Керамические материалы

В настоящее время под керамическими мате­риалами подразумеваются не только такие мате­риалы, как фаянс, фарфор, огнеупоры, строи­тельная керамика, абразивы, эмали, цементы и стекла, но также неметаллические магнитные материалы, сегнетоэлектрики, синтетические монокристаллы и другие виды, еще не существо­вавшие несколько лет назад.

Слово керамика происходит от греческого слова «кегатоз», что означает горшечная глина или фаянс. Традиционная керамика изготавлива­ется силикатной промышленностью, которая занимается главным образом производством из­делий из глин, цемента и силикатных стекол.

Изготовление фаянса путем формования и обжига глиняных изделий известно давно. В рас­копках находят изделия из обожженной глины, имеющие возраст около 17 тыс. лет. В Египте около 5 тыс. лет до нашей эры существовало промышленное производство керамических из­делий.

Производство силикатных стекол известно также с древних времен. Эмали на каменных ук­рашениях и изделия из стекла были известны 12—5 тыс. лет до нашей эры, а в Египте около 2 тыс. лет до нашей эры имелась достаточно раз­витая стекольная промышленность.

Производство цементных материалов полу­чило развитие не более 200 лет назад.

В России гончарное производство было ши­роко распространено уже в Х—XIII вв. Глиня­ные изделия, найденные при раскопках Велико­го Новгорода, указывают на высокое мастерство русских гончаров.

В XVIII в. в России был создан фарфор и ста­ло осваиваться его промышленное производст­во. В 1756 г. под Москвой строится фарфоровый завод- В 1798 г. начинает выпускать продукцию первый фаянсовый завод вблизи Киева.

В XIX в. керамическая промышленность Рос­сии добивается значительных успехов. Центра­ми силикатной промышленности становятся та­кие города, как Москва, Санкт-Петербург, Харь­ков и др.

Если провести анализ керамической про­мышленности развитых стран, то можно уви­деть, что наибольший объем занимает производ­ство натрий- и кальцийсиликатных стекол. Затем наиболее крупным по объему является произ­водство извести и цемента (здесь большая доля падает на производство строительного цемента). Наиболее разнообразная группа изделий отно­сится к тонкой керамике, которая включает фа­янс, фарфор и другие виды материалов с тонким черепком. К следующей распространенной груп­пе традиционной керамики относятся эмали, вы­пускаемые для покрытия металлов, затем следу ют строительные материалы, огнеупоры и абра­зивные материалы.

Несмотря на то, что силикатная (традицион­ная) керамика составляет наибольший объем вы­пускаемых керамических изделий и материалов, в последнее время разрабатываются разнообраз­ные типы новых керамических материалов, ко­торые обладают уникальными свойствами. Та­кие материалы разработаны либо для примене­ния при очень высоких температурах и при этом обладают большой механической прочностью, высокими значениями электрического сопротив­ления и химической стойкостью, либо при ис­следовании материалов, когда открываются новые свойства, которые позволяют создавать принципиально новые устройства или сущест­венно улучшить параметры существующих (на­пример, открытие варисторного и позисторного эффектов, высокотемпературной сверхпроводи­мости и гигантского магнитного сопротивления в оксидных перовскитовых структурах).

В последние 50 лет было создано много но­вых керамических материалов:

Ø керамика чистых оксидов для специальных электротехнических или огнеупорных изделий характеризуется высокими значениями ряда свойств и стабильностью; ее изготовляют чаще всего на основе корунда, диоксида цирко­ния, оксида магния, шпинели и форстерита;

Ø ядерное топливо на основе использования диоксида урана, который сохраняет свои свойства при длительном использовании в ядер­ных реакторах;

Ø магнитная керамика, уникальные электриче­ские свойства которой позволяют использовать ее в высокочастотной радиоэлектронике;

Ø монокристаллы разнообразных материалов, которые используются в настоящее время в раз­личных областях техники. В качестве примера можно привести монокристаллы сапфира, вы­ращиваемые из расплава, и крупные кристаллы кварца, выращиваемые в гидротермальных условиях;

Ø металлокерамика, играющая большую роль в машиностроении; представителями этой группы материалов являются различные карбиды на ме­таллической связке, а также смеси хромосодержащих сплавов с оксидом алюминия;

