Проводниковые железо и сталь.

В природе железо находится в различных соединениям с кислородом (FeO; Fe203; Fe304 и др.). Выделить химически чистое железо из этих соединений чрезвычайно трудно. По электрическим и магнитным свойствам к химически чистому железу при­ближается железо, очищенное от примесей электролитическим способом (электролитическое железо). Общее количество примесей в электролитическом железе не превышает 0.03%.

Основными примесями в железе являются углерод (С), сера (S), фосфор (Р), кремний (Si), марганец (Мп) и некоторые другие. Кремний и марганец специально вводятся в железо в качестве раскислителей. Они легко соединяются с кислородом и образуют окислы, которые в расплавленном железе (стали) всплывают на поверхность и удаляются в виде шлака. Кремний и марганец являются полезными примесями-раскислителями. Они улучшают механические свойства сталей, но, оставаясь в небольшом количестве в стали, снижают ее электропроводность. Сера и фосфор вредные примеси; попадая в железо и сталь из руды и топлива, они вызывают хрупкость сталей. Газы (водород и кислород) тоже вредные примеси, так как они понижают электрические и магнитные свойства железа и сталей.

Важнейшей примесью, резко снижающей электропроводность железа, является углерод. Сплавы железа с углеродом называются сталями. Кроме углерода, в сталях содержатся другие элементы, вводимые специально с целью получения тех или иных свойств (легирующие элементы).

Техническими сортами железа являются малоуглеродистые, стали, содержание углерода в которых составляет от 0,01 до 0,1%. В простых углеродистых сталях углерод содержится в количестве от 0,07 до 0,6%, в инструментальных и других специальных (легированных) сталях — от 0,7 до 1,4%.

Ниже рассматриваются сорта железа и стали, применяемые в качестве проводниковых материалов.

Железо и сталь — наиболее дешевые и доступные проводниковые материалы, обладающие высокой механической прочностью, при разрыве, но их применение ограничивается следующими недостатками. Железо и сталь имеют низкую коррозионную стойкость, т.е. они легко окисляются на воздухе - ржавеют, и обладают повышенным удельным сопротивлением

(ρ=0,10-0,14 Ом·мм2/м) по сравнению с медью и алюминием. Электрическое сопротивление у железа и стали на переменном токе сильно возрастает, поскольку железо и сталь являются магнитными материалами и ток в сильной степени вытесняется из средней части провода к его поверхности (поверхностный эффект).

Для снижения этого эффекта и величины электрического сопротивления переменному току стараются применять стали с возможно меньшей величиной магнитной проницаемости μ.

 

Рис. 16. Поперечное сечение биметаллических проводов.

Этого достигают измельчением зерен стали и холодной протяжкой стальной проволоки (наклеп), что приводит также к повышению механической прочности стальных проводов.

Для изготовления стальной проволоки применяют сталь с содержанием углерода от 0,10 до 0,1596, обладающую следующими свойствами: удельный вес 7,8 г/см3; температура плавления 1392 — 1400°С; предел прочности при разрыва σр = 70÷80 кГ/мм2: относительное удлинение lр = 4/5%; удельное сопротивление ρ = 0,125÷0,146 Oм-мм2/м; температурный коэффициент сопротивления α =+0,0057 1/°С.

Для защиты от атмосферной коррозии стальные провода покрывают тонким слоем цинка (0,016-0,020 мм).

Стальная проволока находит применение в воздушных линиях связи и электропередачи небольших мощностей, например в сельских местностях, где при больших пролетах необходимо обеспечить механическую прочность линии. Стальную проволоку и шины применяют также в качестве сердечников в биметаллических проводниках (рис 16), обеспечивающих значительную экономию проводниковой меди. Биметаллические проводники применяют в электрических аппаратах (рубильники, контакторы и др.).

 

Алюминий
Сталь

 


Рис. 17. Поперечное сечение сталеалюминиевого провода марки АС.

Стальная оцинкованная проволока с высокой механической прочностью (σр =170÷280 кГ/мм2) используется в качестве сердечников в сталеалюминиевых проводах для повышения их металлической прочности на разрыв.

Для изготовления проводов, работающих под постоянным напряжением, стараются применять технические сорта железа с наименьшим содержанием примесей, так как последние повышают удельное сопротивление железа. Наилучшим материалом для изготовления проводников постоянного тока является мартеновское железо (армко), перерабатываемое в проволоку и шины. В железе армко углерода не более 0,03%, сумма всех примесей (углерод, сера, фосфор и др.) не более 0,16%. Основные свойства проводниковых изделий из железа армко следующие: ρ= 0,105÷0,108 Ом*мм2/м; σ = 30-35 кГ/мм2 (отожженное); ρ = 0,09÷0,11 Ом*мм2/м; σ = 40-50 кГ/мм2 (твердотянутое). Температурный коэффициент электрического сопротивление α=+ 0,0060 1/°С.