Báo cáo tổng kết đề tài: Nghiên cứu chế tạo vật liệu tổng hợp 2 lớp hợp kim đồng thép làm thanh cái truyền dẫn điện động lực trong công nghiệp - ThS. Lương Văn Tiến

Chia sẻ: Tieppham Tieppham | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:88

Thêm vào BST

Báo xấu

156
lượt xem 12
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mời các bạn tham khảo Báo cáo tổng kết đề tài: Nghiên cứu chế tạo vật liệu tổng hợp 2 lớp hợp kim đồng thép làm thanh cái truyền dẫn điện động lực trong công nghiệp do Thạc sĩ Lương Văn Tiến thực hiện để nắm bắt một số kiến thức về: Tổng quan vật liệu và các phương pháp công nghệ hàn tạo phôi Bimetal đồng/thép trong kỹ thuật điện, nghiên cứu các thông số nổ thích hợp để hàn hồ tạo phôi vật liệu Bimetal dạng hình thanh và hình trụ, kết quả thí nghiệm và giám định mẫu vật liệu,...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo tổng kết đề tài: Nghiên cứu chế tạo vật liệu tổng hợp 2 lớp hợp kim đồng thép làm thanh cái truyền dẫn điện động lực trong công nghiệp - ThS. Lương Văn Tiến

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP VÀ XÂY DỰNG BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỔ HỢP 2 LỚP HỢP KIM ĐỒNG THÉP LÀM THANH CÁI TRUYỀN DẪN ĐIỆN ĐỘNG LỰC TRONG CÔNG NGHIỆP Mã số: 01.10 RDBS/HĐ-KHCN Chủ nhiệm đề tài: ThS. Lương Văn Tiến 8800 Quảng Ninh, tháng 3/ 2010
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP VÀ XÂY DỰNG TÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỔ HỢP 2 LỚP HỢP KIM ĐỒNG THÉP LÀM THANH CÁI TRUYỀN DẪN ĐIỆN ĐỘNG LỰC TRONG CÔNG NGHIỆP (Thực hiện theo Hợp đồng số 01.10 RDBS/HĐ-KHCN ngày 10 tháng 3 năm 2010 giữa Bộ Công Thương và Trường Cao đẳng Công nghiệp và Xây dựng) Chủ nhiệm đề tài: ThS. Lương Văn Tiến Danh sách các thành viên tham gia thực hiện đề tài Học vị, học hàm TT Họ và tên Cơ quan chuyên môn 1 Hà Minh Hùng PGS, TS Viện Nghiên cứu Cơ khí 2 Lê Văn Lợi ThS Trường CĐ Công nghiệp và XD 3 Hoàng Minh Thuận ThS Trường CĐ Công nghiệp và XD 4 Lương Văn Thành KS Trường CĐ Công nghiệp và XD 5 Nguyễn Tiến Đạt ThS Trường CĐ Công nghiệp và XD 6 Đỗ Minh Chiến ThS Trường CĐ Công nghiệp và XD 7 Hoàng Thị Đông Cử nhân Trường CĐ Công nghiệp và XD 8 Nguyễn Văn Đức ThS Trường Đại học Bách khoa HN 9 Phạm Thị Hằng KS Trường ĐH Nông nghiệp HN 10 Đào Hồng Thái ThS Viện Nghiên cứu Cơ khí Quảng Ninh, tháng 3/ 2010
MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................................................. 1 2. Mục tiêu, giới hạn nghiên cứu.................................................................................................... 7 3. Đóng góp về khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................................. 8 Chương 1. TỔNG QUAN VẬT LIỆU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CÔNG NGHỆ HÀN TẠO PHÔI BIMETAL ĐỒNG + THÉP TRONG KỸ THUẬT ĐIỆN ...................................................................................................................................................... 10 1.1. Vật liệu bimetal dùng cho thanh cái và dây dẫn điện động lực ........................ 10 1.1.1. Đồng ............................................................................................................................................................. 13 1.1.2. Đồng thau .................................................................................................................................................. 13 1.1.3. Hợp kim đồng thiếc............................................................................................................................ 14 1.1.4. Hợp kim đồng beryli ......................................................................................................................... 14 1.1.5. Hợp kim đồng bạc ............................................................................................................................... 14 1.2. Vật liệu truyền dẫn điện tiếp xúc ......................................................................................... 15 1.3. Tổng quan công nghệ chế tạo vật liệu bimetal trong kỹ thuật điện ............... 17 1.3.1. Công nghệ tạo phôi bimetal không qua biến dạng dẻo ............................................. 18 1.3.2. Công nghệ tạo phôi bimetal bằng phương pháp hàn dưới áp lực....................21 1.3.3. Công nghệ hàn bằng phương pháp cán dính ở trạng thái nóng ....................21 1.3.4. Công nghệ hàn nguội ............................................................................................................................................. 21 1.3.5. Hàn bằng phương pháp cán dính ở trạng thái nguội ................................................... 22 1.4. Công nghệ hàn nổ tạo phôi bimetal làm vật liệu chế tạo máy và kỹ thuật điện ....................................................................................................................................................... 23 1.5. Tính chất đặc trưng của bimetal trên cơ sở đồng và thép ..................................... 25 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ................................................................................................................... 