CN102951897A - 一种利用废瓷快速烧成制备的高压电瓷及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种利用废瓷快速烧成制备的高压电瓷及方法。本发明制备的高压电瓷的组成如下（质量百分比）：废高压电瓷粉5-30%，高岭土30-45%，铝矾土30-50%，石英7-12%，长石粉1-3%。制备的高压电瓷产品单位烧成能耗低于5000kJ/kg。制备的高压电瓷产品的机械强度>210MPa，电气绝缘强度>30kV/mm，产品成本降低20-30%。本发明利用废瓷进行再生产，达到了资源再利用。与不添加废瓷粉相比，烧成温度下降20-50oC，烧成周期缩短5-10小时，起到了明显的节能环保效果。

Description

一种利用废瓷快速烧成制备的高压电瓷及方法
技术领域
本发明所涉及高压电瓷的生产技术，具体是利用废瓷快速烧成制备高压电瓷及其方法，高压电瓷指高压电路用瓷绝缘子、支柱、套管等电瓷产品。
背景技术
高压电瓷是高电压条件下使用的电工陶瓷绝缘材料，由其制造而成的产品主要是瓷绝缘子，包括盘形悬式绝缘子、棒形悬式绝缘子、棒形支柱绝缘子、电器瓷套等，广泛用于输配电线路、电器设备和电站中，是电力工业发展不可缺少的重要绝缘材料。随着经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，作为清洁能源的电力需求日益高涨。而对于电力发展和输送电过程中不可缺少的盘形悬式绝缘子、棒形悬式绝缘子、棒形支柱绝缘子、电器瓷套等高压电瓷产品需求伴随着电力发展也日益高涨，形成巨大市场空间。
目前国内外生产的高压电瓷根据强度的不同分为普通、中高强度和高强度高压电瓷。生产高压电瓷的主要原料为高岭土、长石、石英、铝矾土等天然矿物，烧成温度一般在1250-1330oC。烧成是高压电瓷制备中关键工序，也是主要耗能环节，并且对电瓷的力学性能、电学性能和热学性能以及表观质量具有至关重要的影响。因此，很大程度上决定了企业的能耗水平和经济效益。目前国内高压电瓷多采用还原焰烧成，这种烧成方法一方面不利于燃料的充分燃烧，降低了其燃烧值；另一方面，还原气氛下电瓷原料中Fe、Ti等元素的价态的降低，造成其抗击穿电场强度下降。另外，由于还原气氛下造成燃料的不完全燃烧，从而导致大量CO等有害气体的排放，不符合低碳和减排的可持续发展的趋势。目前不管是还原焰烧成高压电瓷，还是少数采用氧化焰烧成的高压电瓷，都存在烧成时间非常长的问题。传统的高压电瓷烧成制度包括小火升温阶段、氧化分解阶段、还原阶段、高火保温阶段和冷却阶段，其中小火升温阶段从室温到300oC，通常需要20-30小时，氧化分解阶段从300oC到990oC需要20-28小时，还原阶段从990oC到止火温度通常需要15-30小时，高火保温阶段则需要1-2小时，将温度从止火温度降低到室温的冷却阶段需要30-45小时。这样高压电瓷整个烧成过程通常需要100小时左右。尽管近年来有一些在烧成制度的周期进行改进方法，如专利CN101439975A公布的“一种电瓷烧成方法”包括将还原阶段进行细化成1130-1190oC缓慢升温需要4-6小时，然后1200-1240oC需要2.5-3.5小时，而后1.5-2小时升到止火温度。而专利CN101811878公布的“一种氧化焰烧成电瓷的方法”采用较快的升温速率和较短的保温时间，如从室温到到950oC需要12-19小时，然后950oC-1050oC需要10-20小时，在花6-10小时到止火温度，最后在止火温度保温2-5小时。冷却需要12-25小时。虽然烧成周期有明显缩短，但是仍然需要42-79小时，而且还存在弱还原焰过程。
在电瓷的生产过程中不可避免会出现废品，特别是高压电瓷需要逐个检测其耐压性能和拉伸性能，在检测过程中也经常出现产品的破坏。而且这种高温烧成的电瓷产品无法在自然降解，将其进行粉碎后再生利用，不但可以解决环境污染问题，而且高压电瓷中含有一定量的玻璃相，因此将废瓷粉碎后加入相当于添加低温烧结助剂，起到降低烧成温度和缩短烧结时间的作用。从而可以进一步降低能耗和成本，提高企业的经济效益和社会效益。
目前在建材行业存在一些废瓷的再利用，但是在电瓷中还没有相关报道。因此，研究开发一种利用废瓷快速烧成制备高压电瓷及其方法，不仅节约能源和资源，达到节能减排、环保的效果；而且可以提高产品的力学性能和电学性能；更为重要的是加快烧成速度，提高了生产效率，大幅度降低了生产成本，显著提高企业的经济效益和社会效益。
发明内容
    针对目前高压电瓷制备中上述问题，本发明提供一种利用废瓷快速烧成制备的高压电瓷及方法。
