Способ производства многожильного сверхпроводящего провода на основе соединения nb3sn



Способ производства многожильного сверхпроводящего провода на основе соединения nb3sn
Способ производства многожильного сверхпроводящего провода на основе соединения nb3sn
Способ производства многожильного сверхпроводящего провода на основе соединения nb3sn
Способ производства многожильного сверхпроводящего провода на основе соединения nb3sn
Способ производства многожильного сверхпроводящего провода на основе соединения nb3sn
Способ производства многожильного сверхпроводящего провода на основе соединения nb3sn
Способ производства многожильного сверхпроводящего провода на основе соединения nb3sn
Способ производства многожильного сверхпроводящего провода на основе соединения nb3sn
Способ производства многожильного сверхпроводящего провода на основе соединения nb3sn
Способ производства многожильного сверхпроводящего провода на основе соединения nb3sn

 


Владельцы патента RU 2558753:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" (RU)

Изобретение относится к области производства сверхпроводящих материалов и может быть использовано в электротехнической промышленности и других отраслях техники для изготовления сверхпроводящих магнитных систем различного назначения. Способ включает формирование первичной композитной заготовки, содержащей наружную оболочку и осевой цилиндрический блок, герметизацию первичной композитной заготовки, обжатие, экструзию и последующую деформацию до получения прутка заданной формы и размера, резку прутка на мерные длины, формирование вторичной композитной заготовки путем сборки нарезанных прутков в наружную оболочку, герметизацию вторичной композитной заготовки, обжатие, экструзию и последующую деформацию до конечного размера провода. Деформацию после экструзии и первичной композитной заготовки, и вторичной композитной заготовки осуществляют волочением, при этом количество переходов при многократном волочении определяют по определенной формуле. Изобретение обеспечивает безобрывную деформацию композитной заготовки до получения конечного размера сверхпроводящего провода.

 

Изобретение относится к области производства сверхпроводящих материалов и может быть использовано в электротехнической промышленности и других отраслях техники для изготовления сверхпроводящих магнитных систем различного назначения.

Известен способ получения многожильного сверхпроводящего провода на основе соединения Nb3Sn, включающий деформирование первичной композитной заготовки, содержащей наружную оболочку и осевой цилиндрический блок, герметизацию первичной композитной заготовки, обжатие, экструзию и последующую деформацию до получения прутка заданной формы и размера, резку прутка на мерные длины, формирование вторичной композитной заготовки путем сборки нарезанных прутков в наружную оболочку, герметизацию вторичной композитной заготовки, обжатие, экструзию и последующую деформацию до конечного размера провода. Обжатие композитной заготовки осуществляют путем запрессовки в контейнер перед экструзией, при этом суммарная площадь элементов композитной заготовки в ее поперечном сечении составляет 95-99% от площади поперечного сечения внутреннего пространства втулки контейнера, а заходная часть наружной оболочки композитной заготовки выполнена в виде переходной зоны, состоящей из цилиндрической части с наружным диаметром, меньшим внутреннего диаметра втулки контейнера, и конусной части, причем объем пустот внутри композитной заготовки составляет 1-17% от объема внутреннего пространства наружной оболочки (см. патент РФ №2285966 от 20.10.2006). Данный способ принят за прототип.

Признаки прототипа, совпадающие с признаками заявляемого решения - формирование первичной композитной заготовки, содержащей наружную оболочку и осевой цилиндрический блок; герметизация первичной композитной заготовки; обжатие первичной композитной заготовки; экструзия первичной композитной заготовки; последующая деформация до получения прутка заданной формы и размера; резка прутка на мерные длины; формирование вторичной композитной заготовки путем сборки нарезанных прутков в наружную оболочку; герметизация вторичной композитной заготовки; обжатие вторичной композитной заготовки; экструзия вторичной композитной заготовки; последующая деформация до конечного размера провода.

Недостатком известного способа является отсутствие конкретных рекомендаций по режимам деформации после экструзии как первичной, так и вторичной композитной заготовки. Эти стадии производства многожильного сверхпроводящего провода являются наиболее ответственными, поскольку на этих стадиях формируется заданная форма и размер сверхпроводниковой заготовки. Особую важность имеет эта стадия на этапе деформации вторичной композитной заготовки из-за необходимости получения сверхпроводниковой заготовки большой длины (до 30 км), при этом не допускается обрывности заготовки на всех переходах многократного деформирования.

