Исследование и разработка составов масс высоковольтного фарфора с повышенными электромеханическими характеристиками

Дипломнаяработа
Исследованиеи разработка составов масс высоковольтного фарфора с повышенными электромеханическимихарактеристиками

Реферат
Данная исследовательскаяработа проводилась с целью исследования и разработки составов масс высоковольтногофарфора с повышенными электромеханическими характеристиками. Исследования проводилисьв лаборатории Камышловского изоляторного завода «Урализолятор».
Работа содержитразделы: аналитический обзор научно-технической литературы, исследовательская часть,экономическая эффективность работы, природопользование и охрана окружающей среды,безопасность и экологичность работы.
Общее количествостраниц пояснительной записки 126, число таблиц 28, число рисунков 29, количествобиблиографических источников 13, количество приложений 1.

Перечень графическихлистов и демонстрационных плакатов
№
п/п Наименование документа
Обозначение
документа Формат
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Изображение изолятора п 1000/110 – 10
Графическая зависимость механической прочности на изгиб от %-ного содержания глинозема в массе
Графическая зависимость электрической прочности от %-ного содержания глинозема в массе
Графическая зависимость полной усадки
от %-ного содержания глинозема в массе
Графическая зависимость воздушной усадки
от %-ного содержания глинозема в массе
Химический состав сырья
Химический анализ исследуемых масс
Результаты испытаний фарфоровой и глиноземистой масс М-0 и М-2
Стенд с лабораторными образцами
Сравнительная калькуляция себестоимости изделий из масс М-0 и М-2
Рис.1
График1
График 2
График 3
График 4
Тб.1
Тб.2
Тб.3
Стенд 1
Тб.4
А2
А2
А2
А2
А2
А1
А1
А1
А2
А1

Введение
Данная исследовательскаяработа заключается в исследовании и разработке составов масс высоковольтного фарфорас повышенными электромеханическими характеристиками.
На Камышловскомизоляторном заводе «Урализолятор» выпускается электрофарфор марки 110.1 из тонкодисперснойфарфоровой массы. Данная продукция обладает достаточно высокими электрическими свойствами,но недостаточно высокими механическими. Путем введения в массу компонента глиноземабудет достигнута необходимая, для крупногабаритных изделий, в данном случае, дляизоляторов П 1000/110 – 10, механическая прочность.
Электрофарфорзанимает одно из главных мест в электротехнической промышленности, так как обладаетвысокой стойкостью к электрическим искрам, дугам, отсутствием водопоглощения, высокойхимической стойкостью, а также стойкостью к тепловому воздействию. Благодаря такимсвойствам изоляторы высокого напряжения используются в различных установках.
Электрофарфоротносится к электрокерамическим материалам. Это обожженная при высокой температуре(1300 — 1380ºС) керамическая масса, состоящая из смеси полевого шпата, кварца,каолина и глины, характеризующаяся плотной структурой.
В связи с многообразиемконструкций изоляторов, для их производства требуются различные исходные керамическиемассы, различные технологии, режимы и оборудование.
В настоящее времяроссийской промышленностью освоены и выпускаются современные виды электрокерамическихизделий, предназначаемые для действующих и вновь строящихся электростанций, линийпередачи электроэнергии и электроустановок.
На современномэтапе от изоляторной промышленности требуют высококачественные изоляторы на основеприменения современных материалов и технологий, разработки и внедрения новейшихконструкций изоляторов.
Высоковольтныефарфоровые изоляторы и изоляционные части должны обладать следующими тремя важнымисвойствами: а) механической прочностью; б) термической устойчивостью; в) электрическойпрочностью.
Механическая прочностьчерепка твердого фарфора определяется устойчивостью наименее прочной составной части,а также количеством открытых и закрытых пор. Необходимо отметить, что пористостьснижает электрические свойства черепка.
Наиболее слабымкомпонентом в структуре фарфора является полевошпатовое стекло, которое в суммесо всей стеклофазой составляет 50 – 60% всей массы черепка. Прочность его зависитот содержания Al2O3, SiO2, K2O.
Чтобы увеличитьмеханическую прочность фарфора, необходимо повысить содержание в нем глинистых материалов,поднять температуру обжига и увеличить его продолжительность. При этом можно получитьтакое содержание стекловато-муллитовой массы с большим содержанием Al2O3 и SiO2, которого будет достаточнодля стягивания пор.
Одним из современныхматериалов для получения изоляторов с высокими физико-механическими и электрическимисвойствами, является глинозем специальных керамических марок.
Целью данной исследовательскойработы было повышение механических характеристик для изделий высоковольтного фарфора,путем введения в массу компонента глинозема. Было выбрано три состава массы с содержаниемглинозема в количестве 15, 25 и 27%, а также, для сравнения, взята масса, используемаяна заводе «Урализолятор».
В ходе работынеобходимо определить наиболее приемлемый состав глиноземистой массы, исходя изсравнения полученных свойств. Следует также учитывать, что глинозем является достаточнодорогостоящим материалом, и применение его в производстве изоляторов потребует дополнительныхрасходов.
Но при производствефарфоровых изоляторов из глиноземистой массы из-за улучшения качества самих изоляторов,становится возможным увеличение объемов продаж и, следовательно, увеличение прибыли.
электротехническийфактор сырьевой изолятор
 

Аналитическийобзор научно-технической литературы
Электротехническийфарфор – один из наиболее широко применяемых керамических материалов для изготовленияизоляторов высокого и низкого напряжения.
Несмотря на созданиемногих других керамических материалов с более высокими механическими и диэлектрическимихарактеристиками, роль фарфора в ряде отраслей электротехники не только не снизилась,а, наоборот, весьма возросла. Особенно велика роль электротехнического фарфора какматериала для производства высоковольтной аппаратуры и изоляторов.
Широкое применениефарфора в качестве электроизолирующего материала объясняется не только его сравнительновысокими диэлектрическими характеристиками. Следует прежде всего указать, что производствофарфора является одним из старейших и поэтому наиболее освоенным керамической промышленностью.
Сырьем для производствафарфора служат природные, достаточно широко распространенные и недорогие материалы:огнеупорные глины и каолины, кварц (кварцевый песок), полевые шпаты и пегматиты.
В отличие от другихсинтезированных керамических материалов электротехнический фарфор имеет большиетехнологические преимущества, связанные с особенностями состава шихты и физико-химическихпроцессов, протекающих при обжиге. Высокая пластичность фарфоровых масс позволяетоформлять крупногабаритные изделия, обладающие в необожженном состоянии достаточноймеханической прочностью для их транспортировки и механической обработки.
Характерной особенностьюфарфоровых масс при обжиге являются их широкий интервал спекания и малая чувствительностьк изменениям состава массы и колебаниям температуры обжига. Указанные свойства позволяютполучать высококачественные изделия в промышленных печах, в которых всегда имеютсязаметные перепады температур по объему печного пространства. К достоинствам фарфораследует отнести также сравнительно небольшие температуры его обжига, легко достижимыев печах самых различных конструкций.
Из электротехническогофарфора изготовляют высоковольтные изоляторы, используемые для передачи промышленноготока при частоте 50 Гц напряжением выше 1 кВ и низковольтные (установочные), используемыев быту при напряжениях до 500В.
Высоковольтныеизоляторы подразделяются на линейные, станционные и аппаратные. Линейные предназначеныдля электрических линий и крепятся либо подвешиванием (подвесные), либо на штыряхили крюках (штыревые). Станционные изоляторы применяются на электростанциях, аппаратные– для изготовления электротехнических устройств (трансформаторов, выключателей,предохранителей, распределителей напряжений и т. п.).
Фарфор имеет сравнительномалую механическую прочность. Предел прочности при изгибе глазурованного фарфораколеблется от 700 до 1000 кгс/см2. Диэлектрические характеристики фарфоратакже не являются особенно высокими. Электрическая прочность его при частоте 50Гц составляет 28-35 кВ/мм (действ.); удельное объемное электрическое сопротивление(при 20˚С) равно 7*1012 – 4*1013 Ом*см; тангенс угладиэлектрических потерь при 50 Гц равен 0.025 – 0.035. С учетом величины электрическойпрочности фарфора для повышения передаваемого напряжения на 10 кВ необходимо увеличениетолщины фарфорового изолятора примерно на 1 мм.
В связи с резкимповышением величины напряжения тока (до 700 кВ и более) применение обычного фарфорасвязано с соответствующим утяжелением изоляторов за счет увеличения толщины их стенок.Дальнейшее увеличение массы подвесных изоляторов может вызвать превышение прочностифарфора на растяжение. Поэтому возрастающие требования к высоковольтным изоляторампослужили причиной существенного улучшения характеристик обычного фарфора и созданияновых специальных видов фарфора.
Физико-химическиеосновы процесса фарфорообразования
При рассмотрениипроцессов, связанных с формированием фарфора, представляет интерес тройная диаграммасостояния Боуэна и Шерера К2О – Al2O3 – SiO2 (рис. 1). Она показываеттемпературу тройной эвтектики, при которой начинается остекловывание черепка, путьи последовательность выделения кристаллических фаз. С помощью диаграммы можно произвеститеоретические расчеты фазового состава образующегося фарфора и оценить влияние изменениясостава массы на ее поведение при нагревании. Так, если к составу Ф (5% K2O, 25% Al2O3 и 70% SiO2) добавлять K2O (полевой шпат), то температураплавления будет снижаться. У составов, находящихся на прямой, растворится весь кварци израсходуется весь полевой шпат.
Поскольку эвтектикаЕ содержит 9% К2О, для полного растворения кварца необходимо количествошпата, соответствующее указанному содержанию К2О. Массы с избытком полевогошпата будут относиться уже к глазурным составам.
На диаграмме кремнезем– лейцит – муллит (рис. 2) представлены типичные составы тонкокерамических масс,в том числе для электроизоляционного фарфора. Из диаграммы следует, что при увеличениисодержания полевого шпата количество жидкой фазы, образовавшейся при эвтектическойтемпературе, увеличивается и спекание происходит при более низкой температуре. Низшаятемпература тройной эвтектики в системе полевой шпат – глина – кварц равна 990˚С,образование же полевошпатового расплава происходит при 1140˚С.

Участок тройнойсистемы K2O — Al2O3 — SiO2, в поле муллита которого
располагаютсямногие составы фарфора (температура на кривых, ºС)
/>
Рис. 1
При более высокихтемпературах имеет место увеличение количества расплава. При этом единственно возможнойравновесной твердой фазой является муллит. Однако при обжиге фарфора не достигаетсяравновесное состояние.
По схеме, разработаннойХ.О.Геворкяном [1], процесс фарфорообразования может быть подразделен на пять периодов(рис. 3). Рисунок 3-а иллюстрирует исходную фарфоровую массу.
Расположение областейсоставов трехкомпонентных тонкокерамических масс на фазовой диаграмме кремнезем– лейцит – муллит (температура на кривых, ºС)

/>
Рис.2
1 период (рис.3-б) характеризуется протеканием реакций в твердой фазе. Продуктами этого периодаявляются кварц, полевой шпат и каолинитовый остаток, включающий муллит и избыточныйкремнезем. Таким образом, в этом периоде наблюдаются превращения глинистых компонентов.
2 период (рис.3-в) наступает с появлением жидкой фазы за счет плавления полевого шпата. Образовавшийсярасплав склеивает твердые частицы, вследствие чего растет механическая прочностьобжигаемого материала.
3 период (рис.3-г) характеризуется уменьшением вязкости расплава за счет повышения температуры,усилением действия поверхностных сил на границах фаз и интенсивной усадкой.

Схема образованияструктуры фарфора
/>
Рис.3
1 – каолинит;2 – кварц; 3 – полевой шпат; 4 – SiO2 в каолинитовом остатке; 5 – первичный муллит в каолинитовомостатке; 6 – контуры каолинита по границам взаимодействия с полевым шпатом; 7 –расплавленный полевой шпат; 8 – полевошпатовый расплав; 9 – кремнезем-полевошпатовыйрасплав в пределах каолинитового остатка; 10 – оплавленная каемка кварца; 11 – остаточныйкварц; 12 – диффузионный муллит в пределах полевошпатового расплава 4 период (рис. 3-д, 3-е) –взаимодействие полевошпатового расплава с кремнеземом каолинитового остатка. В этотпериод образуется кремнезем-полевошпатовый расплав, заполняющий промежутки муллитовыхкристаллов. Полевошпатовый расплав взаимодействует также с зернами кварца с образованиемкаемок жидкой фазы – расплава кварца в полевошпатовой жидкости (рис. 3-е).
5 период (рис.3-ж) – диффузионный, соответствует периоду высокотемпературной выдержки и связанс микрогетерогенностью материала. В этот период происходит более равномерное распределениеновообразований, рост кристаллов муллита в пределах полевошпатового расплава, значительноеуменьшение размеров остаточного кварца.
Следует отметить,что в действительности не имеет место столь четкая последовательность указанныхпроцессов, поскольку существуют определенная неоднородность состава обжигаемогоматериала, перепады температур по толщине обжигаемого изделия и т. п. Однако познавательнаяценность предложенной схемы от этого не уменьшается.
Таким образом,основные процессы фарфорообразования происходят при температуре выше 1000˚Спосле появления жидкой фазы, связанной с плавлением полевого шпата.
Из изложенноговидно, что образование фарфора сопровождается рядом физико-химических процессов,которые протекают сначала в твердофазном состоянии, а при повышенных температурах– в присутствии жидкой фазы.
Процесс спеканиякерамического материала зависит от многих факторов: начальной пористости изделия,количества образующейся жидкой фазы, размера частиц, степени смачивания твердойфазы жидкостью, растворимости твердой фазы, строения твердой фазы жидкости и т.д.
Спекание фарфорапредставляет собой типичный случай так называемого жидкостного спекания. Данныйвид спекания присущ и многим другим разновидностям электрокерамических материалов,в состав которых входят глинистые компоненты или плавнеобразующие добавки, напримерстеатитовые, кордиеритовые и др. В связи с этим представляет интерес кратко остановитьсяна механизме твердо-жидкостного спекания, т.е. уплотнения спекаемого тела в случаеобразования в обжиге расплава.
Различают дваслучая жидкостного спекания. Первый – когда жидкая фаза не взаимодействует с твердойфазой и второй – когда жидкая фаза реагирует с твердой.
Первый случайне является характерным для электрокерамических материалов. Спекание в этом случаеопределяется величиной поверхностного натяжения на границе фаз, вязкостью жидкойфазы и размером зерен кристаллов.
Механизм спеканияпри отсутствии взаимодействия между расплавом и твердой фазой схематически представленна рис.4.
Механизм спеканияв присутствии жидкой фазы
/>
Рис.4
Одинарные стрелкиизображают направление сближения сфер (усадка), двойные – перемещение вещества впространство пор
Процесс спеканиядля рассматриваемого случая характеризуется в начальной стадии образованием прослоекрасплава с отрицательным радиусом кривизны и в конечной образованием сферическихпор.
Для образованияжидких прослоек необходимо, чтобы энергетически было целесообразным разделение жидкостьюдвух одноименных твердых частиц, ранее соприкасавшихся. Это возможно при условии,что 2αт.жcosφ
Над поверхностьюс небольшим отрицательным радиусом кривизны образуется отрицательное давление поотношению к поверхностям частиц. В результате этого происходит вязкое течение материалав поры, т.к. в связи с равномерным распределением жидкости в объеме образца действиекапиллярного давления эквивалентно действию давления всестороннего сжатия. Уплотнениематериала, таким образом, происходит за счет сближения центров частиц, перераспределениятвердой и жидкой фаз по объему. Спекание в конечной стадии с возникновением сферическихпор обусловлено образованием в них отрицательного давления. Получение плотного материаладля данного вида спекания возможно при условии образования достаточного количествастекловидной фазы и полной смачиваемости.
Для второго случаяхарактерно взаимодействие жидкой фазы с твердой. В результате этого взаимодействиявозможны ограниченное растворение в жидкой фазе твердых фаз с последующей их кристаллизацией,перемещение твердого вещества диффузией ионов и вакансий и пластическое течениематериала. Спекание по У.Д. Кингери [1] протекает в три стадии. Первая стадия характеризуетсяобразованием жидкой фазы с небольшой вязкостью и изменением ориентации частиц подвлиянием сил поверхностного натяжения. При этом происходит частичное уплотнение.
Во второй стадииимеет место процесс растворения твердой фазы с последующей ее кристаллизацией. Вследствиерастворения участков зерен, находящихся в контакте, центры их сближаются. В даннойстадии происходит дополнительное уплотнение материала.
В третьей стадиизавершаются процессы рекристаллизации и роста зерен. При этом происходит формированиежесткого скелета. При недостатке жидкой фазы эффект ее влияния на спекание незначителен.
Для рассмотренноговида спекания частиц движущей силой является уменьшение упругости пара на поверхностираздела жидкость – пар. Размер зерен хотя и имеет значение, не является решающимфактором. Большое значение имеет температура, оказывающая влияние на величину коэффициентадиффузии в жидкой фазе.
По Я.Е. Гегузину[1] спекание с участием жидкой фазы подразделяется на процесс перегруппировки, процессрастворения – осаждения и твердофазного спекания.
Г.В. Куколевым[1] отмечается исключительное значение перекристаллизации твердых фаз через расплавпри ограниченном его количестве. Явление перекристаллизации – результат стремлениясистемы к уменьшению изобарного потенциала и различия в растворимости в расплавенеравновесных (исходных и промежуточных) и равновесных фаз, дисперсных, дефектныхи крупных кристаллов, поверхностей кривизны.
Процессу растворенияблагоприятствуют повышение дисперсности твердой фазы, наличие полной смачиваемостии понижение вязкости расплава. Известно, что для регулирования обжиговых свойствкерамической массы в состав ее вводятся различные добавки. Г.В. Куколевым показано,что добавки оказывают влияние на строение расплава. Строение расплава регулируетсяэнергией взаимодействия катиона с кислородом спекающей добавки:
Е= zk*2e2 ,
n(rk+rO2-)
где 2 и zk- валентности кислорода икатиона; n –координационное число катиона в расплаве, отвечающее координационному числу катионав выделяющейся из расплава кристаллической фазе; rkи rO2 — радиусы катиона и кислорода.Для каждой окиси или силиката технического состава (с примесями) спекающими являютсятакие добавки или их комбинации, у которых величина E*e2 лежит в узких пределах. Дляускорения кристаллизации твердой фазы необходимо образование большого количествасиботаксических областей со строением, близким к e2 строению решетки кристаллизующейсяфазы [1].

