95氧化鋁絕緣子燒成工藝的研究

鄭興益　薛志崗　朱軍

摘 要 本文通過對大尺寸95氧化鋁絕緣子局部燒成過程的計算機模擬分析并結(jié)合實際燒成過程，對高溫天然氣窯升、降溫曲線的調(diào)整，得到合理的燒成工藝，并通過多次重復(fù)燒成試驗，得到品質(zhì)優(yōu)良的絕緣子瓷件。

關(guān)鍵詞 大尺寸絕緣子；高溫天然氣窯；燒成炸裂；計算機模擬分析

絕緣子用來支撐和固定母線與帶電導(dǎo)體，并使帶電導(dǎo)體間或?qū)w與大地之間有足夠的距離和絕緣。近幾年來，我國電力工業(yè)發(fā)展迅速，發(fā)電機裝機容量逐年增加，絕緣子避雷器作為輸變電設(shè)備不可缺少的組成部分，與電力工業(yè)的發(fā)展密不可分。電力工業(yè)是絕緣子避雷器產(chǎn)品最為主要的應(yīng)用市場，我國現(xiàn)階段的許多電力工程，例如城鄉(xiāng)電網(wǎng)的建設(shè)和改造、西電東送工程、電氣化鐵路建設(shè)工程以及特高壓產(chǎn)品市場的啟動，不僅為絕緣子避雷器行業(yè)的發(fā)展提供了廣闊的市場空間，同時也對行業(yè)產(chǎn)品市場提出了新的要求，推動了絕緣子避雷器產(chǎn)品市場結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及新技術(shù)的研發(fā)力度。

因此，本文通過分析95氧化鋁陶瓷的燒成過程，結(jié)合普通氧化鋁陶瓷的燒成曲線，設(shè)定絕緣子的升溫曲線，并通過對降溫過程進行計算機模擬分析，給出相應(yīng)的降溫曲線。

1 絕緣子瓷件介紹

由圖1可知，絕緣子瓷件具有以下特點：（1）較大的尺寸，且其具有較大的壁厚，壁厚最厚處達到175mm；（2）結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，在升、降溫過程中都易產(chǎn)生較大的結(jié)構(gòu)應(yīng)力；（3）自重過大，坯體重量在700kg左右。由于以上幾點原因，導(dǎo)致絕緣子在升溫過程中極易開裂，降溫過程中也容易導(dǎo)致炸裂。

1.1 95氧化鋁陶瓷燒成線收縮與溫度的關(guān)系

由于絕緣子尺寸及自重過大，其在燒成過程中的收縮相對于小尺寸產(chǎn)品來說影響將變得更大。因此，我們先要研究95氧化鋁陶瓷在升溫過程中收縮的變化規(guī)律，以此來確定絕緣子的升溫曲線。

圖2所示為95氧化鋁陶瓷燒成線收縮與溫度的關(guān)系，由于低溫段試樣無強度，不便于測量，所以測試起始溫度定為1 100℃，試樣在每個溫度點保溫2h再取出，測試其收縮?？梢?，試樣在1 150℃之前基本無收縮，試樣較快收縮的溫區(qū)主要為1 250℃～1 500℃，此階段有大約15%的收縮。

1.2絕緣子燒成工藝的設(shè)定

絕緣子燒成所用窯爐設(shè)備為黃岡市中博窯爐技術(shù)有限公司設(shè)計制造的高溫天然氣梭式窯。

（1）升溫曲線的設(shè)定

通過對95氧化鋁陶瓷燒成過程分析，絕緣子的燒成過程主要分為以下幾個階段：

第一階段：20℃～600℃左右，產(chǎn)品失去水分，產(chǎn)品內(nèi)有機物揮發(fā)、分解、氧化等逐漸完成。此階段需要緩慢升溫，防止因PVA揮發(fā)過快導(dǎo)致產(chǎn)品開裂。

第二階段：600℃～1 200℃左右，產(chǎn)品不再有可揮發(fā)物產(chǎn)生，而坯體內(nèi)部又未產(chǎn)生液相，晶粒之間只是單純的接觸而沒有相互鍵聯(lián)，產(chǎn)品沒有燒成收縮，此階段可較快升溫；

第三階段：1 200℃～1 600℃，產(chǎn)品內(nèi)部晶粒之間開始發(fā)生位移、鍵聯(lián)，液相量也同時產(chǎn)生，加快產(chǎn)品的燒結(jié)，此階段收縮較大，需要進行緩慢升溫，給予產(chǎn)品足夠的收縮時間。

