Redaktor odpowiedzialny: dr hab. inż. WOJCIECH LIBURA, prof. nzw.

Transkrypt

1 ALUMINIUM PROCESSING Redaktor odpowiedzialny: dr hab. inż. WOJCIECH LIBURA, prof. nzw. TADEUSZ KNYCH ANDRZEJ MAMALA, BEATA SMYRAK PIOTR ULIASZ MIECZYSŁAW PACIOREK JAN KOLASA BOGUSŁAW ANTOS Rudy Metale R nr 3 UKD : BADANIA NAD TECHNOLOGIĄ WYTWARZANIA ODPORNYCH CIEPLNIE MATERIAŁÓW ZE STOPÓW AlZr PRZEZNACZONYCH NA PRZEWODY TYPU HTLS DO NAPOWIETRZNYCH LINII ELEKTROENERGETYCZNYCH Występujące w ostatnich latach kryzysy energetyczne (blockout), które dotykają Europę i Amerykę, wynikające z chwilowych przeciążeń prądowych sieci, przełożyły się na zainteresowanie materiałami na przewody nowego typu tzw. HTLS (High Temperature Low Sag Conductors). Ograniczenie obciążalności prądowej przewodu zawsze wynika z jego granicznej temperatury roboczej, tj., takiej temperatury, której ciągłe działanie powoduje degradację własności wytrzymałościowych. Tradycyjne przewody charakteryzują się temperaturą roboczą na poziomie maksymalnie +80 C, co przekłada się na obciążalności prądowe na poziomie do 3 A/mm 2. Od przewodów nowej generacji wymaga się gęstości, co najmniej, dwukrotnie wyższej. Przy typowej rezystywności materiałów na bazie aluminium na przewody (ok. 30 nωm) stan cieplny przewodu osiąga temperatury do 200 C. Wymaganiom takim sprostać mogą stopy na bazie aluminium z dodatkiem cyrkonu. W artykule przedstawiono analizę wymagań stawianych drutom na przewody HTLS oraz wybrane wyniki badań nad technologią wytwarzania walcówki AlZr i jej przetwarzania na druty. Technologia taka wdrażana jest w NPA Skawina (dawniej ZM Skawina). Słowa kluczowe: żarowytrzymałe stopy aluminium, stopy AlZr, obciążalność prądowa, COiW, obróbka cieplno-mechaniczna AlZr ALUMINUM THERMAL RESISTANT MATERIAL MAKING TECHNOLOGY INVESTIGATION DESIGNED FOR HTLS OVERHEAD LINE CONDUCTORS Well known in Europe and America energetic crises due to rapid current overload are basis for increase of interesting in new High Temperature Low Sag Conductor. Current carrying capacity limit is connected with boundary working temperature of conductor i.e. continuous temperature with cause s degradation of wire mechanical properties. Traditional conductors have boundary working temperature about +80 Celsius deg., with means 3 A/mm 2 current density. New generation of conductors should have about twice current carrying capacity. Typical resistivity of aluminum based conductor material is Dr hab. inż. Tadeusz Knych, prof. nzw. AGH, dr inż. Andrzej Mamala, mgr inż. Beata Smyrak, Piotr Uliasz Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Metali Nieżelaznych, Katedra Przeróbki Plastycznej i Metaloznawstwa Metali Nieżelaznych, Kraków, mgr inż. Mieczysław Paciorek, Jan Kolasa, mgr inż. Bogusław Antos Nowoczesne Produkty Aluminiowe NPA, Skawina. 147

2 about 30 nωm and temperature of conductor increase to +200 Celsius deg. These requirements discharge AlZr alloys. This paper presents requirements for HTLS conductor wires and selected results of rod and wire technical applications. Technology of making new kind of rod and wire is initiated in NPA Skawina. Keywords: thermal resistant aluminum alloys, AlZr alloy, Current carrying capacity continuous casting and rolling thermomechanical treatment Wprowadzenie Wzrost zapotrzebowania na energię elektryczną przekłada się na konieczność podwyższenia obciążalności prądowej istniejących linii elektroenergetycznych. Potrzeba taka wiąże się z trudnościami w rozbudowie istniejącej infrastruktury energetycznej. Budowa nowych linii wymaga bowiem uregulowania szeregu problemów prawnych i wiąże się na ogół, z uwagi na ich oddziaływanie na otoczenie, ze sprzeciwem lokalnych społeczności. Równocześnie największe zapotrzebowanie na energię lokuje się w terenach zurbanizowanych, gdzie z uwagi na gęstą zabudowę często brak terenów dla takich inwestycji. W efekcie wiele