Đặt vấn đề Nước ta đang trong quá trình phát triển kinh tế xã hội mạnh mẽ, nhu cầu tiêu thụ điện năng tăng đồng thời công suất phát điện được nâng cao đòi hỏi hệ thống truyền tải điện phải được phát triển đồng bộ. Việc mở rộng và cải tạo nâng cấp hệ thống truyền tải điện là một nhu cầu luôn phải thường xuyên thực hiện để theo kịp với sự phát triển đó. Trong hệ thống truyền tải điện các đường dây luôn được điều chỉnh vận hành tuy nhiên quá tải vẫn thường xuyên xảy ra, nếu để xảy ra quá tải trong thời gian dài có thể sẽ dẫn đến phát nhiệt, đe dọa an toàn cho hệ thống. Việc đầu tư cải tạo nâng cao công suất truyền tải các tuyến đường dây hiện hữu mà vẫn giữ nguyên cấp điện áp rất quan trọng.
Một biện pháp hữu hiệu là dùng dây dẫn sử dụng công nghệ vật liệu mới có khả năng mang tải cao hơn và hoạt động ở nhiệt độ cao hơn so với dây dẫn cũ cùng tiết diện, khi đó không cần thay thế các kết cấu đã có sẵn của hệ thống cột trong tuyến, giúp tiết kiệm chi phí đầu tư. Các nghiên cứu sản xuất dây cáp điện trong nước đang hướng tới dây dẫn chịu nhiệt và dây dẫn siêu nhiệt, có thể làm việc liên tục ở nhiệt độ cao trong thời gian dài và mang tải cao hơn so với dây dẫn thông thường. Trong nhiều năm gần đây, dây dẫn bằng hợp kim nhôm chịu nhiệt hệ Al-Zr đã trở nên phổ biến trên thế giới. Các dây dẫn này có tiết diện và khối lượng tương đương nhưng khả năng mang tải cao hơn, và làm việc liên tục ở nhiệt độ cao.
Các doanh nghiệp trong nước đang hướng tới phát triển công nghệ mới, sử dụng nguồn nguyên liệu tinh quặng zircon trong nước để sản xuất hợp kim trung gian Al- Zr-Si là tiền đề để chế tạo dây nhôm hợp kim chịu nhiệt. Do vậy, việc tìm ra công nghệ sản xuất phù hợp nấu luyện, chế tạo dây hợp kim nhôm phù hợp yêu cầu kỹ thuật của tiêu chuẩn là yêu cầu cấp thiết, giải quyết cho các vấn đề nan giải trong sản xuất cáp hợp kim nhôm chịu nhiệt, đáp ứng nhu cầu trong nước và tiến tới xuất khẩu. LUẬN VĂN THẠC SĨ | LÝ THÁI PHÁP - KỸ THUẬT VẬT LIỆU 2 2. Tính cấp thiết của đề tài Trong số các loại hợp kim nhôm ứng dụng để sản xuất dây cáp điện, dây hợp kim nhôm AT1 trên cơ sở hệ hợp kim Al-Zr được sử dụng phổ biến hiện nay dùng để chế tạo dây cáp điện chịu nhiệt và dây cáp điện siêu nhiệt.
Hợp kim nhôm AT1 có độ dẫn điện cao, độ bền kéo tương đối, đặc biệt là khả năng làm việc liên tục ở nhiệt độ cao và khả năng mang tải cao gấp 1.5 lần so với dây dẫn thông thường cùng tiết diện. Các nguyên tố hợp kim giúp dây có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao, tuy nhiên có thể ảnh hưởng đến độ dẫn điện. Yêu cầu chung của dây hợp kim nhôm AT1 là phải có độ bền kéo tối thiểu từ 159-169 MPa (tùy thuộc vào đường kính dây), độ dẫn điện tối thiểu 60%IACS, độ bền kéo sau khi chịu ảnh hưởng 230C trong 1h không được nhỏ hơn 90% so với độ bền kéo tại nhiệt độ phòng. Công nghệ nấu luyện HKTG Al-Zr-Si có hàm lượng Zr đạt 2-3%, được nấu luyện từ nguồn nguyên liệu là nhôm và tinh quặng zircon có khá nhiều ở nước ta, nhưng chưa được nghiên cứu.
