книги / Технология производства проводов.-1
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию
Пермский государственный технический университет
Т.В. КОСТЫГОВА
ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ПРОВОДОВ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
вкачестве конспекта лекций для студентов специальности 180300 «Электроизоляционная, кабельная и конденсаторная техника» очной и заочной форм обучения
Пермь 2006
УДК 621.315 К72
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор Пермского государственного технического университета Л.А. Ковригин; генеральный директор ОАО «Камкабель»
кандидат технических наук В.В. Смилъгевич
Костыгова Т.В.
К72 Технология производства проводов: конспект лекций / Т.В. Косты гова; Перм. гос. техн. ун-т. - Пермь, 2006. - 96 с.
Рассмотрены особенности производства проволоки. Изложена теория про изводства эмалированных проводов и технология изготовления обмоточных про водов с другими видами изоляции.
УДК 625.768.5
©Пермский государственный технический университет, 2006
Введение............................................................................................... |
5 |
1. Производство проволоки................................................. |
6 |
1.1. Металлы, обрабатываемые в кабельной промышленности .... |
6 |
1.2. Изготовление медной и алюминиевой катанки |
10 |
1.3. Нагрев металла перед прокаткой |
13 |
1.4. Технология прокатки...................................................................... |
15 |
1.4.1. Калибровка валков................................................................... |
15 |
1.4.2. Рабочие клети прокатных станов |
16 |
1.4.3. Прокатные станы..................................................................... |
17 |
1.5. Метод непрерывного литья и прокатки |
20 |
1.6. Метод «дип-форминг» |
21 |
1.7. Травление катанки....................................................................... |
22 |
1.8. Скальпирование медной катанки............................................... |
25 |
1.9. Волочение проволоки |
27 |
1.10. Оборудование для волочения проволоки............................... |
30 |
1.11. Волочильный инструмент |
34 |
1.12. Отжиг медной и алюминиевой проволоки |
36 |
1.13. Качество продукции и виды брака........................................... |
38 |
2. Производство обмоточных проводов............................................ |
39 |
2.1. Классификация обмоточных проводов..................................... |
39 |
2.2. Проводниковые материалы, применяемые в производстве |
|
обмоточных проводов............................................................................ |
40 |
3. Производство эмалированных проводов |
42 |
3.1. Лаки для эмалирования проволоки |
42 |
3.2. Способы наложения эмалевой изоляции.................................. |
44 |
3.3. Удаление растворителя из эмаль-лака...................................... |
47 |
3.3.1. Расчет концентрации растворителя для случая, когда |
|
скорость процесса определяется диффузией растворителя внутри |
|
пленки (Bi > 1 )........................................................................................ |
48 |
3.3.2. Расчет концентрации растворителя для случая, когда |
|
скорость процесса определяется внешним массообменом (Bi < 1).. |
51 |
3.3.3. Условия образования газообразных включений на ста |
|
дии удаления растворителя |
54 |
3.4. Расчет процесса пленкообразования изоляции эмалирован |
|
ных проводов |
55 |
3.5. Условия возникновения газообразных включений на стадии |
|
пленкообразования.................................................................................... |
58 |
3.6. Расчет температуры эмалируемой проволоки |
61 |
з
3.7. Агрегаты для эмалирования проволоки |
65 |
3.7.1. Агрегаты для эмалирования проволоки диаметром |
|
0,015-0,05 мм |
68 |
3.7.2. Агрегаты для эмалирования проволоки диаметром 0,05- |
|
0,45 м м ....................................................................................................... |
70 |
3.7.3. Агрегаты для эмалирования проволоки диаметром 0,4- |
|
2,5 м м .......................................................................................................... |
71 |
3.7.4. Устройство катализаторов.................................................... |
73 |
3.8. Особенности эмалирования проводов из расплава смол........ |
74 |
4. Производство обмоточных проводов......................................... |
76 |
4.1. Обмоточные провода с волокнистой, бумажной и пленочной |
|
изоляцией |
76 |
4.1.1. Обмоточные машины для наложения изоляции из нату |
|
ральных и синтетических волокон........................................................ |
78 |
4.1.2. Обмоточные машины для наложения бумажной и пле |
|
ночной изоляции |
81 |
4.1.3. Обмоточные машины для наложения стекловолокнистой |
|
изоляции.................................................................................................... |
84 |
4.2. Подразделенные и транспонированные обмоточные провода |
87 |
4.3. Обмоточные провода со спекаемой пленочной изоляцией |
89 |
4.4. Обмоточные провода с пластмассовой изоляцией................. |
90 |
4.5. Обмоточные провода со сплошной стеклянной изоляцией и |
|
оборудование для их производства....................................................... |
92 |
4.6. Обмоточные провода с гибкой керамической изоляцией....... |
93 |
Список литературы |
95 |
Кабельная продукция используется во многих отраслях промышлен ности - 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 разде лить на три основных процесса:
-получение токопроводящей жилы (ТПЖ), обычно в виде проволоки необходимого сечения с требуемыми свойствами;
-изготовление изоляции;
-изготовление собственно изделия (наложение изоляционных и раз личных защитных покрытий на ТПЖ и соответствующий монтаж изделия).