eksploatowanych obecnie linii pracować musi na pełnej wydajności. Przekłada się to na duże ryzyko dla stabilności całego systemu energetycznego. Chwilowe przeciążenia powodują wyłączenia linii, a pozostała część infrastruktury jest w takim przypadku również przeciążona i nie jest w stanie dystrybuować właściwie energii, skutkiem czego następuje lawinowe wyłączanie kolejnych segmentów całego systemu. Zjawiska tego typu leżały u podstaw znanych z ostatnich lat kryzysów energetycznych, które pozbawiały energii znaczne obszary Ameryki i Europy. Powyższe problemy eksploatacyjne elektroenergetyki wysokich napięć przełożyły się na zainteresowanie nową generacją przewodów tzw. HTLS (High Temperature Low Sag Conductors) [1]. Przewody takie umożliwiają oddalenie szeregu mankamentów tradycyjnych przewodów stalowo-aluminiowych. Obciążalność prądowa przewodu jest limitowana jego graniczną temperaturą roboczą, tj. taką temperaturą, której ciągłe działanie nie powoduje jeszcze znaczącej degradacji własności wytrzymałościowych. Własności te są dla przewodu kluczowe, bowiem w liniach napowietrznych przewód obok zadań elektrycznych przenosi również naciąg mechaniczny sięgający chwilowo nawet 80 % jego siły zrywania. Tradycyjne przewody stalowo-aluminiowe charakteryzują się wysoką masą i temperaturą roboczą na poziomie maksymalnie +80 C, co przekłada się na obciążalności prądowe na poziomie ok. 3 A/mm 2 i znaczne zwisy w przęsłach. Nowa generacja przewodów HTLS pozwala uzyskać obciążalności nawet dwukrotnie wyższe i dzięki specjalnie zaprojektowanym charakterystykom mechanicznym nie zwiększa istotnie zakresu zwisów. Przewody HTLS posiadać mogą konstrukcję bimetalową bądź jednorodną. W przewodach bimetalowych rolę rdzenia spełniać może wysokowytrzymała stal, inwar, kompozyty Al-Al 2 O 3, czy kompozyty z włókien węglowych, zaś jako płaszcz przewodzący wykorzystuje się specjalne, odporne cieplnie, stopy przewodowe na bazie aluminium. W przewodach jednorodnych, z kolei, wszystkie druty wykonane są z identycznego wysokowytrzymałego i odpornego cieplnie przewodowego stopu aluminium. Udział rdzenia nośnego oraz warstw przewodzących w przewodzie dobiera się w taki sposób, aby przy pewnej ściśle ustalonej temperaturze następowało odciążenie warstw ze stopu aluminium, a obciążenie mechaniczne przenosił rdzeń wykonany z materiału o niższym niż cały przewód współczynniku rozszerzalności cieplnej (stal, inwar, kompozyty). Dzięki temu zmiany zwisów w podwyższonych temperaturach są bardzo małe. Szczegóły dotyczące budowy, parametrów elektrycznych i mechanicznych, a także walorów eksploatacyjnych przewodów HTLS oraz charakterystykę odpornych cieplnie stopów przewodowych na bazie aluminium przybliżono Czytelnikom w Rudach Metalach 2004, nr 6, 7 [2, 3]. Wymagania stawiane drutom ze stopów AlZr na przewody typu HTLS Druty na przewody typu HTLS z natury powinny posiadać znakomitą odporność na działanie podwyższonych temperatur, porównywalną z aluminium bądź innymi stopami przewodowymi na jego bazie, przewodność elektryczną i wytrzymałość mechaniczną oraz odpowiednio wysoką odporność zmęczeniową, reologiczną i korozyjną. Chociaż znane są różne dodatki stopowe podwyższające temperaturę rekrystalizacji aluminium, jak np. Sc, Fe, Ni itp. to na skalę przemysłową opracowano i wdrożono odporne cieplnie przewodowe stopy AlZr. Zainteresowanie tą grupą stopów wynika z przyczyn ekonomicznych (konkurencyjna cena) i technologicznych (dostępność materiałów, warunki wytwarzania walcówki w liniach COiW i jej przetwarzania na druty, znakomite parametry użytkowe drutów). Pierwsze materiały tego typu opracowano w Japonii już w latach osiemdziesiątych XX w., gdzie z uwagi na znaczne uprzemysłowienie, problem deficytu energii pojawił się jako pierwszy. Podstawowe wymagania stawiane takim drutom przedstawiono w tablicy 1. Tablica 1 Własności odpornych cieplnie