Алюминий и алюминиевые сплавы в электротехнических изделиях

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 присутствуютпримеси кремния, 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 пределрастворимости 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. 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 процессерасплавления 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 передволочением 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