絕緣子玻璃件的鋼化技術研究

呂宏周

摘要：鋼化玻璃絕緣子被廣泛應用于特高壓輸電線路中，在各種惡劣環(huán)境中能夠一直保持優(yōu)異的絕緣性能。鋼化是玻璃件實現(xiàn)并長期保持穩(wěn)定的主要手段，現(xiàn)對玻璃鋼化的原理和性能進行深度剖析，對絕緣子玻璃件的鋼化工藝、鋼化風柵設計進行深入探討，并為絕緣子玻璃件鋼化提供優(yōu)化思路;同時，為減少鋼化玻璃絕緣子在電網(wǎng)運行過程中的自爆現(xiàn)象，使用了冷熱沖擊、去雜質(zhì)沖擊等工藝方法，這種成套生產(chǎn)工藝已在上海塞迪維爾玻璃制品有限公司生產(chǎn)中得到實際驗證，可以作為絕緣子玻璃件生產(chǎn)廠家改善產(chǎn)品鋼化效果的參考資料。

關鍵詞：鋼化玻璃絕緣子;內(nèi)應力;鋼化溫度;鋼化風柵;破碎中心;冷熱沖擊;去雜質(zhì)沖擊

0? ? 引言

鋼化玻璃絕緣子作為高壓輸電線路的重要組成部分，一直承受著強拉力、高電壓、高溫、極端天氣的考驗，在長期惡劣條件下一直保持著良好的絕緣性能，玻璃件鋼化是其實現(xiàn)這些功能的主要保證條件。

1? ? 玻璃的鋼化

將玻璃制品加熱到轉變溫度Tg以上50～60 ℃，然后在冷卻介質(zhì)中急速均勻冷卻，使玻璃內(nèi)產(chǎn)生較大的永久應力，這個過程稱為“玻璃鋼化”。通過這樣的熱處理，玻璃內(nèi)部就具有了均勻分布的鋼化內(nèi)應力，從而提高了玻璃的機械強度和熱穩(wěn)定性，這種淬火玻璃又稱為“鋼化玻璃”。

鋼化玻璃的內(nèi)應力分布如圖1所示，在玻璃厚度方向上呈拋物線形，表面層為壓應力，內(nèi)層為張應力。

2? ? 玻璃的加熱和均溫

玻璃進行鋼化處理前必須先進行均勻的加熱和均溫，使玻璃制品在軟化溫度附近迅速消除由于溫度梯度所造成的暫時熱應力，這一溫度稱為“鋼化溫度”。

在工業(yè)生產(chǎn)中，一般選擇的鋼化均溫溫度要高些，但若均溫溫度過高，雖能加快應力松弛的速度，可獲得較大的鋼化應力，卻也容易造成產(chǎn)品變形;而若均溫溫度過低，鋼化時則無法產(chǎn)生有益的應力，反而易導致產(chǎn)品自爆。

3? ? 鋼化的基本原理

玻璃的物理鋼化：均勻快速冷卻已被加熱均溫至鋼化溫度的玻璃制品時，開始只涉及玻璃的外層，外層要比內(nèi)層冷卻得快一些，這時外層因冷卻力收縮，而內(nèi)層仍處在熱膨脹狀態(tài)，阻礙外層的收縮，此時外層受到了一種張應力的作用，內(nèi)層卻受到了一種壓應力的作用。當制品繼續(xù)冷卻時，應力狀態(tài)也隨之變化，內(nèi)層因冷卻要求占據(jù)最小體積，卻受到了已經(jīng)硬化成脆性體的外層的阻礙，不讓內(nèi)層收縮，這時外層產(chǎn)生了壓應力，而內(nèi)層產(chǎn)生了張應力。這兩種應力一直到玻璃制品完全冷卻和溫度梯度全部消失后才均勻地分布在制品內(nèi)，可用拋物線形的圖來描繪應力分布的狀態(tài)。

根據(jù)巴爾杰涅夫提出的公式可以確定玻璃的鋼化程度。

Δ=B×107×■Tg？準（δ）

式中：Δ為鋼化程度;B為應力的光學常數(shù);α為線膨脹系數(shù);E為楊氏模數(shù);σ為泊松比;Tg為鋼化溫度;？準為與冷卻參數(shù)有關的常數(shù);δ為玻璃鋼化程度的參數(shù)。

該公式經(jīng)過運算后，可簡化為：

Δ=B×107K？準（δ）

式中：K為與玻璃成分有關的系數(shù)。

玻璃的鋼化程度與鋼化強度基本相當。

4? ? 影響玻璃鋼化的因素

鋼化玻璃內(nèi)應力大小，與鋼化溫度、冷卻強度、玻璃厚度和化學組成等有直接關系。

4.1? ? 鋼化溫度

根據(jù)巴爾杰涅夫公式，鋼化程度與鋼化開始溫度成正比，鋼化溫度越高，獲得的鋼化程度越高，但當鋼化溫度提高到某一值時，應力幾乎不再增加，內(nèi)應力趨于一極限值，此極限值即為鋼化程度。不同化學成分的玻璃鋼化溫度不同。