Задачей изобретения является конкретизация режимов пластической деформации композитной заготовки, обеспечивающих безобрывную деформацию композитной заготовки до получения конечного размера сверхпроводящего провода.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе, включающем формирование первичной композитной заготовки, содержащей наружную оболочку и осевой цилиндрический блок, герметизацию первичной композитной заготовки, обжатие, экструзию и последующую деформацию до получения прутка заданной формы и размера, резку прутка на мерные длины, деформирование вторичной композитной заготовки путем сборки нарезанных прутков в наружную оболочку, герметизацию вторичной композитной заготовки, обжатие, экструзию и последующую деформацию до конечного размера провода, согласно изобретению деформацию после экструзии, первичной композитной заготовки и вторичной композитной заготовки осуществляют волочением, количество переходов при многократном волочении определяют по формуле:

где λΣ - суммарная вытяжка при деформации композитной сверхпроводниковой заготовки;

λср - средняя вытяжка за проход многократного волочения,

а предельное значение коэффициента вытяжки при деформации волочением определяют по формуле:

σвс- предел прочности сверхпроводящих волокон сердечника;

с - объемное содержание сверхпроводящих волокон в композитной заготовке;

σsc - сопротивление деформации материала сверхпроводящих волокон сердечника E ¯ = E o / E c ;

Eо - модуль упругости материала оболочки (медь);

Eс - модуль упругости материала сверхпроводящих волокон сердечника;

f - коэффициент трения в зоне деформации при волочении;

αв - угол наклона образующей рабочего канала волочильного инструмента;

αс - приведенный угол волоки.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от решения по прототипу, - деформацию после экструзии, первичной композитной заготовки и вторичной композитной заготовки осуществляют волочением; количество переходов при многократном волочении определяют по формуле (1); при деформации волочением предельное значение коэффициента вытяжки определяют по формуле (2).

Процесс волочения заключается в протягивании заготовки через конический канал волочильного инструмента (см. И.Л. Перлин, М.З. Ерманок. Теория волочения. - М.: Металлургия, 1971). Одной из величин, характеризующих меру пластической деформации при волочении за проход, является коэффициент вытяжки, определяемый по формуле для i-того прохода:

где Fi-1 -площадь сечения заготовки до прохода;

Fi - площадь сечения после прохода.

При многопереходном волочении определяется суммарная вытяжка:

где F0 - площадь заготовки после экструзии;

Fk - конечная площадь сечения протягиваемого изделия.

Суммарная вытяжка равна произведению разовых вытяжек по переходам многократного волочения:

При одинаковых вытяжках за проход многопереходного волочения имеем:

где n - количество переходов маршрутов многократного волочения.

Из соотношения (6) определяется количество переходов многократного волочения при изготовлении сверхпроводниковых изделий с начальной площадью F0 и конечной площадью Fk:

Из соотношения (7) следует, что с увеличением разовой вытяжки количество переходов уменьшается, что является более технологичным и экономичным. Однако с увеличением разовых вытяжек возрастает опасность обрыва переднего конца заготовки, к которому приложено усилие волочения. При этом большое значение имеет определение предельных вытяжек из условий сохранения прочности сверхпроводниковой заготовки при деформации волочением. Данный вопрос является особенно актуальным при производстве уникальных изделий, к которым относятся сверхпроводниковые композиционные длинномерные изделия (см. Шиков А.К., Никулин А.Д., Силаев Л.Г. и др. Разработка сверхпроводников для магнитной системы ИТЭР в России // Известия ВУЗов. Цветная металлургия. - 2003. - №1.- с. 36-43.).

Прочность сверхпроводниковой заготовки при волочении определяется напряжением волочения, которое определяется по формуле (см. Колмогоров Г.Л., Латышева Т.В., Филиппов В.Б. Об оптимальной геометрии волочильного инструмента. Известия ВУЗов. Черная металлургия, 2007, №4, с. 41-43).

