商靈芝

（唐山陶瓷股份有限公司 河北 唐山 063020）

利用工業(yè)廢料生產(chǎn)高白日用細瓷＊

商靈芝

（唐山陶瓷股份有限公司 河北 唐山 063020）

筆者以工業(yè)廢料為主要原料，通過一系列試驗研究，研制生產(chǎn)出高白日用細瓷。不僅利用了大量工業(yè)廢棄物，降低了生產(chǎn)制造成本，而且產(chǎn)品質量有了很大地提高，尤其是產(chǎn)品的白度、硬度等物理、化學性能有了顯著提高，為陶瓷行業(yè)開發(fā)利用工業(yè)廢料開辟了一條新的道路。

工業(yè)廢料 坯釉料配方 高白日用細瓷

前言

我國傳統(tǒng)日用陶瓷行業(yè)是“三高一低”的產(chǎn)業(yè)，即高投入、高能耗、高污染、低產(chǎn)出的行業(yè)。目前，陶瓷企業(yè)面臨許多困難，一是市場競爭日趨激烈，產(chǎn)品售價不升反降；二是隨著陶瓷工業(yè)的發(fā)展，性能優(yōu)良的原料日趨枯竭；三是陶瓷生產(chǎn)使用的原料、水、電、燃氣的價格不斷上漲，陶瓷企業(yè)的生產(chǎn)成本不斷飆升，企業(yè)難以為繼。開發(fā)新原料，利用劣質原料和工業(yè)廢渣、廢料代替日益枯竭的優(yōu)質原料，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的質量檔次已成為企業(yè)技術人員研究的新課題，這也符合國家產(chǎn)業(yè)政策。我們經(jīng)過近兩年的實驗研究，成功地利用工業(yè)廢料——唐山堿石、山西渾源煤礦廢渣研制生產(chǎn)出高白日用細瓷，顯著提高了產(chǎn)品質量，并承接出口定貨。下面把研制生產(chǎn)過程向同行做一介紹。

1 研究內容

1.1 工業(yè)廢料及原料的選擇

工業(yè)廢料的選擇，主要是對其化學組成、礦物組成、燒結性能、工藝性能、燒結白度、儲量以及來源是否穩(wěn)定，對制品性能的影響，價格等指標進行綜合分析、評價，根據(jù)分析結果最后再確定所用廢料。

唐山堿石、山西渾源煤礦廢渣是采煤行業(yè)的副產(chǎn)物，儲量豐富，容易開采，價格低廉。外觀呈黑色、灰色或淺灰色，致密塊狀，經(jīng)1 300℃燒后呈白色或灰白色，屬硬質粘土。唐山堿石、渾源煤礦廢渣的化學成分見表1。

由表1中可知，其與生大同土鋁含量、燒失量相近。可代替部分生大同土，以滿足配方中氧化鋁的含量。因堿石和廢渣較大同土的可塑性差，在設計配方時應適當增加強可塑性原料，以滿足成形性能要求。本實驗所用坯、釉原料的化學成分見表1、表2。

表1 坯用原料化學成分（質量%）

表2 釉用原料化學成分（質量%）

1.2 坯料配方的確定

1.2.1 坯料配方設計原則

1）以產(chǎn)品的物理化學性能、使用性能要求以及利用多堿形成最低共熔點降低燒成溫度，作為坯體組成的主要依據(jù)。

2）在擬定坯料配方時，借鑒本公司同類產(chǎn)品以及國內外各相關企業(yè)積累的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，以節(jié)約時間，有利于提高效率。

3）了解各種原料對產(chǎn)品性能的影響是配料的基礎。選擇坯用原料時，應綜合考慮其對生產(chǎn)工藝的影響以及與產(chǎn)品物化性能的對應關系。

4）配方應滿足生產(chǎn)工藝要求。即坯體應適應成形、干燥與燒成的要求。

5）采用的原料應來源豐富、質量穩(wěn)定、運輸方便、價格低廉，盡量就地取材、物盡其用。

在實驗中，通過計算機輔助設計計算，預測配方的基本性能。然后根據(jù)試驗結果，推測基本的燒成溫度和燒成制度。通過進行對比實驗，根據(jù)坯體的燒結性能、工藝性能、外觀性能和其他指標再做適當?shù)恼{整，確定坯體性能的最佳配方。

1.2.2 坯料配方的確定

根據(jù)理論計算、初選原料、參考有關資料并結合實際經(jīng)驗，初步設計了幾組配方（1＃、2＃、3＃、4＃、5＃）。應用計算機輔助設計軟件，對這些配方和性能進行了計算和預測。這些坯體配方的化學組成、各組坯體配方計算值系數(shù)、坯料配方性能預測分別如表3、表4、表5所示。