4.2? ? 冷卻強度

4.2.1? ? 冷卻介質(zhì)

鋼化冷卻強度與冷卻介質(zhì)有密切關系。風冷鋼化最簡便、成本最低，不需要清洗鋼化制品，但是空氣熱容量小，須用大量空氣，且鋼化程度不易進一步提高。液冷鋼化介質(zhì)一般采用油脂、硅油、石蠟、鹽溶液及金屬溶液等。

4.2.2? ? 空氣溫度、風量與風壓

采用風冷鋼化時，冷卻強度取決于空氣的溫度、風量和風壓。

4.2.3? ? 噴嘴大小及其與玻璃的間距

冷卻強度還與風柵噴嘴大小及其與玻璃的間距有密切關系。風柵噴嘴的直徑越大，空氣接觸玻璃面積也越大，風量增加，冷卻強度隨之增加;當冷卻風壓力一定時，噴嘴與玻璃間距越小，冷卻效果越顯著，因而獲得的鋼化程度越高。風量與流速之間的關系：

H=NSV

式中：H為風量（m3/s）;N為噴嘴小孔的個數(shù);S為噴嘴小孔的截面積（m2）;V為風速（m/s）。

4.3? ? 化學組成

鋼化玻璃的內(nèi)應力與線膨脹系數(shù)α、彈性模量E等成正比，這些物理量是由玻璃組成決定的。堿玻璃具有較大的線膨脹系數(shù)，有良好的成型和鋼化工藝性能，能提高鋼化玻璃的機械強度和冷熱性能，所以全世界都采用堿玻璃來制造鋼化玻璃絕緣子。

4.4? ? 玻璃厚度

玻璃鋼化時，冷卻強度與玻璃的厚度有關。厚玻璃比薄玻璃容易鋼化，在相同條件下，玻璃越厚，鋼化程度越高。

5? ? 絕緣子玻璃件的鋼化工藝過程

絕緣子玻璃件的整個鋼化工藝過程可分為兩個階段：加熱均溫和空氣冷卻。

5.1? ? 玻璃件的加熱均溫

絕緣子玻璃件在成型過程中為了保證產(chǎn)品翅根及內(nèi)螺紋等部位不變形和便于脫模，通常采用壓縮空氣吹風冷卻，以加速玻璃件的固化。因產(chǎn)品外部和絕緣子頭部與底模接觸部位難以冷卻，成型后絕緣子玻璃件的頭部與傘棱、傘槽等各部位的溫度并不相同，玻璃件必須送入均溫爐進行加熱和均溫，以消除溫度差造成的暫時應力。

5.2? ? 玻璃件的空氣冷卻

根據(jù)玻璃鋼化的基本原理，加熱均溫的玻璃件必須迅速送入鋼化機進行吹風冷卻，絕緣子玻璃件的結構形狀復雜，厚度不均勻，重量較重，各部位均勻散熱以獲得均勻分布的內(nèi)應力比較困難。經(jīng)過大量的工藝試驗得知，玻璃件的傘槽和內(nèi)螺紋散熱比較困難，因此，玻璃傘槽和內(nèi)螺紋選用較高的風壓或較大的風量進行吹風冷卻，而平滑的絕緣子外表面和外螺紋散熱容易，可以選用較小的吹風量。這樣絕緣子玻璃件各部位均可實現(xiàn)均勻散熱，從而提高鋼化冷卻的效果。

5.3? ? 絕緣子玻璃件鋼化工藝條件選擇

（1）均溫的溫度和時間。鋼化均溫溫度一般取自玻璃軟化溫度的附近，絕緣子玻璃件均溫溫度一般為680～740 ℃，均溫時間為1～5 min。

（2）鋼化風壓。鋼化風壓的選擇一般要根據(jù)工藝試驗來確定，風壓、風量偏小，易造成弱鋼化;風壓和風量過大，易造成內(nèi)應力偏大或應力過分集中而導致制品自爆。根據(jù)絕緣子玻璃件的特點，內(nèi)表面選用的風壓是外表面的一倍以上。

（3）旋轉速度。為避免鋼化不均勻冷卻，玻璃件在風柵中鋼化時必須繞中心旋轉，旋轉速度根據(jù)玻璃件的外形尺寸、厚度和重量來選取。旋轉速度太慢，易造成鋼化不均勻或弱鋼化;旋轉速度太快，冷卻風易在玻璃件上滑行。通過工藝試驗結合現(xiàn)場生產(chǎn)實際，一般選取的旋轉速度為80～130 r/min。