Фазовый состав,структура и свойства фарфора
Основными составнымичастями фарфора являются стекловидная фаза (50-64 объемн.%), муллит (15-30 объемн.%),кварц (14-30 объемн.%), сравнительно небольшое количество пор и кристобалит. Фазовыйсостав фарфора и его структура определяются исходным составом массы, технологиейее приготовления (прежде всего дисперсностью) и условиями обжига.
Фарфор имеет типичнуюгетерогенную структуру (рис. 5). Основная масса нормально обожженного фарфора представленастеклом и мелкозернистым муллитом в виде округлых или изометричных иголочек. Псевдоморфозыстекла по полевому шпату имеют четкие контуры или сливаются с основной массой его.Кристаллы муллита в них игольчатые, взаимно переплетенные в виде сетки. Длина ихдостигает 10-40 мкм.
Зерна кварца,распределенные в основной массе, имеют остроугольную или округлую форму; зона оплавленияих равна обычно 1-3 мкм. Размер зерен кварца колеблется в широких пределах. Среднийразмер составляет примерно 15-20 мкм, максимальный достигает 100 мкм.
Фазовый составотечественного фарфора колеблется примерно в следующих пределах (объемн.%): муллит– 21–22; кварц – 16–18; стекловидная фаза – 60–64.
Свойства фарфораопределяются как его фазовым составом, так и структурой.
Образующаяся вфарфоре стекловидная фаза в силу гетерогенного состава массы и незавершенности процессовв обжиге неоднородна.
Различают следующиеее разновидности: полевошпатовое стекло в пределах зерен полевого шпата, в которомрастворились кварц и каолинит (псевдоморфозы стекла по полевому шпату), кремнеземистоестекло вокруг зерен кварца, стекло, образующееся за счет растворения кварца в полевошпатовомстекле, стекло, образующееся за счет взаимодействия каолинитового остатка с полевошпатовымрасплавом.
Микроструктураизоляторного фарфора (×400)
/>
Рис. 5
В кремнеземистомстекле в отличие от других разновидностей не наблюдается наличие муллита.
Муллит в фарфореразличается по структуре: муллит в виде крупных сравнительно немногочисленных иголочекв участках полевошпатового стекла; сетки кристаллов в пределах зерен каолинита;игольчатые скопления около пор; тончайшие (вплоть до субмикроскопических) скопления.Разновидности первая и третья относятся ко «вторичному» муллиту, вторая и четвертая– к первичному. Муллит разделяется на пластинчатый (первичный), образующийся изглинистых минералов, и игольчатый, образующийся при охлаждении стекловидной фазы.
Первичный муллитпри повышенных температурах растворяется в стекловидной фазе и при охлаждении можетчастично выкристаллизовываться в виде иглоподобного муллита. Этот процесс протекаетс большей интенсивностью в расплавах натриевого полевого шпата, чем калиевого, всвязи с меньшей его вязкостью.
Д и э л е к тр и ч е с к и е с в о й с т в а. С учетом условий службы изоляторов к фарфору предъявляютсявысокие требования в отношении его диэлектрических, механических и термических свойств.
Наиболее важнойдиэлектрической характеристикой фарфора является прочность на пробой (кВ/мм). Величинапрочности на пробой преимущественно зависит от количества стекловидной фазы. Поданным А.И. Августиника величина электрической, равно как и механической, прочностиимеет максимальное значение при оптимальном количестве стекловидной фазы.
Связь между количествомстеклофазы в фарфоре и его пробивной и механической прочностью (по Августинику)
/>
Рис. 6
1 – пробивнаяпрочность фарфора; 2 – механическая прочность фарфора; 3 – количество стеклофазыв фарфоре
Электрическомупробою изолятора предшествует увеличение проводимости фарфора, при наложении нанего электрического поля, в связи с происходящим при этом повышением температуры.
Проводимость полевошпатовогофарфора имеет ионный характер и определяется преимущественно содержанием в стекловиднойфазе катионов натрия и калия. Выше 650ºС в проводимости начинают участвоватьионы алюминия и железа, по другим данным только ионы железа.
Сравнительно высокаяпроводимость стекловидной фазы фарфора объясняется, таким образом, наличием в нейионов щелочных металлов. Последние способствуют разрыхлению структуры стекловиднойфазы, в связи с чем облегчается движение носителей тока. Подвижность ионов определяетсяих валентностью и ионным радиусом.
Щелочные ионынаименее прочно связаны; они обусловливают повышенную проводимость фарфора. Интенсивностьдвижения их усиливается под действием электрического поля с увеличением температуры.Характер изменения удельного электрического сопротивления ряда разновидностей фарфорас повышением температуры представлен на рис. 7.
Зависимость удельногосопротивления фарфора от его температуры
/>
Рис. 7 1 – твердого;2 – электротехнического; 3 – стеатитового; 4 – цирконового (по Русселю и Альбрес-Шенбергу)
Вместе с тем установлено,что введение в стекловидную фазу разных оксидов щелочных металлов в повышенных количествахприводит к понижению электропроводности, что объясняется уменьшением энергии активацииносителей тока. Данное явление получило название «нейтрализационного эффекта».
Согласно У.Д.Кингери [2] электропроводность поликристаллического электроизоляционного керамическогоматериала складывается из содержащихся в нем фаз. Заметная проводимость присущастекловидной фазе, низкая – порам и кристаллам изолятора.
При наличии небольшогоколичества округлых изолированных и равномерно распределенных пор электропроводностьуменьшается почти пропорционально увеличению пористости. Размер кристаллов керамикине оказывает влияния на величину электропроводности.
Г.И. Барашенковымбыло установлено, что у фарфора, изготовленного на микроклине, альбите и их смесях,tgδ возрастает при уменьшениив них отношения оксида калия к оксиду натрия. Наименьшая величина tgδ соответствует фарфору на микроклине(0.024), наибольшая – фарфору на альбите (0.271). Отмечается значительное возрастаниеtgδ в фарфорах, в которых отношениеоксида калия к оксиду натрия составляет менее единицы. Были также установлены уменьшениеtgδ у фарфора и повышение температуры,соответствующей его возрастанию, при частичной замене оксидов калия и натрия оксидамикальция.
Диэлектрическаяпроницаемость ε фарфора при замене микроклина альбитом повышается и более резкоизменяется с ростом температуры. Полная замена в шихтовом составе фарфора микроклинаальбитом вызывает рост ε в 1.4 раза при 20ºС и в 2 раза при повышениитемпературы до 50ºС.
Удельное объемноесопротивление ρυ у фарфора на микроклине выше (4*1013ом*см), чем на альбите (1*1010 ом*см). Замена микроклина альбитом илиуменьшение отношения К2О к Na2O вызывает понижение ρυ.
Электрическаяпрочность фарфора при нормальной температуре мало зависит от соотношения К2Ок Na2O в стеклофазе. Однако от этогосоотношения весьма существенно зависит температура, при которой наблюдается заметноеснижение пробивной напряженности. Уменьшение в фарфоре отношения К2О: Na2O снижает эту температуру. Наиболеевысокая температура наблюдалась у фарфора на микроклине (135ºС), наиболее низкаяу фарфора на альбите (50ºС). Температуры, соответствующие заметному снижениюпробивной напряженности, оказались близкими к температурам, при которых наблюдалосьрезкое возрастание tgδ. Следовательно, снижение пробивной напряженности при нагревевызвано резким возрастанием диэлектрических потерь.
В этом же исследованиивыявлено, что наличие в полевом шпате оксида кальция благоприятно сказывается наэлектрической и механической прочности фарфора. В ряде работ отмечается положительноевлияние однородности структуры на его электрическую прочность и отрицательное –наличие пористости.
В связи с изложеннымвыше об электропроводности и диэлектрических потерях фарфора представляется возможнымуказать некоторые пути улучшения этих характеристик за счет:
1) уменьшениясодержания щелочных оксидов;
2) увеличенияв стеклофазе соотношения К2О: Na2O;
3) замены частищелочных оксидов оксидами щелочноземельных металлов.
М е х а н и че с к а я п р о ч н о с т ь. Механическая прочность фарфора, как и всякого керамическогоматериала, определяется свойствами наиболее слабой составляющей его структуры –стекловидной фазы.
Прочность и упругостькристаллического кварца, муллита и фарфора характеризуются следующими (табл.1) величинами(кгс/см2):
Таблица 1 Механические свойства кварца,муллита и фарфораСвойства Наименование кристаллической фазы Кварц Муллит Фарфор
Предел прочности при сжатии, кгс/см2 22000 8300 4000-5500
Предел прочности при разрыве, кгс/см2 850 820 250-500
Предел прочности при изгибе, кгс/см2 1200 980 600-850

Из сопоставленияприведенных выше данных следует, что механические свойства фарфора ниже аналогичныхсвойств содержащихся в нем кристаллических фаз.
Поскольку в электротехническомфарфоре содержится около 50% стекловидной фазы, ее превалирующее влияние на механическиесвойства фарфора не вызывает сомнения.
Прочность самойстекловидной фазы зависит от ее состава. Повышение в стекловидной фазе SiO2 и Al2O3 способствует увеличению еепрочности. Последнее в известных пределах может быть достигнуто за счет изменениясостава шихты фарфора или режима обжига.
В связи со сказаннымвыше о прочностных характеристиках кристаллических фаз становится также очевиднымположительное влияние на механические показатели фарфора повышения содержания внем кварца и муллита.
Положительноевлияние увеличения количества кварца на прочность фарфора подтверждается рядом исследований.
По теории Марцаля[2] наличие в составе шихты фарфора кварца приводит к возникновению внутренних напряженийв процессе охлаждения изделий, что обусловливается различными значениями коэффициентовлинейного расширения кварца и стеклофазы.
Данные о коэффициентахлинейного расширения в процентах в области температур от 20 до 780ºС приводятсяниже.
Кварц………………… 1.38
Кристаболит…………1.82
Тридимит…………….1.21
Муллит……………….0.48
Полевой шпат…………0.34
Стеклофаза……………0.53 – 0.79
Фарфор…………………0.27 – 0.34
По Марцалю [2]стекловидная фаза до температуры застывания следует за объемным изменением зеренкварца. В связи с большим линейным расширением зерен кварца по сравнению с линейнымрасширением стекловидной фазы, окружающей их, возникают структурные напряжения сжатия,которые и обусловливают повышение механической прочности фарфора. При этом былопоказано, что максимальное достижение прочности возможно при определенном зерновомсоставе применяемого кварца.
Механическая прочностьфарфора зависит не только от количества оставшегося в фарфоре кварца и размера зеренкварца, но и от степени его оплавления.
Механическая прочностьфарфора определяется в основном остаточными напряжениями стекловидной фазы, которыетем выше, чем больше в фарфоре остаточного кварца. Рекомендуется применять массы,содержащие до 35% кварца за счет снижения содержания глинистых компонентов (до 40%)и полевого шпата.
Дитцелем и Падуровым[2] показано, что в зависимости от природы кварцевого сырья существенно изменяютсяфазовый состав фарфора и его технические характеристики. При прочих одинаковых условияхколичество кристобалита увеличивается с повышением температуры обжига и уменьшениемисходных величин зерен кварца. С учетом теории Марцаля и значений коэффициента линейногорасширения модификаций кварца следует, что образование в фарфоре кристобалита должнооказывать положительное влияние на его механическую прочность.
Приведенные вышеданные о влиянии наличия кварца на прочностные характеристики фарфора позволяютсчитать, что возникающие в фарфоре напряжения обусловливаются количеством нерастворившегосякварца, размером его зерен и степенью их оплавления. Одновременно с этим следуетотметить влияние образующегося в процессе обжига кристобалита, а также состава стекловиднойфазы, определяющего температуру ее затвердевания и величину коэффициента линейногорасширения, на свойства фарфора.
Положительноевлияние на механическую прочность фарфора оказывает и муллит, что подтверждаетсяработами П.П. Будникова, Х.О. Геворкяна и др [2].
Увеличение общегосодержания муллита в фарфоре может быть достигнуто путем повышения содержания глинистыхсоставляющих либо дополнительным введением в массу Al2O3, которая, вступая в реакциюс кремнеземом, образует муллит.
С учетом изложенногоо влиянии наличия кварца и муллита на свойства фарфора становится очевидной зависимостьего прочностных характеристик от других факторов, оказывающих влияние на процессфарфорообразования с точки зрения повышения в нем кристаллических фаз – природыполевошпатового сырья и минерализаторов, режима и температуры обжига.
Заметное повышениемеханической прочности достигается и за счет повышения дисперсности исходных компонентов,что приводит к получению более мелкозернистой и однородной структуры фарфора.
В ряде работ отмечаетсяотрицательное влияние на механические характеристики фарфора наличия в нем пористости.Наличие пор служит признаком недостаточного развития стекловидной фазы или высокойее вязкости. Устранения этого явления можно достичь увеличением в массе содержанияполевошпатовых минералов либо повышением температуры или длительности обжига, еслиречь идет о фарфоре определенного состава.
Т е р м и ч ес к а я у с т о й ч и в о с т ь. Термическая устойчивость фарфора, т. е. его способностьвыдерживать температурные колебания без разрушения, является сложной функцией рядяего характеристик. Способность керамических материалов выдерживать резкие изменениятемпературы оценивается так называемым коэффициентом термической устойчивости. Дляполучения фарфора с повышенной термостойкостью необходимы, прежде всего, высокаяпрочность на разрыв и низкий коэффициент линейного расширения.
Учитывая значениекоэффициентов линейного расширения фаз фарфора, можно считать, что фарфор будетобладать повышенной термостойкостью при большем содержании в нем муллита и меньшемкварца. Для получения фарфора с повышенной термостойкостью стекловидная фаза должнасодержать большее количество SiO2 и Al2O3.
На практике термическуюустойчивость изоляторов определяют перепадом температур, который они выдерживаютпри погружении их в воду [2].
Керамика наоснове силикатов и алюмосиликатов
Муллит и корундимеют высокую температуру плавления (соответственно 1910 и 2050ºС), благодарячему нашли широкое применение в производстве огнеупорных и высокоогнеупорных керамическихизделий. Кроме того, муллит и корунд как индивидуальные кристаллические веществаобладают рядом ценных электрофизических и химических свойств, которые используютсяв изделиях электроизоляционного назначения, химически стойких для работы при нормальныхили умеренно высоких температурах.
В зависимостиот химического и связанного с ним фазового состава высокоглиноземистую техническуюкерамику, так же как и огнеупорную керамику, подразделяют на три основные группы:
1) муллито-кремнеземистуюс содержанием Al2O3 в пределах 45 – 70%;
2) муллито-корундовуюс содержанием Al2O3 от 70 до 90%;
3) корундовуюс содержанием Al2O3 более 95%.
Существенное отличиевысокоглиноземистой технической керамики от огнеупорной состоит в ее плотной структуре,для формирования которой в состав вводят те или иные добавки, преследующие главнымобразом цель снизить температуру спекания.
При введении добавокфазовый состав высокоглиноземистой технической керамики становится более сложным,чем в соответствующих массах огнеупорной керамики. Если при производстве высокоглиноземистыхогнеупоров стремятся ограничить содержание примесей, т.к. они могут снизить огнеупорныесвойства, то при изготовлении технической керамики в ряде случаев специально вводятнекоторые добавки, способные при умеренных температурах обжига образовать с основнымикомпонентами массы стекловидную фазу желаемого состава. В ряде случаев стремятсяк весьма точному соблюдению заданного фазового состава, поскольку от этого зависяттехнические свойства керамики. Этот прием типичен при производстве муллитовых имуллито-корундовых изделий, а также некоторых масс корундового состава.
Перечисленныеособенности свойств, состава и строения высокоглиноземистой технической керамикиобусловливают соответствующее построение технологического процесса, зачастую своеобразногов каждом отдельном случае [3].
Муллитоваяи муллито-корундовая керамика
Муллитовую и муллито-корундовуюкерамику относят к группе высокоглиноземистых материалов. Муллитовой называют керамику,содержащую 45 – 70% Al2O3, в которой преобладающей кристаллической фазой является муллит. Вмуллито-корундовой керамике присутствует также корунд, при этом содержание Al2O3 составляет от 70 до 95% (рис.8).
Если в керамикесодержание Al2O3 превышает 72%, то могут совместно существовать муллит и корунд. При1850ºС эти кристаллические фазы образуют эвтектику. При дальнейшем повышениисодержания Al2O3 от 72 до 77.2% образуются твердые растворы на основе муллита. Сказанноеимеет место при использовании чистых оксидов SiO2 и Al2O3.
Реально в составесырья, а также за счет вводимых добавок содержатся оксиды и других элементов, восновном щелочных и щелочноземельных, что может оказывать влияние на фазовый состав,строение и свойства керамики [4].
Диаграмма состояниясистемы Al2O3 – SiO2 (по Торопову и Галахову)
/>
Рис.8
В реальных составахмуллитовой и муллито-корундовой электроизоляционной керамики обычно содержится 6– 10% оксидов щелочных и щелочноземельных металлов, образующих в процессе обжигажидкую фазу. Присутствующие в сырье и умышленно вводимые добавки (CaO, MgO, B2O3, BaO и др.) снижают температуруспекания. Фазовый состав такой керамики уже не будет соответствовать диаграмме состоянияAl2O3 – SiO2, т.к. химический состав исходнойсмеси обогащен оксидами других металлов и система по существу перестает быть двухкомпонентной.Оксиды щелочных и щелочноземельных металлов взаимодействуют с SiO2 и другими оксидами, образуяпри соответствующих температурах жидкую фазу, которая после охлаждения становитсястекловидной. Так как щелочные и щелочноземельные оксиды в первую очередь взаимодействуютс SiO2, вся система после охлаждениябудет обогащаться корундом и обедняться муллитом, т.к. часть SiO2, которая должна бы пойтина образование муллита, будет связана в стекловидной фазе.
Таким образом,в зависимости от содержания в исходной массе Al2O3 и SiO2, количества и вида примесейи специально введенных добавок может существовать бесчисленное количество вариантовсоставов муллитовой и муллито-корундовой керамики. При этом температура спеканияи свойства будут меняться весьма существенно.
Производство спекшейсявысокоглиноземистой керамики муллито-кремнеземистого и муллито-корундового состава,так же как и пористых огнеупорных изделий, может основываться на использовании природноговысокоглиноземистого сырья группы минералов андалузита, кианита, силлиманита, дьюмортерита,либо чистых природных глин и каолинов с добавками искусственных материалов, содержащихAl2O3.
Муллитовая керамика,содержание Al2O3 в которой не превышает 70%, обычно имеет только одну кристаллическуюфазу – муллит, а количество стекловидной фазы, в которую вовлекается и некотораячасть Al2O3, может достигать 40 – 50%.
В муллито-корундовойкерамике количество Al2O3 обычно повышается при совместном присутствии муллита и корунда и присоответствующем снижении количества стекловидной фазы. Составы с содержанием Al2O3 70 – 80% широко представленыв различных видах электроизоляционной керамики. Целый ряд материалов, включающих70 – 75% Al2O3, содержит помимо муллита еще и корунд, как, например, масса «уралит»,ультрафарфор.
Причиной появлениязавышенного (против расчетно-теоретического) количества корунда может быть недостаточнотонкое измельчение глинозема, в результате чего он не полностью вступает в химическиереакции, а также указанное выше взаимодействие добавок с SiO2. Составы керамики с содержаниемAl2O3 70 – 95% в настоящее времявесьма распространены в производстве различных видов электроизоляционной керамики.
Химический и фазовыйсоставы высокоглиноземистой керамики находятся в зависимости от вида и чистоты применяемогосырья, его соотношения в массе и принятой технологии переработки.
Для производстваизделий технической керамики электроизоляционного назначения помимо необходимогоколичества связующей глины вводят 3 – 5% плавней в виде щелочноземельных оксидов.В результате этого химический состав изделий еще больше обедняется Al2O3, и общее количество Al2O3 в изделии находится в пределах50 – 55%. Фазовый состав также претерпевает изменение по сравнению с подобным составомогнеупорных изделий из этого сырья, и количество стекловидной фазы составляет ужеоколо 50%.
Повышение содержанияAl2O3 в изделиях и связанное сэтим улучшение свойств технической керамики, может быть достигнуто только лишь однимпутем, а именно путем введения в массу дополнительного количества Al2O3, чаще всего в виде техническогоглинозема. Меняя количество вводимого глинозема и природных видов сырья, глин икаолинов, а также количество добавок, есть возможность широко изменять составы высокоглиноземистоймуллито-корундовой керамики.
В целях созданиямуллитовых материалов практикуется синтез муллита из глин и глинозема, который преследуетцель связать образовавшийся при разложении глин или каолинита SiO2 во «вторичный» муллит [4].
Таким образом,для получения высокоглиноземистой керамики муллитового и муллито-корундового составатребуется провести синтез муллита. Синтез муллита может быть осуществлен двумя технологическимиспособами, а именно непосредственно в изделии при его однократном обжиге и предварительнов виде полуфабриката в форме брикета или спека.
Первый способимеет много недостатков, связанных с большими усадками изделий, трудностью полученияизделий точных размеров и правильной геометрией и поэтому в производстве техническойкерамики получил ограниченное применение. Однако при изготовлении некоторых изделиймуллито-корундового состава, имеющих сравнительно невысокие усадки, этот способнаходит широкое применение.
Муллитовую керамикучаще получают по второму способу, предусматривающему предварительный синтез муллита.Для этого глинозем подвергают помолу отдельно или совместно с глиной. Суспензиюобезвоживают на фильтрпрессах и после подсушки коржи перерабатывают на ленточныхпрессах в брикет, который после подсушки обжигают. Предварительный обжиг глиноземав этом процессе не требуется. Добавки – плавни вводят при помоле или смешивании.Температура обжига брикета и спека при предварительном синтезе составляет 1400 — 1450ºС, в зависимости от состава масс. Известно, что синтез муллита без введениядобавок требует температуру 1570 — 1650ºС, при которой завершается спекание.
Полученный спекдробят и подвергают тонкому измельчению обычно в шаровых мельницах с кремневой футеровкой,поскольку небольшой намол SiO2 не влияет на свойства изделий. Для изготовления изделийиз измельченного муллита могут быть использованы различные технологические схемы.В случае пластического формования муллит вновь смешивают с огнеупорной пластичнойглиной. И далее процесс совпадает с обычной схемой пластического формования. Практическинеобходимый минимум введения глинистых веществ, при котором масса сохраняет пластическиесвойства, составляет 25 – 30%, а это означает, что предельное содержание Al2O3 в массе не будет превышать75 – 80%. Температура окончательного обжига изделий находится в пределах 1350 –1450ºС. Если изделия будут изготовлять по непластичной технологии, то порошокмуллита должен быть соответствующим образом подготовлен.
Введение в муллито-корундовыемассы оксидов щелочноземельных металлов и почти полное исключение оксидов щелочныхметаллов обусловлено стремлением понизить электропроводность образующейся стекловиднойфазы, т.к. носителями тока являются главным образом ионы Na+иK+. Наиболее эффективное влияниена снижение электропроводности оказывают ионы Са+ (ионный радиус 1.04Å)и Ва2+ (1.38 Å). Считается, что эти ионы большого размера и несутбольшой заряд, имеют меньшую подвижность и тормозят движение ионов щелочных металлов,понижая тем самым электропроводность всей системы. Такое совместное действие двухразличных видов ионов, снижающих электропроводность стекловидной фазы, носит названиенейтрализационного эффекта.
Свойства высокоглиноземистойспеченной керамики муллитового и муллито-корундового состава зависят от ряда факторови прежде всего:
1) от химическогосостава, главным образом содержания Al2O3, вида и количества примесей и введенных добавок;
2) от фазовогосостава и соотношения основных кристаллических фаз, т.е. муллита и корунда, а такжеи от состава стекловидной фазы и ее количества;
3) от микроструктурыматериала, размера и формы кристаллических фаз, характера распределения стекловиднойфазы и пор.
Как правило, всемеханические и электрофизические свойства высокоглиноземистой керамики улучшаютсяпо мере увеличения в ней содержания Al2O3, что, в свою очередь, приводит сначала к росту муллитовой,а затем и корундовой фазы. Поскольку муллит и корунд обладают высокими значениямиэлектрофизических свойств, свойства изделий определяются в первую очередь содержаниемэтих кристаллических фаз, а также количеством и соотношением их и стекловидной фазы.
Значения основныхмеханических свойств для высокоглиноземистой технической керамики с различным содержаниемAl2O3 даны в табл.2.
Благодаря высокимэлектрофизическим свойствам муллитовую и муллито-корундовую керамику в качествевысокочастотного и в ряде случаев высоковольтного изолятора.
Диэлектрическаяпроницаемость муллито-кремнеземистых масс обычно находится в пределах 5.5 – 6.5,муллито-корундовых 6.5 – 9, а чистого корунда 10.5 – 12. С повышением температурыдиэлектрическая проницаемость возрастает незначительно.
Таблица 2 Механические свойства плотнойспекшейся высокоглиноземистой керамики (средние значения)Керамика
Содержание
Al2O3 в % Предел прочности
Модуль упругости
Е*106 в
кг/см2
при сжатии в
кг/см2
при изгибе в
кг/см2
при ударном изгибе
кг*см/см2 Муллито-кремнеземистая
45 – 60
60 – 70
4000 – 5000
5000 – 10000
600 – 800
800 – 1200
2 – 3
3 – 4.5
1 – 1.1
1.1 – 1.5
Муллито-
корундовая
70 – 80
80 – 95
10000 – 15000
15000 – 20000
1200 – 1800
2000 – 3000
4.5 – 6
5.5 – 6.5
1.5 – 2.3
2.3 – 3.2
Удельное объемноесопротивление ρv высокоглиноземистой керамики в значительной мерезависит от количества и состава стекловидной фазы, поскольку ρv муллитаи корунда существенно выше, чем у стекла. При низких температурах ρvв муллитовых и муллито-корундовых массах обычно отличается не более чем на 2 – 3порядка. Однако с повышением температуры наличие стекловидной фазы проявляется болеезаметно, и объемное сопротивление масс с меньшим количеством кристаллических муллитаи корунда снижается значительно заметнее, чем у масс с высоким содержанием кристаллическихфаз (рис.9).
Диэлектрическиепотери высокоглиноземистой керамики также увеличиваются по мере роста в ней стекловиднойфазы и во многом зависят от состава этой фазы. Одновременно на диэлектрические потеривлияет и структура материала. Плотная керамика, при минимальном содержании закрытыхпор, имеет меньшие потери, чем керамика такого же состава, но с большей пористостьювследствие потерь энергии на ионизацию газа, находящегося в порах.
Зависимость удельногообъемного сопротивления от температуры
/>
Рис.9 1 – корунд; 2 – муллито-корундоваякерамика; 3 – фарфор
Диэлектрическиепотери высокоглиноземистой керамики возрастают с повышением температуры и до определенногозначения частоты тока.
Корунд имеет tgδ=(1÷3)10-4при 20ºС, частоте 1 – 3 МГц и содержании 50 – 60% Al2O3 имеет tgδ=(30÷60)10-4,при содержании 70 – 80% около (5÷10)10-4.
Величина пробивнойнапряженности у высокоглиноземистой керамики находится в пределах 30 – 35 кВ/мми сильно зависит от структуры материала [3].
Выбор соотношенияглинозема и полевого шпата в высокопрочных фарфоровых массах
Для разработкиновых составов высокопрочного глиноземистого фарфора необходимо изучение прочностныхсвойств продуктов взаимодействия глинозема с полевошпатовыми материалами с цельюустановления общих закономерностей образования глиноземполевошпатовых композиций,сочетающих высокую прочность с низкой температурой спекания.
Исследовали [5]спеки глинозема с полевошпатовыми материалами при соотношениях 1:1, 1.5:1, 2:1,3:1. для приготовления спеков использовали глинозем ГК; белогорский и приладожскийполевые шпаты, приладожский пегматит. Химический состав сырьевых материалов приведенв табл.3. Путем смешивания этих материалов готовили смеси, шихтовый состав которыхпредставлен в табл.4. Образцы изготовляли прессованием при удельном давлении 200МПа с последующей сушкой и обжигом при температурах 1300, 1350, 1380, 1410 и 1430ºСв течение 9ч с выдержкой при конечной температуре 45мин.
Таблица 3 Химическийсостав сырьевых материаловМатериал Массовое содержание, %
SiO2
Al2O3
Fe2O3
TiO2 CaO MgO
K2O
Na2O
∑R2O п.п.п. Белогорский полевой шпат 65.80 18.30 0.14 0.11 0.54 0.19 11.05 3.46 14.52 0.47
Приладожский полевой шпат:
I
II
68.12
64.14
16.60
18.93
0.24
0.44
0.34
0.28
0.56
0.51
0.20
0.09
10.18
12.27
3.44
3.45
13.62
15.72
0.30
0.30 Приладожский пегматит 73.35 15.00 0.28 0.22 0.55 0.19 7.00 2.80 9.8 0.57 Глинозем ГК 3.85 94.91 0.12 – – – 0.48 0.23 – 0.41
По расчетномухимическому составу исследуемых смесей содержание суммы щелочных оксидов в них изменяетсяот 2.98 до 8.93, отношение содержания глинозема к сумме щелочных оксидов (Al2O3:∑R2O) – от 4.88 до 25.20 и отношениесодержания оксида калия к оксиду натрия (K2O:Na2O) – от 2.40 до 3.38 (табл.5).За температуру спекания принята температура максимальной усадки образца при дилатометрическихиспытаниях по методу ВНИИФа.
Физико-механическиехарактеристики глиноземполевошпатовых смесей приведены в табл.6. Температура спеканияисследованных смесей изменяется от 1300 до 1520ºС. Модуль упругости образцов,обожженных при температурах их спекания, находится в пределах 8*104 –12*104 МПа. Значения температур спекания, лежащих выше 1430ºС, полученыэкстраполяцией зависимости открытой пористости от температуры обжига соответствующихобразцов.
Таблица 5 Содержаниеоксидов в исследуемых смесяхСмесь Массовое содержание, %
K2O: :Na2O
α-Al2O3: :∑R2O
K2O
Na2O
∑R2O 1 5.46 1.85 7.61 3.12 6.55 2 4.71 1.52 6.23 3.10 9.64 3 4.00 1.30 5.30 3.08 12.60 4 3.12 1.01 4.13 3.10 18.10 5 3.74 1.52 5.26 2.46 9.50 6 3.09 1.29 4.38 2.40 13.70 7 2.65 1.08 3.73 2.45 17.90 8 2.11 0.87 2.98 2.43 25.20 9 5.33 1.84 7.17 2.90 6.96 10 4.36 1.51 5.87 2.89 10.20 11 3.71 1.29 5.00 2.88 13.10 12 2.90 1.03 3.93 2.82 19.10 13 5.46 1.67 7.13 3.27 7.75 14 6.17 1.88 8.15 3.34 5.97 15 6.89 2.04 8.93 3.38 4.88
Математическаяобработка результатов позволила получить уравнение 1-го порядка для зависимоститемпературы спекания образцов от отношения корунда к сумме щелочных оксидов и отношенияоксида калия к оксиду натрия
Тсп=799.41+133.72х1+15.51х2,
где Тсп– температура спекания;
х1– соотношения содержания оксидов K и Na (K2O:Na2O);
х2– отношение содержания α-Al2O3 к сумме оксидов щелочных металлов (α-Al2O3:∑R2O).
Таблица 6 Характеристикиисследуемых смесейСмесь
Модуль упругости Е*10-4, МПа,
при температуре, ºС
Темпера-
тура спе-
кания,ºС 1300 1350 1380 1410 1430 1 7.50 8.82 8.51 7.61 – 1325 2 6.93 8.32 8.71 8.90 9.82 1375 3 6.02 6.28 6.99 9.58 10.52 1410 4 5.41 6.38 6.57 8.93 10.23 1500 5 8.10 9.05 9.00 9.42 10.29 1305 6 8.08 9.39 9.34 10.19 10.96 1335 7 6.57 8.14 8.20 10.89 12.42 1400 8 5.47 6.73 6.46 9.64 11.40 1520 9 9.25 8.88 8.92 9.00 10.32 1290 10 7.98 9.18 9.25 10.42 11.65 1340 11 8.38 7.85 9.20 10.49 12.39 1380 12 – – 7.30 9.98 11.83 1465 13 8.30 10.00 10.80 11.10 10.90 1390 14 10.80 10.60 10.40 10.10 9.80 1330 15 10.30 10.00 9.70 9.30 9.10 1300
Анализ уравненияпоказывает, что увеличение как соотношения K2O:Na2O, так и соотношения α-Al2O3:∑R2O приводит к повышению температурыспекания. При этом увеличение соотношения K2O:Na2O на 0.1 повышает температуруспекания на 13.4ºС, а увеличение соотношения α-Al2O3:∑R2O на 1.0(5.0) – на 15.5ºС(77.5ºС). Таким образом, для снижения температуры спекания целесообразней уменьшитьсоотношение K2O:Na2O.
В табл.6 приведенызначения модуля упругости образцов, обожженных при температуре их спекания, приразличных соотношениях K2O:Na2O и α-Al2O3:∑R2O в смесях. С увеличением соотношенияα-Al2O3:∑R2O наблюдается рост модуля упругости материала. Возрастаниесоотношения K2O:Na2O при постоянном соотношении α-Al2O3:∑R2O также сопровождается повышениеммодуля упругости образцов.
Одна и та же величинамодуля упругости может быть достигнута при различных соотношениях K2O:Na2O и α-Al2O3:∑R2O в материалах.
Обработка экспериментальныхданных позволила получить уравнение 2-го порядка
М=37.85+13.80х1-17.07х2-76.60х3-4.41х1х2+6.44х1х3+24.28х2х3-0.11х12-1.82х22+32.56х32,
где М – модульупругости, 104 МПа;
х1– соотношение K2O:Na2O;
10*х2– соотношение α-Al2O3:∑R2O;
103*х3– температура обжига, ºС.
Частные производныепо х1 и х2 равны:
∂М/∂х1=13.80-0.22х1-4.41х2-6.44х3;
∂М/∂х2=-17.07-4.41х1-3.64х2+24.28х3.(1)
Из условия ∂М/∂хi=0 получены уравнения, позволяющиеопределить значения х1 и х2, при которых модуль упругостиимеет экстремум
х1=62.73-20.05х2-29.27х3;(2)
х2=-4.69-1.21х1+6.67х3.(3)
По уравнению (2)при заданных величинах температуры обжига и соотношения α-Al2O3:∑R2O можно выявить соотношениеK2O:Na2O, при котором модуль упругостипринимает максимальное значение. Аналогично по уравнению (3) можно найти соотношениеα-Al2O3:∑R2O, при котором модуль упругости максимален при заданныхзначениях температуры обжига и соотношения K2O:Na2O.
При постояннойтемпературе обжига поверхность, описываемая уравнением (1), имеет вид «седла» — гиперболического параболоида.
Решив системууравнений (2) и (3), получим координаты «седловинной» точки в зависимости от температурыобжига
х1=7.01х3-6.74;(4)
х2=3.47-1.81х3.(5)
Из уравнений (4)и (5) следует, что при повышении температуры обжига координаты «седловинной» точкисдвигаются в сторону бóльших значений соотношения K2O:Na2O и меньших значений соотношенияα-Al2O3:∑R2O. Поскольку в этой точке модуль упругости принимаетминимальное из максимальных значение, при увеличении температуры обжига целесообразновыбирать составы с минимально возможным для получения спеченного материала значениемсоотношения K2O:Na2O. Соответственно при пониженных температурах обжига для повышения модуляупругости рациональнее увеличивать соотношение K2O:Na2O, а не α-Al2O3:∑R2O.
Ограничения, накладываемыена соотношения α-Al2O3:∑R2O и K2O:Na2O, обусловлены характеристиками сырья и возможностямитехнологического процесса.
Следует такжеотметить, что при постоянном значении соотношения α-Al2O3:∑R2O, меньшем значения, соответствующегоуравнению (2), с увеличением соотношения K2O:Na2O модуль упругости повышается.При постоянных значениях соотношения α-Al2O3:∑R2O, больших значения, соответствующегоуравнению (2), с возрастанием соотношения K2O:Na2O модуль упругости снижается.
Установленныематематические модели могут быть использованы для выбора состава масс с оптимальнымисвойствами [5].
Влияние фазовогосостава фарфора на его механическую прочность
 
