新型铜包铝项目立项建设可行报告.doc

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1、新型铜包铝双金属复合线材可行性研究报告丹阳利华电子有限公司一、立项依据1、本项目国内外领域科技创新发展概况和最新发展趋势铜包铝复合线材最早由德国于上世纪30 年代推出, 随后英国、美国、法国、前苏联等国也相继采用各种不同方法生产铜包铝线。由于“集肤效应”, 高频电流主要集中在导体的表面层传输, 而且铝本身也具有良好的导电性能, 因而采用铜包铝复合材料代替纯铜或紫铜可以保证电缆的传输效率。铝的价格低于铜, 其密度不足铜的三分之一，因而可以大幅度减轻线材单位长度的重量, 有利于电缆的安装与施工。国外工业发达国家，自上世纪六、七十年代开始广泛使用铜包铝、铜包钢等双金属复合线材。美国、日本等国已形成规

2、模巨大的产业，各自拥有具有一定特色的专利技术。例如： 美国科普维公司应用自有专利技术生产铜包铝线，在 1997 年以前该公司的铜包铝线占据了国内主要市场；又如，日本藤仓电线株式会社，七十年代就研制开发复合线材，该公司生产的直径很小的铜包铝电磁线，至今还占领着国内电子行业的市场。 由于铜包铝复合材料线的良好综合性能，其制备工艺研究受到较为广泛的关注。较早应用于工业生产的方法是铝线镀铜法。这种方法较为简便, 但镀层的成分不纯、脆性大,并且镀铜层与铝芯线往往不同心, 难以满足同轴电缆的使用要求, 目前此方法已经淘汰。其次为轧制压接法，将经过清洗并加热的两条铜带从上下两个方向包覆铝芯线, 利用轧辊施加

3、的压力将铜带与铝芯线压接在一起, 然后将铜带接缝的两个凸耳切除形成线坯。将线坯进行拉拔获得所需直径的线材, 再通过热处理赋予线材所需性能。这种方法具有产品质量好、生产效率高及环保问题少等优点, 但工艺比较复杂, 涉及的工序比较多, 轧压设备投资较大, 因而生产成本较高。国外大多采用纵包轧制法。直到上世纪九十年代末，我国以“包覆焊接拉制法”专利技术为代表的铜包铝线加工工艺方法问世后，才使得我国双金属复合线材具有了批量生产投放市场的能力。进入本世纪后，铜包铝新材料产业通过持续的技术研发，进入了规模化生产阶段，成功地实现了“替代铜线”、“替代进口”两方面跨越。但是对生产工艺要求高，产品质量的稳定性和

4、一致性较差。此外还有填芯连铸复合法、反向凝固法和静液挤压法等都还处于实验室研发阶段。目前，铜包铝线的制备工艺基本上均采用固相结合法, 即通过塑性变形使两金属结合面接近到原子间距离, 形成大量的结合点, 经过扩散热处理, 最终形成界面的牢固结合。铜包铝线成形的核心要求是保证金属间可靠的结合, 以上各种工艺方法存在的问题在于: 对坯料的清洁度要求很高, 由线坯到成品总加工率较低且需要多次退火, 由于铜和铝之间较大的力学性能的差异, 很容易导致小加工率拉拔加工过程中产生界面局部开裂、包覆层与芯材的断裂等缺陷, 造成成品率和电导率降低。因此需要开发高效的铜包铝线材的制备工艺。“十一五”期间，依据国家中

5、长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）、国家“十一五”科学技术发展规划和863计划“十一五”发展纲要的要求，新材料技术领域围绕资源、能源、制造业、信息、环境、人口与健康等国民经济和社会发展的关键技术领域对新材料的重大需求，提出了“突出自主创新，坚持发展高技术与提升传统材料产业并重；坚持降低能耗、减少排放，又好又快的发展新材料产业；坚持实现材料工业可持续发展”三个基本原则，以加强新材料前沿技术、工程化技术与应用技术开发，建立和完善我国材料科技创新体系，为我国材料科技和产业的长远发展奠定坚实基础。根据国家新材料发展要求以及铜包铝复合材料存在的问题，本公司通过持续研发，提出高性能铜包稀土改

6、性铝合金复合导线短流程、高效制备加工技术，将为我国的新材料科技创新与工程应用做出贡献。2、本项目研究的目的、意义（突出说明对科技、经济和社会发展的作用）由于全球经济一体化的深入，信息技术、电子技术的飞速发展和市场的旺盛需求，世界尤其是中国以铜为主的导体材料需求原来越大。与此同时，由于铜资源的日益枯竭和国内铜价的持续高位攀升，各生产厂家和用户都在积极寻找可降低成本的新型导体材料，铜包铝导体材料由于其重要的价位优势、重量优势、导电性能，逐渐成为替代铜线的新宠，可以说，铜包铝材的兴盛刚刚开始，面临着巨大的市场需求。铜是目前可以大批量生产供应的最好导体材料，铜包铝兼具了铜的优良性能，其原材料来源广泛、

