CN105070429B - 一种高铁接触网用棒形瓷绝缘子生产工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高铁接触网用棒形瓷绝缘子生产工艺，在球磨中各原料占原料总质量比重如下，煅烧高铝矾土30~45%wt；青岭高岭土25~30%wt；叙永高岭土15~20%wt；江北粘土2~6%wt；贵州高岭土3~6%wt；毕节泥1~3%wt；长石3~5%wt；纳米氧化铝粉0.3~0.5%wt。本发明通过对配方中原料的优选，制备了机电性能优良的高铁接触网用棒形瓷绝缘子，其弯曲破坏负荷大于25kN，爬电距离1600mm以上，制品防污性能好，污闪电压提高至36KV；产品瓷检、电检、胶装合格率高，生产质量稳定；产品满足350Km/h及以上高铁接触网使用。
Description
技术领域
本发明涉及棒形瓷绝缘子生产工艺，该棒形瓷绝缘子主要用于高铁接触网，特别是时速大于350km/h，属于电瓷生产制造技术领域。
背景技术
随着我国高速电气化铁路的迅速发展，“一带一路”战略方针的大力推进，以及我国高铁装备向世界的大力推广，高速铁路建设将迎来快速增长期，到2020年我国电气化铁路里程将达到7万公里以上。棒形绝缘子作为高铁接触网用重要装置，其用量将越来越大，对其机电性能的要求也将越来越高。随着高铁行车速度提高，为保证高铁机车可靠运行，势必加大接触线张力。根据资料表明，当车速为300km/h时，导线张力达30kN，由于车速提高，导线张力加大，支持导线的腕臂棒形瓷绝缘子的机械负荷增大，其弯曲破坏负荷需达到16kN。从现有资料分析，我国高速铁路使用支持导线的腕臂棒形瓷绝缘子最大弯曲破坏负荷仅为20kN，当高速电气化铁路行车速度提高到350km/h及以上时，必然需要弯曲破坏负荷25kN及以上高强度的棒形瓷绝缘子，从而保证高铁列车运行的安全性和可靠性。
谢锡云公开了一种电气化铁路接触网用棒形瓷绝缘子，它包括瓷体、上钢帽和下钢帽，上下钢帽与圆柱形瓷体两端采用棱角砂和胶合剂作为粘合层胶装连接而成，上钢帽设置U形抱筛压板，瓷体配方为20~40%wt铝矾土、40~60%wt粘土和10~20%wt长石，先将铝矾土、粘土、长石配料而后球磨，经除铁、榨泥、陈腐和真空练泥制成泥料，再将泥料经仿形制坯、上釉上砂和高温烧制，再经切割胶装养护而成制品。该棒形绝缘子技术指标为：弯曲破坏负荷最大为13.8kN、爬电距离：主绝缘≥1200mm、冲击耐受电压（标准雷电）≥270kV、工频干耐受电压≥160kV、人工污秽耐受电压≥30kV。
谢锡云提出的该技术存在如下不足：
1、铁路接触网用棒形瓷绝缘子弯曲破坏负荷低，机械强度等级为16kN，仅能满足在250km/h及以下电气化铁路使用，不能满足350km/h高速列车运行要求；
2、冲击耐受电压（标准雷电）仅大于270kV，在雷电频繁地区，对350km/h高速列车行车安全产生影响，特别是使用一定时间经多次雷电作用后影响会更加严重；
3、人工污耐受耐受电压仅大于30kV，在污染严重及沙层地区，将会产生污闪现象，影响行车安全；
4、爬电距离（主绝缘）仅大于1200mm，属标准型，伞形开放，无棱，清扫方便，但防污性能一般。
