变压器铜带

37.3变压器带随着电力工业的发展，单台变压器的容量日益加大。因此，电力行业按照增加容量、节约材料、提高劳动生产率、降低成本、缩小使用体积的原则，对变压器的结构提出改进要求，以提高变压器运行效率和可靠性。传统的变压器采用的为导线绕组结构形式的变压器（油浸式变压器）,而由纯铜带材绕制而成的箔带绕组结构形式的变压器（干式变压器），因具有：极高的动、热稳定性、尤其是在短路状态更为明显；空间利用率高；制造工艺简单、可自动绕制，便于实现机械化生产，缠绕效率高；热分布均匀、体积小，重量轻、容量大，节省材料、节能效果好、空载损耗小、散热性能好、易焊接、无轴向力，使用寿命长、无污染，终身免维修等诸多优点，已经在输配工程中得到广泛应用,并将逐步取代导线绕组结构的变压器。相应的，用于高压绕组的铜带称高压带，用于低压绕组的铜带称低压带。目前已采用的有高低压侧均采用铜带绕制的干式变压器，也有高压侧用铜线、低压侧用铜带的干式变压器。还有油浸式变压器中低压侧也用铜带来绕制。37.3.1产品要求（1）变压器产品常用牌号、国家标准、国际标准国外的变压器铜带基本采用无氧铜，国内由于生产能力的限制和降低生产制造成本的要求，较为普遍地使用普通紫铜，但对某些显著影响导电性能的杂质元素如Fe、P等进行严格控制，以保证产品的导电性能。中国、日本和美国锌白铜板带产品标准的近似对照关系见表1表1变压器带产品标准的近似对照关系国家标准化学成分GB/T5231日本标准美国标准TU1C1020C10200T2*----C1200C12000注：用于导电的T2，其磷含量应≤0.001%。（2）产品的规格及状态状态：M规格：0.1～2.5×14～1200，其中一般窄薄带用于高压侧，宽带用于低压侧。（3）性能要求产品的性能要求见表2。表2变压器带的性能要求牌号状态抗拉强度RmMpa断后伸长率A11.3%维氏硬度HV电导率%IACS不小于不小于TU1M1953545～65100T298（4）带材侧边弯曲度应不大于2mm/m。（5）产品边缘分为三种：剪切边、圆角和圆边。a.带材的剪切边应切齐，无裂边和卷边。厚度不小于0.4mm的带材，其边部毛刺应不大于0.05mm，厚度小于0.4mm的带材，其边部毛刺应不大于0.03mm。b.圆角如图1所示。带材边部不应有尖角、粗糙或凸出的边棱。c.圆边如图2所示，A点允许为尖角，但不应为粗糙或凸出的边棱。图1图2（6）带材要求板形平直，表面光滑、清洁，无缺陷。37.3.2、工艺流程变压器带材产品的生产方式有两种：半连续或全连续铸造（或铁模铸造）-热加工生产方式和水平连铸-冷加工生产方式。前者是目前成熟的工艺，适用于大规模生产方式。国外先进的变压器带材生产工艺为：大规格、连续铸造、大加工率轧制的高效率生产方式，其单块锭坯重量可达到25吨。国外某公司的生产工艺及流程如下：铸锭（320×1300×11000mm）→步进炉煤气加热，开始轧制温度860℃→ф930×2080热轧机，轧至14-16mm，水冷，单卷重量25（41）吨→双面铣，边铣，铣削厚度0.4～1.0mm→ф1600mm轧机冷轧……分条、切边→成品轧制→罩式炉（或气垫炉退火）→成品因变压器带材的品质要求较高，故应选用先进的工艺及设备来保证产品质量。37.3.3关键技术（1）带材的导电率控制a、微量杂质元素对铜的导电性能的影响磷：紫铜生产中最常用的脱氧剂为沉淀型脱氧剂Cu-P中间合金，它具有良好的脱氧效果，脱氧效率高且较为彻底，同时磷的加入增加了铜熔体的流动性，但严重影响材料的导电性能，表3为磷对带材导电率的影响。因此，变压器铜带要求基体中磷的残余量应低于0.001%。表3磷含量对导电率的影向合金牌号化学成分，%成品带材导电率CuPT299.960.00198.9799.970.00198.9499.960.001596.8299.960.003094.8899.920.005593.5599.920.01494.3氧：氧的存在，尤其是和其它杂共存时，对铜的性能影响较为复杂。