近年来带材的边部质量越来越受到带材生产企业的重视,带材的剪切精度越来越高,但剪切后的带材边部总会存在毛刺。用于干式变压器的带材,如果边部有毛刺,就可能刺破变压器的绝缘层造成击穿,甚至还会出现尖端放电损坏变压器。对于高精度变压器铜带,还要求边部为圆角或圆边形。目前,我国的变压器带边部处理技术还处于研究阶段,多数变压器带都未进行专门处理、边部毛刺大,边部质量完全依靠剪切设备的精度及剪刃调整技术水平,造成我国变压器带的80%依赖进口。因此,对变压器铜带边部处理技术的研究具有重要意义。而且,这一技术还可以推广应用于铝变压器带、电缆带、双金属覆合铜带等的边部处理。本文主要介绍两种边部处理方法即滚压法和刮削法,着重阐述自主研发的三位一体滚压技术。
1 变压器铜带的技术要求
1.1 变压器铜带的牌号、状态及规格
变压器铜带的牌号为TU1、T2,状态M,厚度0110～215mm,宽度50～1050mm。
变压器带有高压带、低压带之分。用于高压绕组的为高压带,宽度一般<300mm;用于低压绕组的为低压带,宽度≥300mm。
1.2 机械性能及电性能
变压器带的机械性能:σb≥195MPa,δ10≥35%,HV=46～65;TU1电导率≥100%IACS,T2电导率≥98%IACS。
1.3 外观质量及特殊要求
带材板形应平直,侧边弯曲度应不大于2mm/m,边部无毛刺(或允许小于0102mm);边部形状有剪切边(无尖角、毛刺)、圆角边、圆边三种,圆边为最好(图1)。
2 高精度变压器带边部处理技术
带材边部处理技术兴起于20世纪90年代,主要应用于不锈钢带的边部处理和不锈钢管焊接前开坡口等。随着铜带在干式输电变压器上的应用,该技术逐步应用于变压器带的边部处理并得到改进。如德国的KME、MKM、维兰德及台湾第一伸铜等企业生产的变压器带,边部均进行了专门处理,厚度<018mm的薄带边部为无毛刺的直角边,厚度≥018mm的厚带边部为光滑的圆角边或圆边,可满足高精度变压器铜带的质量要求。
带材边部处理主要是采用机械方法或其它方式除去边部多余的金属,使之无尖角、毛刺,且不腐蚀、污染带材表面。从技术原理看似乎很简单,且在钢带边部处理领域的应用已较成熟,但对于铜带来说却存在一些难点。与钢带相比,铜带材质较软,厚度较薄(一般为015～210mm),宽度范围较大(一般500～1020mm,不锈钢带为50～500mm),这就为整个处理线的控制和处理精度等带来难度。此外,要求被处理铜带的板形良好,无边部拱曲、波浪、撕裂等缺陷不能出现断续和漏处理,因为一个超标毛刺和数个超标毛刺对变压器来说效果基本相同。
金属带材边部处理有多种方法,如滚压法、刮削法、铣削法、电弧(激光)法等。本文重点介绍应用较多的滚压法和刮削法。电弧法主要应用于边部毛刺的检测和去除,在此不赘述。
2.1 滚压法
滚压法是将毛刺压倒或压入带材基体,使边部发生微小的塑性变形,是变压器带边部处理较早采用的方法。
传统的滚压装置由一对平辊或略带锥度的钢辊组成,一般装在圆盘剪的后部或变压器带绕制装置的前端;也可以独立成线,对带材边部进行滚压。辊子为随动辊(由带材带动),可以根据带材的厚度和状态通过液压缸调节其压紧力。这种处理装置结构简单、投资少、易于安装、工具使用寿命长、维护费用低,且对带材板形的要求不高,省去了重新开卷和卷取工序,可减少擦划伤和头尾几何废品,同时还可以在气垫炉、清洗机列、酸碱洗机列等设备上使用,满足不同工艺流程的边部处理要求。其缺点是:不能完全消除边部毛刺、尖角,无法实现理想的圆角、圆边,滚压后边部会出现轻微硬化;控制精度低,容易造成边部碎浪,且由于滚压会产生一定的塑性变形,可能会因此产生宽度变化而造成超差;由于将毛刺压倒或压入带材基体,在变压器使用过程中由于振动、发热毛刺会重新翘起,刺破绝缘层造成局部放电。因此,从根本上看,传统的滚压法无法生产出高精度的变压器带。
图2为国外某公司采用的非辊式滚压法。其上下滚压刀盘随带材的运动而转动,上下刀盘对带材边部的压力可调,通过调整垫片的厚度可处理不同厚度的带材。这种方法的处理效果与传统锥辊式滚压法基本相同。
2.2 刮削法
刮削法是利用一组或多组成型刀具对带材边部进行机械式切除,切掉多余金属,实现边部无毛刺,并
达到需要的边部形状(圆角、圆边等)。目前国外处理018mm以上的变压器带多采用这种方法,处理生产线的速度可达到80～150m/min,甚至更高。
刮削法一般采用单独的生产线来实现,称为修边机组。其主要设备组成为:开卷机、夹送装置、焊接机、矫平机、刮削处理机、收屑装置、液压剪、张力系统、卷取机;辅助设备:自动控制系统、刀具冷却润滑系统、液压系统等。以下对其主要设备加以介绍。
2.2.1 焊接机
为了连续生产及减少几何损失,提高处理效率,一般修边机组都配置有氩弧焊接机。
2.2.2 矫平机
对于刮削法来说,带材的板形非常重要,否则可能会造成处理不连续或边部撕裂等缺陷。因此,修边机组一半都有7辊或9辊带材矫平装置。