Фазовый составобожженного фарфора в значительной степени зависит от свойств сырьевых материалов.Для производства высоковольтных изоляторов из фарфора подгруппы 120 используетсяглиноземистая масса, содержащая 25% глинозема. Различие в свойствах поступающегосырья приводит к изменению фазового состава керамики. Кроме того, на фазовый составоказывает влияние изменение шихтового состава массы, что обусловлено необходимостьюподдержания ее технологических свойств на заданном уровне. В шихтовой состав массывводят глинозем, полевой шпат, пегматит, бой фарфора после первого обжига, кыштымскийкаолин, просяновский каолин, глина.
Изменения фазовогосостава, вызванные колебаниями свойств сырья и шихтового состава массы, оказываютвлияние и на физико-механические характеристики обожженного материала. По даннымхимического анализа содержание оксидов изменяется в следующих пределах (%): 41.20– 46.37 SiO2, 43.40 – 47.70 Al2O3, 0.31 – 0.95 Fe2O3, 0.17 – 1.37 TiO2, 0.40 – 1.28 CaO, 0.11 – 0.69 MgO, 2.07 – 3.45 K2O, 0.90 – 1.47 Na2O, 4.60 – 6.01 п.п.п. Прочностьпри изгибе при этом составляет 108 – 154 МПа, при растяжении – 50 – 78 МПа.
В получаемом впроцессе обжига фарфоре присутствуют следующие фазы: корунд, муллит, остаточныйкварц, стекловидная фаза и газовая фаза (поры). На основании данных химическогоанализа были рассчитаны фазовые составы материалов с учетом допущений:
— корунд не растворяетсяв стеклофазе при технологических режимах обжига и помола глинозема, принятых в производстве;
— в стеклофазерастворяется около 25% образующего муллита и остаточного кварца;
— количество газовойфазы постоянно.
Таким образом,было рассчитано 69 фазовых составов глиноземистого фарфора, в которых содержаниемуллита находится в пределах 14.47 – 19.57%, остаточного кварца – 6.83 – 15.29%,и стеклофазы – 43.66 – 51.80%. Расчеты были подтверждены выборочным рентгенофазовыманализом.
Влияние фазовогосостава фарфора на его прочность при изгибе и растяжении можно определить по уравнениям:
σи=-425.7+46.15М+21.29S-0.588+M2+0.017S2;(1)
σр=-9.853+12.13М-0.774S-0.3765МS-0.1643М2+0.1351S2(2)
где М и S – содержание муллита и остаточногокварца соответственно.
В приведенныхуравнениях только два переменных параметра: содержание муллита и остаточного кварца.Это связано с тем, что содержание корунда постоянно, а три остальных компонентаподчиняются уравнению связи
М+S+St=75,
где St – содержание стеклофазы.
Следовательно,в фазовом составе глиноземистого фарфора независимо изменяются только два параметра,содержание третьего (стеклофазы) определяется по уравнению связи.
Уравнения (1)и (2) являются полиномами 2-го порядка. Для удобства их анализа были построены зависимостипрочности фарфора от содержания в нем муллита и остаточного кварца ( рис.10).
Зависимость прочностипри изгибе от содержания муллита и кварца геометрически в трехмерном пространствепредставляет собой поверхность 2-го порядка типа «седло» (гиперболический параболоид).Проекции срезов этой поверхности на плоскости MS показаны на рисунке а.
Кроме того, нарисунке нанесены прямые, соответствующие графическим зависимостям, полученным изусловия равенства нулю частных производных:
(∂σи/∂М)S=0=46.15-1.449S-1.176М;
(∂σи/∂S)М=0=21.29-1.449М+0.0342S.

Влияние содержаниямуллита и остаточного кварца на прочность фарфора при изгибе и растяжении
/>
Рис.10 а – прочностьфарфора при изгибе; б – прочность фарфора при растяжении. М – содержание муллита;S – содержание остаточного кварца
(цифры на изолинияхсоответствуют прочности материала (МПа))
Эти прямые представляютсобой геометрические места точек экстремума прочности. Они делят исследуемую областьна четыре части. При содержании в фарфоре остаточного кварца менее 11% (областиI и IV) увеличение доли муллитаприводит к повышению прочности, причем тем значительнее, чем меньше содержание остаточногокварца. При постоянном содержании остаточного кварца более 11% (области II и III) увеличение доли муллитавызывает снижение прочности, причем тем значительнее, чем больше содержание остаточногокварца. При постоянном количестве муллита в области его содержания менее 15% (областиI и II) возрастание доли остаточногокварца повышает прочность. И наоборот, прочность снижается при увеличении содержанияостаточного кварца, если в фарфоре имеется более 15% муллита (области III и IV).
Уменьшение содержаниястеклофазы в области III за счет одновременного повышения доли кристаллических фаз приводитк снижению прочности, как и увеличение доли стеклофазы за счет обеих кристаллическихфаз (область I).Это связано с тем, что массы имеют одну и ту же температуру спекания.
Прочность прирастяжении материала уменьшается при увеличении доли остаточного кварца и возрастаетпри повышении содержания муллита во всей исследованной области (рис. б).
На основании статистическогоанализа приведенных данных можно сделать следующие выводы. Прочность при изгибеглиноземистого фарфора повышается при увеличении доли одной из кристаллических фазза счет уменьшения доли второй кристаллической фазы и стеклофазы. Наибольшее повышениепрочности при изгибе можно достичь увеличением содержания муллита в обожженном фарфореза счет уменьшения доли остаточного кварца и стеклофазы. Прочность при растяженииснижается при увеличении содержания остаточного кварца и возрастает с повышениемдоли муллита.
Таким образом,повысить прочность глиноземистого фарфора можно путем замены материалов шихты (например,замена боя фарфора после первого обжига обожженным каолином приводит к увеличениюв фарфоре доли муллита за счет уменьшения содержания остаточного кварца и стеклофазы),а также благодаря рациональному изменению шихтового состава массы с учетом не толькотехнологических параметров массы, но и физико-механических характеристик обожженногоматериала [6].