przewodowych stopów aluminium (dla drutu o średnicy 4,5 mm) według danych japońskich [4] Materiał Table 1 Thermal resistant aluminium alloys properties (4.5 mm diameter wire), Japan data [4] R m MPa A % ρ nωm T gr. rob. C 58 TAl , TAl , AUTAl , XTAl , KTAl , ZTAl , Tablica 2 Własności odpornych cieplnie przewodowych stopów aluminium według propozycji IEC; zakres średnic 2,6 mm 4,5 mm [5] Materiał Thermal resistant aluminium alloys properties due to IEC standard; wires 2.6 mm 4.5 mm [5] γ g/cm 3 α T 1/K ρ nωm α R 1/K R m MPa Table 2 A % T gr. rob. C AT1 2,703 0, ,74 0, ,5 2,0 150 AT2 2,703 0, ,35 0, ,5 2,0 150 AT3 2,703 0, ,74 0, ,5 2,0 210 AT4 2,703 0, ,73 0, ,5 2,

3 Rosnące zainteresowanie tematyką przewodów typu HTLS na świecie sprawiło, że opracowywany jest obecnie międzynarodowy standard IEC, normalizujący wymagania stawiane drutom przewodowym ze stopu AlZr o ponadprzeciętnej odporności na działanie temperatury. Wyróżnia się tutaj cztery podstawowe typy drutów: odporny cieplnie drut przewodowy AT1, ekstrawysokowytrzymały odporny cieplnie drut przewodowy AT2, superodporny cieplnie drut przewodowy AT3 oraz ekstraodporny cieplnie drut przewodowy AT4. Zespół własności omawianych drutów przedstawiono w tablicy 2. Jak wynika z analizy danych zamieszczonych w tablicy 2 gęstość stopów przewodowych jest identyczna z gęstością czystego aluminium. Jest to oczywiste, bowiem zawartość dodatków stopowych sięga ułamków procenta. Z tego też powodu współczynnik rozszerzalności cieplnej tych materiałów jest identyczny jak czystego aluminium. Wartości rezystywności poszczególnych typów drutów oraz ich współczynników temperaturowych rezystancji traktować można jako pośrednią miarę zawartości dodatków stopowych (które z uwagi na własności elektryczne materiału powinny lokować się w wydzieleniach). Łatwo zauważyć, że podwyższenie temperatury granicznej roboczej i wytrzymałości wiąże się nieodzownie z podwyższeniem rezystywności, wynikającym z większej zawartości dodatków. Również współczynnik temperaturowy rezystancji waha się od wartości odpowiadającej czystemu aluminium do wartości znamiennej dla klasycznych stopów przewodowych AlMgSi. Poziom wytrzymałości na rozciąganie odpornych cieplnie drutów z przewodowych stopów aluminium typu AT1, AT3 i AT4 jest analogiczny jak dla czystego aluminium odkształconego na zimno. Stopy te znajdują zastosowanie w przewodach bimetalowych wzmacnianych rdzeniami nośnymi. Tak zwany stop ekstrawysokowytrzymały posiada R m na poziomie poniżej 250 MPa, a więc dużo niższym niż klasyczne stopy przewodowe ( MPa). Znajduje on zastosowanie na odporne cieplnie zamienniki przewodów aluminiowo-stopowych (ACAR), stopowo-stalowych (AACSR) lub jednorodnych przewodów stopowych z drutów Al59. Szczególną uwagę warto w tym miejscu poświęcić zagadnieniom badania odporności cieplnej drutów przewodowych z grupy AlZr, która determinuje poziom temperatury granicznej roboczej przewodu, a tym samym jego obciążalność prądową. Z definicji, pod pojęciem temperatury granicznej roboczej rozumie się najwyższą temperaturę roboczą przewodu, której czas trwania nie jest w żaden sposób limitowany, tj. może ona występować w sposób ciągły przez cały okres eksploatacji linii. Z drugiej strony, w klasycznym ujęciu, wartość tej temperatury określa się z bilansu cieplnego przewodu przy założeniu przepływu maksymalnego prądu i najbardziej niekorzystnych warunków otoczenia powodujących nagrzewanie przewodu, tj. wysokie promieniowanie słoneczne, mała prędkość wiatru, wysoki współczynnik absorpcji promieniowania itp. Analiza statystyczna warunków klimatycznych pozwala stwierdzić, że czas występowania takich warunków nie przekracza ok. 0,2 % całego czasu eksploatacji linii. Tak więc w istocie bieżąca temperatura przewodu jest prawie zawsze niższa od temperatury granicznej roboczej (rys. 1). Powyższe podejście jest nieekonomiczne w dobie potrzeby