CN106986615A - 一种电瓷原料的配方和利用废电瓷粉制备电瓷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电瓷原料的配方和利用废电瓷粉制备电瓷的方法。电瓷原料的配方中包含废电瓷粉，废电瓷粉占电瓷原料总质量的8%‑25%，废电瓷粉中的氧化铝含量为48%‑62%，废电瓷粉的粒径不超过0.04mm。本发明将废电瓷重新用于制造电瓷，不但利用了这一固体废料，而且还使电瓷的抗拆强度提升了10‑20%；废电瓷代替部分电瓷原料也节省了制备电瓷的成本，具有显著的经济效益。

Description

一种电瓷原料的配方和利用废电瓷粉制备电瓷的方法

技术领域

本发明涉及一种电瓷原料的配方和利用废电瓷粉制备电瓷的方法。

背景技术

电瓷是通过高温致密化烧制由高岭土、铝矾土、长石等组成的配方经一系列处理得到的瓷坯而成的一类瓷绝缘子。其主要用途是联接电位不等的导体或部件，并在其中起到绝缘与支持的作用。由于电瓷材料良好的绝缘性能、机械强度、耐环境性能以及优异的化学稳定性和使用寿命等优势，它被广泛应用于电力工程中，包括各种电压等级的输电线路、变电站、电器设备等，甚至在轨道交通的电力系统中也有作用。因而电瓷绝缘子是电力工业的重要组成器件，与国民经济的发展紧密联系。

电瓷按电压等级可分为：低电压绝缘子(交流≤1kV，直流≤1.5kV)和高电压绝缘子(交流>1kV，直流>1.5kV)，其中高电压中又有超高压(330kV、500kV、750kV交流或±500kV、±600kV直流)和特高压(1000kV交流或±800kV直流)的概念。但是伴随着电压等级的提高，对电瓷产品机械强度的要求也越来越高。为了满足超高压、特高压、大电流、大跨距电力线路的需求，国内外专家及学者们为此做了大量研究以提高电瓷的机、电、热性能等。目前，为适应高等级电压对强度的要求，关于铝质瓷的研究成为材料学的一大热点。人们发现，铝质瓷相比于硅质瓷，不仅仅成品的可靠性得到了大大的提升，而且瓷绝缘子行业中一直存在的质量问题也大为改善。近年来，以煅烧铝矾土和工业氧化铝为主的高强度铝质瓷逐渐受到重视和发展。从高硅质瓷取代普通瓷，进而到铝质瓷取代硅质瓷。

目前，陶瓷的原材料主要为高岭土、长石、釉料等不可再生资源，在生产的一系列工序中，必然存在很多影响因素，不可避免地会出现大量不达标的制品。这种不合格产品即工业废陶瓷，是陶瓷生产中的一种固体垃圾。据不完全估计，全国陶瓷废料的年产量约为1000万吨左右。而且由于它们经过了高温煅烧，硬度很高，无法实现自然降解，只能作为工业废弃物填埋于地下，这样不仅占用了土地资源，处理成本高，且因其还含有重金属，渗入地下后会污染土壤及地下水，即存在“废瓷污染”。

因废瓷粉是瘠性原料，经过1300℃的高温煅烧，根据以往经验，配方中使用废瓷粉后，一般会产生干坯强度下降和瓷质强度下降的现象。又因电瓷对原料的要求较高，加入瘠性原料往往使电瓷性能不能达标。

发明内容

本发明解决的技术问题是，将废电瓷粉这一固体废物重新利用，用来代替电瓷原料中的部分组分，以节省原料的成本。

本发明的技术方案是，提供一种电瓷原料的配方，所述配方中包含废电瓷粉，废电瓷粉占电瓷原料总质量的8％-25％，废电瓷粉中的氧化铝含量为48％-62％，废电瓷粉的粒径不超过0.04mm。

优选地，废电瓷粉占电瓷原料总质量的10％-20％；更优选12％-15％。

优选地，废电瓷粉中的氧化铝含量为50％-56％。

优选地，废电瓷粉的粒径不超过0.03mm。

优选地，废电瓷粉是由废电瓷经过破碎、球磨工序加得到；在球磨工序中添加聚乙烯醇作为塑化剂；聚乙烯醇的质量占干废电瓷粉质量的0.4-0.6％。

优选地，所述配方中含铝矾土，铝矾土的质量占电瓷原料总质量的15％-40％。

优选地，电瓷原料中，废电瓷粉与铝矾土的总质量占电瓷原料总质量的25％-55％。

优选地，所述配方中包含铝钒土、长石、粘土。

优选地，所述配方中，铝矾土的质量占电瓷原料总质量的25％-33％。

优选地，铝矾土的质量占电瓷原料总质量的35％-42％。

本发明还提供一种利用废电瓷粉制备电瓷的方法，该方法包括电瓷原料的配料、球磨、过筛、除铁、榨泥、粗炼、陈腐、精炼、干燥、修坯、烧结步骤；利用上述配方进行电瓷原料的配料。

