Стрельников В.И., Шумилов Ю.Н.

Украинская инженерно-педагогическая академия

Научно-исследовательский институт высоких напряжений

Анализ процесса формирования заготовок стержневых изоляторов

Одной из основных технологических операций в производстве высоковольтных изоляторов из электротехнического фарфора является процесс переработки массы в вакуум-прессах и формование заготовок полуфабриката будущих изделий. Изучение особенностей данной технологической операции не возможно без детального рассмотрения физико-механических процессов, протекающих в фарфоровой массе, при прохождении ею всех участков формующей системы данного агрегата.

В корпусе пресса осуществляется транспортирование массы, усреднение по влажности, минералогическому и зерновому составу при прохождении трубной решетки; последующее уплотнение и организация сплошного потока массы в направлении выходного отверстия мундштука [1].

Периферийные слои массы, находящиеся у корпуса пресса движутся быстрее и деформируются больше. По направлению к ступице винта движение замедляется и деформация уменьшается. Масса в корпусе пресса на ряду с поступательным приобретает вращательное движение. Головка и мундштук – основные рабочие детали вакуум-пресса. Это обстоятельство и определяет необходимость проведения изучения соответствия между конструкцией агрегата и характером движения массы. При визуальном исследовании срезов с заготовок массы, извлеченных из головки мундштука ленточного пресса, наблюдается общность характера движения массы на основе глин, имеющих различные структурно-механические свойства. Происходит продвижение потока следующим способом. Конечные лопасти винта выжимают массу с различными скоростями по сечению потока в головку пресса, при этом образуется структура массы в виде спиралей причем во входной части повторяется двухзаходная винтовая система.

Входящие в головку пресса спиралевидные порции массы, соединяясь под давлением с массой уже находящейся в головке, увлекают ее за собой и поворачивают на определенный угол. Вращение массы в головке пресса максимальное у стенок, а минимальное у оси шнека и уменьшающееся по длине головки по направлению к мундштуку. Различие в скорости движения слоев массы приводит к образованию двух параболоидных потоков, направленных вершинами к входному отверстию мундштука. Конфигурация спиралей (парабол) этой системы определяется геометрией винта (шнека), головки, мундштука и структурно-механическими свойствами массы. При этом для обладающих масс большими пластическими деформациями и малой эластичностью поворот в головке и закручивание парабол центрального пучка весьма значительны.

При входе в мундштук в результате изменения сечения, падения давления и увеличения скорости движения, в массе происходит фиксирование поворота вершин спиралей вокруг среднего пучка.

Значительное закручивание потоков массы в головке, разность скоростей движения и малое давление в мундштуке является причиной появления в дальнейшем эллиптических трещин. Анизотропия структуры заготовки также определяется структурно - механическими свойствами материалов [1].

О работе вакуум-прессов и влиянии их конструкции на структуру выдавливаемой массы опубликовано достаточно информации [2-3]. Это, например, о причинах образования плоскостей скольжения слоев массы, появления S-образного треска и наличия зон с разной плотностью в поперечном сечении заготовки. Так, наличие S-образных трещин связано последовательными ударами шнека в массу заполнившую переходную головку пресса. Чтобы этого избежать предложен ввод в состав массы материалов, предотвращающих скольжение слоев глины, установление переходной головки с подсоединением двух мундштуков, возможное уменьшение длины переходной головки, увеличение числа заходов шнека для уменьшения амплитуды ударов и более плавной подачи массы. Проведенные исследования позволили сделать вывод о том, что полностью исключить спиралевидную структуру при использовании шнековой формующей системы невозможно.

Выполненные по методу СВЧ – интроскопии [4] исследования текстуры массы показывают весьма тесную зависимость структурирования от особенностей мундштуков вакуум-прессов: данная конструкция является первопричиной подковообразных текстурных расслоений в заготовках массы для изоляторов.

Такую закономерность текстуры можно объяснить тем, что зоны, обращенные в сторону стенок цилиндра вакуум-пресса, в определенной степени сохраняют ориентацию частиц, которую они получили в результате трения об эти стенки, т.е. параллельную им. В зонах обращенных к оси пресса, под влиянием имеющих там место ламинарных, а иногда и турбулентных потоков, наблюдается ярко выраженная переориентация частиц, приводящая в итоге к подковообразной (параболической) текстуре.

В результате многочисленных исследований по изучению работы шнекового пресса наметились пути повышения эффективности процесса формирования заготовок. Например, было предложено: изменить ширину канала шнека [5], на каждой лопасти двухзаходной шнековой головки монтировать специальные башмаки [6], способствующие ликвидации кольцевой структуры. Для повышения прочности изделия и предотвращения свилеобразования шнек должен содержать выпарные лопасти с переменным шагом, при этом лопасть должна быть выполнена с вырезами, расположенными под углом 25-35 °С и выгнута под углом 60 – 65 °С к оси вала [7]. Все же использование всяких приспособлений к шнеку и устройств для разрушения структуры заготовок, существенных успехов не дало.

В настоящее время общепризнано, что бесструктурное формование пластических масс невозможно и для устранения их негативного влияния необходимо искать методы и средства обнаружения и исследования текстур, с последующим направленным регулированием свойств фарфоровой массы.

Для оценки особенностей деформационного поведения керамических масс в формовочных агрегатах, необходимым условием является определение структурно-механических (модуль упругости, вязкость и др.) и реологических характеристик. Пластические и упругие деформации увлажненной глины, однородность уплотнения в зависимости от воздействия приложенной нагрузки, формовочная влажность массы, ее поведение при сушке и обжиге – все это в значительной степени зависит от структуры пластичных материалов, а характер взаимодействия частиц между собой и с окружающей их дисперсионной средой (водой и воздухом) определяет структуру и свойства массы. Изучение структурно-механических свойств глин и каолинов имеет большое значение: оно дает возможность регулировать свойства суспензий в соответствии с условиями техпроцесса и получать массы с заданными параметрами.

