Высоковольтный электротехнический фарфор на основе минерального сырья Республики Казахстан с использованием маршалита и волластонита
Актуальность темы. Экономическое развитие Казахстана и других стран
Центральной Азии способствует росту производства и потребления
электроэнергии в данном регионе. Одним из основных факторов развития
электроэнергетической отрасли является обеспечение ее качественными
электроизоляционными материалами, возможность организации производства
которых диктуется наличием в данном регионе необходимых видов сырья.
Республика Казахстан располагает перспективными сырьевыми
материалами для изготовления изделий из электротехнического фарфора.
Разработка составов и технологии изготовления фарфора электротехнического
назначения с улучшенными свойствами и их производство для
центральноазиатского региона востребовано. Исследование процессов
фазообразования и формирования структуры высоковольтного
электротехнического фарфора повышенной прочности является актуальным.
Работа выполнена в Южно-Казахстанском университете им. М.Ауэзова на
кафедре технологии цемента, керамики и стекла по плану госбюджетной НИР Б-
16-03-14 «Разработка инновационных и усовершенствованных технологий
силикатных и строительных материалов на основе минерально-сырьевой базы и
отходов промышленности Республики Казахстан».
Разработанность темы
В решение вопросов разработки технологии электротехнического фарфора
внесли свой вклад известные ученые в области проблем создания керамических
материалов Масленникова Г.Н., Будников П.П., Харитонов Ф.Я., Верещагин В.И.,
Костюков Н.С., Пирогов К.С., Французова И.Г., Солодкий Н.Ф., Бридли Д.В.,
Накахиро М., Уоррел У. и др. Разработанные ими электротехнические материалы
на основе фарфора нашли широкое применение в промышленности, технике и
быту. Исследования российских ученых в этом плане реализованы в основном на
сырьевых материалах России, Украины и Узбекистана. В целом минерально-
сырьевая база Казахстана для нужд фарфоровой промышленности по причине
отсутствия в прошлом тонкокерамических производств в регионе
целенаправленно не изучалась. Комплексные исследования керамического сырья из
наиболее благоприятных месторождений Казахстана и разработка современной
технологии изготовления электротехнического фарфора с улучшенными физико-
механическими и электрическими характеристиками в свете последних программ
индустриально-инновационного развития страны являются своевременными и
востребованными. Ранее исследования по использованию маршаллита и волластонита
для получения электротехнического фарфора не проводились.
Объекты исследования: электротехнический фарфор и сырьевые
компоненты для его изготовления.
Предметом исследования являются физико-химические процессы
спекания, фазообразования, формирования структуры и свойств
электротехнического фарфора с использованием маршаллита и волластонита.
Цель работы- разработка составов и технологии изготовления
электротехнического фарфора с использованием маршаллита и волластонита
Для достижения цели решались следующие задачи:
– анализ керамического сырья Республики Казахстан и выбор глинистых и
отощающих сырьевых материалов;
– исследования химического и минерального состава, физико-химических и
технологических свойств, фазовых и структурных превращений в сырьевых
материалах при термической обработке;
– выбор компонентов и составление шихт;
– исследования физико-химических и структурных превращений в
многокомпонентных смесях при обжиге и разработка электротехнического
фарфора с физико-механическими и электротехническими свойствами,
соответствующими современным требованиям;
– исследование процесса формирования фарфора при обжиге и его керамо-
технологических и диэлектрических свойств;
– определение наиболее оптимального варианта технологии синтеза;
– практическое опробование технологии, получение опытных образцов и их
испытания.
Научная новизна
1. Установлено, что уменьшение размеров частиц кварца в фарфоровой
массе от 25 – 30 мкм (кварцевый песок) до 6 ± 1 мкм (маршаллит) обеспечивает
снижение температуры спекания керамики на 50 оС до температуры 1290 ± 10 оС
за счет активации процессов образования расплава бинарных эвтектик систем
K2O-SiO2 (767 оС) и Na2O-SiO2 (793 оС) с последующим образованием бинарных
эвтектик кварц – ортоклаз (990 оС) и кварц – альбит (1062 оС), обеспечивающих
о
растворение кварца при температурах 1070 – 1280 С с образованием
необходимого количества расплава. Образование тройных эвтектик при
температурах 985 оС, 1050 оС не наблюдается.
2. Установлено, что присутствие в фарфоровой массе волластонита в
количестве 2 % мас. способствует кристаллизации из расплава игольчатого
муллита за счет снижения вязкости расплава ионами Са2+, увеличение количества
волластонита в массе более 2 % мас. приводит к снижению плотности и
прочности керамики, связанное с дальнейшим снижением вязкости расплава и
появлением закрытой пористости, при этом сужается интервал спекшегося
состояния до 10 оС.
