книги / Технология производства проводов.-1

круглая алюминиевая проволока диаметром 0,08-2,5 мм, с другими видами изоляции - диаметром 1,35-8,0 мм, а также проволока прямоугольного се­ чения 7,5-125 мм2

Для производства обмоточных проводов широко используются также сплавы высокого сопротивления - манганин, константан, нихром. Провода из таких сплавов применяются для изготовления электрических измери­ тельных приборов, электрических нагревательных приборов, образцовых сопротивлений, реостатов.

Кабельные заводы не производят прокатку и грубое волочение спла­ вов сопротивления. Обычно они получают заготовку из манганина и константана в виде проволоки диаметром 0,8-2,4 мм, а затем подвергают ее волочению до требуемого размера и отжигу. Нихромовая проволока по­ ступает на заводы в готовом виде.

Проводники для обмоточных проводов высокой нагревостойкости должны обладать хорошей электропроводностью, стойкостью при повы­ шенных температурах к окислению на воздухе, и их сопротивление долж­ но минимально увеличиться в процессе эксплуатации. Проводниковые ма­ териалы не должны оказывать каталитическое воздействие на изоляцию или диффундировать в нее, так как это вызывает тепловое старение изоля­ ции, особенно при температурах больше 600 °С. Основными процессами, протекающими при повышенной температуре, являются окисление и диф­ фузия. Медь при температуре выше 225 °С начинает интенсивно окислять­ ся на воздухе. Это вызывает резкое увеличение электрического сопротив­ ления меди, что приводит к снижению эластичности и к отслаиванию изо­ ляционного покрытия. Для устранения этого недостатка медь защищают от окисления покрытием из другого металла (например никеля), который на­ носят как методом плакирования, так и гальванически. Получают биметал­ лическую проволоку. Такая проволока может работать длительно при тем­ пературе 400 °С и в течение ограниченного времени при 650 °С. Выпуска­ ется проволока диаметром 0,1-2,5 мм. При температуре *400 °С начинает проявляться взаимная диффузия металлов, что приводит к росту электри­ ческого сопротивления.

Лучшей коррозионной стойкостью при высоких температурах облада­ ет проволока с двойным покрытием (хром-никель, железо-никель), т.е. триметаллический проводник.

Основными материалами биметаллических проводников для обмо­ точных проводов, работающих на воздухе при температуре 600-700 °С, являются серебро-никель и медь-нержавеющая сталь, триметаллических проводников - медь-железо-никель, медь-железо-инконель. Инконель - сплав, содержащий 79,92 % никеля, 15,5 % меди, 7,5 % железа и 0,08 % уг­ лерода.

Особый интерес представляют проводниковые материалы, которые могут работать при температуре 1000 °С и выше.

Золото без дополнительных покрытий может применяться для работы при температуре 1000°С, однако золотой проводник примерно в 30 раз до­ роже медного с плакированной нержавеющей сталью.

Платина (температура плавления 1773 °С) - наиболее подходящий ма­ териал для использования в диапазоне особо высоких температур.

Для сверхвысоких температур (до 1400 °С) в будущем могут найти применение в качестве проводниковых материалов некоторые соединения типа боридов, нитридов и т.п.

3. ПРОИЗВОДСТВО ЭМАЛИРОВАННЫХ ПРОВОДОВ

Эмалированные провода являются прогрессивной группой обмоточ­ ных проводов, так как имеют более тонкую изоляцию, что позволяет уве­ личить коэффициент использования паза в электрических машинах и аппа­ ратах, повысить их мощность. Производство эмалированных проводов ме­ нее трудоемко по сравнению с производством проводов, на проволоку ко­ торых изоляция накладывается методом обмотки.

Но синтетические лаки для эмалирования довольно дорогостоящие. Кроме того, возникают проблемы, связанные с необходимостью охраны окружающей среды, так как растворители в лаках токсичны.