根據(jù)以上分析及其它大件產(chǎn)品燒成經(jīng)驗，設(shè)定升溫曲線，如圖3所示，整個升溫過程為99h，由于坯體含水率低，20℃～200℃可較快升溫，升溫速率為0.43℃/min；200℃～600℃，產(chǎn)品處于排膠過程，需緩慢升溫，升溫速率為0.2℃/min；600℃～1 200℃，產(chǎn)品只有2%左右的線收縮，且無氣體揮發(fā)及相變過程，可較快升溫，升溫速率為0.42℃/min；1 200℃處于收縮變化的臨界點，此階段需保溫1h，使產(chǎn)品內(nèi)外溫度一致；1 200℃～1 590℃，產(chǎn)品有15%左右的線收縮，需緩慢升溫，升溫速率為0.22℃/min。由于產(chǎn)品成本昂貴，升溫采用較為穩(wěn)妥的升溫曲線，不再做對比試驗。

（2）降溫曲線的設(shè)定

如圖4所示，以常規(guī)降溫曲線1為標準，在此基礎(chǔ)上，分別在1 150K～1 200K之間保溫12h、24h，得到降溫曲線2、3，分別進行了3次燒成試驗。

2 結(jié)果與分析

通過改變降溫曲線，進行了3次燒成試驗，具體燒成結(jié)果見表1。

2.1降溫曲線1分析

由燒成結(jié)果可知，在降溫曲線1制度下，絕緣子在降至均溫后出現(xiàn)炸裂現(xiàn)象，分析認為是降溫速度過快而引起，導(dǎo)致絕緣子殘余應(yīng)力過大發(fā)生炸裂。通過分析模擬軟件ANSYS對絕緣子降溫曲線進行模擬分析，如圖5所示為窯內(nèi)環(huán)境溫度降至1 200K左右時絕緣子溫度分布圖，可見絕緣子內(nèi)部溫差達51.2K，與環(huán)境溫差相差最大為100K左右。如果此時持續(xù)降溫，熱應(yīng)力導(dǎo)致的應(yīng)力松弛就會被保留下來，在均溫后就會產(chǎn)生較大的參與應(yīng)力。

如圖6所示，為降至均溫后，絕緣子沿Z軸方向應(yīng)力分布圖，可見在絕緣子內(nèi)部存在較大的張應(yīng)力，最高可達38.0Mpa，在絕緣子表面存在較大的壓應(yīng)力，最高可達-101.0MPa，張應(yīng)力易在微裂紋處集中，造成微裂紋擴展，使產(chǎn)品開裂。

2.2降溫曲線2、3分析

在1 200K～1 150K分別保溫12h、24h，再將窯溫降至均溫后，絕緣子內(nèi)部應(yīng)力分布如圖7、圖8所示，在1 200K延長保溫時間后，絕緣子內(nèi)部張應(yīng)力明顯減小，從之前的38Mpa減小至13MPa和9.45MPa，表面壓應(yīng)力也相應(yīng)地減小。對應(yīng)力減小的趨勢進行分析發(fā)現(xiàn)，隨著保溫時間從12h延長至24h，應(yīng)力減小的趨勢并不明顯。分析認為，由于陶瓷多晶材料的蠕變與溫度成指數(shù)關(guān)系，而不存在一個突變的點，所以雖然在1 200K保溫過程中絕緣子能夠達到均溫，但是在隨后的降溫過程中，絕緣子內(nèi)部又會產(chǎn)生一定的溫差，從而在降至常溫均溫后，絕緣子內(nèi)部仍會有一定的殘余應(yīng)力存在。

3 結(jié) 語

通過對95氧化鋁陶瓷產(chǎn)品燒成過程的分析以及對絕緣子降溫過程進行計算機模擬分析和實驗論證，得到了合理的絕緣子的燒成工藝：

（1）升溫曲線采用200℃～600℃緩慢升溫排膠，600℃～1 200℃快速升溫，1 200℃～1 590℃緩慢升溫，給予產(chǎn)品收縮充分的時間；

（2）降溫曲線通過計算機模擬分析，在1 200K至1 150K保溫12h最佳，繼續(xù)延長保溫時間，絕緣子殘余應(yīng)力下降不明顯。

（3）陶瓷材料的殘余應(yīng)力主要由于產(chǎn)品在降溫過程中，產(chǎn)品內(nèi)部存在溫差，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力，使得產(chǎn)品發(fā)生應(yīng)力松弛，均溫后熱應(yīng)力消失，由于應(yīng)力松弛產(chǎn)生的應(yīng)力保留下來，成為殘余應(yīng)力。

參 考 文 獻

[1]吳光亞.我國絕緣子的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)考慮的問題[J].電瓷避雷器，2010（02）：7-11.

[2]郭文飛，鄭興益，薛志崗，倫文山，周瑞.氧化鋁陶瓷降溫過程中殘余應(yīng)力形成的計算機仿真分析[J].江蘇陶瓷，2016（05）：20-23.