книги / Технология производства проводов
..pdfМинистерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Т.В. Костыгова
ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ПРОВОДОВ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2018
УДК 621.315.3+679.7.02] (075.8) К72
Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. А.Г. Щербинин (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);
канд. техн. наук, ген. директор ООО «ЭТК “Энергокомплекс”»
В.Г. Савченко
Костыгова, Т.В.
К72 Технология производства проводов: учеб. пособие / Т.В. Костыгова. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2018. – 156 с.
ISBN 978-5-398-02054-0
Рассмотрены особенности производства проволоки. Изложена теория производства эмалированных проводов и технология изготовления обмоточных проводов с другими видами изоляции.
Для студентов направления 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», профиль «Конструирование и технологии в электротехнике» очной и заочной форм обучения.
УДК 621.315.3+679.7.02] (075.8)
ISBN 978-5-398-02054-0 |
© ПНИПУ, 2018 |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................ |
5 |
1. ПРОИЗВОДСТВО ПРОВОЛОКИ .................................................... |
8 |
1.1. Металлы, обрабатываемые в кабельной промышленности ............. |
8 |
1.2. Изготовление медной и алюминиевой катанки .............................. |
18 |
1.3. Нагрев металла перед прокаткой ...................................................... |
22 |
1.4. Технология прокатки ......................................................................... |
25 |
1.4.1. Калибровка валков .................................................................... |
25 |
1.4.2. Рабочие клети прокатных станов ............................................ |
26 |
1.4.3. Прокатные станы ...................................................................... |
27 |
1.5. Метод непрерывного литья и прокатки ........................................... |
30 |
1.6. Метод «дип-форминг» ....................................................................... |
32 |
1.7. Травление катанки ............................................................................. |
34 |
1.8. Скальпирование медной катанки ..................................................... |
38 |
1.9. Волочение проволоки ........................................................................ |
41 |
1.10. Оборудование для волочения проволоки ...................................... |
44 |
1.11. Волочильный инструмент ............................................................... |
51 |
1.12. Отжиг медной и алюминиевой проволоки .................................... |
53 |
1.13. Качество продукции и виды брака ................................................. |
56 |
2. ОБМОТОЧНЫЕ ПРОВОДА ............................................................ |
58 |
2.1. Классификация обмоточных проводов ............................................ |
58 |
2.2. Проводниковые материалы, применяемые |
|
в производстве обмоточных проводов .................................................... |
59 |
3. ПРОИЗВОДСТВО ЭМАЛИРОВАННЫХ ПРОВОДОВ .............. |
62 |
3.1. Лаки для эмалирования проволоки .................................................. |
62 |
3.2. Основные виды и свойства растворителей для эмаль-лаков.......... |
65 |
3.3. Способы наложения эмалевой изоляции ......................................... |
69 |
3.4. Удаление растворителя из эмаль-лака ............................................. |
72 |
3.4.1. Расчет концентрации растворителя для случая, |
|
когда скорость процесса определяется диффузией |
|
растворителя внутри пленки (Bi > 1) ................................................ |
74 |
3.4.2. Расчет концентрации растворителя для случая, |
|
когда скорость процесса определяется внешним |
|
массообменом (Bi < 1) ........................................................................ |
77 |
3.4.3. Условия образования газообразных включений |
|
на стадии удаления растворителя .................................................... |
81 |
3
3.5. Расчет процесса пленкообразования изоляции |
|
эмалированных проводов ........................................................................ |
82 |
3.6. Условия возникновения газообразных включений |
|
на стадии пленкообразования ................................................................. |
86 |
3.7. Расчет температуры эмалируемой проволоки ................................ |
90 |
3.8. Агрегаты для эмалирования проволоки ........................................... |
94 |
3.8.1. Агрегаты для эмалирования проволоки |
|
диаметром 0,015–0,05 мм ................................................................ |
100 |
3.8.2. Агрегаты для эмалирования проволоки |
|
диаметром 0,05–0,45 мм .................................................................. |
103 |
3.8.3. Агрегаты для эмалирования проволоки |
|
диаметром 0,4–2,5 мм ...................................................................... |
106 |
3.8.4. Устройство катализаторов .................................................... |
107 |
3.9. Особенности эмалирования проводов из расплава смол ............ |
109 |
4. ПРОИЗВОДСТВО ОБМОТОЧНЫХ ПРОВОДОВ ..................... |
112 |
4.1. Электроизоляционные материалы для обмоточных проводов .... |
112 |
4.1.1. Кабельная и телефонная бумага............................................. |
112 |
4.1.2. Природные волокнистые материалы..................................... |
113 |
4.1.3. Стеклянные волокна................................................................ |
115 |
4.1.4. Синтетические волокна и пленки........................................... |
116 |
4.1.5. Лаки и составы для подклейки, пропитки |
|
и поверхностного покрытия стекловолокнистой изоляции ......... |
119 |
4.2. Обмоточные провода с волокнистой, бумажной |
|
и пленочной изоляцией .......................................................................... |
121 |
4.2.1. Обмоточные машины для наложения изоляции |
|
из натуральных и синтетических волокон ...................................... |
125 |
4.2.2. Обмоточные машины для наложения бумажной |
|
и пленочной изоляции ...................................................................... |
130 |
4.2.3. Обмоточные машины для наложения |
|
стекловолокнистой изоляции .......................................................... |
134 |
4.3. Подразделенные и транспонированные обмоточные провода .... |
139 |
4.4. Обмоточные провода со спекаемой пленочной изоляцией ......... |
142 |
4.5. Обмоточные провода с пластмассовой изоляцией ....................... |
145 |
4.6. Обмоточные провода со сплошной стеклянной изоляцией |
|
и оборудование для их производства .................................................... |
148 |
4.7. Обмоточные провода с гибкой неорганической изоляцией ........ |
149 |
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ................................................................... |
153 |
4
ВВЕДЕНИЕ
Кабельная продукция используется во многих отраслях промышленности: в электроэнергетике, машиностроении, строительстве, сельском хозяйстве и на транспорте.