где λ - вытяжка при волочении;

αв - угол наклона образующей рабочего конуса волочильного инструмента;

σs - сопротивление деформации протягиваемого материала;

ƒ - коэффициент трения в зоне деформации;

αП - приведенный угол конусности, учитывающий наличие калибрующего пояска волоки;

σ0 - напряжение противонатяжения.

При отсутствии принудительного противонатяжения (<т0=0) напряжение волочения равно:

Из геометрических соотношений при этом следует tgαП=0,65tgαв.

Сверхпроводниковая заготовка представляет собой биметаллическую конструкцию, состоящую из сердечника, сверхпроводникового материала, и оболочки из сверхчистой меди.

При этом сопротивление деформации сердечника и оболочки существенно различается. Сопротивление деформации сверхпроводниковой биметаллической заготовки определяется как средневзвешенное значение по сечению двухкомпонентной заготовки:

где с - объемное содержание сверхпроводящих волокон сердечника в композитной заготовке;

σsc - сопротивление деформации материала сердечника;

σs0 - сопротивление деформации материала оболочки.

Под действием напряжения волочения происходит одноосное растяжение сверхпроводниковой заготовки, при этом оболочка и сердечник подвергаются одинаковой по значению относительной деформации:

где E - эффективный модуль упругости сверхпроводниковой заготовки.

Эффективный модуль упругости также определяется по правилу смеси:

Где Eс и E0 - модули упругости материала сердечника и оболочки соответственно.

Относительная деформация (10) с учетом (11) будет равна:

Одинаковая по сечению заготовки относительная деформация растяжения вызовет появление растягивающих напряжений, определяемых также законом Гука различных для сердечника

И оболочки

где E ¯ = E o / E c .

Условием прочности для волокон сердечника является:

где σвс - предел прочности материала волокон сердечника;

γ - коэффициент запаса прочности.

Соответственно для оболочки условие прочности имеет вид:

σв0 - предел прочности материала оболочки.

Коэффициент запаса рекомендуется принимать в пределах γ=1,35-2,0 (см. Перлин И.Л., Ерманок М.З. Теория волочения. - М: Металлургия, 1971). Коэффициент запаса зависит от геометрии волок, скорости волочения, пластических свойств компонентов сверхпроводниковой заготовки, условий смазки и технологических условий процесса волочения.

Учитывая необходимость обеспечения безобрывности при производстве длинномерных (до 30 км) сверхпроводниковых изделий, уникальность технологии их производства в качестве коэффициента запаса принимаем γ=2,0.

Соотношения (14) и (15) позволяют оценить напряжения в сверхпроводящих волокнах сердечника, поэтому определение предельных значений коэффициента вытяжки выполнено для сверхпроводящих волокон сердечника. Условие прочности (16) с учетом напряжения (9) дает предельные значения вытяжки за один переход:

Пример конкретной реализации

Сверхпроводниковая заготовка после экструзии подвергалась волочению с диаметра 70 мм до конечного размера диаметром 0,70 мм. Для средней вытяжки λср=1,15 по формуле (7) получили количество переходов многократного волочения, равное 66. Для определения предельной вытяжки коэффициент трения в зоне деформации принимают равным 0,05, что соответствует коэффициенту трения медной оболочки при использовании твердосплавных волок, угол αв=8°. Получили предельное значение вытяжки для сверхпроводниковой заготовки, состоящей из медной оболочки и сверхпроводящего сердечника из материала Nb3Sn, равное 1,35.

Таким образом, для производства низкотемпературных сверхпроводников, протягиваемых по бронзовой технологии, предельной вытяжкой является λпр=1,35.

Способ производства многожильного сверхпроводящего провода на основе соединения Nb3Sn, включающий формирование первичной композитной заготовки, содержащей наружную оболочку и осевой цилиндрический блок, герметизацию первичной композитной заготовки, обжатие, экструзию и последующую деформацию до получения прутка заданной формы и размера, резку прутка на мерные длины, формирование вторичной композитной заготовки путем сборки нарезанных прутков в наружную оболочку, герметизацию вторичной композитной заготовки, обжатие, экструзию и последующую деформацию до конечного размера провода, отличающийся тем, что деформацию после экструзии и первичной композитной заготовки, и вторичной композитной заготовки осуществляют волочением, количество переходов при многократном волочении определяют по формуле
,
где λΣ - суммарная вытяжка при деформации композитной заготовки;
λср - средняя вытяжка за проход многократного волочения,
а предельное значение коэффициента вытяжки при деформации волочением определяют по формуле

