CN115557776A - 高强度复合轮轨增粘陶瓷粒子的制备方法、装置及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型高速铁路轮轨增粘陶瓷粒子的制备方法、装置及应用，步骤包括：将初步破碎筛分铝矾土和复合材料混合均匀，通过研磨的方式，经湿法沉淀、干燥得到超细粉体；将超细粉体和粘合剂放入成球机内，通过搅拌和旋转，制得种球；将种球放入成球机内，不断加入超细粉体和粘合剂，通过搅拌和旋转，得到陶瓷粒子前驱体；将前驱体放入回转窑内，烧结得到高强度轮轨增粘轮轨增粘陶瓷粒子。本发明可得到高强度、破碎后具有高黏着力的复合轮轨增粘陶瓷粒子，用于代替石英砂来提高高铁动车车轮与轨道间黏着力的作用，一方面可以解决轮轨系统中高速低黏着性的问题，另一方面减少了对轮轨的损耗，提高了轮轨系统的使用安全性和使用寿命。

Description

高强度复合轮轨增粘陶瓷粒子的制备方法、装置及应用
技术领域
本发明涉及研磨介质技术领域，具体涉及高强度复合轮轨增粘陶瓷粒子的制备方法、装置及应用。
背景技术
随着高速铁路平均时速的不断提高，高速铁路的低粘性问题也随之出现。传统的解决方式是利用喷砂装置在轮轨之间喷加石英砂来提高摩擦力(颗粒度为0.63mm～2.0mm，莫氏硬度不小于5)，但随着砂子在轮轨接触摩擦表面之间互相挤压和摩擦，往往会产生高于砂子压溃强度的局部应力，这种压应力会使轮轨接触面产生塑性变形，砂子很容易压入轮轨表面形成压痕，从而导致轮轨接触表面损伤，将影响轮轨的磨耗和使用寿命。
后来，日本为了解决高速低黏着问题，利用陶瓷粒子代替石英砂。通过0.3mm的氧化铝粒子在轮轨间碾碎后，粒径变成10μm的微小粒子嵌入轨道表面后，形成类似防滑轮胎的凸起，该凸起穿破已在轮轨接触面形成的水膜，大大增加了固体接触部分的比率，并通过去抗剪阻力，在轮轨间提供更大的黏着力。
其中，氧化铝陶瓷粒子本身具有硬度强、膨胀系数低、耐磨和耐腐蚀等特点，在机械制造、化工冶金、航天航空、电子通讯等领域被广泛应用。相比较于其他研磨介质，氧化铝陶瓷粒子硬度高、白度高、比重大，可以有效提高研磨效率，降低研磨时间，同时有效增加球磨机有效容积，从而增加研磨物料的加入量，且氧化铝研磨介质体密大，形状规则，易于分类，价格优惠等优点，被广泛选择用作于球磨、振动磨和搅拌磨等磨机中的研磨介质。但在用于解决轮轨高速低黏着问题方面，考虑到高速车轮与轨道间压强高达500～1200MPa，普通的氧化铝陶瓷强度不够，易被碾压为粉末，起不到增粘作用。
发明内容
本发明的目的在于提供高强度复合轮轨增粘陶瓷粒子的制备方法、装置及应用，其解决了现有氧化铝陶瓷强度不够，易被碾压为粉末，起不到增粘作用的缺陷。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
高强度复合轮轨增粘陶瓷粒子的制备方法，步骤包括：
(1)原料处理：将铝矾土和复合材料混合均匀，通过研磨的方式，经湿干燥得到超细粉体；
(2)种球制备：将超细粉体和粘合剂放入成球机内，通过不断搅拌和旋转，制得粒径为8-12μm的种球；
(3)微球成型：将种球放入成球机内，不断加入超细粉体和粘合剂，通过不断搅拌和旋转，使种球不断变大，最后得到烧结前的陶瓷粒子前驱体，经首次筛分后的粒径为0.3-0.5mm；
(4)烧结定型：将陶瓷粒子前驱体放入窑炉或回转窑内，先升温至320-380℃，保温40-50min，再升温至1200-1500℃以上，保温1-2h，待冷却出窑后，得到高强度轮轨增粘陶瓷粒子，并进行二次筛选，得到尺寸均匀的产品。
进一步改进在于，所述复合材料包括纳米二氧化硅、锰粉、氧化锆、氧化钇、二氧化锆、氧化镁和/或碳化硅。
进一步改进在于，所述铝矾土占铝矾土和复合材料总质量的60-99％，且最终产品氧化铝含量占产品总质量的65-90％。
进一步改进在于，所述粘合剂为0.5-5wt％的聚乙烯醇水溶液。
