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95氧化铝绝缘子烧成工艺的研究

发表时间: 2019-10-08 14:19:21

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本文通过对大尺寸95氧化铝绝缘子局部烧成过程的计算机模拟分析并结合实际烧成过程,对高温天然气窑升、降温曲线的调整,得到合理的烧成工艺,并通过多次重复烧成试验,得到品质优良的绝缘子瓷件

95氧化铝绝缘子烧成工艺的研究

郑兴益1  薛志岗1 朱  军2

(1江苏省陶瓷研究所有限公司,宜兴214221;

2江苏久吾高科技股份有限公司,南京210000)

摘  要  本文通过对大尺寸95氧化铝绝缘子局部烧成过程的计算机模拟分析并结合实际烧成过程,对高温天然气窑升、降温曲线的调整,得到合理的烧成工艺,并通过多次重复烧成试验,得到品质优良的绝缘子瓷件。

关键词  大尺寸绝缘子;高温天然气窑;烧成炸裂;计算机模拟分析

 

绝缘子用来支撑和固定母线与带电导体,并使带电导体间或导体与大地之间有足够的距离和绝缘。近几年来,我国电力工业发展迅速,发电机装机容量逐年增加,绝缘子避雷器作为输变电设备不可缺少的组成部分,与电力工业的发展密不可分。电力工业是绝缘子避雷器产品最为主要的应用市场,我国现阶段的许多电力工程,例如城乡电网的建设和改造、西电东送工程、电气化铁路建设工程以及特高压产品市场的启动,不仅为绝缘子避雷器行业的发展提供了广阔的市场空间,同时也对行业产品市场提出了新的要求,推动了绝缘子避雷器产品市场结构的调整以及新技术的研发力度。

因此,本文通过分析95氧化铝陶瓷的烧成过程,结合普通氧化铝陶瓷的烧成曲线,设定绝缘子的升温曲线,并通过对降温过程进行计算机模拟分析,给出相应的降温曲线。

1绝缘子瓷件介绍

图1绝缘子示意图(单位:mm)

由图1可知,绝缘子瓷件具有以下特点:(1)较大的尺寸,且其具有较大的壁厚,壁厚最厚处达到175mm;(2)结构相对复杂,在升、降温过程中都易产生较大的结构应力;(3)自重过大,坯体重量在700kg左右。由于以上几点原因,导致绝缘子在升温过程中极易开裂,降温过程中也容易导致炸裂。

1.1  95氧化铝陶瓷烧成线收缩与温度的关系

由于绝缘子尺寸及自重过大,其在烧成过程中的收缩相对于小尺寸产品来说影响将变得更大。因此,我们先要研究95氧化铝陶瓷在升温过程中收缩的变化规律,以此来确定绝缘子的升温曲线。

 图2 95氧化铝陶瓷烧成线收缩与温度的关系

图2所示为95氧化铝陶瓷烧成线收缩与温度的关系,由于低温段试样无强度,不便于测量,所以测试起始温度定为1100℃,试样在每个温度点保温2h再取出,测试其收缩。可见,试样在1150℃之前基本无收缩,试样较快收缩的温区主要为1250℃~1500℃,此阶段有大约15%的收缩。

1.2绝缘子烧成工艺的设定

绝缘子烧成所用窑炉设备为黄冈市中博窑炉技术有限公司设计制造的高温天然气梭式窑。

(1)升温曲线的设定

通过对95氧化铝陶瓷烧成过程分析,绝缘子的烧成过程主要分为以下几个阶段:

第一阶段:20℃~600℃左右,产品失去水分,产品内有机物挥发、分解、氧化等逐渐完成。此阶段需要缓慢升温,防止因PVA挥发过快导致产品开裂。

第二阶段:600℃~1200℃左右,产品不再有可挥发物产生,而坯体内部又未产生液相,晶粒之间只是单纯的接触而没有相互键联,产品没有烧成收缩,此阶段可较快升温;

第三阶段:1200℃~1600℃,产品内部晶粒之间开始发生位移、键联,液相量也同时产生,加快产品的烧结,此阶段收缩较大,需要进行缓慢升温,给予产品足够的收缩时间。

