矿物绝缘电缆

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1、矿物绝缘电缆铜带纵包焊接连续生产线（一）摘 要：本文主要介绍了铜带纵包焊接连续生产线的设备、工艺，此工艺解决了电缆长度 短、缩短了生产周期、降低了成本，提高了生产效率。并介绍了轧制与拉拔在矿物绝缘电缆 制造的区别。关键词：矿物绝缘电缆；设备；材料；生产工艺；技术数据；轧制与拉拨；1、概述矿物绝缘电缆（MI）电缆也称其为氧化镁绝缘电缆，是一种无机材料电缆。矿物绝缘 电缆由铜导体、无机绝缘材料（氧化镁粉）及无缝铜管或铜带纵包焊接成的无缝铜管这三种 无机材料经过多次拉拔或多次轧制组合加工而成。这一独特结构使其具有耐火、防爆、耐高 温、不老化、不引发火灾和传播火种，以及在周围着火条件下不会释放出任何有

2、害气体和烟 雾的特性，特别适用于环境恶劣、安全性要求特别高的场所或部位，尤其是适用在火灾条件 下要保证安全供电的消防系统线路。特殊需要时也可在金属护套上挤包一层聚乙烯外护或低 烟无卤护套。矿物绝缘电缆按用途不同可分为：配线电缆、加热电缆和加热元件、热电偶电缆及补 偿电缆、特种电缆，在实际应用中最常用的是配线电缆，目前矿物绝缘电缆执行的国家标准是GB/T13033.1-2007,在国标之外一种新型矿物 绝缘特种电缆已出现一-825合金护套矿物绝缘防火电缆。825合金护套矿物绝缘防火电缆是 专为碳氢爆炸火焰及高腐蚀环境下能够正常工作（传输电力）而设计的，该电缆由一个或多 个导体芯线、氧化镁粉，82

3、5合金护套组成。导体芯线一般为镍包铜或纯镍实心芯线。825 合金电缆的外护套不能用作接地线。825合金在氧化和还原环境下都具有抗酸和碱金属腐蚀 性能，高镍成份使合金具有有效的抗应力腐蚀开裂性。在各种介质中的耐腐蚀性都很好，如 硫酸、磷酸、硝酸和有机酸，碱金属如氢氧化钠、氢氧化钾和盐酸溶液。825合金是迄今发 现的应用于高温（如石油和石化装置）生产有机硫化物、硫化氢及硫磺可燃产品的环境中具 有全方位极佳性能表现的合金。825合金护套的矿物绝缘防火电缆不但能在1200C的高温爆 炸火焰中生存30分钟，而且对于石油气体和酸雾具有极强的防腐蚀性。由埃克森一美孚石 油公司进行过试验，这个试验将825合金

4、电缆放在一个非常近似于实际碳氢暴燃大火的环境 中。测试程序规定被测电缆必须支撑在充满汽油和柴油混合物的炉坑中，当点燃此混合物时， 炉内温度急剧升高，并猛烈燃烧。在试验中，被测电缆试样不但经受烈焰的高温，而且具摧 毁性的湍动大火。整个试验期间,平均温度超过1100C，由于试验本身的特点，温度在1100C 水平不断上下波动。试验显示在火灾情况下电缆能够持续正常工作。2.1双铜带放线装置：构造：双铜带放线装置是一台有2个独立的放线竿和制动气刹的放线机。两个独立的 放线竿可旋转，每个放线直径范围在（240-470） mm之内。最大带宽为320mm，旁边4根支 撑条长度每根长为600mm。铜带最重达（全

5、部）=1400千克，普遍使用60.5mm宽的铜带（每 盘最重可达700千克）.作用：使铜带放线机与铜带储线器之间保持一定的张力。铜带放线机的好处在于。当 一盘铜带用完时，在不停机的情况下，更换另一盘铜带与之焊接（氩气作为保护气，UTP银 焊条填充氩弧焊接），确保生产线连续生产。Fl.（双铜带放线装装置）2.2铜带储线器：构造：铜带储线滑轮器大小为4米高，2.5米宽。两边是竖直的柱子，中间的顶部 是一个滑轮组（6个直径360mm的滑轮）。中间还有一个滑轮组（5个直径360mm的滑轮）。 滑轮组没有电力驱动而是有一个液压张力控制部件在铜带断裂的情况下可以使之停止。（作 为保护措施）有一个固定好安全