本发明首先提供了一种高强度高压电瓷，所述高强度高压电瓷由废高压电瓷粉、高岭土、铝矾土、石英和长石粉组成，各组分的质量百分比为：
废高压电瓷粉5-30%，高岭土30-45%，铝矾土30-50%，石英7-12%，长石粉1-3%。
其实提供了上述高强度高压电瓷的快速烧成制备方法：将高压电瓷废品或破坏的次品清洗后粉碎，过100目筛，得到废高压电瓷粉，然后按照比例与其他原料一起装入球磨机中混合球磨，过300-400目筛，再按照除铁—压滤—真空练泥—成形—干燥—施釉—烧成—胶装工艺制备。
所述烧成步骤如下：
（1）将成形的高压电瓷坯件装入烧成窑炉，在氧化焰下以80-180oC/小时升温至880oC-920oC，然后保温0.5-1小时，炉内气氛氧含量2-6%，炉内保持正压50-100Pa；
2）再以30-50oC/小时升温至1000oC-1050oC，然后保温1-1.5小时，炉内气氛氧含量2-5%，炉内保持正压50-80Pa；
3）继续以50-100oC/小时升温至1250oC-1300 oC后保温1-1.5小时，炉内气氛氧含量1-3%，保持微正压40-60Pa；
4）保温结束后，以200-500oC/小时降温至1000oC-1050oC，再以50-200oC/小时降温至200-300oC，然后自然冷却至80oC以下。
所述高压电瓷废品或破坏的次品的原料组分的质量百分比为：铝矾土40-60%，高岭土25-40%，石英10-15%，长石粉2-6%。
所述高强度高压电瓷氧化焰快速烧成方法，烧成过程中全程采用氧化焰烧成，炉内氧含量1%以上；所述烧成用窑炉为隧道窑；所述烧成用燃料为天然气或液化石油气。
本发明的技术贡献：全程采用氧化焰烧成，并且升温速率较高，而废瓷在其中起到一定的烧结助剂作用，从而大大缩短烧成周期，达到快速烧成效果。另外，目前采用天然矿物中含较高的Fe2O3和TiO2，在前期的除铁都工序中难以完全去除掉，在后续还原焰烧成中容易还原，从而恶化电瓷的电学性能，特别是电气绝缘强度。而本方法全程采用氧化焰烧成，可以避免Fe2O3和TiO2还原，提高了高压电瓷的电学性能。因此，对于前期的除铁环节可以大大简化。总体来说，采用本方法制备高强度高压电瓷比传统烧成工艺缩短烧成时间20-40小时，烧成温度下降20-50oC，节约烧成能耗30-50%，制备的高压电瓷产品单位能耗低于5000kJ/kg，产品成本降低20-30%。同时制备的高压电瓷产品制备的高压电瓷产品按照国家标准GB/T1001.1-2003(标称电压高压1000V的架空线路绝缘子)和GB/T7253-2005（称电压高压1000V的架空线路绝缘子-交流系统用瓷或玻璃绝缘子元件-盘形悬式绝缘子元件的特性）：机械强度>210MPa， 电气绝缘强度>30kV/mm。
具体实施方式
实施例1：所述高强度高压电瓷（盘形悬式瓷绝缘子：盘径280mm, 高度140mm）氧化焰快速烧成方法是，其中高压电瓷废瓷添加量5%。
1）将高压电瓷废瓷清洗后粉碎，过100目筛，然后按照比例与其他原料一起混合球磨，在进行相应的成形施釉干燥；
2）将干燥后的高压电瓷坯件装入烧成窑炉，然后从室温以100oC/小时升温至920oC，然后保温1小时，炉内气氛氧含量2-6%，炉内保持正压50-100Pa；
3）再以50oC/小时从920oC升温至1050oC，然后保温1小时，炉内气氛氧含量2-5%，炉内保持正压50-80Pa；
4）继续以80oC/小时从1050oC升温至1300 oC后保温1.5小时，炉内气氛氧含量1-3%，保持微正压40-60Pa；
5）保温结束后，以300oC/小时从1300 oC降温至1050 oC，再以80oC/小时降温至260oC，然后自然冷却至80oC以下，整个烧成过程结束。
烧成后的高压电瓷样品制备成盘形悬式瓷绝缘子（盘径280mm, 含钢帽高度170mm）按照国家标准GB/T1001.1-2003(标称电压高压1000V的架空线路绝缘子)和GB/T7253-2005（称电压高压1000V的架空线路绝缘子-交流系统用瓷或玻璃绝缘子元件-盘形悬式绝缘子元件的特性）：经检验后，外观、尺寸偏差检查全部合格；拉伸负荷试验为105kN下10s均未破坏；工频击穿耐受实验施加电压130kV，时间3min，均未击穿；爬电距离均超过385mm；机电负荷均超过270kN；断面测试均未出现渗透现象。
实施例2：所述高强度高压电瓷（盘形悬式瓷绝缘子：盘径280mm, 高度140mm）氧化焰快速烧成方法是，其中高压电瓷废瓷添加量10%：
1）将高压电瓷废瓷清洗后粉碎，过100目筛，然后按照比例与其他原料一起混合球磨，在进行相应的成形施釉干燥；