Действие минерализаторовна спекание фарфоровых масс
В настоящее времямного внимания уделяется разработке энергосберегающих технологий. В связи с этимбольшое значение придается использованию минерализаторов для интенсификации процессовспекания керамических масс.
Процесс спеканияпластичных керамических масс, в состав которых входит значительное количество глинистыхкомпонентов (50 – 60%), можно представить двумя основными стадиями, первая из которыхначинается при 700 – 800ºС и сопровождается заметным уменьшением площади поверхностиреагирующих компонентов, укрупнением пор и незначительным изменением общей пористости,и второй, протекающей при 1000 – 1350ºС и сопровождающейся уменьшением пористости,усадкой и уплотнением.
Такое условноеразграничение стадий процесса фарфорообразования позволяет рассмотреть действиеминерализаторов в период реакций, протекающих в твердой фазе, и в период реакцийс участием жидкой фазы.
Как известно,одним из основных кристаллообразующих компонентов в структуре фарфора является каолинит,который в процессе обжига претерпевает сложные стуктурно-фазовые превращения.
Процесс разложенияструктуры каолинита при нагревании связан с разрывом связей Al – O – OH, изменением связей Si – O – Al, появлением Al в четверной координации, начто указывает полоса в области 750 см-1 при температуре 500 – 550ºС.Разрушение октаэдрической координации Al3+ подтверждено кривыми радиального распределения электроннойплотности, построенными по данным высокотемпературного рентгеновского анализа: зафиксированоисчезновение максимума с расстоянием 1.944Å, принадлежащим связи алюминияв четверной координации с кислородом. Одновременно обнаружено увеличение длины связиSi – O.
Минерализаторызначительно меняют ход процесса, иногда вплоть до образования различных фаз – шпинелиили муллита.
П.П. Будниковыми другими исследователями показано, что по мере увеличения атомной массы и ионногорадиуса элементов (от 0.2 до 1.43 Å) их активность как минерализаторов значительновозрастает. Наиболее эффективно действуют катионы второй группы периодической системы.Катионы других групп (Ti4+, Zr4+, Mn2+ и B3+) существенного влияния на процесс образования муллитане оказывают, Fe3+, Ni3+ замедляют его. Было высказано предположение о внедрении катионов элементоввторой группы (Ca2+, Ba2+, Mg2+) в решетку муллита, а также установлено, что способность к образованиютвердых растворов уменьшается с увеличением атомной массы и ионного радиуса катионадобавки. Так, ион Ca2+ (R=1.06 Å) легко внедряется в решетку муллита при относительнонизких температурах, когда структура еще формируется, ионы Ba2+ и Mg2+ — при более высоких температурах,т.к. их размеры соизмеримы с размерами пустот в решетке муллита.
Катионы добавокдействуют тем эффективнее, чем меньше их ионный радиус; выявлена также зависимостьинтенсивности процесса образования муллита от прочности связи катион – кислороддобавки. Отмечена высокая эффективность добавки Fe2O3 (введенной в массу в видеFeCl3) в интервале температур 1000- 1300ºС. Показана высокая активность добавок Li(LiC2H2O), B3+(H3BO3) и W6+(H3PO4*12WO3*nH2O), а также установлена определеннаятемпература обжига, при которой характерно наиболее активное действие каждого минерализаторана процесс муллитизации, состоящий из двух, одновременно протекающих стадий: появлениецентров кристаллизации и рост образовавшихся кристаллов. Наиболее эффективное действиеисследованные минерализаторы оказывают на первую стадию процесса муллитизации. Приповышении температуры обжига до такого уровня, при котором преобладает процесс ростакристаллов, это действие ослабляется, при 1400ºС – не появляется.
Действие минерализаторовзависит также от типа вводимого соединения: фториды щелочных металлов уменьшаютвыход муллита, сульфаты и хлориды его увеличивают. Добавки фторида и карбоната литияснижают температуру кристаллизации муллита до 550ºС.
Аналогично проявляетсядействие фторида алюминия, введение которого в количестве 10% (по массе) способствуетобразованию муллита при 650ºС. Интенсификация образования муллита в присутствииAlF3 объясняется тем, что ужепри 300 – 680ºС минерализатор взаимодействует с каолинитом, в результате SiO2 выводится из системы в видесоединения Al2Si2O3(OAlF2)4, равновесие реакции смещается в сторону кристаллизациимуллита.
В качестве минерализаторовбыли опробованы соли Na, K, Li, Ca, Mg, Zn, Al; оксиды — Cr2O3, TiO2, Fe2O3, ZrO2, MoO3, B2O3, SnO2, известково-натриевое стекло, шлаки, золы и др. Установлено,что индуцированная муллитизация является каталитическим процессом, в ходе которогообразуется нестабильная промежуточная фаза. Минерализаторы оказывают влияние нарост, форму и размеры кристаллов муллита, образующихся в фарфоре. Так, на основерезультатов петрографического анализа материалов из обогащенного каолина, кварцаи полевого шпата, в которые вводили в качестве минерализаторов ZnO, TiO2 и Fе2O3, установлено, что длина иширина кристаллов игольчатого муллита колебались от 71.1 до 104.2 мкм и от 13.3до 30.2 мкм соответственно. При этом рост, форма, взаимосцепление и распределениекристаллов муллита были непосредственно связаны с вязкостью и составом расплава,изменявшимися в зависимости от природы минерализатора.
Высокая растворимостьмуллита в расплаве, содержащем ZnO, устраняла положительное влияние маловязкой стеклофазына рост кристаллов муллита. В связи с этим микроструктура образцов фарфора, содержащихZnO, была представлена агрегированнымитонкоигольчатыми кристаллами муллита. Повышенная вязкость расплава образцов, содержащихдобавки TiO2, препятствовала росту крупных кристаллов, мало растворимых в алюмосиликатномрасплаве и поэтому более устойчивых.
В микроструктуреобразцов фарфора, содержащих TiO2, обнаружены равномерно распределенные мельчайшиевзаимосцепленные иглы муллита. Максимальная вязкость расплава образцов фарфора,содержащих Fе2O3, препятствовала образованиюкрупных кристаллов муллита и ограничивала возможность их перемещения. В структуретаких образцов преобладали короткие иглы муллита.
Исследовано такжевлияние минерализаторов H3BO3, MnO2, CaCl2, NaCl и RbCl на образование муллита при обжиге глины. По эффективностивлияния на выход муллита эти минерализаторы были расположены в следующем порядке:
H3BO3> MnO2 > CaCl2 > NaCl > RbCl.
Выход муллитапри 1000ºС возрастает в случае введения добавок. Так, количество муллита, определенноерентгеновским анализом, в образцах, содержащих 20% (молярная доля) добавок и подвергшихсяизотермической обработке при 1000ºС в течение длительного стабильного промежуткавремени, составляло (%): из чистого каолина – 8.7, с добавкой Li2CO3 – 16.5, LiF – 19.7, MgF2 – 20.7, MgO – 22.5, CuF2 – 27.7, CuO – 29.3%.
Кинетика образованиямуллита описывается уравнением Таммана:
a=A + B lg t,
где a – выход муллита;
t – время, ч;
A и B – константы.
Значения А возрастаютв порядке перечисления добавок от 5.1 до 20.8; константа В для каолина без добавокравна 1.5, для остальных образцов она находится в пределах 3 – 3.6. По достижениинекоторого времени tiвыход муллита стабилизируется.
Минерализаторыоказывают значительное влияние на высокотемпературные реакции каолинита. В образцыкаолинита с упорядоченной и неупорядоченной структурой вводили добавки СаО и К2Ов виде нитратов, перемешивали в вибромельнице в присутствии шаров из глинозема иизопропилового спирта, затем сушили при 110ºС в течение 24ч. Дифференциально-термическийанализ (20 – 1500ºС, скорость 10ºС/мин) показал. Что первый экзотермическийпик соответствует образованию центров кристаллизации, второй (при 1275ºС) являетсярезультатом быстрого роста кристаллов муллита за счет протекания процессов растворения– осаждения, способствующих образованию аморфной или жидкоподобной фазы, богатойSiO2. Третий экзотермический пикпри 1460ºС – результат кристаллизации и роста кристаллов кристобалита.
При введении добавокК2О твердофазовые реакции протекают по границам зерен метакаолинита собразованием соединения, реагирующего с аморфной фазой. Этот процесс сопровождаетсявозникновением модифицированного расплава, что соответствует второму экзотермическомупику на дифференциальной термической кривой. При протекании названной реакции ваморфную фазу, богатую SiO2, поступает некоторое количество К2О, ускоряющегорост кристаллов муллита. При этом наблюдается снижение температуры максимума второгоэкзотермического пика.
И, наконец, большоеколичество К2О ускоряет кристаллизацию и рост кристаллов кристобалита,что обусловливает появление третьего экзотермического пика, сливающегося со вторым.
Добавки СаО оказываютподобное действие, но при этом второй пик сдвигается в сторону более высоких температур.При таком смещении реакции аморфная фаза в первичных зернах метакаолинита обогащаетсявводимыми оксидами. Соответственно кристобалит, образующийся внутри первичных каолинитовыхзерен, переходит в расплав. Увеличение количества добавок ускоряет растворение кристобалита.Если количество добавок, температура и продолжительность реакции достаточны, товесь кристобалит растворяется и конечный равновесный состав содержит только муллити жидкую фазу. При охлаждении жидкая фаза затвердевает, образуя стеклофазу, приэтом возможно осаждение вторичного муллита.
Степень превращениякаолинита в муллит при обжиге каолинита была определена методом случайного баланса,с помощью которого оценено влияние 28 факторов, включающих 26 добавок-минерализаторов.Найдено, что степень превращения возрастает с повышением температуры обжига, продолжительностивыдержки, содержания добавок MgSO4, Cr2O3, K2CO3 уменьшается с увеличением количества добавок CaF2 и Na2SiF6. Этот метод позволил выделитьдва парных фактора, положительно влияющих на степень превращения, а именно: введениекомплексных добавок, представленных MgSO4, B2O3 и MnO, P2O5.
Результаты даннойработы служат подтверждением целесообразности использования в качестве минерализаторовсложных добавок.
Роль минерализатороввыполняют также примеси, содержащиеся в природных сырьевых материалах. Из исходныхкаолинов прессовали образцы, обжигали их в электропечи при температурах 1200, 1300,1400ºС. Образцы одной серии были обожжены в производственной туннельной печипри 1410ºС. Более длительный обжиг в туннельной печи и восстановительная атмосферапроцесса обусловливали повышение плотности образцов, а также образование в них стеклофазыв большем количестве. Электронно-микроскопический анализ показал, что при термическойобработке каолинит превращается в первичный муллит, при охлаждении после обжигаиз расплава кристаллизуется вторичный муллит в виде игл.
В образцах исключительночистых каолинов, не содержащих примесей, которые выполняют роль минерализаторов,образование вторичного муллита не наблюдалось.
Муллит игольчатойформы является продуктом превращения каолинита, в результате которого из него выделяетсядиоксид кремния, ряд природных примесей задерживается в кристаллической решетке.Fe2O3 рассматривается как единственнаядобавка, которая образует с муллитом твердый раствор. При этом действие минерализаторовобъясняется уменьшением поверхностной энергии кристаллов, что обусловливает их рост.
Установлено, чтоособенно эффективно действуют комплексные добавки. При одновременном введении всостав керамических масс из гидрослюдисто-каолинитовой глины добавок MnO2 и NaF значительно повысилась степеньинтенсификации спекания и улучшились физико-механические свойства по сравнению сосвойствами исходной глинистой системы. Отмечено также значительное улучшение эксплуатационныхсвойств керамических материалов: кислотостойкость повысилась на 9% и щелочестойкость– на 27%.
Такое положительноеизменение свойств глинистых систем при добавке минерализаторов связано с совершенствованиемформирующейся при их термической обработке кристаллической структуры. Это подтвержденоданными рентгенофазового анализа. Образцы гидрослюдисто-каолинитовой глины с добавкамиминерализаторов после термической обработки отличались от образцов без добавок значительнобольшей интенсивностью и степенью охарактеризованности рефлексов муллита (0.540,0.288, 0.269, 0.254, 0.22 нм), что свидетельствует о росте его количества и совершенствованииморфологии кристаллов. Практическим результатом этих исследований явилась разработкасостава массы для получения фасадных плиток при скоростном обжиге.
Активирующее действиеминерализаторов на процесс спекания керамических масс связано не только со структуройобразующихся при обжиге кристаллических фаз, но и со структурой силикатного расплава,широкое применение для объяснения поведения которых получила теория «экранирования»Вейля.
Так, введениев полевошпатовый расплав добавок с легкополяризуемыми катионами (B3+, Ti4+, Mn2+), улучшающими экранированиемалополяризуемых катионов – стеклообразователей, способствует повышению реакционнойспособности расплава, что обусловливает интенсификацию процесса образования фарфора.При этом улучшаются условия для насыщения валентных связей комплексообразующих катионов(Si4+, Al3+) за счет экранирования ихподвижными анионами кислорода, которые связаны с легкополяризуемыми катионами минерализатора.
Замещение ионовкремния ионами алюминия в основной структуре возможно при условии локальной нейтрализациизаряда одно- и двухзарядными катионами, которые располагаются в полостях пространственнойрешетки, образованной тетраэдрами [SiO4] и [AlO4]. В таких материалах соотношения R2O: Al2O3 и RO: Al2O3 равны единице, и немостиковыеатомы кислорода отсутствуют. Влияние оксидов трехвалентных металлов на вязкостьщелочесиликатного расплава зависит от природы оксида и его концентрации. Так, Al2O3 повышает вязкость литийсодержащихстекломасс, Fe2O3 (до 0.5% по массе) снижает ее в такой же степени, как В2О3,введенный в том же количестве.
Действие В2О3на калийсодержащие расплавы аналогично его действию на литийсодержащие массы.
Положительноевлияние оказывают сложные добавки и предполагается образование комплексных соединенийв стеклофазе. В качестве таких добавок были использованы оксиды кальция, магнияи цинка, при выборе которых принимали во внимание кристаллохимические и энергетическиехарактеристики катионов второй группы. Установлено, что введение комплексной добавкиспособствует более раннему завершению процесса фарфарообразования. Наряду со снижениемтемпературы обжига на 100ºС отмечено улучшение основных свойств фарфора.
Возможность образованиякомплексных соединений в стеклофазе фарфора подтверждена в работе Б.Г. Варшала иО.В. Мазурина, которые обнаружили в стеклах, содержащих 4 – 7% Al2O3 при существенном количествеZnO (3 – 6%), комплексы [BO4/2]2Zn, несовместимые с тетраэдрами[SiO4/2]. Наличие таких комплексовобусловливает ликвационные явления в стеклах.
Поскольку в результателиквации стекла в фосфатсодержащих керамических материалах происходит образованиедополнительной поверхности раздела стекло I – «силикатное» и стекло II – «фосфатное», то увеличиваетсявнутренняя энергия системы. По-видимому, при этом становится более выгодной концентрациявыделившейся части стекла на уже существующей поверхности раздела стекло – кристаллс возникновением границ раздела фаз – стекло I – стекло II и стекло II – кристалл.
Если поверхностнаяэнергия раздела фаз стекло I – кристалл муллита более высокая, чем стекло II – кристалл муллита, то образующаясяструктура с колломорфными выделениями энергетически более выгодна, чем первоначальнаяграница раздела фаз стекло I – стекло II и стекло I – кристалл муллита. Вследствие этого концентрация ликвировавшейчасти стекла на поверхности кристаллов муллита должна снижать напряжения на границераздела фаз стекло – кристалл и способствовать повышению механической прочностикерамики, а также уменьшению ее склонности к старению.
Таким образом,можно сделать вывод, что минерализаторы оказывают значительное влияние на вязкостьи соответственно на структуру расплава. Характер этого влияния зависит от составамодифицируемой системы и индивидуальных кристаллохимических характеристик минерализатора.При этом трудно выделить какой-нибудь один, доминирующий механизм действия добавок.Можно полагать, что действие этих механизмов накладывается друг на друга и в большейили меньшей степени проявляется только в группах однотипных добавок.
Исследователямипоказано, что роль минерализаторов в процессе образования структур фарфора значительна,поэтому обоснованный выбор их состава и количества позволит не только улучшить свойствакерамических материалов, но и сократить расход энергии при осуществлении процессаобжига [7].
 
Снижение температурыспекания глиноземистого фарфора в  присутствии минерализаторов
Интенсификацияпроцесса спекания керамических материалов путем введения минерализаторов являетсяодним из путей снижения энергозатрат на их производство.
Исследование влиянияминерализаторов на процесс спекания и свойства глиноземистого фарфора проводилис использованием массы следующего шихтового состава (%): 40 глинозема ГК, 25 веселовскойглины, 15 кыштымского каолина, 20 асу-булакского полевого шпата.
Были приготовленыдве серии масс. В массы первой серии в качестве минерализаторов последовательновводили углекислый барий, доломит, мрамор, тальк, оксид цинка и датолит. Втораясерия масс содержала комплексные минерализаторы:
TiO2+MnO2, TiO2+CuO, доломит+TiO2, BaCO3+ZnO
Шихтовые составыопытных масс приведены в табл.8. Массы готовили способом раздельно-совместного помоладо остатка не более 1.5% на сетке №004. Образцы изготовляли методом пластичногоформования.
Исследование влиянияминерализаторов на процесс спекания опытных масс первой серии показало, что наиболееактивным минерализатором является доломит, который снижает температуру спеканияфарфора на 100ºС, затем идут углекислый барий, мрамор, тальк и датолит. Приих введении температура спекания масс снижается на 50ºС. Добавление оксидацинка (5%) не снижает температуру спекания (табл.9).
При введении комплексныхминерализаторов TiO2+MnO2 и доломит+ MnO2 температура спекания уменьшается на 100ºС, нопри этом наблюдается некоторое сокращение интервала спекшегося состояния (до 50ºС).При введении BaCO3+ZnO температура спекания уменьшается на 50ºС, а комплексная добавкаTiO2+CuO температуру спекания не снижает.
Такие свойстваопытных материалов, как кажущаяся плотность, истинная плотность и истинная пористостьизменяются в незначительных пределах (см. табл.9). Исключение составляет материалК-3, у которого кажущаяся плотность уменьшается, а истинная пористость растет.
При введении минерализаторовструктура фарфора подвергается значительным изменениям, которые сводятся в основномк степени ее перекристаллизации, а также к образованию новых кристаллических фаз– цинковой шпинели и кордиерита при введении оксида цинка и магнийсодержащих добавок.
Перекристаллизациякорунда наблюдается во всех опытных материалах. По данным рентгенофазового анализа(РФА) в среднем кристаллизуется 3 – 6% корунда. При введении углекислого бария,доломита и комплексного минерализатора (доломит + TiO2) содержание корунда увеличиваетсядо 50%.
Перекристаллизациямуллита сказывается на характере выделения его кристаллов. Первичный муллит в каолиновомостатке превращается в довольно крупные (в длину от 0.5 – 1 до 2 – 3 мкм), часторасположенные под углом 120º кристаллы. Очертания псевдоморфоз теряются, ивторичный муллит превращается в скопления длинноигольчатых кристаллов длиной от1 до 10 мкм. Сравнение структуры с данными рентгеновского количественного анализа(табл.10) показывает, что при перекристаллизации материалов общее количество муллита,уменьшается. Исключение составляет фарфор, в шихтовой состав которого введен тальк.
Комплексные добавкиспособствуют перекристаллизации как муллита, так и корунда. У материалов второйсерии в среднем несколько увеличиваются кристаллы корунда и более значительно егопластичность. Индивидуальное действие добавок более существенно. Так, у материаловпервой серии добавка карбоната бария (М-1) вызывает сильную перекристаллизацию,сопровождающуюся ростом кристаллов корунда. Хотя в основном (80%) размеры его кристалловсоставляют 1 – 4 мкм, примерно 10% кристаллов имеет размеры, значительно превышающие5 мкм (до 10 мкм). При этом кристаллы приобретают изометрическую форму, иногда онипредставляют собой сростки.
Количество сильноперекристаллизованного муллита уменьшается до 5%, а количество корунда увеличиваетсядо 50%. В стекле наблюдается ликвация. Разделению стекла способствует также добавкадатолита, содержащего бор, и оксид меди. Столь же сильной перекристаллизации подвергаетсяматериал, содержащий в качестве добавки доломит. При этом отмечается совместнаякристаллизация муллита и корунда на тех участках, где корунд представлен хорошоограниченными изометричными кристаллами размером 0.5 мкм.
Таблица 8 Шихтовойсостав исследуемых массСырьевые материалы Шихтовой состав, % масс Первой серии Второй серии Исх. М-0 М-1 М-2 М-3 М-4 М-5 М-6 К-1 К-2 К-3 К-4
Глинозем ГК
Веселовская глина
Кыштымский каолин
Асу-булакский пол. шп.
Углекислый барий
Доломит
Магнезит
Онотский тальк
Датолит
Оксид:
цинка
титана
марганца
меди
40
25
15
20
–
–
–
–
–
–
–
–
–
40
25
15
15
5
–
–
–
–
–
–
–
–
40
25
15
15
–
5
–
–
–
–
–
–
–
40
25
15
15
–
–
–
–
–
5
–
–
–
40
25
15
15
–
–
–
–
5
–
–
–
–
40
25
15
15
–
–
5
–
–
–
–
–
–
40
25
15
15
–
–
–
5
–
–
–
–
–
40
25
15
15
–
–
–
–
–
–
2.5
2.5
–
40
25
15
15
–
–
–
–
–
–
2.5
–
2.5
40
25
15
15
–
3
–
–
–
–
2
–
–
40
25
15
15
3
–
–
–
–
2
–
–
–
Таблица 9 Свойствафарфора из исследуемых массПоказатель Керамика из массы М-0 М-1 М-2 М-3 М-4 М-5 М-6 К-1 К-2 К-3 К-4
Температура обжига, ºС
Кажущаяся плотность, г/см3
Истинная плотность, г/см3
Истинная пористость,%
Предел прочности при статическ. изгибе, МПа
Модуль упругости, 103МПа
Электрическая прочность, кВ/мм
1350-
-1450
2.92
3.01
3.0
213
128.2
33.0
1300-
-1400
2.97
3.09
3.9
202
126.5
32.1
1250- -1300
2.89
3.03
4.6
203
123.3
33.7
1350-
-1450
3.00
3.11
3.5
205
123.1
34.8
1300-
-1350
2.87
3.00
4.3
198
116.6
33.2
1300-
-1380
2.89
3.07
5.9
210
127.5
34.3
1300-
-1380
2.86
2.98
4.0
190
113.9
32.4
1250-
-1300
2.92
3.06
4.6
202
126.2
35.0
1350-
-1400
2.94
3.09
4.9
180
121.8
32.8
1250-
-1300
2.84
3.04
6.0
173
119.9
31.3
1350-
-1450
2.97
3.09
3.9
192
126.1
34.0
Таблица 10 Содержаниефаз в исследуемых образцахФаза Массовое содержание, %, в образцах из массы (по данным РФА) М-0 М-1 М-2 М-3 М-4 М-5 М-6 К-1 К-2 К-3 К-4
α-Al2O3
Муллит
Стекло
Цинковая шпинель
Кордиерит
46
11
43
–
–
48
5
47
–
–
48
4
48
–
–
43
10
39
8
–
46
6
48
–
–
43
6
51
–
–
45
12
38
–
5
46
13
41
–
–
44
11
45
–
–
51
–
49
–
–
46
5
44
5
–
Если при введенииВаСО3 затравками служат уже существующие зерна корунда и происходит ихрост, то при добавлении доломита затравки образуются в самом расплаве, откуда затемрастут кристаллы корунда. Введение комплексной добавки, содержащей кроме доломитаеще оксид титана (материал К-3), приводит к практически полному растворению муллита.Этот материал характеризуется наиболее высоким содержанием корунда по сравнениюс введенным глиноземом.
Из табл.9 видно,что существенных различий свойств опытных материалов не наблюдается. Так, модульупругости колеблется в пределах 116*103 – 128*103 МПа, механическаяпрочность составляет 180 – 210 МПа, электрическая прочность – 32.1 – 35.0 кВ/мм.Несколько ниже указанные параметры у материала К-3, содержащего в качестве минерализаторадоломит и оксид титана.
Таким образом,наиболее перспективными минерализаторами являются доломит (5%), ВаСО3(5%) и комплексный минерализатор ВаСО3 (3%) и ZnO (2%). Введение указанных минерализаторовпозволяет снизить температуру спекания фарфора и практически не оказывает влиянияна его основные характеристики [8]
Исключениекварца из состава глиноземистого фарфора для высоковольтных изоляторов
Более 150 леттому назад, в 1849г., В. Фон Сименс впервые использовал фарфоровые изоляторы длятелеграфной линии от Франкфурта до Берлина. Таким образом, фарфор считается самымтрадиционным среди изоляционных материалов. В настоящее время имеются изделия, которые,без сомнения можно назвать продуктами высокоразвитой технологии.
Фарфоровые изоляторыиграют весьма важную роль. Поэтому необходимо всесторонними испытаниями заранееопределять и подтверждать различные виды нагрузок на изоляторе.
На изоляторы действуютмногочисленные нагрузки, поэтому повышение прочности фарфора было и будет цельюнаучно-технических исследований.
Постоянно повышающиесятребования, предъявляемые к фарфору в качестве конструкционного материала по меребурного развития промышленности, приводят к необходимости улучшения свойств фарфораи всесторонним его испытаниям.
Уменьшениеструктурных напряжений фарфора и разработка глиноземистого фарфора
Внедрение глиноземистогофарфора было огромным достижением разработчиков новых материалов. Использованиеего вместо применяемого до тех пор кварцевого фарфора не только повысило надежностьпродукции, но резко сократило проблемы, связанные с качеством и эксплуатационныминеполадками изоляторов.
Д. Вейль вычислилпримерные величины внутренних напряжений в кварцевом фарфоре.
По его подсчетам,в обыкновенном фарфоре высоковольтного назначения могут возникать структурные напряжения(не менее 4000 кг/см2), вызванные усиленной термической усадкой кварцевыхчастиц. Если величина предела прочности стекловидной фазы при растяжении будет равна1000 кг/см2, тогда структурные напряжения на границе кварцевых и кристобалитныхзерен электрофарфора могут привести к возникновению микротрещин, размеры которыхсоответствуют величине зерен этих кристаллов. Рис.11 – 13 подтверждают предположенияВейля. Во время эксплуатации такие микротрещины, исходящие от кварцевых или кристобалитныхзерен и обусловленные структурными напряжениями, могут увеличиваться для высоковольтныхизоляторов, при этом значительно снижается прочность изолятора в результате увеличениятрещин, особенно при внезапном нагреве и длительной эксплуатации.
Особенно чувствительнымиявляются кварцевые фарфоры, сцепленные с замазкой из портландцемента.
Здесь силы, действующиев процессе эксплуатации, вызывают местные пики напряжения в зоне замазывания междуфарфором и арматурой, которые считаются причиной повреждения структуры.
Таким образом,за счет увеличения микротрещин, исходящих от кварцево-кристобалитного зерна, прочностьнагруженного изолятора снижается: он стареет.
Вызванные этимслучаи повреждения изоляторов кварцевого фарфора, примененных в атмосферных условиях,например длинностержневых изоляторов для воздушных линий в Германии, железнодорожныхизоляторов в России и колпачково-стержневых изоляторов в Греции, привели к необходимостиих замены.
Кристобалитовыйфарфор с112 – поврежденная микроструктура с разрушенным зерном кристобалита
/>
Рис. 11
Поэтому снижениестуктурных напряжений стало главной задачей структурного совершенствования материаловдля высоковольтных изоляторов. Это важный шаг был сделан в результате разработкиглиноземистого фарфора, в котором кристаллический кварц замещается совсем новымкомпонентом структуры, обеспечивающим ее прочность – α-Al2O3, т.е. корундом.
Внедрение глиноземистогофарфора сразу сократило такие постоянные проблемы, как пористость, неполадки примеханических и электрических типовых испытаниях, а также выход из строя изоляторовпри эксплуатации. Внедрение глиноземистого фарфора обеспечило высокое качество фарфоровыхизоляторов.
Разрушенное зернокварца с трещиной, возникшей вследствие внутренних напряжений в глиноземистом фарфорес130.
/>
Рис. 12
Вредный кристаллиткварца с обломом на месте отделения от стеклофазы в глиноземистом фарфоре
/>
Рис. 13
Таблица 11 Плотность,коэффициент теплового расширения и поведение возможных компонентов микроструктурыфарфора при тепловом расширенииПараметр Корунд Муллит Стеклофаза Кварц Кристобалит
Плотность, г/см3 3.98 3.16 2.27 2.65 2.33
Коэффициент теплового расширения 106 8.0 4.5 3.0 12.3 10.3
Поведение при расширении:
линейное
неравномерное
+
–
+
–
+
–
–
+
–
+

