Одним из широко применяемых керамических материалов является электротехнический фарфор. Из него изготовляют многочисленные конструкции изоляторов высокого и низкого напряжения. Исходная электрофарфоровая масса (жидкая и тестообразная) состоит из глинистых веществ (42-50%), кварца (20-25%), калиевого полевого шпата (22-30%) и молотого фарфорового черепа (бракованных фарфоровых изделий) 5-8%.Для того чтобы исходные минералы в процессе термической обработки (обжига) изделий вступили в реакцию, их необходимо предварительно измельчить. Глинистые материалы состоят из мелкораздробленных (мелкодисперсных) частичек, поэтому они не нуждаются в помоле;их распускают в воде.
Каменистые материалы (кварц, полевой шпат или пегматит, фарфоровый череп) вначале подвергают грубому измельчению гранитными катками (бегунами). Дальнейшее измельчение этих материалов производят в шаровых мельницах – вращающихся стальных закрытых цилиндрах, внутренняя поверхность которых выстлана кремниевыми кирпичами. В шаровую мельницу загружают грубо размолотые каменистые материалы, заливают воду (50%) и вводят некоторое количество мелющих тел – кремниевую гальку. При вращении мельницы галька измельчает частицы минералов.
Рис.122. Корж фарфоровой массы.
Рис.123(а). Переработка коржей в пластичную фарфоровую массу в вакуум-прессе: 1- мундштук вакуум-пресса, 2- фарфоровая масс(скалка), 3- конвеерная лента
Рис.123(б). Заготовка штыревого изолятора, отпрессованного в гирсовой форме
Измельчение материалов в шаровой мельнице считается законченным, если частицы минералов проходят через сито в 10 000 отверстий на 1 см2 (остаток на сите – не более 1-3%). Распущенные в воде глинистые материалы и размолотые (в шаровой мельнице) каменистые материалы очищают от частиц железа (магнитной сепарацией), затем смешивают друг с другом. Полученная жидкая масса (шликер) содержит 45-50% воды. Её под давлением 6-8 атм пропускают через фильтр-пресс, чтобы удалить из неё 25-30% воды, и получают тестообразную пластичную массу в виде коржей (рис. 122). Затем коржи перерабатывают в пластичную керамическую массу с помощью вакуум-пресса (рис. 123(а)). В результате такой переработки из массы удаляются воздушные включения и достигается равномерное распределение влаги.
Тестообразная фарфоровая масса, полученная из вакуум-пресса, представляет собой монолитный цилиндр 2, который по выходе из мундштука 1 разрезается на куски заданной длины (заготовки). Из нарезанных заготовок вакуумированной массы изготовляют (оформляют) различные типы изоляторов.
Рис.124. Поперечный раздел туннельной
печи(зона охлаждения): 1- колесо вагонетки,
2- рама вагонетки, 3- пол вагонетки,
4- наружная стенка печи, 5- внутренняя
стенка(футеровка) печи, 6- капсули с изоляторами
Изоляторы изготовляют прессованием заготовок в гипсовых (рис.123б ) или в стальных формах и другими методами. Извлечённые из форм изоляторы поступают на оправочные станки, где им придаются окончательное очертание и размеры. Оправленные изоляторы имеют влажность 16-18%. Они поступают в сушилки, где их влажность снижается до 0,5-2%. В связи с удалением воды из изделий происходит воздушная усадка – уменьшение объёма изделий.
Рис. 125.
Высушенные фарфоровые изделия покрывают жидкой суспензией (глазурью). Состав глазури отличается от состава жидкой фарфоровой массы большим содержанием стеклообразующих компонентов (кварц, полевой шпат, доломит и др.). В цветные (коричневые) глазури вводят ещё красители – хромистый железняк, пиролюзит и др.
В процессе обжига электрофарфоровых изделий слой глазурной суспензии плавится, создавая на поверхности изделий ровное стекловидное покрытие. Глазурь повышает механическую прочность изоляторов и делает их стойкими к влаге и атмосферным загрязнениям. Цветные глазури служат также для маскировки изоляторов.
Термическую обработку – обжиг изоляторов производят в туннельных печах (рис. 125) непрерывного действия. Эти печи отличаются высокой производительностью.
Туннельная печь представляет собой туннель длиной 100-130 м, наружная кладка которого выполнена из строительного кирпича. Внутренняя же кладка (футеровка) печи и топки сделаны из огнеупорного (шамотного) кирпича. В зоне подогрева и в зоне обжига туннельной печи
располагаются топки, в которых сжигается жидкое топливо (мазут) или газ. Внутри туннельной печи в различных зонах её поддерживается строго определённая температура и состав печных газов (окислительный, восстановительный, нейтральный). Отформованные и высушенные изделия, установленные на вагонетках, перемещаются внутри туннельной печи со скоростью около 2,0 м/час. Они последовательно проходят зоны подогрева, обжига и охлаждения в печи и по выходе из неё представляют собой готовые электрокерамические изделия. При обжиге электрокерамических изделий пламя и газы, поступающие из топок печи, не должны непосредственно действовать на них. Поэтому изоляторы и другие изделия помещают в капсюли (рис. 126), которые представляют собой круглые коробки, изготовленные из огнеупорной керамической массы.
