УГОЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Из числа твердых неметаллических проводниковых материалов, наибольшее значение имеют материалы, на основе углерода (электротехнические угольные изделия, сокращенно электроугольные изделия).
К электроугольным изделиям, применяемым в электротехнике и технике связи, относятся: электрические щётки для коллекторов электромашин, электроугли, применяемые в лампах и электропечах, электроды в гальванических элементах, угольные мембраны, угольные порошки используют в микрофонах для создания сопротивления, изменяющегося от звукового давления. Из угля делают высокоомные резисторы, разрядники для телефонных сетей; угольные изделия применяют в электровакуумной технике.
В качестве сырья для производства электроугольных изделий можно использовать сажу, графит или антрацит. Для получения стержневых электродов измельченная масса со связующим, в качестве которого используется каменноугольная смола, а иногда и жидкое стекло, продавливается сквозь мундштук. Изделия более сложной формы изготовляют в соответствующих пресс-формах. Угольные заготовки проходят процесс обжига. Режим обжига определяет форму, в которой углерод будет находиться в изделии. При высоких температурах достигается искусственный перевод углерода в форму графита, вследствие чего такой процесс носит название графитирования.
Электрощётки. Обжиг обычных щеток для электрических машин ведут при температуре около 800 °С; графитированные щетки нагревают при обжиге до 2200 °С.
Щетки служат для образования скользящего контакта между неподвижной и вращающейся частями электрической машины, т. е. для подвода (или отвода) тока к коллектору или контактным кольцам и, кроме того, осуществляют коммутацию переменной э.д.с., индуктированной в обмотке якоря. При работе на кольцах щетки осуществляют только подвод и отвод тока без коммутации.
Щётки должны иметь малое сопротивление, малый износ и хорошо пришлифовываться к поверхности коллектора. Их выпускают различных размеров (прилегающая к коллектору контактная поверхность щетки —от 4 Х 4 до 35 Х 35 мм, высота щетки —от 12 до 70 мм). Имеется несколько марок щеток, отличающихся друг от друга составом и технологическим процессом изготовления.
Щётки общего назначения подразделяют на четыре группы:
Угольно-графитные марок Т2; УГ2.
Графитные - Г1, ГЗ, 40.
Электрографитированные - ЭГ2а, ЭГ4, ЭГ8, ЭГ-14, ЭГ-15, ЭГ-83; ЭГ5; ЭГ9.
Металлографитные - М1, МЗ, Мб, М20, МГ, МГО, МГ2, МГ4, МГС, МГСО, СМ, МГС5, МГ6.
Весьма большое значение имеет величина удельного переходного контактного сопротивления щетки, приходящаяся на единицу поверхности сопротивления щетки с коллектором, P = R S, ом см2.
На величину Pk оказывают влияние следующие факторы:
Материал коллектора или кольца.
Плотность тока в контактной поверхности.
Род тока и направление его при постоянном токе.
Температура контактной поверхности.
Давление на щетку.
Линейная скорость движения коллектора или кольца.
Щётки с содержанием порошкового металла обладают особенно малым электрическим сопротивлением и дают незначительное контактное падение напряжения (между щеткой и коллектором).
Величина удельного сопротивления щеток, ом мм2/м
Угольно-графитовые ……….21-54
Графитные.......……………..12-37
Электрографитированные …10-50
Металлографитные……...….0,20-9
Таким образом, наименьшим переходным контактным сопротивлением обладают медно - или бронзо-графитные щетки.
В зависимости от свойств щеток определяют и область их применения.
Щетки применяют на коллекторах электромашин постоянного и переменного тока, в тяговых электродвигателях с добавочными полюсами, в крановых двигателях, двигателях для подъемников, прокатных станов, компрессоров в шахтных и рудничных моторах, на одноякорных преобразователях, а также на многих других генераторах и двигателях постоянного и переменного тока асинхронных и синхронных.
Угольные электроды термического назначения служат:
1)в качестве нагревательных элементов электрических печей, где они выполняют роль резисторов;
)в качестве проводника электроэнергии к нагревательному элементу, состоящему из угольной крупки в печах сопротивлений.
