泾阳土在特高压瓷绝缘子中的应用研究

栾艺娜，杨 明，赵海洋，宫云霞

中材江西电瓷电气有限公司山东分公司，山东 淄博255000

自2014年底12条特高压线路被纳入国家大气污染防治计划输电通道后，特高压建设进度大大加快。近年来，我国特高压投资增速不断加大。按照国家电网规划，2017年12条线全部并网输电，因此2016年和2017年为特高压建设的高峰期，总计约3000亿元的特高压投资均将在2017年前完成确认，对特高压设备企业利好巨大。中材电瓷作为特高压输送中所需瓷绝缘子的生产企业，近年来共完成特高压订单8500万元，给企业带来了可观的经济效益。

在抓住机遇的同时也面临着技术的挑战。特高压瓷绝缘子所用主要原料为优质铝矾土[1]。随着优质资源的枯竭，近年来原料的性能已经开始难以满足特高压瓷绝缘子生产的技术要求，这使得产品易出现吸红现象，导致合格率下降[2]。此外，特高压瓷绝缘子产品杆径在 300 mm以上，长度在2000 mm以上，每件产品重达500 kg，瓷件吊烧应力大。特殊的先坐后吊烧成工艺，仅凭增加熔剂量来提高液相量，不仅不能彻底解决吸红问题，同时会导致瓷件高温粘度下降。在烧成过程中收缩起吊后超出应力，就容易出现拉裂掉头[3,4]。因此，如何做到产品既不吸红又不拉裂就成为了特高压瓷绝缘子生产中面临的一个难题。

吸红指的是电瓷件在经过孔隙性试验要求施加的压力与持续的时间后，新断面有品红渗透现象。有吸红现象存在就说明瓷件的烧结致密程度不够[1]，这在电瓷产品里将被判为废品。造成吸红的原因应归结为配方和烧制制度两方面的因素。本文将重点从配方方面研究解决措施。通过在特高压瓷绝缘子坯体配方中引进泾阳土，达到瓷件烧成温度适当降低的目的，以期在解决吸红的同时提高产品的抗拉能力，生产出符合质量要求的特高压瓷绝缘子。

1 实 验

1.1 增加熔剂长石的系列实验

本研究所用原料的化学成分列于表1，系列配方列于表2，各配方的化学成分列于表3。其中，1# 配方为基础配方，2#、3#、4# 是在1# 配方基础上增加熔剂原料长石，目的是在1# 配方的基础上降低烧成温度。

表1 原料化学成分 (wt%)Table 1 Chemical composition of raw materials ( wt%)

表2 不含泾阳土试样配方组成 (wt%)Table 2 Composition used for samples without Jingyang clay addition (wt%)

表3 不含泾阳土试样配方化学成分比较 (wt%)Table 3 Composition between the samples without Jingyang clay addition (wt%)

按表2各配方原料组成比例，在实验室配500 g料，经快速磨湿磨、烘干、制粉，在110 MPa压力下冷等静压成型，打磨成直径为15 mm、长度为18 cm的白坯试条。将白坯试条在烘箱内60°C~ 70°C温度下放置至少4 h。

配方1# ~ 4# 各制作成1 cm3的试块各8块，一并放进箱式电阻炉中烧结，在900°C以后的升温速率控制2°C/min左右[5,6]。在1230°C ~ 1300°C之间每间隔10°C取出一组试块，经冷却后测试不同烧结温度下试块的吸水率、开孔气孔率和体积密度。

1.2 配方中引进泾阳土

在配体配方中引进5 wt% 的泾阳土，相应减少熔剂长石3.5 wt%，同时对大同土的量进行适当调整，最终配方见表4和表5中5#。

按照1.1中的方法，将1#、5# 各八组试块烧结冷却，测出 1230°C ~ 1300°C之间各试块的吸水率、开孔气孔率和体积密度。

表4 含泾阳土试样配方组成 (wt%)Table 4 Composition used for samples with Jingyang clay addition (wt%)

