Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu chế tạo dây nhôm hợp kim 6201 phục vụ sản xuất cáp điện

Nghiên cứu chi tiết về dây nhôm hợp kim 6201, ứng dụng và ưu điểm trong sản xuất cáp điện, phân tích chi tiết các đặc tính kỹ thuật.

• Tác giả: Phạm Thị Minh Trang
• Người hướng dẫn: TS. Huỳnh Công Khanh
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM
• Chuyên ngành: Công nghệ Vật liệu Kim loại và Hợp kim
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Dây Nhôm Hợp Kim 6201 Dùng Cho Sản Xuất Cáp Điện
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Thành phần, cấu trúc và tính chất hợp kim nhôm 6201
• 1.2. So sánh dây dẫn hợp kim nhôm 6201 với các loại dây dẫn hợp kim nhôm khác
• 1.3. Công nghệ nấu luyện và biến tính hợp kim 6201
• 1.4. Công nghệ chế tạo dây hợp kim 6201
• 1.5. Công nghệ cán thỏi đúc hợp kim 6201
• 1.6. Công nghệ ép nóng ra dây hợp kim 6201
• 1.7. Công nghệ kéo dây hợp kim 6201
• 1.8. Công nghệ nhiệt luyện dây hợp kim 6201
• 1.9. Tình hình sản xuất dây cáp hợp kim 6201 trên thế giới và trong nước
• 1.10. Phương pháp đúc, cán và xử lý nhiệt gia công nóng liên tục
• 1.11. Phương pháp SCR
• 1.12. Tình hình sản xuất dây cáp trần hợp kim 6201 trong nước
• 1.13. Tiêu chuẩn ASTM B398/B398 M-99
• 2. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
• 2.1. Mục đích thực nghiệm
• 2.2. Thí nghiệm nấu luyện và biến tính hợp kim nhôm 6201
• 2.2.1. Thí nghiệm nấu luyện hợp kim nhôm 6201
• 2.2.2. Thí nghiệm biến tính hợp kim nhôm 6201
• 2.2.3. Thí nghiệm nấu luyện, biến tính hợp kim nhôm 6201 dùng cho thí nghiệm chế tạo dây cáp
• 2.3. Thí nghiệm ép đùn, kéo dây hợp kim nhôm 6201
• 2.3.1. Vật liệu và thiết bị
• 2.3.2. Mô tả thí nghiệm
• 2.4. Thí nghiệm nhiệt luyện dây hợp kim nhôm 6201
• 2.4.1. Vật liệu và thiết bị
• 2.4.2. Mô tả thí nghiệm
• 2.5. Phương pháp phân tích
• 2.5.1. Kiểm tra thành phần hóa
• 2.5.2. Chụp tổ chức tế vi
• 2.6. Phương pháp đánh giá
• 2.6.1. Đánh giá khả năng biến tính, tăng cơ tính hợp kim 6201
• 2.6.2. Đánh giá chất lượng của dây cáp điện
• 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Thành phần và tổ chức tế vi hợp kim nhôm 6201
• 3.1.1. Thành phần và tổ chức hợp kim nhôm 6201 trước biến tính
• 3.1.2. Thành phần và tổ chức hợp kim nhôm 6201 sau biến tính
• 3.2. Kết quả quá trình đùn kéo hợp kim nhôm 6201
• 3.2.1. Thành phần và tổ chức hợp kim nhôm 6201 trước khi đùn kéo
• 3.2.2. Kết quả và tính chất dây hợp kim sau khi đùn kéo
• 3.3. Cơ tính, điện trở suất dây hợp kim 6201
• 3.3.1. Cơ tính dây hợp kim 6201
• 3.3.2. Độ dẫn điện dây hợp kim 6201
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về dây nhôm hợp kim 6201

Dây nhôm hợp kim 6201 là một trong những loại vật liệu chủ yếu được sử dụng trong sản xuất cáp điện. Hợp kim này có thành phần chính là Al-Mg-Si, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với các loại dây dẫn khác. Theo các nghiên cứu, tính chất dây nhôm 6201 cho thấy khả năng dẫn điện cao cùng với độ bền cơ học tốt, đáp ứng được các tiêu chuẩn khắt khe trong ngành công nghiệp điện. Hợp kim 6201 được biết đến với khả năng chống ăn mòn tốt, điều này rất quan trọng trong việc sử dụng dây cáp điện ở các môi trường khắc nghiệt. Đặc biệt, dây nhôm hợp kim 6201 còn có trọng lượng nhẹ, giúp giảm chi phí vận chuyển và lắp đặt. Những ứng dụng thực tiễn của dây nhôm hợp kim 6201 trong sản xuất cáp điện đã được chứng minh qua nhiều năm sử dụng trên thị trường quốc tế.