Vì vậy, đề tài của luận văn “Nghiên cứu và chế tạo hợp kim nhôm chịu nhiệt Al- Zr dùng để sản xuất dây cáp điện” nghiên cứu công nghệ chế tạo HKTG Al-Zr-Si nhằm nâng cao giá trị tài nguyên là tinh quặng zircon. Đồng thời góp phần hoàn thiện quy trình công nghệ chế tạo dây cáp điện chịu nhiệt cho ngành sản xuất dây cáp điện, tiết kiệm chi phí nâng cao năng suất, hiện đại hóa hệ thống truyền tải điện. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu quy trình và nấu luyện hợp kim trung gian Al-Zr-Si. Nấu luyện thành công hợp kim AT1, chế tạo dây hợp kim nhôm AT1 phù hợp tiêu chuẩn IEC 62004 (2007) 4.
Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu công nghệ nấu luyện hợp kim trung gian Al-Zr-Si Nghiên cứu công nghệ nấu luyện hợp kim nhôm AT1 Tiến hành thực nghiệm nấu luyện hợp kim trung gian Al-Zr-Si và nấu luyện hợp kim nhôm AT1, trong lò nấu luyện điện trở. Đúc thỏi HKTG và hợp kim nhôm AT1, quan sát tổ chức tế vi và phân tích thành phần hóa học. LUẬN VĂN THẠC SĨ | LÝ THÁI PHÁP - KỸ THUẬT VẬT LIỆU 3 Tiến hành chế tạo dây hợp kim nhôm AT1, kiểm tra độ bền cơ tính và đo độ dẫn điện 5. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu 5.1 Đối tƣợng Hợp kim trung gian Al-Zr-Si Hợp kim nhôm AT1 5.2 Phạm vi nghiên cứu Nấu luyện HKTG Al-Zr-Si từ nguồn nguyên liệu chính là nhôm sạch, Cryolite, KCl và tinh quặng Zircon loại 1 Nấu luyện hợp kim nhôm AT1 Đề tài chỉ lựa chọn những thông số công nghệ phù hợp, tiêu biểu cho từng giai đoạn nấu luyện để chế tạo hợp kim nhôm AT1 Quá trình thực nghiệm chỉ đạt đến kết quả mong muốn là tạo ra HKTG Al-Zr-Si có thành phần Zr khoảng 2% và chế tạo dây hợp kim nhôm AT1 cuối cùng với đường kính khoảng 2.5mm có độ bền cơ tính và độ dẫn điện phù hợp với tiêu chuẩn IEC 62004:2007 6.
Tính mới của đề tài Trên thế giới đã nghiên cứu và phát triển công nghệ nấu luyện hợp kim nhôm Al- Zr và sản xuất thành công dây cáp điện siêu nhiệt từ hệ hợp kim Al-Zr. Tuy nhiên hiện tại trong nước chưa có nghiên cứu và thử nghiệm sản xuất thành công về công nghệ nấu luyện và chế tạo dây hợp kim nhôm hệ Al-Zr từ nguồn nguyên liệu giá rẻ và sẵn có trong nước là tinh quặng Zircon loại 1. Ngoài ra chưa có đơn vị doanh nghiệp Việt Nam nào áp dụng công nghệ nước ngoài sản xuất được hợp kim này do khó khăn về công nghệ cũng như hạn chế về kinh phí. Do đó đề tài nghiên cứu này là lĩnh vực còn khá mới ở nước ta mà các doanh nghiệp sản xuất cáp điện đang hướng đến.
Ý nghĩa khoa học Lựa chọn được các thông số công nghệ thích hợp cho quá trình sản xuất HKTG Al- Zr-Si và hợp kim AT1 làm dây cáp điện chịu nhiệt. Tạo cơ sở cho những nghiên cứu cải thiện, phát triển công nghệ trong sản xuất HKTG Al-Zr-Si và hợp kim AT1. LUẬN VĂN THẠC SĨ | LÝ THÁI PHÁP - KỸ THUẬT VẬT LIỆU 4 8. Ý nghĩa thực tiễn Thành công của đề tài là cơ sở nghiên cứu, giúp các doanh nghiệp Việt Nam phát triển và hoàn thiện công nghệ nấu luyện HKTG Al-Zr-Si sử dụng nguồn tinh quặng Zircon, một trong những sản phẩm của quá trình chế biến khoáng sản titan có nhiều ở nước ta.
Từ đó hoàn thiện công nghệ nấu luyện hợp kim AT1 sản xuất dây cáp điện chịu nhiệt. Góp phần giải quyết các vấn đề nan giải trong phát triển lĩnh vực dây cáp điện mới là đây cáp điện chịu nhiệt, giúp tăng hiệu quả kinh tế trong quá trình truyền tải điện nhờ việc tăng khả năng truyền tải và tuổi thọ của hệ thống LUẬN VĂN THẠC SĨ | LÝ THÁI PHÁP - KỸ THUẬT VẬT LIỆU 5 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Hợp kim nhôm chịu nhiệt AT1 1. Tính chất hợp kim nhôm chịu nhiệt AT1 Bảng 1.
