Алюминий и алюминиевые сплавы в электротехнических изделиях

П. А. Воронцова и др.

ЭНЕРГИЯ, 1971 г.

Приведенные сравнительные данные по исследованию проволоки из алюминия и сплава свидетельствуют о том, что проволока из сплава вполне может применяться при температуре 150 С, в то время как максимально допустимая температура длительной эксплуатации твердой проволоки из алюминия не превышает 90° С [Л. 36]. Повышение температуры рекристаллизации алюминия, легированного цирконием, как следует из работ [Л. 37 и 38], обусловлено тем, что процесс рекристаллизации алюминия значительно замедляется в результате выпадения мелкодисперсного интерметаллида ZrAl3. Эффективность действия циркония резко ослабляется, если в алюминии присутствуют примесикремния, марганца и меди. Это объясняется тем, что эти элементы образуют интерметаллид Zr5Si3, CuZr3, ZnMn2. Магний и железо также оказывают влияние на эффективность действия циркония, поскольку снижают предел растворимости циркония в алюминии. Сплав алюминия с цирконием нашел широкое применение за рубежом в качестве жилы в кабельных изделиях. В Японии, например, для воздушных линий электропередач применяют голый многопроволочный кабель, в котором центральный пучок стальных жил обмотан жилами из жаропрочного алюминиевого сплава марки TACSR [Л. 36]. Преимущества проволок из алюминиевых сплавов наиболее полно проявляются в собирательных шинах на электрических подстанциях, так как здесь увеличение потерь на нагрев и величина провисания не имеют большого значения. В электротехнических изделиях часто используются алюминиевые сплавы, обладающие повышенным удельным электрическим сопротивлением. Так, короткозамкну-тые роторы ('беличьи клетки асинхронных двигателей) обычно заливают алюминием, имеющим в литом виде удельное электрическое сопротивление около 0,03 ом.мм2/м. Литейные сплавы на основе алюминия имеют удельное электрическое сопротивление не выше 0,06— 0,085 ом-мм2/м и поэтому не всегда пригодны для рассматриваемых целей. Известны алюминиево-марганцовистые сплавы, в которых марганец, входя в твердый раствор алюминия, очень резко повышает удельное электрическое сопротивление. На рис. 5-1 показано, что при добавке 9% марганца в алюминий удельное электрическое сопротивление равно 0,2 ом-мм2/м зависимость электрического сопротивления от концентрации марганца в алюминии близка к прямолинейной. По данным рис. 5-1 можно рассчитать состав сплава для получения нужной величины удельного электрического сопротивления. Продолжительные нагревы до 200° С не оказывают влияния на удельное электрическое сопротивление сплавов и это обеспечивает стабильность электрических свойств обмотки ротора. Алюминиево- марганцовистые сплавы следует выплавлять из чистых металлов, ибо наличие таких примесей, как железо или медь, понижает удельное электрическое сопротивление, а примеси железа придают сплавам чрезвычайно большую хрупкость. Опыт отечественных заводов по использованию алюминиево-марганцовистых сплавов для заливки роторов показал, что сплавы алюминия с 3—10% марганца, а также многокомпонентные высоколегированные сплавы имеют удельное электрическое сопротивление на нужном уровне, но обладают повышенной хрупкостью. Последнее обстоятельство в значительной степени затрудняет промышленное использование рассматриваемых сплавов. В асинхронных двигателях общего назначения обмотки роторов выполняются, чистым алюминием. При проектировании обмоток роторов двигателей проводимость алюминия принимается равной 32 м/ом^мм2 и при этом возможны отклонения не больше ±8%- Такие 1значения проводимости имеет алюминий марки Аб по ГОСТ 11069-64. Однако в процессе расплавления алюминия и заливки им роторов происходит обогащение его железом, неметаллическими включениями и насыщение газами, в результате чего проводимость алюминия значительно уменьшается и в ряде случаев может быть ниже установленного предела. Для заливки роторов специальных двигателей (с повышенным скольжением, повышенным моментом и т. п.) требуются сплавы с более низкой, чем у алюминия проводимостью. Так, в практике некоторых заводов используются литейные сплавы с проводимостью 25 и 15 м/ом-мм2, не имеющие строго определенного химического состава. Отечественные электромеханические заводы предъявляют следующие основные технические требования к алюминиевым сплавам для заливки роторов асинхронных электродвигателей: 1) высокие технологические свойства :(при заполнении пазов ротора не должно быть горячих трещин и концентрированных усадочных раковин и 1. п.); 2) технология приготовления сплавов должна быть проста и доступна для выполнения; 3) сплавы должны иметь проводимость, равную 32, 25, 19, 15, 12 и 8 м/ом-мм2, при этом отклонение от заданных норм должно быть не более ±8% в готовых обмотках роторов; 4) сплавы должны быть без дефицитных компонентов. В табл. 5-1 приведены химические составы алюминия и алюминиевых сплавов, предназначенных для заливки роторов асинхронных электродвигателей с 1-го по 9-й габариты [Л. 55—59]. Заливка роторов двигателей общего назначения обычно производится алюминием. Проводимость алюминия в залитом -роторе должна быть 32 м/ом- мм2±8%. Такую проводимость имеет алюминий при наличии следующих примесей: железа не более 0,5%; кремния не более 0,3%; общая сумма их должна 'быть не 'более 0,7%. Шихтовыми материалами должны быть чушковый первичный алюминий и