II. Công nghệ sản xuất dây nhôm hợp kim 6201

Công nghệ sản xuất dây nhôm hợp kim 6201 bao gồm nhiều quy trình phức tạp như nấu luyện, biến tính và chế tạo. Trong quá trình nấu luyện, hợp kim nhôm 6201 được nấu chảy ở nhiệt độ cao và thêm các hợp kim trung gian như AlB1 và AlTi5B1 để cải thiện tính chất cơ học của dây. Việc lựa chọn hàm lượng B và Ti là rất quan trọng, vì chúng ảnh hưởng trực tiếp đến tính năng hợp kim và khả năng dẫn điện của dây. Sau khi nấu luyện, dây sẽ được ép đùn và kéo để đạt được kích thước mong muốn. Theo tiêu chuẩn ASTM B398, dây nhôm hợp kim 6201 phải có độ bền kéo tối thiểu là 315MPa, và kết quả thực nghiệm cho thấy dây chế tạo đạt yêu cầu này với độ bền kéo từ 315.9 đến 361MPa. Điều này chứng tỏ rằng công nghệ sản xuất dây hợp kim 6201 đã được tối ưu hóa để đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng quốc tế.

III. Đánh giá chất lượng dây nhôm hợp kim 6201

Chất lượng của dây nhôm hợp kim 6201 được đánh giá thông qua các chỉ tiêu như độ dẫn điện, độ bền kéo và khả năng chống ăn mòn. Độ dẫn điện của dây nhôm hợp kim 6201 đạt khoảng 52% IACS, cho thấy khả năng dẫn điện tốt nhưng vẫn cần cải thiện để có thể cạnh tranh với các loại dây dẫn khác. Hơn nữa, việc áp dụng các phương pháp nhiệt luyện như hóa già nhân tạo ở nhiệt độ 175oC trong 6 giờ đã giúp nâng cao đáng kể độ bền cơ tính và độ dẫn điện của dây. Kết quả cho thấy dây nhôm hợp kim 6201 không chỉ đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật mà còn có thể được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp điện, từ sản xuất cáp điện đến các ứng dụng khác như dây dẫn trong các công trình xây dựng.

IV. Ứng dụng thực tiễn và triển vọng của dây nhôm hợp kim 6201

Dây nhôm hợp kim 6201 đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất cáp điện, đặc biệt là trong các dự án lớn về truyền tải điện. Việc sử dụng dây nhôm thay vì dây đồng không chỉ giúp giảm chi phí mà còn nâng cao hiệu quả truyền tải điện năng. Hơn nữa, với sự phát triển của công nghệ nấu luyện và chế tạo dây, khả năng sản xuất dây nhôm hợp kim 6201 trong nước sẽ góp phần giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguyên liệu nhập khẩu, đồng thời thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp điện tại Việt Nam. Triển vọng trong tương lai cho thấy, nếu các doanh nghiệp trong nước tiếp tục đầu tư vào công nghệ và nghiên cứu, dây nhôm hợp kim 6201 có thể trở thành lựa chọn hàng đầu cho các ứng dụng trong ngành điện năng, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nhu cầu sản xuất dây và cáp điện tại Việt Nam ngày càng tăng mạnh, việc chủ động phát triển công nghệ sản xuất dây nhôm hợp kim 6201 trở nên cấp thiết. Hiện nay, hơn 130 doanh nghiệp trong nước đáp ứng gần 70% nhu cầu thị trường, tuy nhiên nguyên liệu đầu vào chủ yếu vẫn phải nhập khẩu, gây khó khăn về chi phí và chất lượng sản phẩm. Từ năm 2005, thuế suất nhập khẩu nguyên liệu dây thép tráng kẽm tăng từ 0% lên 5%, thuế GTGT cũng tăng từ 5% lên 10%, làm giảm sức cạnh tranh của sản phẩm trong nước. Dây cáp điện hợp kim nhôm 6201, với ưu điểm cơ tính cao, khả năng chống ăn mòn tốt và độ dẫn điện ổn định, đã được sử dụng phổ biến trên thế giới hơn 20 năm nhưng chưa được sản xuất thành công tại Việt Nam theo tiêu chuẩn ASTM B398.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển quy trình công nghệ nấu luyện, biến tính, chế tạo và nhiệt luyện dây nhôm hợp kim 6201 dùng cho sản xuất cáp điện, đảm bảo các chỉ tiêu về cơ tính và độ dẫn điện theo tiêu chuẩn ASTM B398. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào quá trình nấu luyện, biến tính hợp kim, chế tạo dây và xử lý nhiệt trong điều kiện thiết bị thí nghiệm tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM trong năm 2014. Ý nghĩa nghiên cứu không chỉ giúp giảm chi phí sản xuất, tăng tính cạnh tranh cho doanh nghiệp trong nước mà còn góp phần thay thế dây nhôm lõi thép truyền thống, giảm trọng lượng dây dẫn, tăng hiệu quả truyền tải điện và khả năng chống ăn mòn trong môi trường khắc nghiệt.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về hợp kim nhôm hệ Al-Mg-Si, đặc biệt là hợp kim 6201. Các khái niệm chính bao gồm:

• Cấu trúc pha hợp kim 6201: Hợp kim có pha chính là Al8Mg5 và Mg2Si, trong đó Mg2Si có độ cứng và tính giòn cao, góp phần tăng cường cơ tính cho hợp kim.
• Biến tính hạt tinh thể: Sử dụng hợp kim trung gian AlB1 và AlTi5B1 để làm mịn hạt, cải thiện cơ tính và độ dẫn điện của hợp kim.
• Quy trình nhiệt luyện T-81: Bao gồm tôi nóng, kéo nguội và hóa già nhân tạo nhằm tăng độ bền kéo và độ dẫn điện của dây hợp kim.
• Tiêu chuẩn ASTM B398: Quy định các yêu cầu về thành phần hóa học, độ bền kéo tối thiểu ≥315 MPa, độ dẫn điện ≥52% IACS cho dây hợp kim 6201 dùng trong sản xuất cáp điện.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu hợp kim nhôm 6201 được nấu luyện và biến tính trong lò điện trở tại phòng thí nghiệm trọng điểm của Trường Đại học Bách Khoa. Quy trình nghiên cứu gồm:

• Nấu luyện và biến tính: Hợp kim 6201 được nấu chảy ở nhiệt độ 720-750°C, biến tính bằng hợp kim trung gian AlB1 hoặc AlTi5B1 với các hàm lượng B, Ti khác nhau để so sánh hiệu quả.
• Đúc thỏi và ép đùn nóng: Thỏi hợp kim được nung trước ở 500-520°C, ép đùn thành dây cán Ø4 mm, sau đó tôi nóng ở 520°C trong 4 giờ và làm nguội nhanh bằng nước.
• Kéo dây và nhiệt luyện: Dây cán được kéo nguội xuống đường kính Ø2 mm, tiến hành hóa già trước ở 120°C trong 2 giờ, sau đó hóa già nhân tạo ở 165°C và 175°C trong 4-8 giờ.
• Phân tích và đo lường: Thành phần hóa học được kiểm tra bằng máy quang phổ phát xạ nguyên tử (SPECTROMAX). Tổ chức tế vi quan sát qua kính hiển vi quang học (OLYMPUS – GX51F). Đo độ bền kéo và độ dẫn điện theo tiêu chuẩn ASTM B398.
• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Các mẻ nấu luyện được thực hiện riêng biệt với các biến thể hợp kim trung gian, mỗi mẻ được đánh giá qua nhiều mẫu dây để đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả.
• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 1 đến tháng 12 năm 2014, bao gồm các giai đoạn nấu luyện, chế tạo dây, xử lý nhiệt và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thành phần hóa học và tổ chức tế vi: Hợp kim 6201 sau biến tính đạt thành phần Si khoảng 0.9%, Mg và các nguyên tố khác trong giới hạn tiêu chuẩn ASTM B398. Tổ chức tế vi cho thấy hạt tinh thể mịn hơn rõ rệt khi biến tính bằng hợp kim trung gian AlB1 so với AlTi5B1, với kích thước hạt trung bình giảm đáng kể, giúp cải thiện cơ tính.