Ø сегнетоэлектрическая керамика на основе титана бария, открытого в 1944 г. Б.М, Вулом (СССР), которая имеет высокую диэлектриче­скую постоянную и может служить активной и пассивной средой во многих электротехниче­ских приборах и устройствах;

Ø бессиликатные стекла, которые имеют осо­бое применение благодаря прозрачности в ин­фракрасной части спектра;

Ø ситаллы, технология которых является дос­таточно новой и заключается в формовании из­делий из стекла с последующей термообработ­кой, обеспечивающей протекание процессов об­разования центров кристаллизации и контроли­руемого роста кристаллов с получением одно­родного тонкозернистого стеклокристаллического материала.

Кроме того, в настоящее время производят и используют большое количество других новых керамических материалов, не известных 10 или 20 лет назад. С этой точки зрения керамическая промышленность является одной из наиболее быстро развивающихся отраслей индустрии, продукция которой постоянно совершенствует­ся. Необходимость в новых керамических мате­риалах обусловливается постоянными потребно­стями в создании более совершенных и новых изделий.

Быстрое развитие электротехнической и ра­диотехнической промышленности требует роста производства электротехнической керамики и высококачественных изоляторов.

Основными материалами для изготовления изоляторов являются керамические материалы, Среди которых ведущее место занимает фарфор. В России этот замечательный ма­териал был создан Д.И. Виноградовым, совре­менником М.В. Ломоносова. В результате мно­гочисленных 'исследований. Д.И. Виноградов получил первые образцы отечественного фарфо­ра (порцелина) и основал первый фарфо­ровый завод в России «Порнелиновая мануфак­тура» в 1744 г. До нас дошли 23 рецепта фарфо­ровых масс и 10 рецептов глазурей, разработан­ных Д.И. Виноградовым, которого по праву можно считать основоположником производства русского фарфора.

В России до 1917 г. изоляторная промышлен­ность как самостоятельная отрасль не существо­вала. Электротехнические изделия из фарфора — телефонные и телеграфные изоляторы, роли­ки, розетки и другие изделия — изготовлялись на заводах, основной продукцией которых явля­лась фарфоровая посуда. Это заводы в Санкт-Пе­тербурге, Я. Эссена в Риге, Славянске, Бердни-кова в Житомирской области и др. Исключение составлял завод С.П. Чоколова (ныне завод «Изолятор»), основанный в 1894 г. под Москвой и специализировавшийся на выпуске электро­технических изделий из фарфора. Эти заводы выпускали преимущественно электротехниче­ский фарфор для установок низкого напряжения.

В конце XIX в. эти заводы начали выпуск те­лефонных и телеграфных изоляторов, электро­установочных изделий (роликов, розеток и др.). После Октябрьской революции ряд заводов полностью переходит на изготовле­ние электротехнической продукции: завод Кор­ниловых в Петербурге, ныне завод «Пролета­рий». завод им, Артема в г. Славянске, завод «1Мая» в Токаревке Житомирской области. Производство электротехнических фарфоровых изделий, несмотря на отсутствие на заводах ме­ханизации, достигло значительного совершенст­ва, и высокое мастерство рабочих керамистов за­служенно и неоднократно отмечалось на всемир­ных выставках.

Объем отечественного производства элек­тротехнического фарфора не мог удовлетворить спроса развивающейся электротехнической от­расли, Значительная часть потребности в изоля­торах низкого напряжения и почти полностью высокого напряжения удовлетворялась ввозом из-за границы".

Одна из первых попыток выпуска отечест­венных изоляторов высокого напряжения отно­сится к 1906—1907 гг., когда заводом С.П. Чоколова была изготовлена партия штыревых изоля­торов на напряжение 6—10 кВ довольно слож­ной конструкции, имевших три выступающие «юбки». Эти изоляторы были направлены для испытания в Германию в лабораторию завода ГЕШО (Гемсдорф-Шомбург). Все изоляторы вы­держали испытания и были рекомендованы к производству. Однако завод С.П. Чоколова не организовал массового выпуска штыревых изо­ляторов этого типа, что можно объяснить слож­ностью их конструкции и трудностью конкурен­ции с иностранными фирмами.