3. Установлено, что совместное присутствие маршаллита и волластонита (2
%) в фарфоровой массе обеспечивает снижение температуры обжига, расширение
интервала спекшегося состояния до 70 – 80 оС. Увеличение количества и длины
игл муллита от 2–3 до 7–10 мкм достигается снижением температуры появления и
уменьшением вязкости расплава, что приводит к увеличению термической
прочности (22,4 %), прочности при изгибе (29,1 %) и электрической прочности
(29,0 %). При этом наблюдается увеличение количества расплава, что
предполагает возможность дополнительного введения глинозема в массу для
увеличения содержания муллита в фарфоре.
Теоретическая значимость работы. Получены новые данные о процессах
образования игольчатого муллита из расплава в части снижения температуры
образования расплава с маршаллитом и снижения вязкости за счет оксида кальция
волластонита.
Практическая значимость работы.
1. Разработаны составы масс электротехнического фарфора с
использованием маршаллита в качестве кварцсодержащего компонента.
Полученные образцы керамики отличаются высокой термической стойкостью –
191 К, водопоглощение 0,0 %, механическая прочность при изгибе 72,8 МПа,
плотность 2,48 г/см3, электрическая прочность 28,2 кВ/мм.
2. Разработаны составы масс фарфора с добавками волластонита.
Технические характеристики образцов керамики: водопоглощение 0,0 %,
механическая прочность при изгибе 75,9 МПа, плотность 2,45 г/см3,
электрическая прочность 31,8 кВ/мм, термическая стойкость 173 К.
3. Разработаны составы масс фарфора с использованием маршаллита и
добавками волластонита. Фарфоровые образцы обладают высокими физико-
механическими и электрическими свойствами: водопоглощение 0,0 %,
механическая прочность при изгибе 81,7 МПа, плотность 2,53 г/см3,
электрическая прочность 34,2 кВ/мм, термическая стойкость 202 К.
Объектом исследования данной работы является электротехнический
фарфор с использованием маршаллита и волластонита.
Научными результатами работы является следующее. Установлено, что
процесс спекания фарфора разработанных составов не соответствует
равновесному состоянию. Тройных эвтектик в системах Na2O-Al2O3-SiO2 (1062
о
С) и K2O-Al2O3-SiO2 (985 оС) не образуется. Связано это с тем, что муллит
синтезируется при температурах термодинамически стабильного состояния выше
о
1200 С. Образование расплава происходит за счет образования бинарных
эвтектик в системах K2O-SiO2 (767 оС) и Na2O-SiO2 (793 оС) с постепенным
образованием расплавов эвтектик кварц–ортоклаз при температуре 990 оС и
кварц–альбит при температуре 1050 оС. Полного плавления полевого шпата при
температурах 1120 – 1170 оС не происходит. Фактические процессы образования
расплава не достигают равновесного состояния, при этом идет растворение
шпинели и первичного муллита с последующей кристаллизацией игольчатого
муллита.
Практическими результатами является следующее. Электротехнический
фарфор, полученный на основе каолина, тугоплавких беложгущихся глин,
полевых шпатов, кварцевого песка месторождений республики Казахстан
(исходная масса М1), отвечает требованиям ГОСТ 20419–83: водопоглощение
0,0%; плотность 2,39 г/см3; термическая стойкость 165 К; прочность при изгибе
63,3 МПа; электрическая прочность 26,5 кВ/мм. В исходной массе кварцевый
песок был заменен на маршаллит (масса М2), свойства керамики:
водопоглощение 0,0%; плотность 2,48 г/см3; термическая стойкость 191 К;
прочность при изгибе 72,8 МПа; электрическая прочность 28,2 кВ/мм.
Фарфоровые образцы из массы с добавкой 2 % волластонита (масса М3)
отличаются высокой прочностью при изгибе – 75,9 МПа, при этом:
водопоглощение 0,0%; плотность 2,45 г/см3; термическая стойкость 173 К;
электрическая прочность 31,8 кВ/мм. Наилучшими физико-механическими и
электротехническими характеристиками обладают образцы фарфора из масс с
совместным использованием маршаллита и волластонита (масса М4), у которых
водопоглощение 0,0 %, механическая прочность при изгибе 81,7 МПа, плотность
2,53 г/см3, электрическая прочность 34,2 кВ/мм, термическая стойкость 202 К
Перспективы дальнейшей разработки темы заключаются в следующем.
Активность тонкодисперсного кварца маршаллита в процессе образования
расплава и снижение его вязкости добавкой волластонита способствуют
увеличению количества образующегося расплава в процессе спекания керамики,
что служит основой исследований по повышению свойств электротехнического
фарфора за счет дополнительного введения глинозема, это позволит увеличить
содержание муллита в фарфоре.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1. Замена кварцевого песка на маршаллит и добавка 2±0,2 мас. %
волластонита – CaSiO3 в фарфоровую массу обеспечивает снижение температуры
о о
спекания с 1340±10 С до 1270±10 С, расширение интервала спекшегося
состояния с 30 оС до 70 оС, увеличение прочности при изгибе до 81,7 МПа и
электрической прочности с 26,5 до 34,2 кВ/мм.