3.1. Лаки для эмалирования проволоки

Лаки представляют собой растворы высокомолекулярных или низко­ молекулярных пленкообразующих соединений в органических летучих жидкостях. При нагревании эмаль-лака в эмаль-печи молекулярная масса пленкообразующих соединений еще более увеличивается, а растворитель испаряется, в результате чего на проволоке образуется твердая эмалевая пленка. В зависимости от растворимости Даковой основы растворы плен­ кообразующих компонентов в том или ином растворителе имеют различ­ ную концентрацию. Для разбавления готовых эмаль-лаков используются также летучие жидкости - разбавители. Они также испаряются при тепло­ вой обработке лака.

К пленкообразующим компонентам относятся природные и синтети­ ческие смолы, битумы, высыхающие масл^. Согласно ГОСТ 9825-73 лаки маркируются буквенно-цифровым обозначением. Буквы означают природу основного компонента лака, первая цифра соответствует назначению, а по­ следующие - порядковому номеру в группе лаков. Например, в маркиров­ ке лака ПЭ-939 ПЭ - полиэфирный, 9 - электроизоляционный, 39 - поряд­ ковый номер в группе полиэфирных лаков.

Электроизоляционные лаки классифицируются по назначению, режи­ му сушки и химическому составу.

По назначению лаки разделяются на три основных группы: пропиточ­ ные, покровные и клеящиеся. Эта классификация условна и не исключает применения одного и того же лака по различным назначениям.

По режиму сушки все электроизоляционные лаки подразделяются на лаки горячей (печной, искусственной) и холодной (воздушной, естествен­ ной) сушки. Предпочтительнее горячая сушка, так как воздействие темпе­ ратуры ускоряет процессы полимеризации и поликонденсации.

По химическому составу лаки подразделяются на три группы:

1)модифицированные (алкидные, эпоксидно-фенольные и др.);

2)^модифицированные (фенолформальдегидные, кремнийорганические и др.);

3)маслосодержащие (масляные, битумно-масляные и др.). Существуют два основных вида химических реакций, приводящих к

образованию эмалевых пленок высокомолекулярных веществ: реакция по­ лимеризации и реакция поликонденсации.

Полимеризация - это процесс химического соединения молекул низ­ комолекулярных веществ или мономерных молекул в молекулы с большей молекулярной массой. В результате этой реакции не выделяются побочные продукты, а элементарные химические составы исходных молекул и обра­ зующихся соединений одинаковы. Чем больше степень полимеризации, тем больше молекулярная масса полимера.

Поликонденсация - это процесс образования высокомолекулярного вещества из мономерных или низкомолекулярных соединений, при кото­ ром происходит отщепление простых молекул. Элементарный состав обра­ зующихся молекул отличается от элементарного состава исходных. В ка­ честве побочных продуктов может выделяться вода, спирт и т.д.

Внастоящее время более 95 % всех эмалированных проводов изго­ товляются с применением синтетических лаков. В последние годы стали использоваться специальные составы, не содержащие растворителей. В этом случае вязкотекучее состояние достигается не растворением пленко­ образующего вещества, а его расплавлением.

Вотечественной практике применяется полиэфирная смола ТС-1. С ее появлением впервые в мире было организовано производство эмалирован­ ных проводов без растворителей. Эти провода по своим свойствам иден­ тичны проводам с изоляцией на основе полиэфирных лаков типа ПЭ-939 или ПЭ-943. Без применения растворителей может быть также наложено из расплава смол эмалевое покрытие на основе полиэфиримидов.

Основные лаки, используемые в отечественной промышленности для эмалирования проводов, приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1 Характеристика отечественных лаков, используемых

для эмалирования проводов

3.2.Способы наложения эмалевой изоляции

Эмалирование проволоки представляет собой нанесение жидкого лака на поверхность проволоки с последующей тепловой обработкой в эмальпечи.