微量氧可氧化高纯铜中固溶的微量杂质，使固溶于铜的杂质量减少，提高铜的导电性。氧和紫铜中其它主要杂质元素共存时对铜导电率的影响见表3。表3氧和紫铜中其它主要杂质元素共存时对铜导电率的影响杂质氧含量导电率备注名称含量铁0.00007无100氧使铁呈Fe2O3析出，提高铜的导电率0.05无75.30.00007铜在850℃氧扩散饱和102.20.05同上99.9磷0.0008无99.55氧可氧化固溶于铜中的磷，提高铜的导电率0.020无88.550.0008铜在850℃氧扩散饱和100.00.020同上100.2当与其它元素共存时，氧的存在可以提高制品的导电率，但其制品对加工过程中气氛控制、使用过程的焊接条件均有一定的要求，且可能会造成成品带材的表面缺陷，尤其是对薄带材。在生产过程中，不管采用半连续铸造或是连续铸造方式，都应避免合金熔炼过程中的氧化物夹杂及过高的含气量。b、密度对带材导电率的影响（2）带材的边部质量控制技术包括边部剪切质量和边部处理为圆角或圆边技术。根据剪切理论，带材剪切过程中的变形可分为塑性变形过程和撕裂变形过程，在塑性变形过程中其变形区为均匀光滑面，而在撕裂变形区则表现为金属的撕断，这是毛刺产生的过程，即剪切过程中产生的毛刺均为单向垂直毛刺。因此毛刺的去除应针对剪切中毛刺产生的特点，结合用户的使用要求进行工艺及装备的设计。对于一般要求的带材可通过控制带材的剪切质量来控制带材剪切后的边部毛刺，而对于要求较高的变压器带材，除需控制剪切质量外，对边部需进行专门的处理。带材的边部处理技术是一个世界性的难题，尤其是软态的紫铜带材。解决带材的边部毛刺应从工艺和装备两个方面进行改进。工艺上可对不同规格的带材采取不同办法。一般厚成品带材采用先退火后剪切的方式，一方面轧制过程中带材表面残留的油或乳液通过退火工序裂解、挥发，可以减少对剪切系统的污染和带材的腐蚀；另一方面通过剪切工序毡垫或无纺布等的擦拭，可以减小成品带材在退火过程带来的表面污染。中等厚度的宽规格成品带材采用先分切后退火的方法，以减小软态带材剪切过程产生的毛刺高度。对于窄薄带的生产为提高生产效率，一般采用先退火后剪切的方法进行生产。通常变压器带的剪切须在装备良好的圆盘剪上进行。在剪切过程应重点关注剪刃间隙、剪刃重叠量、橡胶环配置、剪切速度以及剪切过程中的开卷和收卷张力等工艺因素，以最大限度减小边部毛刺。对于要求圆角或圆边的特殊产品，则需有专门的技术及装备来解决，而良好的原始剪切边部质量、带材尺寸公差精度、板型是实现边部处理的前提。目前在钢带的边部处理上采用刮削法已取得了一定的成功。处理的的思路为，厚带材（厚度大于0.5mm）采用机械方式修成圆角或圆边，薄带（厚度小于0.5mm）通常是严格控制剪切质量，同时在剪切后附加多辊矫平系统，将边部毛刺进行压平，以减小垂直毛刺。37.3.4变压器带材生产主要工序工艺参数设计变压器带材生产主要工序工艺参数设计依据合金相图、合舍特性、高温性能曲线、硬化曲线、软化曲线以及晶粒度与温度时间关系曲线。（1）熔铸工艺a、无氧铜熔炼、铸造工艺及要求无氧铜的熔铸工艺要点为“精料密封”。除了严格控制高纯阴极铜的质量外，入炉前还应对阴极铜表面进行预热烘干处理，选用质量良好并经筛选和充分锻烧后的木炭，优质的铸造保护剂或保护气体；在熔铸操作中，要尽量减少装料次数，及时关闭炉门炉盖，木炭覆盖保护及时，保证厚度在200～300mm；采用密闭流槽进行熔体的转炉；熔炼过程应保证有充分的精炼过程；在铸造过程无氧铜采用优质烤红的烟灰或经脱水处理的发生炉煤气进行保护。其主要工艺参数见表4。B、导电T2紫铜的熔炼、铸造工艺及要求在高温时，液态铜中可以溶解大量的氧。随着铜中氧浓度的升高，熔体的粘度增大。图6为不同温度下0.02%到0.2%（质量百分比）含氧量对铜的粘度的影响。铜的粘度的提高可以解释为在液态铜中生产一种铜-氧铬合物，它们增加了液态铜质点的内部磨擦力。紫铜的液态流动性主要决定于温度和脱氧程度。