Значительных успехов в выпуске высоко­вольтных изоляторов добился завод Я. Эссена в Риге. В 1912—1915 гг. этим заводом выпуска­лись изоляторы на напряжение до 20 кВ преиму­щественно по чертежам германских фирм. В 1915 г. завод Я. Эссена был эвакуирован в г, Славянок, где Я. Эссен купил у фабриканта М.С- Кузнецова посудную фабрику, в корпусах которой было размещено оборудование, выве­зенное из Риги.

В годы первой мировой войны Россия была отрезана от заграничных поставщиков. Для удовлетворения острой потребности в изолято­рах, высокого напряжения славянский завод, а также некоторые другие предприняли попытки наладить массовый выпуск изоляторов высокого напряжения. Эти попытки не увенчались успе­хом, ввиду того, что заводы не смогли овладеть особенностями обработки электрокерамики и режима сушки и обжига. Кроме того, заводы то­го времени не располагали испытательным обо­рудованием высокого напряжения и были лише­ны возможности корректировать конструкцию и технологию производства изоляторов.

Первые партии изоляторов на напряжение 35 кВ были выпущены по заграничным образцам в 1919—1920 гг. заводом им. М.В. Ломоносовав Петрограде ив 1921 г. Дулевским заводом фар­форовой посуды. Изготовленные по технологии, обычной для производства хозяйственного фар­фора, эти изоляторы после установки их на ли­ниях электропередачи через короткий срок вы­были из эксплуатации вследствие массовых пробоев.

Опыт показал, что производство изоляторов высокого напряжения требует специальной тех­нологии. Для этой цели электропромышленно­сти были переданы четыре завода, которые ра­нее частично выпускали изоляторы и фарфоро­вые изделия («Изолятор», «Пролетарий», им. Артема и «1 Мая»).

Центральным электротехническим советом (ЦЭС) были утверждены разработанные в 1919г. Петроградским политехническим институтом под руководством М.А. Шателена первые техни­ческие условия на высоковольтные фарфоровые изоляторы.

Большую роль в развитии отечественной ке­рамической промышленности сыграла организа­ция в 1919 г. в Петрограде Государственного на­учно-исследовательского керамического инсти­тута.

В 1921 г. по заданию Главэнерго А.А. Горе-вым были разработаны отечественные конструк­ции штыревых изоляторов на напряжение 6— 35 кВ, Эти изоляторы выпускались заводами «Изолятор» и «Пролетарий» до 1924—1926 гг.

В период 1926—1935 гг. широким фронтом велись работы по реконструкции изоляторных заводов и оснащению их новым оборудованием. В 1934 г. завод «Пролетарий» ввел в эксплуата­цию первую туннельную печь непрерывного действия длиной 121 м для обжига электроуста­новочных изделий. На заводе им. Артема в 1940 г. введены в эксплуатацию печи периодиче­ского действия с шестью камерами общей вместимостью 450 м³ и туннельная печь, разра­ботанная в СССР.

Сооружение Свирской ГЭС и линии электро­передачи на напряжение 220 кВ потребовало подвесных изоляторов с гарантийной механиче­ской прочностью 6.86 • 10⁴ И. Производство та­ких изоляторов было освоено в 1932 г. на заводе им. Артема и в 1935 г. на заводе «Пролетарий».

В начале 1923 г. на заводе «Изолятор» была сооружена изоляторная лаборатория с испыта­тельной установкой на напряжение до 300 кВ и специальной машиной для механических испы­таний изоляторов, что позволило планомерно проводить работы по изучению характеристик зарубежных и разрабатываемых отечественных изоляторов. В том же 1923 г. на заводе «Изоля­тор» была разработана и выпущена первая пар­тия штыревых изоляторов на напряжение 35 кВ технологически приемлемой формы типа ШИ. Опыт эксплуатации этих изоляторов дал удовле­творительные результаты, и они были включены в первый общесоюзный стандарт (ОСТ 3370) и выпускались до 1939г.

