Разработка новых технологий изготовления аккумуляторов для горной промышленности: изготовление токоотводов

В горной промышленности в качестве автономных источников электропитания транспортных систем и электротехнического оборудования широко используются свинцово-кислотные аккумуляторные батареи. Бесперебойная работа и надежность аккумуляторов определяются, в первую очередь, технологией их изготовления, которая должна обеспечивать высокие технические и эксплуатационные характеристики аккумуляторной продукции. Кроме того, для более полного обеспечения горной промышленности аккумуляторами высокого качества и приемлемой цены, технология производства аккумуляторов должна быть эффективной – позволяющей снизить себестоимость готовой продукции. Этого можно добиться путем снижения материалоемкости аккумуляторов и унификации технологии их изготовления по каждому из технологических переделов.

Одним из основных технологических переделов при производстве свинцово-кислотных аккумуляторных батарей является процесс изготовления токоотводов. Это наиболее трудоемкая и материалоемкая технологическая операция в условиях массового производства. В настоящее время пути повышения качества токоотводов, унификации процесса их изготовления и снижения материалоемкости еще не исчерпаны и требуют дальнейшего развития. Поэтому актуальной задачей является разработка новой технологии изготовления токоотводов для свинцово-кислотных аккумуляторов с целью повышения качества этих изделий и снижения их себестоимости.

• 1.    Современный уровень разработок.

• 2.    Решение задачи.

В аккумуляторостроении в настоящее время для изготовления токоотводов используются два сплава: свинцово-сурьмянистый и свинцово-кальциевый, в которых сурьма или кальций обеспечивают, в первую очередь, механические свойства сплава, поскольку чистый свинец слишком мягок и непрочен [1].

Свинцово-сурьмянистые сплавы дают возможность аккумуляторам выдерживать глубокие разряды, а свинцово-кальциевые сплавы позволяют минимизировать газовыделение и использовать герметизированные варианты конструкций аккумуляторов и аккумуляторных батарей. Эти качества аккумуляторов востребованы в горной промышленности: глубокий разряд характерен для стационарных аккумуляторов и батарей для аварийного и резервного питания электрооборудования, а минимизация или предотвращение газовыделения необходимы для тяговых аккумуляторов и батарей для шахтных и рудничных электровозов. Но эти качества пока что не удается удачно совместить подбором единого свинцового сплава и единой технологии изготовления из него токоотводов. Тем не менее, авторы настоящей статьи проделали определенную работу в указанном направлении, взяв за основу свинцово-кальциевый сплав. Мы полагаем такой выбор наиболее перспективным.

Согласно изобретению [2] в аккумуляторных батареях удалось подобрать соотношение дополнительных легирующих добавок олова (0,701,50 мас.%), серебра (0,001-0,015 мас.%) и алюминия (0,015-0,050 мас.%) в свинцовый сплав для положительных токоотводов батарей с содержанием кальция (0,04-0,06 мас.%), что несколько улучшило стойкость батарей к глубоким разрядам при сохранении низкого уровня газовыделения. Повышение стойкости к глубоким разрядам дало повышение долговечности батарей на 7-14 %. Положительный эффект достигнут за счет сложного синергичного взаимодействия легирующих добавок: алюминий защищает кальций от выгорания в расплаве; удачное соотношение количеств кальция и олова приводит к образованию нужного количества интерметаллида Sn3Ca, обеспечивающего стабильность микроструктуры свинцового сплава и его коррозионную стойкость; серебро усиливает коррозионную стойкость и механическую прочность.

При внедрении изобретения [3] удалось добиться повышения прочности токоотводов и сокращения цикла производства (на 12-17 %), что несколько снижает себестоимость аккумуляторных батарей. Эффект достигнут изменением формы горизонтальных жилок токоотводов, что способствует поддержанию фронта направленной кристаллизации свинцового сплава при отливке токоотводов и сокращению времени выдержки в литейной форме.

