一种汽轮发电机用碳刷及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种汽轮发电机用碳刷及其制备方法，属于汽轮机组发电机用电刷材料设计及其制备技术领域。


背景技术：

2.碳刷也叫电刷，作为一种滑动接触件，在汽轮发电机可控硅静止励磁系统中得到广泛的应用。在汽轮发电机组中，它担负着对发电机转子励磁绕组中提供直流励磁电流的任务。碳刷作为电机传导电流的滑动接触体被安装在支架上，组成一套固定的碳刷装置，即组成了整个励磁系统的一个重要导电枢纽。碳刷一旦出现故障，对汽轮发电机组便会造成冲击甚至解列停机，因此，碳刷的可靠性对可控硅静止励磁汽轮发电机组的安全运行起着至关重要的作用。现有碳刷使用过程中易出现碳刷冒火、滑环打火、耐磨性差、使用寿命短的技术问题，为了提高其运行可靠性，因此，亟需开发一种综合性能优异的汽轮发电机用碳刷。


技术实现要素：

3.本发明为了解决现有汽轮发电机碳刷频繁出现碳刷冒火、滑环打火、耐磨性差、使用寿命短的的技术问题，提供一种汽轮发电机用碳刷及其制备方法。
4.本发明的技术方案：
5.本发明的目的之一是提供一种汽轮发电机用碳刷，该碳刷由以下质量份原料组成：大鳞片石墨粉30～40份、针状石墨粉55～65份、纳米铜粉2～8份、沥青20～32份、煤焦油30～44份、二硫化钼1～5份。
6.进一步限定，大鳞片石墨粉36份、针状石墨粉55份、纳米铜粉6份、二硫化钼3份和沥青23份、煤焦油37份。
7.进一步限定，针状石墨粉的平均粒径为20～50μm。
8.更进一步限定，针状石墨粉为由斯里兰卡石墨矿床所出产的石墨形状呈针状的石墨粉。
9.进一步限定，大鳞片石墨粉的粒度为150～210μm。
10.进一步限定，纳米铜粉的粒度d50为10～30nm。
11.进一步限定，沥青为中温沥青。
12.更进一步限定，沥青的软化点为75～90℃，残碳量32～42％，游离碳15～25％。
13.进一步限定，二硫化钼的平均粒径为18目。
14.进一步限定，煤焦油游离碳≤6.0％。
15.本发明的目的之二是提供一种上述汽轮发电机用碳刷的制备方法，该方法包括以下步骤：
16.s1，混料：将针状石墨粉、沥青、煤焦油、大鳞片石墨粉、纳米铜粉和二硫化钼在160～170℃下混合2～4h，得到料粉；
17.s2，轧辊：将料粉在160～170℃轧辊机上进行轧辊处理，获得厚度为1～1.5mm的料片；
18.s3，压制：将经过轧辊处理后的料片放入油压机中，在130～170℃下压制成体积密度为1.28g/cm3～1.29g/cm3的块状毛坯；
19.s4，焙烧处理：将毛坯置于连续式焙烧炉中，采用阶段升温焙烧方式进行焙烧处理，获得汽轮发电机用碳刷。
20.进一步限定，s1混料温度为160℃，混料时间为3h。
21.进一步限定，s1具体操作过程为：将针状石墨粉、煤焦油、大鳞片石墨粉、纳米铜粉和二硫化钼混合，然后加热至100℃加入沥青，继续升温至160℃，并在该温度下混合处理3h。
22.进一步限定，s2中轧辊处理温度为170℃。
23.进一步限定，s3中压制处理压力为2t/cm3。
24.进一步限定，s4中焙烧处理过程为：先将连续式焙烧炉升温至200℃，然后以20℃/h速率升温至600℃，再然后以15℃/h速率升温至1100℃，最后保温30h。
25.与现有技术相比本技术具有以下有益效果：
26.(1)本发明采用针状石墨粉作为主要原材料，利用且具有的质量轻、导电、导热、润滑性能妤、机械加工性能优良等特点，可以使制备得到的汽轮发电机碳刷具有优良的润滑性能，摩擦系数较低，换向性能好，碳刷内部孔隙大，防止在使用过程中产生气垫。此外，本发明中采用平均粒径为20～50微米的针状石墨粉可以使得获得较好的效果，粒径过小会使润滑性能降低，同时使混均难度大大增加，而粒径过大针状结构差，影响碳刷的换向性能。
