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1、大吨位盘形悬式玻璃绝缘子制造质量大吨位盘形悬式玻璃绝缘子制造质量提升提升技术技术中国电力科学研究院有限公司吴光亚一、制造技术现状1.11.1 300kN300kN 及以下机械强度等级及以下机械强度等级我国过去和现在盘形悬式玻璃绝缘子的全过程合格率在95%左右,处于国际领先水平。1.21.2 420kN420kN、550kN550kN、840kN840kN 机械强度等级机械强度等级我国自 2009 年晋东南交流特高压工程和 2010 年向-上直流特高压工程大量使用 420kN、550kN 大吨位交、直流盘形悬式绝缘子,存在两个较严重的问题:(一)全过程合格率太低,仅有 40%-53%我国制造企业
2、相应吨位的交、直流盘形悬式瓷绝缘子己从早期的 62%提高到了现在的 87%,唐山 NGK 一直高达 95%以上。可见玻璃绝缘子与瓷绝缘子相比,在全过程率这一重大关键技术参数上差距大;(二)自爆率依然居高不下。1.31.3 70kN-550kN70kN-550kN 自爆率水平自爆率水平分 A、B、C 三个水平:a)A:千分之三以上;b)B:小于万分之一;c)C:万分之五、七以上。二、产生两大问题的主要原因2.12.1 玻璃玻璃绝缘件绝缘件中中存在存在杂质杂质2.1.12.1.1 杂质的危害性杂质的危害性a)开裂损坏玻璃绝缘件中存在的杂质是使玻璃绝缘件产生开裂损坏的主要因素。b)局部应力集中玻璃绝
3、缘件中存在的杂质与杂质周围玻璃的膨胀系数相差大,产生的局部应力也就越大;局部应力大大降低玻璃绝缘件的机械强度和热稳定性,甚至会使玻璃绝缘件自动破裂。c)降低运行可靠性该问题严重地威胁玻璃绝缘子运行的可靠性!2.1.22.1.2 杂质分类杂质分类根据产生的原因,将杂质分为以下几类:2.1.2.12.1.2.1 配合料配合料杂质杂质1 1)未熔化颗粒)未熔化颗粒配合料杂质是配合料中没有熔化的结晶组分颗粒。在大多数情况下,配合料杂质是石英颗粒。另外,氧化铝的颗粒也能生成玻璃体中的杂质。配合料杂质产生的原因较多,这些原因如下:(1)原料的选择和加工;(2)配合料制备工艺;(3)加料方法;(4)熔制条件
4、;(5)其他因素。如配合料中混入粗砂、混料不匀、配合料输送过程中的分料等,会促使配合料杂质的产生。2 2)原材料)原材料中中杂质杂质如硅砂中存在铬铁矿颗粒,容易形成芝麻状“黑色杂质”,这种“黑色杂质大都是深绿色的氧化铬晶体。产生这种杂质与砂子的含铬量有很大关系,必须很好地处理砂子。原材料由于管控不当导致团料、水泥块、金属块混入,也可能新颖杂质或异常着色。2.1.2.22.1.2.2 耐火材料耐火材料杂质杂质玻璃熔窑由耐火材料砌筑而成,分如下两部分:(一)是窑内包围火焰空间的窑碹和胸墙;(二)是与玻璃液相接触的池壁和池底。窑碹和胸墙,长时间在高温下,同时受到碱气体和碱飞料以及其它的挥发物作用,在
5、耐火材料的表面上形成一层釉层;由于它的流动性和表面张力的作用,逐渐形成液滴。在重力的作用下慢慢地往下流,当生成的玻璃液滴达到一定的重量和粘度时,由窑碹落下,或沿窑墙流入玻璃液中生成杂质,这种杂质即为窑碹杂质;同样在闭口坩埚中,也有这样类似的杂质产生,这种杂质常呈泪滴状。1 1)产生窑碹)产生窑碹杂质杂质的原因的原因如下如下:(1)一是由于耐火材料质量低、火焰温度太高、配合料颗粒过细和加料方法不当等所致;(2)二是由于池窑的砌筑质量不良、烤窑不恰当和燃料中含钒和硫也是产生窑碹杂质的原因;(3)三是与玻璃液相接触的耐火材料。如池壁砖,目前以锆刚玉砖为主,其化学组成主要为 ZrO2、A12O3及 S
6、iO2,分别以刚玉和单斜锆石为主要晶相;在玻璃液的作用下,Na2O、K2O 同样对它产生侵蚀,它的蚀变过程,首先是玻璃液同砖体中原来的玻璃相逐渐扩散溶解,使砖体附近的玻璃液粘度增加,形成了抗侵蚀的阻挡层;与此同时,交代反应也可产生-铝氧、霞石、骨架状单斜锆石等。如果这种晶体被玻璃液带走,则将作为杂质缺陷而存在。2 2)产生产生耐火材料耐火材料杂质杂质的主要原因的主要原因如下如下:(1)耐火材料质量低劣;(2)烧成温度不够;(3)气孔率高;(4)原料不纯;(5)颗粒度配比不当;(6)对于压力成形的耐火材料的成形压力低;(7)电熔耐火材料浇缩孔过大;(8)制造时气氛不适当以及退火不良,内应力大等;