maksymalizacji możliwości przesyłowych istniejącej infrastruktury elektroenergetycznej. Coraz większe uznanie zyskuje metoda dynamicznego szacowania bieżącej obciążalności prądowej przewodu DTCR (Dynamic Thermal Conductor Rating). Metoda ta bazuje na obserwacji statystycznej warunków klimatycznych na danym obszarze, bądź wykorzystuje rzeczywiste, mierzone na bieżąco, parametry otoczenia i przy wykorzystaniu odpowiedniego modelu cieplnego pozwala oszacować takie natężenie prądu, które w aktualnych warunkach nie spowoduje przegrzania przewodu powyżej jego temperatury granicznej roboczej. Jest to rozwiązanie bardzo atrakcyjne, w którym bieżąca i średnia temperatura przewodu mogą być już zbliżone do temperatury granicznej. Z punktu widzenia materiałowego długoczasowa ekspozycja przewodu na działanie podwyższonej temperatury generuje zmiany strukturalne, objawiające się na sposób makroskopowy spadkiem własności wytrzymałościowych. Z uwagi na różnorodność stosowanych materiałów przewodowych trudno znaleźć relacje właściwie opisujące ilościowo zjawiska degradacji wytrzymałości materiału. Spośród wielu równań największe uznanie zyskały relacje zaproponowane przez: CIGRE [7] postaci W = e (C(ln t) B + AT), Harveya [8] postaci W = 100 (a + bt)t ((c + dt)/d), Morgana [9] postaci W = W a (1 e ( exp(a' + (B'T)lnt +C'/T + D'ln(ε/80))) ), w których zamieszczone wielkości posiadają następujące znaczenia: W stosunek wytrzymałości na rozciąganie przed i po wygrzewaniu, W a spadek wytrzymałości odpowiadający pełnemu wyżarzeniu, T temperatura, t czas działania temperatury, D średnica drutu, ε odkształcenie całkowite podczas ciągnienia, a, b, c, d, A, B, C, A', B', C', D' wyznaczane doświadczalnie stałe materiałowe. Określenie rzeczywistej odporności cieplnej materiału wymagałoby długoczasowych badań, toteż zaczęto określać odporność cieplną na podstawie testów krótkoczasowych i ekstrapolacji ich wyników na okres eksploatacji linii. Analizując relacje opisujące zmiany wytrzymałości na rozciąganie materiału w funkcji czasu Rys. 1. Czas występowania danej temperatury przewodu w warunkach rzeczywistej eksploatacji wg [6] Fig. 1. Duration of conductor temperature in operation [6] Rys. 2. Koncepcja określania temperatury granicznej roboczej dla drutów AlZr wg IEC [5] Fig. 2 Maximum working temperature determination concept for AlZr wires due to IEC [5] 149

4 działania temperatury stosunkowo łatwo określić poprzez porównanie różnych warunków (tj. temperatury i czasu) skutkujących tym samym procentowym spadkiem wytrzymałości rodzaju temperaturowo-czasowego ekwiwalentu, tj. takich temperatur i czasu ich działania, które powodują identyczną i ściśle określoną degradację własności. Dla przykładu ekwiwalent według relacji CIGRE wiąże logarytm czasu i temperaturę. Podobnie propozycja określania temperatury granicznej roboczej według IEC dla znormalizowanych typów drutów bazuje na zależności wykładniczej, której ilustrację graficzną przedstawiono na rysunku 2. W praktyce przyjmuje się, że działanie temperatury granicznej roboczej nie powinno doprowadzić do spadku wytrzymałości materiału większego niż 10 % (tj. W = 0,9, co istotne chodzi tutaj o porównanie wartości R m mierzonych w temperaturze otoczenia przed i po wygrzewaniu w danej temperaturze). Na identycznym założeniu bazuje propozycja badania odporności cieplnej drutów AlZr przedstawiona przez IEC [5]. Celem opisanej procedury badawczej jest w istocie określenie poziomu temperatury, której nieprzerwane działanie przez cały okres eksploatacji linii nie spowoduje degradacji własności większej niż 10 %. Jako okres eksploatacji linii przyjęto h, a więc ok. 45 lat. Warto w tym miejscu podkreślić, że przyjęty obecnie standard eksploatacji linii wynosi ok. 30 lat. Równocześnie jednak postęp w dziedzinie techniki liniowej oraz konieczność przedłużania okresu użytkowania wielu linii, co ma