возвраты собственного производства. Состав шихты подбирается так, чтобы во всех случаях в залитом роторе содержание примесей в алюминии не превышало указанных пределов. Это дает возможность заводам широко использовать свои сырьевые ресурсы. Загрязнение алюминия окислами, газами и другими включениями может значительно ухудшить его электрические свойства, поэтому рафинирование алюминия как средство его очистки от неметаллических включений должно быть обязательным. Наиболее простым и достаточно эффективным способом рафинирования является обработка жидкого алюминия обезвоженным хлористым цинком. Хлористый цинк берется в количестве 0,05—0,03% массы металла и вводится в глубь металла с помощью специального колокольчика. Хлористый цинк при погружении в металл переходит в парообразное состояние и затем в виде газовых пузырей выделяется из металла, оказывая на него рафинирующее действие. Процесс рафинирования длится 2—3 мин и заканчивается после прекращения выделения пузырей из металла. Затем с поверхности жидкого металла удаляются окислы. Рафинирование жидкого металла не следует производить многократно, так как это может привести к увеличению хрупкости металла в горячем состоянии и к образованию трещин на отливках. Для заливки роторов электродвигателей специального назначения (с повышенным скольжением, повышенным моментом и т. п.) должны применяться алюминиевые сплавы. В табл. 5-1 приведены составы этих сплавов и их проводимость. Как следует из табл. 5-1, каждому из значений проводимости удовлетворяют два сплава различного химического состава и различные по литейно-технологическим свойствам. Указанное обстоятельство позволяет лучше использовать возможности .производства, а также учитывать конструктивные особенности роторов. и методы их заливки. ИЗГОТОВЛЕНИЕ АЛЮМИНИЕВОЙ КАТАНКИ И ПРОВОЛОКИ Исходной заготовкой для получения алюминиевой проволоки является катанка диаметром 9,0—14,0 мм, получаемая либо прокаткой слитков на проволочно-прокат-ном стане, либо из расплавленного алюминия методом непрерывного литья и проката. Прокатка слитков на проволочно-прокатном стане до последних лет являлась основным способом изготовления катанки. При этом споссУбе используются алюминиевые слитки (вайербарсы), имеющие вид параллелепипеда с примерными размерами 100x100x1 400 мм. Для получения этих слитков используется метод полунепрерывного литья, объединяющий плавку алюминия и получение слитка в кристаллизаторе. Так как тонкая окисная пленка, образующаяся на поверхности алюминия при горячей прокатке, предохраняет металл от дальнейшего окисления и не мешает дальнейшему процессу волочения, то катанку перед волочением не подвергают травлению. Для прокатки алюминия наиболее совершенными являются непрерывные проволочно-прокатные станы, представляющие собой комплекс механизмов, работающих во взаимосвязанном автоматическом режиме. Такие станы обычно имеют нагревательные печи конвейерного типа с автоматическими механизмами загрузки слитков в печь и подачи их к прокатным клетям. Нагрев слитков производится в печах с электрическим, газовым или нефтяным обогревом. В печах с электрическим обогревом нагревательные спирали из жаропрочного сплава размещены в футеровке печи. ;В печах с газовым или нефтяным нагревом пламя горелок направлено параллельно слиткам. Алюминиевые вайербарсы нагреваются до температуры 400—450° С. Собственно прокатный стан имеет черновые, промежуточные и чистовые двухвалковые клети. Скорости прокатки в выходной клети составляют 15— 25 м/сек. Передача катанки из одной клети в последующую осуществляется автоматически. Процесс прокатки алюминия на непрерывном стане завода «Кирскабель» происходит следующим образом [Л. 58]. Прокатываемая полоса в нечетных клетях с 1-й по 11-ю кантуется на угол 90°, что осуществляется при помощи специальной роликовой арматуры, которая имеет ролики с ручьями, нарезанными под углом к горизонтальной оси. Кантовка производится автоматически без участия человека. После 8-й клети полоса размерами 20X20 мм, прокатываемая со скоростью 2 м/сек, проходит через летучие ножницы, которые на ходу обрезают передний дефектный конец катанки длиной 200 мм. Это необходимо для получения качественной катанки в начале бухты и для обеспечения нормального захвата катанки в последующих клетях. После 12-й клети полоса направляется в правую или левую нитку чистовой группы, где вышеописанным способом из-за высокой •скорости прокатки и малых размеров полосы кантовку осуществить невозможно. Поэтому в чистовой группе применены чередующиеся вертикальные и горизонтальные клети. Катанка из выходной клети поступает через трубку в одну из моталок и сматывается в бухту с диаметром 800 мм. Бухта передается на пластинчатый транспортер и с его помощью к навешивателю. Затем катанка крюковым конвейером передается в волочильный цех. Однако наиболее прогрессивным способом получения алюминиевой катанки является ее получение непосредственно из жидкого металла. Жидкий алюминий в этом случае подается в кристаллизатор, представляющий собой вращающееся и охлаждаемое водой .колесо, имеющее трехгранный полуовальный вырез на ободе. При вращении колеса металл кристаллизуется и в виде стержня сразу же передается на последовательно расположенные прокатные валки для получения катанки. Скорость вращения кристаллизатора 2—2,5 об/мин. Температура заготовки составляет 480—530° С.