瓷套管是一種廣泛套用在電力系統中的絕緣組件。瓷套管的技術性能要求包括： 外觀無開裂、缺損、斑點等缺陷； 外壁和內壁的同心度≤0.3mm、壁厚差≤0.3mm、直線度≤0.5mm；產品材料體積密度≥5.9g/cm3，熱穩定性：1400°C~20°C（自然冷卻10 次不裂）。
基本介紹
- 中文名：瓷套管
- 外文名：Porcelain bushing
- 學科：電力工程
- 領域：能源
- 範圍：電力系統
- 代表：氧化鋯陶瓷套管
簡介,原料和設備條件,製作工藝流程,分析與改進,總結,
簡介
全穩定ZrO2陶瓷材料在高溫環境下具有良好的氧離子導電率、化學穩定性和優良的熱穩定性能，是氧感測器製造行業廣泛使用的固體電解質材料。隨著鋼鐵工業科技的進步，煉鋼、冶金等熱工領域對氧化鋯陶瓷套管的需求也越來越大，但是對產品的尺寸要求越來越高，使用環境也越來越苛刻，對材料的氧敏感性、熱穩定性要求也更高。國內氧化鋯陶瓷套管仍有很大部分需要進口，主要是國內產品性能不穩定，價格也沒有很強的競爭力。從製造工藝上講，氧化鋯陶瓷生產工藝比較難控制，技術性能難以提升。氧化鋯材料本身有多晶轉化的特點，升溫時，單斜晶型的氧化鋯在1000～1100℃會轉變為四方晶型，並伴有7%~9%的體積收縮；降溫時，四方晶型氧化鋯在700～900℃又可逆的的轉變為單斜氧化鋯，並伴有明顯的體積膨脹， 這就使得氧化鋯陶瓷套管燒成過程中容易出現開裂、變形，產品性能也達不到技術要求，產生陶瓷套管熱穩定性不好、機械強度差、外形幾何尺寸差等等缺陷。
通過對8mol%Y2O3穩定ZrO2陶瓷原料的比較選用、等靜壓模具設計、成型工藝、窯具的選擇、燒成工藝等方面的技術試驗，分析研究開發過程中產品的開裂、偏心、變形和尺寸差等問題， 研製開發技術性能優良的全穩定氧化鋯陶瓷套管，調整並改善工藝流程，提高產品合格率。
原料和設備條件
粉料選用：全穩定氧化鋯粉體化學組成和工藝性能的差異直接影響產品的成型、燒成和最終產品的性能，這個是研製工作開展時先要明確的。我們通過前期多次實驗，對比數種全穩定氧化鋯粉料的成型和燒結性能，綜合其市場供應價格和質量穩定性，認為8mol%Y2O3穩定ZrO2粉料比較適合的開發工藝。
等靜壓設備：成型用LDJ420/1000-250 冷等靜壓機，壓力70～120MPa，保壓2min。
燒成： 採用微電腦程控高溫梭式窯爐，預設最高溫度1620℃，保溫2～5h。
製作工藝流程
模具設計和製作———粉料填充———等靜壓成型———修坯———燒成———分析測試———成品檢驗。
分析與改進
1.等靜壓成型模具對坯體成型的影響
採用的是橡膠模具，有彈性，給模具加料時，中心不容易固定，往往造成壓制坯體的壁厚相差大，產生中孔明顯偏心。為此專門設計加工了定位加料工具，通過固定模具中間芯棒和塞頭的位置，使模具上下兩頭處於同心態，有效提高了成型坯體的同心度。
2.成型壓力
氧化鋯粉屬於脊性料，粉料中加入約2%的粘結劑，噴霧乾燥製成細小球狀顆粒進行乾壓成型。成型壓力的大小直接影響套管坯體的強度、可加工性和燒成產品的材料內部結構。
70MPa 的斷面粗糙，ZrO2顆粒未完全穩定ZrO2粉料， 通過設計等靜壓成型模具和控制成型壓力、高溫燒成曲線和裝燒工藝分析發現，模具結構設計、成型壓力設定和燒成過程的保溫是影響全穩定ZrO2陶瓷套管技術性能的主要因素。
等靜壓成型壓力不同，坯體的密度和強度有很大變化，壓力越大，坯體的密度和強度越高。試驗過程發現，壓力升到120MPa 以上，壓力逐步增加，坯體的密度和強度沒有明顯增大。
3.裝燒方法和溫度控制
根據ZrO2陶瓷套管的外形特點，採用平躺排放燒成和豎直吊燒兩種方法進行試驗，平躺排放燒成雖然有占窯位少，操作方便的優勢，但是燒成後多數產品的彎曲變形大，直度較差，合格率低，而且對燒成墊板等窯具的平整度和高溫荷軟性能要求較高。豎直吊燒，需使用專門的支撐窯具，占用窯位面積相對較大，但是燒成後，產品的變形很小，直度很好，合格率高。
總結
（1）採用定位加料工具固定模具中間芯棒和塞頭的位置，使模具上下兩頭處於同心態，可以有效解決ZrO2陶瓷套管制備過程中同心度差的問題。
（2）製備陶瓷套管的等靜壓成型壓力120MPa時，會促使ZrO2顆粒燒結反應完全，呈比較好的表面結構。
（3）燒成階段最高溫度時的保溫時間會影響ZrO2陶瓷套
管的晶相分布，1630℃保溫5小時的試樣具有較高的強度和較好的熱穩定性。