本发明的通过实验意外地发现在电瓷原料中掺入10％左右和20％左右的废电瓷粉，发现电瓷的性能并没有明显下降，甚至有的电瓷的机械性能得到了10-20％的提升。

在电瓷原料中掺入废电瓷粉可以采用以下方式：1、在保持原有电瓷配方不变的情况下，直接添加废电瓷粉，使掺量达到8-25％，优选10-20％。2、用一定量的废电瓷粉等量代替原有配方中的部分铝矾土，或者代替大部分的铝矾土和少量的长石。

上述两种方式可以非常方便的配料，不会对原有电瓷的制备工艺产生不利影响。由于本发明选用的废电瓷粉为高铝含量的废电瓷粉，所以按第一种方式掺废电瓷粉，电瓷中的铝含量会提升。由于铝矾土的铝含量高于废电瓷粉，按第二种方式掺废电瓷粉，电瓷中的铝含量会下降。

需要说明的是，在电瓷领域，高铝含量电瓷一般是氧化铝的含量指大于45％，而普通电瓷是指氧化铝的含量低于35％，35-45％的氧化铝含量为中铝含量电瓷。本发明是选用的是铝含量48％以上的废电瓷粉，优选铝含量50％以上，属于高铝含量的废电瓷粉。所以，在本发明中的高铝瓷、中铝瓷和普通电瓷都是以烧成后的电瓷中的上述氧化铝的含量的多少来界定的。

一般来说，根据以往的经验，铝含量的提升，会提高电瓷的强度，然而本发明意外地发现上述两种方式的铝含量有上升，也有下降，而跟原有配方制备的电瓷相比，强度都有所提高。

本发明还有一个重要的创新是同时提高球磨效率和电瓷可塑性的方法：一是进入球磨机的废瓷物料粒径尽可能小，一般都要求在5mm以下，这样可以减少球磨的时间(现在可在8h内完成废电瓷的研磨)；二是进球磨机时，加入一定量的聚乙烯醇(PVA)为塑化剂(约占干废瓷粉0.5％)。该方法既可以提高研磨效率，又可以增加废瓷的可塑性，有利于提高保证有一定的可塑性，从而应用于电瓷的制造中。

总的来说，所有废电瓷都可用于电瓷制造过程中。一般，我们采用同类同成分相互替代的原则。即高铝废瓷用于高铝电瓷制造中。低铝电瓷则用低铝的方式进行。

本发明的有益效果是，将废电瓷粉重新用于制备电瓷，不但利用了这一固体废料，而且使得电瓷的性能得到了10-20％的提升；废电瓷粉代替部分电瓷原料也节省了制备电瓷的成本，具有明显地经济效益。

附图说明

图1(低倍数)和图2(高倍数)分别表示实施例1样品的SEM图。

图3(低倍数)和图4(高倍数)分别表示实施例2样品的SEM图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实验用的高铝质电瓷废料来自湖南醴陵某厂的高强度电瓷配方。将废电瓷洗去表面的泥砂污秽物后，采用颚式破碎机、锤式破碎机及高能球磨机，研磨至320目(筛余不大于5％)粉料，作为本次试验的原料。电瓷废瓷粉的化学成分列于表1中。其它的原料：铝矾土、长石粉、水曲柳、法库土、湖北泥、白矸石、增塑剂、碳酸钡等均取自实验电瓷厂的生产原料库及制泥车间。上述原料某些是以地名命名的，均属于常用的陶瓷原料，(如水曲柳是指一个地名，代表水曲柳粘土，不是木材)。

表1高铝质废料(废电瓷粉)的化学组成(％)