6、笼内固定好的单独滑轮导引铜带进如滑轮组。此外还有个信 号装置可以确定这些滑轮的位置。作用：保证铜带储线器中的铜带与铜带清洗机有一定的张力。铜带储线器能够储存足够多的 铜带，为铜带与铜带之间的焊接赢得充裕的时间。（铜带储线器）（图略）2.3铜带清洗机构造：铜带清洗机长约2.5米、高约1.2米、宽约0.6米。外壳主要部件是由耐酸的 塑料制品。它有一套控制铜含量的系统和一套控制清洗液温度的系统。有两台用于循环自来 水和清洗液的电机。进出口宽为100mm。内置传送带宽达 64mm。作用：10%-15%的稀硫酸和10%-20%的双氧水对铜带表面进行酸洗，去油污、去氧化等化学 反应。酸洗完的铜带再进行水洗

7、，最后经过不低于35度的烘干传输到铜带成型轧机。（铜带清洗机）（图略）2.4铜带成型轧机构造：一台有13个万向节的铜带成形机，由7个动力引导轧模，2台电机，7个变速 箱和7个轧辊（均是一对），其余6个不用的全部都固定在主架上。开头三个变速箱连接在 一起由第一个变速箱旁的电机驱动。后四个变速箱连接在一起由第7个变速箱旁边的电机驱 动。轧辊连接到滚动轴送出的那个变速箱。铜带管成型轧制时，所有的这些轧辊工作必须 保证同心垂直。电机，变速箱和轧辊也都是一样的。每一环的齿轮齿数比都一样为79： 1（变 速箱和轮子）电机信息：通用电机，每分钟1000转，3.8千瓦直流分激电动机。电枢=180 伏特，28.

8、5安培。磁场电压210伏特，1.95安培。电机使用风扇降温。作用：宽为60.55毫米的铜带纵包成19.8毫米的铜管，纵包成的对缝之间间隙为0.1毫米 左右以便于焊接。（铜带成型轧机）2.5焊接系统构造：焊接盒有3对直径为20mm的水冷辊。硅油传输系统由Watson Marlow 504 DU 泵，有观察孔的球形传感器、硅油桶架子组成。振动锤子组成：一个直流电机和凸轮机构冃 的变速箱。电机控制面板组成：一个林肯焊机，一个单独高频的400安培电源以及焊枪，用 循环冷凝水来冷却焊枪。配有摄象机的接缝控制面板，触摸式焊接监视右器。作用：铜带纵包焊接连续生产工艺最重要的一环就是保证焊接的质量和稳定性。铜

9、带成管的 接缝由摄像头自动跟踪并进行自动调整焊接，保证了焊接的稳定性和质量。（焊接装置一图略）2.6 1号轧机构造：1号轧机共由7道电机组成。它的齿轮齿数比是根据变速箱和电机的驱动皮带 轮的区别有所不同所有的轧辊机架都安装在主结构上.轧辊机架之间都呈直角所有轧辊 机架的电机、变速箱，轧制的地方都是一样的.每轧辊机架都有直流电机带动一个带子直至变 速箱.直到轧制的地方.电机信息：”通用电机” 3000转每分钟,2.2千瓦直流分激电动机.电 枢电压=180伏特，13.5安培.磁场电压210伏特,0.78安培.电机结构=MD132160（有脚架）.控 制系统：控制全部连接到主线控制系统。本地控制通过

10、在一楼的主控制桌上进行微控来完 成。作用：将组合成的铜线芯、氧化镁、铜带经过多次轧制成半制品。1号轧辊送出的电 缆直径19.07mm,7号口送出电缆直径15.52mm.（图省）2.7 1号退火装置、冷却水槽和导向轮、2、3号轧机构造（1号退火装置）：125千瓦1万赫兹水冷电机、线圈盒和水循环系统、线圈直 径为30mm、玻璃垫管外径为26mm、内径为20mm、长为1650mm。作用（1号退火装置）:大电流感应加热电缆。加热原理：50HZ的工频电流变为10KHZ 交流电源，采用的是可控硅变频装置、导电材料在磁场里被感应，材料本身产生涡流和磁滞 损耗，使材料自身发热的一种物理现 象。构造（冷却水槽（