Характер использования этой продукции определяет номенклатуру кабельных изделий, которая очень обширна и включает в себя более 20 000 изделий.
Технологию изготовления кабельного изделия можно условно разделить на три основных процесса:
–получение токопроводящей жилы (ТПЖ);
–изготовление изоляции;
–изготовление собственно изделия (наложение изоляционных и различных защитных покрытий).
Производственный цикл современных кабельных заводов начинается с металлообрабатывающих цехов: прокатного и волочильного.
Основными исходными материалами кабельной промышленности являются металлические слитки (медь, алюминий, свинец, сплавы) или катанка, изоляционные материалы (лаки, бумага, пластмасса, каучук и др.) и защитные материалы (битум, мел, стальная лента и др.).
Слитки поступают в прокатный цех, нагреваются в специальных печах до необходимой температуры и прокатываются за несколько проходов на прокатном стане. Продукция прокатного цеха – медная или алюминиевая катанка, подкат или заготовка для шин и коллекторной меди – передается в волочильный цех.
В волочильных цехах из катанки получают проволоку. Часть продукции волочильных цехов является готовой кабельной продукцией: троллейбусные провода, шины, коллекторная медь. Остальная проволока передается в цеха, где производятся наложение изоляции, скрутка и наложение защитных покрытий
5
[2]. Расширение производства электрических машин, аппаратов и приборов требует увеличения выпуска обмоточных проводов. Особое место занимает производство эмалированных проводов, в основном нагревостойких.
Одним из важных направлений в этой области является развитие производства тончайших проводов, что связано с микроминиатюризацией радиотехнической и электронной аппаратуры.
В производстве эмалированных проводов главной проблемой стала необходимость резко уменьшить вредное влияние на окружающую среду с одновременным улучшением условий труда в эмаль-цехах кабельных заводов. Основным направлением работы в этой обрасти является усовершенствование каталитических устройств для сжигания отходящих газов, обеспечивающих необходимую чистоту газов, выбрасываемых в окружающую атмосферу. Важным моментом является также переход на использование эмаль-лаков с менее токсичными растворителями и внедрение технологии эмалирования из расплава смолы без применения растворителей.
Несмотрянато, чтовбудущемэмалированныепроводадолжныпостепенно заменить обмоточные провода с волокнистой изоляцией, работы по усовершенствованию проводов с волокнистой изоляциейведутся весьмаактивно. Однойизважнейшихзадачявляетсяснижениетолщины изоляции за счет изменения метрического номера применяемых синтетических и стеклянных волокон. Для проводовсбумажнойизоляцией главным вопросом всегда является вопрос качества медного или алюминиевого проводника, так как при эксплуатациимасляных трансформаторов, в которых эти провода применяются, дефекты проволоки могут вызывать концентрацию напряженности электрического поля и в результатепроисходятпробойизоляцииимежвитковоезамыкание.
Обмоточныепроводаспленочнойизоляциейиспользуются в тяговых электрических машинах, высоковольтных двигателях, электродвигателях погружных насосов нефтедобычи. Высокая нагревостойкость и электрическая прочность обусловливают их
6
высокую надежность в эксплуатации. В ряде случаев пленочная изоляцияможетбыть герметизированапутемспеканияпринагреве. Обмоточные провода с пластмассовой изоляцией применяются для намотки погружных электродвигателей насосов водопонижения.
Потребителям обмоточных проводов необходимо знать параметры и свойства обмоточных проводов в целях их правильного и наиболее эффективного использования в изделиях. Однимизважнейшихпараметров обмоточных проводов является температурный индекс.
Современное производство обмоточных проводов требует отспециалистов кабельных заводов достаточно глубоких знаний в области оборудования и технологии, методов испытаний, применяемых проводниковых и электроизоляционных материалов.