Повышение прочностипри изгибе фарфора по мере увеличения содержания Al2O3
/>
Рис. 14
Влияние содержанияAl2O3 и тонкости помола массы напрочность
/>
Рис.15
Одновременно виденэффект повышения прочности образцов с глазурью и соответствия коэффициента тепловогорасширения
Рис.15 показываетвлияние содержания глинозема и тонкости помола массы на прочность. Эффект повышенияпрочности объясняется не только раздроблением агломераций глинозема, но и одновременнымуменьшением величины частиц общей системы, преимущественно кварцевых фракций в полевомшпате. Совместный помол компонентов системы имеет гомогенезирующий эффект и активизируетповерхности частиц. Поэтому при замене помола более дешевым смешиванием качествомикроструктуры, особенно прочности, снижается. Однако, высокое содержание корундаи минимальное содержание кристаллов кварц-кристобалита в микроструктуре глиноземистогофарфора обеспечивает его высокую прочность. Но одновременно и высокую стойкостьк изменениям температуры по сравнению с кварцево-кристобалитным фарфором. Такойположительный эффект объясняется прежде всего показателями теплового расширениякомпонентов микроструктуры. Табл. 11 показывает соответствующие показатели: плотность,коэффициент теплового расширения и поведение возможных компонентов микроструктурыфарфора при расширении.
Значительное сокращениев микроструктуре глиноземистого фарфора количества нежелательных кристаллов кварцаи кристобалита с их неравномерными, скачкообразными изменениями объема (рис.16)повышает его стойкость к резким изменениям температуры, одновременно позволяя применениесвинцовой замазки.
Пластично-упругиесвойства свинцовой замазки вместо хрупкого портландцемента позволяют при нагрузкеснять дополнительные напряжения в структуре фарфора и, избегая точкообразных пиковнапряжения, исключить его повреждения в зоне замазывания.
Поэтому в настоящеевремя можно считать внедрение свинцовой замазки вместо портландцемента для фарфоровыхизоляторов, подвергающихся нагрузкам растяжения, примерно таким же важным шагомразвития, как одновременный переход от кварцевого фарфора к глиноземистому фарфору.[9]
Старение микроструктурыфарфора
Рис. 17 показываетраспределение сил, вызванных изломом изоляторов при различных сроках эксплуатации(новых, 20 и 35 лет), которые были выпущены одним и тем же производителем. По мереповышения срока эксплуатации можно наблюдать явное уменьшение средней несущей способностии увеличение разброса. Особенно характерным является определение величины 1%-ногоквантеля силы разрушения для хрупких материалов (99% изоляторов превышают эту величину).
Если рассмотретьход старения по времени на рис. 18, то видно, что все партии изоляторов данногопроизводства характеризуется снижением силы, вызывающей излом. Новый керамическийматериал (А), основанный на глиноземе, в неиспользованном состоянии отличается существенноболее высоким уровнем силы, вызывающей излом, в связи с чем уже начальные условияобеспечивают соответственное удлинение срока эксплуатации изоляторов.
Обобщая результатывышеуказанных исследований использования изоляторов, можно сделать следующие выводы:
а) подтвержденоожидаемое повышение долговечности и надежности керамического материала на основеглинозема с использованием свинцовой замазки; б) наибольшее снижение прочности отмечаетсяв кварцевом керамическом материале; изоляторы из этого материала достигли максимальногосрока эксплуатации уже по истечении 15 лет и требуют замены;
в) глиноземистыйфарфор более ранних сроков выпуска, отличающийся более высоким качеством, такжеимеет эффект старения;
Рентгенодифрактометрическиекривые кварцевого и глиноземистого фарфоров для изоляторов
/>
Рис.16

Здесь характернаяразница по микроструктуре проявляется особенно явно
Измерение разрушающейнагрузки длинностержневых изоляторов после различных сроков эксплуатации (одинаковаяпроизводственная партия)
/>
Рис.17 Утолщениемпоказана 1%-ная квантиль
Измерение прочностиизоляторов во времени (по отношению к 1%-ной квантили силы разрушения)
/>
Рис.18
г) у так называемыхсмешанных масс ( кварц с добавками глинозема или глинозем с добавками кварца) снижениепрочности значительно выше.

Анализ преобладающихдефектов
Будущие научно-техническиеисследования с целью разработки новых и усовершенствованных материалов должны бытьоснованы на анализе преобладающих дефектов. При этом керамография и современнаярентгенотехника могут оказать большую помощь.
Рис. 19 иллюстрируетдефекты на излом согнутых стержней глиноземистого фарфора двух видов и результатыих фактографического исследования по С120 и С130.
Поверхность изломаглиноземистого фарфора С120 с порой, вызвавшей излом, стеклом и SiO2
/>
Рис.19
Типичным дефектомв современных глиноземистых фарфорах являются зоны с высоким содержанием стекловиднойфазы в сочетании с порами и зернами из SiO2 (кварца). В зоне напряжений,вызывающих излом, стекловидная фаза всегда характеризовалась большим количествомнакоплений SiO2 или зерен кварца, чем матрица. Поэтому можно предполагать, что в исходномсостоянии в этих зонах имеются достаточно объемные накопления SiO2 или зерен кварца, которыечастично взаимодействовали с окружающей матрицей, а частично сохранялись в видекрупных зерен. Возможно, часть дефектов, обнаруженных в виде пор, в первоначальномсостоянии была заполнена зернами кварца, которые во время излома были раздробленыи выпали. Такие зерна кварца с трещинами были обнаружены также на микроснимках.
Вредный кристаллиткварца в глиноземистом фарфоре С130
/>
Рис. 20
Поверхности изломаглиноземистого фарфора, причем излом вызван стеклом и зерном SiO2
 
/>
Рис.21
На основании анализадефектов можно сделать следующие выводы.
В глиноземистыхфарфорах С120 и С130 имеются остатки кварца с различными разметками кристаллов.При исследовании кристаллов размером от 59 до 100 мкм они вызвали излом. Меньшиевредные включения кварца, характеризующиеся величиной кристаллов в пределах 2 –30 мкм, показаны также на рис.22. Точечные анализы х3, х4и х5 однозначно подтверждают наличие кварца и позволяют сделать вывод,что существует еще зона перехода к стекловидной фазе, т.е. зона кварца с прилегающейстекловидной фазой.
Рис. 20, 21 показываютвредный кристаллит кварца в глиноземистом фарфоре С130. Излом проходит по всей длинеграни на пути около 10мкм. Поверхность кварца взаимодействовала с окружающей матрицей,к ней прилегает стеклофаза. Характерными для этой микроструктуры являются весьматонкокристаллические, скрещенные между собой муллитовые иглы и продолговатые кристаллыкорунда. Крупные зерна кварца, которые могут вызвать сетку микротрещин, представляютсобой компоненты сырья – полевого шпата и каолина [9].
Микроструктура– решающий фактор качества материала
По Петцову [9]структура материала включает в себя совокупность всех фазовых зон, участвующих встроении, и дефектов, входящих в его состав. Структура в существенной мере определяетмногие свойства материала, в том числе прочность и поведение в процессе старения.Проведено огромное количество исследований причин, повышающих или снижающих прочность,что позволяет пользоваться результатами этих работ.
Керамические материалыхарактеризуются многофазной поликристаллической микроструктурой (рис.23).
Микроснимок совключениями кварца х3, х4, х5 в глиноземистом фарфоре
/>
Рис.22
Схема многофазнойполикристаллической микроструктуры глиноземистого фарфора
/>
Рис.23
К микроструктурефарфоровых материалов для высоковольтных изоляторов предъявляются два основных требования:
1) высокая механическаяпрочность, обеспеченная очень высоким содержанием и гомогенным распределением корунда;
2) высокая стойкостьпротив выветривания (устойчивость к отказу) в процессе длительной эксплуатации засчет сокращения до минимума количества кварца во всех размерах (формах).
Возможность легкойи надежной характеристики глиноземистого фарфора разного качества от различных производителейпутем качественного и количественного определения твердых фаз на рентгеновском дифрактометрепоказана на рис.24.
На этом рисункевнимание привлекает различный уровень содержания остаточного кварца при примерноодинаковом содержании корунда.
В последних разработках,в которых в качестве носителя Al2O3 применялся спекшийся боксит, впервые удалось достигнутьпочти полного растворения вредного остаточного кварца рано образующимися агрессивнымиэвтектическими жидкими фазами расплава.
Рентгенодифрактометрическиекривые разных видов глиноземистого фарфора с различным содержанием кварца

/>
Рис.24
Микроструктураэтого нового материала, лишенного остаточного кварца, показана на рис.25а. Микроснимок25б показывает материал с наилучшей микроструктурой, характеризующийся высоким содержаниемкорунда при очень небольшом количестве остаточного кварца. Наименее выгодной являетсямикроструктура материала от производителя (рис.25в), характеризующегося наиболеевысоким содержанием вредного остаточного кварца. Для повышения физико-математическихсвойств желательно, чтобы максимальное количество Al2O3 имело форму корунда, а размерымуллитовых игл были как можно меньше. Микроструктура, показанная на рис.25, соответствуетэтой цели.
Микроснимок микроструктурывысокопрочного бокситового фарфора С130, подвергнутого химическому травлению; температураспекания – 1190ºС
/> />
/>
Рис.25 А – матрица– муллит (А1) и стекловидная фаза (А2); В – частица корунда; С – пора
 
Перспективноенаправление и основные пути дальнейшего развития
В разработке высококачественныхизоляторов из глиноземистого фарфора можно выделить несколько перспективных направленийи путей развития (рис. 26,27).
— Разработка материаловс усовершенствованной микроструктурой, по мере возможности полностью лишенной вредногоостаточного кварца.
— Максимальноепревращение Al2O3, введенного в виде глинозема или других носителей Al2O3, в корунд, так как благодарясвоим высоким показателям модуля упругости и плотности корунд представляет собойкомпонент микроструктуры, от которого зависит ее прочность.
— Несмотря нато, что взаимодействие Al2O3 с SiO2 не позволяет полностью исключить муллитовую кристаллическуюфазу, целесообразно свести до минимума размеры муллитовых игл и количественную долюмуллита в микроструктуре в пользу максимального увеличения количества корунда.
Путь решения суказанием приоритетных мероприятий, предпринимаемых для достижения свойств, показанныхна рис.27

/>
Рис.26
В то время какв кварцевом фарфоре применение агрессивной низковязкой жидкой фазы расплава не желательнодля прочности из – за растворения кварца, ее присутствие в глиноземистом фарфореприобретает огромное значение для достижения желательных характеристик микроструктуры.Чем больше будет количество агрессивной стекловидной фазы, которое может образоватьсяво время спекания в результате рано начинающихся эвтектических процессов расплавления,тем лучше будут условия для инициирования растворения кварца и для образования максимальногоколичества корунда.
Примерный количественныйсостав механически прочной микроструктуры, стойкой против выветривания и устойчивойк отказу в процессе эксплуатации изделий
/>
Рис. 27 Содержаниестекловидной фазы около 45%
— Создать технологическиеусловия формирования желательных характеристик микроструктуры путем приспособленияпроцесса обжига и охлаждения. При этом выгодны интенсивная восстановительная атмосфераобжига при температуре свыше 1000ºС, возможно низкая температура обжига и ускоренноеохлаждение после его завершения.
— При выборе пластичныхкомпонентов следует предпочитать виды сырья с трехслойными минералами или минераломс переслаиванием, решетка которых содержит как можно больше плавней, каолинитовымдвухслойным минералам с низким содержанием плавней, т.к. сильно выраженная чешуйчатаяструктура последних (рис.28) при окотрузии вызывает нежелательные текстуры в экструдированноймассе, которые могут стать исходными для образования трещин.
Изменения замедленияпрохождения ультразвука через материалы дают важную информацию о состоянии микроструктуры.Это же относится к усовершенствованной технике испытания с применением анализа звука.Рентгеновский дифрактометр также хорошо показывает количественное присутствие кристаллическихкомпонентов микроструктуры – корунда, муллита и кварца.
Многослойно-чешуйчатаямикроструктура и переслоенная структура из каолинитовых чешуек
/>
Рис. 28 а – многослойно-чешуйчатаямикроструктура; б – переслоенная
структура из каолинитовыхчешуек
Модуль Вейбуллаm и проведение кривых R надрезанных образцов для испытанияна изгиб являются дополнительными показателями оценки качества микроструктуры керамическихматериалов.
У керамическихматериалов пластическая деформация вследствие нагрузки происходит не только в кристаллическойрешетке, но в весьма значительной степени также на границе зерен. Поэтому желательноразработать керамические материалы, которые сочетали бы между собой оба положительныхсвойства, т.е. высокую прочность и высокое «укрепление». Учитывая это, необходимостремиться к обеспечению максимально однородной микроструктуры, которая будет иметьв своем составе как можно больше «сцепляющих» компонентов, но не кварц [9].

Заключение
Для надежностиизоляторов из глиноземистого фарфора в процессе длительной эксплуатации наиболеепредпочтительным является употребление массы, оптимизированной по вышеуказаннымпараметрам. Чем больше повышаются требования к соотношению между ценой и эксплуатационнымикачествами, тем более успех зависит от комплексного управления многообразными, втом числе и технологическими, факторами.
Поэтому всегданужно согласовывать свойства масс и проведения технологических процессов с конструкциямитехнологического и теплотехнического оборудования. На практике всегда необходимоучитывать эту взаимосвязь.

