Области применения стале-алюминиевой проволоки

Содержание

Введение

В настоящее время существует большое количество различных методов получения биметаллов, что объясняется большим разнообразием биметаллов по их видам и композициям, а также стремлением найти самый рациональный метод получения для каждого вида. В патентной литературе уже зарегистрировано несколько тысяч патентов на способы получения различных видов биметаллов. Производством биметаллов занято большое количество заводов как в странах бывшего СССР, так и за рубежом. Естественно, что на технологию производства биметаллов накладывает отпечаток и состав оборудования завода, на котором организовано его производство. Несмотря на разнообразие методов получения различных биметаллов, нашедших применение в промышленности, их можно разделить на три группы, причем каждая группа объединяется основным принципом получения заготовки биметалла: а) получение заливкой; б) получение совместной пластической деформацией; в) получение наплавкой, электросваркой или другим методом соединения, не требующим обязательной пластической деформации для создания прочного соединения.

1. Области применения стале-алюминиевой проволоки

В настоящее время широко пользуются стале-алюминиевыми проводами. Они лучше проводят ток, чем стальные, и механически более прочны, чем чисто алюминиевые. Основным применением такого вида проводов является их использование в воздушных сетях для линий высоковольтных передач. Для воздушных линий всех напряжений используют голые (неизолированные) алюминиевые и стале-алюминиевые провода, а также многопроволочные алюминиевые и стале-алюминиевые провода. Эти провода коррозионно-стойки. Однако коррозия таких проводов развивается довольно быстро в приморских районах, что связано с корродирующим действием солей в виде мельчайших кристалликов, находящихся в воздухе. Еще более быстрое разрушение тросов происходит в зонах, где воздух содержит значительные количества промышленных загрязнений, в частности вблизи тепловых электростанций. В некоторых случаях происходит разрушение алюминиевых и стале-алюминиевых проводов на морских побережьях, а также в зонах некоторых промышленных предприятий.

2. Обзор известных способов производства биметаллической проволоки

● Алитирование (алюминирование) – это нанесение на поверхность металла защитного слоя алюминия. Используют алитирование для защиты металлов от атмосферной коррозии (т.к. коррозия алюминия на воздухе минимальна) и от окисления при повышенной температуре. Чаще всего алюминием покрывают жаропрочные сплавы и аустенитные малоуглеродистые стали. Процесс алитирования может осуществляться несколькими способами: покрытием поверхности изделия алюминиевой краской (с дальнейшим отжигом), металлизацией, погружением в расплав, в порошкообразных смесях при высокой температуре. Алитированная поверхность обладает высокой коррозионной стойкостью в морской воде и атмосферных условиях (выше, чем оцинкованная).  Иногда алитирование используют вместо горячего цинкования (трубы, проволока, листы и др.).

● Порошковая стале-алюминиевая проволка. Линия для производства порошковой проволоки содержит расположенные в технологической последовательности и связанные между собой: размоточное устройство для ленты (1), устройство формирования из ленты трубчатой оболочки (2), механизм дозирования шихты (3), волочильный стан (4) с волокодержателем (5), который содержит закрепленную в корпусе (6) волоку (7) и магнит (8) с закрепленными на его полюсах направляющими роликами (9) и (10), контактирующими с проволокой, полюс магнита (8) с роликом (9) размещен перед волокодержателем (5), а полюс магнита (8) с роликом (10) помещен в корпус перед волокой (7), ролик (10) снабжен лопастями (11). Линия содержит также обрабатываемую проволоку (12).

Линия работает следующим образом.

Лента с размоточного устройства (1) идет в устройство (2) для формирования из ленты оболочки проволоки. Заполнение шихтой промежуточного профиля трубчатой заготовки производит механизм (3) дозирования шихты, затем исходная заготовка проволоки поступает в волоку (7), при этом магнитное поле, замыкаясь через проходящую проволоку (12), контактирующую с роликами (9) и (10), являющимися магнитопроводом, ориентирует в осевом направлении магнитные компоненты шихты, Кроме того, ролик (10), снабженный лопастями и приводимый во вращение проволокой (12), обеспечивает подачу смазки к очагу деформации. Причем вращение ролика (10) осуществляется за счет магнитных сил, что исключает изгиб проволоки (12) и раскрытие продольного шва. После многократного волочения товарная проволока снимается со стана. Упорядочение гранул шихты в трубчатой оболочке, а также исключение засорения смазки шихтой приводит к уменьшению силы волочения, соответственно снижению обрывности проволоки и улучшению ее качества.