表2电瓷厂制备中铝瓷的原配方

表3电瓷厂制备高铝瓷的原配方

实施例1

本实施例在上述原中铝瓷配方(表2)中掺入12％的高铝质废料，用于替代10％的铝矾土和2％的长石得到的配方如下表4。

表4掺入高铝质废料的中铝瓷配方

实施例2

同样地，本实施例也在上述原高铝瓷配方(表3)中掺入12％的高铝质废料，用于替代10％的铝矾土和2％(其配方不再单独列表)。

其中，由于铝矾土中的氧化铝含量很高，达到85％左右，而高铝含量的废瓷粉的氧化铝含量只有50％左右，所以废瓷粉替代铝矾土后，烧成得到电瓷中氧化铝的含量有明显的下降。所以实施例1的配方实质上得到的电瓷属于普通电瓷，实施例2的配方得到的电瓷属于中铝瓷。

按原电瓷厂同样的工艺的生产方法制备电瓷，分别对干坯、无釉试样进行强度测试，得到的实验数据如下表：

表5实施例1和实施例2的强度实验结果

由表5可知，将电瓷粉替代铝矾土和长石后，取得了瓷质强度不但没有下降还略有提高。实验中还替代了部分长石是因为废瓷粉中本身含有部分长石和玻璃相，为使烧成温度和原来配方相近我们减少了2％的长石。

为研究瓷质强度提高的原因，我们对上述A号和C号样品的物相进行分析，获得的样品成分如下表6：

表6试验成分分析

由上表可知，C号样品的氧化铝含量甚至还低于A号样品。理论上机械强度随氧化铝含量增多而加强，但从上表中我们发现，C号样品所得的电瓷抗折强度反而较A号样品增加了，这与传统的理解并不相同。我们进一步用扫描电镜对上述成分进行分析。

取电瓷片制样，将样品制成厚度为2mm的片状，将其表面研磨平整，然后在超声波清洗机中用蒸馏水将样品清洗干净，每个样品用氢氟酸溶液(用去离子水的5％的HF)侵蚀10分钟。随后将样品溅射涂覆一层用于SEM/EDX分析的金-钯合金薄导电层。

结合图1和图3的低倍数下的两张SEM图片可以看出，A号、C号样品中气孔相均较小且分散分布，气孔形状不一，有圆孔状、狭长型、不规则型等，明显C号样品较致密，孔径也较小。

结合图2和图4的高倍数下的两张SEM图片可以看出，A号、C号样品均存在短棒状一次莫来石、交织的松叶状二次莫来石及部分刚玉，二次莫来石穿插在刚玉之间互相交织成鸟巢状。明显的3号样品中针状莫来石最密集且交联发育最佳，而A号中存在一定量的一次莫来石，A号刚玉相分散分布，C号中刚玉相似乎有所减少。

结合上面的化学成分分析和强度测试结果，二者均无明显贯通孔较致密所以均无吸红现象。C号显微结构较佳对应较高的强度，而随着废瓷替代铝矾土，氧化铝含量有所降低，因而刚玉相随之减少，但发现以12％废瓷替代10％铝矾土后二次莫来石发育交联地更好了。

实施例3

本实施例主要研究在原有电瓷配方中直接掺入废瓷粉。

称取普通电瓷干坯料三份，分别为10kg、9kg、8kg，记为1、2、3号，1号坯料不作变化，在2号坯料中加入干重1kg(10％)高铝质废料，3号坯料中加入干重2kg(20％)高铝质废料。

称取中铝质电瓷干坯料三份，分别为10kg、9kg、8kg，记为4、5、6号，4号坯料不作变化，在5号坯料中加入干重1kg(10％)高铝质废料，6号坯料中加入干重2kg(20％)高铝质废料。

将各样品球磨至合格粒度，分别取样利用硅酸盐化学元素快速分析仪测定化学成分，然后将各浆料过120目筛、除铁、榨泥、陈腐，利用真空练泥机炼制成直径23mm、长度130mm的圆柱体试样。将各试样用干燥箱干燥，各取部分试样测定干坯强度，部分试样进行上釉处理，然后入窑烧成，烧成温度为1230℃，保温时间为两小时。烧成后的试样利用抗折试验机测定机械强度并取样进行吸红试验。

上述试验中，各中坯料的化学组成如下表7。

表7坯料的化学组成(％)