Производственный цикл современных кабельных заводов начинается
сметаллообрабатывающих цехов: прокатного и волочильного.
Основными исходными материалами кабельной промышленности яв ляются металлические слитки (медь, алюминий, свинец, сплавы) или ка танка, 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 пе чах до необходимой температуры и прокатываются за несколько проходов на прокатном стане. Продукция прокатного цеха - медная или алюминие вая катанка, подкат или заготовка для шин и коллекторной меди - переда ется в волочильный цех.
В волочильных цехах из катанки получают проволоку. Часть продук ции волочильных цехов является готовой кабельной продукцией: троллей ные провода, шины, коллекторная медь. Остальная проволока передается в цеха, где производятся наложение изоляции, скрутка и наложение защит ных покрытий [2]. Расширение производства электрических машин, аппа ратов и приборов требует увеличения выпуска обмоточных проводов. Осо бое место занимает производство эмалированных проводов, в основном нагревостойких.
Одним из важных направлений в этой области является развитие про изводства тончайших проводов, что связано с микроминиатюризацией ра диотехнической и электронной аппаратуры.
Особое внимание на кабельных заводах уделяется совершенствова нию технологии производства, применяемого технологического оборудо вания, внедрению методов испытаний, позволяющих прогнозировать на дежность выпускаемой продукции.
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 др. - цветные.
Свойства некоторых цветных металлов, применяемых в кабельной промышленности, приведены в табл. 1.1.
|
|
|
Свойства цветных металлов |
Таблица 1.1 |
|||
|
|
|
|
||||
|
Свойства |
Медь |
Алюминий |
Константан |
Манганин |
||
Плотность, г/см3 |
8,9 |
2,7 |
8,9 |
8,4 |
|||
Предел прочности при |
|
|
|
|
|||
растяжении |
в |
мягком |
|
|
|
|
|
состоянии, кгс/мм2 |
22-24 |
8,0 |
40-50 |
50-55 |
|||
Удельное |
электриче |
|
|
|
|
||
ское |
сопротивление |
|
|
|
|
||
при 20 °С, Ом-мм2 /м |
0,017 |
0,028 |
0,48 |
0,43 |
|||
Температура |
плавле |
|
|
|
|
||
ния, °С |
|
|
1083 |
658,7 |
1260 |
1010 |
Основной проводниковый материал - медь. По электропроводности она превосходит все другие металлы (за исключением серебра), что позво ляет обеспечивать минимальные габариты обмоток электрических машин, аппаратов и приборов.
Чистота применяемой меди имеет большое значение. Различные при меси даже в ничтожных количествах резко снижают проводимость меди и ухудшают ее технологические свойства.
Кислород находится в меди в виде закиси С112О, которая снижает пла стичность меди, создает хрупкость при перегибах и повышает предел прочности. Медь, содержащая больше 0,1 % кислорода, легко разрушается при горячей прокатке, плохо поддается пайке. При нагреве в восстанови тельной атмосфере медь, содержащая кислород, становится красноломкой, т.е. хрупкой, и растрескивается. 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 углеки слота:
Cu20 + Н2 = 2Си + Н20, Си20 + СО = 2Си + С02.
Эти газы выходят на поверхность слитка и образуют микроскопиче ские трещины в поверхностном слое металла. Через трещины восстанови тельные 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 висмута 0,25 % медь крошится в 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 раскисле ния. При присадке фосфора к меди в количестве, большем, чем необходи мо 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 %.
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 бо лее 0,1 % в кабельном производстве вообще не применяется.
Лучшими параметрами с точки зрения применения в производстве обмоточных, в первую очередь эмалированных, проводов обладает бески слородная медь. Она превосходит обычную медь по пластичности и обес печивает получение проволоки с лучшим качеством поверхности.
В соответствии с ГОСТ 859-78 медь по химическому составу разделя ется на несколько марок. В кабельной промышленности используется только медь повышенной чистоты марок не ниже Ml, МООк, МОк, МОку, М006, М06, Ml к, Ml б, Ml у. Не применяется медь марки М1ф с повышен
ным 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 - рас кисленная.
Цифры 00, 0 и 1 определяют содержание меди. Наибольшее содержа ние меди (99,9-99,99 %) имеют марки МООк, М006.
На кабельные заводы медь поступает в слитках (вайербарсах) трапе цеидальной формы со скошенными концами, а бескислородная - в слитках прямоугольной формы с закруглениями на углах. Формы медных слитков показаны на рис. 1.1.
|
|
|
'— Г- |
' |
|
L |
|
! |
|
|
|
С Я |
3 |
|
|
|
|
||
|
|
а |
1 |
Я i |
< |
|
б) |
\ / у у / |
|
L |
J LS |
Рис. 1.1. Форма медных слитков (ГОСТ 193-79): типа СВ (о), СН и СС (б)
Трапецеидальные слитки отливаются в горизонтально расположенные изложницы, открытые сверху, так что поверхность меди не защищена сверху от окисления и контактирует с воздухом. В результате при кри сталлизации поверхность слитка становится морщинистой, «рожистой». Это связано с тем, что насыщенный кислородом слой меди имеет большую усадку при остывании, чем основная масса слитка. Наличие «рожистой» поверхности затрудняет получение при последующих операциях прокатки и волочения медной проволоки с высококачественной поверхностью. По этому для получения эмалированных проводов используются строганные слитки, у которых верхний слой снимается на глубину 8-12 мм. По хими ческому составу медные слитки горизонтальной отливки должны соответ ствовать меди не ниже марки M l, причем содержание кислорода не долж но превышать 0,06 %.
