工业氧化铝在电瓷配方中的应用研究

杨娟

摘 要：随着国家对煅烧铝矾土加工行业生产管理的逐渐规范化，部分环保要求不达标煅烧矾土粉加工企业停产或在整顿改造中，导致煅烧铝矾土粉加工企业生产量下降，品质不达标，行业供货紧张。而煅烧铝矾土为电瓷生产行业使用的主要原料，在铝矾土粉供货紧张的局势下，为保证生产能正常进行，特进行工业氧化铝在湿法电瓷配方中的应用研究试验。

关键词：氧化铝;煅烧矾土;供货紧张; 电瓷 ; 配方

1 引 言

近年来，随着国家对环境保护治理的不断升级，对煅烧铝矾土加工行业生产管理的要求越来越规范化，煅烧铝矾土加工企业使用的设备正在升级改造过渡中，部分不达标企业停产改造整顿，造成煅烧铝矾土粉产量和质量均有所下降，整个煅烧铝矾土粉行业供货比较紧张，铝矾土价格也一直在飙升。因工业氧化铝具有较高的化学稳定性，高熔点、高纯度、真比重高、绝缘性能好，耐酸碱、机械强度高，耐磨、耐冲击等特点。广泛用于定形、不定形耐火材料、高纯耐火纤维、特瓷、电子陶瓷等方面。国外电瓷生产制造中，大多使用工业氧化铝粉。由于铝矾土粉较氧化铝粉价格低廉，国内电瓷生产中，主要使用铝矾土粉，在铝矾土供货不能保证生产的严峻形势下，为保证公司生产正常进行，特进行工业氧化铝在电瓷配方中的应用研究。

本文中使用α-Al2O3，俗称刚玉，属三方柱状晶体，晶体结构中的阳离子形成六方最紧密堆积，铝离子则在6个氧离子围成的八面体中心，是氧化铝各种形态中最稳定的晶型【3]。

2 配方设计方案

（1）选用生产中的B配方作为对比配方，新设计3个使用氧化铝的配方，代号分别为1、2、3。

（2）新设计配方中使用的铝质原料全部使用氧化铝粉，氧化铝粉使用量在36%～40%之间;氧化铝粉颗粒级配中D50含量在4.0%～5.0%之间;

（3）为保证坯料的工艺性能，新设计配方中可塑性粘土含量在44%～55%之间;

（4）因氧化铝熔点较高，为保证新设计配方烧成温度与B配方接近，新设计配方均提高钾长石使用量。

3 配方设计目标

（1）坯料配方干燥强度大于7.5MPa[4];

（2）坯料配方瓷强度达到160MPa以上，上釉强度达到180MPa以上[4];

（3）坯料配方烧成温度起点在1260～1270℃之间，玻化范围大于30℃[4]。

（4）瓷材料性能达到IEC672-3陶瓷和玻璃绝缘材料规范C-100组碱铝硅酸盐材料（瓷）130类标准及GB8411.1-87电瓷材料定义及分类Ⅴ类瓷标准的要求。

4 试验仪器

X-荧光光谱仪;S3500型颗粒分析仪;   WDT-10微机控制电子万能试验机;WS-508型液压式万能试验机。

5 配方试验

5.1  原料化学组成

使用X-荧光光谱仪进行各种原料的化学成份测试，具体测试结果见表1

5.2 氧化铝与矾土颗粒组成（见表2）

使用试验室S3500型颗粒分析仪进行氧化铝和矾土颗粒度测试，同时测试D90及D50颗粒度。

5.3 配方组成

使用氧化铝的配方编号分别为1、2、3;B配方为对比配方，具体配方组成见表3。

6 试验结果

6.1 制泥

使用四个配方各配料15kg，采用试验室20kg小型球磨机球磨泥浆，料：球石=1：1.8，球磨时均采用一次投料，采用手工颗粒沉降分析方法进行球磨细度≤10μm控制，1、2、3配方球磨细度控制在74.0%～77.0%之间，B配方球磨细度≤10μm控制在60.0%～63.0%，同时测试320目筛余含量。放浆时泥浆过四遍160目筛，榨泥前泥浆使用强力磁铁棒除铁4h，榨泥机最高压力为1.5MPa，榨泥时间1h20min左右，泥料陈腐48h后采用试验室小型真空练泥机挤制。