黎谦等公开了一种高速铁路用铁道棒形瓷绝缘子，它包括瓷绝缘子本体和与瓷绝缘子本体形成一个整体的金属法兰体，瓷绝缘子配方为：高铝矾土65%wt、长石20%wt、莫来石10%wt、粘土5%wt，按配方配料加入球磨机均匀混合形成泥浆，过筛除铁、喷雾干燥制成粉料，粉料在等静压下制成毛坯，切削加工，喷砂上釉，烘干，入窑在1250℃下烧成，检验合格制品用水泥胶合剂与金属法兰体间胶装，形成棒形瓷绝缘子整体。其技术指标为电压等级：30-500kV；扭矩破坏负荷：11.9KN.m；弯曲破坏负荷最大为21.2kN/cm2；细度：20-70μm。黎谦等公开的技术所制备棒形绝缘子用于高速铁路高压输电电网，而非高铁接触网所用棒形绝缘子。同时其高铝矾土用量大（65%wt），相应Fe2O3杂质增加，对引入的Fe2O3杂质去除工艺提出了更高要求，容易影响产品机电性能。
刘少华等公开了制作高速电气化铁路接触网棒形瓷绝缘子用的高强度材料，其配方组成为：矾土粉25~28%wt、工业氧化铝8~12%wt；青草岭粘土25~28% wt；樟村粘土13~18%wt；左云土9~13% wt；长石6~9% wt；宁海粘土3~4% wt。将上述材料各组分按配比混合均匀后依次经球磨、除铁、真空机制、制坯、干燥、上釉，最后在最高烧成温度为在1240~1260℃的条件下烧成即可达到所需材料。其中球磨细度250目筛余0.3~0.8%；通过除铁工序后的物料要求铁点250目筛余不超过20粒；干燥后的物料水份1.0~1.8%；上釉的釉层厚度0.2~0.6mm。产品机械强度为25KN。刘少华等公开的上述技术所制备高铁接触网用棒形绝缘子仅有一项自测机械强度指标描述，缺乏高铁接触网用棒形瓷绝缘子其他相关机电性能指标参数，能否可靠用于高铁接触网还有待验证。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种高铁接触网用棒形瓷绝缘子生产工艺。本工艺解决了一般电气化铁路用瓷绝缘子存在的弯曲破坏负荷小（≤25kN）、防污性能不佳、产品合格率低等问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种高铁接触网用棒形瓷绝缘子生产工艺，包括瓷件加工和瓷件胶装；瓷件加工工序按顺序包括原料球磨形成泥浆、泥浆过筛得生料浆、生料浆与回坯料搅拌得混合泥浆、混合泥浆除铁、陈腐、机器修坯成形、上釉和焙烧，回坯料在机器修坯成形等环节产生，其特征在于：球磨中各原料占原料总质量比重如下，煅烧高铝矾土30~45%wt；青岭高岭土25~30%wt；叙永高岭土15~20%wt；江北粘土2~6%wt；贵州高岭土3~6%wt；毕节泥1~3%wt；长石3~5%wt；各原料进一步参数要求如下，煅烧高铝矾土：Al2O3≥85%wt，Fe2O3<1%wt，SiO2≤10% wt，真密度>3.5g/cm2，细度≥250目；青岭高岭土：Al2O3≥31%wt，Fe2O3<1.5%wt，塑性指数>15；叙永高岭土：Al2O3≥35%wt，Fe2O3≤1%wt，塑性指数>20，耐火度≥1500℃，细度≥200目；江北粘土：Al2O3≥26%wt，Fe2O3≤1.5%wt，塑性指数>26；贵州高岭土：Al2O3≥35%wt，Fe2O3<2%wt，塑性指数>20；毕节泥：Al2O3≥21%wt，Fe2O3≤2%wt，塑性指数≥29；长石：K2O≥12%wt，Fe2O3≤0.5%wt，细度≥200目。
球磨原料中还包括0.3~0.5%wt的纳米氧化铝粉。