7、(9)熔化温度过高。温度过高,则玻璃液与耐火材料反应剧烈,而且流动冲刷也加剧,侵蚀加速。2.1.2.32.1.2.3 析晶析晶杂质杂质玻璃体的析晶杂质,是由于玻璃在一定温度范围内,本身的析晶所造成的;当玻璃液长期停留在有利于晶体形成和生长的温度条件下,玻璃中化学组成不均匀部分是促使玻璃体产生析晶的主要因素。析晶杂质中常见的晶体有以下几种:1 1)鳞石英和方石英鳞石英和方石英(1)鳞石英和方石英属于硅氧变体的析晶杂质;(2)鳞石英呈雪花状或羽毛状;(3)方石英则常呈十字形骨架晶体。2 2)硅灰石硅灰石(CaO(CaOSiOSiO2 2)-硅灰石(又叫假硅灰石)在 1180以上是稳定的晶形;大的玻
8、璃池窑中,玻璃液缓慢冷却时会出现这种晶体,有时形成雪白色六角形小块,在截面上可见到杂质的中部是透明的;-硅灰石是低温晶形,其析晶温度范围在 8601150,大都呈现或粗或细的针状物,而它是棱柱体,呈集束状或放射状;在玻璃成分中 CaO 含量较高,硅灰石析出的倾向增加;如果成形部某些角落的温度控制不当,或者该处玻璃液流动较差,就可能成为硅灰石析晶的有利条件;另外,控制原料质量和颗粒度,以及控制配合料混合质量,提高操作管理水平,都可以使硅灰石杂质得到避免。3 3)失透石失透石(Na(Na2 2O O3CaO3CaO6SiO6SiO2 2)在析晶过程中主要产物;在温度低于 1047时,它可能溶解而转
9、变成-硅灰石+熔体;它的出现与玻璃中 Na2O、CaO 含量高有关系。但在不少情况下,失透石析晶的出现,也与操作制度有关;像产生硅灰石析晶的情况一样,当成形部温度控制不当,有些部位存在死角时,失透石便能聚集在一起析出,到一定的时候便会引到制品上。4 4)透辉石(透辉石(CaOCaOMgOMgO2SiO2SiO2 2)透辉石是析晶杂质中最常见的含镁化合物;在钠钙硅酸盐玻璃成分中,随着 MgO 引入量的增加,玻璃中析出透辉石的可能性就产生了;一般来说,MgO 含量超过 4%5%时就容易出现透辉石析晶。为防止析晶产生,首先要设计合理的玻璃化学组成,使玻璃熔体尽可能地减少析晶倾向,并保证在冷却和成形条
10、件下对于析晶有足够的稳定性。另外,在玻璃生产中最好是选择这样一个成形温度范围,玻璃熔体中的晶核数要少,同时在成形过程中不使它们有较大的生长;如果在生产中破坏了熔化制度和成形制度,将使析晶倾向增加。因为熔制制度的破坏,使玻璃流动区域发生了变化,即破坏了原来某种规则的液流,而使池窑中的不动层玻璃液(在不动层内往往存在析晶杂质)混入流动的玻璃液流,并产生其它缺陷。在窑炉设计时,熔化池应尽量避免死角,以免生成的析晶杂质在温度波动时进入成形流。2.22.2 模具不合理模具不合理1)模具用材料导热性能差,使得模具温度不均匀;2)模具形状设计不合理,使得玻璃液流动性差,导致玻璃件存在缺陷,如伞边沿不完整,存
11、在缺料等;3)模具加工精度不够导致合模缝在 3mm 以上。2.32.3 钢化工艺存在问题钢化工艺存在问题因钢化时使得玻璃件温度不均匀导致半成品合格率低。三、结合我国制造企业存在的共性问题,目前绝缘子制造企业在质量提升时应采取的措施3.13.1 工艺管控工艺管控3.1.13.1.1 原材料质量控制原材料质量控制1)原材料验收严格按原材料验收标准和工艺文件的要求对玻璃绝缘件用原材料进行验收,严格控制原材料包装形式、运输形式,避免包装运输过程中混入杂质;2)精准配料a)配料过程中测量各种原材料水份,校核配合料水分和均匀度。b)定期测量校核玻璃成份确保玻璃成份稳定。c)严格控制回炉碎玻璃质量对回炉碎玻
12、璃进行二次剔选,避免过程夹杂物、异物二次进入窑。3.1.23.1.2 熔化、成型工艺控制熔化、成型工艺控制稳定出料量,避免熔化成型波动。3.23.2 模具设备优化模具设备优化模具存在的问题1)冷却散热能力外伞型产品上模简单、下模复杂。钟罩型正好相反,上模复杂,下模简单,对成型设备、模具冷却能力提出了新要求。2)设备与生产产品的匹配大产品直径大、重量重,需对成型设备进行针对性优化。3)模具材料、散热效果和热性能外伞型产品下模具特点如下:a)形式复杂;b)伞棱深入程度较深;c)平伞位置模具材料薄;d)温度高以上特点对模具要求如下:a)材料更严苛;b)冷却均匀;c)反复使用后的热变形。4)模具设计及
13、产品设计优化解决下模开模卡模和润滑问题。适当调整平伞角度。3.33.3 钢化存在的问题钢化存在的问题1)设计理念的更新外伞型产品上下冷却需求与钟罩型颠倒;对钢化设备本身冷却能力提出更高要求;针对性的改造,提高下风栅供风能力和冷却能力。2)冷却风栅结构的优化以前的风栅多采用铜管做风嘴,使用过程中易变形,需要经常维护;改用整体风栅,根据产品冷却面的外轮进行整体风栅外形设计;根据冷却区域的厚度、角度、位置等参数合理设置整体风栅的出风口,确保冷却效果,避免出风口移位变形。四、需开展的工作4.1 重新设计模具。4.2 改进钢化工艺。4.3 优化窑炉。4.4 耐材杂质、熔化杂质等高效剔除方法进一步研究。4.5 工业制造数字化、自动化。2023 年 7 月 20 日于武汉谢谢!