具体球磨情况见表4。

6.2  湿坯及可塑性能

采用WDT-10微机控制电子万能试验机进行湿坯强度及指标测试，具体测试结果见表5。

6.3  干燥及收缩性能

6.4 颗粒组成

6.5  烧成性能

6.6  玻化温度及瓷强度

7 分析

（1）使用氧化铝的1号、2号、3号配方，球磨时间均较B配方时间短，主要原因为工业氧化铝整体颗粒较细，使用到配方后，球磨时间缩短，泥浆320目筛余稍多，坯料≤10μm颗粒含量增多。由于矾土粉颗粒度较粗，使用矾土的B配方球磨时间长，泥浆320目筛余稍少，坯料≤10μm颗粒含量低。坯料颗粒越细，瓷材料机、电、热性能越好，分散越均匀，同时可以降低瓷材料的烧结温度。

（2）影响坯料可塑性的因素主要与配方中使用的粘土的可塑性能有关，影响坯料湿坯性能的因素主要与配方的可塑性能有关，配方的可塑性能高，湿坯强度就高。粘土的可塑性与粘土的生成年代、矿物种类、结晶形态和结晶度有关，由有序度高的高岭石组成的高岭土，可塑性低;由有序度低的高岭石组成的高岭土则与之相反。另外，粘土的粒度、阳离子交换性、可交换性阳离子种类均影响其可塑性。1号与3号配方的湿坯强度、湿坯指标、可塑性指数均较2号配方及B配方低;2号配方与B配方的湿坯强度基本相同，可塑性指数基本相同。1号与3号配方中可塑性粘土用量较少，湿坯性能和可塑性能均低[1]。

（3）干燥强度主要与坯料中的可塑性粘土种类、用量及增塑剂的用量有关，可塑性粘土用量越高，干燥强度越高，增塑剂用量越大，干燥强度也越高。干燥强度方面：1号料最高，2号料与B料相同，3号料稍小，成型水份與榨泥时泥料脱水情况有关，坯料易脱水，脱水量高，成型水份低;坯料不易脱水，脱水量低，成型水份高。2号料与3号料成型水份相同，1号料与B料成型水份基本相同;干燥收缩是指坯料在干燥失水后所发生的尺寸变化，坯料的干燥过程是在105～110℃温度下脱去吸附水、层间水的过程。不同种类的粘土其干燥收缩率不同，高岭土干燥收缩率一般为3%～10%（高岭土中埃洛石含量越高，干燥收缩率越大）。蒙脱石粘土为12%～23%。干燥收缩与配方的颗粒级配也有关，坯料粒度越细，收缩也越大，1号、2号料与4号料干燥体收缩率接近，3号料最小。干燥孔隙率大小主要与坯料的水份和颗粒级配有关，坯料水份接近时，颗粒级配越好，孔隙率越低，3号料的干燥孔隙率最大，1号料次之，2号料与B料接近且最小。干燥体比重主要由颗粒级配决定，颗粒越细，堆积密度越高，B料颗粒最粗，体比重最小，1、2、3号料颗粒细，比重高[2]。

（4）烧成收缩是坯料经煅烧后的尺寸形变，以百分率表示，烧成收缩是坯料中粘土原料失去结构水，矿物晶体发生结构破坏相转变的综合反映，烧成收缩是电瓷制品烧成工艺流程设计的重要参数，烧成收缩大小主要与配方中使用的粘土种类及用量以及坯料的颗粒级配有关，配方中高岭土的烧成收缩率与脱水温度区间有关，以高岭石为主的高岭土，脱水温度区间较窄（400～600℃），收缩率低;以洛埃石为主的高岭土，脱水温度区间宽（400～800℃），收缩率也高，高岭石的有序程度也影响烧成收缩，有序度高时，破坏其晶格所需能量大，烧成收缩较小，形成的莫来石呈针状;有序度低的高岭石，易于烧结，烧成收缩大，形成的莫来石晶体较粗大。配方中细颗粒越多，堆积密度越大，收缩越大。1号、2号和3号配方烧成及总体收缩均较大，B配方的烧成体收缩最小[5]。