Электроды применяют в производстве ферросплавов, электростали, карбида кальция, абразивных материалов для шлифования, электролизе алюминия, электросварке.
Угольные электроды, работа которых будет протекать при высоких температурах, обжигаются также при очень высокой температуре, вплоть до 3000 °С. Угольные электроды, как и другие угольные изделия, имеют отрицательный температурный коэффициент удельного сопротивления.
Удельное сопротивление, ом мм2/м
Электродов…………50/70
Угольных трубок…..50/80
Сварочных углей…..60/80
Осветительные угли. Для освещения в качестве электродов вольтовой дуги употребляют специальные сорта углей. Различают угли для постоянного и переменного токов. Положительный электрод для постоянного тока обычно применяют с фитилем, диаметр его больше диаметра отрицательного угля в 1,5-2 раза потому, что накаливается он сильнее. В случае одинаковых диаметров он сгорел бы скорее.
Осветительные угли подразделяются на: прожекторные, кинопроекционные, для постоянного тока, переменного тока, киносъемочные и различных марок. Угли изготовляются в виде стержней диаметром от 5 до 30 мм, длиной от 120 до 450 мм.
Угли для гальванических элементов. Эти угли применяют в качестве положительного полюса гальванических элементов в виде пластин в цилиндре различных размеров.
Удельное электрическое сопротивление элементарных углей находится в пределах от 50 до 60ом мм2/м. Твердость по Шору не ниже 40.
Аноды для ртутных выпрямителей. Угольные аноды имеют форму стержней диаметром от 10 до 25 мм. Они характерны малой зольностью (до 0,1%). Для уменьшения зольности аноды подвергают электрографитации, т. е. второму обжигу в электрических печах сопротивлений при температуре 2200-2500° С.
Угольные регулировочные резисторы. Переходное сопротивление двух соприкасающихся угольных поверхностей в большой мере зависит от степени нажатия. В электротехнике это свойство используют для плавной и тонкой регулировки тока. Угольные регулировочные резисторы составляют из угольных пластин или спиралей, сжимаемых изменяющимся давлением. Так, например, резисторы, состоящие из 25 угольных колец толщиной 0,5 мм при наружном диаметре колец 50 мм и внутреннем 43 мм, дают сопротивление в зависимости от давления Микрофонные порошки. Свойство угольного порошка изменять своё сопротивление в зависимости от давления (удельное сопротивление порошка зависит от крупности зерен, режима обжига порошка и плотности засыпки) обусловливается переходным сопротивлением зёрен порошка и используется в микрофонах, где под воздействием звуковых колебаний изменяется давление на порошок. Порошок в свою очередь изменяет свое сопротивление, что создает колебания тока в электрической цепи. Микрофонный порошок изготовляют трех марок:
МБ - для телефонных систем с местными батареями;
ЦБ - для телефонных систем с центральными батареями;
Л - для ларингофонов.
Сырьем для порошков служит антрацит, который дробится на куски от 5 мм и мельче, просеивается через сито в 80 меш, обжигается в печах при температуре 900-1000°С (марка ЦБ) и при 1480°С (марка МБ) и затем еще раз просеивается через сито в 45 меш. Удельное сопротивление этих порошков 40-700 ом см.
Мембраны для микрофонов производят из смеси: пекового кокса (75%) и каменноугольной смолы (25%). Каменноугольный пек предварительно размалывают в шаровой мельнице, просеивают через сито 100 меш, перетирают в течение 24 ч на бегунах, просушивают в сушильных барабанах, просеивают через сито 50 меш. Затем смешивают со смолой, предварительно прогретой при t = 300/315°С. Смесь обрабатывают на вальцах, затем размалывают в шаровых мельницах, просеивают через сито 200 меш. Из полученного порошка на гидравлических прессах под давлением 3 Т/см2 прессуют мембраны в виде дисков и обжигают при t = 1480° С.
Угольные контакты, изготовляют из смеси: отходы и брак угольных щеток, графит, пеки сода двууглекислая. Угольные контакты выпускают марок Т, Г-1 и серебряно-графитовые.
