章村土提高電瓷絕緣子高溫荷重性能的研究

宮云霞

中材高新材料股份有限公司，山東 淄博255000

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章村土提高電瓷絕緣子高溫荷重性能的研究

宮云霞

中材高新材料股份有限公司，山東 淄博255000

摘 要：在坯體配方中利用章村土部分替代長石，以提高電瓷坯體的高溫粘度，增加坯體高溫荷重，從而較好地解決百萬伏特高壓產(chǎn)品燒制過程中存在的吸紅和拉裂掉頭問題。

關(guān)鍵詞：章村土；高溫粘度；高溫荷重

國家大氣污染防治行動計(jì)劃“四交四直”特高壓工程的全面啟動，對于優(yōu)化能源配置、保障電力供應(yīng)、促進(jìn)清潔發(fā)展、拉動經(jīng)濟(jì)增長、引領(lǐng)技術(shù)創(chuàng)新具有重大意義。伴隨著計(jì)劃的實(shí)施，對百萬伏超大尺寸棒型瓷絕緣子的需求量越來越大。相應(yīng)地，高鋁質(zhì)百萬伏超大尺寸棒型瓷絕緣子的生產(chǎn)過程中存在的一些難以克服的技術(shù)問題日益引起高度重視。

例如，百萬伏超大尺寸棒型瓷絕緣子桿徑一般粗達(dá)300 mm以上，這使得產(chǎn)品難以燒透且容易吸紅 (開口氣孔率大于零)。為了滿足產(chǎn)品不吸紅 (開口氣孔率等于零) 的技術(shù)要求，通?？梢酝ㄟ^調(diào)整配方增加液相量，以填充坯體孔隙。制備高鋁質(zhì)瓷絕緣子的主要原料包括鋁礬土、長石、高嶺土等[1]；一般來說，增加液相量就需要增加配方中長石的含量。但是，長石含量的增加通常又會使坯體的高溫粘度降低，導(dǎo)致產(chǎn)品高溫抗拉伸能力下降。這就引發(fā)了另一個問題：為了保持直線度棒型，支柱瓷絕緣子通常需要采取“先坐后吊”的燒成工藝；但百萬伏超大尺寸棒型瓷絕緣子重達(dá)500 kg以上，如果產(chǎn)品高溫抗拉伸能力不夠，在燒成過程中收縮起吊后就容易出現(xiàn)拉裂掉頭 (如圖1所示) 現(xiàn)象而變成廢品，從而造成產(chǎn)品合格率大幅度降低。因此，吸紅和拉裂掉頭就成為了行業(yè)里多年來一直難以克服的一個問題。

注意到章村土是以水白云母為主的粘土礦，具備長石的熔劑特性，又有別于長石的助熔作用[2]。本文將利用章村土的這一特性，考慮用章村土替代部分長石，以期提高瓷絕緣子坯體的高溫粘度及強(qiáng)度，改善其高溫荷重能力，從而解決百萬伏超大尺寸棒型瓷絕緣子易吸紅和拉裂掉頭的問題。

圖1　瓷絕緣子燒成時(shí)出現(xiàn)拉裂掉頭現(xiàn)象Figure 1 Crack and fracture occurring during the firing of porcelain insulator

1　原料分析及配方設(shè)計(jì)

本研究采用的原料包括產(chǎn)自河南的鋁礬土、產(chǎn)自山西的長石、產(chǎn)自山西的高嶺土、產(chǎn)自山西的粘土和產(chǎn)自河北的章村土。各種原料的化學(xué)成分一并列于表1。從表1可以看出，章村土和長石中均含有一定量的K2O和Na2O，可起到熔劑的作用。此外，章村土中的Al2O3含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于長石，可以與高嶺土一樣賦予坯料一定的可塑性。也就是說，章村土兼有高嶺土和長石的雙重作用[2]。

表2列出了本研究所考慮的兩個配方。其中配方A為百萬伏超大尺寸棒型瓷絕緣子正常生產(chǎn)配方；配方B則是在配方A的基礎(chǔ)上，用章村土部分代替長石，保證配方中K2O、Na2O合量及其他成分基本不變 (見表3)，同時(shí)調(diào)整礬土量，以期達(dá)到燒成溫度范圍保持不變且改善其它性能的目的。從表3可以看出，兩個配方中熔劑總量基本一致，其它成分也差別不大，這是保證兩配方燒成溫度范圍一致的前提條件。兩個配方的不同點(diǎn)僅在于熔劑K2O和Na2O所占比例不同。