球磨各原料优选配比为：煅烧高铝矾土39%wt；青岭高岭土27%wt；叙永高岭土15%wt；江北粘土5.5%wt；贵州高岭土5%wt；毕节泥3%wt；长石5%wt；纳米氧化铝粉0.5%。
所述生料浆与回坯料按1:3~4的质量配比进行混合搅拌以得到混合泥浆。
瓷件胶装前先在需要连接的连接钢帽内均匀涂刷一层沥青漆形成缓冲层；胶装时将瓷件直立，将连接钢帽置于瓷件下端，控制连接钢帽与瓷件的同轴度，将瓷件从上垂直插入盛有适量胶合剂的连接钢帽内，插入的同时进行振动，以排出瓷件、钢帽与胶合剂内的气体。瓷件与其两端的连接钢帽三者同轴度≤1mm，瓷件与其一端的连接钢帽同轴度≤0.5mm。
所述胶合剂由石英砂、水泥、水按一定比例混合、搅拌形成。
本发明通过对配方中原料的优选，同时添加一定量的纳米氧化铝，制备了机电性能优良的高铁接触网用棒形瓷绝缘子，其弯曲破坏负荷大于25kN（最大可达29.8kN，平均27.5 kN），爬电距离1600mm以上，制品防污性能好，污闪电压提高至36KV；产品瓷检、电检、胶装合格率高（≥95%），生产质量稳定；产品满足350Km/h及以上高铁接触网使用。
附图说明
图1-本发明Al2O3- SiO2-KO2三元系统相图。
图2-本发明高铁接触网用棒形瓷绝缘子生产工艺流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
棒形瓷绝缘子是电气化高速铁路接触网中的关键部件。高铁用耐污电气化铁路接触网用棒形瓷绝缘子，用于工频单相25kV（27.5kV）电气化铁道接触网接触导线绝缘和固定导线。随着高速铁路的逐步提速，对接触网用棒形瓷绝缘子的机电性能提出了更高的要求。为满足350Km/h及以上高速铁路行车安全、可靠，提高产品合格率，增加效益，本发明从以下环节着手生产高铁接触网用棒形瓷绝缘子。
1、原料优选、控制：本发明首先从原料着手，优选出质量好，性能稳定，价格合理，运输方便的高铁接触网用棒形瓷绝缘子原料。进厂原料严格按照企业《工艺控制标准》进行物化性能检测，合格后入库。配方所用块状粘土原料先经清洗槽清洗、滤水、自然阴干、颚式破碎、皮带输送、电磁除铁；而其它粘土类原材料选用淘洗原料，有效过滤原矿中的有害杂质；长石类原料选用经粉碎加工后细度325目的。
2、配方研制：根据材料的性能、结构、组成三要素间关系，制备高铁接触网用高强棒形瓷绝缘子，则制品结构中应有较多的莫来石和刚玉晶体，少量玻璃相，尽可能少的气孔。因此，本发明在确定高铁接触网用棒形瓷绝缘子配方时，利用图1所示Al2O3-SiO2-K2O三元系统状态图，在莫来石+白榴石+刚玉区域中选取Al2O3、SiO2、K2O量进行配方设计，初拟出Al2O3控制在50~70%范围，SiO2控制在30~40%范围；K2O控制在3~4%范围。通过对原料物化性能的分析研究，结合电瓷生产工艺性能的要求，同时考虑生产原料成本，最终拟定配方组成范围：煅烧高铝矾土30~45%wt；青岭高岭土25~30%wt；叙永高岭土15~20%wt；江北粘土2~6%wt；贵州高岭土3~6%wt；毕节泥1~3%wt；长石3~5%wt。其中，青岭高岭土指四川资阳市所产的高岭土，叙永高岭土指四川省泸州市叙永县所产的高岭土，江北粘土指重庆市江北区所产粘土，贵州高岭土指贵州省遵义市所产高岭土，毕节泥指贵州省毕节市所产泥土。根据Al2O3-SiO2-K2O三元系统状态图选择上述高岭土和粘土进行配方，可提供配方中氧化物及产品生产塑性要求；同时，所用原料来自厂区周边省、市，可节约运输成本，降低配方成本。