摘要：介紹了環(huán)氧樹脂真空澆注工藝的工藝流程，詳細(xì)分析了各生產(chǎn)過程中易出現(xiàn)的問題及其注意事項(xiàng)。
關(guān)鍵詞：干式變壓器；真空澆注；環(huán)氧樹脂；工藝
中圖分類號：TM412；TM405 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
文章編號：1001-8425(2000)05-0033-04
Resin Vacuum Cast Process and Its Points for Attention
WU Hai-jun
(Tianshui Changcheng Universal Electric Appliance Factory,Tianshui 741000,China)
Abstract:The process of resin-cast techndogy is introduced.The questions that are easier to meet in operation and its points for attention are analysed.
Key words:Dry-type transformer;Vacuum cast;Expoy resin;Technology
1 概述
從80年代以來，環(huán)氧樹脂材料在我國電工產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越廣泛。除作為粘接劑、預(yù)浸絕緣材料外，現(xiàn)在已作為主要絕緣材料大量應(yīng)用于變壓器、互感器、絕緣子等領(lǐng)域，其電壓等級范圍，也由過去的10kV及以下發(fā)展到35kV，其加工手段主要是澆注。為提高產(chǎn)品澆注質(zhì)量，各制造廠都對澆注設(shè)備不斷進(jìn)行技術(shù)改造，由常壓澆注、半真空澆注到全真空澆注和絕緣子的全真空自動(dòng)壓力凝膠澆注(簡稱AFG工藝)。所謂全真空，就是從環(huán)氧樹脂的配料、混料到最后的澆注完成，整個(gè)過程都是在小于0.1kPa的真空度下進(jìn)行的。
全真空澆注的優(yōu)點(diǎn)是配料的全過程都處于真空狀態(tài)，可以有效地把環(huán)氧樹脂混合料中的空氣抽出來，減少配料中的氣泡。在全真空澆注過程中，盡可能地多抽出環(huán)氧樹脂澆注模內(nèi)的空氣，從而減少澆注產(chǎn)品內(nèi)的氣泡，提高產(chǎn)品電氣絕緣強(qiáng)度和機(jī)械性能，有效降低產(chǎn)品內(nèi)部局部放電量。
使用全真空澆注技術(shù)，對提高環(huán)氧樹脂澆注質(zhì)量，提高產(chǎn)品合格率，降低生產(chǎn)成本，改善生產(chǎn)環(huán)境，保護(hù)生產(chǎn)工人的身體健康等起到很大作用。所以近年來，全真空澆注技術(shù)和設(shè)備被廣泛應(yīng)用于互感器和干式變壓器生產(chǎn)。我廠也在90年代中期從瑞士引進(jìn)了環(huán)氧樹脂澆注三相干式變壓器生產(chǎn)設(shè)備和制造技術(shù)。
2 澆注工藝流程及注意事項(xiàng)
我廠引進(jìn)澆注系統(tǒng)的澆注工藝流程圖如圖1所示。
圖1 澆注工藝流程圖
由于真空澆注設(shè)備的不同，澆注工藝也有所不同。但是，從總體工藝流程來說，是大同小異的。下面以我廠設(shè)備為例，談?wù)勚饕a(chǎn)過程和注意事項(xiàng)。
2.1 配料過程
