CN105218074A - 一种高压电瓷及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压电瓷及其制备方法。高压电瓷的原料组成如下（质量百分比）：普贤高岭土8-15%，铝矾土42-50%，漳州粘土25-32%，钠钾长石粉6-10%，钡长石或者碳酸钡粉体1-5%。本发明同时对烧成工艺进行了改进，烧成温度1200-1275^oC，烧成周期12-18小时，使得制备的高压电瓷产品单位烧成能耗低于4500kJ/kg。制备的高压电瓷产品三点弯曲强度>150MPa，介电常数<7.2，电阻率>10¹³Ω·cm，密度>2.65g/cm³。本发明制备的高压电瓷原料来源广泛、工艺简单、烧成周期短、烧成温度低，具有显著的节能环保效果，满足工业化生产的要求。

Description

一种高压电瓷及其制备方法

技术领域

本发明属于高压电瓷的生产制备领域，涉及烧成技术的改进，具体涉及一种高压电瓷及其制备方法。

背景技术

高压电瓷作为电力工业的重要组成部分，是指用在电压等级超过1000V，广泛用于输配电线路、电器设备和电站中的电瓷材料，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。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。

根据原料的不同，高压电瓷通常可以分为高硅质瓷和高铝质瓷。高硅质瓷的主晶相为石英相，高铝质瓷的主晶相则为刚玉相和莫来石相。硅质瓷由于其主晶相石英相热膨胀系数较大，而且在573℃的晶型转变伴随着体积变化，容易产生微裂纹，导致电瓷材料机械强度和热稳定性下降。而铝质瓷与硅质瓷相比，机械强度和电气绝缘性能有了很大提高，具有机械强度大，绝缘性能好，介电性能优良等特点。目前国内外生产的铝质瓷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。本发明涉及到的高压电瓷属于高强度高压电瓷。

目前，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，烧成温度大多在1300℃以上。对于电瓷生产而言，烧成阶段是主要的耗能环节，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。目前国内主要传统的还原焰烧成高压电瓷，这种烧成方法一方面烧成周期长，耗能高；另一方面还原焰烧成不利于燃料的充分燃烧，降低了其燃烧值，而且导致大量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。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300^oC，通常需要20-30小时，氧化分解阶段从300^oC到990^oC需要20-28小时，还原阶段从990^oC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。因此，改进烧结工艺成为目前国内高压电瓷生产的关键。近年来有一些在烧成制度有一些改进，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1130-1190^oC缓慢升温需要4-6小时，然后1200-1240^oC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950^oC需要12-19小时，然后950^oC-1050^oC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44-79小时。专利ZL201210463236.x“一种利用废瓷快速烧成制备的高压电瓷及方法”利用废瓷中玻璃相起到降低烧成温度和缩短烧成周期，取得了良好的效果，但是废瓷难以破碎。

因此，降低烧结温度和缩短保温时间是降低高压电瓷生产能耗和提高经济效益的重要途径。本发明针对高压电瓷材料烧结温度高和烧成周期长的不足，提出一种以钡长石或者碳酸钡为烧结助剂的快速烧成高压电瓷的方法，能在保证高压电瓷综合性能的前提下，有效缩短保温时间、降低烧结温度。从而提高生产效率，降低生产成本，显著提高企业经济效益。

发明内容

本发明的目的在于针对目前高压电瓷制备过程中存在的问题，提供一种高压电瓷及其制备方法。通过对烧成工艺进行改进，使得制备的高压电瓷产品单位烧成能耗低于4500kJ/kg；产品具有高强度（三点弯曲强度>150MPa，介电常数<7.2，电阻率>10¹³Ω·cm，密度>2.65g/cm³）。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种高压电瓷，按质量分数计，原料组成为：高岭土8-15%，铝矾土42-50%，粘土25-32%，钠钾长石粉6-10%，钡长石或者碳酸钡粉体1-5%；以上各原料质量分数之和为100%。