На (рис. 125) показан поперечный разрез туннельной печи с вагонеткой, на огнеупорную поду которой установлены колонны капсюлей с помещёнными в них электрокерамическими изделиями.
Рис. 126. Изоляторы (полуфабрикат), помещенные в огнеупорные капсули для обжига: 1,2,3- капсули, 4,5,6- изоляторы.
Полученные после обжига электрокерамические изделия (изоляторы и др.) подвергаются механическим и электрическим испытаниям. При этом дефектные изделия отбраковывают.
Рис.127. Литые стеатитовые изделия – каркасы катушек.
Таблица 41
Кроме того, у готовых изделий проверяют размеры и внешний вид.Если рассматривать структуру фарфора под микроскопом, то видно, что фарфор
состоит из иглообразных кристаллов муллита (2SiO2 · 3Al2O3), хаотически перепутанных друг с другом.
Промежутки между этими кристаллами заполнены полевошпатовым стеклом, в котором частично растворились зёрна кварца. Сочетание кристаллической и стекловидной фазы обеспечивает достаточно высокую механическую и электрическую прочность фарфорам и отсутствие гигроскопичности. Основные характеристики электрофарфора приведены в табл. 41.
Вторым электрокерамическим материалом является стеатит. Он отличается от электрофарфора повышенной механической прочностью и лучшими электрическими характеристиками.
Стеатитовые электроизоляционные изделия могут работать при температурах до 400°С, существенно не изменяя своих электрических характеристик. У изделий же из электротехнического фарфора наблюдается резкое ухудшение электрических характеристик, начиная от температур 180-200°С и выше.
Стеатит – материал более дорогой по сравнению с электрофарфором, так как для его изготовления используется более дорогое сырьё. Технология производства стеатитовых изделий сложнее, чем изделий из электротехнического фарфора.
Исходные стеатитовые массы изготовляют на основе природного минерала – талька (3MgO · 4SiO2 · Н2О) и углекислого бария (ВаСО3) или углекислого кальция (СаСО3). Для обеспечения пластичности в стеатитовые массы вводят 15-20% глинистых веществ (бентонитовые и другие глины). Для стеатитов применяют наиболее чистые сорта природного талькового камня с содержанием окислов железа не более 0,5%.
Процесс изготовления исходных стеатитовых пластичных масс не отличается от приготовления электрофарфоровых масс.
Из пластичной стеатитовой массы изготовляют стеатитовые изоляторы и электроизоляционные изделия методом прессования в гипсовых формах.
Наиболее широко распространен способ литья под давлением на парафиновом связующем (парафиновая связка). По этой технологии вначале получают так называемый спек. Это части коржей стеатитовой массы, прошедшие предварительный обжиг в печи, которые подвергают измельчению.
Полученные частицы спека подвергают магнитной сепарации с целью извлечения железистых включений. Очищенный порошок спека затем загружают в шаровую мельницу с электрическим обогревом. В нее же загружают парафин (8—16%), олеиновую кислоту (0,6—0,8%)и мелющие тела(стеатитовые шары). Мельницу нагревают до 100°С и, закрыв люк, пускают ее во вращение. При этом происходиттонкий помол стеатитового порошка и смешение его с расплавленном парафином. Обычно в этой же шаровой мельнице литейная стеатитовая масса подвергается вакуумированию сцелью улучшения литейных качеств массы. Приготовленная литейная массапоступает в рабочие баки литейныхаппаратов. Оттуда под давлением 3—8 атм она поступает в стальные разъемные или целые формы.
Методом литья под давлением изготовляют изделия сложного профиля, например каркасы катушек (рис. 127), для электрических аппаратов и приборов, ламповые панели, платы и др. Для удаления из отлитых изделий парафина их помещают в огнеупорные коробки — капсюли. Пространства между отлитыми изделиями в капсюлях заполняют порошков магнезии или талька. Капсюли с изделиями плавно нагревают до 800°С и выдерживают при этой температуре. Парафин уходит из отлитых изделий и впитывается порошками магнезии или талька. После удаления парафина изделие подвергают обжигу в печах при конечной температуре 1280°С —1350°С. Объемная усадка стеатитовых изделий составляет 2—6%.
Стеатитовые изделия, полученные методом горячего литья под давлением, имеют плотную и гладкую поверхность, не нуждающуюся в глазуровании. Наименьшей объемной усадкой обладают изделия, изготовляемые из литейной массы, в которую предварительно вводятся обожженные минералы (спек), составляющие исходную стеатитовую массу.
Основой стеатита являются кристаллы клиноэнстатита (MgO · SiO2).