1 Tính chất vật lý của hợp kim nhôm hệ Al-Zr: 60TAL AT1 [1] Hợp kim nhôm hệ Al-Zr: 60TAL AT1 Thông số kỹ thuật Giá trị Hệ đơn vị metric Khối lượng riêng (20C) 2703 kg/m3 Điện trở suất (20C) 28,735 x 10-8 m Độ dẫn điện (20C) 60,0 %IACS Nhiệt độ làm việc liên tục (40 năm) 150 C Nhiệt độ làm việc liên tục 400 giờ 180 C Độ giãn nở nhiệt (20C) 23.10-6 C-1 Nhiệt độ nóng chảy 660 C Nhiệt dung riêng 900 J/(kg*K) Hệ số dẫn nhiệt 230 W/(m*K) Độ bền kéo đứt min 159 ~169 MPa (tùy thuộc vào ) 1. So sánh dây dẫn chịu nhiệt với các loại dây dẫn hợp kim nhôm khác Trong quá trình truyền tải điện có phát sinh nhiệt nhất là với hệ thống điện siêu cao từ 275-500kV, nhiệt độ làm ảnh hưởng đến tuổi thọ và hiệu suất truyền dẫn suy giảm. Để cải thiện tuổi thọ và hiệu suất truyền dẫn khi ở nhiệt độ cao (lớn hơn 150C), cần một hợp kim nhôm mới thay thế các hợp kim nhôm truyền thống. Việc lựa chọn thêm nguyên tố Zr vào sẽ giúp hợp kim nhôm có khoảng vượt lớn hơn về nhiệt độ nên khả năng chịu nhiệt tốt hơn hợp kim nhôm thông thường, do đó hệ thống truyền tải điện được vận hành ổn định ở nhiệt độ cao mà vẫn đảm bảo được hiệu suất truyền tải, tuổi thọ hệ thống và tính công nghệ chế tạo dây dẫn.
LUẬN VĂN THẠC SĨ | LÝ THÁI PHÁP - KỸ THUẬT VẬT LIỆU 6 Hệ hợp kim Al-Zr đã được sử dụng rộng rãi ở Hoa kỳ và nhiều nước châu Âu theo tiêu chuẩn ASTM B941 và IEC 62004 … với các sản phẩm tiêu biểu: AT1, AT2, AT3, AT4. Trong đó AT1 và AT3 được sử dụng phổ biến nhất hiện nay. AT1 còn được gọi là TAL (Thermal Resistant Aluminium Alloy) là hợp kim chịu nhiệt có thể vận hành ở nhiệt độ tối đa cho phép là 150C. AT2 còn được gọi là Hi-TAL (Extra High Strength Thermal Resistant Aluminium Alloy) có độ bền kéo nhỏ nhất 225-248 MPa tùy thuộc vào đường kính dây, vận hành ở nhiệt độ tối đa cho phép là 150C AT3 còn được gọi là ZTAL (Zircon ultra thermal resistant aluminium alloy ) hoặc STAL (Super Thermal Resistant Aluminium Alloy ) có độ bền cao, vận hành tốt liên tục ở 210C.
[2] AT4 còn được gọi là XTAL (Extra Thermal Resistant Aluminium Alloy) vận hành tốt liên tục ở 230C Bảng 1. 2 Các loại cáp điện chịu nhiệt Hợp kim nhôm Dạng lõi AT1 AT2 AT3 AT4 Sợi thép TACSR Hi-TACSR mạ kẽm Sợi thép Hi- TACSR/AW bọc nhôm TACSR/AW Sợi Invar TACIR Hi-TACIR STACIR XTACIR mạ kẽm Invar bọc TACIR/AW Hi-TACIR/AW STACIR/AW XTACIR/AW nhôm Hình 1. 1 Nhiệt độ làm việc của các loại cáp điện LUẬN VĂN THẠC SĨ | LÝ THÁI PHÁP - KỸ THUẬT VẬT LIỆU 7 1. Công nghệ nấu luyện hợp kim trung gian 1.
Các nghiên cứu tác động của nguyên tố hợp kim lên đặc tính của hợp kim nhôm Al-Zr làm vật liệu dẫn điện chịu nhiệt. Việc thêm các nguyên tố khác vào nhôm khi nấu luyện có thể làm giảm đáng kể khả năng dẫn diện của hợp kim nhôm, và độ dẫn điện phụ thuộc vào thành phần phần trăm các nguyên tố được thêm vào, trong một nghiên cứu của T.Horikishi và cộng sự đã công bố 2006 [2] Hình 1.