2. Замена кварцевого песка (дисперсность 25-30 мкм) на маршаллит (5-7
мкм) в фарфоровой массе обеспечивает снижение температуры спекания
керамики на 50 оС до 1290±10 оС за счет образования расплава бинарных эвтектик
при температурах 767 оС и 793 оС с постепенным образованием расплавов
эвтектик кварц – ортоклаз (990 оС) и кварц – альбит (1062 оС) при температурах,
приближающихся к равновесным. При этом образования тройных эвтектик при
температурах 985 оС, 1050 оС не фиксируется.
3. Температура взаимодействия маршаллита (6±1мкм) с полевым шпатом
снижается на 100 оС с 1100 оС до 1000 оС, что способствует интенсификации
процессов спекания фарфора.
4. Введение в фарфоровую массу волластонита в количестве 2 %
способствует образованию кристаллизацией из расплава игольчатого муллита за
счет снижения вязкости расплава ионами Са2+, увеличение количества
волластонита в массе более 2 % мас. приводит к снижению плотности и
прочности керамики, связанное с дальнейшим снижением вязкости расплава и
появлением закрытой пористости, при этом сужается интервал спекшегося
состояния до 10 оС.
5. Совместное использование маршаллита и добавок волластонита в массах
электротехнического фарфора обеспечивает снижение температуры обжига,
о
расширение интервала спекшегося состояния до 70 – 80 С. Увеличение
количества и длины игл муллита достигается снижением температуры появления
и уменьшением вязкости расплава, что приводит к увеличению термической
прочности (22,4 %), прочности при изгибе (29,1 %) и электрической прочности
(29,0 %). При этом наблюдается увеличение количества расплава, что
предполагает возможность дополнительного введения глинозема в массу для
увеличения содержания муллита в фарфоре.
6. Каолин месторождения Союзное по вещественному составу
каолинитовый, с низким содержанием красящих оксидов. Благодаря
высокодисперсности в естественном виде он легко обогатим и после обогащения
за счет роста объемной доли каолинита содержание глинозема в сырье составляет
36,52 %. По основным физико-химическим показателям этот каолин
соответствует требованиям ГОСТ 21286-82 для марок КЭ-1, КЭ-2, КЭ-3. Глина
месторождения Берлинское по минеральному составу каолинит-монтмориллонит-
гидрослюдистая, с низким содержанием красящих оксидов: Fe2O3– 1,17 %; TiO2–
0,52 %. Глина является огнеупорной, с низким содержанием свободного
кремнезема и может использоваться в составах масс электротехнического
фарфора в качестве пластичного компонента (число пластичности 15-22) в
зависимости от содержания монтмориллонита и гидрослюды.
7. Полевой шпат месторождения Сарыбулакское по некоторым параметрам
не соответствуют требованиям ГОСТ 7030-75 (K2O – 5,97 %; Na2O – 4,01 %;
калиевый модуль K2O/Na2O = 1,49). В технологии электротехнического фарфора
эти параметры не имеют определяющего значения, в связи с чем данное
полевошпатовое сырье может быть использовано в данной технологии.
8. Микроструктура керамики с маршаллитом и волластонитом представлена
более совершенными по длине и форме кристаллами муллита, количество их
увеличилось. Длина игольчатых кристаллов муллита достигает 7 – 10 мкм. В
массах без добавок (М1) размеры кристаллов муллита большей частью
составляют 2 – 3 мкм, тогда как микроструктуры массы с маршаллитом (М2) и
массы с волластонитом (М3) представлены практически идентичными по длине
кристаллами муллита, с небольшим преобладанием длины игл муллита в массе с
волластонитом (5 – 7 мкм).
9. Увеличение количества и длины игольчатых кристаллов муллита в
кристаллической фазе фарфоровых массах с маршаллитом и волластонитом
обеспечивает улучшение их физико-механических и электрических свойств:
водопоглощение 0,0 %; плотность 2,53 г/см3; прочность при изгибе 81,7 МПа;
термическая стойкость 202 К; электрическая прочность 34,2 кВ/мм.
10. Для дальнейшего улучшения свойств разработанных составов масс
фарфора можно рекомендовать использование маршаллитов и волластонитов в
керамических массах с повышенным содержанием глинозема
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.2 (13 отзывов)
5 (188 отзывов)
4.9 (35 отзывов)
4.2 (6 отзывов)
4.9 (66 отзывов)
4.4 (93 отзыва)
4.6 (30 отзывов)
4.9 (826 отзывов)
4.6 (30 отзывов)
