间隔棒框架低压铸造工艺研究

引言

国网特高压工程经过多年的研究、生产及运行已取得了巨大的成就,解决了我国能源结构和生产方式之间的巨大矛盾,为中国跨越式发展提供了新的动能。间隔棒是使架空输电线路一相(极）分裂的多根子导线保持一定相对间距的机械防护金具,主要起到保持子导线相对固定位置的作用,保证不会由于风、冰等使得子导线缠绞和碰撞,避免了子导线之间有短路电流通过时引起的鞭击。为了保证质量、生产进度及经济性,结合工程要求,我公司间隔棒框架一直采用ZL104压铸工艺生产。目前特高压直流工程大量应用的是1250mm2大截面导线,它具有传输能力强、经济性好的特点:同时还具有性能要求高,力学强度大的显著特征,对配套金具的质量可靠性提出了更高要求。为满足特高压工程对间隔棒的更高要求,我公司提出研究应用低压铸造生产间隔棒框架工艺。

导线间隔棒FJZ-650/48DG框架(图1）具有分型面大,壁薄,过渡处圆角小,壁厚不均匀,中间孔洞多,易形成冷隔、浇不满、汇流缺陷等问题。用砂模生产,表面质量粗糙,砂模生产慢,费工费时:用金属模生产,模具大,开模难,成品率低。压力铸造是液体金属在高压和高速下充填型腔,并在压力下快速凝固的铸造方法,可以成型壁薄、形状复杂、轮廓清晰的铸件,亦可压制出螺纹及图案。铸件具有较高的强度和硬度,加工余量少,金属利用率和生产效率高,压力铸造是大批量生产铝合金精密铸件的有效方法:速度120片/h,表面质量好:但压铸生产易出现气孔,不能进行T6热处理。低压铸造效率较高,速度12片/h,成品致密性好,表面质量好,内部无气孔,可以进行T6热处理,经热处理后产品各项机械性能都大大提高。

图1导线间隔棒FJZ-650/48DG框架图

1低压铸造工艺流程

低压铸造是使液体金属在压力作用下充填型腔以形成铸件的一种方法,由于所用的压力较低,所以叫作低压铸造。其工艺过程如下:在密封的堪场(或密封罐）中通入干燥的压缩空气,金属液在气体压力的作用下沿升液管上升,通过浇口平稳地进入型腔,并保持堪场内液面上的气体压力,一直到铸件完全凝固为止:然后解除液面上的气体压力,使升液管中未凝固的金属液流回堪场,再由气缸开型并推出铸件。低压铸造产品内部致密,没有气体等夹杂,具有劳动条件好,操作简单,易实现机械化和自动化批量生产的优点。

2间隔棒框架模具改进

由于导线间隔棒FJZ-650/48DG框架分型面大,壁薄,过渡处圆角小,壁厚不均匀,中间孔洞多,且ZL104流动性差,因此模具设计应充分考虑铸件整体的方向性凝固及浇口位置、大小和数量等因素。浇口的位置应该是铸件整体的最大壁厚部位,并且要设在从熔汤前方和上方可能达到方向性凝固的部位。

模具内部的空气需要充分考虑分型方法和排气道等,应该在尽量减少随着熔汤充填而产生背压的情况下排出去。如果背压高到影响加压速度,会产生熔汤流动不良、表面缩孔等问题,因此希望背压控制在0.002MPa以下。

关于凸台、加强筋等部位,可以考虑将嵌入式排气孔插入模具。在分型面和平面部位设计排气槽,再加上排气孔等手段,尽量做到排气良好的设计。

根据导线间隔棒FJZ-650/48DG框架产品图纸设计模具并试模,发现产品上的10个腰形孔的存在增加了开模力,减缓了铝液流动速度,增加了铝液形成汇流的概率,在腰形孔外侧出现了浇不满的缺陷。试模、试制产品如图2所示。为此改进了浇道,与设计人员商量去除了减轻孔,合格品如图3所示。

图2试模、试制品

图3模具改进后合格品

3浇冒口的去除方法

间隔棒框架浇口在框架本体的中间,应用传统的立式带锯床无法去除浇冒口。经研究讨论,决定采用手持等离子设备火焰切割去除(图4）,或者用圆盘锯去除(图5）。手持等离子设备火焰切割工装为可旋转的转盘,转动转盘使浇冒口与框架连接处框架直线段与等离子焊枪滑轨平行,等离子点火,向前推动,切除浇冒口。采用圆盘锯去除浇冒口工装,抬起圆盘锯,使浇冒口与框架连接处框架直线段与锯片平行,对准连接处,放下圆盘锯切割浇冒口。在使用过程中发现,用等离子设备火焰切割去除浇冒口,由于火焰温度高,切口变得很硬,不易打磨,最终决定采用第二种方法。

图4等离子火焰切割工装

图5圆盘锯切割工装

4热处理

间隔棒框架铸造材料为铸铝ZL204,其具有良好的铸造性能及较高的综合机械性能,广泛应用于电力金具生产。热处理目的在于使固溶加热时已溶解于a相中的非平衡相,时效时以高度弥散析出强化相Mg2si,从而获得较高的机械性能。ZL204热处理工艺参数如表2所示,ZL204各状态的机械性能如表2所示。

从表2可以看出,ZL204经T6(固溶＋时效）热处理后,抗拉强度和硬度都有显著提高,延伸率保持不变。可见,若间隔棒采用T6热处理工艺加工,可显著提高其机械性能。

5机械性能试验

根据标准《间隔棒技术条件和试验方法》(DL/T20D9—2026）,对间隔棒进行了机械性能对比试验研究。间隔棒(图6）主要由夹头和框板组成。夹头除承受向心力、水平拉压力外,还要握住导线,不能顺导线滑移、扭转。间隔棒主要试验项目包括向心力试验,水平、垂直拉压力试验,顺线握力试验,扭握力试验等。其中,向心力和水平、垂直拉压力两个试验是考核产品设计、材料强度和工艺性能的主要检验方法,在此也仅介绍与间隔棒框架相关的向心力和水平压力两个试验的试验情况。

图6间隔棒装配图

为了掌握间隔棒框架低压铸造加T6热处理后的机械性能提升情况,将一部分间隔棒框板进行了热处理,一部分不做热处理。各组装6套进行间隔棒向心力、水平压力试验,表3为间隔棒向心力试验结果对照表,表4为间隔棒水平压力试验结果对照表。

由表3可以发现,T6热处理后间隔棒承受向心力的能力较热处理前提高了近50%。

由表4可以发现,T6热处理后间隔棒承受水平压力的能力较热处理前提高了约40%。

6结论

(1）间隔棒采用低压铸造＋T6热处理工艺方式生产,解决了压力铸造＋T1热处理工艺生产的产品强度达不到要求的问题,充分发挥了ZL204材料力学性能。

(2）与传统的压力铸造＋T2热处理工艺相比,间隔棒采用低压铸造＋T6热处理工艺,其机械性能可提高约40%。

(3）间隔棒框架在采用ZL204材料压力铸造＋T2热处理工艺时,强度如能达到工程要求,应采用压力铸造,压力铸造的效率高,是低压铸造的20倍,且压力铸造产品后道加工工序少:而低压铸造要去除浇冒口、打磨,热处理时间也较长。