導線和電力電纜上的用量還很低，更不能和國外兩位數的使用百分數相比。隨著電力事業的發展，這兩個領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;供方的質量不穩定，導致成品率低、價格高。產品質量不穩定直接與裝備、工藝、監控、管理落后有關，這是今后應該努力的方向。

2.5.2 復合雙金屬

復合雙金屬是另一類“以鋁節銅”的導體，我國2011年復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，在漆包線上應用也略有小增，但在電力類(強電)線纜上的應用看不到有多少突破。國外銅包鋁線的開發比我國早很多，設備也先進，但實際應用情況同樣也沒有突顯佳績，也多半在弱電上應用。銅包鋁線的質量優劣，從根本上取決于銅、鋁冶金結合的優劣。我國銅包鋁線生產的質量問題，主要在于包覆生產線和原材料鋁合金桿生產的落后，此外，后續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)，在使用中產生加速的電化腐蝕而斷線，致使線纜產品使用壽命大減。這種不求技術改進、只求低價競爭的局面必須盡快結束。

為了規范市場，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”的行業標準正在制訂之中。

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，其目的是在開關和絕緣母線槽中推廣應用，但沒有獲得突破性的應用。近些年來，我國對銅包鋁排的開發有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。銅包鋁排質量的優劣和產品成品率、成本、利潤和銅包鋁線一樣取決于銅、鋁的冶金結合。因此，這些方法在工藝、裝備的完善，生產效率、成材率和利潤率上尚有提升的空間。上述3種方法2011年的產量約0.3萬t。為了規范市場，有關“電工用銅包鋁母線”的行業標準已經制訂和上報完畢，待審批發布，主要技術指標如表5所示。

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

銅包鋁排的主要應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用，在國內由國外進口的絕緣鋁母線槽在大賓館中亦有應用，但目前反而不使用國產的絕緣鋁母線槽。

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經濟和環保效果的方法，如果銅包鋁大量應用，為了節材，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，特別是光纖復合架空地線和高強度大跨越導線的發展，鋁包鋼線的市場旺盛，前景看好。目前鋁包鋼生產線已有41條，2011年產量達11萬t，單機生產線年產量已達4000～4800 t，說明其生產操作已日趨成熟。

4)銅包鋼線。2011年全國總產量在3.0萬t左右，目前主要應用于弱電場合，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、線路避雷線等的改造和應用，在其領域也有它的應用前景。

5)鋼鋁復合導電軌。在軌道交通中用鋼鋁復合導電軌代替普通鋼軌對電力機車第三軌移動供電。導電軌由工字形導電鋁合金本體和槽形不銹鋼接觸帶復合而成。它的優點在于導電性好，可節省運行用電30%，不用額外沿線敷設饋電電纜，并可將牽引供電站的設置距離提高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高兩個數量級，故障率低，保養簡單，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用。近些年來，我國通過自主研究設計和試制已成功開發出了用該種鋁繞組線制造的線圈和電抗器。經驗證，該種鋁繞組線已達到了設計和試驗的要求。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。隨著我國輸電事業的發展，這種繞組線將展現出美好的前景。

3 城市礦產廢物資源——廢雜銅和電工用廢鋁的直接再生利用

電纜工業歷來使用99.95%和99.99%品位的電解精銅以及99.7E或99.7(經稀土優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“以鋁節銅”相應的重要方面，它們對節能、環保、城市礦產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重的全國性質量問題，加快淘汰落后國外20～30年的舊裝備、舊工藝乃是必經之路。任務艱巨，任重而道遠，但前途光明燦爛。優質再生銅桿可“名正言順”地進入電纜市場。

為了規范市場，“電工用火法精煉再生銅線坯”的有色金屬行業標準已經報批，并即將由中華人民共和國工業和信息化部發布。這種優質再生銅桿的主要技術指標如表6、表7所示。

表6 TH1、TH2、TH3牌號銅線坯的化學成分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網的改造[6]以及廢舊鋁芯電線電纜的替換，就會產生大量電工用廢鋁。生產再生鋁的能耗僅為原生鋁的5%，是一項獲得低污染資源、大幅節能的重要措施。符合質量要求的再生電工鋁桿與用原生鋁生產的電工鋁桿相比，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，應該保級利用才能收到較好的技術經濟效果。所謂保級指的是鋁的純度(99.7%鋁)和質量(達電工鋁桿的技術指標，符合可軋性、可拉性、可退火性和表面質量的要求)。為此，廢電工用鋁原料必須經預處理，再熔過程亦必須仔細處理。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。為了保證導電率，雜質元素必須要有針對性分別處理。導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 結語

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

2)“以鋁節銅”和“光進銅退”還會繼續推進。

3)全國應盡快建立廢舊銅、鋁的回收網絡，以解決或緩解銅、鋁再生工業的無米之炊。

[1] 中國電器工業協會電線電纜分會，上海電纜研究所.全國電線電纜產品質量提升工作會議[C] .上海:電纜行業通訊，2011.

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

[3] 佚名.2012年我國將進入大規模電網建設階段[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[J] .中國線纜，2012(3):19.

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

[6] 黃崇祺.中國線纜工業銅導體加工的發展、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.