7
1.ПРОИЗВОДСТВО ПРОВОЛОКИ
1.1.МЕТАЛЛЫ, ОБРАБАТЫВАЕМЫЕ В КАБЕЛЬНОЙ
ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Металлы подразделяются на черные и цветные. К первым относятся железо и его сплавы с углеродом – сталь, чугун. Все остальные металлы – медь, олово, свинец, алюминий и другие – цветные.
Свойства некоторых цветных металлов, применяемых в кабельной промышленности, приведены в табл. 1.1.
Таблица 1 . 1
Свойства цветных металлов
Свойства |
Медь |
Алюминий |
Константан |
Манганин |
Плотность, г/см3 |
8,9 |
2,7 |
8,9 |
8,4 |
Пределпрочностиприрас- |
|
|
|
|
тяжениив мягкомсостоя- |
22–24 |
8,0 |
40–50 |
50–55 |
нии, кгс/мм2 |
|
|
|
|
Удельноеэлектрическое |
|
|
|
|
сопротивлениепри20 °С, |
0,017 |
0,028 |
0,48 |
0,43 |
Ом·мм2/м |
|
|
|
|
Температураплавления, °С |
1083 |
658,7 |
1260 |
1010 |
Основной проводниковый материал – медь. По электропроводности она превосходит все другие металлы (за исключением серебра), что позволяет обеспечивать минимальные габариты обмоток электрических машин, аппаратов и приборов.
Чистота применяемой меди имеет большое значение. Различные примеси даже в ничтожных количествах резко снижают проводимость меди и ухудшают ее технологические свойства.
8
Кислород находится в меди в виде закиси Cu2O, которая снижает пластичность меди, создает хрупкость при перегибах
иповышает предел прочности. Медь, содержащая больше 0,1 % кислорода, легко разрушается при горячей прокатке, плохо поддается пайке. При нагреве в восстановительной атмосфере медь, содержащая кислород, становится красноломкой, т.е. хрупкой,
ирастрескивается. Объясняется это «водородной болезнью» меди. При высокой температуре (800–970 °С) водород, окись углерода и метан, которые входят в атмосферу печи, восстанавливают закись меди. Происходят реакции, при которых образуются водяные пары и углекислота:
Cu2O + H2 = 2Cu + H2O,
Cu2О + CO = 2Cu + CO2.
Эти газы выходят на поверхность слитка и образуют микроскопические трещины в поверхностном слое металла. Через трещины восстановительные газы постепенно проникают в более глубокие слои слитка. Это в конечном итоге может привести к разрушению слитков.
Одной из вреднейших примесей в меди является висмут. Он вызывает красноломкость и хладноломкость. Для горячей прокатки допускается медь с содержанием висмута не более 0,005 %. При содержании висмута0,25 % медь крошитсяв порошок.
Фосфор присутствует в меди как остаток фосфористого раскислителя. Он обладает значительным химическим сродством к кислороду и поэтому добавляется в медь только в качестве специальной присадки для раскисления. При присадке фосфора к меди в количестве, большем, чем необходимо для связывания кислорода, избыток фосфора образует твердый раствор с медью, что снижает ее проводимость.
Свинец также является вредной примесью. Он вызывает разрушение меди при горячей обработке, его содержание не должно превышать 0,005 %.
9
Железо понижает электропроводимость меди, его содержание в меди должно быть не более 0,005 %. При содержании в меди 0,05 % железа проводимость ее уменьшается на 15 %. Под влиянием железа измельчается структура, задерживается рекристаллизация, повышается прочность и ухудшаются антикоррозийные свойства меди.
Резко снижает пластичность меди при горячей и холодной прокатке сера. В меди, идущей для кабельной продукции, серы содержится не более 0,002 %.
Примеси оказывают неблагоприятное влияние на механические и электрические свойства меди, поэтому медь с содержанием примесей более 0,1 % в кабельном производстве вообще не применяется.
Лучшими параметрами с точки зрения применения в производстве обмоточных, в первую очередь эмалированных, проводов обладает бескислородная медь. Она превосходит обычную медь по пластичности и обеспечивает получение проволоки
случшим качеством поверхности.
Всоответствии с ГОСТ 859–78 медь по химическому составу разделяется на несколько марок. В кабельной промышленности используется только медь повышенной чистоты марок не ниже М1, М00к, М0к, М0ку, М00б, М0б, М1к, М1б, М1у.
Не применяется медь марки М1ф с повышенным содержанием фосфора (0,012–0,06 %), а также М1р (раскисленная фосфором и содержащая его в количестве 0,002–0,012 %).
Индексы при марках имеют следующие значения: к, ку – катодная медь; б – бескислородная медь; у – катодная переплавленная; р, ф – раскисленная.
Цифры 00, 0 и 1 определяют содержание меди. Наибольшее содержание меди (99,9–99,99 %) имеют марки М00к, М00б.
На кабельные заводы медь поступает в слитках (вайербарсах) трапецеидальной формы со скошенными концами, а бескислородная – в слитках прямоугольной формы с закруглениями на углах. Формы медных слитков показаны на рис. 1.1.
10