где σвс - предел прочности сверхпроводящих волокон сердечника;
с - объемное содержание сверхпроводящих волокон в композитной заготовке;
σsc - сопротивление деформации материала сверхпроводящих волокон сердечника ;
Eо - модуль упругости материала оболочки;
Eс - модуль упругости материала сверхпроводящих волокон сердечника;
ƒ - коэффициент трения в зоне деформации при волочении;
αП - приведенный угол волоки;
αв - угол наклона образующей рабочего канала волочильного инструмента.



 

Похожие патенты:

Способ относится к электротехнике и может быть использован при конструировании и изготовлении сверхпроводящих проводов на основе соединения Nb3Sn для сверхпроводящих магнитных систем энергетических установок термоядерного синтеза.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при конструировании и изготовлении сверхпроводящих проводов на основе соединения Nb3Sn для установок термоядерного синтеза, импульсных магнитных систем или для других перспективных технологий, в которых требуются сверхпроводники с повышенной критической плотностью тока.

Изобретение относится к способу охлаждения по меньшей мере одного сверхпроводящего кабеля, установленного в имеющем по меньшей мере одну термически изолированную трубу криостате с охваченным трубой свободным пространством, в котором установлены кабель и по меньшей мере одно трубчатое устройство, через которое из находящейся на одном конце точки подачи до отдаленного конца пропускается охлаждающее средство.

Изобретение относится к технологии высокотемпературных ленточных сверхпроводников на основе смешанных оксидов иттрия-бария-меди (YBCO) и может быть использовано при конструировании и изготовлении высокотемпературных сверхпроводящих проводов второго поколения, в частности в импульсных магнитных системах или в других установках, в которых требуются сверхпроводники с высокой механической прочностью.

Изобретение относится к области сверхпроводимости и нанотехнологий, а именно к способу получения и обработки композитных материалов на основе высокотемпературных сверхпроводников (BTCП), которые могут быть использованы в устройствах передачи электроэнергии, для создания токоограничителей, трансформаторов, мощных магнитных систем.

Изобретение относится к области химической технологии, а именно к получению новых сверхпроводящих борсодержащих соединений. .

Изобретение относится к технологии получения высокотемпературных проводников в системе металл-оксид металла и может использоваться для получения соединений, обладающих особыми физическими свойствами.

Изобретение относится к области химической технологии, а именно к получению новых сверхпроводящих соединений в области высоких давлений от 17 ГПа до 160 ГПа. .

Изобретение относится к технологии получения высокотемпературных проводников в системе металл-оксид металла и может использоваться для получения соединений, обладающих особыми физическими свойствами.

Изобретение относится к технологии получения высокотемпературных проводников в системе металл-теллурид металла и может использоваться для получения соединений, обладающих особыми физическими свойствами.