（4）鋼化風柵。冷卻玻璃表面帶有密布噴嘴的特殊吹風裝置——鋼化風柵，其結構形式和尺寸基本上都與絕緣子玻璃件相吻合，風柵分上、下兩種，噴嘴形狀、直徑和長短以制品在吹風冷卻過程中散熱快，玻璃表面不產(chǎn)生“窩流”為宜。

（5）噴嘴與玻璃件間距離。冷卻速度還和噴嘴與玻璃件間距離有密切關系。當冷卻風壓和風量確定時，風柵噴嘴與玻璃件表面的間距越小，風速越大，冷卻速度越急劇，鋼化程度也越高，如圖2所示。

（6）鋼化的冷卻時間。絕緣子玻璃件的鋼化冷卻時間除取決于玻璃成分和冷卻速度外，還與玻璃件的外形結構、厚度和重量有關，絕緣子玻璃件鋼化冷卻時間一般為50 s～4 min。

6? ? 絕緣子玻璃件鋼化工裝及工藝設計

為實現(xiàn)絕緣子玻璃件的鋼化效果，必須通過長時間的試驗及效果對比，才能摸索出適合現(xiàn)場生產(chǎn)的鋼化工裝及工藝。

6.1? ? 鋼化上風柵

鋼化上風柵主要用于冷卻產(chǎn)品傘翅、傘槽、內(nèi)螺紋孔等部位，側壁為？準2的氣孔，翅頂一般為？準4的氣孔，從寬度0.7 mm的氣槽中吹出，如圖3所示。

6.2? ? 鋼化下風柵

鋼化下風柵主要用于冷卻產(chǎn)品的外表面和外螺紋部位，均為？準2的吹氣孔，如圖4所示。

6.3? ? 中心冷卻風管

中心冷卻風管主要用于冷卻內(nèi)螺紋部位，絕緣子的拉力主要集中在頭部，所以相比于其他部位的冷卻，內(nèi)螺紋冷卻的要求更為苛刻，中心風管的出風口一般較多，300CH330產(chǎn)品的中心風管選擇？準3的側吹風孔，頭部兩個孔的孔徑為4 mm，如圖5所示。

6.4? ? 鋼化工裝總成

均溫到位的玻璃件由U5搬運到鋼化機1#工位三腳架上，三腳架托著高溫玻璃件開始旋轉，上下吹風冷卻同時開啟，旋轉速度設定為80～130 r/min，冷卻開始工位設定為1#工位，冷卻結束工位設定為12#工位。根據(jù)產(chǎn)品機速不同，鋼化時間一般為1～3 min，玻璃件從開始的650 ℃迅速冷卻到250 ℃以下。鋼化工裝總成如圖6所示。

6.5? ? 現(xiàn)場鋼化工藝設定

經(jīng)過多年實踐及現(xiàn)場生產(chǎn)檢驗，已形成一套比較成熟的鋼化工藝。鋼化上吹風氣源為300 kPa（3 bar）壓縮空氣，使用氣壓一般為170～190 kPa（1.7～1.9 bar），下吹風氣源為100 kPa（1 bar）壓縮空氣，使用風壓一般為70～90 kPa（0.7～0.9 bar）;中心風控制閥一直開到最大，現(xiàn)已取消此開度調(diào)整閥;U6為20工位鋼化機，一般只要有10個工位冷卻就可達到鋼化要求?，F(xiàn)場鋼化機工藝設定界面如圖7所示，上下氣壓控制如圖8所示，現(xiàn)場鋼化實時檢測界面如圖9所示。

7? ? 絕緣子鋼化玻璃件自爆的原因和預防措施

7.1? ? 絕緣子鋼化玻璃件自爆的原因

絕緣子鋼化玻璃件自爆主要有以下兩個方面的因素。

（1）玻璃料的化學均一性。鋼化玻璃的玻璃料對化學均一性的要求較高，經(jīng)過充分高溫熔化和均化的玻璃料只有在沒有雜質(zhì)、結石、條紋等情況下，才能很好地進行鋼化。雜質(zhì)是鋼化玻璃自爆最主要的原因，雜質(zhì)與玻璃膨脹系數(shù)差異較大，鋼化過程中雜質(zhì)周圍易形成張應力，致使玻璃件在鋼化或冷熱沖擊時發(fā)生自爆。

