95%陶瓷Al2O3斑点产生的原因分析及控制措施
首先分析了可能形成斑点的几种化学元素,再从95%Al2O3陶瓷生产过程中原料、设备、工艺以及环境等方面,分析讨论了斑点产生的原因,最后提出采取的有效预防控制措施。
真空灭弧室是高压真空开关的核心部件,95%Al2O3陶瓷管壳又是真空灭弧室的关键部件之一,根据灭弧室的工作特点,要求陶瓷管壳外观呈白色,并具有真空气密性好、介质损耗角正切值小、绝缘强度高、导热率高、热稳定性好等性能。
陶瓷管壳存在的斑点,不仅影响产品的外观,也影响其电性能,使得陶瓷外壳的绝缘性能降低。因此,在陶瓷件的生产过程中,需要对之进行严格控制。但由于生产设备、生产条件的限制,以及人们对产生斑点原因的认识不一致,导致产品斑点缺陷时有发生,有时比例还比较高。本文所述斑点是指杂质由于烧成而熔入瓷体或釉内,呈现异色色斑,但未破坏瓷件表面的完整性。
本文通过理论分析、样品试验及与实际生产相结合的方法,分析了陶瓷管壳斑点产生的原因,根据这些原因提出了有效的预防控制措施。在实际生产中应用,效果明显。
1、初步分析形成斑点的元素、成分
根据95%Al2O3 陶瓷原料以及制造业加工产品的工艺装备特点,一方面是原矿物质中含有形成斑点的物质;另一方面是原料可能接触到的金属材料,一般为碳素钢和不锈钢,初步分析这些金属材料是形成斑点的原因,因此对这些金属材料取样进行模拟试验。
样品材料:低碳钢、高碳钢、不锈钢(喷雾干燥机电加热用的材料)
样品制备:将样品材料的粉末与氧化铝造粒料混合后,放在干净的耐高温容器里,在高温电隧道窑烧成,结果见表1。
表1 不同样品材料的烧成结果
从以上模拟试验发现,这些金属材料进入到原料中,在瓷件中形成了斑点。
95 %Al2O3陶瓷斑点缺陷一般在氧化气氛下,表现为褐色、绿色、黄色及紫红色等,在还原气氛下表现为黑色、紫红色等。
根据模拟试验结果以及斑点在不同气氛中的色变化,初步分析其形成斑点的化学元素一般为铁、铬、锰等过渡元素,这些元素及其氧化物具有顺磁性,有磁性的物质可以用强磁性的材料吸附。
2、分析陶瓷生产工艺过程中产生斑点的原因
2.1、陶瓷生产的主要工艺流程
图1 为陶瓷生产的主要工艺流程。
2.2、试验
从工艺过程中制备样品,进行模拟试验。准备可能形成斑点的样品:在陶瓷生产工艺流程中,分别在原材料、料浆除铁、造粒料除铁、高温烧成防粘砂等工艺阶段吸附铁磁性杂质,并将吸附的杂质,按照金属材料模拟试验的方法制备成样品,进行高温烧成。烧成结果见表2 。
表2 取样阶段温烧成结果
2.3、试验结果及讨论
从以上结果中发现:各工艺阶段吸附的铁磁性杂质,可以使95 %Al2O3陶瓷在烧成过程中形成斑点,只是随着含量的不同,扩散部分斑点颜色较浅,而杂质集中部分斑点颜色较深;同时由于取样阶段不一样,其杂质表现出的颜色也不同,说明其不同工艺阶段主要杂质成分不相同。
2.4、从生产过程中分析斑点成分产生原因
原材料:包括配方中的原料以及烧成过程使用的辅助料,对每种原材料进行检验,发现有磁性杂质存在。
料浆制备设备:设备部分、料浆输入管道采用不锈钢材料。由于氧化铝材料硬度高,在与一般金属材料摩擦过程中,使金属材料磨损,将杂质带入到料浆中。
喷雾造粒设备:加热系统一般有电加热和燃气加热两种。电加热用的高温不锈钢管在反复升温、降温过程中,其表面的氧化物容易脱落,其杂质随热风气流带入到造粒料中;燃气加热系统中,气体中有一定的含水量,容易造成输送管道氧化腐蚀,其产生的杂质同样会带入到造粒料中,但与电加热系统比较,其杂质含量是很少的。
喷雾干燥机采用离心式旋片造粒,其摩擦过程中产生的杂质会带入到造粒料中。
磨加工过程:真空灭弧室的管壳两端面进行磨加工,在加工过程中,使用金属挡铁,当挡铁与陶瓷接触,可能会导致划痕,在经过高温时,同样会产生斑痕。这些杂质的引入,必定会造成产品斑点。
3、在陶瓷生产工艺过程中控制产生斑点的措施
针对以上斑点产生的原因,逐项采取措施进行控制:
(1) 原材料控制: 控制原材料中铁磁性杂质含量,并加强原材料入厂检验要求。
(2) 管道、容器部分:用其它非金属材料替换金属材料管道、容器、工具,在必须使用金属材料时,要选择合适的特殊材质。
(3) 喷雾造粒加热系统改造或定制为燃气加热系统,系统带入的杂质成分会减少,也可以采用在管道中加入杂质过滤装置,也会起到预防作用。
(4) 产品研磨加工中,一方面采用瓷件与挡铁不直接接触,另一方面,采用酸洗、自来水清洗方法消除划痕污染。
加强工艺过程控制:
(1) 检查设备磨损程度,尤其是防止磨料设备的内衬磨损后,露出的金属材料磨损造成杂质成分带入料中。
(2) 原料中的杂质成分大部分呈弱磁性,一方需要选用高磁场强度的除铁设备;另一方面在除铁时需要控制原料流量及流速,以达到最佳除铁效果。
(3) 工艺卫生:加强工艺现场卫生管理,防止因维修设备、以及其它活动时,带入杂质污染。
4、结论
通过以上论述,得出以下结论:
(1) 95 %Al2O3陶瓷管壳斑点产生的原因主要是原料和坯体中含有铁、铬、锰等元素的杂质,在产品高温烧成过程中形成斑点。
(2) 在95 %Al2O3陶瓷管壳生产中,通过工艺装备的改进,以及对原料和工艺中加强铁磁性杂质的过程控制,包括对设备的监控、原料的除铁等方面的控制,达到预防或减少形成斑点的杂质带入,提高产品成品率。
(3) 保持良好的工艺环境卫生,预防形成斑点的杂质带入原料和坯体中。