表1　原料化學(xué)成分 (單位：wt%)Table 1 Chemical composition of raw materials (Unit: wt%)

表2　配方組成 (單位：wt%)Table 2 Composition used for sample preparation (Unit: wt%)

表3　配方化學(xué)成分比較 (單位：wt%)Table 3 Comparison of the chemical composition between the samples considered (Unit: wt%)

圖2　試樣 (a)吸水率、(b) 體積密度及 (c) 孔隙率隨燒成溫度的變化關(guān)系Figure 2 Variation of (a) water absorption, (b) density and (c) porosity of the samples with firing temperature

2　燒成溫度范圍

將原料按表2所示比例混合并進(jìn)行陳腐處理后，在145 MPa壓力下冷等靜壓成型，打磨成直徑為15 mm、長度為18 mm的白坯試條，配方A和配方B各制作白坯試條8根。而后，將白坯試條在烘箱內(nèi)60°C ~ 70°C溫度下放置至少4 h。

去配方A和配方B白坯試條中各取出1根，制作成1 cm3的試塊各9塊，一并放進(jìn)箱式電阻爐中在不同溫度下燒成[3]。稱量燒成后試塊的干重w0、濕重w1、浮重w2，而后由以下公式分別計(jì)算試樣的吸水率A、體積密度ρ 和開口孔隙率n：

圖2給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯?，兩個配方的合適燒成溫度均處于1210°C ~ 1260°C這一溫度范圍內(nèi)，且對應(yīng)于最大體積密度的燒成溫度均出現(xiàn)在1240°C附近。這說明配方B在燒成方面符合設(shè)計(jì)要求。

圖2還表明，在1210°C ~ 1260°C這一燒成溫度范圍內(nèi)，配方B試樣的體積密度均高于配方A。這初步說明章村土部分取代長石可以明顯改善制品的致密性，有利于制品強(qiáng)度的提高。

此外，采用GB/T 775.1-2006[4]推薦的方法進(jìn)行了孔隙性實(shí)驗(yàn) (180 MPa·h)。結(jié)果表明，在1210°C ~ 1260°C這一溫度范圍燒成的兩類試樣均沒有出現(xiàn)吸紅現(xiàn)象。這進(jìn)一步證實(shí)了上面的結(jié)論。

需要順便指出的是，章村土在800°C以下熱膨脹系數(shù)比長石大，用在電瓷坯體中可以在一定程度上抵消組分中的高嶺土在500°C ~ 600°C之間的激烈收縮，使這階段燒成比較安全[2]。這一性能有利于產(chǎn)品燒成，避免坯體體積在燒成過程中的急劇變化而導(dǎo)致的開裂缺陷。

3　抗折強(qiáng)度

將A、B兩個配方中剩余的七根白坯試條裝入抽屜窯中隨產(chǎn)品一起燒成，燒成最高溫度為1250°C。燒成之后的試樣在深圳高品檢測設(shè)備有限公司的GP-TS2000S型電子式萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行三點(diǎn)式抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，按以下公式計(jì)算得到試樣的抗折強(qiáng)度[5]：

式中，σ 為圓柱形試樣的抗折強(qiáng)度 (MPa)，P為試樣的斷裂荷載 (N)，L為跨距 (mm)，D為試樣的外徑 (mm)，d為試樣的內(nèi)徑 (mm)。對于實(shí)心圓柱形試樣，d = 0。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，配方A的平均抗折強(qiáng)度為192.8 MPa ± 5.1 MPa，配方B的平均抗折強(qiáng)度為207.6 MPa ± 6.1 MPa。配方B強(qiáng)度明顯高于配方A。這一結(jié)果證實(shí)上一章中的預(yù)期。

配方B試樣強(qiáng)度的提高和章村土的特性有關(guān)。章村土是一種白云母到伊利石之間的過渡類型礦物，研究表明章村土在加熱過程中會逐漸生成主要晶體-莫來石[2]。采用日本電子株式會社的JSM-6380LA型掃描電鏡 (SEM) 對A、B配方在還原焰下經(jīng)1250°C燒制后得到的瓷片進(jìn)行了檢測，結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，盡管兩種試樣中均出現(xiàn)了針狀莫來石晶體，但與配方A相比，配方B試樣中的針狀莫來石明顯增多。這應(yīng)該是配方B表現(xiàn)出明顯偏高的抗折強(qiáng)度的主要原因。

圖3　(a) 配方A和 (b) 配方B試樣的SEM照片F(xiàn)igure 3 SEM images of the samples (a) A and (b) B