2. Độ bền kéo và độ dẫn điện: Dây hợp kim 6201 chế tạo đạt độ bền kéo từ 315.9 MPa đến 361 MPa, vượt mức tối thiểu 315 MPa theo tiêu chuẩn ASTM B398. Độ dẫn điện đạt khoảng 52% IACS, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật. Chế độ hóa già ở 175°C trong 6 giờ cho kết quả tối ưu về cơ tính và độ dẫn điện.

3. Hiệu quả biến tính hợp kim trung gian: AlB1 được đánh giá là hợp kim biến tính hiệu quả hơn AlTi5B1, đặc biệt ở nồng độ B khoảng 0.06%, giúp làm nhỏ hạt và tăng độ bền kéo của dây. Việc cải thiện khả năng kéo dây trước khi kéo giúp giảm tỷ lệ đứt gãy và nâng cao chất lượng bề mặt dây.

4. Ảnh hưởng của chế độ nhiệt luyện: Hóa già nhân tạo ở 175°C trong 6 giờ là chế độ tối ưu, tăng độ bền kéo lên đến 361 MPa và duy trì độ dẫn điện cao. Thời gian hóa già quá dài hoặc nhiệt độ thấp hơn làm giảm hiệu quả tăng cơ tính.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy quy trình nấu luyện, biến tính và chế tạo dây hợp kim 6201 tại Việt Nam có thể đạt tiêu chuẩn ASTM B398, mở ra cơ hội sản xuất dây cáp điện hợp kim nhôm trong nước. Việc sử dụng hợp kim trung gian AlB1 với hàm lượng B thích hợp giúp làm mịn hạt, tăng cường cơ tính mà không làm giảm đáng kể độ dẫn điện, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật khắt khe.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả về độ bền kéo và độ dẫn điện tương đương hoặc vượt trội, chứng tỏ quy trình công nghệ được áp dụng có tính khả thi và hiệu quả. Việc lựa chọn chế độ nhiệt luyện hợp lý là yếu tố then chốt để cân bằng giữa cơ tính và dẫn điện, đồng thời cải thiện khả năng gia công kéo dây.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường cong hóa già nhân tạo thể hiện sự biến đổi độ bền kéo và độ dẫn điện theo thời gian và nhiệt độ, cũng như bảng so sánh thành phần hóa học và kích thước hạt trước và sau biến tính. Các kết quả này minh chứng cho sự đồng bộ và ổn định của sản phẩm dây hợp kim 6201 đạt chất lượng cao.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng quy trình biến tính bằng hợp kim trung gian AlB1 với hàm lượng B khoảng 0.06% để tối ưu hóa kích thước hạt và tăng cường cơ tính dây hợp kim 6201, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng, chủ thể: các doanh nghiệp sản xuất cáp điện trong nước.

2. Triển khai chế độ nhiệt luyện hóa già nhân tạo ở 175°C trong 6 giờ cho dây hợp kim 6201 sau khi kéo dây nhằm đạt được độ bền kéo và độ dẫn điện tối ưu theo tiêu chuẩn ASTM B398. Thời gian áp dụng: ngay trong quy trình sản xuất, chủ thể: bộ phận kỹ thuật và quản lý chất lượng.

3. Đầu tư nâng cấp thiết bị nấu luyện và ép đùn nóng để kiểm soát chính xác nhiệt độ và áp suất, đảm bảo đồng nhất tổ chức tế vi và thành phần hóa học của hợp kim, giảm tỷ lệ phế phẩm. Thời gian thực hiện: 1-2 năm, chủ thể: doanh nghiệp và các cơ quan hỗ trợ công nghiệp.

4. Xây dựng hệ thống kiểm tra chất lượng dây hợp kim 6201 theo tiêu chuẩn ASTM B398 bao gồm đo độ bền kéo, độ dẫn điện và phân tích tổ chức tế vi định kỳ nhằm đảm bảo sản phẩm đồng nhất và ổn định. Thời gian triển khai: 6 tháng, chủ thể: phòng thí nghiệm và bộ phận kiểm soát chất lượng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Doanh nghiệp sản xuất dây và cáp điện: Nghiên cứu cung cấp quy trình công nghệ chi tiết giúp doanh nghiệp chủ động sản xuất dây hợp kim 6201 đạt chuẩn, giảm chi phí nhập khẩu nguyên liệu, nâng cao năng lực cạnh tranh.

2. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư công nghệ vật liệu kim loại: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm về biến tính hợp kim, xử lý nhiệt và ảnh hưởng đến tính chất cơ lý, hỗ trợ phát triển các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực hợp kim nhôm.

3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách công nghiệp: Thông tin về tiềm năng sản xuất dây hợp kim 6201 trong nước giúp xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển ngành công nghiệp vật liệu và sản xuất dây cáp điện.

4. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành công nghệ vật liệu kim loại và hợp kim: Tài liệu tham khảo thực tiễn về quy trình chế tạo dây hợp kim nhôm, phương pháp phân tích và đánh giá chất lượng sản phẩm theo tiêu chuẩn quốc tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Hợp kim nhôm 6201 có ưu điểm gì so với dây nhôm lõi thép truyền thống?
   Hợp kim 6201 có cơ tính cao hơn, độ dẫn điện tốt hơn, trọng lượng nhẹ hơn và khả năng chống ăn mòn vượt trội, giúp giảm chi phí truyền tải và tăng tuổi thọ dây dẫn trong môi trường khắc nghiệt.

2. Tại sao cần biến tính hợp kim bằng hợp kim trung gian AlB1 hoặc AlTi5B1?
   Biến tính giúp làm mịn hạt tinh thể, tăng cường cơ tính và cải thiện độ dẫn điện của hợp kim. AlB1 được đánh giá hiệu quả hơn trong việc tạo mầm kết tinh và giảm kích thước hạt so với AlTi5B1.

3. Chế độ nhiệt luyện nào là tối ưu cho dây hợp kim 6201?
   Hóa già nhân tạo ở 175°C trong 6 giờ được xác định là chế độ tối ưu, cân bằng tốt giữa độ bền kéo và độ dẫn điện, phù hợp với tiêu chuẩn ASTM B398.

4. Quy trình kéo dây có ảnh hưởng như thế nào đến chất lượng sản phẩm?
   Kéo dây sau khi tôi nóng giúp tăng biến cứng, cải thiện độ bền kéo và độ dẻo, đồng thời làm mịn bề mặt dây, giảm tỷ lệ đứt gãy trong quá trình sản xuất.

5. Tiêu chuẩn ASTM B398 quy định những yêu cầu gì cho dây hợp kim 6201?
   Tiêu chuẩn này quy định thành phần hóa học, độ bền kéo tối thiểu ≥315 MPa, độ dẫn điện ≥52% IACS, độ giãn dài tối thiểu 6%, đảm bảo chất lượng dây dùng trong sản xuất cáp điện.

Kết luận

• Luận văn đã nghiên cứu thành công quy trình nấu luyện, biến tính, chế tạo và nhiệt luyện dây hợp kim nhôm 6201 đạt tiêu chuẩn ASTM B398.
• Hợp kim trung gian AlB1 với hàm lượng B khoảng 0.06% được xác định là biến tính hiệu quả nhất cho hợp kim 6201.
• Chế độ nhiệt luyện hóa già nhân tạo ở 175°C trong 6 giờ tối ưu hóa cơ tính và độ dẫn điện của dây.
• Kết quả nghiên cứu tạo cơ sở khoa học và công nghệ cho sản xuất dây cáp điện hợp kim nhôm trong nước, góp phần giảm chi phí và nâng cao chất lượng sản phẩm.
• Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm triển khai ứng dụng quy trình trong sản xuất công nghiệp, nâng cấp thiết bị và xây dựng hệ thống kiểm soát chất lượng đồng bộ.

Các doanh nghiệp và nhà nghiên cứu trong ngành công nghệ vật liệu kim loại được khuyến khích áp dụng và phát triển quy trình này nhằm thúc đẩy sản xuất dây cáp điện hợp kim nhôm 6201 trong nước, góp phần nâng cao năng lực cạnh tranh và đáp ứng nhu cầu thị trường ngày càng tăng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1.95 L → (Al) + Mg2Si + Al8Mg5 E1 449 32. Phản ứng đơn biến trong hệ Al-Mg-Si (Mondolfo, 1976) [5] Phản ứng Đƣờng ký hiệu hình Nhiệt độ T, oC 1.a L → (Al) + Mg2Si e2–E1 và e3–E2 595÷555 và 595÷449 L → (Al) + (Si) e 2 - E2 577÷555 L → (Al) + Al8Mg5 e 1 - E1 450÷449 Mặc dù khả năng tan vào nhôm rắn của Mg và Si tương đối thấp nhưng nó lại có tác dụng đáng kể trong việc tăng độ cứng hợp kim nhờ hình thành sự thay đổi pha Mg2Si siêu bền trong quá trình hóa già. So sánh dây dẫn hợp kim nhôm 6201 với các loại dây dẫn hợp kim nhôm khác So sánh ưu điểm của dây dẫn hợp kim nhôm AAAC với dây nhôm lõi thép (ACSR) [9] - Cơ tính cao hơn với cùng một khối lượng - Với kích thước tương đương dây ACSR, thì dây AAAC có điện trở thấp hơn và độ dẫn điện tốt hơn. - Vận chuyển và xử lý dễ dàng hơn trên đường truyền dây tải điện.