miejsce w Polsce i na świecie stanowiły podstawę do określenia tak długiego okresu eksploatacji jaki zaproponowała IEC. Przedstawiona na rysunku 2 zależność reprezentuje ekwiwalent temperatur i czasów ich działania powodujący 10 % spadek wytrzymałości na rozciąganie drutów AlZr. Jak łatwo zauważyć, dla drutów AT1 i AT2, 10 % spadku wytrzymałości ma miejsce podczas 1-godzinnej ekspozycji na temperaturę 230 C, 400-godzinnej ekspozycji na temperaturę 180 C i 45-letniej ekspozycji na temperaturę 150 C. Podobne zależności uwidoczniono dla typów drutów AT3 i AT4. Zgodnie z przedstawioną wyżej procedurą rutynowe testy odporności drutów, w warunkach przemysłowych, wystarczy realizować w czasie 1 h, natomiast przy zmianie parametrów technologicznych odporność cieplną należy weryfikować w testach o czasie 400 h. Na takiej podstawie szacuje się długoczasową odporność cieplną. Rys. 4. Prędkości rozpuszczania zaprawy cyrkonowej w ciekłym aluminium w 700 C [11] Fig. 4. Dissolution rates of AlZr master alloy in liquid aluminium at 700 C [11] Badania nad technologią uzyskiwania walcówki ze stopów AlZr Walcówkę ze stopów AlZr uzyskuje się w linii COiW Continuus-Properzi. Pierwszym ogniwem technologii jest topienie materiału bazowego, którym są gąski aluminiowe, oraz wstępna obróbka ciekłego metalu. Następnie ustala się odpowiedni skład chemiczny stopu poprzez dodanie odpowiednich zapraw i całość poddaje się rafinacji, filtracji i w razie konieczności modyfikacji. Odpowiednio przygotowany ciekły metal podawany jest do krystalizatora, który utworzony jest przez pierścień ze stopu miedzi z odpowiednią bruzdą na powierzchni zewnętrznej, która zamknięta jest od góry taśmą stalową. Całość krystalizatora jest intensywnie Rys. 5. Wpływ zawartości Ti i B na własności elektryczne aluminium [12] Fig. 5. Ti and B concentration on Al electrical properties influence [12] Rys. 3. Fragment układu równowagi AlZr [10] Fig. 3. Part of AlZr phase diagram [10] Rys. 6. Makrostruktura wlewka z krystalizatora Properzi; z lewej aluminium z prawej AlZr0,5 Fig. 6. Macrostructures of Al and AlZr0.5 Properzii ingot 150

5 chłodzona natryskiem wody. Wlewek o przekroju poprzecznym zbliżonym do trójkąta przechodzi przez układ frezujący powierzchnię, nagrzewnicę indukcyjną i wprowadzany jest do trzynastoklatkowej walcarki w układzie trójkąt koło. Walcowanie materiału zachodzi na gorąco ( C) z wydłużeniem całkowitym λ c 30 i prędkości na poziomie 6 m/s. Za walcarką znajduje się rynna chłodząca oraz zwijarka walcówki. Podstawowym zagadnieniem metalurgicznym jest ustalenie właściwego składu chemicznego stopu. Na rysunku 3 przedstawiono fragment układu równowagi AlZr. Jak wynika z analizy układu równowagi (rys. 3), przewodowe stopy AlZr leżą w okolicy perytektyki Al-ZrAl3. Możliwe są dwa podejścia do wytwarzania takich stopów, tj. stopy, w których wykorzystuje się zmienną graniczną rozpuszczalność w stanie stałym, by kształtować zespół własności poprzez utwardzanie wydzieleniowe, lub stopy, w których wielkość wydzieleń kształtuje się poprzez warunki krystalizacji, czy klasycznego wygrzewania. Żądany skład chemiczny uzyskuje się przez rozpuszczanie w aluminium zapraw. Najczęściej są to zaprawy typu AlZr5, AlZr10 lub AlZr15. Prędkość rozpuszczania zaprawy jest wysoka i wynosi min (rys. 4). W razie potrzeby mocnego rozdrobnienia struktury wykorzystać można modyfikację tytanem. W zależności od potrzeb można zastosować zaprawę AlZrTi, bądź Ti dawkować klasycznie z modyfikatora AlTiB. Należy równocześnie mieć świadomość, że wprowadzenie modyfikatora tytanowego obniża przewodność elektryczną stopu (rys. 5). Właściwą proporcję Fe:Si w stopie uzyskuje się poprzez dawkowanie zapraw AlFe oraz AlSi. Na rysunku 6 przedstawiono makrostruktury wlewków z krystalizatora Properzi. Dla porównania zestawiono widoki makro dla wlewka aluminiowego oraz wlewka ze stopu AlZr0,5. Łatwo