Существуют различные способы эмалирования проволоки:

1. Эмалирование погружением (рис.3.1). Это старый способ, при ко тором в ванну с лаком 1 погружают направляющие проволоку ролики 2 и

проволока 3 с захваченным при движении лаком поступает в эмаль-печь. При таком эмалировании можно использовать лишь маловязкие масляные лаки, которые имеют высокое содержание пленкообразующих и в незначи­ тельной степени изменяют вязкость в ванне в процессе эмалирования. В настоящее время этот способ не применяется.

2. Эмалирование с помощью фетровых обжимов (рис. 3.2). Лак нано­ сится на проволоку вращающимся валиком или непосредственно захваты­ вается проволокой при ее движении через лак, а фетровые обжимы играют роль калибрующих устройств, снимающих излишки лака. При эмалирова­ нии проволоки больших диаметров такой способ не обеспечивает равно­ мерность толщины покрытия. Этот метод используется в горизонтальных эмаль-агрегатах для эмалирования проволоки микронных размеров.

Рис. 3.1. Схема эмалирования

Рис. 3.2. Схема эмалирования с по­

погружением

мощью фетровых обжимов

3.Эмалирование с помощью фитилей (рис. 3.3). Способ имеет огра­ ниченное применение. Проволока 1 касается фитиля 2, опущенного в сосуд

слаком 3, в результате чего на проволоку и наносится покрытие. Иногда после фитилей устанавливаются фетровые обжимы.

Этот способ годен лишь для эмалирования проволо­ ки малых диаметров и для маловязких лаков.

4.Эмалирование с помощью неразъемных ка­

Оптимальная конструкция калибра для эмалирования проволоки предполага­ ет: коническую форму канала с плавным переходом; небольшую цилиндрическую часть; жесткий допуск на диаметр калиб­ рующего отверстия калибра; меньшие га­ баритные размеры вставок.

Для эмалирования прямоугольной проволоки также применяется калибро­ вый метод нанесения лака. Используются калибры двух типов: разъемные и не­ разъемные.

5.

роликового типа (рис. 3.5). Калибр 3 по­ мещается в ванну с лаком 2 и вращается в направлении движения проволоки. Ка­

либр 3 имеет канавку в форме равностороннего треугольника. При враще­ нии эта канавка заполняется эмаль-лаком, и через нее проходит провод 7, забирая необходимое количество лака. Излишек снимается пластиной -

1

3

Рис. 3.5. Схема эмалирования с помощью калибра роликового типа

пружиной 4. Толщина изоляции провода будет зависеть от высоты равно­ стороннего треугольника Л, поэтому такие калибры изготовляют с различ­ ными значениями h, отличающимися на 0,01 мм. Для эмалирования прово­ дов диаметром до 0,3 мм используются роликовые калибры, диаметром 0,06—0,3 мм - фетровые обжимы и роликовые калибры, а диаметром свы­ ше 0,3 мм - неразъемные калибры.

Одним из перспективных методов является эмалирование без приме­ нения растворителей. В этом случае покрытие на проволоку наносится из расплава смолы, которая в горячем состоянии имеет малую вязкость, а за­ тем .излишек полимерного покрытия снимается с помощью металлических калибров.

Используются также методы электроосаждения изоляции на движу­ щуюся проволоку из водных растворов анионных смол, отвердение жид­ ких покрытий под действием ультрафиолетовых лучей, вихревой метод нанесения изоляции из порошковых материалов. Оригинальным методом является наложение лака с помощью газового калибра. В сопло, образуе­ мое вокруг проволоки, подается сжатый воздух, снимающий излишек лака.

Покрытия могут наноситься на проволоку также электрофоретиче­ ским путем из водных суспензий электроизоляционных материалов (для жаростойкой стеклоэмалевой или керамической изоляции).