28 Chương 2. NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ NỔ THÍCH HỢP ĐỂ HÀN NỔ TẠO PHÔI VẬT LIỆU BIMETAL DẠNG HÌNH THANH VÀ HÌNH TRỤ ........................................................................................................................................ 29 2.1. Đặc điểm công nghệ hàn nổ .................................................................................................... 29 2.2. Các thông số hàn nổ chính ....................................................................................................... 32 2.2.1. Các thông số động học ..................................................................................................................... 32 2.2.2. Các thông số vật lý ............................................................................................................................. 36 2.2.3. Các thông số chính xác địnhchế độ hàn nổ ....................................................................... 37 2.3. Giả thiết để thực nghiệm hàn nổ bọc ống đồng vào lõi thép ........................................... 39 2.4. Phương pháp giải bài toán nổ tóp ống đồng để hàn với lõi thép ở giữa ...... 41 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ................................................................................................................... 43 -i-
Chương 3. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM HÀN NỔ TẠO PHÔI BIMETAL ĐỒNG M1 + THÉP 08s VÀ GIÁM ĐỊNH MẪU VẬT LIỆU ............................. 44 3.1. Cấu tạo thanh cái ............................................................................................................................ 44 3.2. Hàn nổ tạo phôi bimetal đồng M1 + thép 08s.............................................................. 44 3.2.1. Vật liệu thí nghiệm ............................................................................................................................. 44 3.2.2. Phương pháp thí nghiệm hàn nổ ............................................................................................... 45 3.2.3. Mộ số sản phẩm mẫu việt liệu bimetal thép 08s + đồng M1 sau khi hàn nổ ........................................................................................................................................................................................... 47 3.2.4. Điều kiện hàn nổ và kết quả thực nghiệm .......................................................................... 49 3.2.5. Hiện trạng bề mặt mẫu bimetal thép 08s + đồng M1 sau hàn nổ ..................... 51 3.3. Kết quả thực nghiệm trên cơ sở độ bền bám dính 2 lớp bimetal thép 08s + đồng M1 sau hàn nổ ................................................................................................................. 55 3.3.1. Phương pháp lấy mẫu vật liệu bimetal để giám định ................................................. 55 3.3.2. Kết quả thực nghiệm xác định độ bến bám dính 2 lớp.............................................. 58 3.4. Các sản phẩm đạt được sau khi chế tạo vật liệu bimetal thép M1 + thép 08s bằng phương pháp hàn nổ..................................................................................................................... 60 3.5. Các kết quả kiểm nghiệm thanh cái sau khi chế tạo bằng vật liệu bimetal thép 08s + đồng M1.............................................................................................................. 63 3.5.1. Đo điện trở................................................................................................................................................ 63 3.5.2. Kết quả sử dụng thanh cái ............................................................................................................. 66 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ................................................................................................................... 67 Chương 4. PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM THÍ NGHIỆM .......................................................................................................................................... 68 4.1. Kết quả khảo sát chụp ảnh cấu trúc tế vi biên giới liên kết 2 lớp thép - đồng trên mẫu bimetal sau hàn nổ ................................................................................................. 69 4.2. Phân tích kết quả thí nghiệm ................................................................................................... 71 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ................................................................................................................... 76 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................................................... 77 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 79 PHỤ LỤC ĐỀ TÀI .................................................................................................................................. 82 -ii-