7、更廉价、更环保，如果配以不同性能的铝合金芯线，可以生产出诸如高强度铜包铝线以及其它的铜包覆产品。本项目针对我国电力、冶金、石化、建筑等领域对电缆、电线、导电排、汇流排以及各种电磁线用量的巨大需求，提出高性能铜包稀土改性铝合金复合线材短流程、高效制备加工技术，使铜包稀土改性铝合金复合导体的界面结合强度为纯铝强度的80%以上，导电扁排横截面上铜层面积比例为15-25，每1km铜包铝母排的综合成本比纯铜母排降低40以上。该产品金属界面结合强度（冶金结合）、导电性能（电阻率）、机械性能（抗拉强度）等综合技术指标均可达到国家863计划新材料技术领域技术指标要求。同时由于铜包铝复合导体的密度均值仅为3.4

8、5g/3，是纯铜导线的38.8%。在线径规格与重量相同的条件下，该产品与纯铜线的长度比为2.5：1，即生产1吨铜包稀土铝合金复合导体材料可节约1.58吨纯铜，可大幅度降低下游产业产品制造成本，这对每年需进口大量铜的我国而言更具有重大经济效益和社会效益。3、本项目研究国内外竞争情况及产业化前景国外工业发达国家，自上世纪六、七十年代开始广泛使用包覆法生产铜包铝、铜包钢等双金属复合线材。美国、日本等国已形成规模巨大的产业，各自拥有具有一定特色的专利技术。例如： 美国科普维公司应用自有专利技术生产铜包铝线，在 1997 年以前该公司的铜包铝线占据了国内主要市场；又如，日本藤仓电线株式会社，七十年代就研

9、制开发复合线材，该公司生产的直径很小的铜包铝电磁线，至今还占领着国内电子行业的市场。 为了节约铜资源及降低线材生产成本，我国在上世纪60年代末曾尝试以纯铝线代替纯铜线，但是由于铝的物理特性造成电能损耗大、信号衰减幅度大等弊端，不久就恢复到纯铜时代。自70年代我国开始研制双金属复合线的生产设备与工艺。较为普遍的为套管拉拔法，由于其设备与工艺的局限性，产品的性能质量较差，不能连续生产。直到九十年代末，采用“包覆焊接拉制法”专利技术为代表的铜包铝线加工工艺，才使得我国双金属复合线材具有了批量投放市场的能力。铜包铝新材料产业通过持续的技术研发，进入了规模化生产阶段，成功地实现了“替代铜线”、“替代进口

10、”两方面跨越。铜包铝、铜包钢等双金属复合技术在国内已有近十年的历史，该项技术固定资产投资小、收益大，生产厂家众多，但真正具有技术研发实力的厂家很少，掌握核心技术、拥有自主知识产权的厂家更少。项目承担单位将充分发挥自身技术优势，加大新产品研发投入，尽快建成新产品中试生产线。在此基础上形成规模化生产，不断开发培育产品市场，进一步提高公司市场竞争能力，形成稳定的、有竞争力的用户群。根据市场调研，对本项目构成直接竞争的国内企业是大连傅氏集团，该企业在美国纳斯达克上市，技术和资金实力雄厚、产品系列完整，已实现规模化生产；2010年底即同沈阳变压器研究所合作研发采用铜包铝扁线绕组的新型变压器，但由于铜包铝

11、扁线抗拉强度低，耐冲击试验一直不过关，沈阳变压器研究所，希望我公司能够尽快提供“铜包稀土铝合金复合扁导体材料”样品，以期在关键技术指标上有所突破。2010年中国电工用铜、铝导体的用量分别已达354万吨和107万吨，涉及节铜的电线电缆用导体包括电工铝线、铝合金线、铜包铝线、铜包钢线、细铝线和铜包铝排。2007年中国铜包铝线使用总量约5万吨，其中主要用于通信线缆。而其他电线电缆的用铝量约只占铝导体总量的20%，特别是以铝电力电缆代铜电力电缆的数量并不多，后续具有较快的取代应用趋势。在中国的电缆及输变电领域工业中“以铝节铜”已是大势所趋。因此，本项目建成投产后有充分的市场保证。铜包稀土铝合金复合导体