Изобретение относится к технологии получения сверхпроводящих материалов и может быть использовано в электротехнической промышленности и других отраслях науки и техники при изготовлении сверхпроводящих магнитных систем различного назначения. Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является упрощение способа изготовления композиционного сверхпроводящего провода на основе соединения Nb3Sn, а также упрощение технологической линии для его изготовления путем сокращения технологического передела, снижения трудоемкости процесса и сокращения количества образующихся отходов в процессе производства, исключение разрушения как бронзовых элементов, так и самого композиционного проводника в процессе деформирования. Способ изготовления композиционного сверхпроводящего провода на основе соединения Nb3Sn, который включает получение бронзовых литых трубных и/или прутковых заготовок в печи непрерывного литья оловянной бронзы с содержанием олова 12-17 мас.%, их гомогенизационный отжиг при температуре 500-750°C, формирование первой композиционной заготовки путем размещения в чехле из сплава Cu-Sn нарезанных на определенные длины и прошедших осветляющее травление прутков из сплава Cu-Sn и ниобиевых прутков, с последующим ее вакуумированием и заваркой, выдавливание первой композиционной заготовки на прессе при температуре нагрева контейнера и матрицы 350-500°C с получением композиционного прутка первой композиционной заготовки, деформацию композиционного прутка первой композиционной заготовки на прокатном и/или волочильном стане со скоростью менее 20 м/мин с промежуточными отжигами в печи при температуре 400-550°C в неокислительной атмосфере для снятия наклепа после деформации 5-50% с получением композиционных прутков круглого или шестигранного сечения, формирование второй композиционной заготовки путем размещения нарезанных на определенные длины и прошедших осветляющее травление композиционных прутков в чехле, выполненном из высокочистой меди, внутри которого размещен диффузионный барьер из ниобия с танталовыми вставками, с последующим вакуумированием и заваркой, выдавливание второй композиционной заготовки на прессе при температуре нагрева контейнера и матрицы 350-500°C с получением композиционного прутка второй композиционной заготовки, деформацию композиционного прутка второй композиционной заготовки на прокатном и/или волочильном стане со скоростью менее 20 м/мин с промежуточными отжигами в печи при температуре 400-550°C в неокислительной атмосфере для снятия наклепа после деформации 5-50% с получением композиционного провода требуемого поперечного сечения и его диффузионный отжиг до получения сверхпроводящего соединения Nb3Sn при 550-700°C в течение 100-600 ч. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области изготовления сверхпроводящих магнитных систем различного назначения. Способ получения многоволоконной заготовки для изготовления сверхпроводящего провода на основе соединения Nb3Sn заключается в формировании первичной многоволоконной заготовки путем размещения в чехле из сплава Cu-Sn Nb-содержащих прутков, объединенных в блоки путем размещения между ними прутков из сплава Cu-Sn, а толщину стенки чехла первичной многоволоконной заготовки выбирают в интервале 0,5-0,8 минимального расстояния между ближайшими Nb-содержащими прутками, не принадлежащими одному блоку, которую деформируют, и формируют многоволоконную заготовку путем размещения прутков, полученных из первичной многоволоконной заготовки, в чехле из меди или сплава Cu-Sn, при этом Nb-содержащий пруток выполняют с размещенным вдоль его центральной оси легирующим вкладышем из сплава Ti-Sn, содержащим олово в количестве от 3 до 15 мас.%, а степень разовой деформации при деформировании первичной многоволоконной заготовки волочением не превышает 20%. Технический результат изобретения заключается в возрастании токонесущей способности сверхпроводящего провода. 1 ил.

Изобретение относится к созданию новых высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) материалов и позволяет получить материал, обладающий сверхпроводимостью при температуре 197 К. Данное изобретение может найти широкое применение в области энергетики в качестве энергосберегающих материалов, в частности является наиболее подходящей основой для создания ВТСП кабелей. Образец номинального состава Bi-2223 после охлаждения ниже температуры сверхпроводящего перехода (Тс) помещают в вакуум (Р≤10-6 Торр) и при воздействии на образец материала Bi-2223 внешнего давления Р≤10-6 Торр он проявляет свойства сверхпроводящего материала с температурой перехода 197 К. Сверхпроводящий материал, полученный предлагаемым способом, обладает значительно более высокой критической температурой, чем все известные ВТСП. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 3 пр.

Изобретение относится к электротехнике, к многослойным магнитным блокам из высокотемпературных сверхпроводящих лент второго поколения и может быть использовано при промышленном производстве устройств для магнитной левитации, экранов магнитного поля, постоянных магнитов захваченного магнитного потока и компонентов роторов электрических машин и т.д. Технический результат состоит в повышении производительности, прочности, обеспечении возможности получения изделий любых форм и размеров. Сверхпроводящий многослойный блок включает пакет из сверхпроводящих листов, установленных один на другой и механически связанных друг с другом, где каждый лист выполнен из отрезков высокотемпературных сверхпроводящих лент второго поколения, уложенных в ряд и механически связанных друг с другом по длинным сторонам. Ленты в каждом последующем листе размещены так, что продольные оси лент последующего листа расположены параллельно осям лент предыдущего листа и смещены относительно упомянутых осей лент предыдущего листа в поперечном направлении или продольные оси лент последующего листа расположены под углом к осям лент предыдущего листа. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 8 ил.
Наверх