- Lắp ráp dễ dàng hơn, dễ dàng căng dây dẫn để tránh các yếu tố nguy hiểm từ mặt đất. - Độ cứng bề mặt dây dẫn cao hơn, do đó ít bị tổn thất, hao mòn và trầy xước trong quá trình đi đường dây. - Nối ghép dây dễ dàng hơn. - Chống ăn mòn tốt hơn: Đối với hệ thống dẫn điện điện thế siêu cao từ 275 đến 400kV, Jason và đồng nghiệp đã chỉ ra rằng cần phải thay thế bằng một loại LUẬN VĂN THẠC SĨ 7 HVTH: Phạm Thị Minh Trang NC chế tạo dây nhôm HK 6201 trong SX cáp điện CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN dây dẫn hợp kim nhôm đồng nhất để tránh ăn mòn giữa sắt và nhôm ở dây nhôm lõi thép.

- Giảm tổn thất phóng điện và giảm nhiễu sóng vô tuyến. - Giảm chi phí tiêu hao Sau đây là một ví dụ về tính toán tiêu hao chi phí cho một dây dẫn kép giữa dây ACSR Lynx và dây dẫn chuẩn AAAC thể hiện bảng 1. So sánh chi phí tổn thất điện ở dây ACSR và dây AAAC [9] Chỉ tiêu Dây ACSR Dây AAAC Dòng điện (I) 350A 350A o Điện trở ở 50 C (R) 0.102 Ω/Km Hệ số phụ tải (LF) 0.5 Tổn thất phụ tải (LLF) 0.2875 Tổn thất điện (PL) 6.59 kW/Km Chi phí cho tổn thất trên ₤2183 ₤1258 1 km dây dẫn Hudson cũng chỉ ra rằng, nơi điện thế cao 132kV ở Eastern, dây dẫn AAAC có những lợi thế so với dây ACSR là: - Tiết kiệm chi phí hàng năm là ₤21 620 (giá cả năm 1984) trên 23km với đường dây dẫn kép. - Tăng 40% truyền tải điện.

Với những đặc tính kỹ thuật và ưu điểm trên, hợp kim nhôm 6201 ứng dụng chủ yếu làm dây cáp điện dần dần thay thế cho dây dẫn nhôm lõi thép ở các vùng điện thế cao. Sau đây là một số bảng so sánh cơ tính và tính dẫn điện của hợp kim 6201 và các hợp kim nhôm dùng làm dây cáp điện, cũng như so sánh các loại dây hợp kim nhôm 6201 với các phương pháp sản xuất khác nhau thể hiện qua bảng 1. LUẬN VĂN THẠC SĨ 8 HVTH: Phạm Thị Minh Trang NC chế tạo dây nhôm HK 6201 trong SX cáp điện CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN Bảng 1. So sánh và phân loại tính chất của nhôm, một số hợp kim nhôm dùng làm dây cáp điện [17].

Hợp kim Giới hạn bền Bền kéo Độ dẫn dài Độ dẫn điện (MPa) (MPa) với thanh 250 (% IACS) mm (%) EC (99.65 Fe) Super T (Al- 109 129 25 61.22Cu) Nico (Al- 68 109 26 61. Giá trị độ bền kéo và độ dẫn điện cho dây điện 6201 trong sản xuất dây dẫn AAAC [13] Chỉ số Dây Al–Mg–Si Dây HC* Dây EHC* thông thƣờng Al–Mg–Si Al–Mg–Si Độ bền kéo cho phương pháp Min. 295 260 250 2 thông thường (N/mm ) Nhiệt độ xử lý nhiệt (ᵒC) 175 185-190 190-195 Thời gian giữ nhiệt, h 6 4 4 Độ dẫn điện (% IACS) Min.5 * Ghi chú: HC (high conductivity): dẫn điện cao EHC (extra high conductivity): dẫn điện siêu cao 1. CÔNG NGHỆ NẤU LUYỆN VÀ BIẾN TÍNH HỢP KIM 6201 Quá trình nấu chảy hợp kim 6201 thường xảy ra ở khoảng nhiệt độ 720÷750oC.