12、材料用途非常广泛，可应用于电力、电工、电器设备制造领域。其最大优势：一是可大幅度降低设备制造成本；二是可为国家节约贵金属资源；三是产品的性能和功能大幅度提高，可谓价廉物美。因此，该产品的产业化前景十分广阔。今后，本公司将拥有自主知识产权的先进工艺技术和制造设备，将利用达到国际水准的“干法包覆拉制法”生产“铜包稀土改性铝合金复合导体材料”，达到母线生产线15条、小线生产线15条、年产各种类型导线1万吨以上。 二、研究内容1、具体研究开发内容和要重点解决的关键技术问题；1.1 本项目具体研究开发内容：(1) 稀土改性铝合金成分设计。包括铝合金成分设计、合金元素筛选、稀土元素种类选择及添加量等；（2

13、）稀土合金（二次合金）融炼实验室试制。包括融炼工艺、稀土成份、温度控制、合金粒度级配等；(3) 稀土改性铝合金融炼实验室试制。包括融炼工艺、温度控制、检测分析、组织与性能；(4) 稀土改性铝合金工业化（中试）融炼，包括熔炼炉型选择、配料制度、检测控制、组织性能检验；（5）铜包稀土改性铝合金复合导线工业化制造（中试），包括铜带干法包覆、拉制成形工艺以及工业化关键技术参数。1.2 需重点解决的关键技术问题是：（1）稀土改性铝合金中稀土元素筛选、添加量及配比。稀土是铝、镁、锌、铜等有色金属良好的净化剂、细化剂和合金剂，具有“工业味精”之称，一般只需加入千分之几，就能起到消除有害杂质的影响，细化晶粒并

14、产生合金化的作用，从而提高材料的加工和使用性能。所述稀土选自混合稀土、重稀土、轻稀土或单个稀土元素。混合稀土是目前市场上销售的任何混合稀土元素，即稀土元素混合物。重稀土是原子序数64-71与39元素金属，其中包括钆(Gd)、锝(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)、钇(Y)重稀土元素，又称钇组稀土元素。轻稀土是指原子序数57-63元素金属，其中包括镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)元素，又称铈组稀土元素。所述的单个稀土是指上述所有稀土元素中的单一稀土元素。项目承担单位现生产的稀土铝镁合金芯线重量配比：铝9

15、7.6%，稀土0.5-1.2%，镁1.2-1.8%，余量为杂质。本项目需去除降低镁，增加铝，调整稀土含量。（2）铜包稀土改性铝合金复合导线工业化制造的干法包覆铜带、拉制工艺。拉制工艺包括两部分：一是指对应工业化制造（中试）产品规格，干法包覆铜带半成品的拉伸工艺制度，包括拉伸比（拉伸道次）设计、拉伸模具孔型设计、拉伸机拉力和速度设计、拉伸工装/工器具设计等；二是指对应工业化制造（中试）产品规格，不同拉伸半成品的成品检测工艺制度，可参照项目承担单位当前的铜包稀土铝镁合金导线成品检测工艺。项目承担单位现生产的铜包稀土铝镁合金复合扁导线关键工序包覆母线合格率达到98%，因此铜包稀土铝合金复合扁导线工业

16、化制造时干法包覆铜带工艺是本项目依托的关键技术。2、项目的特色和创新之处2.1 本项目的特色：在于铜包稀土改性铝合金复合线的导电性能接近于纯铜导线且机械性能（抗拉强度）优于纯铜导线，可满足电力、电工设备制造领域对新型复合金属导线的技术要求。2.2 创新之处：产生新材料-研制出一种新型的稀土改性铝合金芯线材料，通过铜带包覆形成一种新型的双金属复合导体材料。本项目产品系发明专利产品，国内外尚属空白。发明专利名称“一种铜包稀土铝合金导线及其生产方法与用途”已被中华人民共和国知识产权局正式受理。形成新工艺-稀土改性铝合金的熔炼、退火连轧、干法包覆、拉制加工形成双金属复合导体制备新工艺。3、要达到的主要

17、技术、经济指标及社会、经济效益（1）本项目产品要达到的主要技术指标本项目产品与纯铜、铜包铝同类产品主要性能对比 表1标准产品名称电阻(20).mm 2/M延伸率(%)软态 硬态抗拉强度(MPa)软态最大值 硬态最小值密度(g /3)GB纯铜0.017240.0179610 1.5 250 3308.89SJ铜包铝0.026760.027438 1 172 2053.323.62企标铜包稀土铝0.022360.0258910 1.5270 . 3553.123.52由表1数据可以看出：铜包稀土铝合金复合扁导线电阻率低于铜包铝导线，高于纯铜导线；铜包稀土铝合金复合扁导线的软态与硬态延伸率与纯铜导线