В период 1923—1925 гг. осваивается серий­ное производство линейных изоляторов высоко­го напряжения на заводах им. Артема и «Изоля­тор» я аппаратных изоляторов на заводе «Проле­тарий». Производство аппаратных изоляторов представляло наибольшие трудности вследствие сложности их профилей и примитивности обору­дования, которым в то время были оснащены на­ши заводы. Значительную помощь заводам в об­ласти испытаний и корректирования первых конструкций изоляторов оказали коллективы на­учных работников ИНХ им. В.Г. Плеханова (Б.И- Угримов), а также ЛЭТИ (А.А. Смуров и его сотрудники). В 1925 г. для создания новых изоляторов было организовано Техническое бю­ро изоляторных заводов Электротехнического треста Центрального района (ЭТЦР), руководи­телем которого являлся Н.В. Головкин. Экспери­ментальной базой бюро был завод «Изолятор», на территории которого оно помещалось. Бюро разработало конструкции первых отечественных подвесных изоляторов (типа ПГ-22), проводило работы по исследованию, созданию и модерни­зации ряда конструкций изоляторов и арматуры для них. В бюро выросла группа инженеров-спе­циалистов в области керамической изоляции (А.В. Ефимов, Л.И. Федоров и др.).

Важным этапом в развитии отечественного изоляторостроения явились разработка и техно­логическое освоение производства подвесных изоляторов для строившихся линий электропе­редачи напряжением 110 кВ. В результате прове­денных исследований подвесных изоляторов, поставлявшихся СССР заграничными фирмами, была разработана отечественная конструкция подвесного изолятора ПГ-22 (рис. 10.2). В этом изоляторе шапка 1 закреплялась на головке изо­лятора при помощи цементной замазки, заделка же стального стержня 2 производилась при по­мощи стальных шпилек 3, заливаемых легко­плавким сплавом, состоящим из свинца и сурь­мы. Серийный выпуск подвесных изоляторов был начат в 1927 г., что позволило уже в годы первой пятилетки отказаться от импорта изоля­торов этого класса. Впоследствии (1938— 1939 гг.) на освоении работ, проведенных изоля­торной лабораторией ВЭИ, в конструкцию под­весного изолятора были внесены изменения (изолятор П-4,5): заделка шапки и стержня про­изводилась на цементной замазке с применени­ем эластичных битумных покрытий. Этот тип изолятора вошел в первый общесоюзный стан­дарт на фарфоровые изоляторы (ОСТ 3370) в 1930 г., а также в ГОСТ 6490-53. Для повышения качества продукции и производительности заво­дов большое значение имели работы, проведен­ные в 1926— 1928 гг., по переводу печей (горнов) с твердого топлива (дров) на жидкое и усовер­шенствованию процессов обжига электротехни­ческого фарфора.

Рис. 10.2. Подвесной фарфоровый изолятор ПГ-22 (первая отечественная конструкция подвесного изолятора).

Дальнейшее развитие электроизоляторного производства связано с развитием трансформа­торе и электроаппаратостроения, а также соору­жением линий электропередачи на напряжение 220 кВ.

В 1931 г. завод «Изолятор» начал производ­ство маслонаполненных фарфоровых вводов на напряжение 110 кВ, которые изготовлялись по чертежам американской фирмы ДЖИИ, а затем по усовершенствованным заводским конст­рукциям.

В 1932 г, для линий электропередачи на напряжение 220 кВ были разработаны и освоены в производстве подвесные изоляторы типа П-7 с гарантийной механической прочностью 6,86 • 10⁴ Н. Освоение в производстве вводов на напряжение 220 кВ потребовало большего вре­мени, чем для вводов на напряжение 110 кВ, так как их конструкция была более сложной. Потре­бовалась разработка специальной технологии сушки, обжига и охлаждения этих крупногаба­ритных керамических конструкций. Внутренняя изоляция ввода, которая изготовлялась по аме­риканским чертежам, не обеспечивала необхо­димой надежности. Группой специалистов заво­дов «Изолятор», «Электроаппарат», Московско­го электрозавода и ВЭИ изоляция ввода была улучшена, после чего начался серийный выпуск вводов на напряжение 220 кВ.

В 1932—1933 гг. были разработаны конст­рукции установок для непрерывного испытания изоляторов высоким напряжением, что позволи­ло в 3—5 раз повысить пропускную способность испытательных станций.