Исследовательскаячасть
 
Назначениеи применение изоляторов
Развитие электроаппаратостроения,передача электроэнергии на большие расстояния, в значительной мере зависят от прогрессав области электроизоляционных материалов.
Среди диэлектриковэлектротехнический фарфор занимает одно из почетных мест, благодаря своей стойкостик атмосферным осадкам, действию солнечных лучей и резкой смене температур, а такжехорошим механическим и химическим свойствам.
Изоляторы применяютсяв электрических установках для электрической и механической связи проводников иотдельных частей, находящихся под различными потенциалами.
Изолятор состоитиз диэлектрика, служащего для изоляции и арматуры, предназначенной для электрическойи механической связи проводников и отдельных частей аппаратов.
Высоковольтныеизоляторы имеют очень широкое применение и употребляются: в линиях электропередач,распределительных устройствах, кабельных сетях, в высоковольтных аппаратах и другихэлектрических установках.
Высоковольтныефарфоровые изоляторы и изоляционные части должны обладать следующими тремя важнымисвойствами: а) механической прочностью; б) термической устойчивостью; в) электрическойпрочностью.
Механическая прочностьчерепка твердого фарфора определяется устойчивостью наименее прочной составной части,а также количеством открытых и закрытых пор. Заметим, что пористость снижает и электрическиесвойства черепка.
Наиболее слабымкомпонентом в структуре фарфора является полевошпатовое стекло, которое в суммесо всей стеклофазой составляет 50-60% всей массы черепка. Прочность его зависитот содержания Al2O3, SiO2, K2O.
Чтобы увеличитьмеханическую прочность фарфора, необходимо повысить содержание в нем глинистых материалов,поднять температуру обжига и увеличить его продолжительность. При этом можно получитьтакое количество стекловато-муллитовой массы с большим содержанием Al2O3 и SiO2, которогобудет достаточно для стягивания пор [1].Сырьевые материалы
Сырьевые или исходныематериалы, используемые при изготовлении фарфора, подразделяются на две основныегруппы:
— пластичные материалы(или глинистые);
— непластичныематериалы (или отощающие).
Пластичные материалысоставляют глинистые вещества – это каолины и различные огнеупорные и беложгущиесяглины. Глины с небольшим количеством примесей являются огнеупорными, т.е. они способныпротивостоять высоким температурам, не расплавляясь.
Глина – это тонкообломочнаягорная порода, образовавшаяся при выветривании горных пород. Она встречается в природев рыхлом или уплотненном состоянии. При обжиге глина теряет химически связаннуюводу и приобретает механическую прочность, свойственную камню.
Основной особенностьюглин и каолинов является пластичность. Это ценное свойство глинистых веществ заключаетсяв том, что при затворении водой они образуют мягкую тестообразную массу, котораялегко принимает любую форму под действием внешних усилий, а после снятия усилийсохраняет ее.
Глинистое веществоприобретает пластичность только при определенном соотношении воды и глинистого вещества.
Пластичность глинбывает разная. Есть более пластичные и менее пластичные глины. Пластичность зависитот химико-минерального и дисперсионного состава глин. Кроме того, в состав глинмогут входить такие примеси как: песок, слюда, доломит и др.
Для производствафарфора необходимо однородное сырье и небольшие колебания в примесях. Каолин наиболеечистое, однородное сырье, но у него мала пластичность по сравнению с глинами. Поэтомув нашем производстве применяются как глины, так и каолины.
Другим важнымсвойством пластичных глинистых материалов является их способность под действиемвысоких температур образовывать плотное камнеподобное тело «черепок».
Таким образом,можно предположить, что керамические изделия можно получить из одних глинистых материалов,но масса, состоящая из одних глин сильно прилипала бы к формам и инструменту, этобы затрудняло производство. Но главные недостатки заключаются в следующем:
1. при сушкеизделия будут плохо отдавать влагу, следовательно высохнут неравномерно, возникнутвнутренние напряжения;
2. будетбольшая объемная усадка;
3. необходимоиспользование высоких температур обжига.
Для того, чтобыустранить эти недостатки в массу, наряду с глиной, вводят отощающие материалы иматериалы плавни. Такими материалами являются:
— кварцевый песок;
– полевойшпат;
– пегматит;
– фарфоровыйбой.
Эти материалыеще называют каменистыми из-за большой твердости.
Перед употреблениемотощающие материалы измельчают до тонкодисперсного состояния и в таком виде вводятв исходную фарфоровую массу.
Но, введя в массукварцевый песок и «череп», необходимо производить обжиг изделий при высоких температурах(1500-1600˚С). Чтобы получить наиболее плотные изделия, снизить температуруобжига и получить монолитный фарфоровый черепок, необходимо в исходную массу ввестистеклообразующие материалы, они плавятся при более низких температурах (1100-1170˚С)и образуют стекловидную массу, хорошо подвижную, распространяющуюся между другимичастицами черепка. В стекловидной массе растворяются зерна кварца и протекают реакциис глинистыми веществами.
Стеклообразующимикомпонентами являются:
— полевой шпат;
— пегматит.
В качестве стеклообразующегокомпонента в производстве применяется калиевый полевой шпат – природное вещество.Ввиду ограниченности запасов чистых полевых шпатов, в фарфоровых массах применяютпегматиты (природные механические смеси полевого шпата и кварца). Пегматиты содержаттакие примеси, как: слюда, магнетит. Присутствие их нежелательно, т.к. они содержатзначительное количество различных оксидов железа, загрязняющих массу, меняющих ееокраску, ухудшающих электроизоляционные свойства [1].Требования, предъявляемыек сырьевым материалам
Глинистое сырье.
Качество сырьевыхматериалов должно соответствовать требованиям действующих государственных и отраслевыхстандартов и технических условий. Глины по ГОСТ 9169-75 [10] подразделяются на:
– огнеупорные(>1580˚C)
– тугоплавкие(1350-1580˚С)
– легкоплавкие(
Для производстваэлектротехнического фарфора применяются огнеупорные глины. Это глины, которые притемпературе 1580˚С не расплавляются и не дают деформации.
Огнеупорные глиныбывают:
– высокоглиноземистые>45% Al2О3;
– высокоосновные>40% Al2O3;
– основные30-40% Al2O3.
Для производстваэлектротехнического фарфора пригодны высокоосновные и основные глины.
В производствеприменяются каолины, содержание Al2O3 в которых составляет 36-40%.
Для производстваизоляторов нежелательны в сырье красящие оксиды.
Каолины идут впроизводство обогащенные, т.е. очищенные от ненужных и вредных примесей.
Отощающие материалытакже должны отвечать определенным требованиям:
– ограниченосодержание оксидов железа;
– нормируетсякрупность;
– нормируетсясодержание щелочных оксидов;
– нормируетсявлажность и потери при прокаливании.
Изоляторное производствопредставляет собой сложный и разнохарактерный комплекс технологических процессови, естественно, требует хорошей подготовки кадров.
Производство требуетбольшого внимания, т.к. выход из строя изоляторов высокого напряжения грозит серьезнойаварией трансформатору, выключателю и целым участкам линий электропередачи и распределительныхустройств.

Приготовлениефарфоровых масс и глазурей.  Применяемое оборудование
 
Для полученияпластичной фарфоровой массы необходимо предварительно подготовить исходные материалы.Сырьевые материалы необходимо измельчить, а затем смешать в определенном соотношении.
Измельчение материаловспособствует наилучшему соприкосновению частиц, это необходимо для нормального протеканияфизико-химических процессов при высоких температурах.
Глинистые материалыпосле проверки их качества подаются из отсеков в расходные бункера склада и измельчаютсястругачами до кусков не более 70мм в поперечнике. Измельченные глинистые материалыподаются на ленточные транспортеры для подачи в электровесовые тележки. Взвешиваниематериалов производится согласно рецепту, выданному лабораторией. Взвешенные материалыподаются из весовой тележки в пропеллерные мешалки в следующем порядке:
– заливаетсявода в количестве около 3 м³;
– включаетсямешалка;
– загружаетсяглина и распускается в течение 30мин.
Глины содержатбольшое количество мелкодисперсных частиц, они распускаются более медленно по сравнениюс каолинами.
Глину загружаютв 3-4 приема, затем загружаются каолины. Общая продолжительность роспуска глинистыхматериалов составляет не менее двух часов.
Для ускоренияроспуска материалов воду подогревают до температуры 40˚С.
По мере готовностиглинистая суспензия перекачивается в шаровую мельницу с отощающими материалами [2].

Подготовкаотощающих материалов
Полевой шпат доставляетсяна завод в виде больших кусков в промежуточный склад МЗЦ. Подготовка полевого шпатапроизводится по непрерывной технологии, которая состоит из трех основных операций:
– грубоедробление
– среднеедробление
– помол
Грубое дроблениеосуществляется при помощи щековой дробилки СМ-741 на куски 30-60мм.
Затем материалленточным транспортером подается на среднее дробление. Среднее дробление осуществляетсяпри помощи щековой дробилки С-182Б на куски, размером 20-30мм.
Раздробленныйматериал элеватором подается в бункер, откуда через вибротрубу поступает в коническуюмельницу. Помол осуществляется по сухому способу с помощью фарфоровых мелющих тел.Мельница футерована фарфоровыми или кремниевыми плитами. Измельченный в мельницематериал элеватором подается в расходный бункер. Размер частиц после помола не долженпревышать 2мм.
Фарфоровый бой– выбирается без выплавок железа, цемента, шамота и другой засорки.
Подготовка боя:
– грубоедробление
– среднеедробление
– мелкоеизмельчение
– рассев
После грубогодробления бой с помощью пластинчатого транспортера должен подаваться в щековую дробилкудля среднего дробления до кусков, размером 30-60мм. Раздробленный материал элеваторомподается в бункер.
Мелкое дроблениеи помол производится в конической мельнице.
Перед началомработы необходимо проверить чистоту оборудования [2].
Приготовлениешликера
Тонкий помол иперемешивание всех сырьевых компонентов осуществляется в шаровых мельницах (барабанах).
Вначале в шаровых мельницахпроизводится помол каменистых материалов до остатка на сите №004 2.5±0.5%.
Продолжительностьпомола осуществляется опытным путем Р=1.65±0.5г/см3.
По мере готовностикаменистых, закачать глинистые материалы: одну глинистую мешалку на шаровую мельницу.Продолжать помол с глинистыми не менее 30мин. В результате помола в шаровой мельницеполучается жидкая суспензия-шликер.
Готовый шликерсливается из шаровой мельницы в пропеллерную мешалку-усреднитель и туда же добавляютсяотходы полуфабрикатов (стружка после обточки, брак сушки изделий) в соотношении1:1, т.е. 50% из шаровой мельницы и 50% отходы полуфабрикатов. В усреднителях шликерпостоянно взмучивается вращающимися пропеллерными винтами во избежание оседаниячастиц минералов на дно емкости и расслоения шликера [2].Приготовлениемассы
Чтобы получитьтестообразную пластическую массу, пригодную для изготовления из нее изоляторов,необходимо из шликера удалить 30-35% воды. Это производится с помощью фильтрпрессов.
Фильтрпресс состоитиз набора рам, соединенных между собой червячным винтом. Под прессом расположенлоток для сбора воды, вытекающей из рам. Рабочие поверхности рам имеют каналы длястекания воды. Каждая рама обертывается полотном из капроновой ткани, подвешеннойна перекладине. Центральное отверстие в полотне совпадает с центральным отверстиемв раме. Для стекания воды в нижней части рам имеются сточные отверстия.
Шликер поступает в фильтрпресспо центральному каналу под давлением, поднимающимся постепенно. Максимальное давлениефильтрпрессования 12-15 атм. Все камеры заполняются шликером. Вода проходит черезполотна и по рифленым каналам рам стекает вниз к сквозному отверстию в ободе каждойрамы. Частицы не пропускаются полотнами и оседают в камерах между рамами, образуякорж тестообразной массы, влажностью 19-21%. Толщина коржей 25-40 мм. Вода стекаетв лоток под фильтрпрессом и поступает, по трубопроводу, в отстойники, т.к. в водеостается 2-4% частиц минералов.
В начале фильтрпрессованиявода из рам вытекает интенсивно, затем ее количество уменьшается. Время прессованиясоставляет 1.5-2.5 часа. Оно зависит от плотности шликера, от температуры, от чистотыполотен и режима фильтрпрессования.
Шликер долженподаваться без перебоев, чтобы не произошло расслоения массы, и не образоваласьв коржах жидкая часть.
Для ускоренияфильтрпрессования шликер подогревают до 40°С. При этом уменьшается еговязкость и возрастает подвижность его частиц, что обуславливает повышение фильтрационнойспособности шликера, а значит сокращает время прессования.
По окончании процессафильтрпрессования насос отключают, спускают остаток шликера в усреднитель, а рамыпресса разбирают. Коржи массы вынимают, в них содержится 19-21% воды, но она распределенанеравномерно. В центральной части коржа наблюдается наибольшая влажность, а у краев-наименьшая.
Внутри коржеймогут быть пузырьки воздуха. Чтобы получить однородную по влажности массу без воздушныхвключений, коржи поступают для вакуумной переработки промина на вакуумпрессе.
Куски коржей подаютсяв приемник вакуумпресса, захватываются шнеком, проминаются и выдавливаются черезперфорированную перегородку в виде струек 8-10 мм и попадают в вакуумкамеру. Воздухудаляется, а масса захватывается шнеком и в прессующем цилиндре образуется монолитнаяпластичная масса, имеющая форму бруса. Брус уплотняется за счет сужающегося конусана выходе из вакуум пресса, масса выходит в виде монолитного стержня. Затем массаразрезается на куски заданной длины и поступает в массохранилище или на вытяжкузаготовок изоляторов.Приготовлениеглазурей
Поверхность неглазурованныхизоляторов несколько шероховата и легко загрязняется, смачивается водой. Это значительноснижает электроизоляционные свойства изоляторов.
Для устраненияэтих недостатков, высушенные до остаточной влажности 0.2 – 1.0%, изделия покрываютглазурной суспензией, которая после высыхания прочно пристает к поверхности изоляторов,впитываясь в поры.
В процессе обжигаглазурь плавится, образуя на поверхности изоляторов блестящее, стекловидное покрытие,толщиной до 1 мм.
Глазурь: – снижаетзагрязнение;
– облегчаеточистку поверхности;
– повышаетмеханическую прочность.
В производствеэлектрокерамических изделий применяются глазури белого и коричневого цветов. В составцветных глазурей вводят красители (хромитовый железняк, марганцевая руда и др.).
Для приготовленияглазурей применяют сырьевые материалы исключительно высокой чистоты [2].
Подбор составамасс и глазурей для фарфора. Пути повышения электротехнических характеристик
Микроскопическоеисследование структуры электрофарфора показывает, что основная масса состоит изстекла – аморфная фаза 55 – 60%. Это стекло образовалось в результате расплавлениячастиц полевого шпата и, частично, кварца в процессе обжига электрофарфоровых изделий.В стекловидной массе наблюдаются нерасплавившиеся крупные частицы кварца (15%).
В массе стеклазаметны небольшие образования черного цвета. Это закрытые поры (3–5%). Вся массастекла пронизана продолговатыми кристаллами муллита – Al2O3*2SiO2.Кристаллы муллитаобразовались при разложении каолинита. Кристаллы муллита составляют основу – скелетэлектрофарфора. Он обеспечивает электрофарфору высокую механическую прочность, малыйкоэффициент теплового расширения и хорошие электроизоляционные свойства. Если содержаниемуллита значительно увеличить, фарфор становится рыхлым и механическая прочностьего значительно снижается. В высококачественном электрофарфоре кристаллы муллитасоставляют 25 – 30%. Вместе с нерасплавившимися частицами кварца кристаллическаяфаза составляет 40 – 45%.
Аморфная (стекловидная)– 60–55%. Наличие в фарфоре стекла обеспечивает негигроскопичность, хорошую электрическуюпрочность, но придает фарфору хрупкость, поэтому значительно увеличивать количествостекла тоже нельзя.
Испытания фарфора
Для испытаниямеханических, электрических и др. характеристик электрофарфора изготовляют стандартныеобразцы соответствующих размеров и формы.
Электрофарфоризготовляют из масс, в состав которых входят:
– 42-48%пластичных материалов (глина, каолины);
– 26-33%кварцевый песок;
– 18-20%полевой шпат и пегматит.
В массы вводятмолотый фарфоровый бой (измельченные бракованные изделия, обожженные), тогда содержаниедругих каменистых материалов (непластичных) соответственно уменьшается.
Составы электрофарфоровыхмасс зависят от состава и структуры применяемых сырьевых материалов. Большинствоэлектрофарфоровых изделий изготовляют из пластичной массы. Электроустановочные изделиямалых размеров изготовляют из порошковых масс.
Поверхность изделийиз электрофарфора покрывают стекловидным слоем глазури. Глазурное покрытие надежносоединяется с поверхностью фарфора в процессе обжига изделий, образуя гладкий стекловидныйслой. Глазурь повышает механическую прочность, защищает изолятор от загрязнений,облегчает очистку изоляторов в эксплуатации и придает изолятору хороший внешнийвид.
Одним из назначенийглазури является также повышение механических характеристик электрофарфора. Этодостигается правильным выбором состава глазури, соответствующим данному составуэлектрофарфора.
Для удовлетворенияосновных требований, предъявляемых к глазури, необходимо их минеральный и химическийсоставы приблизить к составам электрофарфоровых изделий.
В состав глазуривводят флюсующие вещества (плавни), понижающие температуру плавления глазури и способствующиехорошему разливу ее по поверхности изделия.
Правильно подобранная глазурь повышает механическую прочностьизоляторов. Для этого температурные коэффициенты линейного расширения электрокерамическогоматериала и глазури должны быть близкими друг к другу, причем у глазури он долженбыть несколько ниже, чем у массы. Температура плавления глазури должна соответствоватьтемпературе спекания электрофарфора. Несоответствие ТКЛР и температура плавлениявызывает брак.
Свойстваэлектротехнического фарфора
Правильно изготовленныйэлектротехнический фарфор является хорошим электроизоляционным материалом. Он обладаетвысокими диэлектрическими и механическими характеристиками. Создание фарфора, удовлетворяющегонеобходимым требованиям, является делом сложным, поскольку свойства фарфора зависятот ряда факторов:
1. характеристикифарфора зависят от соотношения составных частей – компонентов фарфоровой массы;
2. от способовобработки исходных сырьевых материалов и способов обработки фарфоровой массы;
3. от режимовсушки и обжига изделий;
4. влияниеотдельных компонентов на свойства электротехнического фарфора обычно характеризуютпроцентные соотношения различных компонентов.