在温度一定的情况下，随着粘度的提高，熔体的流动性将趋于变坏，从而影响其铸造性能。铜加工1990年铜和铜合金熔炼专辑P2图3、4、6、27图6紫铜生产中出炉前一般采用磷铜中间合金进行熔体的脱氧除气，以保证铸锭的致密性。要控制熔体中的氧含量，得到组织致密、无缺陷的铸锭，同时又想保证成品带材的导电率，可以采取严格控制磷铜中间合金的加入量，并分次加入的方法控制最终的残磷量。（2）铸造工艺及要求在半连续生产过程中，应防止铸造过程中的二次吸气。脱氧铜在浇铸过程中，如不进行保护，仍可吸收0.01%的氧。因此应采用埋管式浇铸，液面采用烤红烟灰或脱水发生炉煤气保护，操作中注意看稳液面，同时必须对引锭托座进行烘烤。表4无氧铜半连续铸造无氧铜连续铸造紫铜原料高纯阴极铜，剪四边高纯阴极铜，剪四边标准阴极铜熔炼温度脱氧剂Cu-P中间合金Cu-P中间合金Cu-P中间合金铸造温度铸造速度冷却水压（3）加工a、加热及热轧热轧采用大规格铸锭，可极大地提高带材的生产效率和成品率，生产出较大卷重的带材，同时总的热变形程度大，成品带材的组织及致密度较好。无氧铜C10200和含磷量小于0.01%的T2铸锭高温性能如图7和图8所示。020406080100120140160010020030040050060070080090010000.08.817.626.435.244.052.861.6RmRp0.2ZA图7C10200铸锭高温性能T2高温力学性能030609012015018001002003004005006007008009001000温度MPa0153045607590RmRp0.2AZ图8含磷量小于0.01%的T2铸锭高温性能从图7和图8可以看出，无氧铜和紫铜均在400～600℃的高温区内呈现脆性，研究表明这是杂质氢或磷引起的。因此氢和磷均为表面活性元素，易吸附在铜的晶界上，引起高温脆性。实践证明：采用铜豆少（含氢也少）的电解铜，可提高铜材的高温塑性。而用0.03%Si加0.01%Mg脱氧的，则没有明显的脆性区。。为提高生产效率、减少氧化损失、保证带坯的正常轧制，在设备状况允许的情况下一般采用“高温、快速、均匀、中性或微氧化气氛”条件进行锭坯的加热。（1）加热温度铜在高温下的氧化速度随温度的升高而显著加快，生成致密的红色Cu2O膜，不形成CuO，因为CuO在高温下会分解为游离氧和Cu2O。无氧铜在高温加热过程中，氧会通过渗透渗入铜的表面层内。当加热60分钟时，加热温度为750℃，氧的渗透深度为0.19mm，850℃时渗透深度为0.42mm，900℃时渗透深度大于1.45mm。因此加热制度的选择应避免氧的大量渗透。（2）加热时间加热时间包括升温和保温时间，以保证料温均匀热透的情况下，尽量缩短加热时间，以减轻表面氧化，避免轧制过程中的氧化皮压入，防止过热、过烧及晶料粗大，并降低烧损，节约消耗，提高生产效率。一般采取适当提高加热温度，高温装炉。锭坯各部位的温差应不超过10～15℃。（3）加热气氛紫铜铸锭由于合金中微量的氧的存在，为避免产生“氢脆”，引起热轧开裂，实际生产中一般采用中性或微氧化性加热气氛。无氧铜的加热采用中性或还原性气氛。气氛的控制通常通过调节空气和燃料比例、燃烧程度等方法来进行。变压器带材热轧前的加热制度如表所示，表合金牌号加热温度，℃加热时间h开坯温度℃轧终温度℃熔点温度℃加热段温度保温段温度C10200T2850～950850～9202.5～3820～850550～6501084（4）热轧由于变压器带用纯铜的塑性良好，其总加工率可达到90%以上。可根据设备能力及成品要求确定总加工率和道次加工率。热轧机2φ850×1500轧制制度如表。表2φ850×1500热轧机轧制制度合金锭坯尺寸（h×b×-）mm终轧尺寸（h×b×-）mm道次最大道次数道次分配mm压下量mm加工率%C10200120×620×—12×640×—30407120-100-75-50-32-20-14-1