Улучшению производства фарфоровых изо­ляторов способствовала специализация заводов, проведенная в 1933 г. Заводы «Пролетарий» и «Изолятор» стали специализироваться на выпус­ке аппаратных изоляторов, завод «1 Мая» — на изоляторах для линий связи и электроустановоч­ных изделиях, а завод им. Артема — на выпуске линейных (подвесных и штыревых) и станцион­ных (опорных и опорно-штыревых) изоляторов. На рис. 10.4 показаны основные типы опорных изоляторов, каждый из них состоит из фарфоро­вого элемента и арматуры. Фарфоровые элемен­ты либо полые (рис, 10,4, а и б), либо сплошные с небольшими выемками для внутренней задел­ки арматуры (рис. 10.4, в). В первых двух конст­рукциях опорных изоляторов нижняя часть фар­форового элемента закрепляется в чугунном фланце с помощью цементно-песчаного состава. Сверху фарфорового элемента закрепляется чу­гунный колпак. Опорные изоляторы на напряже­ния 6 и 10 кВ имеют по одному верхнему ребру и отличаются друг от друга только высотой.

В 1935—1936 гг. изоляторная лаборатория ВЭИ разрабатывает конструкции линейных противогрязевых изоляторов, которые нашли широ­кое применение.

Развитие электрификации СССР предъявило повышенные требования к объему выпуска изо­ляторов и улучшению их качества, что потребо­вало пересмотра и усовершенствования основ­ных технологических операций. Важное значе­ние в этом отношении имели разработка и вне­дрение в электрокерамическое производство в 1939—1940 гг. вакуум-пресса для переработки сырой фарфоровой массы с целью удаления из нее газовых включений и равномерного распре­деления влаги.

Внедрение вакуум-пресса в изоляторное про­изводство позволило исключить трудоемкий процесс — проточку заготовок керамической массы, которая производилась вручную.

Первыми отечественными изоляторами, из­готовляемыми методом прогнжки при помощи вакуум-пресса, были модернизированные про­ходные изоляторы на напряжения 3, 6 и 10 кВ. При этом токоведущий стержень круглого сече­ния с резьбой на двух концах был заменен пло­ской шиной, закрепление на цементе двух чугун­ных колпачков было исключено, что сократило цикл армирования изоляторов. Проходные изо­ляторы описанной конструкции широко приме­няются в промышленности начиная с 1940 г.

Для разработки новых электрокерамических материалов и новой технологии и проектирова­ния новых заводов в 1938—1939 гг. в Москве был организован Государственный исследо­вательский электрокерамический институт (ГИЭКИ).

Этот институт во время войны в 1941 г. был эвакуирован на Урал, где его немногочисленные сотрудники провели ряд важных работ по иссле­дованию и применению уральского сырья в изо­ляторном производстве, что помогло развернуть работу по производству изоляторов на организо­ванном заводе «Урализолятор» (г. Камышлов).

В 1939—1941 гг. ВЭИ совместно с заводом «Изолятор» разрабатывает маслонаполненный ввод на напряжение 400 кВ для трансформатор Куйбышевской ГЭС. Эта работа была прервана начавшейся войной.

Дальнейшие интенсификация и совершенствование изоляторного производства развивается по линии механизации и автоматизации процессов, внедрения высокопроизводительных станков-автоматов и перевода серийного производства на поточный метод.

Таким образом, фарфор имеет чрезвычайно широкое применение в электротехнике. Одна он имеет и недостаток — большие диэлектрические потери, сильно возрастающие при повы­шении температуры, что затрудняет применение фарфора при высоких частотах и температурах.

Развитие радиоэлектронной промышленно­сти вызвало необходимость в новых керамиче­ских материалах, обладающих повышенными свойствами. Развитие этих материалов сначала шло по линии усовершенствования фарфора, а затем по линии получения керамических мате­риалов другого состава.

В 1937—1938 гг. Н.П. Богородицкий провел исследования электрокерамических материалов, способных работать в электрических полях вы­сокой частоты, которые имели большое значе­ние для производства радиофарфора и ультра­фарфора. Из этих материалов на заводе «Проле­тарий» начали изготовляться многие конструк­ции высокочастотных установочных изделий и радиоизоляторов.