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1. Cấu tạo cầu dao cách ly trạm biếm áp động lực 35 kV ........................................ 1 Hình 2. Sự hư hỏng của cầu dao cách ly trạm biến áp 6 kV sau một thời gian sử dụng .......... 2 Hình 3. Ảnh chụp một đoạn dây dẫn điện động lực (a) cho mạng vận tải tầu điện 14 kP Công ty Mỏ Vàng Danh – VINACOMIN (b) ................................................................... 3 Hình 4. Hiện tượng phóng hồ quang điện giữa đường dây cung cấp điện và cầu lấy điện của tầu điện 14 kP tại Công ty Mỏ Vàng Danh – VINACOMIN............................. 4 Hình 5. Hư hỏng cụ bộ của đường dây tải điện động lực cho tuyến tầu điện 14 kP trong ngành khai thác mỏ tại Công ty mỏ vàng Danh – VINACOMIN................................ 4 Hình 1.1. Ảnh hưởng của tạp chất tới độ dẫn nhiệt (a) và độ dẫn điện (b) của đồng ....... 13 Hình 1.2. Ảnh hưởng của biến dạng nguội đến độ cứng của hợp kim đồng latông Л63 (1) và Л70 (2) ................................................................................................................................... 14 Hình 1.3. Vật liệu bimetal làm tiếp xúc điện .................................................................................. 16 Hình 1.4. Mặt cắt tiết diện ngang của vật liệu bimetal đồng M1 + thép 08s ................... 17 Hình 1.5. Sơ đồ phân loại các phương pháp chế tạo vật liệu bimetal dùng trong kỹ thuật điện ..................................................................................................................................................... 18 Hình 1.6. Sơ đồ nổ dưới góc nghiêng (a), (b) và nổ song song (c), (d); sơ đồ hình học tấm kim loại hàn khi bay tại một thời điểm khi hàn nổ (e) ..................................... 24 Hình 1.7. Giản đồ trạng thái hệ Cu – Fe ............................................................................................ 26 Hình 1.8. Sự phụ thuộc của độ bền mối hàn bimetal thép – Cu vào mức độ biến dạng khi cán nóng (a) và nhiệt độ ủ (b) .......................................................................................... 27 Hình 2.1. Sơ đồ nổ treo trong trường hợp hàn nổ hai tấm kim loại phẳng ............................. 30 Hình 2.2. Sơ đồ hình thành bề mặt sóng liên kết khi hàn nổ các tấm kim ................. 31 Hình 2.3. Sơ đồ biểu diễn sự va đập giữa hai lớp kim loại tại một thời điểm khi hàn nổ ..... 33 Hình 2.4. Sơ đồ hàn nổ vật liệu bimetal (a) và sơ đồ phân bố áp suất nén tác dụng lên chu vi mặt cắt ngang phôi tại một thời điểm khi nổ (b) ............................................ 39 Hình 3.1. Cấu tạo bộ thanh cái cầu dao cách ly trạm biến áp 6kV)................................ 44 Hình 3.2. Phôi ống đồng M1 và phôi lõi thép 08s trước khi tạo paket hàn nổ ...... 46 Hình 3.3. Nạp thuốc nổ vào phôi pakét ống đồng M1 + lõi thép 08s chuẩn bị nổ tại hiện trường nổ mìn Xí nghiệp Than Uông Bí - Quảng Ninh ........................................ 46 Hình 3.4. Mẫu thí nghiệm phôi pakét ống đồng M1 + lõi thép 08s sau khi hoàn thành việc lồng pakét và bọc thuốc nổ tại hiện trường nổ mìn Xí nghiệp Than Uông Bí - Quảng Ninh .............................................................................................................................. 47 Hình 3.5. Mẫu thí nghiệm và mặt cắt mẫu thí nghiệm bimetal thép 08s + đồng M1 dạng ống chữ nhật sau hàn nổ .................................................................................................................. 48 Hình 3.6. Mẫu thí nghiệm và mặt cắt mẫu thí nghiệm bimetal thép 08s + đồng M1 dạng ống tròn sau hàn nổ............................................................................................................................. 48 Hình 3.7. Mẫu thí nghiệm bimetal thép 08s + đồng M1 sau hàn nổ, số mẫu No. 01, 02, 03 - Lô số 01 ...................................................................................................................................... 50 Hình 3.8. Mẫu thí nghiệm bimetal thép 08s + đồng M1 sau hàn nổ, số mẫu No. 04, 05, 06 - Lô số 02 ...................................................................................................................................... 50 Hình 3.9. Mẫu thí nghiệm bimetal thép 08s + đồng M1 sau hàn nổ, số mẫu No. 07, 08, 09 - Lô số 03 ...................................................................................................................................... 51 -iii-
Hình 3.10. Quy ước chia các phân vùng đặc trưng trên phôi bimetal thép - thép dọc theo hướng nổ ...................................................................................................................................................... 56 Hình 3.11. Thí nghiệm đo độ bền bám dính bằng phương pháp keo dán .......................... 56 Hình 3.12. Sơ đồ nguyên lý thử phá hủy theo phương pháp kéo dứt (a), kích thước mẫu thử (b); sơ đồ vị trí cắt lấy mẫu thử xác định độ bền bám dính 2 lớp và khảo sát cấu trúc tế vi trên phôi bimetal thép 08s + M1 (c) ................................................................... 57 Hình 3.13. Kết quả tính toán mô phỏng số độ bền bám dính 2 lớp bimetal thép 08s + đồng M1 bằng phần mềm STATSTICA............................................................................................................................. 