Исследование и разработка составов масс высоковольтного фарфора с повышенными электромеханическими характеристиками (стр. 12 из 18)

- При выборе пластичных компонентов следует предпочитать виды сырья с трехслойными минералами или минералом с переслаиванием, решетка которых содержит как можно больше плавней, каолинитовым двухслойным минералам с низким содержанием плавней, т.к. сильно выраженная чешуйчатая структура последних (рис.28) при окотрузии вызывает нежелательные текстуры в экструдированной массе, которые могут стать исходными для образования трещин.

Изменения замедления прохождения ультразвука через материалы дают важную информацию о состоянии микроструктуры. Это же относится к усовершенствованной технике испытания с применением анализа звука. Рентгеновский дифрактометр также хорошо показывает количественное присутствие кристаллических компонентов микроструктуры – корунда, муллита и кварца.

Многослойно-чешуйчатая микроструктура и переслоенная структура из каолинитовых чешуек

Рис. 28 а – многослойно-чешуйчатая микроструктура; б – переслоенная

структура из каолинитовых чешуек

Модуль Вейбулла mи проведение кривых Rнадрезанных образцов для испытания на изгиб являются дополнительными показателями оценки качества микроструктуры керамических материалов.

У керамических материалов пластическая деформация вследствие нагрузки происходит не только в кристаллической решетке, но в весьма значительной степени также на границе зерен. Поэтому желательно разработать керамические материалы, которые сочетали бы между собой оба положительных свойства, т.е. высокую прочность и высокое «укрепление». Учитывая это, необходимо стремиться к обеспечению максимально однородной микроструктуры, которая будет иметь в своем составе как можно больше «сцепляющих» компонентов, но не кварц [9].

Заключение

Для надежности изоляторов из глиноземистого фарфора в процессе длительной эксплуатации наиболее предпочтительным является употребление массы, оптимизированной по вышеуказанным параметрам. Чем больше повышаются требования к соотношению между ценой и эксплуатационными качествами, тем более успех зависит от комплексного управления многообразными, в том числе и технологическими, факторами.

Поэтому всегда нужно согласовывать свойства масс и проведения технологических процессов с конструкциями технологического и теплотехнического оборудования. На практике всегда необходимо учитывать эту взаимосвязь.

Исследовательская часть

Назначение и применение изоляторов

Развитие электроаппаратостроения, передача электроэнергии на большие расстояния, в значительной мере зависят от прогресса в области электроизоляционных материалов.

Среди диэлектриков электротехнический фарфор занимает одно из почетных мест, благодаря своей стойкости к атмосферным осадкам, действию солнечных лучей и резкой смене температур, а также хорошим механическим и химическим свойствам.

Изоляторы применяются в электрических установках для электрической и механической связи проводников и отдельных частей, находящихся под различными потенциалами.

Изолятор состоит из диэлектрика, служащего для изоляции и арматуры, предназначенной для электрической и механической связи проводников и отдельных частей аппаратов.

Высоковольтные изоляторы имеют очень широкое применение и употребляются: в линиях электропередач, распределительных устройствах, кабельных сетях, в высоковольтных аппаратах и других электрических установках.

Высоковольтные фарфоровые изоляторы и изоляционные части должны обладать следующими тремя важными свойствами: а) механической прочностью; б) термической устойчивостью; в) электрической прочностью.

Механическая прочность черепка твердого фарфора определяется устойчивостью наименее прочной составной части, а также количеством открытых и закрытых пор. Заметим, что пористость снижает и электрические свойства черепка.

Наиболее слабым компонентом в структуре фарфора является полевошпатовое стекло, которое в сумме со всей стеклофазой составляет 50-60% всей массы черепка. Прочность его зависит от содержания Al₂O₃, SiO₂, K₂O.

Чтобы увеличить механическую прочность фарфора, необходимо повысить содержание в нем глинистых материалов, поднять температуру обжига и увеличить его продолжительность. При этом можно получить такое количество стекловато-муллитовой массы с большим содержанием Al₂O₃ и SiO₂, которого будет достаточно для стягивания пор [1].

Сырьевые материалы

Сырьевые или исходные материалы, используемые при изготовлении фарфора, подразделяются на две основные группы:

- пластичные материалы (или глинистые);

- непластичные материалы (или отощающие).

Пластичные материалы составляют глинистые вещества – это каолины и различные огнеупорные и беложгущиеся глины. Глины с небольшим количеством примесей являются огнеупорными, т.е. они способны противостоять высоким температурам, не расплавляясь.