Следует отметить разработку технологии по­лучения отечественного стеатита в 1944— 1945 гг. в ГИЭКИ и освоение производства стеа­титовых изоляторов, отличающихся от фарфоро­вых лучшими механическими и диэлектрически­ми параметрами. Благодаря малым диэлектриче­ским потерям этот материал нашел широкое применение в высокочастотных установках.

Широкое использование в специальной и бы-ювой технике высокочастотных устройств при­водит к разработке и освоению выпуска высоко­вольтных конденсаторов для высокочастотных операторов. В 1945—1946 гг. впервые в СССР рачрабатывается и начинается промышленный выпуск малогабаритных керамических конден­саторов типа ТБК и КВИ, которые позволили за­менить слюдяные конденсаторы и значительно снизить стоимостные показатели СВЧ-генерато-ров, Применение керамических конденсаторов типов ТГК-1К, ТГК-1А, ТГК-2,5 и ПТК-2,5, раз­работанных в 1952 г., также позволило снизить стоимость генераторов примерно в 2 раза и уменьшить их габариты.

В этот же период расширялись и реконструи­ровались действующие изоляторные заводы, строились новые предприятия. Изоляторный за­вод в г. Камышлове, Южно-Уральский арматурно-изоляторный завод, заводы «Электроконден­сатор», «Комиэлектростеатит», Славянский изо­ляторный завод. В 60-х годах была пущена пер­вая очередь Пермского завода высоковольтных изоляторов, построены завод в г. Великие Луки и завод «Электрофарфор» в г. Бендеры. Мощность отдельных заводов достигала 10—15 тыс. т электрофарфора в год. Заводы, как правило, специализировались на выпуске отдельных видов изо­ляторов. Производство линейных высоковольт­ных (подвесных и штыревых) изоляторов было сосредоточено на заводах им. Артема и Южно-Уральском. высоковольтных керамических кон­денсаторов — на заводе «Электрокондепсатор». Завод «Пролетарий» выпускал в основном аппа­ратные изоляторы и вилитовые разрядники.

Промышленностью в 50—60-е годы был ос­воен выпуск изоляторов различного назначения из фарфора, стеатита, кордиерита, титановых и других материалов. В производстве стали ис­пользовать глиноземистый и тонкодисперсный высококварцевый фарфор. Механическая проч­ность изоляторов из этих материалов соответст­вовала мировым стандартам. В короткое время в промышленности освоены более совершенные конструкции проходных, подвесных и опорных изоляторов. Заводы отрасли перешли на произ­водство подвесных изоляторов для подвески тя­желых проводов на линиях электропередачи на­пряжением 500 кВ, линейных подвесных высо­ковольтных изоляторов из стекла. В 1964 г. изго­товлены вводы постоянного тока па напряжения 200 и 400 кВ для линии электропередачи Волго­град—Донбасс.

В 60—70-х годах разработаны вводы с твер­дой изоляцией па напряжения 110 и 220 кВ, что позволило уменьшить их габариты и массу; кон­струкции вводов с твердой изоляцией для транс­форматоров на напряжения 330, 500 и 750 кВ.

Керамические конденсаторы для наружной и внутренней установки с номинальными емкостя­ми от 300 до 4500 пФ на напряжения до 350 кВ;

малогабаритные керамические конденсаторы КСК-3-5 емкостью 6000 пФ на напряжение 3 кВ. По своим характеристикам эти конденсаторы превзошли лучшие зарубежные образцы.

Ленинградский филиал ГИЭКИ разработал новую серию магнитно-вентильных разрядников на напряжения 3—10 и 110—500 кВ с высокими эксплуатационными характеристиками. Здесь же разработана новая серия высокопрочных опорных изоляторов с механической прочно­стью до 2-10⁴ Нкг, позволяющая в 2—3 раза снизить массу разъединителей на напряжения 220, 330, 500 и 750 кВ.

В настоящее время продолжают совершенст­воваться конструкции фарфоровых изоляторов, и повышается их рабочее напряжение. Так, напри­мер, заводом «Изолятор» в последнее время раз­работаны вводы на очень высокие напряжения (500, 750 кВ и выше).

Дата добавления: 2014-12-25