11、淬火）和滑轮）：安装有导向滑轮的3350mm x 610mm x 1600 mm纵 深高度）冷却水槽滑轮使之能在垂直方向移动,1800mm铝制滑轮，限位开关和LVDT。水槽连 接管道到到循环泵和热交换器，由水泵控制.作用（冷却水槽（淬火）和滑轮）：设计用来解决矿物电缆生产过程的三个问题。1） 将电缆由树直变成水平2）冷却1号退火装置出来的电缆3）为2号轧机轧制速度控制电路提 供信号位置。构造（2号轧机）：2号轧机共由12道电机组成：所有的轧辊机架都安装在主结构上。 轧辊机架之间都呈直角所有轧辊的电机,变速箱，轧制的地方都是一样的。每个轧辊的齿轮 齿数比根据变速箱和电机的驱动皮带轮的区别有所不同

12、。电机信息:通用电机3000转每 分,2.2千瓦直）流分激电机.电枢电压180伏特,13.5安培.磁场电压=210伏特,0.78安培。 全控制系统：控制部连接到主线控制系统。作用：1号轧辊送出的电缆直径15.07mm,12号口送出缆直径7.88mm构造：（3号轧机同2号轧机原理一样）作用：3号轧机1号轧辊送出的电缆直径9.96mm,12号轧辊送出电缆直径为5.15mm。 （所有图略）2.8 2号退火装置、激光测径仪、涡流测试仪构造（2号退火装置）：有250千瓦,1万赫兹的水冷电机,包含六个线圈内径为30mm、长为 4270mm的线圈盒、水冷系统等。玻璃垫管外径24.5mm,内径19.5mm（7

13、00mm长）。作用（2号退火装置）：（同1号退火炉、图省）构造（激光测径仪）：配有激光测量头系统有报警箱 作用（激光测径仪）：检测电缆的外径是否在0.5mm范围之 内。构造（涡流测试仪）：配有探伤（焊接不良好的焊缝）激光头和显示仪器屏 屏。作用（涡流测试仪）：检测不良焊缝并报警，装有黑色冲头的气压装置打出一黑色痕 迹提醒收线人员以便分头。（图略）2.9向下式成圈收线装置构造：由有V型槽的上托盘和下转盘组成。转柱直径1000mm，由气压活塞来控制 Fingers和feed roll。转盘直径为1160mm由链条来驱动。作用：成圈收线、保证连续生产时更换收线盘。（收线装豊-图略）3材料3.1导体结

14、构图（略）矿物绝缘电缆典型的结构如右图所示。导体、氧化镁、护套经过多次组合轧制，三者 之间高度紧压、氧化镁密实度很高。如果电缆要求具有防腐性能、可以在铜护套外再挤出一 层外护层。一般情况之下导挤出一层外护层。一般情况之下导体和护套采用铜材料而绝缘层 采用氧化镁材料。配线电缆的导体尺寸规格相当多，从1mm2到400mm2不等，线芯数量也从1根到19根不等， 一般只有单芯电缆的导体截面大于25mm2,多芯电缆7芯、12芯、19芯一般情况下其导体的 截面都比较小。2、3、4、7芯电缆如右图所示（略）。3.2材料介绍铜带纵包焊接连续生产工艺采用的原材料是含磷的无氧铜带、可加硅油的氧化镁粉、 成圈的铜导

15、体。含磷的无氧铜带最重可达700kg,成圈的铜导体也重达1吨。而灌装或瓷柱 装配工艺的一根电缆只能达到200kg左右，因而从源头上，连续生产工艺保证了原材料的供 应长度。理论上讲，铜带连续生产工艺生产过程中，原材料质量的保证、电气的高稳定性， 一根2L1.5的电缆可达8公里左右，由于收线装置的约束、一根2L1.5的电缆最长也可高达 4公里左右。3. 2. 1导体材料矿物绝缘电缆采用的导体原材料是实芯的、近似圆形截面的已退火高导电率的无氧 铜。满足导体材料的两个必要条件一个是对于电能有效传输最基本的高传导率，一个是满足 工艺需要的材料的可延伸性。柔韧的具有高传导率的铜能够满足绝大多数配线电缆导体