60 Hình 3.14. Bộ thanh cái của cầu dao cách ly của trạm biến áp 6kV được chế tạo từ vât liệu bimetal thép 08s + đồng M1 ..........................................................................60 Hình 3.15. Cấu tạo bộ thanh cái cầu dao cách ly trạm biến áp 6 kV (thanh cái là bimetal thép 08s + đồng M1) .................................................................................................................................... 61 Hình 3.16. Các bộ thanh cái chế tạo từ vật liệu bimetal thép 08s + M1 bằng phương pháp hàn nổ được lắp vào bộ cầu dao cách ly trạm biến áp 6kV .................................. 62 Hình 3.17. Phôi vật liệu hình trụ bimetal thép 08s + M1 bằng phương pháp hàn nổ ..... 62 Hình 3.18. Các mẫu đo điện trở các thanh cái của cầu dao cách ly trạm biến áp 6 kV làm từ vật liệu bimetal thép 08s + đồng M1 ....................................................................................................... 63 Hình 3.19. Các dụng cụ đo xác định điện trở các mẫu thanh cái của cầu dao cách ly 6kV tại Phòng thử nghiệm thiết bị điện (Trung tâm An toàn Mỏ, Viên Khoa học Công nghệ Mỏ - VINACOMIN) ................................................................................................................................. 64 Hình 3.20. Quá trình đo và đọc xác định các trị số để tính điện trở các mẫu thanh cái của cầu dao cách ly 6kV tại Phòng thử nghiệm thiết bị điện, Trung tâm An toàn Mỏ, Viên Khoa học Công nghệ Mỏ - VINACOMIN ................................................................................. 65 Hình 4.1. Mẫu thử phá hủy xác định độ bền bám dính 2 lớp (vị trí 1) và mẫu dùng để quan sát ảnh chụp cấu trúc tế vi theo mặt cắt ngang hướng nổ (vị trí 2) ........ 69 Hình 4.2. Sơ đồ khảo sát ảnh chụp cấu trúc tế vi biên giới hai lớp thép 08s và đồng M1 dọc theo hướng nổ lấy mẫu tại 8 vị trí khác nhau trên chu vi mặt cắt ngang phôi hàn nổ số 04-QHTN 1 ................................................................................................................. 70 Hình 4.3. Ảnh chụp cấu trúc tế vi ở vùng biên giới 2 lớp vật liệu bimetal thép 08s + đồng M1 ở vị trí số 1 (Mẫu số 04 QHTN 1, cắt dọc theo hướng nổ) ...................... 71 Hình 4.4. Ảnh chụp cấu trúc tế vi ở vùng biên giới 2 lớp vật liệu bimetal thép 08s + đồng M1 ở vị trí số 2 (Mẫu số 04 QHTN 1, cắt dọc theo hướng nổ) ........................................... 71 Hình 4.5. Ảnh chụp cấu trúc tế vi ở vùng biên giới 2 lớp vật liệu bimetal thép 08s + đồng M1 ở vị trí số 3 (Mẫu số 04 QHTN 1, cắt dọc theo hướng nổ .................................................. 72 Hình 4.6. Ảnh chụp cấu trúc tế vi ở vùng biên giới 2 lớp vật liệu bimetal thép 08s + đồng M1 ở vị trí số 4 (Mẫu số 04 QHTN 1, cắt dọc theo hướng nổ) ...................... 72 Hình 4.7. Ảnh chụp cấu trúc tế vi ở vùng biên giới 2 lớp vật liệu bimetal thép 08s + đồng M1 ở vị trí số 5 (Mẫu số 04 QHTN 1, cắt dọc theo hướng nổ) ...................... 72 Hình 4.8. Ảnh chụp cấu trúc tế vi ở vùng biên giới 2 lớp vật liệu bimetal thép 08s + đồng M1 ở vị trí số 6 (Mẫu số 04 QHTN 1, cắt dọc theo hướng nổ) ...................... 73 Hình 4.9. Ảnh chụp cấu trúc tế vi ở vùng biên giới 2 lớp vật liệu bimetal thép 08s + đồng M1 ở vị trí số 7 (Mẫu số 04 QHTN 1, cắt dọc theo hướng nổ) ...................... 73 Hình 4.10. Ảnh chụp cấu trúc tế vi ở vùng biên giới 2 lớp vật liệu bimetal thép 08s + đồng M1 ở vị trí số 8 (Mẫu số 04 QHTN 1, cắt dọc theo hướng nổ) .......... 73 -iv-
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang 0 Bảng 1.1. Tính chất vật lý chủ yếu của kim loại (ở 20 C) được dùng trong kỹ thuật điện ......................................................................................................................................................................................................................... 12 Bảng 1.2. Tính chất tính chất của một số dây dẫn điện đồng, nhôm và thép .......... 13 Bảng 1.3. Giá trị về tính chất cơ bản của một số hợp kim đồng kỹ thuật ................ 13 Bảng 1.4. Kết quả thử nghiệm xác định độ bền bám dính 2 lớp bimetal thép + đồng khi thử mẫu phá hủy có lực đặt dọc theo bề mặt liên kết 2 lớp ............................... 27 Bảng 3.1. Thành phần vật liệu thép làm lõi pakét hàn nổ (theo GOST 1050) ..... 45 Bảng 3.2. Thành phần vật liệu đồng M1 ......................................................................................... 45 Bảng 3.3. Giá trị của biến mã hóa và biến thật ................................................................................ 49 Bảng 3.4. Giá trị đo điện trở của các thanh cái cầu dao cách ly 6kV ............... 65 Bảng 3.5. Tổng hợp tình trạng các thanh cái của cầu dao cách ly trạm điện 6kV trong thời gian chạy thử ............................................................................................................................. 66 -v-