表5 含泾阳土试样配方化学成分 (wt%)Table 5 Chemical composition between the samples without Jingyang clay addition (wt%)

1.3 检测方法

试块的体密、吸水率、孔隙率测试采用抽真空后排水法测试；采用日本理学株式会社的D/MAXIII型 X射线衍射仪对含泾阳土试样进行了 X射线衍射分析 (XRD)；采用瑞士梅特勒-托利多公司的TGA/DSCI型同步热分析仪测试了样品的TG曲线；采用深圳高品检测设备有限公司的GP-TS2000S型电子式万能试验机进行三点式抗折强度试验。

2 结果与分析

2.1 增加熔剂长石对配方烧成温度的影响

称量烧成后试块的干重w0、湿重w1、浮重w2，而后由以下公式分别计算试样的吸水率A、体积密度 ρ 和开口孔隙率n：

图1试样 (a) 吸水率、(b) 孔隙率及 (c) 体积密度随烧成温度的变化关系Figure 1 Variation of (a) water absorption, (b) porosity and (c) bulk density of the samples with firing temperature

图1 给出了实验结果。通过对图1分析得知：1# ~ 4# 配方最高体密度对应的烧结温度为1280°C~ 1290°C。1#、2#、3# 配方孔隙率趋于零的起始烧成温度约为1270°C，4# 配方孔隙率趋于零的起始烧成温度为1260°C。根据热膨胀曲线和样品的实际烧结性能测试以及考虑应力大小，设计要求还原焰烧成特高压瓷绝缘子的最高烧成温度为1260°C，对应的试块采用硅碳棒电阻炉烧结时瓷块开始不吸红 (开口气孔率趋于零) 的起始温度应为1250°C。图1所示结果表明，1# ~ 4# 配方均不能满足设计要求。也就是说，按照这四组配方生产的产品都会存在吸红现象。

在这种情况下，如果继续增加长石量，则会出现拉裂掉头。这主要是因为对任何一种熔剂矿物而言，瓷体的强度和体密度都是随熔剂矿物加入量的增加而下降。为保证铝质瓷的高强度，应当限制熔剂矿物原料用量[1]。因此，长石含量增加到一定程度后就不能继续增加，也就是说在 1#配方的基础上通过增加熔剂长石，即使产品烧至1260°C也很难做出合格产品。

2.2 引进泾阳土对配方烧成温度及其强度的影响

类似2.1节说明的方法到了含泾阳土试样的吸水率、孔隙率及体积密度，结果如图2所示。可以看出：1# 试样最高体密度对应的烧结温度为 1290°C，配方孔隙率趋于零的起始烧成温度为1270°C；而 5# 配方最高体密度对应的烧结温度则为 1270°C，孔隙率趋于零的起始烧成温度为1250°C。显然，5# 配方达到了预期的“样品采用硅碳棒电阻炉烧结时瓷块开始不吸红 (开口气孔率趋于零) 的起始温度为1250°C”的目的，并且产品也没有出现拉裂问题。实现这一目标的原因可以从以下几方面加以分析。

图2 试样 (a)吸水率、(b) 孔隙率及 (c) 体积密度随烧成温度的变化关系Figure 2 Variation of (a) water absorption (b) porosity and (c) density of the samples with firing temperature

(1) 矿物结构特点：泾阳土、章村土皆为伊利石类矿物。伊利石是粘土的一种主要矿物类型。由于伊利石中含有较高数量的氧化钾，而氧化钾是一种熔剂氧化物，伊利石在加热时先发生脱水分解，在1200°C左右形成铝硅酸盐熔体，冷却时熔体中有针状莫来石晶体析出[1]。正是考虑到了这些共性特点，电瓷坯体中引进了章村土及泾阳土。图3示出了泾阳土和章村土的X衍射谱图，可以看出，和章村土相比，泾阳土的衍射峰数目较多，这说明泾阳土中高岭石的结晶程度较高，可有效提高产品强度[5]，因此，5# 配方在提高强度方面优于1# 配方，可有效防止拉裂。