此過程分為環(huán)氧樹脂的配料和固化劑的配料。我廠設(shè)備使用瑞士Ciba-Geigy公司雙組分環(huán)氧樹脂材料，由環(huán)氧樹脂CY225和固化劑HY227組成。其配料過程是將環(huán)氧樹脂或固化劑(均為粘液狀，冬季需加熱)一定量吸入配料罐中，該罐為低真空、預(yù)混料罐。攪拌加熱到60℃時(shí)，其流動(dòng)性達(dá)到最佳狀態(tài)，加入配比為1∶1.5的填料(通常為硅微粉)，攪拌、脫氣。當(dāng)混和料被攪拌均勻，沒有大量泡沫并且溫度達(dá)到60～65℃時(shí)，可將料送入環(huán)氧樹脂或固化劑脫氣罐進(jìn)行薄膜脫氣。此過程約2.5～3h，真空度為0.1～0.12kPa。固化劑配料與環(huán)氧樹脂配料過程完全相同。
此過程易出現(xiàn)的問題是：冬季氣溫較低，在配料時(shí)，材料粘度會(huì)變得很高，甚至根本不能流動(dòng)。這時(shí)，可對容器進(jìn)行加熱。加熱時(shí)需注意必須均勻、緩慢地進(jìn)行。否則上面的材料還沒有熔解，而在底部的材料因溫度太高變質(zhì)損壞，甚至于燃燒，造成損失。
2.2 薄膜脫氣過程
薄膜脫氣過程是非常重要的過程。脫氣的質(zhì)量將決定澆注時(shí)氣泡的多少，氣泡越少，澆注質(zhì)量越高。
薄膜脫氣是目前澆注設(shè)備中廣泛采用的一種脫氣效果最理想的脫氣方法。它通過螺旋提升裝置將材料提升到脫氣傘上，從傘面上向四周流下，此時(shí)材料在傘面上形成極薄材料層。材料中的氣體在傘面上會(huì)形成氣泡逸出到真空罐中，被真空泵抽出罐外。由于材料中混有填料，粘度會(huì)增大，流動(dòng)性變差，混合在材料中的氣體很難在短時(shí)間內(nèi)被濾除干凈，而且還有少量氣體及水分會(huì)溶入材料中，因此必須在60～65℃范圍內(nèi)進(jìn)行長時(shí)間攪拌脫氣。一般情況下，必須至少連續(xù)脫氣24h，這樣才能盡可能多地脫去材料中的水分和氣體。
此過程中易出現(xiàn)的問題有：
(1)在配料結(jié)束后，向脫氣罐泵料時(shí)，一定要非常小心。如果將樹脂泵入固化劑罐，或?qū)⒐袒瘎┍萌霕渲摎夤�，必須�?～6h之內(nèi)將罐內(nèi)材料全部排出。否則一旦固化，會(huì)造成脫氣罐報(bào)廢的嚴(yán)重后果。
為預(yù)防這種情況發(fā)生，該設(shè)備在罐體下方出料閥處裝有緊急手動(dòng)排料閥，供異常情況發(fā)生時(shí)排出罐體內(nèi)材料。情況嚴(yán)重時(shí)，還可以拆除出料口電磁閥，以加快混合料的排出。
(2)脫氣過程應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，要保證隨時(shí)可以使用，盡量避免停機(jī)。如果脫氣完成的材料因某種原因停機(jī)(如周末、節(jié)假日或檢修設(shè)備等)，材料重新投入使用前必須重新脫氣。這時(shí)，開機(jī)順序?yàn)橄燃訜崦摎夤�，達(dá)到＞45℃后，開真空泵。當(dāng)罐內(nèi)真空度達(dá)到要求后，保持幾分鐘，再開攪拌機(jī)進(jìn)行脫氣。此時(shí)脫氣時(shí)間可按材料多少和停機(jī)時(shí)間長短適當(dāng)調(diào)整。否則材料中會(huì)混進(jìn)大量空氣，影響澆注質(zhì)量。
2.3 終混和澆注過程
這個(gè)過程是使脫氣后的樹脂和固化劑混合料，在最終混合攪拌均勻后進(jìn)行真空澆注的過程。澆注過程為手動(dòng)操作，人工控制流量和流速，使混合料順利進(jìn)入模具內(nèi)。該設(shè)備采用依靠上、下罐體的高度差進(jìn)行自然澆注的方法。在澆注時(shí)，必須根據(jù)模具型腔的復(fù)雜程度和澆注工藝性的好壞，適當(dāng)控制材料流量，一般變壓器繞組臥式澆注可控制在1.5～2kg/min，或以不堵塞排氣孔為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制。