Влияние отдельныхкомпонентов на свойства готового изделия
Область выделениядвумя кривыми в левом углу соответствует составу масс, обладающих высокой термическойустойчивостью(термостойкостью).
Выше располагаетсяобласть, соответствующая составам фарфора с высокой электрической прочностью. Надиаграмме видно, что с увеличением в фарфоровой массе полевого шпата за счет каолинамы приходим в область, соответствующую составам фарфоровых масс с высокой электрическойпрочностью, но менее термостойких.
С увеличениемсодержания в массе кварца за счет снижения содержания каолина повышается механическаяпрочность фарфора, но снижается термостойкость.
Данная диаграммаприблизительно показывает влияние отдельных компонентов на свойства готового изделия[1].
Технологическаясхема приготовления лабораторных образцовдля проведения испытаний
Приготовлениефарфоровых масс
М-0 М-1 М-2 М-3
(тонкодисперсная)(15% глинозема) (25% глинозема) (27% глинозема)
↓
Помол в шаровыхмельницах
(τпомола=8ч5мин) (τпомола=8ч50мин) (τпомола=11ч15мин) (τпомола=11ч40мин)
остаток на ситеN0040
(4%) (3.3%) (3%)(3.6%)
↓
Обезвоживаниешликера в тканевых мешках, помещенных в гипсовые формы (4 дня) (W=19 – 19.5%)
↓
Изготовление лабораторныхобразцов для проведения испытаний
↓
Сушка образцов→ Испытания (сухих образцов)
↓ ↓
Глазурование Обжиг→ Испытания
(обожженных неглазур.образцов)
↓
Обжиг
↓
Испытания
(обожженных глазурованныхобразцов)
↓
Обработка результатов,
подведение итогов
Экспериментальная часть
Важнейшим свойствомэлектротехнического фарфора является механическая прочность. Создание новых высокопрочныхизоляторов будет развиваться в направлении увеличения в составе фарфора основногокомпонента – муллита, кристаллизации стекловидной фазы, что может быть достигнутоза счет введения в состав массы глинозема.
При изысканииновых керамических материалов необходимо рассчитать химический и минералогическийсоставы массы, исходя из анализа сырьевых материалов.
Для определенияшихтового состава массы и опробирования ее в лабораторных условиях выберем три рецептас содержанием глинозема в количестве 15, 25 и 27%.
Химический анализматериалов приведен в табл.13.
Таблица 13 Химическийсостав сырьяНаименование Содержание оксидов, масс. %
SiO2
Al2O3
Fe2O3 CaO MgO
K2O
Na2O
TiO2 ппп ∑ Глина Дружковская 52.18 33,30 0,60 0,30 0,20 1,70 0,60 1,42 9,70 100.0 Каолин Кыштымский 46,10 37,35 0,60 0,35 0,45 0,90 0,80 0,70 12,75 100.0 Каолин Просяновский 45,90 38,00 0,20 0,50 0,20 0,40 0,40 0,80 13,60 100.0 Полевой шпат Мамс.-Чуйск. 66,20 18,80 0,20 0,69 0,60 10,20 2,90 0,01 0,40 100.0 Пегматит Енский 72,50 17,43 0,15 0,80 0,40 6,05 2,43 0,04 0,20 100.0 Кв.песок Ташлинский 98,60 0,70 0,05 0,25 0,20 0,09 0,07 – 0.04 100.0 Бой фарфоровый 71,30 23,14 0,32 0,42 0,33 2,55 1,084 0.79 0.07 100.0 Глинозем, ГЭФ – 99,63 – – – 0,03 0,33 – 0.01 100.0 Таблица 14 Химический состав массы фарфоровой М-0Наименование
%-ное
содерж.
в массе Содержание оксидов, масс. %
SiO2
Al2O3
Fe2O3 CaO MgO
K2O
Na2O
TiO2 ппп Глина Дружковская 23 12,0014 7,659 0,138 0,069 0,046 0,391 0,139 0,3266 2,231 Каолин Кыштымский 13 5,990 4,8555 0,078 0,045 0,0585 0,117 0,104 0,091 1,6545 Каолин Просяновский 12 5,508 4,560 0,024 0,060 0,024 0,048 0,048 0,096 1,632 Полевой шпат Мамс.-Чуйск. 10 6,620 1,880 0,020 0,069 0,060 1,020 0,290 0,001 0,040 Пегматит Енский 9 6,525 1,568 0,0135 0,072 0,036 0,5450 0,2187 0,0036 0,0180 Кв.песок Ташлинский 27 26,622 0,189 0,0135 0,0675 0,0540 0,0243 0,0189 – 0,0108 Бой фарфоровый 6 4,278 1,3884 0,0192 0,0252 0,0198 0,1530 0,0650 0,047 0,004 Расчетный хим. анализ массы 100 67,54 22,10 0,31 0,41 0,30 2,30 0,88 0,57 5,59
Таблица 15 Химическийсостав глиноземистой массы М-1Наименование
%-ное
содерж.
в массе Содержание оксидов, масс. %
SiO2
Al2O3
Fe2O3 CaO МgO
K2O
Na2O
TiO2 ппп Глина Дружковская 24 12,5232 7,992 0,144 0,072 0,048 0,408 0,144 0,3408 2,328 Каолин Кыштымский 10 4,610 3,735 0,060 0,035 0,045 0,09 0,08 0,07 1,275 Каолин Просяновский 5 2,295 1,90 0,010 0,025 0,010 0,020 0,020 0,04 0,68 Полевой шпат Мамс.-Чуйск. 13 8,606 2,444 0,026 0,0897 0,078 1,326 0,377 0,0013 0,052 Пегматит Енский 19 13,775 3,3117 0,0285 0,152 0,076 1,1495 0,4617 0,0076 0,038 Бой фарфоровый 14 9,982 3,2396 0,0448 0,0588 0,046 0,357 0,1518 0,1106 0,0098 Глинозем, ГЭФ 15 – 14,9445 – – – 0,0045 0,0495 – 0,0015 Расчетный хим. анализ массы 100 51,79 37,57 0,31 0,43 0,30 3,36 1,28 0,57 4,38
Таблица 16 Химическийсостав глиноземистой массы М-2Наименование
%-ное
содерж.
в массе Содержание оксидов, масс. %
SiO2
Al2O3
Fe2O3 CaO MgO
K2O
Na2O
TiO2 ппп Глина Дружковская 24 12,5232 7,992 0,144 0,072 0,048 0,408 0,144 0,3408 2,328 Каолин Кыштымский 12 5,532 4,482 0,072 0,042 0,054 0,108 0,096 0,084 1,530 Каолин Просяновский 5 2,295 1,9 0,01 0,025 0,01 0,02 0,02 0,04 0,68 Полевой шпат Мамс.-Чуйск. 25 16,55 4,7 0,05 0,1725 0,15 2,55 0,725 0,0025 0,1 Бой фарфоровый 9 6,417 2,0826 0,0288 0,0378 0,0297 0,2295 0,0975 0,0711 0,0063 Глинозем, ГЭФ 25 – 24,91 – – – 0,007 0,08 – 0,002 Расчетный хим. анализ массы 100 43,32 46,07 0,32 0,35 0,29 3,32 1,17 0,54 4,64
Таблица 17 Химическийсостав глиноземистой массы М-3Наименование
%-ное
содерж.
в массе Содержание оксидов, масс. %
SiO2
Al2O3
Fe2O3 CaO MgO
K2O
Na2O
TiO2 ппп Глина Дружковская 24 12,5252 7,992 0,144 0,072 0,048 0,408 0,144 0,3408 2,328 Каолин Кыштымский 10 4,610 3,735 0,06 0,035 0,045 0,09 0,08 0,07 1,275 Каолин Просяновский 5 2,295 1,900 0,01 0,023 0,01 0,02 0,02 0,04 0,68 Полевой шпат Мамс.-Чуйск. 26 17,212 4,888 0,052 0,1794 0,156 2,652 0,754 0,0026 0,104 Бой фарфоровый 8 5,704 1,8512 0,0256 0,0336 0,0264 0,204 0,087 0,0632 0,0056 Глинозем, ГЭФ 27 – 26,9 – – – 0,008 0,0089 – 0,0027 Расчетный хим. анализ массы 100 42,34 47,27 0,29 0,34 0,29 3,38 1,17 0,52 4,39
Сопоставлениерезультатов расчета химических составов и изделий электрофарфора, изготовляемыхна нескольких предприятиях России (УИЗ, ЛФЗ, ВЗЭФ), позволило выбрать три составамасс с применением 15, 25 и 27% глинозема, и, для сравнения, берется фарфороваямасса завода УИЗ (тонкодисперсная масса марки 110.1).
Были приготовленыкерамические массы, согласно рецептов, указанных в таблице 18.

Таблица 18 Рецептыкерамических масс, используемых в работеНаименование материалов Содержание материалов, %, кг М-0 М-1 М-2 М-3 % кг % кг % кг % Кг Глинозем, ГЭФ – – 15 0,30 25 0,50 27 0,54 Глина Дружковс, ДН-0 23 0,46 24 0,48 24 0,48 24 0,48 Каолин Кыштым, КЭ-3 13 0,26 10 0,2 12 0,24 10 0,2 Каолин Просян, КЭ-2 12 0,24 5 0,10 5 0,10 5 0,10 Полевой шпат Мамско-Чуйск, ПШК-0,20-3 10 0,20 13 0,26 25 0,50 26 0,52 Пегматит Енский, КПШМ-0,20-2 9 0,18 19 0,38 – – – – Бой фарфоровый 6 0,12 14 0,28 9 0,18 8 0,16
Песок Ташлинск,
ВС-050-1 27 0,54 – – – – – – ИТОГО 100 2 100 2 100 2 100 2
Керамический шликерприготовлялся в фарфоровых шаровых мельницах с добавлением воды, при помощи мелющихтел – уралитовых шаров.
Загрузка шаровыхмельниц производилась весовым способом, а помол сырьевых материалов осуществлялсяна лабораторной установке до остатка на сите №0040 в количестве 3-4%.
Время помола вшаровых мельницах составило от 8 до 12 часов в зависимости от рецепта массы.
Тонкость помолашликера проверяем остатком: промываем через сито №0040 100мл шликера, остаток сушимв сушильном шкафу при температуре 105°С и взвешиваем его. По таблицеудельных весов находим остаток в процентах.
Готовый шликериз шаровой мельницы сливаем через сито №01 и промагничиваем постоянным магнитомдля удаления металлических включений. Затем шликер переливаем в тканевые мешки,заложенные в гипсовые формы для обезвоживания.
Влажность шликераглиноземистой массы составила 55-56%, обычная заводская масса имеет влажность 58-59%.
Чтобы обезвоживаниешло быстрее, мешки со шликером перекладываем в сухие формы с одновременным перемешиванием,путем встряхивания мешка.
Обезвоженную массусбивали на фильтровальном полотне до влажности 19-19,5%.
Из массы приготовилилабораторные образцы для определения физико-химических свойств:
– механическуюпрочность на изгиб;
– усадку(воздушную и полную);
– пористостькажущуюся;
– пористостьоткрытую;
– термостойкость;
– химическийанализ.
Для испытанияобразцов применяли методики испытания физико- химических свойств ГОСТ 24409-80 [12].Расчет фазового состава фарфора
Для сравнения физико–технических свойств фарфора производитсярасчет их фазового состава, что позволяет получить сведения о структуре материалаи о химическом составе стекловидной фазы.
Считаем, что оксидалюминия – Al2O3, введенный в состав массы глиной, каолином и глиноземом, полностьюрасходуется на образование муллита. Расчет количества муллита в таблице 19.
Расчет ведетсяпо методике, утвержденной институтом фарфора.
Таблица 19 Расчет количества муллитаИндекс массы
Al2O3
Муллит,%
3Al2O3*2SiO2
SiO2, % Индекс массы
К2O Полевой шпат
Al2O3
SiO2 М-0
10.00
7.00
0.08
=17.08
13.928
9.750
0.111
=23.79
3.9
2.75
0.031
=6.71 М-0
2.00
0.3
=2.3
11.85
1.78
=13.63
2.17
0.33
=2.5
7.68
1.15
=8.83 М-1
20.00
8.00
0.50
0.08
=28.58
27.856
11.142
0.696
0.111
=39.805
7.856
3.142
0.196
0.031
=11.22 М-1
3.00
0.3
0.06
=3.36
17.78
1.78
0.36
=19.92
3.25
0.33
0.07
=3.65
11.52
1.15
0.23
=12.67 М-2
30.00
9.00
0.20
0.08
=39.28
41.784
12.535
0.279
0.111
=54.71
11.784
3.535
0.079
0.031
=15.43 М-2
3.00
0.3
0.02
=3.32
17.78
1.78
0.12
=19.68
3.25
0.33
0.02
=3.6
11.52
1.15
0.08
=12.75 М-3
40.0
0.50
=40.5
55.712
0.696
=56.41
15.712
0.196
=15.91 М-3
3.00
0.3
0.08
=3.38
17.78
1.78
0.47
=20.03
3.25
0.33
0.09
=3.67
11.52
1.15
0.31
=12.98 Индекс массы
Na2O Полевой шпат
Al2O3
SiO2 М-0
0.8
0.08
=0.88
6.78
0.68
=7.46
1.32
0.13
=1.45
4.67
0.47
=5.14 М-1
1.00
0.2
0.08
=1.28
8.48
1.70
0.68
=10.86
1.65
0.33
0.13
=2.11
5.83
1.17
0.47
=7.47 М-2
1.00
0.1
0.07
=1.17
8.48
0.85
0.59
=9.92
1.65
0.16
0.11
=1.92
5.83
0.58
0.41
=6.82 М-3
1.00
0.1
0.07
=1.17
8.48
0.85
0.59
=9.92
1.65
0.16
0.11
=1.92
5.83
0.58
0.41
=6.82
Общее количествополевошпатовой стеклофазы (данные из табл.19):
Калиевый Натровый
Массы: М-0 13,63+ 7,46=21,09%
М-1 19,92 + 10,86=30,78%
М-2 19,68 + 9,92=29,6%
М-3 20,03 + 9,92=29,95%
Количество SiO2, израсходованное на образованиемуллита и полевошпатовой стеклофазы:
Массы: М-0 6,71+8,83+5,14=20,68%
М-1 11,23+12,67+7,47=31,37%
М-2 15,43+12,75+6,82=35,00%
М-3 15,91+12,98+6,82=32,71%
Количество свободногокварца состоит: расчетное количество SiO2 в массе (см. табл. 14-17) минус израсходованное количествоSiO2 на образование муллита иполевошпатовой стеклофазы (см. предыдущий пункт).
Массы: М-0 67,54-20,68=46,86%
М-1 51,79-31,37=20,42%
М-2 43,32-35,00=8,32%
М-3 42,34-35,71=6,63%
Исследование растворимостикварца и муллита в полевошпатовом стекле показало, что в нем растворяется 25% остаточногокварца и муллита. Исходя из этого, количество свободного кварца в фазовом составефарфора составит:
Кварц:
М-0 46,86*0,75=35,15%
М-1 20,42*0,75=15,34%
М-2 8,32*0,75=6,225%
М-3 6,63*0,75=4,97%

Муллит:
М-0 23,79*0,75=17,84%
М-1 39,81*0,75=29,86%
М-2 54,71*0,75=41,03%
М-3 56,41*0,75=42,31%
В результате проведенногорасчета установлен фазовый состав фарфора (см. табл.20).
Таблица 20 Фазовый состав фарфораИндекс массы Содержание в массе Кварц Муллит + Корунд Стекло М-0 35,15 17,84 47,01 М-1 15,34 29,86 54,80 М-2 6,23 41,03 52,74 М-3 4,97 42,31 52,72
В ходе проведенныхисследований были получены результаты испытаний лабораторных образцов (см. табл.21).Таблица 21 Результаты испытания лабораторных образцовОсновной показатель Подгруппа фарфора 110.1 Подгруппа фарфора 120 М-0 М-1 М-2 М-3
Плотность, г/см3 (средний результат по трем образцам) 2,48 2,51 2,78 2,81
Кажущаяся плотность, г/см3 (средний результат по трем образцам) 2.39 2.40 2.51 2.54 Кажущаяся пористость, % (средний результат по трем образцам) 0,02 0.02 0,01 0.01 Открытая пористость (окраска в фуксине) Отсутствует Отсутствует Отсутствует Отсутствует Механическая прочность на изгиб сухих образцов, МПа (средний результат по 6 испытаниям) 6.95 7.08 7.6 7.7 Механическая прочность на изгиб обожженных образцов, МПа (средний результат по 6 испытаниям) 100 112.6 135 136.6 Механическая прочность на изгиб обожженных глазурованных образцов, МПа (средний результат по 6 испытаниям) 110.6 120 159.2 164.7 Воздушная усадка (средний результат по 3 образцам) 5.8 5.2 5.0 5.1 Полная усадка обожженных образцов при t=1340ºС (средний результат по 3 образцам) 12.5 12.0 11.8 11.9 Электрическая прочность Кв/мм при частоте 50 Гц (средний результат по 3 образцам) 33.3 33.6 35.3 39 Относительная диэлектрическая проницаемость при частоте 50Гц (средний результат по 3 образцам) 5,9 6,0 6,7 6,9 Удельное объемное сопротивление при постоянном токе Ом*см при t=20°C (средний результат по 3 образцам)
1,6*1013
 
2,2*1013
5,2*1013
7,4*1013 Стойкость к термоударам, Dt, °С (средний результат по 3 образцам) 160 166 173 180 Коэффициент термического линейного расширения (средний результат по 3 образцам) 4,0 4,3 4,9 5,2
После получения,обработки и сравнения всех результатов была выбрана глиноземистая масса М-2 с содержаниемглинозема в количестве 25%. Сравнительная таблица характеристик данной массы с характеристикамитонкодисперсной массы марки 110.1 (М-0) дает возможность еще раз убедиться в преимуществемассы М-2 над массой М-0 (см. табл.22).

Таблица 22 Свойства фарфора из глиноземистыхмасс, подгруппы 120 по ГОСТ 20419 – 83 [11]Показатели
Требования к материалу подгруппы 120
по ГОСТ 20419 – 83 Фактические результаты испытаний фарфора М – 0 М – 2 М – 0 М – 2
1.Плотность, г/см3,
не менее 2.5 2.7 2.48 2.78
2.Кажущаяся плотность, г/см3,
не менее 2.3 2.4 2.39 2.51 3.Кажущаяся пористость, % 0.0 0.0 0.02 0.01 4.Открытая пористость отсутствует отсутствует отсутствует отсутствует
5.Прочность на изгиб,
МПа, не менее, неглазурован.
глазурован.
60
70
110
140
100
110.6
135
159.2
6.Средний КТЛР,
К-1*10-6, при температуре от 20 до 100ºС от 3 до 6 4.0 4.9
7.Электрическая прочность, кВ*мм-1 при частоте 50 Гц,
не менее 25 30 33 35

Экономическаячасть
Данная исследовательскаяработа заключается в исследовании и разработке составов масс высоковольтного фарфорас повышенными электромеханическими характеристиками.
Электротехническийфарфор – один из наиболее широко применяемых керамических материалов для изготовленияизоляторов высокого и низкого напряжения.
Несмотря на наличиемногих других керамических материалов с более высокими механическими и диэлектрическимихарактеристиками, роль фарфора в ряде отраслей электротехники не только не снизилась,а, наоборот, весьма возросла.
Производство изоляторовпредставляет собой сложный и разнохарактерный комплекс технологических процессови требует большого внимания, так как выход из строя изоляторов высокого напряжениягрозит серьезной аварией трансформатору, выключателю и целым участкам линий электропередачии распределительных устройств.
Электрофарфор– это обожженная при высокой температуре (1300 – 1380ºС) керамическая масса,состоящая из смеси полевого шпата, кварца, каолина и глины, характеризующаяся плотнойструктурой и следующими свойствами:
— высокой электрическойпрочностью;
— высокой механическойпрочностью;
— малой чувствительностьюк атмосферным осадкам.
Важнейшим свойствомэлектротехнического фарфора является механическая прочность. Создание новых высокопрочныхизоляторов будет развиваться в направлении увеличения в составе фарфора основногокомпонента – муллита, кристаллизации стекловидной фазы, что может быть достигнутоза счет введения в состав массы нового компонента глинозема.
На Камышловскомизоляторном заводе «Урализолятор» выпускается электрофарфор марки 110.1 из тонкодисперснойфарфоровой массы. Данная продукция обладает достаточно высокими электрическими свойствами,но недостаточно высокими механическими. Путем введения в массу компонента глиноземабудет достигнута необходимая, для крупногабаритных изделий, механическая прочность.А за счет улучшения важнейших свойств электрофарфора становится возможным увеличениеобъема продаж, рост прибыли, т.к. глиноземистый фарфор пользуется наибольшим спросому потребителя.
Таблица 23 Калькуляция себестоимостифарфоровых изоляторов Камышловского изоляторного завода без добавления глинозема(1400 тонн фарфора)
№
п/п Статьи затрат
Ед.
Изм. Затраты На весь выпуск (1400т) На ед. прод-ци Кол-во, т
Стоимость
ед.,
руб. за т
Сумма
затрат,
тыс. руб.
Кол-во,
т
Сумма
затрат,
руб. 1 2 3 4 5 6 7 8 1
Сырье и основные материалы:
1.1.Глина Дружковская
1.2.Каолин Кыштымский
1.3.Каолин Просяновский
1.4.Пегматит Енский
1.5.П.Шпат Мамс.-Чуйский
1.6.Кв.песок Ташлинский
1.7.Череп фарфоровый
т
т
т
т
т
т
т
348.6
289.8
275.2
287
379.8
403.5
207.2
1300
1200
3000
4500
3000
3000
1000
453.18
347.76
825.6
1291.5
1139.4
403.5
207.2
0.2490
0.2070
0.1966
0.2050
0.2713
0.2882
0.1480
323.7
248.4
589.8
922.5
813.9
864.6
148 Итого т 2191 17000 4668.14 1.5651 3910.9 2.
Вспомогательные
материалы:
2.1.Уралитовые шары т 412 228 93.9 0.29 66.12 Всего материалов 4762.04 3977.02 3
Топливо теплотехническое
3.1.Газ природный
т, м3 2800 1.10 3080 2 2200 4
Энергия технологическая
4.1.Электроэнергия кВт.ч 602 1.28 770.56 0.43 550
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Вода для технических целей
Зарплата основная
Дополнительная зарплата (13% от основной)
Расходы по содержанию и
эксплуатации оборудования
Общезаводские и цеховые расходы
Потери от брака
Производственная
себестоимость
Внепроизводственные расходы (1.5% от производ. себестоимости)
Полная себестоимость
тыс.т
руб
руб
руб
руб
руб
руб
руб
руб 630 1.5
945
3696.00
480.48
16381
15538
8379.7
54032
810.49
54842.49 0.45
675
2639
343
11700
11099
5986
39169
587.5
39756.5
Затраты на годовойвыпуск 1 тонны фарфоровых изоляторов без добавления глинозема составляет 39756.5руб.
Таблица 24 Калькуляция себестоимостифарфоровых изоляторов Камышловского изоляторного завода с добавкой глинозема (1400тонн фарфора)
№
п/п Статьи затрат
Ед.
Изм. Затраты На весь выпуск (1400т) На ед. прод-ци Кол-во, т
Стоимость
ед.,
руб. за т
Сумма
затрат,
тыс. руб.
Кол-во,
т
Сумма
затрат,
руб. 1 2 3 4 5 6 7 8 1
Сырье и основные материалы:
1.1.Глина Дружковская
1.2.Каолин Кыштымский
1.3.Каолин Просяновский
1.4.П.Шпат Мамс.-Чуйский
1.5.Глинозем
1.6.Череп фарфоровый
т
т
т
т
т
т
422.8
252.0
194.32
378.8
408.5
194.9
1300
1200
194.32
378.8
408.5
194.9
549.6
302.4
583.0
1136.4
4085
194.9
0.3020
0.1800
0.1388
0.2706
0.2918
0.1392
392.6
216.0
416.0
811.8
2918.0
139.2 Итого т 1851.32 19500 6851.3 1.3224 4893.6 2.
Вспомогательные
материалы:
2.1.Уралитовые шары т 412 228 93.9 0.92 66.12 Всего материалов 2263.3 19728 6945.2 2.242 4959.7
3
4
5
6
7
8
9
10
Топливо теплотехническое
3.1.Газ природный
Энергия технологическая
4.1.Электроэнергия
Вода для технических целей
Зарплата основная
Дополнительная зарплата (13% от основной)
Расходы по содержанию и
эксплуатации оборудования
Общезаводские и цеховые расходы
Потери от брака
т, м3
кВт.ч
тыс.т
руб
руб
руб
руб
руб
2800
602
630
1.10
1.28
1.5
3080
770.56
945
3696.00
480.48
16381
15538
4322
2
0.43
0.45
2200
550
675
2639
343
11700
11099
3087
11
12
13
Производственная
себестоимость
Внепроизводственные расходы (1.5% от заводской себестоимости)
Полная себестоимость
руб
руб
руб
52158
1303.9
53461.9
37252.7
558.8
37811.5
Затраты на годовойвыпуск 1 тонны фарфоровых изоляторов с добавкой глинозема составят 37811.5 руб.
Таблица 25 Сравнительная калькуляциясебестоимости
№
п/п Сравнительные статьи
Ед.
изм. Сумма затрат, тыс.руб.
Эконо-
мия(+),
перерас-
ход(-) Без добав. глинозема С добав. глинозема
На весь
выпуск
На ед.
прод-ции
На весь
выпуск
На ед.
прод-ции 1 2 3 4 5 6 7 8
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Сырье и основные материалы
Вспомогательные
Материалы
Топливо (газ природный)
Электроэнергия
Вода техническая
Зарплата основная
Дополнительная зарплата (13% от основной)
Расходы по содержан. и эксплуатации оборудован.
Общезаводские и цеховые расходы
Потери от брака
Тыс.
Руб
Тыс.
руб
т.м3
кВт.ч
тыс.т
руб
руб
руб
руб
руб
4668.14
93.9
3080
770.56
945
3696.0
480.48
16381
15538
8379.7
3.91
0.06
2.2
0.55
0.675
2.639
0.34
11.70
11.09
5.98
6851.3
93.9
3080
770.56
945
3696.0
480.48
16381
15538
4322
4.9
0.06
2.2
0.55
0.675
2.639
0.34
11.70
11.09
3.08
0.99(-)
2.9(+)
Производственная себестоимость
Внепроизводственные
расходы (1.5%от заводской себестоимости)
Внепроизводственные
расходы (1.5%от заводской себестоимости)
руб
руб
руб
54032
810.49
54842.49
39.16
0.58
39.75
52158
1303.9
53461.9
37.25
0.55
37.81
1.91(+)
0.03(+)
1.94(+)
Вывод: сумма затратна тонну фарфора с добавкой глинозема на 1.94 тыс.руб. (т.е. на 5%) меньше, чемна тонну электрофарфора без добавки глинозема.
При внедрениинового производства крупногабаритных изоляторов из глиноземистой массы, технологияпроизводства не меняется, поэтому расходы по содержанию и эксплуатации оборудования,общезаводские расходы, цеховые расходы также не меняются.
Глиноземистыйфарфор обладает повышенными электромеханическими характеристиками, его цена ниже,чем у электрофарфора, произведенного из обычной тонкодисперсной массы, а, значит,он будет пользоваться наибольшим спросом у потребителя. Следовательно, новое производствоявляется экономически более выгодным.