圖4　試樣燒成后的變形

4　高溫荷變

將圓柱形白坯試條磨制成190 mm長、16 mm寬、10 mm的長方形，置于跨度為109 mm的耐火磚槽上，隨生產(chǎn)窯一起燒成，測量燒成之后長方形試條最低點(diǎn)的彎曲量δ (如圖4所示) 作為評價(jià)制品高溫荷變性能的指標(biāo)。

測試結(jié)果表明，燒成之后配方B試樣的彎曲量δ 為12.66 mm，明顯小于配方A試樣 (15.42 mm)。二者相比，配方B的彎曲變形比配方B減少了13%。這說明配方B在燒成過程中由于自身重量作用產(chǎn)生的變形小于配方A。也就是說，配方B試樣的高溫抗變形能力明顯優(yōu)于配方A。因此，這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，由配方B生產(chǎn)的制品在燒成過程中收縮起吊時(shí)抗拉能力應(yīng)該比配方A強(qiáng)，相對來說更不容易被拉裂掉頭。

理論上說，高溫?zé)蓵r(shí)的抗變形能力與原料的高溫粘度有關(guān)。對于本研究所考慮的高鋁質(zhì)瓷來說，熔劑中K2O、Na2O含量不同，熔融性能就有所不同。一般說來，鉀長石的熔融溫度范圍相對較寬，所形成的熔體高溫粘度也較高，而 (富) 鈉長石比鉀長石的熔融溫度范圍小許多，高溫粘度相對較低[6]。高溫粘度大，在陶瓷生產(chǎn)過程中有利于控制燒成和防止變形[7]。本研究選用的長石中K2O:Na2O = 5.78，而章村土中K2O:Na2O = 6.64，即若保持K2O與Na2O合量不變時(shí)，章村土引入的K2O高于長石引入的K2O，章村土引入的Na2O低于長石引入的Na2O，因此用章村土部分替代長石就起到提高高溫粘度的作用，從而改善制品的高溫抗變形能力。

5　結(jié)束語

綜合以上分析不難得出，在電瓷坯體配方中用章村土部分替代長石，不僅可以起到改善制品致密性，提高強(qiáng)度的作用，同時(shí)也提高了坯體的高溫粘度，進(jìn)而改善制品的荷重能力

以上研究成果已經(jīng)在百萬伏特高壓產(chǎn)品的生產(chǎn)中取得了較為理想的效果，較好地徹底解決了750 kV以上產(chǎn)品易吸紅的問題，同時(shí)也解決了生產(chǎn)過程中的拉裂掉頭問題，大大提高了產(chǎn)品的合格率，給企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳平. 高壓電瓷材料的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 電瓷避雷器, 2004, (6): 12-16.

[2] 陸小玄. 章村土實(shí)驗(yàn)報(bào)告[J]. 電瓷避雷器, 1980, (3): 39-44.

[3] 丁彥霞, 宮云霞, 唐建新, 等. 涇陽土用于高鋁質(zhì)電瓷配方中的研究[J]. 現(xiàn)代技術(shù)陶瓷, 2015, 36 (1): 14-17.

[4] GB/T 775.1-2006, 絕緣子試驗(yàn)方法 第一部分：一般試驗(yàn)方法[S].

[5] JC/T 413-2005, 輥道窯用陶瓷輥 [S].

[6] 張銳, 王海龍, 許紅亮. 陶瓷工藝學(xué)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2013.

[7] 李玉書, 吳落義, 李瑛. 電瓷工藝與技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2007.

Improvement of High Temperature Loading Capacity of Porcelain Insulators by Adding Zhangcun Clay

GONG Yun-Xia
High Voltage Insulator Division of Sinoma, Zibo 255000, China

Abstract:In order to solve the problems of large open porosity and cracking during firing for the million volts UHV porcelain insulators, Zhangcun clay was used as raw material to partially replace feldspar. The results showed that, by adding Zhangcun clay, both the high-temperature viscosity and the high-temperature loading capacity of the green body were improved.

Key words:Zhangcun clay; High-temperature viscosity; High temperature loading capacity

中圖分類號：TQ174.75

文獻(xiàn)編號：1005-1198 (2016) 02-0145-05

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.16253/j.cnki.37-1226/tq.2016.02.006

收稿日期：2016-01-29 收到修改稿日期：2016-02-25

基金項(xiàng)目：中央國有資本經(jīng)營預(yù)算重大技術(shù)創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目 (財(cái)企 [2011] 338號)。

通訊作者：宮云霞 (1963 -), 女, 山東文登人, 高級工程師。E-mail: gyxwl.ok@163.com。