此過程中易出現(xiàn)的問題是：
(1)終混料過程時(shí)間過長。如果混料時(shí)間太長，就會(huì)迫使?jié)沧r(shí)間縮短。否則2～3h之后，材料粘度會(huì)迅速增加，影響流料速度和澆注質(zhì)量。嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成產(chǎn)品報(bào)廢或輸料管道堵塞，損壞設(shè)備。應(yīng)以溫度65～70℃，時(shí)間30～45min為宜，攪拌均勻后即可進(jìn)行澆注。
(2)澆注時(shí)材料倒噴。澆注前必須檢查終混罐內(nèi)氣壓略高于澆注罐。因?yàn)樵撛O(shè)備采用依靠大氣壓壓力差和材料自重使材料自然流入模具的自然澆注方法進(jìn)行澆注，如果上、下罐內(nèi)氣壓沒有壓差或壓差過小，都會(huì)使?jié)沧⑺俣冉档停鲃?dòng)緩慢，延長澆注時(shí)間。當(dāng)下罐內(nèi)氣壓高于上罐時(shí)，就會(huì)造成上罐內(nèi)材料倒噴。
(3)澆注速度一般以1.5～2kg/min為宜。如型腔較狹長時(shí)，以不堵塞澆口排氣孔為宜。澆注速度必須均勻，不能太快或太慢。速度太快，樹脂混合料來不及充滿所有的型腔就已從澆口處溢出來，給我們一個(gè)澆滿的錯(cuò)覺，加熱固化時(shí)，材料慢慢填充滿各處型腔后會(huì)在澆口處造成缺料；速度太慢，當(dāng)超過2h以后，材料粘度會(huì)隨時(shí)間而迅速增長，時(shí)間越長，粘度越大，越不利于澆注。在這種情況下，往往在固化物內(nèi)部會(huì)有大量蜂窩狀或斑點(diǎn)狀的氣孔或較大面積缺料。
(4)澆注完成后，必須迅速將澆注件推入固化爐中進(jìn)行固化，盡量避免在低溫環(huán)境中停留，防止模具溫度下降，影響材料在模具內(nèi)的流動(dòng)。澆注完成后，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)備操作規(guī)程，對終混罐、輸料管閥門進(jìn)行清洗。并定期用清洗液對設(shè)備進(jìn)行徹底清洗，對堵塞的輸料管體和閥門，及時(shí)清理或更換。
(5)模具裝配完成后，先在澆注罐內(nèi)均勻加熱6～8h后，使模具溫度達(dá)到80～85℃，再抽真空，進(jìn)行澆注。如果模具內(nèi)部溫度達(dá)不到，也會(huì)出現(xiàn)固化后缺料現(xiàn)象。
樹脂混合料的粘度與溫度、時(shí)間關(guān)系如圖2所示。
圖2 粘度與溫度、時(shí)間的關(guān)系曲線
在＞60℃時(shí)，粘度很小，最有利于澆注。如果溫度降低，粘度會(huì)很快增加，流動(dòng)困難。有時(shí)即使模具表面溫度達(dá)到要求，而內(nèi)部銅箔和絕緣材料或銅線和絕緣材料溫度還沒有達(dá)到要求，澆注時(shí)，混合料在接觸到內(nèi)部繞組后，接觸面的溫度將迅速下降，材料粘度增加，堵塞型腔，使后面的材料不能進(jìn)入到模具內(nèi)，也會(huì)造成缺料。
2.4 固化和拆模過程