● Производство биметаллической проволоки опрессованием.

Изготовление биметаллической проволоки опрессованием осуществляется следующим образом.

Сердечник (1) из средних высокоуглеродистых сталей с разматывателя (2) пропускают через вращающиеся проволочные щетки (3), установленные вдоль движения сердечника (1) и обеспечивающие его нагрев за счет зачистки. Зачистка щетками (3) обеспечивает нагрев сердечника (1) на глубину 0, 05-0, 15 его диаметра до 320-520 °С, а последующие внутренние слои нагреваются до 20-320 °С; Одновременно возможно нанесение на сердечник (1) подслоя алюминия с алюминиевых стержней (4).

После зачистки и нагрева стальной сердечник (1) поступает в пресс (5) и проходит через дорн (6). В прессе (5) под давлением находится разогретый до 500-550°С алюминий (7), который через матрицу (8) выдавливается в виде оболочки, накладываемой на сердечник (1). Готовая биметаллическая проволока (9) наматывается на моталку (10). Скорость движения проволоки устанавливают так, что расстояние между щетками (3) и очагом деформации сердечник (1) проходит за 0,04-1,5 секунд.

● Плакирование — метод нанесения тонкого защитного слоя металла (алюминия) на поверхность другого металла, а именно стальной проволоки, при котором происходит холодная сварка металлов за счет большой сдавливающей силы. Главной особенностью этого метода является взаимная диффузия молекул металлов без нагрева  на глубину до 5 мкм. Диффузия происходит под высоким давлением внутри камеры куда экструдированием подается пластичный алюминий, нагретый до температуры 400ºС. Нагревается алюминий только за счет трения и собственной деформации.

Плакированная алюминием стальная проволока применяется в изделиях, требующих повышенной коррозионной стойкости. При погружении стальной проволоки в раствор электролита, происходит образование ионов на поверхности проволоки и ее коррозия. Алюминий подвергается коррозии в том же электролите.

В дальнейшем полученный продукт может быт подвергнут калибровке или волочению с суммарным обжатием до 95%, при этом хорошая адгезия за счет диффузии  гарантирует пропорциональное уменьшение диаметра стальной проволоки и алюминиевого покрытия без отслоений и сдиров. Сталь при волочении приобретает механическую прочность до 1400 МПа на готовом изделии.

Снижение массы стали, погруженной в раствор независимо от алюминия, составляет 0,2 мг/день, что примерно в 20 раз выше скорости коррозии алюминия. Однако при погружении соединенных стали и алюминия в раствор электролита скорость коррозии резко изменяется. В этом случае алюминий выступает в роли катода, а сталь - в роли анода, в соответствии с их потенциалами ионизации. Алюминий в таком случае расходуется намного быстрее, а сталь не коррозирует и ее масса не изменяется даже в коррозионно-активной среде (3% хлорида натрия). Защитное действие цинкового слоя в той же среде продлилось недолго и в течение пятилетнего периода началось разрушение, тогда как проводник AS не потерял своей первоначальной прочности в течение 5 лет и, как ожидается, будет служить в течение длительного времени.

● Накатка. На чертеже изображена схема производства биметаллической стале-алюминиевой проволоки. Для производства биметаллической стале-алюминиевой проволоки используют стальной сердечник (1), который предварительно нагревают электроконтактным способом в роликах (2) и (3).

Стальной сердечник (1) пропускают через осевой канал (4) шнека (5) узла формирования оболочки. Формирование оболочки осуществляют в канале (6) путем перемещения алюминиевого порошка, предварительно нагретого в электропечи (7), куда он поступает из бункера (8). Температуру нагрева алюминиевого порошка контролируют термометром (9). Оболочка формируется в канале (6) шнеком (5), подающим порошок вокруг стального сердечника (1). После формирования оболочки осуществляют ее уплотняющую деформацию, которую производят в две стадии.

Первую стадию осуществляют в монолитной волоке (10), а вторую в калибре, образованном валками (11). Изменение уменьшения объема алюминиевого порошка в монолитной волоке производят путем увеличения или уменьшения количества порошка, подаваемого шнеком (5), увеличивая или уменьшая скорость его вращения. Обжатие в валках изменяют путем изменения калибрующего диаметра монолитной волоки. При изготовлении стале-алюминиевой проволоки контролируют расходы алюминиевого порошка, учитывая количество алюминия, входящего в облой и другие потери порошка (россыпь, спекшиеся комки и т. д.).