（5）坯料经加热到低于其熔点一定温度范围，发生少量易熔成份逐渐液化、颗粒粘结或充填孔隙、结构致密度增加、晶粒长大、强度和化学稳定性提高等物理化学变化，成为坚实集结体的过程成为烧结。当气孔率下降到最低值，密度达到最大时的状态成为烧结状态，对应的温度称为烧结温度。达到烧结温度后若继续加热、原料密度将持续一段时间无显著变化，但超过一定温度，由于重结晶及结晶转化，气孔率就开始长大，密度开始下降，出现过烧膨胀现象，同时坯料中出现新的液相，且不断增多，以至坯体发生变形[3]。出现这种情况的最低温度成为软化温度。烧结温度与软化温度之间的温度范围称为玻化温度。玻化温度越宽越有利于产品烧成控制。烧成温度范围分析结果：1号烧成温度起点稍高10℃，2号、3号与B料烧成温度起点相同，玻化温度范围均大于50℃，范围较宽。

（6） 1号、2号、3号配方的无釉瓷强度均达到了160MPa以上，上釉强度均达到180MPa以上，瓷材料性能达到了IEC672-3陶瓷和玻璃绝缘材料规范C-100组碱铝硅酸盐材料（瓷）130类标准及GB8411.1-87电瓷材料定义及分类Ⅴ类瓷标准的要求，也达到了配方的设计要求。铝矾土的矿物组成以一水硬铝石为主，Al2O3的含量约含85%左右，配方中使用量大约40%左右即可满足瓷强度要求;α-Al2O3中Al2O3的含量大于95%，以剛玉晶体存在，配方中使用量36%左右即可满足瓷强度要求[6]。

8 结论

使用氧化铝的2号配方各项工艺性能与B料接近，由于氧化铝颗粒度较细，2号配方整体颗粒度较细，烧成收缩与总体收缩较B料大，烧成温度与B料相同，瓷强度达到了设计要求。2号配方可以进行投产使用，产品设计时考虑收缩尺寸。

参考文献

[1] 杜海青等，电瓷制造工艺[M]，北京，机械工业出版社， 1983，65-78 . Du haiqing et al.， manufacturing process of electric porcelain [M]， Beijing， China machine press， 1983.

[2] 刘康时等，陶瓷工艺原理[M]，广东，华南理工大学出版社， 1990， 25-80.Liu kangshi， et al.， ceramic process principles [M]， guangdong， south China university of technology press， 1990.

[3]李延凯，陈建国，工艺因素对高铝氧电瓷机械强度的影响[J]，硅酸盐通报，67-68.Li yankai， Chen jianguo， influence of technological factors on mechanical strength of high alumina electric porcelain [J]， Chinese silicate bulletin，67-68.

[4]电瓷原材料检验和工艺控制试验方法[M]，西安，西安电瓷研究所，1987，10-64.Test method for raw material inspection and process control of electrical porcelain [M]， xi 'an， xi 'an electric porcelain research institute，1987，10-64.

[5]卢声彦等，氧化铝原料成分的波动及其控制[J]，电瓷避雷器，2012（2）：17-19.Lu shengyan et al.， fluctuation and control of alumina raw materials [J]， electric porcelain arrester，2012（2）：17-19.

[6]朱志斌等   氧化铝陶瓷的发展与应用[J]   陶瓷  2003 （1），5-7.Development and application of zhu zhibin et al. Alumina ceramics [J] ceramic 2003 （1），5-7.