本发明还提供了用于实施上述制备方法的装置，所述装置包括：
研磨机构，用于将初步破碎筛分后的铝矾土和复合材料混合并进行研磨制浆，得到浆料；
干燥机构，用于对研磨所得进行干燥，得到超细粉体；
第一成球机构，用于添加粘合剂以及超细粉体并进行搅拌和旋转，得到种球；
第一筛分机构，用于对种球进行筛分，使得种球的粒径为8-12μm；
第二成球机构，用于放入种球并不断加入超细粉体和粘合剂，通过不断搅拌和旋转，使种球不断变大，最后得到烧结前的陶瓷粒子前驱体；
第二筛分机构，用于对陶瓷粒子前驱体进行筛分，使得陶瓷粒子前驱体的粒径为0.3-0.5mm；
炉窑或回转窑烧制机构，用于放入陶瓷粒子前驱体，并升温至320-380℃，保温40-50min，再升温至1200-1500℃以上，保温1-2h，待冷却出窑后，得到高强度轮轨增粘陶瓷粒子；
第三筛分机构，用于对高强度轮轨增粘陶瓷粒子进行筛分，得到均匀的产品。
进一步改进在于，所述炉窑或回转窑烧制机构包括炉体，所述炉体的炉壁由耐火砖砌成，在炉壁内侧面覆盖有红外反射层，炉壁内部嵌设有保温层，炉体内的底部铺设有电加热管，所述电加热管的上方铺设有耐火网格砖层；
另外，炉窑或回转窑烧制机构采用回转窑时，所述回转窑为带有一定斜度的高温烧制机构，随着回转窑的旋转，陶瓷粒子前驱体向窑头滚动，最终被煅烧成高强度粒子。
进一步改进在于，所述保温层由呈矩阵布置的保温单元组成，相邻保温单元之间焊接为一体，每个保温单元均由朝炉体外侧的铬板和朝炉体内侧的铜板组成，所述铬板与铜板通过边缘位置焊接为一体，非边缘位置贴合接触形成密闭环境，且每个保温单元均朝炉体内侧呈圆弧状凸起。
进一步改进在于，所述保温单元呈正方形或者正六边形。
进一步改进在于，所述铬板的厚度为2-4mm，所述铜板的厚度为0.5-1.5mm。
本发明还提供了上述高强度复合轮轨增粘陶瓷粒子在轨道车辆中的应用，所述应用为将高强度复合轮轨增粘陶瓷粒子在高铁行车起步或刹车时喷洒于轮轨之间，碾碎成微小粒子之后嵌入车轮，形成小突起，进而刺穿已形成的水膜，增大固体间接触比率，并通过其抗剪阻力，在轮轨间传递给更大黏着力。
本发明的有益效果在于：本发明采用复合型原料，通过先制备种球、再形成微球、最后烧结的工艺，可得到高强度的复合轮轨增粘陶瓷粒子，用于代替石英砂来提高轮轨间摩擦力的作用，一方面可以解决轮轨系统中高速低黏着性的问题，另一方面减少了对轮轨的损耗，而且大大提高了轮轨系统的使用安全性和使用寿命。
另外，本发明采用具有特定保温层的窑炉，该保温层隔热保温效果突出，且在合理范围内温度越高，保温效果越好，这是目前常见的保温材料所不具备的，十分有助于窑炉的升温和保温。
附图说明
图1为高强度复合轮轨增粘陶瓷粒子的制备方法的流程图；
图2为炉窑烧制机构的结构图；
图3为保温单元在不受热和受热时的不同状态示意图；
图4为保温层的平面示意图；
图中：1、炉体；2、红外反射层；3、保温层；301、铬板；302、铜板；4、电加热管；5、耐火网格砖层。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。
如图1所示，高强度复合轮轨增粘陶瓷粒子的制备方法，步骤包括：
(1)原料处理：将轮轨增粘和复合材料混合均匀，通过研磨的方式，经湿法沉淀、干燥得到超细粉体；其中，复合材料为纳米二氧化硅、锰粉、氧化锆、氧化钇、二氧化锆、氧化镁或碳化硅中的一种或者多种，当然也可采用其他材料，铝矾土占铝矾土和复合材料总质量的60-99％，例如为60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、99％；
(2)种球制备：将超细粉体和粘合剂放入成球机内，粘合剂选用0.5-5wt％的聚乙烯醇水溶液，通过不断搅拌和旋转，制得粒径为8-12μm的种球，优选的为10μm；