配方中由煅烧高铝矾土和各种高岭土提供氧化铝及氧化硅，高温条件下氧化铝部分形成刚玉晶体，另一部分与二氧化硅反应生成莫来石晶体，两种晶体的大量生成可显著提高棒形绝缘子抗折和拉伸强度。而江北粘土与毕节泥的引入可保证球磨后浆料的悬浮性及制品成型时所需可塑性。配方试样经实验室制样测定机电性能符合设计要求。为进一步促进棒形瓷绝缘子中莫来石和刚玉晶体的产生，提高棒形绝缘子的机电性能，在配方中添加0.3~0.5%wt的纳米氧化铝粉，利用纳米氧化铝材料的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应，促进烧成过程中液相在较低温度出现，而液相的出现有利于粘土分解产物二氧化硅与氧化铝形成一次莫来石晶体。随着烧成温度的升高，制品中则形成大量二次针状莫来石和刚玉晶体，明显改善二次莫来石的网状结构，形成大骨架。而刚玉晶体结构紧密，离子键强度高，在外电场作用下不会出现离子电离和松弛极化。同时，刚玉晶体的存在提高了瓷质的弹性模量和断裂韧性，降低气孔率，有效抑制微裂纹扩展，增加瓷的断裂强度和击穿电压，从而提高瓷的机电性能，减小机电强度的分散性。因而它们的大量存在使瓷件机电性能大幅提高。纳米氧化铝粉生产中采用直接添加至球磨机内，同时外加0.2~0.3%TPF（三聚磷酸钠）作为分散剂，使纳米氧化铝在球磨过程中充分分散，并与其他物料充分混合。坯料配方是研制生产高铁接触网用高强棒形瓷绝缘子的关键所在，根据前述方案进行配方设计、试验，通过多次反复试制、性能测定，得到产品机械强度高、裕度大、分散性小的产品优选配方为：煅烧高铝矾土39%wt；青岭高岭土27%wt；叙永高岭土15%wt；江北粘土5.5%wt；贵州高岭土5%wt；毕节泥3%wt；长石5%wt；纳米氧化铝粉0.5%。
3、瓷件的制造：本发明采用图2所示工艺流程进行生产、管控。生产中进厂原料经检验合格后入库，对块状原料清洗，粘土类原料精选，控制其颗粒度、铁含量。配料时首先测定原料水分（因为后续配料时以干料计），而后进行配料称量，控制配料计量精度0.1Kg，配料比例严格按配方进行；配制原料按照先量少，后量大次序入球磨机，然后加入分散剂、研磨介质、水，加盖球磨3~4h，测定泥浆细度，细度达到万孔筛余1.0%~1.5%放浆；球磨泥浆依次通过120目、140目、180目振动筛进入生料浆池，将生料浆与回坯料按1:3~4配比后入搅浆池搅拌，搅拌均匀后经除铁槽内12000Gs永磁除铁器连续20min除铁处理，除铁效率达到95%以上，是常规除铁的3倍；除铁后混合泥浆经24h陈化后注入榨泥机脱水至20~21%泥饼，脱水泥饼经初练后送入陈腐库进行48h陈腐；将初练陈腐后的泥段加入真空练泥机中进行挤制，相对真空度控制在95%以上；将真空练泥机挤制出泥段放阴干平台进行电阴干处理至水分16~18%；电阴干泥段装入仿形机进行修坯成形，修坯成形过程形成前述回坯料；成形后坯件送入温度110℃烘房干燥10h；将干燥后坯件均匀上釉0.5~0.6mm；上釉后坯件控制水分在4%以下装车，推入全自动等温高速喷嘴天燃气抽屉窑中1250℃焙烧，该窑炉采用美国ECLIPES高速调温喷嘴，配备自动控制点火、熄火保温报警装置，在窑炉控制系统中设置温度制度、气氛制度、压力制度后，烧成过程由计算机自动控制执行，可有效提高产品烧成质量，节约大量燃气，降低能耗；对出窑瓷件严格按图进行外观、尺寸检查，清除缺陷瓷件，同时对棒形瓷件进行逐只超声波探伤，以剔除内部缺陷瓷件。