Разработаны также новые непрерывные технологии [4, 5] изготовления токоотводов, которые позволяют увеличить прочность и долговечность последних. Непрерывные технологии созданы с целью получить заметный выигрыш в производительности по сравнению с традиционной отливкой из расплава (гравитационным литьем). Наиболее распространенной из непрерывных технологий в настоящее время является просечно-вытяжная («expanded metal») технология, при которой получается непрерывная лента-токоотвод, а после разделения токоотводы получаются легче обычных [6].

В последние два десятилетия появились публикации зарубежных патентов и статей ведущих аккумуляторостроителей, занимающихся разработкой непрерывных технологий изготовления токоотводов, которые невозможно перечислить в этой краткой статье (см., например, [7-9]). Однако, зарубежные изготовители свинцово-кислотных аккумуляторов, в первую очередь, преследуют цель повысить производительность труда, понизить материалоемкость, и тем самым снизить себестоимость, а также не утратить при этом качество токоотводов. Для горной промышленности, кроме того, важно добиться снижения газовыделения аккумуляторов и увеличения стойкости их к глубоким разрядам.

В настоящий момент удалось вплотную подойти к решению указанной задачи. По техническому заданию ученых Института транспортных систем и технологий Национальной академии наук Украины и специалистов Международной научно-промышленной корпорации «ВЕСТА», была создана уникальная линия непрерывного изготовления токоотводов. Линия позволяет реализовать так называемую «punching» технологию изготовления токоотводов, которую планируется использовать для производства герметизированных VRLA батарей [6].

Новая технология предусматривает непрерывную отливку между двух вращающихся барабанов полосы из свинцового сплава, прокатку полосы в ленту заданной геометрии при многократной деформации и механическую холодную объемную штамповку ячеек токоотводов. Особенность технологии состоит в следующем: для отливки полосы используются два барабана с одинаковой интенсивностью теплоотвода за счет принудительного охлаждения; рационально подобраны температура прокатки ленты (60-80 °С) и степень обжатия (0,75-0,95); механическая штамповка ячеек производится за счет периодического вдавливания пуансона в движущуюся ленту. Форма токоотводов задается такой, что предусматривает унификацию их для аккумуляторов нескольких типоразмеров и позволяет повысить долговечность за счет исключения искривления жилок и исключения образования микротрещин [6, 10, 11]. Такая форма дает возможность увеличить производительность труда и снизить себестоимость аккумуляторных батарей за счет возможности быстрого перехода на выпуск изделий других типоразмеров. Кроме того, в аккумуляторной батарее, где размещаются новые токоотводы, рационально подобраны свинцово-оловяно-кальциевые сплавы положительных и отрицательных токоотводов [12]. Это позволяет повысить долговечность батарей . В частности, заводские испытания экспериментальных изделий, изготовленных по данной технологии, показали повышение долговечности аккумуляторов на 12-16 %. В перспективе, по нашим оценкам, разработки [10-12] позволят снизить себестоимость свинцово-кислотных аккумуляторов и аккумуляторных батарей на 8-13 % по сравнению с лучшими зарубежными технологиями.

С указанными разработками были ознакомлены представители горной промышленности Украины, у которых они вызвали неподдельный интерес [13, 14]. В настоящее время идет внедрение новой технологии в производство.

Выводы.

В результате проведенных исследований удалось вплотную приблизиться к решению проблемы снижения себестоимости свинцовокислотных аккумуляторов и аккумуляторных батарей на 8-13 % по сравнению с лучшими зарубежными технологиями, а также повышения долговечности аккумуляторов на 12-16 % в условиях глубоких разрядов. При этом аккумуляторы и аккумуляторные батареи характеризуются минимальным уровнем газовыделения, что предполагает в ближайшее время разработку на их основе герметизированных аккумуляторов. Результат получен благодаря разработке новой технологии изготовления токоотводов для электродов.