2）将干燥后的高压电瓷坯件装入烧成窑炉，从室温以110oC/小时升温至900oC，并在900oC保温1小时，炉内气氛氧含量2-6%，炉内保持正压50-100Pa；
3）再以40oC/小时从900oC升温至1020oC，并在1020oC保温1小时，炉内气氛氧含量2-5%，炉内保持正压50-80Pa；
4）继续以100oC/小时从1020oC升温至1280oC后保温1.5小时，炉内气氛氧含量1-3%，保持微正压40-60Pa；
5）保温结束后，以300oC/小时从1280oC降温至1020 oC，再以100oC/小时降温至220oC，然后自然冷却至80oC以下，整个烧成过程结束。
烧成后的高压电瓷样品制备成盘形悬式瓷绝缘子（盘径280mm, 含钢帽高度170mm）按照国家标准GB/T1001.1-2003(标称电压高压1000V的架空线路绝缘子)和GB/T7253-2005（称电压高压1000V的架空线路绝缘子-交流系统用瓷或玻璃绝缘子元件-盘形悬式绝缘子元件的特性）：经检验后，外观、尺寸偏差检查全部合格；拉伸负荷试验为105kN下10s均未破坏；工频击穿耐受实验施加电压130kV，时间3min，均未击穿；爬电距离均超过385mm；机电负荷均超过260kN；断面测试均未出现渗透现象。
实施例3：所述高强度高压电瓷（盘形悬式瓷绝缘子：盘径280mm, 高度140mm）氧化焰快速烧成方法是，其中高压电瓷废瓷添加量20%：
1）将高压电瓷废瓷清洗后粉碎，过100目筛，然后按照比例与其他原料一起混合球磨，在进行相应的成形施釉干燥；
2）将干燥后的高压电瓷坯件装入烧成窑炉，从室温以120oC/小时升温至880oC，并在880oC保温1小时，炉内气氛氧含量2-6%，炉内保持正压50-100Pa；
3）再以35oC/小时从880oC升温至1000oC，并在1000oC保温1小时，炉内气氛氧含量2-5%，炉内保持正压50-80Pa；
4）继续以100oC/小时从1050oC升温至1250oC后保温1.5小时，炉内气氛氧含量1-3%，保持微正压40-60Pa；
5）保温结束后，以300oC/小时从最高烧成温度降温至1000 oC，再以110oC/小时降温至200oC，然后自然冷却至80oC以下，整个烧成过程结束。
烧成后的高压电瓷样品制备成盘形悬式瓷绝缘子（盘径280mm, 含钢帽高度170mm）按照国家标准GB/T1001.1-2003(标称电压高压1000V的架空线路绝缘子)和GB/T7253-2005（称电压高压1000V的架空线路绝缘子-交流系统用瓷或玻璃绝缘子元件-盘形悬式绝缘子元件的特性）：经检验后，外观、尺寸偏差检查全部合格；拉伸负荷试验为105kN下10s均未破坏；工频击穿耐受实验施加电压130kV，时间3min，均未击穿；爬电距离均超过385mm；机电负荷均超过260kN；断面测试均未出现渗透现象。

Claims (4)

1.一种高强度高压电瓷，其特征在于：所述高强度高压电瓷由废高压电瓷粉、高岭土、铝矾土、石英和长石粉组成，各组分的质量百分比为：
废高压电瓷粉5-30%，高岭土30-45%，铝矾土30-50%，石英7-12%，长石粉1-3%。
2.一种如权利要求1所述的高强度高压电瓷的快速烧成制备方法，其特征在于：
将高压电瓷废品或破坏的次品清洗后粉碎，过100目筛，得到废高压电瓷粉，然后按照比例与其他原料一起装入球磨机中混合球磨，过300-400目筛，再按照除铁—压滤—真空练泥—成形—干燥—施釉—烧成—胶装工艺制备。
3.根据权利要求2所述的高强度高压电瓷的快速烧成制备方法，其特征在于：所述烧成步骤如下：
（1）将成形的高压电瓷坯件装入烧成窑炉，在氧化焰下以80-180oC/小时升温至880oC-920oC，然后保温0.5-1小时，炉内气氛氧含量2-6%，炉内保持正压50-100Pa；
2）再以30-50oC/小时升温至1000oC-1050oC，然后保温1-1.5小时，炉内气氛氧含量2-5%，炉内保持正压50-80Pa；
3）继续以50-100oC/小时升温至1250oC-1300 oC后保温1-1.5小时，炉内气氛氧含量1-3%，保持微正压40-60Pa；
4）保温结束后，以200-500oC/小时降温至1000oC-1050oC，再以50-200oC/小时降温至200-300oC，然后自然冷却至80oC以下。
4.根据权利要求2所述的高强度高压电瓷的快速烧成制备方法，其特征在于：所述高压电瓷废品或破坏的次品的原料组分的质量百分比为：铝矾土40-60%，高岭土25-40%，石英10-15%，长石粉2-6%。
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