LỜI NÓI ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Để đẩy nhanh sự nghiệp Công nghiệp hoá, Hiện đại hoá đất nước; ở Việt Nam hiện nay đang được đầu tư nhiều dự án trọng điểm của nhà nước trong lĩnh vực xây dựng các nhà máy phát điện, hệ thống truyền dẫn và phân phối điện trong toàn quốc. Trong đó phương án chiến lược phát triển mạng lưới giao thông công cộng (ô tô, tầu hỏa, tầu điện) dùng đầu máy là động cơ xăng và động cơ diesel để vận chuyển người, hàng hóa, nguyên vật liệu và khoáng sản... sẽ dần được thay thế bằng đầu máy động cơ điện, giống như ở các nước công nghiệp phát triển trên thế giới là rất có triển vọng, giảm thiểu sử dụng các nguồn năng lượng gây ô nhiễm môi trường. Hiện nay ở nước ta việc chế tạo các thiết bị đóng cắt mạch điện động lực, trong đó thanh cái dẫn điện trong quá trình đóng cắt phải chịu lực và xung lực đóng cắt rất lớn (ví dụ như: cầu dao cách ly trạm biến áp 35 kV, 6 kV ... ); các đường dây tải điện động lực của các tuyến đường tầu vận tải chạy máy điện 1 chiều để chuyên chở vật liệu, đất đá thải và khoáng sản của các mỏ khai thác khoáng sản (than, quặng sắt, ... ) trong quá trình làm việc chịu lực và chịu tia lửa hồ quang lớn ... Vì vậy việc nghiên cứu chế tạo chúng là rất cần thiết. Về các thiết bị đóng cắt điện động lực mà thanh cái chịu lực và xung lực đóng cắt lớn chẳng hạn thanh cái của cầu dao cách ly trạm biến áp 35 kV và trạm biến áp 6 kV. Trên hình trên hình 1 là cấu tạo của cầu dao dao cách ly trạm biến áp 35 kV. 3 2 1 Hình 1. Cấu tạo cầu dao cách ly trạm biếm áp động lực 35 kV 1 – Tay điều khiển đóng cắt; 2- Thanh cái động (đóng ngắt); 3- Thanh cái tĩnh -1-
Thanh cái động và thanh cái tĩnh được chế tạo bằng đồng (hoặc hợp kim đồng) là mặc dù là những loại vật liệu có tính công nghệ và tính chất dẫn điện tốt, có độ bền chống ôxy hóa tương đối cao, nhưng trong quá trình sử dụng do chịu lực và xung điện đóng ngắt lớn nên thường bị hư hỏng như: Thanh cái động do có chiều dài lớn thường bị cong theo phương đứng và xoắn theo phương ngang. Trên hình trên hình 2 là ảnh chụp ví dụ sự hư hỏng của cầu dao cách ly trạm biến áp 6 KV sau một thời gian sử dụng. 3 2 1 Hình 2. Sự hư hỏng của cầu dao cách ly trạm biến áp 6 kV sau một thời gian sử dụng 1-Bộ thanh cái động bị uốn lớn nên độ tiếp xúc kém với thanh cái tĩnh;2-Bộ thanh cái động bị cong và xoắn trung bình nên hạn chế độ tiếp xúc với thanh cái tĩnh;3 - Bộ thanh cái bị cong và xoắn ít tiếp xúc tương đối tốt với thanh cái tĩnh. Sự hư hỏng này có tác hại rất lớn như: diện tích tiếp xúc điện giữa thanh cái động và thanh cái tĩnh nhỏ dẫn đến dòng điện được dẫn vào máy biến thế giảm làm cho công suất của máy biến áp giảm; nhiều trường hợp 1 trong 3 thanh cái động của cầu dao cách ly cong nhiều dẫn đến khi đóng thanh cái động không tiếp xúc vào với thanh cái tĩnh làm cho máy biến áp hoạt động thiếu pha dần đến cháy máy biến áp. Vì vậy đề tài ‘‘Nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp hai lớp hợp kim đồng + thép làm thanh cái truyền dẫn điện động lực trong công nghiệp” để nâng cao độ bền của thanh cái là cần thiết. -2-
Về các tuyến đường dây điện động lực cung cấp điện cho các đầu tầu chạy bằng năng lượng điện (máy điện 1 chiều có dòng điện chuyển tải lớn) như: tầu điện chuyên chở vật liệu, đất đá thải và khoáng sản của các mỏ khai thác khoáng sản (than, quặng sắt, ...) có thể xem hình 3a. Đây là ảnh chụp hai đoạn dây truyền tải điện động lực, còn hình 3b là ảnh chụp một hệ thống đường dây tải điện động lực cấp cho đầu máy tầu điện 14 kP (tầu điện cần vẹt) tại Công ty mỏ vàng Danh - VINACOMIN. a) b) Hình 3. Ảnh chụp một đoạn dây dẫn điện động lực (a) cho mạng vận tải tầu điện 14 kP Công ty Mỏ Vàng Danh – VINACOMIN (b) Dây dẫn điện động lực cung cấp điện động lực cho tầu điện được chế tạo bằng hợp kim đồng mặc dù là loại vật liệu có tính công nghệ và tính chất dẫn điện tốt, có độ bền chống ôxy hóa tương đối cao nhưng trong quá trình lắp đặt nếu khoảng cách các cột đỡ quá lớn sẽ gây ra độ võng lớn vì vậy khi lắp đặt khoảng cách giữa các cột chỉ nằm trong khoảng từ 5 đến 7 mét gây lên rất tốn kém; mặt khác khi dùng loại dây dẫn điện này sau một thời gian sử dụng tuyến -3-
đường dây thường bị võng do dây bị dãn dài vì nhiệt và độ bên uốn của dây hạn chế. Vì vậy đường dây không được thẳng nên tiếp xúc điện giữa đường dây với cần lấy điện (cần vẹt) không tốt dẫn đến hiện tượng đánh tia lửa điện liên tục (hình 4). Chính vì nhược điểm đó mà ở nước ngoài người ta chuyển sang dùng dây dẫn bimetal thép + đồng (hợp kim đồng). Hình 4. Hiện tượng phóng hồ quang điện giữa đường dây cung cấp điện và cầu lấy điện của tầu điện 14 kP tại Công ty Mỏ Vàng Danh – VINACOMIN. Từ hiện tượng phóng tia lửa điện như cho trên hình 4 làm cho đường dây tải điện động lực trong quá trình sử dụng bị hư hỏng cục bộ (hình 5). Hình 5. Hư hỏng cục bộ của đường dây tải điện động lực cho tuyến tầu điện 14 kP trong ngành khai thác mỏ tại Công ty mỏ vàng Danh – VINACOMIN. -4-
