Đề tài Nghiên cứu chếtạo vật liệu tổhợp 2 lớp hợp kim đồng thép làm thanh cái truyền dẫn điện động lực trong công nghiệp

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 TT Họ và tên Học vị, học hàm chuyên môn Cơ quan 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 -i- 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 -ii- 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 -iii- 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 -iv- 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 -v- DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1. Tính chất vật lý chủ yếu của kim loại (ở 200C) 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 -1- 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