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默默耕耘 助力戰略新材料

-- 稀有合金高溫爐專用大功率水冷變壓器研發專訪

高溫合金是指以鐵、鎳、钴爲基,能在600°C以上的高溫及一定應力作用下長期工作的一類金屬材料;具有較高的高溫強度,良好的抗氧化和抗腐蝕性能,良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能。高溫合金可以按基體組織材料劃分爲鐵基高溫合金、鎳基高溫合金和钴基高溫合金。

研發應用中,現在一般按制備工藝劃分成鑄造高溫合金、變形高溫合金和其他幾類新型高溫合金(粉末冶金高溫合金、彌散強化高溫合金ODS等)工作溫度範圍-253~1320°C,具有良好的力學性能和綜合的強韌性指標,具有較高的抗氧化、抗腐蝕性能的一類合金。按其熱處理工藝可分爲固溶強化型合金和時效強化型合金。鑄造高溫合金是指可以或只能用鑄造方法成型零件的一類高溫合金。其具有更寬的成分範圍,由于可不必兼顧其變形加工性能,合金的設計可以集中考慮優化其使用性能。如對于鎳基高溫合金,可通過調整成分使Y結構含量達60%或更高,從而在高達合金熔點85%的溫度下,合金仍能保持優良性能。此外,相比變形高溫合金,它有更廣闊的應用領域。

根據鑄造合金的使用溫度,可以分爲以下三類:

第一類:在-253~650°C使用的等軸晶鑄造高溫合金:這類合金在很大的範圍溫度內具有良好的綜合性能,特別是在低溫下能保持強度和塑性均不下降。如在航空、航天發動機上用量較大的K4169合金,其650°C拉伸強度爲1000MPa、屈服強度850MPa、拉伸塑性15%;650°C,620MPa應力下的持久壽命爲200小時。已用于制作航空發動機中的擴壓器機匣及航天發動機中各種泵用複雜結構等。

第二類:在650~950°C使用的等軸晶鑄造高溫合金:這類合金在高溫下有較高的力學性能及抗熱腐蝕性能。例如K419合金,950°C時,拉伸強度大于700MPa、拉伸塑性大于6%;950°C,200小時的持久強度極限大于230MPa。這類合金適于用做航空發動機渦輪葉片、導向葉片及整鑄渦輪。

第三類:在950~1100°C使用的定向凝固柱晶和單晶高溫合金:這類合金在此溫度範圍內具有優良的綜合性能和抗氧化、抗熱腐蝕性能。例如DD402單晶合金,1100°C、130MPa的應力下持久壽命大于100小時。這是國內使用溫度最高的渦輪葉片材料,適用于制作新型高性能發動機的一級渦輪葉片。

采用霧化高溫合金粉末,經熱等靜壓成型或熱等靜壓後再經鍛造成型的生産工藝制造出高溫合金粉末的産品。采用粉末冶金工藝,由于粉末顆粒細小,冷卻速度快,從而成分均勻,無宏觀偏析,而且晶粒細小,熱加工性能好,金屬利用率高,成本低,尤其是合金的屈服強度和疲勞性能有較大的提高。粉末冶金高溫合金可以滿足應力水平較高的發動機的使用要求,是高推重比發動機渦輪盤、壓氣機盤和渦輪擋板等高溫部件的選擇材料。

近日,我公司定制研發的稀有合金高溫爐專用水冷變壓器圓滿完成,順利通過甲方專家組驗收。爲滿足用戶的工藝要求,整機容量2150KVA的變壓器分爲14個安裝單元,分別布置到爐體頂面和側面,整機安裝高度達到4.5米,對抗震結構提出了很高的要求。而且爲了保證高溫爐的調溫要求,水冷變壓器要具備原邊大範圍調壓功能,這給水冷變壓器的研發制造提高了很大難度,經過精確的電氣參數設計計算和科學的結構設計,在保證産品的電氣性能優良的前提下,高壓線圈采用自冷箔式結構,低壓線圈采用水冷銅管式結構,整體線圈爲同心式分布軸向壓裝,既降低了器身高度,且保證高效的散熱。經過我公司研發技術人員和工程工藝技術人員刻苦攻關,最終方案確定,並得到用戶認可。

整機方案結構示意圖如下。

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在研發制和造過程中,進一步優化産品的選材用料和細節工藝,層間絕緣選用進口杜邦公司N0mex-T410絕緣材料,保證産品絕緣和耐溫的高可靠性,銅管單螺旋裸管抛光,保證散熱和美觀。

高壓線圈采用箔式層式結構,低壓線圈采用水冷銅管式結構,低壓線圈爲多單元並聯式分布軸向壓裝,既降低了線圈高度,且保證高效的散熱。高壓側調壓抽頭用銅排軸向引出。

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鐵芯內置水冷換熱器,強化鐵芯散熱能力,采用30Q120高導磁硅鋼片,同時采用先進的多級步進多級疊片方式,有效降低了空載損耗、空載電流和噪聲。在設計、制造過程中較好地消除了變壓器大電流漏磁渦流引起局部發熱問題,産品具有極高的可靠性。

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根據水冷散熱特性,合理分配水冷管路水流量,達到最佳冷卻效果,水系統管路設計安全可靠,主管路采用銅管路,滿足防腐要求,出水嘴采用國際標准的密封螺紋,有效防止滲漏。分支連接管路采用耐高溫尼龍纖維與橡膠複合管路或聚四氟乙烯管路,保證可靠的耐溫耐壓耐久性。進出水設計溫差低于5℃,水流速設計值低于1.5m/s,工作壓力設計值低于3bar,保證水冷系統工作的穩定可靠。

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銅管繞組引出端采用橫向引出方式,局部加強絕緣,並根據客戶要求對變壓器采用“三防漆”處理(防鹽霧、防濕熱、防黴菌),裝飾性好,耐腐蝕性、保光性、保色性較好,有良好的流平性和遮蓋力,結構簡化,外形美觀。

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整機滿足IP56等級的防護要求。

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三河市翰祺電氣設備有限公司行政部宣

2019年4月24日

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