Введение

Кабельная продукция используется во многих отраслях промышленности – в электроэнергетике, машиностроении, строительстве, сельском хозяйстве и на транспорте.

Характер использования этой продукции определяет номенклатуру кабельных изделий, которая очень обширна и включает в себя более 20 000 изделий.

Технологию изготовления кабельного изделия можно условно разделить на три основных процесса:

– получение токопроводящей жилы (ТПЖ), обычно в виде проволоки необходимого сечения с требуемыми свойствами;

– изготовление изоляции;

– изготовление собственно изделия (наложение изоляционных и различных защитных покрытий на ТПЖ и соответствующий монтаж изделия).

Производственный цикл современных кабельных заводов начинается с металлообрабатывающих цехов: прокатного и волочильного.

Основными исходными материалами кабельной промышленности являются металлические слитки (медь, алюминий, свинец, сплавы) или катанка, изоляционные материалы (лаки, бумага, пластмасса, каучук и др.) и защитные материалы (битум, мел, стальная лента и др.).

Слитки поступают в прокатный цех, нагреваются в специальных печах до необходимой температуры и прокатываются за несколько проходов на прокатном стане. Продукция прокатного цеха – медная или алюминиевая катанка, подкат или заготовка для шин и коллекторной меди – передается в волочильный цех.

В волочильных цехах из катанки получают проволоку. Часть продукции волочильных цехов является готовой кабельной продукцией: троллейные провода, шины, коллекторная медь. Остальная проволока передается в цеха, где производятся наложение изоляции, скрутка и наложение защитных покрытий [2]. Расширение производства электрических машин, аппаратов и приборов требует увеличения выпуска обмоточных проводов. Особое место занимает производство эмалированных проводов, в основном нагревостойких.

Одним из важных направлений в этой области является развитие производства тончайших проводов, что связано с микроминиатюризацией радиотехнической и электронной аппаратуры.

Особое внимание на кабельных заводах уделяется совершенствованию технологии производства, применяемого технологического оборудования, внедрению методов испытаний, позволяющих прогнозировать надежность выпускаемой продукции.

1. Производство проволоки

1.1. Металлы, обрабатываемые в кабельной промышленности

Металлы подразделяются на черные и цветные. К первым относятся железо и его сплавы с углеродом – сталь, чугун. Все остальные металлы – медь, олово, свинец, алюминий и др. – цветные.

Свойства некоторых цветных металлов, применяемых в кабельной промышленности, приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Свойства цветных металлов

Свойства	Медь	Алюминий	Константан	Манганин
Плотность, г/см3	8,9	2,7	8,9	8,4
Предел прочности при растяжении в мягком состоянии, кгс/мм2	22–24	8,0	40–50	50–55
Удельное электрическое сопротивление при 20 ºС, Ом·мм2 /м	0,017	0,028	0,48	0,43
Температура плавления, ºС	1083	658,7	1260	1010

Основной проводниковый материал – медь. По электропроводности она превосходит все другие металлы (за исключением серебра), что позволяет обеспечивать минимальные габариты обмоток электрических машин, аппаратов и приборов.

Чистота применяемой меди имеет большое значение. Различные примеси даже в ничтожных количествах резко снижают проводимость меди и ухудшают ее технологические свойства.

Кислород находится в меди в виде закиси Cu₂O, которая снижает пластичность меди, создает хрупкость при перегибах и повышает предел прочности. Медь, содержащая больше 0,1 % кислорода, легко разрушается при горячей прокатке, плохо поддается пайке. При нагреве в восстановительной атмосфере медь, содержащая кислород, становится красноломкой, т.е. хрупкой, и растрескивается. Объясняется это «водородной болезнью» меди. При высокой температуре (800–970 ºС) водород, окись углерода и метан, которые входят в атмосферу печи, восстанавливают закись меди. Происходят реакции, при которых образуются водяные пары и углекислота:

Cu₂O + H₂ = 2Cu + H₂O,

Cu₂О + CO = 2Cu + CO₂.

Эти газы выходят на поверхность слитка и образуют микроскопические трещины в поверхностном слое металла. Через трещины восстановительные газы постепенно проникают в более глубокие слои слитка. Это в конечном итоге может привести к разрушению слитков.

Одной из вреднейших примесей в меди является висмут. Он вызывает красноломкость и хладноломкость. Для горячей прокатки допускается медь с содержанием висмута не более 0,005 %. При содержании висмута 0,25 % медь крошится в порошок.

Фосфор присутствует в меди как остаток фосфористого раскислителя. Он обладает значительным химическим сродством к кислороду и поэтому добавляется в медь только в качестве специальной присадки для раскисления. При присадке фосфора к меди в количестве, большем, чем необходимо для связывания кислорода, избыток фосфора образует твердый раствор с медью, что снижает ее проводимость.

Свинец также является вредной примесью. Он вызывает разрушение меди при горячей обработке, его содержание не должно превышать 0,005 %.

Железо понижает электропроводимость меди, его содержание в меди должно быть не более 0,005 %. При содержании в меди 0,05 % железа проводимость ее уменьшается на 15 %. Под влиянием железа измельчается структура, задерживается рекристаллизация, повышается прочность и ухудшаются антикоррозийные свойства меди.

Резко снижает пластичность меди при горячей и холодной прокатке сера. В меди, идущей для кабельной продукции, серы содержится не более 0,002 %.

Примеси оказывают неблагоприятное влияние на механические и электрические свойства меди, поэтому медь с содержанием примесей более 0,1 % в кабельном производстве вообще не применяется.