16、的要 求，无氧铜中氧的含量很低，这种铜的组织是均匀的单相组织，对韧性非常有利。无氧铜的 可轧制性在所有的线径内与低氧铜杆相比都是比较优越的。3.2. 2护套材料标准护套原材料采用的是含磷的脱氧铜带（含磷的铜带便于焊接）。脱氧磷铜带不含 砷、碲的含量不超过50ppm、硫的含量不超过15ppm。含磷的脱氧铜带两侧边角必须保证是 光滑的、干净的、明亮的、无毛刺、无油斑，这样才能够确保焊接的稳定性和焊接质量，才 能够保证轧制的顺利进行。3.2. 3绝缘材料矿物绝缘电缆的绝缘材料无机物氧化镁-它的物理性能和化学性能非常稳定、对铜无 腐蚀作用、熔点咼达2800C、电气强度咼、热传导率咼、无毒，材料的纯度可

17、以制造咼达 94%以上，对于特殊场合如核电站、对氧化镁的材料纯度要求更高。铜带纵包焊接连续生产 工艺所用的氧化镁主要考虑氧化镁的流速、密度、粒度分布等三个方面。1）流速控制在160 s210s/100g之间。2）振实密度在2.13s2.33g/cm3之间。3）粒度分布与密度有直接关系， 正常的粒度分布是从+40-325目，从高向低呈递减形式分布。3.2.3. 1氧化镁的电性能：检查氧化镁粉的物理指标及化学指标，其根本目的只有一个，就是保证有良好电性能 指标。电性能指标分为常态、热态及潮态。常态试验是指在正常情况下，在管子制好后，测其绝缘电阻及耐压，称为常态绝缘及常态耐 压。热态试验是在各种设定

18、条件下通电，在一定负荷条件下，观察管子泄漏电流、电阻及耐压情 况，实际上通过这些数据评价镁粉质量。潮态试验即是把通过电或未通过电管子放入恒温恒湿箱（潮湿箱）内，在一定时间内，以观 察氧化镁吸湿性能。一般均在42C或50C，放48或72小时再测定管子绝缘和耐压（代表 氧化镁绝缘和耐压）。4矿物绝缘电缆铜带纵包焊接连续生产工艺生产工艺流程图见下面：（略）铜带纵包焊接连续生产线由垂直和水平两个部分组成，垂直部分包括三楼的两个加氧 化镁粉的斜筒与料斗、管成型辊机、二楼的清洗机、焊接机头、循环水冷凝压缩机、压轮、 1号轧机。水平部分包括一楼的1号退火感应退火箱、两个淬火冷却水槽、三台轧机、2号 退火感应

19、退火箱、外径检测仪、涡流测试仪和收线装置。首先将铜带放线装置上的0.95mm（厚度）*60.55mm（宽度）的铜带（此仅为一种规格） 穿入到铜带储线器，经过铜带清洗机的水洗、酸洗、不低于35C的烘干，再经过成型轧机 成型轮连续纵包成圆柱体形状，在焊接水冷辊处、铜带边相互对齐紧贴，对缝的间隙为0.1 毫米左右，采用电极棒进行氩弧焊接（不需要填充焊料、氩气作为保护气）。焊抢头与护套 中心成110度角，以便对铜带边进行预热。铜带焊接速度为1.0-3.0m/分钟，焊接电流在 205-270A左右，焊接电压为12-13V左右。要密切注意观察焊接后铜护套的表面质量、铜带 表面呈鱼鲮状，不能有漏焊、破洞、滴

20、流等不良现象。其次按工艺要求选择合适的不锈钢定芯管，将其从氧化镁粉料斗下口放入至成型轧机至 1号轧机之间。此时再将硅油导管穿入定芯管中。定芯管的作用主要保证线芯与铜护套及线 芯与线芯之间的绝缘厚度均匀，且将其固定到氧化镁粉料斗下支架上，并用“喇叭”型橡胶 套与料斗及定芯管上进粉口连接且将上下口用不锈钢管卡收紧密封。为了保证导电线芯不在 铜护套不偏芯，将引线通过定径模穿入到定芯管内，再将引线与导体线芯焊接连在一起，此 时的定径模应放入模套中并固定在氧化镁粉漏斗支架上，要求定径模模孔与线芯定芯管管口 成直线（定径模定径区直径比铜线芯坯料直径小0.1-0.6mm左右，主要起定径、校直、去除 导体表面