18、相当，且都高于铜包铝导线； 铜包稀土铝合金复合扁导线抗拉强度软态最大值与硬态最小值都明显高于铜包铝导线与纯铜导线；铜包稀土铝合金复合扁导线的密度（比重）明显优于纯铜导线、同时优于铜包铝导线；由此可见，铜铜包稀土铝合金复合扁导线不仅具有良好的导电性，还具有非常好的机械性能，更具有良好的经济使用性能。 （2）本项目经济、社会效益指标经济效益指标新增销售收入10001500万元、利税250275万元；在中试基础上可进入产业化、规模化生产，计划生产规模5000T/年，实现销售收入1.72.5亿元、利税34005000万元。社会效益指标近期新增15个工作岗位，实现产业化、规模化生产后可安排300人就业；

19、不仅如此，本项目对于促进常州市输变电产业技术进步、产业升级将起到积极推动和引导作用；同时每年还将为国家节约大量铜金属资源。4、应用前景与市场需求本项目产品系纯铜扁线（排）换代产品，属新材料范畴，理论上凡是使用纯铜扁线（排）的企业均构成公司新产品的潜在市场；而纯铜扁线（排）的使用领域极其广泛，几乎涵盖了电力、电工设备制造领域的所有产业。(1) 中、低压输变电设备制造：变压器（包括葙式变压器）、互感器、电气开关柜、电缆、母线槽、引线排、汇流排、软连接等；其中：扁线主要用于线圈绕组，排主要用于电源连接、配电等。(2) 中、小型电力设备制造：各类发电机组；其中：扁线主要用于线圈绕组。(3) 电工设备制

20、造：电动机、电焊机、工频加热炉、变频器、蓄电池等；扁线主要用于线圈绕组，排主要用于电源连接。根据初步市场调查，一家中型变压器制造企业每年消耗的铜扁（排）材料即在500吨以上，可以预见本项目产品市场容量巨大。三、研究试验方法及技术路线（工艺路线）1、研究试验方法（1）稀土改性铝合金芯线技术指标检测利用项目承担单位现有生产设备试制以稀土改性铝合金为芯线的产品，通过检测验证不同工艺配方稀土铝合金芯线的技术指标（电阻率、抗拉强度、延伸率、密度）。（2）试制稀土改性铝合金复合导线利用现有干法包覆设备制作12铜包稀土改性铝合金母线。 利用现有真空退火炉对母线进行退火处理。 购置小型连轧机组对母线进行连续轧

21、制，使母线铜层与芯线达到冶金，同时满足扁线拉伸成型工艺和规格要求。(3) 利用现有拉线机组、无损探伤等设备对复合线半成品完成拉伸定型、表面光亮、成品检验、排线收卷工序流程。2、工艺流程稀土铝合金芯线配方试制稀土铝合金芯线拉伸/精整校 验干法包覆校 验外购铜带校 验拉伸定型校 验连轧成型校 验真空退火入 库包 装排线收卷成品检验表面光亮3、中试产品规格(1) 设计依据：A 项目承担单位现有干法包覆机母线最大规格12；B 项目承担单位现有产品达到冶金结合母线塑性变形率40%。(2) 中试产品规格设计中试产品规格设计表表2 表2 单位：mm序号产品单元(厚度)轧制规格(厚宽)产品规格(厚宽)11mm

22、1.5181315171911111311522 mm2.5162325272921121333 mm3.51234363831031044 mm4.59464855 mm5.5757四、本项目实施可能对环境的影响及预防治理方案本项目为冷加工工艺，产品生产过程中无“三废”产生，没有环境污染。五、项目研究预期成果及效益（重点是能提交的具有自主知识产权的创新性成果、高新技术产品、新样机、新设备、新品种，以及成果初步转化产生效果等）1 、预期科研成果（1）建成年产300吨铜包稀土铝合金复合扁导线中试生产线，完成国家863计划新材料技术领域技术和经济指标（小规格扁导线）。（2）产品应用于500KVA小

23、型低压变压器（包括葙式变压器）、20KW以下小型电动机、500KW以下普通电焊机等电力、电工设备的工业性试验。（3）建立以产品技术标准、产品质量标准、产品生产设备操作规程为主要内容的企业标准。（4）铜包稀土改性铝合金复合导线技术专利12项。（5）形成高新产品35个。2 、预期经济效益新增销售收入10001500万元、实现利税250275万元。六、项目主要考核指标项目完成后主要考核指标：1 产品技术指标： 见表1；2 产品规格指标： 见表2，试制规格50%；3 项目经济指标： 新增销售收入10001500万元、实现利税250275万元。4 形成新的自主知识产权，申报1-2个专利；5 建立新产品的技术标准