Природопользованиеи охрана окружающей среды
 
Данная исследовательскаяработа заключается в исследовании и разработке составов масс высоковольтного фарфорас повышенными электромеханическими характеристиками.
В данной работеиспользуются сыпучие вещества. При их взвешивании, помоле и смешивании возникаетзначительное пылевыделение.
Концентрация пылив воздухе рабочей зоны не должна превышать предельно допустимую. Используемые вработе вещества не являются токсичными, но могут вызывать аллергические реакции.
ПДК – концентрации,которые при ежедневной (кроме выходных дней) работе в течение 8ч и не более 40 чв неделю, в течение всего рабочего стажа не должны вызывать заболеваний или отклоненийв состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследований в процессеработы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующих поколений. Воздействиевредного вещества на уровне ПДК не исключает нарушение состояния здоровья у лицс повышенной чувствительностью.
Вредное вещество– вещество, которое при контакте с организмом человека может вызвать профессиональныезаболевания или отклонения в состоянии здоровья, обнаруживаемые современными методамикак в процессе воздействия вещества, так и в отдаленные сроки жизни настоящего ипоследующих поколений.
По степени воздействияна организм человека вредные вещества подразделены на четыре класса опасности:
1 – вещества чрезвычайноопасные;
2 – вещества высокоопасные;
3 – вещества умеренноопасные;
4 – вещества малоопасные, в соответствии с классификацией
ГОСТ 12.1.007-76.
В табл.26 приведеныпредельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны.
Таблица 26 Предельно допустимые концентрации(ПДК) вредных веществНаименование вещества
Величина
ПДК
(мг/м3) Преимущественное агрегатное состояние в воздухе в условиях производства
Класс
опасности
Особенности
действия на
организм Пыль с примесью диоксида кремния от 2 до 10% 4 а 4 А, Ф
В таблице использованыследующие обозначения:
а – аэрозоль;
А – вещества,способные вызывать аллергические заболевания в производственных условиях;
Ф – аэрозоли преимущественнофиброгенного действия.
Содержание вредныхвеществ в воздухе рабочей зоны подлежит систематическому контролю для предупреждениявозможности превышения ПДК – максимально разовых рабочей зоны (ПДКмр.рз)и среднесменных рабочей зоны (ПДКсс.рз).
Содержание вредноговещества в данной конкретной точке характеризуется следующим суммарным временемотбора: для токсических веществ – 15 мин, для веществ, преимущественно фиброгенногодействия – 30 мин. За указанный период времени может быть отобрана одна или несколькопоследовательных проб через равные промежутки времени. Результаты, полученные приоднократном отборе или при усреднении последовательно отобранных проб, сравниваютс величинами ПДКмр.рз.
Для каждого производственногоучастка определяются вещества, которые могут выделяться в воздух рабочей зоны. Приналичии в воздухе нескольких вредных веществ контроль воздушной среды допускаетсяпроводить по наиболее опасным и характерным веществам.
Для уменьшениявредного воздействия на окружающую среду устанавливаются фильтры в дымоходы и вентиляционныеустройства. Осуществляется контроль за концентрацией пыли не только в воздухе рабочейзоны, но и на выходе в окружающую среду из труб.
В данном производствеиспользуются сыпучие вещества, которые при взвешивании, помоле и смешивании выделяютзначительное количество пыли. Но концентрации пыли в рабочей зоне соответствуютпредельно допустимым, за счет наличия вентиляционного оборудования. Количество пыли,выбрасываемое в атмосферу также соответствует нормам и не превышает ПДК, за счетустановки фильтров.
Используемые вработе вещества соответствуют 4 – низшему классу опасности (малоопасные вещества).Следовательно они оказывают очень незначительное воздействие на живые организмыи на окружающую среду. Однако, из-за пыления данные сырьевые компоненты могут вызыватьаллергические реакции у людей предрасположенных к этому заболеванию.
В целом производствовысоковольтного фарфора с повышенными электромеханическими характеристиками не являетсяболее вредным, чем производство электрофарфора из обычной тонкодисперсной массы,т.к. между ними нет больших принципиальных различий. Следовательно производствонового вида фарфора для Камышловского изоляторного завода «Урализолятор» можно запускатьв производство.

Безопасностьи экологичность
Данная исследовательскаяработа проводилась с целью исследования и разработки составов масс высоковольтногофарфора с повышенными электромеханическими характеристиками. Исследования проводилисьв лаборатории Камышловского изоляторного завода «Урализолятор».
Общая организацияработы по безопасности в лаборатории возлагается на заведующего лабораторией. Вовсех помещениях установлена противоточно-вытяжная вентиляция. Воздухообмен рассчитантаким образом, чтобы фактическая концентрация вредных веществ, паров, пыли в воздухене превышала предельно-допустимую (ПДК) на рабочем месте.
Работа в лабораториипри исследовании, изготовлении опытных образцов может сопровождаться следующимивредными для здоровья человека факторами:
— значительноепылевыделение при работе с сыпучими компонентами;
— шум, вибрация;
— тепловыделениепри определении потерь при прокаливании;
— возможностьвозникновения электрических травм, механических травм, ожогов.
Для обеспечениябезопасности труда в России разработана система законодательных, социально-экономическихмероприятий и средств, которые обеспечивают безопасность, сохранение здоровья иработоспособности человека в процессе труда.
Обеспечениебезопасности работающих Характеристика условий труда
В данной лабораторнойработе созданы условия работы, удовлетворяющие требованиям ГОСТ 12.005 – 88.

Таблица 27 Нормы микроклимата, установленныев лабораторииПараметр Период года Холодный и переходный Теплый Температура воздуха,ºС Оптимальная 18 – 20 22 – 25 Допустимая 17 – 22 Не более 28 Относительная влажность воздуха, % Оптимальная 30 – 60 Допустимая 75 55 – 75 Скорость движения воздуха, м/с Оптимальная Не более 0.2 0.2 – 0.5 Допустимая Не более 0.3 Не более 0.5
Для создания оптимальногомикроклимата лаборатория оборудована общеобменной вентиляцией. В холодный периодгода используется водяное отопление.
Таблица 28
Параметры условийтруда в рабочей зонеНаимено-вание профессии Катего-рия тяжес-ти рабо-ты
Темпе-ратура,
º С Относи-тельная влаж-ность, % Ско-рость движе-ния воз-духа, м/с Освещен-ность, лк
Наимено-вание
вредного вещества на рабочем месте
ПДК, мг/м3
Площадь на одного работника, м2
Объем помеще-
ния на одного работ-ника, м3 Сте-пень рис-ка лаборант легкая 20 50 0.2 400 7.2 21.6
10-6
Рабочее местооборудовано так, что исключается возможность прикосновения к токоведущим устройствам,шинам заземления, батареям отопления.
При работе с химическимивеществами соблюдается следующий порядок работы:
— включить вытяжнуювентиляцию;
— избегать пыленияреактивов;
— по окончанииработы реактивы убрать в упаковки, убрать рабочее место и вымыть руки.
Лаборатория оборудованавысокотемпературными электрическими муфельными печами. В ходе работы температурапечи достигает 1450ºС. Температура наружной поверхности, излучающей тепло,не превышает 45ºС (ГОСТ12.1.005 – 88).
Данная исследовательскаяработа связана с использованием порошкообразных веществ и, следовательно, выделениемпыли. Наиболее эффективный способ защиты от пыли – устройство вытяжной вентиляции.
По СН2.2.4/2.1.8.562– 96 для шумов частотой до 1000Гц допускается уровень шума на рабочем месте 75 дБ,что значительно превышает уровень шума в данной лаборатории.
В лабораториииспользуется комбинированное освещение. Естественное освещение осуществляется черезокна. Искусственное освещение обеспечивается с помощью люминесцентных ламп АБ –20 и АД – 20, дающих 40 – 60% светового потока. Минимальная допустимая освещенностьрабочего места по СниП 23-05-95 составляет 150 лк, коэффициент естественного освещения(к.е.о.)1п=1.5.
 
Обеспечениебезопасности труда
Электробезопасность
Рабочее напряжениеоборудования 220В. Для его подвода использован кабель с двойной полихлорвиниловойизоляцией. Корпуса заземлены (ГОСТ 12.1.019 – 79ССБТ).
Электрическаяпечь безопасна в эксплуатации при соблюдении следующих требований:
— корпус печизаземлен;
— все токоведущиечасти и контакты закрыты специальными кожухами.
Для обеспеченияусловий безопасности работы печи, для предотвращения аварий и несчастных случаеввыполняются следующие условия:
— не включатьв печь, если нарушено заземление и убрана термопара;
— не нагреватьпечь выше 1450ºС;
— при осмотреобжигаемого материала использовать щипцы и надевать рукавицы из грубой ткани.
Пожаробезопасность
Помещения лабораторииРЗЭ по пожарной опасности относятся к классу В. Печи установлены на массивном бетонномосновании. Лаборатория оснащена следующими средствами пожаротушения: огнетушительуглекислотный, стационарный наружный водопровод с кранами – гидрантами, песок, асбестовоеодеяло. План эвакуации представлен на рисунке в лаборатории.
Защита от избыточноготепла
Для защиты отдействия теплоизлучения проводятся мероприятия:
— применение изоляцииповерхностей (асбест);
— использованиеэкранирования излучающих поверхностей;
наружная поверхностьпечей окрашивается серебристой краской;
для снижения температурывоздуха используется естественная вентиляция.
Экологичностьпроекта
 
При проведенииданной исследовательской работы использовали сыпучие порошки. При их взвешиваниии смешивании образуется небольшое количество пыли. Для защиты от воздействия пылилаборатория снабжена приточно-вытяжной вентиляцией. Концентрация используемых веществв воздухе не превышает предельно допустимую.

Чрезвычайныеситуации
Возникновениечрезвычайных ситуаций сведено до минимума. В случае их возникновения предусмотренызапасные выходы, разработан план эвакуации, имеются первичные средства пожаротушения.
Предусмотрен достаточныйуровень безопасности работающих. Условия труда работающих соответствуют санитарнымнормам. Вероятность получения травм – в допустимом риске. Для предотвращения и уменьшенияпоследствий чрезвычайных ситуаций проводятся технические и организационные мероприятия.

Заключение
Данная исследовательскаяработа заключалась в исследовании и разработке составов масс высоковольтного фарфорас повышенными электромеханическими характеристиками.
В ходе исследованиябыла выбрана масса с оптимальным содержанием в ней глинозема в количестве 25%. Былоустановлено, что электрофарфор, полученный из данной массы обладает достаточнымиэлектромеханическими характеристиками, необходимыми для высоковольтного фарфора.
Значительно возросли:- механическая прочность;
— электрическаяпрочность.
Уменьшилась полнаяи воздушная усадка, следовательно значительно уменьшатся потери от брака.
Также в ходе исследовательскойработы были произведены расчеты себестоимости изоляторов из тонкодисперсной и глиноземистоймасс. Затраты на сырье для производства изоляторов из глиноземистой массы будутбольше, так как глинозем является дорогостоящим материалом. Но значительно снизятсяпотери от брака, так как уменьшится усадка и изменятся другие важные показатели.В итоге, себестоимость изоляторов из глиноземистой массы будет примерно равна себестоимостиизоляторов из тонкодисперсной массы, используемой на заводе «Урализолятор». Значит,можно сделать вывод, что затраты на производство изоляторов из глиноземистой массыне превысят затраты на производство изоляторов из массы марки 110.1. Следовательноможно внедрять данную разработку без особого риска. Также известно, что объемы продажзначительно возрастут, так как глиноземистый фарфор пользуется наибольшим спросому потребителя.

Библиографическийсписок
1 Выдрик Г.А., Костюков Н.С.Физико-химические основы производства и эксплуатации электрокерамики. М.: Энергия,1971. 328 с.
2 Ахъян А.М. Производствофарфоровых изоляторов для аппаратов высокого напряжения. М.: Госэнергоиздат, 1961.279 с.
3 Химическая технология керамикии огнеупоров / Под ред. П.П. Будникова, Д.Н. Полубояринова. М.: Издательство литературыпо строительству, 1972. 483 с.
4 Химическая технология керамики/ Под ред. И.Я.Гузмана. М.: 2003. 527 с.
5 Попова И.А., Креймер Д.Б.Выбор соотношения глинозема и полевого шпата в высокопрочных фарфоровых массах //Стекло и керамика. 1990. №3. С.18-20.
6 Креймер Д.Б., ЧистяковаТ.И. Влияние фазового состава глиноземистого фарфора на его механическую прочность// Стекло и керамика. 1989. №12. С.16-17.
7 Масленникова Г.Н., КонешоваТ.И. Действие минерализаторов на спекание фарфоровых масс. С. 13-15.
8 Снижение температуры спеканияглиноземистого фарфора в присутствии минерализаторов / Р.Г. Орлова, В.Д. Бешенцева,И.Х. Мороз, А.Ф. Миронова // Стекло и керамика. 1989. №11. С.20-22.
9 Либерманн Й. Исключениекварца из состава глиноземистого фарфора для высоковольтных изоляторов // Огнеупорыи техническая керамика. 2002. №3. С. 18-27.
10 ГОСТ 9169-75. Сырье глинистоедля керамической промышленности. Классификация. М.: Изд-во стандартов, 1977. 7 с.
11 ГОСТ 20419-83. Материалыкерамические электротехнические. Классификация и технические требования. М.: Изд-востандартов, 1983. 13 с.
12 ГОСТ 24409-80. Материалыкерамические электротехнические. Методы испытаний. М.: Изд-во стандартов, 1987.40 с.
13 ГОСТ 27020-86. Изоляторы.Классификация и условные обозначения. М.: Изд-во стандартов, 1986. 9 с.

Таблица 1Химический состав сырьяНаименование Содержание оксидов, масс. %
SiO2
Al2O3
Fe2O3 CaO MgO
K2O
Na2O
TiO2 ппп ∑ Глина Дружковская 52.18 33,30 0,60 0,30 0,20 1,70 0,60 1,42 9,70 100.0 Каолин Кыштымский 46,10 37,35 0,60 0,35 0,45 0,90 0,80 0,70 12,75 100.0 Каолин Просяновский 45,90 38,00 0,20 0,50 0,20 0,40 0,40 0,80 13,60 100.0 Полевой шпат Мамс.-Чуйск. 66,20 18,80 0,20 0,69 0,60 10,20 2,90 0,01 0,40 100.0 Пегматит Енский 72,50 17,43 0,15 0,80 0,40 6,05 2,43 0,04 0,20 100.0 Кв.песок Ташлинский 98,60 0,70 0,05 0,25 0,20 0,09 0,07 – 0.04 100.0 Бой фарфоровый 71,30 23,14 0,32 0,42 0,33 2,55 1,084 0.79 0.07 100.0 Глинозем, ГЭФ – 99,63 – – – 0,03 0,33 – 0.01 100.0 Таблица 2Наименование Содержание оксидов, масс. %
SiO2
Al2O3
Fe2O3 CaO MgO
K2O
Na2O
TiO2 ппп
Расчетный хим. состав массы
М-0 67,54 22,10 0,31 0,41 0,30 2,30 0,88 0,57 5,59
Расчетный хим. состав массы
М-1 51,79 37,57 0,31 0,43 0,30 3,36 1,28 0,57 4,38 Расчетный хим. состав массы М-2 43,32 46,07 0,32 0,35 0,29 3,32 1,17 0,54 4,64 Расчетный хим. состав массы М-3 42,34 47,27 0,29 0,34 0,29 3,38 1,17 0,52 4,39
Таблица 4 Свойствафарфора из глиноземистых масс, подгруппы 120 по ГОСТ 20419 – 83, результаты испытанийПоказатели
Требования к материалу подгруппы 120
по ГОСТ 20419 – 83 Фактические результаты испытаний фарфора М – 0 М – 2 М – 0 М – 2
1. Истинная плотность, г/см3, не менее 2.5 2.7 2.48 2.78
2.Кажущаяся плотность, г/см3,
не менее 2.3 2.4 2.39 2.51
3.Прочность на изгиб,
МПа, не менее, неглазурован.
глазурован.
60
70
110
140
100
110
135
159
4.Средний КТЛР,
К-1*10-6, при температуре от 20 до 100ºС от 3 до 6 4.0 4.9
5.Электрическая прочность, кВ*мм-1 при частоте 50 Гц,
не менее 25 30 33 35 6.Удельное объемное сопротивление при постоянном токе Ом*см при t=20°C (средний результат по 3 образцам)
1013
1013
1.6*1013
5.2*1013
Таблица 5  Сравнительнаякалькуляция себестоимости
№
п/п Сравнительные статьи Сумма затрат, тыс.руб.
Эконо-
мия(+),
перерас-
ход(-) Без добав. глинозема С добав. глинозема
На весь
выпуск
На ед.
прод-ции
На весь
выпуск
На ед.
прод-ции 1 2 3 4 5 6 7
1
2
3
4
5
6
Сырье и основные материалы
Не меняющиеся расходы
Потери от брака
Производственная себестоимость
Внепроизводственные
расходы (1.5%от заводской себестоимости)
Внепроизводственные
расходы (1.5%от заводской себестоимости)
4668.14
40984.94
8379.7
54032
810.49
54842.49
3.91
29.27
5.98
39.16
0.58
39.75
6851.3
40984.94
4322
52158
1303.9
53461.9
4.9
29.27
3.08
37.25
0.55
37.81
0.99(-)
2.9(+)
1.91(+)
0.03(+)
1.94(+)

Таблица 3 Рецепты керамических масс,используемых в работеНаименование материалов Содержание материалов, %, кг М-0 М-1 М-2 М-3 % кг % кг % кг % Кг Глинозем, ГЭФ – – 15 0,30 25 0,50 27 0,54 Глина Дружковс, ДН-0 23 0,46 24 0,48 24 0,48 24 0,48 Каолин Кыштым, КЭ-3 13 0,26 10 0,2 12 0,24 10 0,2 Каолин Просян, КЭ-2 12 0,24 5 0,10 5 0,10 5 0,10 Полевой шпат Мамско-Чуйск, ПШК-0,20-3 10 0,20 13 0,26 25 0,50 26 0,52 Пегматит Енский, КПШМ-0,20-2 9 0,18 19 0,38 – – – – Бой фарфоровый 6 0,12 14 0,28 9 0,18 8 0,16
Песок Ташлинск,
ВС-050-1 27 0,54 – – – – – – ИТОГО 100 2 100 2 100 2 100 2
/>
/>
/>

/>
/>