图3 绝缘子升温曲线

根据以上分析及其它大件产品烧成经验,设定升温曲线,如图3所示,整个升温过程为99h,由于坯体含水率低,20℃~200℃可较快升温,升温速率为0.43℃/min;200℃~600℃,产品处于排胶过程,需缓慢升温,升温速率为0.2℃/min;600℃~1200℃,产品只有2%左右的线收缩,且无气体挥发及相变过程,可较快升温,升温速率为0.42℃/min;1200℃处于收缩变化的临界点,此阶段需保温1h,使产品内外温度一致;1200℃~1590℃,产品有15%左右的线收缩,需缓慢升温,升温速率为0.22℃/min。由于产品成本昂贵,升温采用较为稳妥的升温曲线,不再做对比试验。

(2)降温曲线的设定

如图4所示,以常规降温曲线1为标准,在此基础上,分别在1150K~1200K之间保温12h、24h,得到降温曲线2、3,分别进行了3次烧成试验。

图4绝缘子降温曲线

2结果与分析

通过改变降温曲线,进行了3次烧成试验,具体烧成结果见表1

表1  不同降温速度与烧成结果

降温制度

产品数量

烧成结果

降温曲线1

1

产品炸裂

降温曲线2

1

产品完好

降温曲线3

2

产品完好

(1)降温曲线1分析

由烧成结果可知,在降温曲线1制度下,绝缘子在降至均温后出现炸裂现象,分析认为是降温速度过快而引起,导致绝缘子残余应力过大发生炸裂。通过分析模拟软件ANSYS对绝缘子降温曲线进行模拟分析,如图5所示为窑内环境温度降至1200K左右时绝缘子温度分布图,可见绝缘子内部温差达51.2K,与环境温差相差最大为100K左右。如果此时持续降温,热应力导致的应力松弛就会被保留下来,在均温后就会产生较大的参与应力。

图5 窑内温度降至1200K时,绝缘子内部温度分布图

如图6所示,为降至均温后,绝缘子沿Z轴方向应力分布图,可见在绝缘子内部存在较大的张应力,最高可达38.0Mpa,在绝缘子表面存在较大的压应力,最高可达-101.0MPa,张应力易在微裂纹处集中,造成微裂纹扩展,使产品开裂。

(2)降温曲线2、3分析

在1200K~1150K分别保温12h、24h,再将窑温降至均温后,绝缘子内部应力分布如图7、图8所示,在1200K延长保温时间后,绝缘子内部张应力明显减小,从之前的38Mpa减小至13MPa和9.45MPa,表面压应力也相应地减小。对应力减小的趋势进行分析发现,随着保温时间从12h延长至24h,应力减小的趋势并不明显。分析认为,由于陶瓷多晶材料的蠕变与温度成指数关系,而不存在一个突变的点,所以虽然在1200K保温过程中绝缘子能够达到均温,但是在随后的降温过程中,绝缘子内部又会产生一定的温差,从而在降至常温均温后,绝缘子内部仍会有一定的残余应力存在。

图7  降温曲线2制度下均温后,绝缘子内部Z轴方向应力分布图

图8  降温曲线3制度下均温后,绝缘子内部Z轴方向应力分布图

3  结论

通过对95氧化铝陶瓷产品烧成过程的分析以及对绝缘子降温过程进行计算机模拟分析和实验论证,得到了合理的绝缘子的烧成工艺:

(1)升温曲线采用200℃~600℃缓慢升温排胶,600℃~1200℃快速升温,1200℃~1590℃缓慢升温,给予产品收缩充分的时间;

(2)降温曲线通过计算机模拟分析,在1200K至1150K保温12h最佳,继续延长保温时间,绝缘子残余应力下降不明显。

(3)陶瓷材料的残余应力主要由于产品在降温过程中,产品内部存在温差,从而产生热应力,使得产品发生应力松弛,均温后热应力消失,由于应力松弛产生的应力保留下来,成为残余应力。

参考文献

[1]吴光亚.我国绝缘子的发展现状及应考虑的问题[J].电瓷避雷器,2010(02):7-11.

[2]郭文飞,郑兴益,薛志岗,伦文山,周瑞.氧化铝陶瓷降温过程中残余应力形成的计算机仿真分析[J].江苏陶瓷,2016(05):20-23.

(文章登于《江苏陶瓷》杂志2018年第一期“学术研究”栏目)


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