Hiện tượng hư hỏng cục bộ này làm cho đường dây tải điện động lực cung cấp cho các đầu tầu điện trong quá trình sử dụng bị đứt, lõm bề mặt do phóng hồ quang điện đều phải thay thế mới, ngừng sản xuất trong thời gian dài vì phải cắt lưới điện trên toàn uyến, gây thiệt hại kinh tế. Để khắc phục các tồn tại nêu trên; muốn có được mạng lưới truyền dẫn tải điện động lực cung cấp cho các đầu máy tầu sử dụng bằng năng lượng điện hiện nay và mạng lưới giao thông đô thị, giao thông liên tỉnh sau này (tàu điện ngầm, tàu điện nổi, ô tô bánh lốp chạy điện), nước ta trong thời gian gần đây phải có hệ thống truyền dẫn cung cấp và phân phối nguồn điện năng là dạng năng lượng sạch đảm bảo chất lượng tốt phục vụ mục tiêu điện khí hoá toàn quốc nói chung và phục vụ ngành giao thông vận tải bằng nguồn năng lượng điện nói riêng. Một trong những vật tư quan trọng chính là các thanh cái và dây truyền dẫn điện động lực trong công nghiệp được làm bằng vật liệu bimetal. Các vật liệu kỹ thuật điện này có prophin phức tạp, cơ tính chống uốn võng và chống giãn dài cao, nhưng điện trở suất tương đối nhỏ được thiết kế để làm các thanh cái (tĩnh và động) trong các thiết bị đóng cắt điện động lực, cũng như dây dẫn điện treo trên các khung chịu lực của hệ thống cột điện trên toàn bộ đường dây tải điện động lực cho các đầu tầu chạy điện. Ở các nước công nghiệp phát triển, vật liệu kỹ thuật điện sử dụng làm thanh cái truyền dẫn điện động lực trong công nghiệp và đường dây truyền tải điện cung cấp cho đầu tầu chạy bằng động cơ điện 1 chiều đều được chế tạo bằng các vật liệu tổ hợp hai lớp (bimetal) có tính năng kỹ thuật đặc biệt như: có độ bền cao (không bị uốn khi lực đóng cắt lớn và khoảng cách đỡ lớn), độ co giãn nhiệt khi nhiệt độ môi trường làm việc thay đổi trong phạm vi rộng, khả năng truyền dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, tính năng chịu mài mòn và có tính tiếp xúc điện tốt,... Những vật liệu này được chế tạo bằng một số công nghệ khác nhau, nhưng chủ yếu là các công nghệ cơ bản như sau: 1) Tạo phôi bimetal bằng các phương pháp kết hợp đúc phôi bimetal và sau đó cán kéo tới khi đạt kích thước prophin yêu cầu, có thể sử dụng các thiết bị luyện kim truyền thống. Việc làm sạch bề mặt tiếp xúc 2 lớp kim loại trước khi đúc phôi -5-
bimetal rất phức tạp và năng suất thấp, chất lượng không ổn định; 2) Tạo phôi bimetal bằng cách hàn tiếp xúc, mạ, hàn đắp lớp kim loại phủ lên lớp kim loại nền, sau đó gia công cơ khí và sử dụng ngay để chế tạo các chi tiết truyền dẫn điện trong các cặp vật liệu tiếp xúc điện. Năng suất thường là thấp, chất lượng bám dính 2 lớp vật liệu yếu kém gây nóng khi dòng điện cường độ lớn đi qua trong thời gian dài, là cho điện trở tiếp xúc tăng, giảm hiệu suất truyền tải điện; 3) Tạo phôi bimetal bằng phương pháp biến dạng dẻo như: cán dính ở trạng thái nóng hoặc nguội trong hệ thống máy cán hình và sau đó cán kéo xuống đến kích thước prophin yêu cầu. Phương pháp này cho năng suất cao và chất lượng ổn định, nhưng đòi hỏi phải có đầu tư hệ thống thiết bị máy cán dính công suất lớn và hệ thống làm sạch và bảo vệ bề mặt tiếp xúc 2 lớp kim loại trước nguyên công cán dính là rất phức tạp, không có hiệu quả kinh tế nếu năng suất thiết kế toàn bộ dây chuyền công nghệ thấp; 4) Tạo phôi bimetal bằng phương pháp phối hợp công nghệ hàn nổ và sau đó cán kéo xuống đến kích thước prophin yêu cầu. Phương pháp này cho phép nhận được các loại thanh và dây dẫn điện động lực có prophin phức tạp mà không cần phải đầu tư các hệ thống máy cán hình prophin hoặc máy ép cỡ lớn, tiết kiệm đầu tư vì có thể sử dụng các máy cán thép hình xây dựng và máy kéo rút dây điện với công suất vừa và nhỏ hiện có trong nước cũng có thể chế tạo được các loại dây dẫn điện khác nhau, kể cả việc chế tạo các dây bimetal làm điện cực hàn bimetal thép - đồng, nhôm - đồng. Tuy vậy, công nghệ này cũng có hạn chế nhất định là phải tuân thủ các điều kiện khá ngặt nghèo trong việc sử dụng thuốc nổ công nghiệp đối với những người vận hành nổ, phụ thuộc vào điều kiện trường nổ phải đặt xa cách khu dân cư để đảm bảo yêu cầu về an ninh và an toàn nổ, nên chi phí vận chuyển phôi bimetal sau nổ về xưởng cán kéo cao. Mặc dù vậy, với sản lượng dây dẫn điện bimetal không lớn như đối với thị trường nước ta thì theo kinh nghiệm của một số nước thuộc khối Liên Xô trước đây hoặc một số nước có sử dụng năng lượng nổ để chế tạo vật liệu bimetal khác như: Mỹ, Nhật Bản,... thì đây là một hướng công nghệ có triển vọng ứng dụng -6-
cao và có hiệu quả kinh tế xét trên phương diện suất đầu tư vào lĩnh vực luyện kim và công nghệ vật liệu ở nước ta là rất lớn. Tại Việt Nam cho đến nay những vật liệu kỹ thuật điện cao cấp như vậy đều phải nhập ngoại để phục vụ cho các công trình trọng điểm trong ngành năng lượng. Hiện tại còn quá ít các nghiên cứu ứng dụng công nghệ tiên tiến trong sản xuất các loại sản phẩm linh kiện kỹ thuật điện có tính năng sử dụng đặc biệt như đã nói ở trên từ vật liệu tổ hợp 2 lớp (bimetal), 3 lớp (trimetal) hoặc từ vật liệu compozit kim loại khác nhau. Tính đến nay, ở nước ta tuy đã có một số công trình nghiên cứu cấp bộ và cấp nhà nước đề cập đến công nghệ chế tạo vật liệu compozit kim loại sử dụng trong ngành chế tạo máy (dụng cụ cắt gọt bằng hợp kim cứng, bạc trượt, bánh răng, tay biên xe máy...) và trong lĩnh vực kỹ thuật điện (chổi than, tiếp điểm điện kiểu tiếp xúc...), nhưng chưa có nghiên cứu sâu về vật liệu bimetal dùng làm thanh và dây truyền dẫn điện động lực cần có cơ tính cao nhưng truyền dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, tính năng chịu mài mòn và có tính tiếp xúc điện tốt,... Các thông tin được cập nhật trong nước từ nguồn tư liệu nước ngoài chủ yếu là qua các trang