所述的高压电瓷，按质量分数计，原料组成为：高岭土10-12%，铝矾土45-50%，粘土30-32%，钠钾长石粉8-10%，钡长石或者碳酸钡粉体2-5%。

所述的高岭土购自于福建省闽清县普贤矿区。

所述的粘土为漳州粘土。

一种制备如上所述的高压电瓷的的方法：按照比例将原料一起装入球磨机中混合球磨，球磨介质为活性氧化铝球，球磨机转速为160~200r/min，球磨时间为8-12h，球料体积比为1.1-1.5:1；球磨后，混合料过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。

为了提供高压电瓷的快速烧成制备方法，本发明采用钡长石或者碳酸钡中BaCO₃与电瓷中的Al₂O₃、SiO₂形成多元烧结助剂体系，降低液相形成温度，降低液相粘度，通过在液相加速了传质，促进了颗粒的重排，从而在较低温度下完成了致密化过程，制备出致密的高压电瓷材料。

所述的快速烧成，包括如下步骤：

（1）将施釉后的高压电瓷坯件装入烧成窑炉，在氧化焰下以200-350℃/小时升温至850℃-870℃，然后保温0.5-1小时；

（2）再以80-150℃/小时升温至1000℃-1050℃，然后保温1-1.5小时；

（3）继续以150-300℃/小时升温至1200℃-1275℃后保温1-2小时；

（4）保温结束后，以300-450℃/小时降温至920-980℃，再以200-300℃/小时降温至200-300℃，然后自然冷却至100℃以下。

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；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。

本发明的有益技术效果在于：

1）本发明的烧成过程中，全程采用氧化焰烧成，并且升温速率较高，钡长石或者碳酸钡作为烧结助剂，将与其他原料所含的Al₂O₃、SiO₂形成烧结助剂体系，降低液相形成温度，降低液相粘度，通过在液相加速了传质，促进了颗粒的重排，从而大大缩短烧成周期，达到快速烧成效果；降低了高压电瓷的生产能耗和成本，提高了生产效率，从而显著提高企业的经济效益；

2）另外，目前采用天然矿物中含较高的Fe₂O₃和TiO₂，在前期的除铁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；

3）总体来说，采用本方法制备高压电瓷烧成周期降低到12-18小时，烧成温度下降50-100℃，制备的高压电瓷产品单位能耗低于4500kJ/kg；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）：弯曲强度>150MPa，施釉后弯曲强度>180MPa，电气绝缘强度>30kV/mm，电阻率>10¹³Ω·cm，密度>2.65g/cm³，断面测试均未出现渗透现象。

具体实施方式

为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。

实施例1

高压电瓷的原料组成如下（质量百分比）：普贤高岭土10.0%，铝矾土46.5%，漳州粘土31.0%，钠钾长石粉9.0%，钡长石粉体3.5%。

制备方法：按照上述成分比例进行配料，将原料一起装入球磨机中混合球磨，球磨介质为活性氧化铝球，球磨机转速为180r/min，球磨时间为10h，球料体积比为1.3:1；球磨后，混合料过300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。

烧成工艺具体包括如下步骤：

（1）将施釉后的高压电瓷坯件装入烧成窑炉，在氧化焰下以250℃/小时升温至850℃，然后保温1小时；

（2）再以100℃/小时升温至1030℃，然后保温1.5小时；

（3）继续以180℃/小时升温至1250℃保温2小时；

（4）保温结束后，以350℃/小时降温至950℃，再以260℃/小时降温至200℃，然后自然冷却至100℃以下。

上述制备的高强度高压电瓷三点弯曲强度155MPa，施釉后弯曲强度188MPa，电阻率2.2X10¹³Ω·cm，密度2.69g/cm³，介电常数7.0。

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）：上述成分上述工艺制备的盘形悬式瓷绝缘子（盘径280mm,高度140mm）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

高压电瓷的原料组成如下（质量百分比）：普贤高岭土10.5%，铝矾土47.5%，漳州粘土30.5%，钠钾长石粉8.5%，碳酸钡粉体3.0%。

制备方法：按照上述成分比例进行配料，将原料一起装入球磨机中混合球磨，球磨介质为活性氧化铝球，球磨机转速为160r/min，球磨时间为8h，球料体积比为1.1:1；球磨后，混合料过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。