Глина – это тонкообломочная горная порода, образовавшаяся при выветривании горных пород. Она встречается в природе в рыхлом или уплотненном состоянии. При обжиге глина теряет химически связанную воду и приобретает механическую прочность, свойственную камню.

Основной особенностью глин и каолинов является пластичность. Это ценное свойство глинистых веществ заключается в том, что при затворении водой они образуют мягкую тестообразную массу, которая легко принимает любую форму под действием внешних усилий, а после снятия усилий сохраняет ее.

Глинистое вещество приобретает пластичность только при определенном соотношении воды и глинистого вещества.

Пластичность глин бывает разная. Есть более пластичные и менее пластичные глины. Пластичность зависит от химико-минерального и дисперсионного состава глин. Кроме того, в состав глин могут входить такие примеси как: песок, слюда, доломит и др.

Для производства фарфора необходимо однородное сырье и небольшие колебания в примесях. Каолин наиболее чистое, однородное сырье, но у него мала пластичность по сравнению с глинами. Поэтому в нашем производстве применяются как глины, так и каолины.

Другим важным свойством пластичных глинистых материалов является их способность под действием высоких температур образовывать плотное камнеподобное тело «черепок».

Таким образом, можно предположить, что керамические изделия можно получить из одних глинистых материалов, но масса, состоящая из одних глин сильно прилипала бы к формам и инструменту, это бы затрудняло производство. Но главные недостатки заключаются в следующем:

1. при сушке изделия будут плохо отдавать влагу, следовательно высохнут неравномерно, возникнут внутренние напряжения;

2. будет большая объемная усадка;

3. необходимо использование высоких температур обжига.

Для того, чтобы устранить эти недостатки в массу, наряду с глиной, вводят отощающие материалы и материалы плавни. Такими материалами являются:

- кварцевый песок;

- полевой шпат;

- пегматит;

- фарфоровый бой.

Эти материалы еще называют каменистыми из-за большой твердости.

Перед употреблением отощающие материалы измельчают до тонкодисперсного состояния и в таком виде вводят в исходную фарфоровую массу.

Но, введя в массу кварцевый песок и «череп», необходимо производить обжиг изделий при высоких температурах (1500-1600˚С). Чтобы получить наиболее плотные изделия, снизить температуру обжига и получить монолитный фарфоровый черепок, необходимо в исходную массу ввести стеклообразующие материалы, они плавятся при более низких температурах (1100-1170˚С) и образуют стекловидную массу, хорошо подвижную, распространяющуюся между другими частицами черепка. В стекловидной массе растворяются зерна кварца и протекают реакции с глинистыми веществами.

Стеклообразующими компонентами являются:

- полевой шпат;

- пегматит.

В качестве стеклообразующего компонента в производстве применяется калиевый полевой шпат – природное вещество. Ввиду ограниченности запасов чистых полевых шпатов, в фарфоровых массах применяют пегматиты (природные механические смеси полевого шпата и кварца). Пегматиты содержат такие примеси, как: слюда, магнетит. Присутствие их нежелательно, т.к. они содержат значительное количество различных оксидов железа, загрязняющих массу, меняющих ее окраску, ухудшающих электроизоляционные свойства [1].

Требования, предъявляемые к сырьевым материалам

Глинистое сырье.

Качество сырьевых материалов должно соответствовать требованиям действующих государственных и отраслевых стандартов и технических условий. Глины по ГОСТ 9169-75 [10]подразделяются на:

- огнеупорные(>1580˚C)

- тугоплавкие(1350-1580˚С)

- легкоплавкие(<1350˚C)

Для производства электротехнического фарфора применяются огнеупорные глины. Это глины, которые при температуре 1580˚С не расплавляются и не дают деформации.

Огнеупорные глины бывают:

- высокоглиноземистые >45% Al₂О₃;

- высокоосновные >40% Al₂O₃;

- основные 30-40% Al₂O₃.

Для производства электротехнического фарфора пригодны высокоосновные и основные глины.

В производстве применяются каолины, содержание Al₂O₃ в которых составляет 36-40%.

Для производства изоляторов нежелательны в сырье красящие оксиды.

Каолины идут в производство обогащенные, т.е. очищенные от ненужных и вредных примесей.

Отощающие материалы также должны отвечать определенным требованиям:

- ограничено содержание оксидов железа;

- нормируется крупность;

- нормируется содержание щелочных оксидов;

- нормируется влажность и потери при прокаливании.

Изоляторное производство представляет собой сложный и разнохарактерный комплекс технологических процессов и, естественно, требует хорошей подготовки кадров.