zauważyć istotną różnicę w kształcie struktury tych materiałów, w przypadku Al jest to klasyczna struktura dendrytyczna, natomiast w stopie AlZr0,5 wielkość ziarna jest zdecydowanie mniejsza i bardziej równomierna na przekroju. O ile we wlewku aluminiowym wyraźnie obecne są strefy spotkania frontów krystalizacji, Rys. 7. Rozkład twardości wlewka AlZr0,5 wzdłuż osi symetrii przekroju Fig. 7. Hardness of AlZr0.5 ingot Tablica 3 Gęstości wlewków Al i AlZr0,5 z krystalizatora Properzi Density of Al i AlZr0.5 ingot Miejsce pomiaru γ g/cm 3 Al (γ teor -γ)/γ teor % γ g/cm 3 Table 3 AlZr0,5 (γ teor -γ)/γ teor % 1 2,692 0,42 2,695 0,28 2 2,671 1,19 2,699 0,13 3 2,695 0,29 2,695 0,31 4 2,693 0,35 2,694 0,34 Rys. 8. Charakterystyki ściskania próbek (φ 6 mm 7,5 mm) z wlewka ze stopu AlZr0,5; oznaczenie próbek jak w tablicy 3 Fig. 8. Compression test characteristics of φ 6 mm 7,5 mm samples from AlZr0.5 ingot 151

6 to we wlewku stopowym występują jedynie śladowe linie w okolicach górnych naroży wlewka. Kształt uzyskanej struktury potwierdza znany fakt, że cyrkon obok podwyższania odporności cieplnej stanowi rodzaj modyfikatora lekko rozdrabniającego strukturę. Taka sytuacja jest ze wszech miar korzystna, ogranicza bowiem mikrosegregację cyrkonu oraz poprawia odkształcalność materiału. Na rysunku 7 przedstawiono rozkład twardości wlewka AlZr0,5 wzdłuż osi symetrii jego przekroju poprzecznego. Co oczywiste, podwyższoną twardość wlewka obserwuje się przy brzegach, gdzie prędkość krystalizacji jest największa. W szczególności wlewek posiada najwyższą twardość (52 HRF) w okolicach górnej krawędzi. W tym obszarze prędkość krystalizacji jest najwyższa z uwagi na fakt, że ciepło odprowadzane jest wprost do medium chłodzącego za pośrednictwem cienkiej taśmy stalowej i maleje następnie w miarę posuwania się frontu krystalizacji w głąb wlewka, gdy ciepło przewodzone jest poprzez skrzepniętą warstewkę, która dodatkowo, wskutek skurczu, oddziela się od taśmy, co zmienia istotnie warunki odbioru ciepła. W tablicy 3 przedstawiono wyniki pomiarów gęstości wlewków Al i AlZr0,5, a na rysunku 8 charakterystyki ściskania próbek wlewka ze stopu AlZr0,5 pobranych w tych samych punktach, w których dokonywano pomiarów gęstości. W oparciu o dane z tablicy 3 można stwierdzić, że spójność wlewka jest zadowalająca i porównywalna z wlewkiem aluminiowym. Nie zaobserwowano rzadzizn, a gęstość rzeczywista jest jedynie o ok. 0,3 % niższa od teoretycznej. Potwierdza to poprawność procesu krystalizacji. Charakterystyki z rysunku 8 ujawniają duże podobieństwo własności materiału w różnych punktach wlewka. Obserwowane charakterystyki są praktycznie identyczne, co potwierdza jednorodność struktury oraz wysoką odkształcalność materiału nawet na zimno. Na rysunku 10 przedstawiono charakterystykę rozciągania walcówki ze stopu AlZr0,5. Jak wynika z przedstawionej charakterystyki materiał ten osiąga wytrzymałość na rozciąganie ok. 106 MPa i wydłużenie na poziomie 8 %. Jest to poziom analogiczny do poziomu własności uzyskiwanego na aluminium. Rezystywność drutu wynosi ok. 30,8 nωm. Z uzyskanej charakterystyki skonstruować można beztarciową krzywą umocnienia materiału. Matematyczna aproksymacja uzyskanych wyników najlepszą zgodność daje przy opisie relacją Hollomona postaci σ p = C ln λ n gdzie stałe C i n wynoszą odpowiednio 136 MPa i 0,068. Stała n często utożsamiana jest z wielkością odkształcenia równomiernego (rys. 10). Uzyskana relacja pozwala np. na analizę parametrów siłowych procesów przetwarzania walcówki, np. w oparciu o powszechnie znany wzór Sachsa (rys. 12). Rys. 9. Widok walcówki po technologicznym teście naprzemiennego skręcania do zniszczenia w cyklach: 5obr.L+10obr.P+15obr.L+20obr.P+25obr.L+24obr.P zniszczenie (obr.l obroty w lewo, obr.p obroty w prawo) Fig. 9. Rod after stranding test Rys. 10. Charakterystyka rozciągania walcówki AlZr0,5 Fig.10. Tensile