3. Технология волочения биметалла

Совместное холодное волочение является методом получения биметаллической проволоки сталь + алюминий или сталь + другие цветные металлы. На стальную проволоку (сердечник) со специально подготовленной поверхностью надевают рубашку в виде трубки, которая может быть бесшовной или в виде сформованной в трубку ленты. Если материал рубашки является высокопластичным, то при совместной пластической деформации в волочильном очке происходит достаточно прочное соединение двух металлов.

Полученная таким образом биметаллическая проволока может быть использована в качестве проводника электрического тока или как коррозионностойкая проволока для различных целей. Наружная оболочка проволоки может изготовляться также из металлической ленты формовкой ее в специальных роликах и непрерывной высокочастотной сваркой ее в трубу одновременно с введением в нее сердечника из другого металла или сплава.

На рисунке представлена общая схема волочения:

1 - проволока.

2 - волока.

> - направление  волочения.

Процесс совместной деформации при волочении был применен для получения биметаллических труб, состоящих из стального наружного слоя (не более 0,2% С) и медного внутреннего слоя (99,9% Cu), взамен однородных медных труб. Внутреннюю поверхность стальной трубы тщательно очищали металлическими щетками от загрязнений, а конец трубы заделывали для волочения. Внутрь стальной трубы вставляли медную трубу, наружный диаметр которой несколько меньше внутреннего диаметра стальной трубы, наружную поверхность медной трубы также тщательно очищали. Собранную двухслойную трубу подвергали волочению через фильеры до требуемого диаметра.

В процессе совместной пластической деформации наружная стальная труба, уменьшаясь в диаметре, плотно охватывает внутреннюю медную трубу и происходит прочное сцепление слоев. Такой процесс может быть применен для получения биметаллических и многослойных труб и из других металлов и сплавов.

Если необходимо получить более прочное соединение слоев, то на наружную поверхность внутренней трубы наносят вдавливанием на станке (типа токарного) ряд кольцевых или спиральную канавки. Выдавленные при этом по обеим сторонам канавок гребни затем отгибают в одну сторонку так, что поверхность в сечении принимает пилообразный профиль. После этого на внутреннюю трубу надевают наружную (обычно из более мягкого металла, например алюминиевую на стальную) и производят совместное волочение. При редуцировании металл наружной трубы заполняет канавки, чем обеспечивает прочное соединение слоев и хорошую теплопроводность биметаллической трубы. Этот способ применим для получения коррозионностойких теплообменных труб, причем число слоев может быть более двух.

В Японии предложен процесс получения биметаллической алюминиево-медной проволоки методом горячего волочения. В медную трубу, внутренняя поверхность которой покрыта цинком или оловом, вставляют алюминиевый пруток, диаметр которого соответствует внутреннему диаметру трубы. Поверхности соприкосновения прутка и трубы предварительно очищают. Концы трубы замазывают материалом, предотвращающим проникновение наружного воздуха, например огнеупорной глиной. Затем составную заготовку нагревают до 550-600 °С и производят волочение до получения биметаллической проволоки нужного размера, например до диаметра 5 мм. В частности, было опробовано волочение трубы с наружным диаметром 60 мм, длиной 500 мм, толщиной стенки 2 мм, с прутком диаметром 55,7 мм и температурой нагрева 570 °С. В результате свободного теплового расширения внутренний диаметр трубы при нагревании должен уменьшаться до 56,1 мм, диаметр прутка должен увеличиваться до 56,61 мм. В условиях производства по предлагаемому способу возникающее при нагреве давление между поверхностями соединяемых металлов достигает 646 МН/м ², что и обеспечивает прочное соединение в процессе горячего волочения.

4. Перспективные направления развития техпроцессов производства стале-алюминиевой проволоки

Проволока из различных металлов и сплавов занимает существенное место в общей структуре производства металлопроката. В различных отраслях цветной металлургии проволоки изготавливается от 5 до 30% общего объема выпуска. Важность данной отрасли заключается еще и в том, что основной потребитель проволоки – предприятия энергетического сектора, на долю которых приходится более 80% общего объема поставок.

Алюминий и его сплавы в виде проволоки в настоящее время широко используются в следующих областях:

• Наземные воздушные токопроводящие сети;

• Электротранспортные тросы и кабели;

• Силовые кабели для промышленного использования.