27.(2)本发明中采用大鳞片石墨粉作为基础材料与骨架结构，主要起到提高碳刷的润滑性及降低碳刷的电阻率的作用。且本发明选用粒度为150-210微米的粗鳞片石墨粉，碳含量≥99％，灰份≤1％的石墨粉，可以使得碳刷电阻率更低、润滑性能更好，同时各种组分之间粒度搭配更合理，碳刷内部结构更优，制备的汽轮发电机碳刷摩擦系数降低、润滑性能提高。并通过针状石墨粉和大鳞片石墨粉形成骨架结构，获得了降低碳刷电阻率、提高碳刷的换向性能。此外，本发明通过采用游离碳≤6.0％的煤焦油使得制备的汽轮发电机碳刷在焙烧的时候产生过多的气孔，使碳刷吸震能力、换向能力大大提高，碳刷不容易产生打火，运行更为可靠，可以较好地满足汽轮发电机稳定运行的要求。
28.(3)本发明中纳米铜粉的主要作用是降低碳刷的电阻率，解决其他基材电阻率高的问题，提高电刷导电性能以及稳定性。
29.(4)本发明通过控制油压机压力可以使得制备的汽轮发电机碳刷气孔率更适宜，电阻率低，吸震性能更好的效果，且制备工艺简单，适用于大规模生产。
具体实施方式
30.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
31.下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通
过商业渠道获得。
32.实施例1：
33.本实施例制备的一种汽轮发电机用碳刷按质量分数由大鳞片石墨粉36份、针状石墨粉55份、纳米铜粉6份、二硫化钼3份、沥青23份和煤焦油37份制备而成。
34.其中，针状石墨粉为由斯里兰卡石墨矿床所出产的石墨形状呈针状的石墨粉，平均粒径为20～50微米；大鳞片石墨粉的粒度为150～210微米的粗鳞片石墨粉；纳米铜粉的粒度d50为10～30nm；沥青为中温沥青软化点为75～90℃，残碳量32～42％，游离碳15～25％；二硫化钼是造粒处理得到的二硫化钼，平均粒径为18目；煤焦油游离碳≤6.0％。
35.制备实施例1所述的汽轮发电机用碳刷的方法按以下步骤进行：
36.步骤1、混合：将针状石墨粉、沥青、煤焦油、大鳞片石墨粉、二硫化钼、纳米铜粉于160℃下混合3h，得到料粉；
37.步骤2、轧辊：将料粉在170℃轧辊机上进行轧辊处理，获得厚度为1～1.5mm的料片；
38.步骤3、压制：将步骤2得到的料粉放入油压机中，在170℃、2t/cm3压力下压制成体积密度为1.28g/cm3～1.29g/cm3的块状毛坯。
39.步骤4、焙烧处理：将步骤3得到的块状毛坯置于连续式焙烧炉中，先将连续式焙烧炉由室温升至至200℃，然后以20℃/h速率升温至600℃，再然后以15℃/h速率升温至1100℃，最后保温30h。
40.实施例2：
41.本实施例制备的一种汽轮发电机用碳刷按质量分数由大鳞片石墨粉40份、针状石墨粉50份、纳米铜粉8份、二硫化钼2份、沥青28份和煤焦油32份制备而成。
42.其中，针状石墨粉为由斯里兰卡石墨矿床所出产的石墨形状呈针状的石墨粉，平均粒径为20～50微米；大鳞片石墨粉的粒度为150～210微米的粗鳞片石墨粉；纳米铜粉的粒度d50为10～30nm；沥青为中温沥青软化点为75～90℃，残碳量32～42％，游离碳15～25％；二硫化钼是造粒处理得到的二硫化钼，平均粒径为18目；煤焦油游离碳≤6.0％。
43.制备实施例2所述的汽轮发电机用碳刷的方法按以下步骤进行：
44.步骤1、混合：将针状石墨粉、沥青、煤焦油、大鳞片石墨粉、二硫化钼、纳米铜粉于160℃下混合4h，得到料粉；
45.步骤2、轧辊：将料粉在160℃轧辊机上进行轧辊处理，获得厚度为1～1.5mm的料片；