quảng cáo điện tử trên mạng Internet, thiếu thông tin sâu về công nghệ chế tạo những vật liệu có tính năng đặc biệt này. Chính vì vậy, nhóm nghiên cứu chúng tôi đề xuất đề tài nghiên cứu theo hướng ứng dụng công nghệ hàn nổ kết hợp với công nghệ gia công áp lực truyền thống để chế tạo vật liệu bimetal thép các bon thấp - đồng điện kỹ thuật dùng cho việc chế tạo các thanh và dây truyền dẫn điện động lực có prophin phức tạp và có độ bền cao. Đây là một hướng nghiên cứu rất cần thiết trong tiến trình Công nghiệp hóa và Hiện đại hóa, có tính mới về khoa học và ý nghĩa thực tiễn cao ở Việt Nam, đặc biệt là hướng đầu tư xây dựng các hệ thống tầu điện ngầm, hệ thống xe ô tô điện trong các thành phố lớn và hệ thống tầu chạy đầu máy điện giữa các thành phố và các tỉnh trong toàn quốc giống như ở các nước châu Âu, châu Mỹ và trong khu vực như Trung Quốc đã áp dụng. 2. Mục tiêu và giới hạn nghiên cứu + Mục tiêu: Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, nhóm nghiên cứu chọn cặp vật liệu là thép 08s và đồng M1 nhằm mục tiêu chế tạo được tổ hợp vật liệu có -7-
tính dẫn điện tốt cơ tính cao (khả năng chống uốn, chống xoắn và co dãn nhiệt trong quá trình sử dụng) để chế tạo thanh cái dẫn điện động lực trong trạm biến áp 6kV và 35kV; Nghiên cứu khảo sát và đề xuất chế tạo dây dẫn điện động lực treo trên khung chịu lực của hệ thống cột điện để cung cấp điện động lực cho các đầu tầu chạy bằng động cơ điện một chiều. + Giới hạn nghiên cứu: - Tạo phôi bimetal thép 08s + đồng M1 bằng phương pháp hàn nổ; - Tạo hình thanh cái dẫn điện động lực bằng phương pháp biến dạng dẻo (ép chảy hoặc cán tạo hình); - Xác định độ bền bám dính và tổ chức tế vi sau hàn nổ và biến dạng dẻo giữa 2 lớp vật liệu lõi thép 08s và vỏ đồng M1; - Khảo sát tính năng kỹ thuật điện của vật liệu tổ hợp để chọn thiết kế phù hợp trong từng chi tiết truyền dẫn điện động lực cụ thể là thanh cái, dây dẫn điện động lực. 3. Đóng góp về khoa học và thực tiễn của đề tài + Về mặt Khoa học: Đề tài giải quyết một số vấn đề khoa học như sau: - Nghiên cứu bí quyết công nghệ hàn nổ tạo phôi bimetal là một loại vật liệu kỹ thuật điện mới ở dạng thanh và dây dẫn điện bimetal thép - đồng, có tính năng đặc biệt dùng cho các hệ thống đóng ngắt và truyền dẫn điện động lực trong các thiết bị đóng ngắt và đường dây tải điện. Trong công nghệ tạo hình và biến dạng vật liệu kỹ thuật điện bimetal loại này, có nhiều tham số công nghệ gây ảnh hưởng đến tính chất dẫn điện, cấu trúc vật liệu, khả năng làm việc khi thay đổi tải,.... cần được nghiên cứu xác định, cũng như quy luật biến đổi cơ lý tính của nó theo các tham số đó, đặc biệt là ở khâu tạo phôi bimetal ban đầu. - Xây dựng mô hình toán học mô phỏng hàm mục tiêu chất lượng vật liệu bimetal thép - đồng (có thể là độ bền bám dính 2 lớp) phụ thuộc vào các thông số công nghệ chính khi hàn nổ (r, h) được lựa chọn để khảo sát bằng thực nghiệm, từ đó giới hạn và điều khiển được vùng các thông số thích hợp để chế tạo vật liệu dây truyền dẫn điện động lực bằng phương pháp tích hợp công nghệ -8-
hàn nổ và cán kéo truyền thống sao cho vật liệu bimetal nhận được có tổ hợp tính chất cơ – điện tốt hơn cả, từ đó làm cơ sở khoa học cho việc triển khai ứng dụng trong sản xuất thử nghiệm tại Việt Nam. + Ý nghĩa thực tiễn của đề tài: - Đề tài góp phần nghiên cứu phát triển và áp dụng công nghệ tiên tiến của nước ngoài vào điều kiện cụ thể ở Việt Nam với mức đầu tư trang thiết bị công nghệ thấp chủ yếu là dựa vào hệ thống thiết bị hiện có trong nước, nhằm sản xuất được vật liệu bimetal thép - đồng làm thanh cái (hoặc dây) truyền dẫn điện động lực tiến tới giảm thiểu nhập siêu các linh kiện điện kỹ thuật có hàm lượng công nghệ cao, tiết kiệm ngoại tệ, chủ động đáp ứng nhu cầu thực tiễn của Việt Nam trong quá trình Công nghiệp hoá, Hiện đại hoá đất nước; - Đề tài góp phần vào việc thúc đẩy sự hợp tác nghiên cứu khoa học giữa các Trường đại học và Cao đẳng Kỹ thuật, Viện nghiên cứu khoa học, các cơ sở đào tạo Sau đại học với định hướng ứng dụng các công nghệ tiên tiến của thế giới vào điều kiện Việt Nam, trong lĩnh vực đào tạo Thạc sĩ, Tiến sĩ Kỹ thuật trong chuyên ngành đào tạo ‘‘Công nghệ tạo hình và biến dạng vật liệu’’. -9-
Chương 1. TỔNG QUAN VẬT LIỆU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CÔNG NGHỆ HÀN TẠO PHÔI BIMETAL ĐỒNG + THÉP TRONG KỸ THUẬT ĐIỆN 1.1. Vật liệu bimetal dùng cho thanh cái và dây dẫn điện động lực [1, 2] Trong các vật liệu kỹ thuật điện nói chung người ta chia thành hai nhóm chính là: 1) Vật liệu trong các hệ thống máy điện cao thế và hạ thế như: bộ tiếp xúc điện, tiếp điểm điện; 2) Vật liệu truyền dẫn dòng điện động lực đi qua nó như: thanh cái, dây dẫn điện. - Nhóm vật liệu thứ nhất: gồm các vật liệu chế tạo tiếp xúc điện khác nhau, đa số chỉ đáp ứng được một phần các yêu cầu nói trên, ví dụ như: một vài loại vật liệu có độ dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, nhưng không có đủ độ cứng và rất nhanh bị ăn mòn hóa học (ôxy hóa). Khi tính toán chế tạo tiếp xúc điện cần chọn vật liệu đảm bảo tối đa các yêu cầu kỹ thuật cần thiết đối với cặp tiếp xúc điện, và thường được sử dụng các vật liệu sau: + Đồng biến cứng: dùng để chế tạo các