Известен метод электростатического нанесения на проволоку порош­ ковых материалов в псевдокипящем слое. Устройство имеет две камеры с псевдокипящим порошком, расположенным симметрично относительно провода. Электроды устройства находятся под высоким напряжением, в результате чего частицы порошка заряжаются и притягиваются к проволо­ ке. Образующееся покрытие подвергается затем тепловой обработке с це­ лью оплавления, или последующей полимеризации, или поликонденсации.

3.3. Удаление растворителя из эмаль-лака

Удалять растворитель из лакового покрытия необходимо с определен­ ной скоростью, поэтому режим нагревания в эмаль-печи должен быть та­ ким, чтобы в изоляции отсутствовали газовые включения.

Скорость удаления растворителя из лакового покрытия определяется:

-диффузией растворителя внутри лаковой пленки (перемещением растворителя к поверхности пленки);

-внешним массообменом (испарением растворителя с поверхности

пленки).

Скорость удаления растворителя зависит от того процесса, который идет медленнее.

Для оценки взаимосвязи между внешним массообменом и внутренней диффузией в эмалированном слое применяется массообменный критерий Био:

Bj А « м ^ р

RTTDSp '

где А- толщина сухого слоя эмали, м; М - молекулярная масса растворителя, кг/кмоль;

Рр- равновесное давление насыщенных паров растворителя, Па; Т - температура, К;

D - коэффициент диффузии;

Rr- универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль-К);

а к

а м - коэффициент массообмена, otM = — ; ср

а к - коэффициент конвективной теплоотдачи от воздуха к проволоке, Вт/(м2-°С);

с, р - средние теплоемкость и плотность парогазовой среды у поверхно­ сти провода.

Если Bi > 1, то скорость удаления растворителя определяется диффу­ зией растворителя внутри пленки, т.е. медленнее идет диффузия.

Если Bi < 1, то эта скорость определяется внешним массообменом, т.е. медленнее происходит испарение растворителя с поверхности лаковой пленки.

Так как толщина изоляции эмалированной проволоки А много меньше радиуса медной проволоки го, то расчет удаления растворителя можно вес­ ти в декартовой системе координат.

Уравнение для определения концентрации растворителя можно запи­

где U - объемная концентрация растворителя; D - коэффициент диффузии растворителя; t - время;

у - координата (т*о < у < го+ А).

Для границы эмаль - атмосфера уравнение (3.1) будет выглядеть сле­ дующим образом (используются граничные условия при у = г0 + А):

D^ - = a M{UM- U 0), dу

где UM- массовая концентрация растворителя на поверхности лака; UQ- концентрация растворителя в камере эмаль-печи.

3.3.1. Расчет концентрации растворителя для случая, когда скорость процесса определяется диффузией растворителя внутри пленки (Bi > 1)

Если допустить, что коэффициент диффузии не зависит от концентра­ ции, то уравнение (3.1) имеет приближенное решение:

где Q - массовая концентрация растворителя, % (средняя); Со - начальная концентрация растворителя, %; Л - толщина изоляции за один проход.

Коэффициент диффузии зависит от температуры следующим образом:

D - D o c x p ^ ) ,

где Do - начальный коэффициент диффузии;

Ф - энергия активации процесса удаления растворителя.

Так как температура провода в процессе удаления растворителя изме­ няется в небольших пределах (20-150 °С), то вводим приближенное выра­ жение, используя температуру в градусах Цельсия:

где а\ - коэффициент, характерный для данного типа лака (определяется экспериментально);

Doi - условный начальный коэффициент диффузии;

т- температура, °С.

Сучетом (3.3) зависимость (3.2) приобретает вид

Уравнение (3.4) получено с допущением, что коэффициент диффузии не зависит от времени. На практике же с изменением концентрации рас­ творителя вязкость эмалированной пленки увеличивается и коэффициент диффузии уменьшается.

Предположим, что температура проволоки в процессе эмалирования изменяется по линейному закону:

X= *о + V»t,

где to ~ начальная температура;

VH- скорость нагрева проволоки.

Тогда