澆注完成后的模具必須在固化爐內(nèi)按照材料要求的固化溫度時(shí)間曲線進(jìn)行加熱固化。此過程中，只要保證固化爐內(nèi)溫度均勻，上、下爐溫偏差＜3℃就能正常固化。當(dāng)局部樹脂層很厚時(shí)，應(yīng)在凝膠過程結(jié)束后，拆去這部分模具，使厚層樹脂材料暴露在空氣中，直接進(jìn)行加熱，達(dá)到最佳固化效果。但須注意，此時(shí)材料雖已表面固化，但并未完全硬化，不能受擠壓力，否則會(huì)變形破損。固化結(jié)束后，將模具拆卸。
此過程易出現(xiàn)的問題有：
(1)當(dāng)模具放進(jìn)固化爐內(nèi)1～2h左右時(shí)，需對每個(gè)模具進(jìn)行檢查。如果發(fā)現(xiàn)有澆口凹陷深入模具內(nèi)部、或缺料時(shí)，可將澆注剩余料灌入澆口，直到灌滿為止。半小時(shí)后，再檢查一次，如還有缺料，可繼續(xù)上一步驟。這種措施只能在樹脂混合料發(fā)生凝膠之前進(jìn)行。在此之前，材料為液態(tài)，灌入新材料，兩者能夠相溶。凝膠開始之后，首先澆口處樹脂混合料表面開始固化，形成一層光亮固態(tài)氧化膜，這時(shí)新灌入的材料就不會(huì)與舊材料相溶。固化后會(huì)在這個(gè)面上形成夾層，極易剝離，所以在進(jìn)入固化爐約4h之后，就不宜再補(bǔ)料。
(2)澆注模具一般由鋼和鋁制成，如果有距離較遠(yuǎn)的嵌件被固定在模具上時(shí)，注意在冷卻前就應(yīng)拆除這些緊固件，以避免在冷卻時(shí)，由于收縮不一致，在嵌件處產(chǎn)生很大內(nèi)應(yīng)力，甚至產(chǎn)生裂紋。模具的最佳拆卸時(shí)間應(yīng)在固化結(jié)束后、冷卻之前進(jìn)行。此時(shí)模具與澆注件之間都保持在固化進(jìn)行中的熱膨脹狀態(tài)，沒有相對形變，因此拆卸也更加容易。對澆注件本身也不產(chǎn)生附加應(yīng)力，可提高產(chǎn)品的機(jī)械性能和抗疲勞強(qiáng)度。
(3)冷卻過程中如果溫度變化較大時(shí)，則在澆注件中會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。這種力由于呈散布狀態(tài)，受到內(nèi)部繞組的支撐，表現(xiàn)不明顯。一旦有外部因素影響時(shí)，如運(yùn)行中電流、電壓沖擊，機(jī)械沖擊，或遇到較大環(huán)境溫度變化等，澆注體表面會(huì)產(chǎn)生裂紋或裂縫，就會(huì)引起非常嚴(yán)重的質(zhì)量事故隱患。樹脂層越厚，溫度變化越大，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力越大。尤其在樹脂層厚薄不均處，最容易產(chǎn)生裂紋。有一次，我們在拆模時(shí)，拆完模具后，不慎將一根80mm×65mm×1 000mm的墊塊落到地面上。幾分鐘內(nèi)其中部出現(xiàn)超過5mm的弓起，可見內(nèi)應(yīng)力的危害性是非常嚴(yán)重的。因此，在澆注件溫度沒有完全降下來之前，切不可與地面或其他溫差較大的物體接觸，避免產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力隱患。一般應(yīng)采用隨爐緩慢冷卻的方法進(jìn)行降溫。
3 設(shè)備使用中應(yīng)注意的問題
3.1 清洗
可分為定期清洗和隨時(shí)清洗。隨時(shí)清洗操作是在每次澆注完畢后，排空終混罐和澆注管內(nèi)的殘余樹脂，關(guān)閉所有閥門，按終混罐進(jìn)料方法將固化劑混合料注入終混罐內(nèi)。用量約20kg(以能正常攪拌為限，量越多，清洗效果越好)，抽真空，攪拌20min，打開出料閥，在固化劑流出過程中，開關(guān)出料閥若干次，清洗閥門。然后，打開澆注閥，操作同前。清洗后的固化劑可用作墊塊的澆注料使用，或重新倒入脫氣罐脫氣。如按操作規(guī)程，將此料作為下一次澆注用料，由于在清洗時(shí)，這些固化劑會(huì)有大部分時(shí)間暴露于空氣中，材料中會(huì)混有大量空氣，在混料罐中，脫氣效果較差，最終會(huì)在澆注料中含有很多空氣，給澆注帶來不利影響。