21、的杂质等作用）。接着将引线穿入到一号轧机第七道轧辊下面，此时将氧化镁粉从漏斗灌入铜护套内。为 了保证氧化镁粉顺利灌粉及氧化镁粉在铜护套内密实，在焊枪和铜管定径轮之间有一对小锤 对铜管进行一定频次的敲击（频率为20-80次/分钟左右）。在漏斗内的氧化镁粉供送量可 借助漏斗和斜筒内粉位传感器信号来控制、漏斗和斜筒都有传感器，一旦氧化镁粉末脱离传 感器的探头将会发出报警声。半制品经过轧机连续轧制和中间感应退火（两次），即可获得所需的成品电缆直径。 每个轧机机座上装有若干对轧辊，使氧化镁粉绝缘压实，同时使电缆减径量轧小，轧制后轧 制后电缆通过中间感应退火（容量50-110 kW）并经过添加了酒精的循环

22、冷却水槽进行淬火。 整个生产线速度由主控台按照工艺参数来设定、退火炉功率可由手动控制。在正常生产过程 中，要不断的进行中间检验，要检查电机速度是否过载等一系列的工作。5技术数据（省）本节主要介绍了原材料、辅助材料、附件、过程控制、质量分析等技术要求。6轧制与拉拨6.1轧机发展史轧机是实现金属轧制过程的设备。最早有记载的是1480年意大利人达芬奇设计出轧机 的草图。1553年法国人布律列尔轧制出金和银板材，用以制造钱币。此后在西班牙、比利 时和英国相继出现轧机。1728年英国设计的生产圆棒材用的轧机，英国于1766年有了串 行式小型轧机，19世纪中叶，第一台可逆式板材轧机在英国投产，并轧出了船用

23、铁板。 1848年德国发明了万能式轧机，1859年建造了第一台连轧机。万能式型材轧机是在1872 年出现的。20世纪初制成半连续式带钢轧机，由两架三辊粗轧机和五架四辊精轧机组成。6.2轧机轧制原理目前我公司轧机的主要设备是采用来自德国伯勒公司的14机架轧机和英国KANTHAL 公司的7机架和12机架的轧机。矿物绝缘电缆轧机轧制原理：通过直流电机的传动轴上面齿轮组的驱动，连接在齿轮组 上的两个万向节的运动就会驱动连接在万向节上的成对的轧辊，从而达到轧制的目的。轧机 原理的表面现象很简单，将外径较大的电缆或铜导体通过一对旋转轧辊的辊槽，因受轧辊的 压缩使材料截面减小，长度增加的压力加工方法。目前我

24、公司是将C24.5毫米的半制品电 缆直接轧制成工艺参数规定的数据。目前轧机最大轧辊可轧制032毫米的电缆，可将C32 毫米的电缆直接轧到 05.15mm。轧机的控制系统比较复杂，总体上分为机械、液压和电气 控制三部分，轧机精度的高低除与机械制造的水平有关外，液压与电气控制也是必要的。6.3轧机设备构造轧机主要有工作机座和传动装置。工作机座由轧辊、轧辊轴承、机架、轨座、轧辊 调整装置等组成。轧辊是使金属塑性变形的部件。工作机座：1）轧辊轴承支承轧辊并保持轧辊在机架中的固定位置。2）轧机轨座：用 于安装机架，并固定在地基上，又称地脚板。承受工作机座的重力和倾翻力矩，同时确保工 作机座安装尺寸的精度