Бескислородная медь, поставляемая в слитках вертикального испол нения, не имеет сильно окисленной поверхности. По химическому составу она должна соответствовать меди не ниже марки М06. Слитки вертикаль-
ной отливки более однородны по содержанию кислорода и пористости, по механическим свойствам.
В соответствии с ГОСТ 193-79 для кабельной промышленности вы пускаются медные слитки следующих марок:
СВ - вертикальной непрерывной отливки; СН - горизонтальной отливки, с неудаленной верхней поверхностью;
СС - горизонтальной отливки, с удаленной верхней поверхностью. Размеры медных слитков приведены в табл. 1.2 [2].
|
Размеры медных слитков, мм |
Таблица 1.2 |
|
|
|
||
Марка слитка |
Длина! |
Ширина В |
Высота Н |
СН |
1372 |
98 |
92-102 |
СС |
1360 |
110 |
100 |
СВ-1 |
1400 |
100 |
100 |
СВ |
2800 |
100 |
100 |
Вторым по значению металлом |
в производстве обмоточных и эмали |
рованных проводов является алюминий.
Алюминий - металл серебристо-белого цвета, обладает низким удель ным весом, высокой проводимостью. В чистом виде алюминий имеет очень хорошие пластические свойства. Отличительной особенностью алюминия является хорошая коррозионная стойкость. Тонкая окисная пленка защищает металл от дальнейшего окисления. Железо и кремний снижают пластичность и проводимость алюминия (железо делает его хрупким и снижает его химическую стойкость, кремний упрочняет его).
Для производства обмоточных проводов применяется алюминий тех нической чистоты марок А5Е и А7Е по ГОСТ 11069-74. В нем содержание марганца не более 0,01 %, магния не более 0,02 %, мышьяка не более 0,015 %. В алюминии марки А5Е допускается содержание кремния не бо лее 0,12 % и других примесей (титан, ванадий, марганец, хром) не более 0,01 %.
Удельное электрическое сопротивление алюминия в 1,62 раза выше, чем меди. Поэтому сечение алюминиевой проволоки с электрическим со противлением, равным сопротивлению медной проволоки, должно быть в 1,62 раза больше, а диаметр в 1,27 раза больше, чем сечение и диаметр медной проволоки. При этом алюминиевая проволока будет в два раза лег че медной [1].
Алюминий поставляется в слитках с примерными размерами 100x100x2700 мм, весом до 76 кг. Однако в настоящее время для произ водства проводов в основном используется катанка, получаемая непосред
ственно из жидкого металла методом непрерывного литья и прокатки. Ка танка поставляется в больших бухтах весом до 1500 кг.
Низкое удельное сопротивление меди, ее высокие механические ха рактеристики, хорошая свариваемость, возможность пайки, способность подвергаться лужению, возможность покрытия ее серебром ставят медь на первое место в ряду других материалов. Но содержание меди в земной ко ре - около 0,1 %, а алюминия - 7,5 %, поэтому в связи с дефицитностью меди широко применяется алюминий.
Мягкие отожженные медь и алюминий идут на изготовление прово локи; полутвердые - на изготовление продукции, для которой необходима определенная механическая прочность; твердотянутые - на изготовление изделий, которым приходится выдерживать высокие механические нагруз ки и которые не допускают никаких деформаций.
В кабельной промышленности находят также применение сплавы ме ди с элементами, позволяющими улучшить механические характеристики меди, сохранив удельную проводимость, близкую к проводимости чистой меди.
Медь с серебром (до 0,14 % Ag) используется при изготовлении кол лекторных полос, медь с кадмием (0,7-1 %) - при изготовлении контакт ных проводов железных дорог, троллейбусных линий и т.д. [2].
1.2. Изготовление медной и алюминиевой катанки
Существуют два метода получения медной катанки:
1)традиционный - горячей прокатки;
2)прогрессивный - непрерывного литья и прокатки.
Сущность процесса прокатки заключается в последовательном уменьшении поперечного сечения и увеличении длины прокатываемой за готовки при ее прохождении между несколькими парами валков, вращаю щихся в разные стороны. Валки имеют специальные углубления, называе мые ручьями. Валки установлены один над другим, и ручьи образуют ка либр, через который и проходит нагретая заготовка. Устройства, в которых смонтированы валки и механизмы для их регулирования, называются кле тями.
Основные технологические параметры, характеризующие процесс прокатки, указаны на рис. 1.2.
Процесс прокатки характеризуют следующие величины:
- абсолютное обжатие по высоте Ah - разность между высотой прока тываемой полосы до прокатки ho и высотой полосы после прокатки h\\
Ah = h0-h\;