Лучшими параметрами с точки зрения применения в производстве обмоточных, в первую очередь эмалированных, проводов обладает бескислородная медь. Она превосходит обычную медь по пластичности и обеспечивает получение проволоки с лучшим качеством поверхности.

В соответствии с ГОСТ 859–78 медь по химическому составу разделяется на несколько марок. В кабельной промышленности используется только медь повышенной чистоты марок не ниже М1, М00к, М0к, М0ку, М00б, М0б, М1к, М1б, М1у. Не применяется медь марки М1ф с повышенным содержанием фосфора (0,012–0,06 %), а также М1р (раскисленная фосфором и содержащая его в количестве 0,002–0,012 %).

Индексы при марках имеют следующие значения: к, ку – катодная медь; б – бескислородная медь; у – катодная переплавленная; р, ф – раскисленная.

Цифры 00, 0 и 1 определяют содержание меди. Наибольшее содержание меди (99,9–99,99 %) имеют марки М00к, М00б.

На кабельные заводы медь поступает в слитках (вайербарсах) трапецеидальной формы со скошенными концами, а бескислородная – в слитках прямоугольной формы с закруглениями на углах. Формы медных слитков показаны на рис. 1.1.

а

б

Рис. 1.1. Форма медных слитков (ГОСТ 193–79): типа СВ (а), CH и CC (б)

Трапецеидальные слитки отливаются в горизонтально расположенные изложницы, открытые сверху, так что поверхность меди не защищена сверху от окисления и контактирует с воздухом. В результате при кристаллизации поверхность слитка становится морщинистой, «рожистой». Это связано с тем, что насыщенный кислородом слой меди имеет большую усадку при остывании, чем основная масса слитка. Наличие «рожистой» поверхности затрудняет получение при последующих операциях прокатки и волочения медной проволоки с высококачественной поверхностью. Поэтому для получения эмалированных проводов используются строганные слитки, у которых верхний слой снимается на глубину 8–12 мм. По химическому составу медные слитки горизонтальной отливки должны соответствовать меди не ниже марки М1, причем содержание кислорода не должно превышать 0,06 %.

Бескислородная медь, поставляемая в слитках вертикального исполнения, не имеет сильно окисленной поверхности. По химическому составу она должна соответствовать меди не ниже марки М0б. Слитки вертикальной отливки более однородны по содержанию кислорода и пористости, по механическим свойствам.

В соответствии с ГОСТ 193–79 для кабельной промышленности выпускаются медные слитки следующих марок:

СВ – вертикальной непрерывной отливки;

СН – горизонтальной отливки, с неудаленной верхней поверхностью;

СС – горизонтальной отливки, с удаленной верхней поверхностью.

Размеры медных слитков приведены в табл. 1.2 [2].

Таблица 1.2

Размеры медных слитков, мм

Марка слитка	Длина L	Ширина В	Высота Н
СН	1372	98	92–102
СС	1360	110	100
СВ-I	1400	100	100
СВ	2800	100	100

Вторым по значению металлом в производстве обмоточных и эмалированных проводов является алюминий.

Алюминий – металл серебристо-белого цвета, обладает низким удельным весом, высокой проводимостью. В чистом виде алюминий имеет очень хорошие пластические свойства. Отличительной особенностью алюминия является хорошая коррозионная стойкость. Тонкая окисная пленка защищает металл от дальнейшего окисления. Железо и кремний снижают пластичность и проводимость алюминия (железо делает его хрупким и снижает его химическую стойкость, кремний упрочняет его).

Для производства обмоточных проводов применяется алюминий технической чистоты марок А5Е и А7Е по ГОСТ 11069–74. В нем содержание марганца не более 0,01 %, магния не более 0,02 %, мышьяка не более 0,015 %. В алюминии марки А5Е допускается содержание кремния не более 0,12 % и других примесей (титан, ванадий, марганец, хром) не более 0,01 %.

Удельное электрическое сопротивление алюминия в 1,62 раза выше, чем меди. Поэтому сечение алюминиевой проволоки с электрическим сопротивлением, равным сопротивлению медной проволоки, должно быть в 1,62 раза больше, а диаметр в 1,27 раза больше, чем сечение и диаметр медной проволоки. При этом алюминиевая проволока будет в два раза легче медной [1].

Алюминий поставляется в слитках с примерными размерами 1001002700 мм, весом до 76 кг. Однако в настоящее время для производства проводов в основном используется катанка, получаемая непосредственно из жидкого металла методом непрерывного литья и прокатки. Катанка поставляется в больших бухтах весом до 1500 кг.

Низкое удельное сопротивление меди, ее высокие механические характеристики, хорошая свариваемость, возможность пайки, способность подвергаться лужению, возможность покрытия ее серебром ставят медь на первое место в ряду других материалов. Но содержание меди в земной коре – около 0,1 %, а алюминия – 7,5 %, поэтому в связи с дефицитностью меди широко применяется алюминий.

Мягкие отожженные медь и алюминий идут на изготовление проволоки; полутвердые – на изготовление продукции, для которой необходима определенная механическая прочность; твердотянутые – на изготовление изделий, которым приходится выдерживать высокие механические нагрузки и которые не допускают никаких деформаций.

В кабельной промышленности находят также применение сплавы меди с элементами, позволяющими улучшить механические характеристики меди, сохранив удельную проводимость, близкую к проводимости чистой меди.

Медь с серебром (до 0,14 % Ag) используется при изготовлении коллекторных полос, медь с кадмием (0,7–1 %) – при изготовлении контактных проводов железных дорог, троллейбусных линий и т.д. [2].