(3)微球成型：将种球放入成球机内，不断加入超细粉体和粘合剂，通过不断搅拌和旋转，使种球不断变大，最后得到烧结前的陶瓷粒子前驱体，且粒径为0.3-0.5mm，优选的为0.4mm；
(4)烧结定型：将陶瓷粒子前驱体放入窑炉内，先升温至320-380℃(例如320℃、330℃、340℃、350℃、360℃、370℃、380℃)，保温40-50min(例如40min、42min、44min、46min、48min、50min)，再升温至1200-1500℃(例如1200℃、1250℃、1300℃、1350℃、1400℃、1450℃、1500℃)以上，保温1-2h(例如1h、1.5h、2h)，待冷却出窑后，得到高强度轮轨增粘陶瓷粒子，并选择其中尺寸均匀的产品。
本发明还提供了一种用于实施上述制备方法的装置，所述装置包括：
研磨机构，用于将轮轨增粘和复合材料混合并进行研磨制浆，得到浆料；
干燥机构，用于对研磨所得混合物进行干燥，得到超细粉体；
第一成球机构，用于添加粘合剂以及超细粉体并进行搅拌和旋转，得到种球；
第一筛分机构，用于对种球进行筛分，使得种球的粒径为8-12μm；
第二成球机构，用于放入种球并不断加入超细粉体和粘合剂，通过不断搅拌和旋转，使种球不断变大，最后得到烧结前的陶瓷粒子前驱体；
第二筛分机构，用于对陶瓷粒子前驱体进行筛分，使得陶瓷粒子前驱体的粒径为0.3-0.5mm；
炉窑或回转窑烧制机构，用于放入陶瓷粒子前驱体，并升温至320-380℃，保温40-50min，再升温至1200-1500℃以上，保温1-2h，待冷却出窑后，得到高强度轮轨增粘陶瓷粒子；
第三筛分机构，用于对高强度轮轨增粘陶瓷粒子进行筛分，得到均匀的产品。
其中，结合图2至图4所示，炉窑烧制机构包括炉体1，所述炉体1的炉壁由耐火砖砌成，可承受1500℃以上的温度，在炉壁内侧面覆盖有红外反射层2，用于反射热量，提高炉体1升温和保温效果，炉壁内部嵌设有保温层3，炉体1内的底部铺设有电加热管4，所述电加热管4的上方铺设有耐火网格砖层5。
特别的，所述保温层3由呈矩阵布置的保温单元组成，相邻保温单元之间焊接为一体，每个保温单元均由朝炉体1外侧的铬板301和朝炉体1内侧的铜板302组成，所述铬板301与铜板302通过边缘位置焊接为一体，非边缘位置贴合接触形成密闭环境，且每个保温单元均朝炉体1内侧呈圆弧状凸起。保温单元的原理为：在未受热时，铬板301与铜板302相互贴合，在受热后(在红外反射层2、耐火砖的阻隔下，一般所处温度在800℃以下)，由于铜的热膨胀系数为17.5，而铬的热膨胀系数为6.2，因此铜板302受热膨胀程度会明显大于铬板301，且铜杨氏模量为119，铬杨氏模量达到250，硬度也更大，因此，铜板301会膨胀、弯曲鼓起，并与铬板301分离，足够的硬度也使得两者能克服大气压，在两者之间形成近似真空的空腔，此时整体结构具备良好的隔热保温效果，且在合理范围内温度越高，保温效果越好，这是目前常见的保温材料所不具备的。
需要说明的是，目前试验表明铬板301与铜板302配合能取得良好的保温效果，但是并不代表只能选择铬板301与铜板302配合，后期经试验验证也可采用其他材料，均在本发明保护范围内。
本发明中，所述保温单元呈正方形或者正六边形，所述铬板301的厚度为2-4mm，优选的为3mm，所述铜板302的厚度为0.5-1.5mm，优选的为1mm。
另外，炉窑或回转窑烧制机构采用回转窑时，所述回转窑为带有一定斜度的高温烧制机构，随着回转窑的旋转，陶瓷粒子前驱体向窑头滚动，最终被煅烧成高强度粒子。
本发明还提供了上述制备方法制得的高强度复合轮轨增粘陶瓷粒子在轨道车辆中的应用，应用为将高强度复合轮轨增粘陶瓷粒子喷射到轨面上，提高轨面的粘性，用于代替石英砂来提高轮轨间摩擦力的作用，一方面可以解决轮轨系统中高速低黏着性的问题，另一方面减少了对轮轨的损耗，而且大大提高了轮轨系统的使用安全性和使用寿命。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.高强度复合轮轨增粘陶瓷粒子的制备方法，其特征在于，步骤包括：