test characteristic for AlZr0.5 rod Rys. 11. Charakterystyka umocnienia walcówki AlZr0,5 Fig. 11. Strengthening characteristic for AlZr0.5 rod Na rysunku 9 przedstawiono widok walcówki po technologicznym teście naprzemiennego skręcania do zniszczenia. Walcówkę poddano cyklom skręcania: 5 obrotów w lewo, 10 obrotów w prawo, 15 obrotów w lewo, 20 obrotów w prawo, 25 obrotów w lewo i 15 obrotów w prawo, po czym nastąpiło zniszczenie. Celem testu technologicznego było ujawnienie potencjalnych wad powierzchniowych takich jak łuska, zawalcowania, pęknięcia itp. Jak wynika z oglądu powierzchni walcówki, jest ona znakomitej jakości i nie wykazuje żadnych widocznych gołym okiem wad. Rysunki 12, 13 i 14 dotyczą badań zachowania się walcówki ze stopu AlZr0,5 w procesie ciągnienia. Rysunek 13 przedstawia ocenę odkształcalności granicznej walcówki. Dolna charakterystyka na tym rysunku o przebiegu prostoliniowym reprezentuje naprężenia ciągnienia walcówki na drut o coraz mniejszej średnicy, górna zaś przedstawia zmianę wytrzymałości na rozciąganie drutu po ciągnieniu na założoną średnicę. Graniczne odkształcenie jednostkowe to takie, w którym naprężenie ciągnienia jest równe wytrzymałości na rozciąganie drutu. W rozpatrywanym przypadku wynosi ono w skali rzeczywistej 0,85, a więc jest to wartość wysoka, która potwierdza znakomitą skłonność materiału do ciągnienia. Na rysunku 14 przedstawiono ewolucję wytrzymałości na rozciąganie wskutek odkształcenia przy ciągnieniu w warunkach laboratoryjnych na jednociągu przy prędkości ok. 0,5 m/s oraz w warunkach przemysłowych na wielociągu z poślizgiem przy prędkości ok. 5 m/s. Warto podkreślić stosunkowo dobrą zgodność warunków uzyskanych w laboratorium i w warunkach przemysłowych. Świadczy to o niewielkiej podatności materiału na prędkość odkształcenia oraz temperatury panujące w maszynie ciągarniczej. Na rysunku 15 przedstawiono wyniki badań odporności cieplnej drutu ze stopu AlZr0,5 o całkowitym wydłużeniu w procesie ciągnienia λ c ok. 10,7. Jak wynika z analizy zamieszczonych cha- 152

7 rakterystyk (rys. 15), 10-procentowy spadek wytrzymałości po jednogodzinnej ekspozycji na temperaturę ma miejsce w temperaturze bliskiej 300 C. Podobnie 10 % spadku wytrzymałości przy 100 h ekspozycji ma miejsce w temperaturze 250 C, a więc w warunkach analogicznych jak dla drutu typu AT3. Rys. 15. Wyniki badań odporności cieplnej drutów ze stopu AlZr0,5 Fig. 15. Thermal resistance of AlZr0.5 wire Rys. 12. Wyznaczone doświadczalnie i obliczone ze wzoru Sachsa naprężenia ciągnienia drutów z walcówki AlZr0,5 w oparciu o charakterystykę umocnienia z rys. 9; wartości naprężeń doświadczalnych jak na rysunku 1, współczynnik tarcia 0,1; kąt ciągadła 8 Fig. 12. Boundary deformation limit for AlZr0.5 rod Rys. 13. Ocena odkształcalności granicznej walcówki AlZr0,5 Fig. 13. Calculated and measured drawing stresses of AlZr0.5 rod Rys. 16. Obciążalność prądowa przewodu AFL8350, AAAL 400S oraz TACIR 350 (przewód HTLS o budowie geometrycznej identycznej jak AFL z tym, że miejsce rdzenia stalowego przejmuje rdzeń invarowy a aluminiowego oplotu odporny cieplnej stop typu AT1) Fig. 16. Current carrying capacity of ACSR 8350, AAAC 400S and TACIR 350 (HTLS conductor identically to ACSR with AT1 alloy invar reinforced) Podsumowanie Rys. 14. Krzywe zmian wytrzymałości materiału w funkcji wielkości odkształcenia zadanego w procesie ciągnienia w warunkach laboratoryjnych i przemysłowych Fig. 14. UTS changes during drawing in laboratory and industrial conditions W artykule przedstawiono problematykę oraz wybrane wyniki badań nad technologią wytwarzania nowej generacji odpornych cieplnie przewodowych materiałów z grupy AlZr, których produkcja jest wdrażana w NPA Skawina. Całościowo badania obejmują zagadnienia jakości metalurgicznej ciekłego metalu, problemy odlewnicze, tj. m.in. identyfikację stanu cieplnego