2.2.3 刮削处理机
大部分刮削处理机都采用多组刀具,通过多次小量刮削实现边部修整。一方面,可防止大进刀量造成边部撕裂、损坏刀具;另一方面,可防止机械热过高造成边部氧化变色。一般为2组、3组、5组、7组,最多达到9组刀具。处理过程中前面的刀具进刀量相对较大,后面的刀具逐渐减少。刮削后还要对边部进行抛光,这是因为刮削过程中非常容易出现二次毛刺。各组刀具进刀量的控制精度要求非常高(01001mm),因此对设备的调整机构和控制系统要求很高。
2.2.4 刀具及快速换刀机构
为了防止粘刀和刃口迸裂,提高刀具的使用寿命,刮削刀具大多采用硬质合金制造,且刃口经过特殊的镀层处理,增加刀刃的耐磨性。为便于安装,刀头安装在专用的刀架上。由于边部修整速度一般都在80～150m/min,刀具消耗量较大,因此快速换刀机构必不可少。目前国外使用的刀片多为方形,且四边各有多个刃口,一方面可以提高刀具的使用效率,另一方面是考虑到快速换刀,通过专门的装置旋转刀片方向,新的刃口可以很快地投入使用,整个过程仅需要几秒钟。图3所示为国外某厂家设计的一种刀片。
2.2.5 刀片冷却与润滑装置
如果刀片在工作过程中发热大,势必会影响刀具的使用效果,所以还要对刀片进行冷却。刀片冷却一般采用风冷。也有采用润滑油冷却的,同时也起润滑作用,减少刀具的磨损。但润滑液不能污染板面,要求易挥发、无残留,因此最好不采用油冷却。
2.2.6 收屑装置
生产线要有专门的铜屑收集装置,一般采用真空抽吸,防止铜屑影响带材表面质量。
2.2.7 刮削控制模式
刮削深度的控制模式有两种。第一种模式是通过刀具压力载荷预先设定切削深度,即刮削深度始终保持不变,既使宽度发生变化或板形成拱形;第二种模式是采用刀具调整机构,这种方法有利于刮削,宽度尺寸精确。
图4为刮削法修边机组示意图;图5为刮削法修边机组现场照片。
刮削法是目前最先进的金属带材边部处理方法,不但能去除全部毛刺,而且可以按照用户要求修正边部形状,满足高精度变压器带的要求。目前国外变压器带材边部处理多采用这种方法,但机组设备复杂、机构精密、控制精度高、投资较高(230～260万欧元)、刀片价格昂贵、磨损快、使用成本高。此外,对板形的要求很高,适合处理板形为10～20I的带材。目前国内铜带轧机大多没有配置板形仪,板形达不到这样高的水平。
3 三位一体滚压法
三位一体滚压法是结合目前国内变压器带的生产实际,在传统滚压法的基础上开发研究出的边部处理新技术。通过对带材边部的滚压,使边部发生微小的塑性变形,形成倒角边;再对倒角边进行挤压修整,以消除倒角尖角;控制带材宽度,完成边部去毛刺和边部修整,达到良好的边部外形。
3.1 装置特点
三位一体滚压法较传统辊压法有较大的改进,由一位处理改为三位立体处理即由简单处理变为精制处理,不仅可以消除边部毛刺,而且可基本实现圆角边,满足高精度变压器带的质量要求。特别是增加了边部挤压工位,使压倒的毛刺不易翘起,实现边部圆滑过渡,同时解决了在滚压过程中出现的小量宽展,带材宽度精确。设备简单、结构合理、简便操作、便于维护;处理速度快,可以达到100～120m/min;对板形要求不高,非常适合我国铜板带生产企业;体积小,可直接安装在纵剪、气垫炉、清洗等生产线的卷取张力区(具有边部处理所必须的稳定张力),与刮削法相比减少了二次开卷和卷取,可提高生产效率和成品率。
3.2 处理效果
表1、表2分别为由自行研制的三位一体滚压装置和德国刮削设备处理后带材边部形状及毛刺的检测结果。可以看出,三位一体滚压法毛刺可以达到01006mm以下,边部为圆角边;而刮削法可以达到010001mm以下,边部形状为直角边、圆角边,甚至可以达到圆边。
4 国内带材边部处理技术的发展状况
目前,国内干式变压器带生产厂家有100余家。随着国家对电力建设投资力度的加大,干式变压器面临着重大的发展机遇,由此带动变压器带材消费的快速增长。据有关部门统计,2004年需求量约为312万吨,并以每年20%的速度递增。边部毛刺及形状是制约国内铜带生产企业抢占市场的关键,应受到足够的重视。
边部去毛刺及形状处理技术是一项尖端技术,国际上每年都要召开该项技术的研讨会。由于国外对该技术的严密封锁,目前国内变压器带大部分仍停留在简单的滚压式边部处理上,虽然一些企业对带材边部处理的方式、技术作了一些探索,但效果均不理想。
中铝洛铜作为国内变压器带最大的生产企业,通过长期研究已开发出三位一体的边部处理技术,处理
的变压器带已超过2万吨。处理后的带材边部为倒角边,光滑、无毛刺,使用效果良好,得到用户的好评。该技术处于国际先进、国内领先水平,填补了国内空白,并已申请了专利。目前,中铝洛铜正在对其进行自动化方面的改进,改进后的装置控制精度更高,操作更简便、直观。
随着变压器带的应用领域由干式变压器向油浸式变压器发展,变压器带迎来了更广阔的发展空间。边部处理技术和装备将成为变压器带生产企业抢占这一市场的重要法宝