(1)原料处理：将初步破碎筛分的铝矾土和复合材料分别输送到各自物料库，自动称量配料，混合均匀，通过球磨机研磨的方式，经干燥得到超细粉体；
(2)种球制备：将超细粉体和粘合剂放入成球机内，通过不断搅拌和旋转，制得粒径为8-12μm的种球；
(3)微球成型：将种球放入盘式成球机内，不断加入超细粉体和粘合剂，通过不断搅拌和旋转，使种球不断变大，最后得到烧结前的陶瓷粒子前驱体，且经过前期自动筛分，所得粒径为0.3-0.5mm，粒径不符合的陶瓷粒子前驱体经过自动输送，重新破碎研磨；
(4)烧结定型：将陶瓷粒子前驱体放入窑炉内，先升温至320-380℃，保温40-50min，再升温至1200-1500℃，保温1-2h，待冷却出窑后，得到高强度轮轨增粘陶瓷粒子，并进行二次筛分，得到其中尺寸均匀的产品。
2.根据权利要求1所述的高强度复合轮轨增粘陶瓷粒子的制备方法，其特征在于，所述复合材料包括纳米二氧化硅、锰粉、氧化锆、氧化钇、二氧化锆、氧化镁和/或碳化硅。
3.根据权利要求1所述的高强度复合轮轨增粘陶瓷粒子的制备方法，其特征在于，所述铝矾土占铝矾土和复合材料总质量的60-99％，最终成品氧化铝含量占产品总质量的65-90％。
4.根据权利要求1所述的高强度复合轮轨增粘陶瓷粒子的制备方法，其特征在于，所述粘合剂为0.5-5wt％的聚乙烯醇水溶液。
5.用于实施权利要求1-4任一项所述制备方法的装置，其特征在于，所述装置包括：
研磨机构，用于将铝矾土和复合材料混合并进行研磨制浆，得到浆料；
干燥机构，用于对沉淀得到的沉淀物进行干燥，得到超细粉体；
第一成球机构，用于添加粘合剂以及超细粉体并进行搅拌和旋转，得到种球；
第一筛分机构，用于对种球进行筛分，使得种球的粒径为8-12μm；
第二成球机构，用于放入种球并不断加入超细粉体和粘合剂，通过不断搅拌和旋转，使种球不断变大，最后得到烧结前的陶瓷粒子前驱体；
第二筛分机构，用于对陶瓷粒子前驱体进行筛分，使得陶瓷粒子前驱体的粒径为0.3-0.5mm；
炉窑或回转窑烧制机构，用于放入陶瓷粒子前驱体，并升温至320-380℃，保温40-50min，再升温至1200-1500℃，保温1-2h，待冷却出窑后，得到高强度轮轨增粘陶瓷粒子；
第三筛分机构，用于对高强度轮轨增粘陶瓷粒子进行自动筛分，得到均匀的产品。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述炉窑或回转窑烧制机构包括炉体，所述炉体的炉壁由耐火砖砌成，在炉壁内侧面覆盖有红外反射层，炉壁内部嵌设有保温层，炉体内的底部铺设有电加热管，所述电加热管的上方铺设有耐火网格砖层。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述保温层由呈矩阵布置的保温单元组成，相邻保温单元之间焊接为一体，每个保温单元均由朝炉体外侧的铬板和朝炉体内侧的铜板组成，所述铬板与铜板通过边缘位置焊接为一体，非边缘位置贴合接触形成密闭环境，且每个保温单元均朝炉体内侧呈圆弧状凸起。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述保温单元呈正方形或者正六边形。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述铬板的厚度为2-4mm，所述铜板的厚度为0.5-1.5mm。
10.如权利要求1-4任一项所述制备方法制得的高强度复合轮轨增粘陶瓷粒子在轨道车辆中的应用，其特征在于，所述应用为将高强度复合轮轨增粘陶瓷粒子喷射到轨面上，经高速铁路动车车轮碾压破碎，形成均匀微小粒子，提高轮轨间的粘性。
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