krystalizatora i optymalizację układu chłodzenia z punktu widzenia mikrostruktury oraz przeciwdziałania wadom odlewniczym, takim jak rzadzizny, pęknięcia na gorąco czy na zimno, niedolewy itp., problemy walcownicze obejmujące szczegóły kalibrowania narzędzi, smarowanie, rozkład temperatur i prędkości walcowania oraz zagadnienia obróbki cieplnej materiału. Ponadto trzon badań koncentruje się na zagadnieniach przetwórstwa walcówki na druty oraz kompleksowych badań ich własności. Nowa generacja odpornych cieplnie materiałów przewodowych z grupy AlZr stanowi podstawę do skonstruowania polskiej rodziny przewodów HTLS. Przykład potencjalnych możliwości prądowych takich przewodów ilustruje rysunek 16, przedstawiający obciążalności prądowe tradycyjnego przewodu aluminiowo-stalowego typu AFL8-350 chęt- 153

8 nie stosowanego w polskich liniach 220 kv, jego stopowego odpowiednika produkcji krajowej AAL 400S oraz konstrukcyjnego odpowiednika HTLS, tj. przewodu o identycznej budowie geometrycznej i nośności mechanicznej. Literatura 1. Douglass D.: Maximize Use of Existing Route. Transmission & Distribution World, march, Knych T,, Mamala A., Smyrak B.: Odporne cieplnie niskozwisowe przewody elektroenergetyczne wysokiego napięcia. Rudy Metale 2004, nr Knych T., Mamala A., Smyrak B.: Przewodowe stopy na bazie aluminium. Rudy Metale 2004, nr Sasaki S., Taekebe T., Miyazaki K., Yokota M., Sato K., Yoshida S., Matsubara I.: ZTACIR New Extra Heat Resistant Galvanized Invar- Reinforced Aluminum Alloy Conductor. Sumitomo Electric Technical Review, 1985, no IEC draft: Thermal resistant aluminium alloy wire for overhead conductor. 6. Adomach K., Mizuno Y., Natio K.: Probabilistic assessment of the reduction in Tensile Strength of an Overhead Transmission Line s Conductor With Reference to Climatic Data. IEEE Trans. on PWRD, 2000, t CIGRE: Loss in strength of overhead electrical conductors caused by elevated temperature operation. Electra, 1995, t Harvey J. R.: Effect of elevated temperature operation on the strength of aluminium conductors. IEEE Trans., 1972, t. PAS Morgan V. T.: Effect of elevated temperature operation on the tensile strength of overhead conductors. IEEE Trans. on PWRD., 1996, t Rajagopalan P. K., Sharma I. G., Krishnan T. S.: Production of Al Zr master alloy starting from ZrO 2. Journal of Alloys and Compounds, 1999, s Materiały informacyjne firmy Anglo Blackwells Limited. 12. Praca zbiorowa: Aluminium. WNT Przedstawiona tematyka badawcza realizowana jest przy dofinansowaniu MEiN. Podziękowanie Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej Polskiej Akademii Nauk w Krakowie pragnie wyrazić gorące podziękowanie dla Fundacji na Rzecz Nauki Polskiej za dofinansowanie modernizacji Laboratorium Dyfrakcji Rentgenowskiej w macierzystym Instytucie w ramach programu MILAB Wspomniana modernizacja objęła kilka pomieszczeń laboratoryjnych, umożliwiając urządzenie w nich nowoczesnego oddziału badań materiałów techniką dyfrakcji rentgenowskiej wraz z zapleczem przygotowania próbek i pokojem operatorów. Modernizacja była konieczna ze względu na wymagania techniczne nowo zakupionej aparatury pomiarowej, jak i zużycie podstawowych instalacji 50-letniego budynku Instytutu. Pomimo zaangażowania własnych środków w rozbudowę bazy aparaturowej i konieczne remonty, IMIM PAN nie był w stanie samodzielnie sfinansować modernizacji infrastruktury Laboratorium. Było to możliwe dopiero dzięki bardzo znaczącemu wsparciu finansowemu Fundacji na Rzecz Nauki Polskiej. Badania materiałowe realizowane w zmodernizowanym Laboratorium będą służyły szerzej rozumianemu środowisku naukowemu Krakowa oraz szkoleniu doktorantów i studentów. Rolę tę ułatwiają zarówno akredytacja przyznana przez Polskie Centrum Akredytacji w zakresie jakości badań, jak i ustanowione w Laboratorium Centrum Kompetencji w zakresie Dyfrakcji Rentgenowskiej CeKoDyR. P.Z. 154