4、瓷件胶装：胶装前在连接钢帽内均匀涂刷一层沥青漆形成缓冲层，可防止因冷热变化和外来压力造成连接失效。将石英砂、水泥、水按一定比例（三者质量比为，石英砂：水泥：水=0.4:0.3:1）混合、搅拌制备胶合剂；胶装过程使用“电气化铁路棒式瓷复合绝缘子震动胶装几何公差控制系列工装”，保证胶装产品连接钢帽-瓷件-连接钢帽三者同轴度≤1mm，保证连接钢帽-瓷件两者同轴度≤0.5 mm。具体胶装过程为：首先将瓷件直立，将连接钢帽置于瓷件下端，控制连接钢帽与瓷件的同轴度，利用胶装机将瓷件从上垂直插入盛有适量胶合剂的连接钢帽内，插入的同时进行振动，振动时长20秒，排出瓷件、钢帽与胶合剂内的气体，使瓷件、胶合剂与钢帽间致密，完成胶装。
5、制品养护：一端胶装后制品经48h温水养护后翻转，控制瓷件另一端与连接钢帽的垂直度和同心度，按前述方法完成另一端的胶装；再经过72 h的温水养护后，即完成整个胶装工艺，得到最终的棒形瓷绝缘子。
6、机械性能检测：胶装养护后每只产品在拉伸试验机上承受60%的额定机械破坏负荷10秒钟，同时对每只绝缘子的结构高度进行准确检验，而后逐只进行10秒弯曲负荷试验，其试验负荷为额定弯曲破坏负荷的60%。
至此完成高铁接触网用棒形瓷绝缘子的整个生产、检测。通过该配方及生产工艺管控，制备出高铁接触网用棒形瓷绝缘子达到了坯检合格率98%，瓷检合格率95 %，电检合格率99.5%的优良效果，其技术参数及铁道部产品质量监督检验中心检测结果如表1。
表1 本发明高速铁路重要接触网用棒形瓷绝缘子产品技术参数及检测结果
| 项目 | 技术参数 | 检测结果 |
| 外观 | 表面光洁、无疤痕、无其它缺陷 | 合格 |
| 结构高度 | 880mm±20mm | 均值882.7 mm |
| 伞裙大径 | ≥Φ230mm | 均值Φ236mm |
| 爬电距离（主绝缘/辅绝缘） | 1600/145mm | 均值1603.7/157.3 mm |
| 温度循环试验（28/70℃） | 冷热水中各停留30min，3次循环无损坏 | 无损坏 |
| 镀锌层厚度（μm） | ≥70 | 合格 |
| 孔隙性试验（MPa.h） | ≥180 | 未渗透 |
| 工频干耐受电压(1min，kV) | ≥190 | 未击穿，未闪络 |
| 工频湿耐受电压(1min，kV) | ≥150 | 未击穿，未闪络 |
| 标准雷电冲击耐受电压(15次，kV) | ≥310 | 未击穿，未闪络 |
| 人工污秽耐受电压(20min，kV) | 在灰密1.0mg/cm2、盐密0.35mg/cm2下：≥36 | 未击穿，未闪络 |
| 弯曲破坏负荷(kN) | ≥25 | 均值27.5 kN |
| 抗拉破坏负荷(kN) | ≥140 | 无破坏 |
| 低温拉伸破坏负荷（-40℃放置8h，kN） | ≥126 | 无破坏（130kN） |
| 低温弯曲破坏负荷（-40℃放置8h，kN） | ≥22 | 瓷件未破坏 |