Do nhôm lỏng dễ bị oxy hóa, cần phải có trợ dung tạo lớp xỉ bao phủ bề mặt. Thành phần nguyên liệu silic, magie dễ cháy hao, khó đồng đều thành LUẬN VĂN THẠC SĨ 9 HVTH: Phạm Thị Minh Trang NC chế tạo dây nhôm HK 6201 trong SX cáp điện CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN phần và khống chế hàm lượng trong quá trình nấu, do vậy ta cần tạo hợp kim trung gian Al-Si, Al-Mg trước khi nấu hợp kim Al-Mg-Si (6201). Thông thường nấu luyện hợp kim nhôm ở nhiệt độ không cao, vì vậy ta có thể áp dụng nấu luyện hợp kim 6201 trong lò điện thông thường như lò cảm ứng, lò điện trở. Tuy nhiên sản phẩm thỏi đúc sau quá trình nấu luyện thường xuất hiện tổ chức hạt dạng thiên tích nhánh cây làm giảm đáng kể cơ tính hợp kim.

Do vậy cần cải thiện cơ tính của hợp kim Al-Mg-Si (6201) bằng cách biến tính cho hạt nhỏ mịn. Thông thường các tác giả chọn các hợp kim trung gian Al-B (như AlB1) hay hợp kim trung gian Al-B-Ti (như AlTi5B1). Người ta cấy mầm kết tinh bằng hợp kim trung gian Al-B vào hợp kim 6201 nóng chảy trong thùng trung gian với dây Ø9.5mm chứa 3% AlB2 nhằm giảm các nguyên tố Ti, Cr, Zr và V gây ảnh hưởng độ dẫn điện và làm nhỏ mịn hạt tinh thể của hợp kim. Cách này làm giảm thời gian hóa già và tăng biến cứng ở nhiệt độ thấp [13].

Ảnh hưởng của các nguyên tố lên độ dẫn điện của dây nhôm thể hiện bảng 1. Ảnh hưởng của các nguyên tố lên độ dẫn điện của dây nhôm [13]. Nguyên tố dρ/dc trong 10-4 Ω Nguyên tố dρ/dc trong 10-4 Ω mm2/m mm2/m Zr 454 Cu 31 Cr 421 B 13 V 333 Zn 10 Mn 307 Fe 9 Ti 259 Ni 5 Mg 56 Pb 2 Si 52 Sn 1 ρ: điện trở dòng điện, c: Hàm lượng nguyên tố theo % khối lượng LUẬN VĂN THẠC SĨ 10 HVTH: Phạm Thị Minh Trang NC chế tạo dây nhôm HK 6201 trong SX cáp điện CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN Độ dẫn điện m/Ω.mm2 Khối lượng Hình 1. Ảnh hưởng của lượng các nguyên tố tạp chất trong hợp kim lên độ dẫn điện của nhôm 99.

Hợp kim Al-Mg-Si có hàm lượng Mg, Si thấp làm tăng tính dẫn điện nhưng giảm độ bền. Tăng Fe hay Si từ 0.2÷2% làm giảm độ dẫn điện 10%. Crom, Mn và Ti, Va, Zr làm giảm rõ rệt độ dẫn điện và thêm AlB2 thụ động hóa các nguyên tố trên thành borit hạt mịn. Phương pháp cũ dùng borax (Na2B4O7), hay B2O3 thêm vào trong bể điện phân nhôm hay KBF4 thêm vào lò nấu chảy hợp kim, điều này dễ tạo khí thải độc hại và muối dư KAlF4 trong lò.