25、。3）轧辊调整装置：目前德国伯勒公司的14机架轧机的辊缝不需要 调节，根据主控制台预先设定的参数自动化更换轧辊，换一次轧辊只需要2分钟左右。而英 国KANTHAL公司的7机架和12机架的轧机更换轧辊非常麻烦，需要调节更换轧辊的辊缝， 更换一次轧辊正常需要几个小时。传动装置：由直流电机、万向节、齿轮座和连接轴等组成。齿轮座将传动力矩分送到 两个轧辊上。6.4拉拔原理拉拔的原理：靠拉拔机的钳口夹住穿过拉拔模孔的金属坯料，从模孔中拉出，而获得 与模孔截面形状、尺寸相同的产品的一种加工方法。与挤压、轧制加工过程不同，拉拔过程 是借助于在被加工的金属前端施以拉力实现的，此拉力为拉拔力。拉拔力与被拉金属出

26、模口 处的横断面积之比称为单位拉拔力、即拉拔应力。实际上拉拔应力就是变形区末端的纵向应 力，拉拔应力应小于金属出口模口的屈服强度。如果拉拔应力过大超过金属出模口的屈服强 度，则可引起制品的细颈、甚至拉断。因此、拉拔应力要小于金属出模口后的变形拉力。6.5轧制、拉拨技术数据机架辊槽辊槽大直径小直径截面积椭圆断面压缩 率延伸率速度轧辊速 度电缆速 率Input24.5024.50471.440.00|2.051124.5221.54414.8212.1512.0113.65|2.334.901.002121.5621.56365.080.0011.9913.62|2.645.571.143121.

27、5818.96321.3512.1411.9813.61|3.006.331.294118.9818.98282.930.0011.9613.58卜417.191.475119.0016.87251.7411.2111.0212.39卜838.171.676116.8916.89224.050.0011.0012.364.309.181.877116.9115.02199.4811.1810.9712.32卜.8310.312.108115.0415.04177.660.0010.9412.28|5.4311.582.369115.0613.14155.4212.7512.5214.31|6.

28、2113.012.6510113.1613.16136.020.0012.4814.26|7.0914.873.0311113.1811.56119.6612.2912.0213.67|8.0616.993.4712111.5811.58105.320.0011.9913.62|9.1619.313.9413311.6010.6597.038.197.878.54卜.9421.944.4814310.6710.6789.420.007.848.51”0.7923.814.86拉拔：C24.5 mmC 10.7mm直径（mm）截面积（mm2）断面压缩率（）延伸率（）拉拔后退火道次24.54711

29、22.439416207220.432717217318.62721720741722716207515.4186182276141541721V712.71271822V811.41021924V910.7901214V备注：拉拔后需退火用“V”表示。从C 24.5 mm的1H35半制品电缆轧制与拉拔到成品（1H35 t 10.7mm ）效率对比如下C 24.5 mm、1H35轧制拉拔生 产 周 期1根电缆约25- 30分钟约5分钟退火（1根）连轧连退（感应退火）5-6个小时（电阻炉）45根电缆24小时8小时退火（45根）连轧连退（感应退火）5-6个小时（电阻炉）道次（次/根）14次（1次完

30、成）9次效率道次11/9时间（1根）1约 1/80时间（45根）1约1/4机械损伤无有合格率很高较高备注：一根电缆轧制14道次为一次完成、一根电缆拉拔需9道次需退火9次。45根电缆轧制14道次 为45次完成，拉拔45根电缆需要405道次需退火9次。效率解释：以轧制的道次、时间为1,拉拔的道次、时间（包括退火）与轧制之比此表格显示了生产1H35规格轧机的效率是拉拔的4倍 越是生产小截面的电缆，轧机的效率越高。6.6 C63外径的电缆一次轧制成成品电缆设计见下表。（省）7、结束语我公司已成为全国最大、生产工艺最全的矿物绝缘电缆制造厂家。矿物绝缘电缆铜带纵 包焊接连续生产工艺线为快速的提供矿物绝缘电缆产品，做出了强有力地保证。随着科学技术的不断发展,轧机水平的不断进步，矿物绝缘电缆的生产将会更加便利, 矿物绝缘的电缆应用将会更加广泛。目前矿物绝缘电缆已被国际电工委员会、美国电气工程 师学会、英国电气工程师学会、德国劳氏船级社等许多国际权威组织、一些国家标准规范所 认可，并优先选用于重要电气工程领域。在我国已成功地应用在国家主体育场“鸟巢”、国 家大剧院等重要场所。参考文献：金属挤压与拉拔工艺学温景林电工级氧化镁粉