表8各试样弯曲强度

用在普通电瓷中，可以引入氧化铝成分，显著提高普通电瓷的氧化铝含量，从而提高其机械强度。根据表7中各坯料的化学组成可知，普通电瓷的氧化铝含量在29％左右，中铝质电瓷的氧化铝含量在40％左右，加入高铝质废料后氧化硅的含量下降而氧化铝的含量得到提升，高铝质废料的加入量越多，氧化铝的含量也越高。从表8可以看出，加入高铝质废料的普通电瓷和中铝质电瓷试样比原配方试样的强度有所提升。将1、2、3号试样作对比，对于无釉试样，2号试样同1号试样相比，平均强度提升了20％左右，3号试样同1号试样相比，平均强度提升了10％左右。对于棕釉试样，弯曲强度随高铝质废料的加入量提高而增强。将4、5、6号试样作对比，对于无釉试样，增加10％或20％高铝质废料均使得电瓷强度得到提升，加入10％高铝质废料较加入20％强度提升更高。对于棕釉试样，4、5、6号试样强度差别不大。

氧化铝的含量对电瓷机械性能有很大的影响，从刚玉瓷或莫来石瓷可以知道在电瓷材料中有意识的提高氧化铝的含量或者直接采用含刚玉或莫来石的高铝原料，可以形成以刚玉和莫来石为主晶相的显微结构。普通电瓷和中铝质电瓷的氧化铝含量升高后强度均有提升，加入20％高铝质废料的试样氧化铝含量最高而强度居中，可能是高铝质废料的大量加入使坯料的成型受到影响。比较各试样的干坯强度，发现加入高铝质废料后干坯强度均会下降，加入20％高铝质废料试样的干坯强度最低。电瓷原料的矿物组成及化学组成能影响甚至决定坯料的工艺性能。高铝质废料加入量过多降低了坯料的可塑性和结合性，影响了烧成性能，加入20％高铝质废料试样的强度是氧化铝含量提升和坯料结合性变弱共同作用的结果。对各试样进行吸红试验时发现6号试样有吸红现象，大量高铝质废料的加入不仅导致坯料结合性变弱，也使得烧成后的试样致密度不够。3号试样同6号试样相比，铝矾土的用量少而粘土的用量多，加入20％高铝质废料后干坯强度依然较高，烧成后也没有吸红现象。

由以上试验数据可知，高铝质废料能起到增强普通电瓷和中铝质电瓷机械强度的作用，然而并不是废料的加入量越大，瓷体的机械强度越高。在原电瓷配方不变的情况下加入瓷粉都会影响坯料的结合性能，要解决这个问题，可以用瓷粉替换部分铝矾土的方法来改善成型性能。

高氧化铝含量的电瓷废料磨成的瓷粉可以作为一种原料引入到普通电瓷制备配方中。高氧化铝含量电瓷瓷粉在一定范围内可以起到增加电瓷机械强度的作用。当添加量较高(比如超过25％)时，坯料的结合性能较低，其对强度的提升作用不明显，所以掺量为8-25％时较为合适，在10-20％较佳，在12-18％可以充分利用废瓷粉，还可以较大程度地提高电瓷强度。

Claims (10)

1.一种电瓷原料的配方，其特征在于，所述配方中包含废电瓷粉，废电瓷粉占电瓷原料总质量的8%-25%，废电瓷粉中的氧化铝含量为48%-62%，废电瓷粉的粒径不超过0.04mm。

2.如权利要求1所述的配方，其特征在于，废电瓷粉占电瓷原料总质量的10%-20%。

3.如权利要求1所述的配方，其特征在于，废电瓷粉中的氧化铝含量为50%-56%。

4.如权利要求1所述的配方，其特征在于，废电瓷粉是由废电瓷经过破碎、球磨工序加得到；在球磨工序中添加聚乙烯醇作为塑化剂；聚乙烯醇的质量占干废电瓷粉质量的0.4-0.6%。

5.如权利要求1所述的配方，其特征在于，所述配方中含铝矾土，铝矾土的质量占电瓷原料总质量的15%-40%。

6.如权利要求5所述的配方，其特征在于，电瓷原料中，废电瓷粉与铝矾土的总质量占电瓷原料总质量的25%-55%。

7.如权利要求1所述的配方，其特征在于，所述配方中包含铝钒土、长石、粘土。

8.如权利要求7所述的配方，其特征在于，所述配方中，铝矾土的质量占电瓷原料总质量的25%-33%。

9.如权利要求7所述的配方，所述配方中，铝矾土的质量占电瓷原料总质量的35%-42%。

10.一种利用废电瓷粉制备电瓷的方法，该方法包括电瓷原料的配料、球磨、过筛、除铁、榨泥、粗炼、陈腐、精炼、干燥、修坯、烧结步骤；其特征在于，利用权利要求1-9任一项所述的配方进行电瓷原料的配料。