烧成工艺具体包括如下步骤：

（1）将成形的高压电瓷坯件装入烧成窑炉，在氧化焰下以260℃/小时升温至870℃，然后保温1小时；

（2）再以120℃/小时升温至1050℃，然后保温1.0小时；

（3）继续以210℃/小时升温至1225℃保温2小时；

（4）保温结束后，以350℃/小时降温至960℃，再以270℃/小时降温至220℃，然后自然冷却至100℃以下。

上述制备的高强度高压电瓷三点弯曲强度165MPa，施釉后弯曲强度198MPa，电阻率2.8X10¹³Ω·cm，密度2.72g/cm³，介电常数7.0。

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）：上述成分上述工艺制备的盘形悬式瓷绝缘子（盘径280mm,高度140mm）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3

高压电瓷的组成如下（质量百分比）：普贤高岭土10.8%，铝矾土48.5%，漳州粘土30.0%，钠钾长石粉8.2%，钡长石粉体2.5%。

制备方法：按照上述成分比例进行配料，将原料一起装入球磨机中混合球磨，球磨介质为活性氧化铝球，球磨机转速为200r/min，球磨时间为12h，球料体积比为1.5:1；球磨后，混合料过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。

烧成工艺具体包括如下步骤：

（1）将成形的高压电瓷坯件装入烧成窑炉，在氧化焰下以240℃/小时升温至860℃，然后保温1小时；

（2）再以100℃/小时升温至1040℃，然后保温1.5小时；

（3）继续以200℃/小时升温至1270℃保温2小时；

（4）保温结束后，以360℃/小时降温至960℃，再以250℃/小时降温至210℃，然后自然冷却至100℃以下。

上述制备的高强度高压电瓷三点弯曲强度158MPa，施釉后弯曲强度190MPa，电阻率2.1X10¹³Ω·cm，密度2.70g/cm³，介电常数7.1。

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）：上述成分上述工艺制备的盘形悬式瓷绝缘子（盘径280mm,高度140mm）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。

本发明主要涉及高压电瓷领域，可根据需要制成不同形状的高压电瓷器件。以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种高压电瓷，其特征在于：按质量分数计，原料组成为：高岭土8-15%，铝矾土42-50%，粘土25-32%，钠钾长石粉6-10%，钡长石或者碳酸钡粉体1-5%；以上各原料质量分数之和为100%。

2.根据权利要求1所述的高压电瓷，其特征在于：按质量分数计，原料组成为：高岭土10-12%，铝矾土45-50%，粘土30-32%，钠钾长石粉8-10%，钡长石或者碳酸钡粉体2-5%。

3.根据权利要求1或2所述的高压电瓷，其特征在于：所述的高岭土购自于福建省闽清县普贤矿区。

4.根据权利要求1或2所述的高压电瓷，其特征在于：所述的粘土为漳州粘土。

5.一种制备如权利要求1或2所述的高压电瓷的的方法，其特征在于：按照比例将原料一起装入球磨机中混合球磨，球磨介质为活性氧化铝球，球磨机转速为160~200r/min，球磨时间为8-12h，球料体积比为1.1-1.5:1；球磨后，混合料过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。

6.根据权利要求5所述的高压电瓷的制备方法，其特征在于：所述的烧成，具体包括以下步骤：

（1）将施釉后的高压电瓷坯件装入烧成窑炉，在氧化焰下以200-350℃/小时升温至850℃-870℃，然后保温0.5-1小时；

（2）再以80-150℃/小时升温至1000℃-1050℃，然后保温1-1.5小时；

（3）继续以150-300℃/小时升温至1200℃-1275℃，然后保温1-2小时；

（4）保温结束后，以300-450℃/小时降温至920-980℃，再以200-300℃/小时降温至200-300℃，然后自然冷却至100℃以下。