(2) 化学组成特点：由于泾阳土具有熔剂特性，因此5# 配方在引入泾阳土后将减少了长石的用量。由表5可以看出，1# 配方中K2O:Na2O= 6.44，5# 配方中K2O:Na2O = 8.10。相对于1#配方而言，5# 配方为富钾配方体系。

对于本研究所考虑的高铝质瓷来说，熔剂中K2O、Na2O含量不同，熔融性能就有所不同。一般说来，钾长石的熔融温度范围相对较宽，所形成的熔体高温粘度也较高，而 (富) 钠长石比钾长石的熔融温度范围小许多，高温粘度相对较低[8]。高温粘度大，在陶瓷生产过程中有利于控制烧成和防止变形[1]。

图3 泾阳土和章村土的X射线衍射图谱对比Figure 3 Comparison between the XRD patterns of Jingyang clay and Zhangcun clay

在高强度铝质瓷中，提高电瓷强度的途径之一是提高坯料中Al2O3的含量[1]。由表5可知，5# 配方中 Al2O3量高于 1# 配方，这就会使得5# 产品的强度得到提高。以下实验验证了这一点。

将1#、5# 两个配方白坯试条装入抽屉窑中随产品一起烧成，最高烧成温度为 1260°C。对烧成的试样三点抗折强度试验，并按以下公式计算得到试样的抗折强度[9]：

图4 1# 配方与5# 配方抗折强度比较Figure 4 Comparison of the rupture strength between the samples 1# and 5#

式中，σ 为圆柱形试样的抗折强度 (MPa)，P为试样的断裂荷载 (N)，L为跨距 (mm)，D为试样的外径 (mm)，d为试样的内径 (mm)。对于实心圆柱形试样，d = 0。

图4给出了实验结果。1# 配方的平均抗折强度为170 MPa，5# 配方的平均抗折强度为185 MPa。后者强度明显高于前。这就使得5# 配方在提高强度、防止拉裂方面优于1# 配方。

(3) 熔剂氧化物的作用：本研究中，铝质瓷中熔剂氧化物一部分来自于直接加入的长石矿物原料，另一个来源则为三层结构或混层结构的粘土矿 (主要为伊利石)。此外，矾土中含量较高的Fe2O3和TiO2在烧成时也发挥着一定的熔剂作用[1]。将表5中各成分换算成不含烧失量，得到表6。可以看出，1# 配方中熔剂总量为7.29%，5# 配方中熔剂总量为7.65%，因此，5# 配方在烧成过程中形成的液相量高于1# 配方，从而有效降低了烧成温度 (5# 配方的烧成温度比1# 降低了20°C)。

表6 1# 配方和5# 配方化学成分比较 (不含烧失量，wt%)Table 6 Comparison of the chemical composition between the samples 1# and 5# (wt%)

图5 1# 配方和5# 配方的TG曲线Figure 5 TG curves of samples 1# and 5#

2.3 TG曲线比较

1# 样品与5# 样品的TG曲线见图4。两个样品在150°C之前的失重主要是由于坯料逐渐脱去吸附水。1# 样品在419°C至539°C之间失重发生明显变化，5# 样品在418°C至557°C之间失重发生明显变化，700°C以后失重量基本无变化。两个样品的总失重分别为2.79% 和3.07%。通过比较可以看出，这两个配方的烧成制度基本相似。

3 结 论

在特高压电瓷的制作过程中，采用常规增加长石降低烧成温度的方法解决吸红问题，会因为高温粘度的下降而出现拉裂掉头。通过引进泾阳土可有效降低烧成温度，在解决吸红的同时，还增加了坯体的高温粘度，增加了抗拉裂能力，提高了产品强度。

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[8] 张锐, 王海龙, 许红亮. 陶瓷工艺学[M]. 北京：化学工业出版社, 2013.

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