tấm làm cổ góp máy điện, chi tiết truyền dẫn điện của các thiết bị điện, vỏ bọc của các cụm phân phối điện, đầu dây dẫn điện, chi tiết dẫn điện trong các máy móc điện tử, tiếp xúc điện kiểu chổi quét, vít hoặc bulông – đai ốc kẹp; + Đồng mềm: dùng để chế tạo dây dẫn điện động lực ngoài trời và dây truyền dẫn điện dòng lớn, cáp điện dân dụng và dây nối nguồn điện trong kỹ thuật truyền thanh...; + Đồng thanh: dùng để chế tạo các chi tiết dẫn nguồn điện của các thiết bị, máy điện (vít, cầu dao, cầu chì) và khí cụ điện, chi tiếp kẹp máy điện và đầu kẹp dây dẫn; + Đồng hợp kim: dùng để chế tạo các tấm cổ góp (colector) và thanh cái dẫn điện của các thiết bị, khí cụ điện; + Nhôm: dùng để chế tạo dây dẫn điện nguồn liên trạm ngoài trời và dây điện dân dụng, vỏ máy điện; -10-
+ Thép: dùng để chế tạo dây dẫn điện động lực liên trạm ngoài trời, các chi tiết như: ổ cắm, thanh dẫn điện của các thiết bị điện chuyên dụng; + Bạc và một số kim loại quý hiếm khác: dùng để chế tạo các loại tiếp điểm điện kiểu đóng ngắt, tiếp xúc điện một chiều và xoay chiều, tiếp điểm điện của các rơle điều khiển; + Hợp kim của Constantan, nichrôm, Fexran, Chromal: dùng để chế tạo các điện trở có khả năng điều chỉnh được điện trở; + Than kỹ thuật điện và grafit: dùng để chế tạo chổi than các khí cụ, dụng cụ điện, các biến trở. - Nhóm vật liệu thứ hai: Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài chỉ đề cập đến một số vật liệu sử dụng cho việc chế tạo các thanh cái và dây dẫn điện thuộc nhóm bimetal đồng + thép. Việc lựa chọn đúng kim loại đối với các chi tiết thanh cái hoặc dây dẫn điện động lực của các hệ thống truyền tải điện và tiếp xúc điện đặc biệt quan trọng đối với việc chế tạo vật liệu kỹ thuật điện bimetal nói chung, trong đó có vật liệu bimetal đồng M1 + thép các bon thấp. Để chế tạo các thanh cái và dây dẫn điện thường sử dụng đồng và hợp kim đồng, trong một số trường hợp còn sử dụng thép các bon thấp và thép không rỉ. Bảng 1.1 Cho biết các giá trị về tính chất vật lý chủ yếu của kim loại (ở 200C) được dùng trong kỹ thuật điện; Bảng 1.2. Tính chất tính chất của một số dây dẫn điện đồng, nhôm và thép; Bảng 1.3. Các giá trị về tính chất cơ bản của một số hợp kim đồng kỹ thuật. Bảng 1.1. Tính chất vật lý chủ yếu của kim loại (ở 200C) được dùng trong kỹ thuật điện Khối lượng Nhiệt dung Nhiệt dẫn riêng Điện trở suất Kim loại riêng g/cm2 riêng W/(m.độ) W/(m.độ) Ω.mm2/m Đồng 8.9 389 390 0.0172 Nhôm 2.7 922 209 0.028 Vonfram 19.3 138 168 0.055 Molipđen 10.2 264 151 0.057 Tantan 16.6 142 54 0.135 Niobi 8.6 272 50 0.18 Titan 4.5 577 15 0.42 Ziricôni 6.5 276 17 0.41 Reni 21 138 71 0.21 Vàng 19.3 126 293 0.024 Bạc 10.5 234 415 0.016 Platin 21.4 134 71 0.105 -11-
Vanađi 12 213 72 0.11 Sắt 7.8 452 73 0.098 Niken 8.9 444 95 0.073 Coban 8.7 435 79 0.062 Chì 11.4 130 35 0.21 Thiếc 7.3 226 65 0.12 Kẽm 7.1 390 111 0.059 Cadmi 8.6 230 93 0.076 Inđi 7.3 243 25 0.09 Gali 5.9 381 - 0.56 Thuỷ ngân 13.6 138 10 0.958 Bảng 1.2. Tính chất tính chất của một số dây dẫn điện đồng, nhôm và thép Đồng Nhôm Thép Đơn 08S Ghi chú Tính chất vị đo MT MM AT AM (C10) Giới hạn bền khi 35 đến 26 đến 16 đến kG/mm2 8 32 Độ dẫn kéo không nhỏ hơn 39 28 17 điện của Độ dãn dài tương 0,5 18 đến 10 đến nhôm tinh đối khi đứt, không % đến 1,5 khiết có 35 18 33 nhỏ hơn ... 2,5 đến 2 thể đạt tới Điện trở 0,0179 38 Điện trở suất 0,0175 suất đến 0,0295 0,0295 0.098 Ω.mm2/m không nhỏ hơn 2 4 Ω.mm /m 0,0182 Bảng 1.3. Giá trị về tính chất cơ bản của một số hợp kim đồng kỹ thuật Độ dãn dài Dẫn điện % so Giới hạn bền Kim loại Trạng thái tương đối khi với đồng kéo, kG/mm 2 kéo đứt, % Đồng thanh Ủ 95 Đến 31 50 candmi Kéo nguội 83 đến 90 Đến 73 4 (0,9% Cd) Đồng thanh Ủ Kéo nguội 55 đến 60 29 55 (0,8% Cd; 2%Sn) 50 đến 55 Đến 73 4 Đồng thanh Ủ 15 đến 18 37 45 (2,5% Al; Kéo nguội 15 đến 18 Đến 97 4 2%Sn) Đồng thanh Ủ 10 đến 15 40 60 phốt pho kéo nguội 10 đến 15 105 3 (7%Sn; 0,1% P) Đồng thau Ủ 25 32 đến 35 60 đến 70 (70%Cu; 30% Kéo nguội 25 đến 88 5 Zn) -12-
Dưới đây là khái quát về các vật liệu có liên quan đến phạm vi giới hạn nghiên cứu của đề tài NCKH . 1.1.1. Đồng Đồng nguyên chất (Cu) có độ dẫn điện cao và rất dẻo. Do độ đàn hồi của đồng thấp nên nó được sử dụng làm các tiếp xúc điện kiểu cố định. Để nâng cao độ cứng và các tính chất cơ học khác người ta sử dụng hợp kim đồng (Cu) với kẽm (Zn), thiếc (Sn), bạc (Ag), beryli (Be),... Tuy nhiên, cần lưu ý việc cải thiện cơ tính của vật liệu trên cơ sở nền đồng thường kèm theo sự giảm độ dẫn nhiệt và dẫn điện của nó (hình 1.1). Các tính chất đàn hồi của đồng được cải thiện khá rõ rệt sau khi qua biến dạng ở trạng thái nguội. a) b) Hình 1.1. Ảnh hưởng của tạp chất tới độ dẫn nhiệt (a) và độ dẫn điện (b) của đồng [4]. 1.1.2. Đồng thau Là vật liệu phổ biến nhất được sử dụng trong công nghiệp điện kỹ thuật hiện đại. Chúng có cơ tính, tính công nghệ và tính chất dẫn điện tốt, có độ bền chống ôxy hóa tương đối cao. Đối với các mạng điện kỹ thuật người ta sử dụng đồng thau với hàm lượng kẽm không lớn hơn 37% Zn. Tất cả các hợp kim Cu với Zn đều có pha α - dung dịch rắn trong lưới tinh thể của Cu. Việc cán nguội làm tăng độ cứng và độ đàn hồi của các hợp kim này rất đáng kể (hình 1.2). -13-