Угольная крупка изготовляется трех марок, отличающихся друг от друга размером зерен:
Марка УК-1 имеет размер зерна 0,5/1,5; УК-2-1,4/3,0; УК-3-2,9/6,0.
Применяют в электрических печах в качестве нагревательного элемента. Производят из брака малозольных углей, которые дробят и просеивают через сита.
Коллоидно-графитовые, препараты, изготовляют из чистого графита термически обработанного, высокой степени размельчения. Эти препараты наряду с применением в качестве смазок часто используют для уменьшения контактного сопротивления, для создания полупроводящих поверхностей. Примером этому может служить водная паста высокодисперсного графита (ак-вадаг), которая согласно ГОСТ 5613-50 выпускается четырех марок К-1, К-2, К-3, К-4, содержание частиц графита которых находится в пределах, %:
а) более 63 мкм - от 0,2 до 0,5;
в) менее 10 мкм - от 55 до 65.
Содержание золы нормируется только для марок:
К-1 - не более 5%, К-2 - не более 8%.
Природный графит представляет собой одну из модификаций чистого углерода слоистой структуры с большой анизотропией как электрических, так и механических свойств. Следует отметить, что чистый углерод в модификации алмаза представляет собой диэлектрик с весьма высоким удельным сопротивлением.
Угольный электрод
Угольные электроды для сварки применяются реже, чем аналоговые со стальным плавящимся стержнем. Но они в некоторых ситуациях просто незаменимы. К тому же с помощью угольного электрода можно проводить большой спектр работ: сварка, резка, плавка. Плюс им обрабатываются практически все виды современных металлов, от тугоплавких и тяжелых, до легких и пористых. Но вначале необходимо разобраться, что собой представляет угольный электрод.
Это стержень, в основе которого лежит уголь (кокс), плюс несколько добавок: в качестве связующего применяется смола, в качестве упрочняющего элемента металлический порошок. Размеры угольного электрода варьируются по диаметру от 1,5 до 25 мм, по длине от 25 до 300 мм. Процесс производства очень прост: изготовление смеси компонентов, формовка и сушка. Может возникнуть вопрос, почему такой большой разброс длины. Все дело в различных проблемах, которые решаются угольными электродами. К примеру, если свариваемые детали расположены в неудобном месте, то применение длинного стержня решает возникшую проблему.
Виды угольных электродов Сегодня производители предлагают пять видов, которые отличаются друг от друга формой сечения.
1. Круглые. Применение неограниченно. Диаметр стержня – 3,2-19 мм.
2. Круглые бесконечные. Свое название получили за самый малый расход, то есть, это самые экономичные сварочные электроды этой категории. Диаметр – 8-25 мм. Обычно для проведения сварки применяется специальная машинка.
3. Плоские. Сечение стержней прямоугольное (иногда квадратное) размером 8-25 мм. В основном используются для заделки дефектов на поверхностях стальных отливок.
4. Полукруглые. Сечение – 10-19 мм. На сегодняшний день это самые востребованные электроды, с помощью которых можно решить любые проблемы, связанные с резкой металлических заготовок. При сварке шов получается необходимой формы. При формировании кромок им равных нет.
5. Полые. Редко используются. Отличительная черта – с их помощью можно сформировать U-образную канавку. Диаметр стержня: 5-13 мм.
Чтобы увеличить прочностные характеристики расходников, в технологии их производства стал использоваться метод напыления на электроды медного порошка. Второй метод – электролитический. Это, когда в ванну с электролитов помещают и сам стержень, и медный порошок. Здесь под действием электрического поля медь оседает на плоскости расходника. То есть, получился подвид, который называется – электроды угольные омедненные. По типу разделения он точно такой же, как и обычные угольные электроды.
Контрольные вопросы:
1.Какие электроугольные изделия применяют в электротехнике?
2.Для чего служат электроугольные щётки и какие требования к ним предъявляют?
3. Где применяют угольные электроды?
4. Перечислите виды угольных электродов.