Hợp kim Al-B được dùng để loại bỏ các tác nhân ô nhiễm, tạp chất của phương pháp trên, đồng thời điều khiển hàm lượng Bo thêm vào trong nhôm phù hợp. Hợp kim Al-B thường tạo những hợp chất liên kim AlB2 (thể hiện hình 1. Theo tính toán người ta thường dùng từ 3÷5% hợp kim Al-B bỏ vào nồi chứa hợp kim nhôm nóng chảy [13]. LUẬN VĂN THẠC SĨ 11 HVTH: Phạm Thị Minh Trang NC chế tạo dây nhôm HK 6201 trong SX cáp điện CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN Hình 1.

Cấu trúc Pha AlB2 trong nền hợp kim Al-B [13]. Thông thường người ta thêm 0.052% là vượt quá cần thiết đối với lượng Ti, V và Cr 0. Trong hợp kim trung gian AlB1 chỉ có chất tạo mầm là borit nhôm AlB2. Tondel tìm thấy mối quan hệ định hướng với độ sai lệch chừng 3.

Tuy nhiên, AlB2 phản ứng với các tạp chất kim loại chuyển tiếp trong nhôm như Ti, V, Cr, Zr tạo thành các điborit TiB2, VB2, CrB2, ZrB2 không tan trong nhôm, có tỷ trọng lớn hơn nhôm, có xu hướng lắng xuống đáy nồi nên hiệu quả làm nhỏ hạt không cao. Ngoài ra, khi biến tính với vật liệu chứa tạp chất cacbon, titan và vanadi còn tạo ra điborit phức của titan và vanađi có kích thước lớn làm giảm hiệu quả biến tính [10]. Chính vì vậy mà hiệu quả làm nhỏ hạt của hợp kim trung gian AlB1 đối với hợp kim 6201 không cao, ngay cả với nồng độ bo đưa vào kim loại lỏng lớn hơn so với nồng độ cùng tinh (0.22%) trong hệ hợp kim Al–B. Đó là nồng độ mà nhiều tác giả cho rằng sẽ xảy ra phản ứng cùng tinh ở 659.5oC: L → AlB2 + Al(r) để tạo ra mầm kết tinh Al(r) [19].

LUẬN VĂN THẠC SĨ 12 HVTH: Phạm Thị Minh Trang NC chế tạo dây nhôm HK 6201 trong SX cáp điện CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN Hợp kim trung gian AlTi5B1 chứa các pha TiAl3 và TiB2. Do độ sai lệch nhỏ giữa khoảng cách các nguyên tử của TiAl3 và α–Al nên TiAl3 là chất tạo mầm tốt. Hơn nữa, khi nồng độ titan lớn hơn nồng độ bao tinh (0.15% Ti) của hệ hợp kim Al–Ti, TiAl3 tạo mầm kết tinh theo phản ứng bao tinh: L + TiAl3 → α– Al. Tuy nhiên, khi nồng độ titan trong nhôm nhỏ hơn nồng độ bao tinh, TiAl3 bị hòa tan làm cho hiệu quả tạo mầm của TiAl3 giảm đi.

Johnsson và Backerud tìm thấy rằng có một sự sai lệch nhỏ chỉ cỡ 4.3% giữa α–Al và TiB2 ở các mặt (111)Al và (001)TiB2, các phương [110]Al và [110]TiB2, do đó TiB2 phải là chất tạo mầm tốt. Hiện nay, có nhiều thuyết giải thích cơ chế làm nhỏ hạt của hợp kim trung AlTi5B1, ví dụ, thuyết giản đồ pha cho rằng việc làm nhỏ mịn hạt tinh thể là do phản ứng bao tinh trên các phần tử sơ cấp TiAl3. Thuyết này cho rằng việc cho thêm nguyên tố Bo gây ra sự dịch chuyển điểm bao tinh về phía nồng độ thấp (theo Marcantonio, Mondolfo và các tác giả khác là 0,05% Ti). Điều này cho phép TiAl3 ổn định ở nồng độ thấp và đó là lý của việc làm nhỏ mịn hạt tinh thể.

Còn theo thuyết của mô hình chất tan, TiB2 là chất tạo mầm tốt khi có titan đóng vai trò của chất tan. Titan là chất tan có khả năng thiên tích mạnh, tích tụ ở phía trước bề mặt phân cách rắn –lỏng tạo ra vùng quá nguội trạng thái ở phía trước của bề mặt đang phát triển. Vùng quá nguội trạng thái này kích hoạt các chất tạo mầm ở phía trước mặt phân cách và làm gián đoạn sự phát triển của các hạt có trước [14].