46.步骤3、压制：将步骤2得到的料粉放入油压机中，在170℃、2t/cm3压力下压制成体积密度为1.28g/cm3～1.29g/cm3的块状毛坯。
47.步骤4、焙烧处理：将步骤3得到的块状毛坯置于连续式焙烧炉中，先将连续式焙烧炉由室温升至至200℃，然后以20℃/h速率升温至600℃，再然后以15℃/h速率升温至1100℃，最后保温30h。
48.实施例3：
49.本实施例制备的一种汽轮发电机用碳刷按质量分数由大鳞片石墨粉39份、针状石墨粉51份、纳米铜粉5份、二硫化钼5份、沥青25份和煤焦油30份制备而成。
50.其中，针状石墨粉为由斯里兰卡石墨矿床所出产的石墨形状呈针状的石墨粉，平
均粒径为20～50微米；大鳞片石墨粉的粒度为150～210微米的粗鳞片石墨粉；纳米铜粉的粒度d50为10～30nm；沥青为中温沥青软化点为75～90℃，残碳量32～42％，游离碳15～25％；二硫化钼是造粒处理得到的二硫化钼，平均粒径为18目；煤焦油游离碳≤6.0％。
51.制备实施例3所述的汽轮发电机用碳刷的方法按以下步骤进行：
52.步骤1、混合：将针状石墨粉、沥青、煤焦油、大鳞片石墨粉、二硫化钼、纳米铜粉于160℃下混合2h，得到料粉；
53.步骤2、轧辊：将料粉在160℃轧辊机上进行轧辊处理，获得厚度为1～1.5mm的料片；
54.步骤3、压制：将步骤2得到的料粉放入油压机中，在170℃、2t/cm3压力下压制成体积密度为1.28g/cm3～1.29g/cm3的块状毛坯。
55.步骤4、焙烧处理：将步骤3得到的块状毛坯置于连续式焙烧炉中，先将连续式焙烧炉由室温升至至200℃，然后以20℃/h速率升温至600℃，再然后以15℃/h速率升温至1100℃，最后保温30h。
56.实施例4：
57.本实施例制备的一种汽轮发电机用碳刷按质量分数由大鳞片石墨粉39份、针状石墨粉51份、纳米铜粉5份、二硫化钼5份和沥青25份、煤焦油30份制备而成。
58.其中，针状石墨粉为由斯里兰卡石墨矿床所出产的石墨形状呈针状的石墨粉，平均粒径为20～50微米；大鳞片石墨粉的粒度为100～150微米的粗鳞片石墨粉；纳米铜粉的粒度d50为10～30nm；沥青为中温沥青软化点为75～90℃，残碳量32～42％，游离碳15～25％；二硫化钼是造粒处理得到的二硫化钼，平均粒径为18目；煤焦油游离碳≤6.0％。
59.制备实施例4所述的汽轮发电机用碳刷的方法按以下步骤进行：
60.步骤1、混合：将针状石墨粉、沥青、煤焦油、大鳞片石墨粉、二硫化钼、纳米铜粉于160℃下混合2h，得到料粉；
61.步骤2、轧辊：将料粉在160℃轧辊机上进行轧辊处理，获得厚度为1～1.5mm的料片；
62.步骤3、压制：将步骤2得到的料粉放入油压机中，在170℃、2t/cm3压力下压制成体积密度为1.28g/cm3～1.29g/cm3的块状毛坯。
63.步骤4、焙烧处理：将步骤3得到的块状毛坯置于连续式焙烧炉中，先将连续式焙烧炉由室温升至至200℃，然后以20℃/h速率升温至600℃，再然后以15℃/h速率升温至1100℃，最后保温30h。
64.实施例5：
65.本实施例制备的一种汽轮发电机用碳刷按质量分数由大鳞片石墨粉39份、针状石墨粉51份、纳米铜粉5份、二硫化钼5份和沥青25份、煤焦油30份制备而成。
66.其中，针状石墨粉为由斯里兰卡石墨矿床所出产的石墨形状呈针状的石墨粉，平均粒径为20～50微米；大鳞片石墨粉的粒度为80～100微米的粗鳞片石墨粉；纳米铜粉的粒度d50为10～30nm；沥青为中温沥青软化点为75～90℃，残碳量32～42％，游离碳15～25％；二硫化钼是造粒处理得到的二硫化钼，平均粒径为18目；煤焦油游离碳≤6.0％。
67.制备实施例5所述的汽轮发电机用碳刷的方法按以下步骤进行：
68.步骤1、混合：将针状石墨粉、沥青、煤焦油、大鳞片石墨粉、二硫化钼、纳米铜粉于