（2）鋼化工藝。鋼化工藝不合適，鋼化內(nèi)應力分布就無法達到均衡，鋼化玻璃絕緣子的各種性能就會下降，甚至出現(xiàn)自爆現(xiàn)象;絕緣子玻璃件加熱和均溫工藝控制不當，容易產(chǎn)生弱鋼化或無應力區(qū);鋼化風壓和風柵選擇不合理，將導致內(nèi)應力分布不均勻，有時會使張應力區(qū)偏移到玻璃的表面層;絕緣子玻璃件的旋轉速度、噴嘴與玻璃間距離等選擇正確與否，都對自爆有影響。制訂合理的鋼化工藝，改善鋼化內(nèi)應力的均勻分布，是提高鋼化質(zhì)量、降低自爆率的關鍵工作。

7.2? ? 鋼化內(nèi)應力分布的碎片分析

鋼化內(nèi)應力分布均衡性決定了鋼化玻璃的內(nèi)在質(zhì)量和是否會發(fā)生自爆。（1）破碎中心與碎片形狀分析。鋼化玻璃件發(fā)生自爆時會有一個破碎中心，玻璃碎塊圍繞這個點呈放射狀分布，如圖10所示。破碎中心與碎片形狀決定了鋼化玻璃件自爆發(fā)生的部位，進而可以通過發(fā)生部位找出工藝上的問題和改進措施。（2）碎片大小與均勻性分析。自爆碎片越細小，鋼化內(nèi)應力越大;碎片大小尺寸越接近，鋼化內(nèi)應力分布的均勻性越好。通過對碎片大小與均勻性的分析，可以鑒別鋼化工藝和鋼化工裝的合理性。（3）應力層厚度和對稱性分析。觀察鋼化玻璃碎片斷面，沿玻璃厚度兩側為透明的壓應力層，中間為不透明呈乳白色的張應力層。產(chǎn)品和鋼化工藝一定時，兩種應力層厚度分布取決于玻璃的熱傳導系數(shù)和鋼化時的冷卻強度，張應力層寬度要適中，如果張應力層向一側表面偏移過多，說明這一側的鋼化冷卻強度偏大，需要調(diào)整這一側的鋼化風壓。

7.3? ? 減少鋼化玻璃件自爆的主要措施

（1）提高玻璃的熔化質(zhì)量。鋼化玻璃對熔化質(zhì)量的要求比較高，選擇結構合理的玻璃熔窯，使玻璃料能得到充分的熔化和均化，制訂切實可行的熔化工藝方案，對玻璃成分、配料工藝、混合料均勻度、玻璃密度、軟化溫度等加強檢查和測試;回收碎玻璃，確保干凈無雜物，提高玻璃料的化學均一性;生產(chǎn)上要做到三均和三穩(wěn)定，三均即混料均勻、加料均勻、出料均勻;三穩(wěn)定即爐溫穩(wěn)定、爐壓穩(wěn)定、液面穩(wěn)定;玻璃料應無雜質(zhì)、條紋和灰泡。（2）制訂合理的鋼化工藝方案，合理的鋼化工藝參數(shù)，可以有效改善鋼化玻璃內(nèi)應力的分布，提高鋼化質(zhì)量，降低產(chǎn)品的自爆率。

7.4? ? 提高對廢品和劣質(zhì)品的剔除能力

生產(chǎn)中剔除鋼化不良主要是對鋼化玻璃件進行冷熱沖擊、熱冷沖擊和特殊熱處理。（1）若玻璃件溫度低于60 ℃，溫差大于330 ℃，進行一次冷熱沖擊;（2）若水溫低于40 ℃，鋼化玻璃件加熱到溫差大于120 ℃過水，進行熱冷沖擊;（3）若玻璃件溫度低于60 ℃，溫差大于350 ℃，進行二次冷熱沖擊;（4）玻璃件在290 ℃的條件下，保溫90 min以上，去除產(chǎn)品中的硫化鎳雜質(zhì)。經(jīng)過冷熱沖擊、熱冷沖擊、特殊熱處理的產(chǎn)品，其爆炸率達到工廠的質(zhì)量標準要求，就是鋼化合格產(chǎn)品。如果達不到工廠質(zhì)量標準，可以進行再沖擊，但不能進行第三次冷熱沖擊，第二次沖擊還達不到要求的產(chǎn)品應作為廢品處理;如果鋼化玻璃件抽測拉力達到標準要求，但拉力值離散性較大，那么這批產(chǎn)品必須全數(shù)進行內(nèi)水壓檢測，以確保給總裝車間提供合格的鋼化玻璃件。

8? ? 結語

鋼化玻璃絕緣子在高壓輸電線路中的廣泛應用，主要得益于鋼化玻璃件的優(yōu)異性能，鋼化原理相對比較簡單，但連續(xù)化、大批量的玻璃件鋼化，必須進行嚴格的試驗才能夠逐步推廣，并根據(jù)反饋信息進行不斷改進。正是基于高質(zhì)量的工藝研發(fā)和嚴謹?shù)脑囼瀸Σ撸暇S爾鋼化玻璃絕緣子的各項性能才能一直處于全球領先水平。