Структурно-механические свойства пластичных материалов и прочность коагуляционных структур определяются прежде всего минералогическим и гранулометрическим составом масс (глин, каолинов), конфигурацией частиц, составом обменных ионов и водорастворимых солей. Знание закономерностей, которыми связаны свойства материалов, позволит предвидеть взаимодействие компонентов при смешивании [8].

Взаимосвязь между структурно - механическими свойствами керамических масс, химическим составом, составом обменных ионов и дисперсностью глин определена таким образом [9]:

а) по влиянию дисперсности:

- эластичность масс уменьшается с ростом их удельной поверхности; она увеличивается с повышением доли твердой фракции размером более 10 мкм;

- пластичность керамических масс увеличивается с ростом удельной поверхности глин и с увеличением доли фракции менее 1 мкм;

- период релаксации уменьшается с повышением удельной поверхности частиц, а также доли зерен размером 1 мкм;

б) по влиянию химического состава и состава обменных катионов:

- увеличение содержания кремнезема повышает эластичность и период релаксации масс, но снижает их пластичность;

- повышенное содержание полуторных оксидов приводит к падению эластичности и периода релаксации, но положительно влияет на пластичность;

- увеличение суммы щелочных и щелочноземельных оксидов снижает эластичность, пластичность и период релаксации;

- увеличение суммы обменных катионов также снижает эластичность и период релаксации, а связь между пластичностью и суммой обменных катионов не установлена [9].

Сопоставление влияния различных факторов на поведение фарфоровых пластичных масс в условиях деформации (при формовании) позволяет сделать следующие выводы. При механическом воздействии на массу происходит дислокация ее структуры, что выражается в перераспределении в ней свободной влаги и переориентации частиц, строение массы становится анизотропным. Ориентация частиц происходит главным образом параллельно поверхности сдвига, следовательно для принудительной переориентации частиц массы нужно изменить направление плоскости сдвига. Часть инертных материалов (кварц, карбонаты и др.) обеспечивает изотропность механических свойств, так как препятствует быстрой переориентации частиц массы. Характер деформации фарфоровой массы, равно как и других глинистых масс, зависит, в основном, от состава ее высокодисперсной части, т.е. глинообразующего минерала. Инертный наполнитель (кварц, пегматит) изменяет абсолютные значения физико-механических показателей, сохраняя общий характер сдвига.

Процесс вакуумирования ведет к росту показателей характеризующих сцепление частиц массы, за исключением коэффициента внутреннего трения. Такое изменение физико-механических свойств зависит прежде всего от образования в массе замкнутых пор и разницы давления между массой и окружающей средой. Коэффициент бокового давления глинистой массы при вакуумировании снижается, что при равных прочих условиях уменьшает величину давления массы на стенки вакуум-пресса [9].

Особенностью пластичной фарфоровой массы с влажностью 20-22% является высокая степень концентрации дисперсной фазы, что приводит к повышению величин прочности, упругости, вязкости и соответственно снижению текучести.

В массе имеются локальные зоны, где в процессе формования возникают только упругие деформации без разрушения структуры. В тоже время существуют зоны с предельным разрушением структуры, наибольшей ее перестройкой и максимальной пластической деформацией. Это существенно усложняет задачу выбора режимов управляемого текстурирования.

Коагуляционная структура пластичной фарфоровой массы характеризуется способностью при сушке легко переходить в кристаллизационную. Последующий за этим обжиг фарфора переводит ее в фазовую, что связано с еще большей усадкой материала, причем направления усадки остаются аналогичными предыдущим превращениям. Очевидно, что уже на стадии формования заготовок массы для изоляторов, а тем более стержневых, необходимо создавать абсолютно изотропную, что по-видимому не реально, либо осесимметричную анизотропную, что более возможно в достижении. На принципе максимально возможного разрушения структурных связей и должна строиться оптимальная технология пластического формования заготовок изоляторов.

Литература:

1 Ничипоренко С.П., Абрамович М.Д., Комская М.С. О формовании керамических масс в ленточных прессах. – К.: Наукова думка, 1971. – 75 с.

2 Таресенко М.С. О возникновении S–образных трещин. – Стекло и керамика. – 1950. - № 12. – с. 4-10.

3 Тарасенко М.С. О работе вакуум-пресса СМ-32 на керамических заводах. – Стекло и керамика. – 1952. - №. – с. 8-10.

4 Энтелис Ф.С. Зависимость текстуры керамической массы от конструкции мундштуков вакуум-прессов. – Стекло и керамика. – 1975. - № 3 – с. 28-30.

5 Малиновский Г.Н. Усовершенствованная конструкция шнекового пресса для формования кирпича: - Строительные материалы. – 1983. - № 6. – с. 8-9.

6 А.с. 359153 СССР, МКИ В28В 3-22. Устройство для ликвидации кольцевой структуры при формовании изделий на ленточных прессах/Малиновский Г.Н. (СССР). - № 1499746/29-33; Заявл. 10.12.72; опубл. 03.12.73, Бюл. № 12. – 2 с.

7 А.с. 459338 СССР, МКИ В28В 3/26. Шнек для формирования керамических изделий/Родман Г.И., Коваль В.И. (СССР). - № 1849540/29-33; Заявл. 24.11.72; опубл. 05.02.75, Бюл. № 9. – 3 с.

8 Фадеева В.С. Формуемость пластичных дисперсных масс. – М.: Стройиздат, 1971. – 127с.

9 Ничипоренко С.П. Основные вопросы теории процессов обработки и формования керамических масс. – К.: АН УССР, 1960. – 110 с.