160℃下混合2h，得到料粉；
69.步骤2、轧辊：将料粉在160℃轧辊机上进行轧辊处理，获得厚度为1～1.5mm的料片；
70.步骤3、压制：将步骤2得到的料粉放入油压机中，在170℃、2t/cm3压力下压制成体积密度为1.28g/cm3～1.29g/cm3的块状毛坯。
71.步骤4、焙烧处理：将步骤3得到的块状毛坯置于连续式焙烧炉中，先将连续式焙烧炉由室温升至至200℃，然后以20℃/h速率升温至600℃，再然后以15℃/h速率升温至1100℃，最后保温30h。
72.实施例6：
73.本实施例制备的一种汽轮发电机用碳刷按质量分数由大鳞片石墨粉39份、针状石墨粉51份、纳米铜粉5份、二硫化钼5份和沥青25份、煤焦油30份制备而成。
74.其中，针状石墨粉为由斯里兰卡石墨矿床所出产的石墨形状呈针状的石墨粉，平均粒径为20～50微米；大鳞片石墨粉的粒度为150～210微米的粗鳞片石墨粉；纳米铜粉的粒度d50为10～30nm；沥青为中温沥青软化点为75～90℃，残碳量32～42％，游离碳15～25％；二硫化钼是造粒处理得到的二硫化钼，平均粒径为18目；煤焦油游离碳≤6.0％。
75.制备实施例6所述的汽轮发电机用碳刷的方法按以下步骤进行：
76.步骤1、混合：将针状石墨粉、沥青、煤焦油、大鳞片石墨粉、二硫化钼、纳米铜粉于160℃下混合2h，得到料粉；
77.步骤2、轧辊：将料粉在160℃轧辊机上进行轧辊处理，获得厚度为1～1.5mm的料片；
78.步骤3、压制：将步骤2得到的料粉放入油压机中，在130℃、2t/cm3压力下压制成体积密度为1.28g/cm3～1.29g/cm3的块状毛坯。
79.步骤4、焙烧处理：将步骤3得到的块状毛坯置于连续式焙烧炉中，先将连续式焙烧炉由室温升至至200℃，然后以20℃/h速率升温至600℃，再然后以15℃/h速率升温至1100℃，最后保温30h。
80.对比例1：
81.本对比例与实施例3区别为：碳刷按质量分数由针状石墨粉51份、纳米铜粉5份、二硫化钼5份和沥青25份、煤焦油30份制备而成。其余参数设置以及实验步骤与实施例3相同。
82.对比例2：
83.本对比例与实施例3区别为：采用粒度为30～50微米的铜粉替换粒度d50为10～30nm的纳米铜粉。其余参数设置以及实验步骤与实施例3相同。
84.效果例：
85.(1)将现有商品碳刷与实施例3获得的碳刷性能进行比较，结果如下表1所示：
86.表1
[0087] 电阻率/μωm抗折强度/mpa体积密度g/cm3现有商品185.31.28实施例3136.01.26
[0088]
由上表可知，现有商品碳刷电阻率18μωm，本发明碳刷电阻率13μωm，对比可知，实施例1制备的碳刷相比于现有商品碳刷电阻率降低了27％，导电性能更好，使用过程中更
加稳定可靠。
[0089]
(2)对实施例3和对比例1获得的碳刷进行短路换向试验，结果表明实施例3制备的碳刷摩擦系数为0.19，而对比例3不添大鳞片石墨粉制备的碳刷摩擦系数为0.25，由此可见，添加大鳞片石墨粉可以显著提高碳刷的润滑性。
[0090]
(3)对实施例3和对比例2获得的碳刷性能进行比较，结果如下表2所示：
[0091]
表2
[0092] 电阻率/μωm体积密度g/cm3火花等级实施例3131.2611/2级对比例2181.302级
[0093]
由上表可知，使用纳米铜粉(粒度10-30nm)代替普通铜粉(粒度30-50微米)，可以在不增加铜含量的前提下，提高汽轮发电机碳刷的导电性，同时还能够达到耐磨性能好、摩擦系数低、换向性能好，火花等级低等效果。
[0094]
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。