Алюминий нашел свое применение в этих отраслях именно благодаря своим уникальным технико-эксплуатационным характеристикам: высокой электропроводности, небольшого веса и хорошей коррозионной стойкости. Во всем мире линии наземной передачи электроэнергии от генерирующих и распределяющих сетей, а также большинство подземных линий выполнены из алюминия и его сплавов. Этот металл также успешно заменяет медь в высоковольтных линиях электропередач и на сегодня является наиболее экономичным способом передать электроэнергию. По массе алюминий составляет треть от массы меди, а по электропроводности один килограмм алюминия передает электроэнергии в вдвое больше, чем один килограмм меди. Это существенно облегчает конструкции линий электропередач и делает алюминий более привлекательным для такого использования.

В настоящее время в США, например, производство алюминиевой проволоки достигает уровня в 375 тыс. тонн, что втрое больше общего объема производства поковок и штамповок.

В России практически вся алюминиевая проволока изготавливается из технически чистого алюминия (А5Е, А7Е и т.п.). Проволока производится с различной степенью упрочнения, тем не менее, ее сравнительная удельная прочность (отношение предела прочности металла к его плотности) низка. Это приводит к тому, что большинство воздушных линий электропередач не в состоянии нести на себе изоляцию, поскольку при принятом оптимальном расстоянии между опорами велика вероятность разрыва проводов под собственным весом. Поэтому большая часть российских линий электропередач, в том числе наиболее разветвленные и протяженные линии среднего и низкого напряжения (коммунальные, осветительные и т.п.) выполнены неизолированными проводами. Это повышает риск эксплуатации (велика вероятность обрыва, климатические воздействия, опасность поражения током и т.п.).

В настоящее время при производстве таких проводов активно стали применять стале-алюминиевые провода. Повышенные прочностные свойства таких проводов позволили использовать их при создании трехжильных самонесущих проводов. Применение проводов такой конструкции позволяет существенно увеличить эффективность эксплуатации воздушных линий электропередач. Так например, частота отказов неизолированных проводов составляет 33 на 100 км проводов, а для стале-алюминиевых не превышает 5.

Таким образом в России существует значительная потребность в проволоке из алюминиевых сплавов. По различным оценкам объем неудовлетворенного платежеспособного спроса на такую проволоку составляет сегодня 8 тыс. тонн в год. Учитывая настоящие темпы роста и возможное улучшение конъюнктуры рынка цветных металлов в ближайшей перспективе рынок может вырасти до 20-23 тыс. тонн в год.

Однако существующие на сегодня производственные мощности не в состоянии удовлетворить возможный рост внутреннего спроса на проволоку. Это в перспективе возможно приведет к усилению иностранных производителей на внутрироссийском рынке, что в целом негативно скажется на алюминиевой отрасли. Поэтому развитие собственных мощностей, применение новейших технологий выплавки и обработки алюминиевых сплавов, освоение выпуска новых серий сплавов – вот основные направления развития промышленности по производству алюминиевой проволоки.

Заключение

В данной работе были рассмотрены и приведены некоторые процессы, характеризующие соединение слоёв биметаллического изделия. Основным критерием, объясняющим прочное сцепление слоёв, является достижение высокой пластической деформации при нагреве в зоне контакта, которая сопровождается возникновением и движением дислокаций, приводящих к образованию металлических связей, что вызывает диффузию атомов разнородных металлов, протеканию которой способствуют высокое давление и выделяемая теплота. Доказано, что способность металлов к схватыванию зависит от их пластичности и сопротивления деформации.

Библиографический список

1. Тарнавский А А., Гурылев В.В., Щуровский Б.В. Биметаллическая проволока. - М.: Металлургиздат, 1963. - 124 е., ил. 
2. Голованенко С.А., Меандров Л.В. Производство биметаллов. М.: Металлургия, 1966. - 303 е., ил.
3. Маквоский В. А., Ейльман Л. С. Биметаллические прутки. М.: Металлургия, 1966.303 с.
4. Интернет – ресурс: http://www.zmi-profit.ru/proizvod.html/tehnologicheskii-process-proizvodstva-bimetallicheskoi-produkcii
5. Интернет – ресурс: http://www.eti.su/articles/kabel-i-provod/kabel-i-provod_575.html
6. Интернет – ресурс: http://patentdb.su/2-1685567-sposob-izgotovleniya-stalealyuminievojj-provoloki.html