定期清洗又分長期清洗和短期清洗。長期清洗是在一段較長時(shí)間內(nèi)對設(shè)備進(jìn)行徹底清理，包括管道、每個(gè)罐體內(nèi)部及各個(gè)閥門的清理。這種清洗一般可以一年進(jìn)行一次。具體操作是將約500L溶劑(可用香蕉水、丙酮、n—甲基吡咯烷酮等有機(jī)溶劑)，由配料罐按配料、脫氣、終混、澆注流程依次對各罐、管道、閥進(jìn)行清洗。時(shí)間可略長于正常操作，以保證清洗徹底。
短期清洗主要指對終混罐及澆注管道和澆注閥的清洗。即使每次澆注完畢，對終混罐和澆注管、閥都進(jìn)行認(rèn)真清洗，仍免不了有少量終混料粘在里面，日積月累，就會(huì)造成閥門開關(guān)不靈，管道堵塞，罐壁粘積物損壞攪拌機(jī)葉片，影響罐內(nèi)加熱速度，堵塞傳感器探頭等問題。終混罐內(nèi)有提升機(jī)構(gòu)的，會(huì)影響提升效率。嚴(yán)重時(shí)，粘住攪拌機(jī)。因此，在一個(gè)月或一個(gè)季度要對設(shè)備進(jìn)行一次清理。主要內(nèi)容是拆下澆注閥，在溶劑中加熱浸泡后，刮去粘積物。拆下澆注管，加熱到120～140℃，讓其中粘積物流出。如有固化物堵塞金屬管道時(shí)，可置于火上烘烤，使堵塞物燃燒后排出。打開終混罐加熱后，刮除壁殘物，拆下真空傳感器探頭，用溶劑清洗濾網(wǎng)。
3.2 管道加熱與保溫
在輸料管道及澆注管道中，大部分沒有加熱裝置。當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，材料粘度增大，流動(dòng)困難。如果溫度太低會(huì)造成輸料泵空轉(zhuǎn)，降低泵的使用壽命。這種情況在北方冬季經(jīng)常會(huì)發(fā)生。
解決這種情況的方法有兩種：一種是提高環(huán)境溫度，如加裝供暖裝置。但加裝供暖系統(tǒng)難度大，耗資較多，給生產(chǎn)也會(huì)帶來一些不便。另一種是對各管道和相應(yīng)閥門直接加熱。將電熱絲按使用要求纏繞在管道上，按選用功率大小，選擇是否加保溫層。功率大，可不加，功率小則一定要加保溫層。各管道分別安裝控制開關(guān)，只在需要時(shí)進(jìn)行加熱。
3.3 定期檢查及校準(zhǔn)
定期檢查電子秤或流量計(jì)，進(jìn)行校準(zhǔn)。秤的準(zhǔn)確程度直接影響配比是否準(zhǔn)確。環(huán)氧樹脂各成分的配比必須嚴(yán)格控制，否則會(huì)影響其固化反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)效率和固化物的機(jī)械、電氣性能。
4 結(jié)束語
環(huán)氧樹脂真空澆注系統(tǒng)，已廣泛應(yīng)用于電氣元件制造行業(yè)，而環(huán)氧樹脂作為絕緣材料，在不同產(chǎn)品中對性能也有不同要求。在掌握引進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上再進(jìn)行工藝、設(shè)備局部改進(jìn)，提高某一種性能或使其更適應(yīng)生產(chǎn)需要，是十分必要的。
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