本发明通过原料优选，采用三元相图进行配方设计，添加纳米氧化铝增强，制备了弯曲破坏负荷大于27.5KN高铁接触网用高强棒形瓷绝缘子，适用于350km/h及以上高速铁路重要接触网，为高速列车的提速及安全可靠运行奠定了基础。通过表1可以看出：其爬电距离（主绝缘/辅绝缘）均值1603.7/157.3 mm；标准雷电冲击耐受电压(15次) ≥310 kV，未击穿，未闪络；人工污秽耐受电压（20min，在灰密1.0mg/cm2、盐密0.35mg/cm2下）≥36 kV，未击穿，未闪络；弯曲破坏负荷最大29.8kN，平均27.5 kN；抗拉破坏负荷≥140kN，无破坏；低温拉伸破坏负荷（-40℃放置8h，130kN）无破坏；低温弯曲破坏负荷（-40℃放置8h）≥22kN，瓷件无损坏；孔隙性试验（≥180MPa.h）无渗透。同时，利用本发明生产的高铁接触网用棒形绝缘子质量大大优于传统产品，其坯检合格率、瓷检合格率、电检合格率分别达到98%，95 %和99.5%。
本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (4)
1. 一种高铁接触网用棒形瓷绝缘子生产工艺，包括瓷件加工和瓷件胶装；瓷件加工工序按顺序包括原料球磨形成泥浆、泥浆过筛得生料浆、生料浆与回坯料搅拌得混合泥浆、混合泥浆除铁、陈腐、机器修坯成形、上釉和焙烧，其特征在于：球磨中各原料占原料总质量比重如下，煅烧高铝矾土30~45%wt；青岭高岭土25~30%wt；叙永高岭土15~20%wt；江北粘土2~6%wt；贵州高岭土3~6%wt；毕节泥1~3%wt；长石3~5%wt；纳米氧化铝粉0.3~0.5%wt；分散剂三聚磷酸钠0.2~0.3%；各原料进一步参数要求如下，煅烧高铝矾土：Al2O3≥85%wt，Fe2O3<1%wt，SiO2≤10% wt，真密度>3.5g/cm2，细度≥250目；青岭高岭土：Al2O3≥31%wt，Fe2O3<1.5%wt，塑性指数>15；叙永高岭土：Al2O3≥35%wt，Fe2O3≤1%wt，塑性指数>20，耐火度≥1500℃，细度≥200目；江北粘土：Al2O3≥26%wt，Fe2O3≤1.5%wt，塑性指数>26；贵州高岭土：Al2O3≥35%wt，Fe2O3<2%wt，塑性指数>20；毕节泥：Al2O3≥21%wt，Fe2O3≤2%wt，塑性指数≥29；长石：K2O≥12%wt，Fe2O3≤0.5%wt，细度≥200目；
瓷件胶装前先在需要连接的连接钢帽内均匀涂刷一层沥青漆形成缓冲层；胶装时将瓷件直立，将连接钢帽置于瓷件下端，控制连接钢帽与瓷件的同轴度，将瓷件从上垂直插入盛有适量胶合剂的连接钢帽内，插入的同时进行振动，以排出瓷件、钢帽与胶合剂内的气体；所述胶合剂由石英砂、水泥、水按质量比0.4:0.3:1混合、搅拌形成。
2. 根据权利要求1所述的高铁接触网用棒形瓷绝缘子生产工艺，其特征在于：球磨各原料优选配比为：煅烧高铝矾土39%wt；青岭高岭土27%wt；叙永高岭土15%wt；江北粘土5.5%wt；贵州高岭土5%wt；毕节泥3%wt；长石5%wt；纳米氧化铝粉0.5% wt。
3.根据权利要求1所述的高铁接触网用棒形瓷绝缘子生产工艺，其特征在于：所述生料浆与回坯料按1:3~4的质量配比进行混合搅拌以得到混合泥浆。
4. 根据权利要求1所述的高铁接触网用棒形瓷绝缘子生产工艺，其特征在于：瓷件与其两端的连接钢帽三者同轴度≤1mm，瓷件与其一端的连接钢帽同轴度≤0.5 mm。
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