表3 坯體配方化學組成（質量%）

表4 坯體配方各系數(shù)計算值

表5 各組坯體配方性能預測

用上述配方制備泥料，在1 220℃燒成后各試樣的物理性能見表6。

通過以上燒成試樣性能的對比可知，2＃配方的燒結性能、白度和光澤度最佳，但與預期指標還有一定差距。

為進一步提高坯體的性能，在2＃配方的基礎上，采取以下措施對配方進行調整。

1）通過調整可塑性粘土的種類和數(shù)量，如加入一定量的高塑性粘土來改善坯料的成形性能，從而進一步提高配方中低質原料的加入量，改善坯體的質量。

表6 燒成后各試樣性能

2）引入一定量的化工原料作為微量添加劑，利用顏色互補原理和固熔產(chǎn)生缺陷的原理來消弱和中和鐵、鈦離子的著色作用，最大限度地提高產(chǎn)品的白度。

3）采用復合熔劑，利用多堿最低共熔點降低燒成溫度，同時嚴格控制好燒成溫度，增強熔劑效果。因本實驗所使用的渾源廢渣和唐山堿石等地方原料普遍都含有較高的鈣鎂等熔劑離子，所以會造成燒成溫度較低，這在節(jié)能方面是有利的。但是，鈣質熔劑量的偏高，可使制品在較窄溫度范圍內產(chǎn)生大量液相，且液相粘度隨溫度升高而急劇下降，造成產(chǎn)品變形。為此，采用復合熔劑，充分利用各種熔劑的性能和復合堿效應，尋找合理組分配比，在實現(xiàn)增強熔劑效果、減少制品內部氣孔、降低產(chǎn)品能耗的同時，消除產(chǎn)品變形缺陷。

依據(jù)2＃配方和以上的設計思路，進行大量梯度試驗，以確定最佳原料成分組成、添加劑引入量及復合熔劑的合理配比，最后確定12＃配方為最終優(yōu)化配方。12＃配方制備的注漿泥和滾壓泥的化學組成見表7。

表7 12＃配方化學組成（質量%）

12＃配方的坯式為：

注漿泥：

滾壓泥：

12＃坯體配方的各系數(shù)計算值、坯體配方性能預測分別見表8、表9。

表8 坯體配方的各系數(shù)計算值

表9 坯體配方性能預測

12＃配方的一些物理、化學性能指標如表10、表11、表12所示。

表10 12＃配方注漿泥性能檢測結果

表11 12＃配方滾壓泥性能檢測結果

表12 12＃配方熱膨脹系數(shù)（×10－6／℃）

1.3 釉料配方的確定

依據(jù)坯料配方的有關數(shù)據(jù)，參考本公司原有的釉料配方，確立了提高坯釉適應性和釉面光澤度，綜合考慮釉漿生產(chǎn)、使用工藝性能的配方設計原則。在傳統(tǒng)長石釉配方的基礎上，引入大量瓷粉及氧化鋅等添加劑，以提高釉料的始熔溫度，降低高溫粘度，克服釉泡缺陷；同時制品的釉面光澤度、平整度、釉面硬度等指標有了顯著提高；大量瓷粉的引入加強了坯體和釉面間離子的相互擴散，增強了坯釉結合性和中間層的形成，有效地提高了制品的熱震性能。

運用傳統(tǒng)配方計算方法并采用計算機輔助設計，釉料配方設計擬定了10個配方的試驗，確定了高白日用陶瓷釉料配方的大致組成范圍為（質量%）：SiO260～67，Al2O311～15，K2O＋Na2O 5.5～6.0，MgO 2.0～6.0。

通過對試驗結果的比較，從擬定的10個釉料配方中優(yōu)選確定了7＃配方，其化學組成、配方各系數(shù)計算值、釉料配方性能預測和熱膨脹系數(shù)指標分別如表13、表14、表15、表16所示。

表13 7＃釉料配方化學組成（質量%）

表14 7＃釉料配方各系數(shù)計算值

表15 7＃釉料配方性能預測

表16 7＃釉料配方熱膨脹系數(shù)（×10－6／℃）

7＃釉料配方的釉式為：

此釉料施于12＃泥坯體上，在設定溫度下燒制，此釉料的性能及燒后釉面質量見表17。

表17 釉料性能和試樣燒后釉面質量

2 生產(chǎn)工藝過程控制

2.1 原料精選

原料進廠后，必須試燒樣品，經(jīng)過全面的理化檢測分析，質量合格后，再經(jīng)人工揀選方可投入使用。

2.2 泥料制備

將原料進行水分測定，按配比準確稱量，后裝入球磨機。其中料∶球＝1∶2.5，泥釉漿分別過40目、100目、200目篩，采用濕式磁選機除鐵3次。泥釉料控制參數(shù)見表18。

表18 泥釉料制備控制參數(shù)

2.3 成形

成形方法采用滾壓成形和注漿成形兩種。

2.3.1 滾壓成形

泥料含水率控制在21%～23%，成形機主軸與滾頭轉速比為1∶（0.73～0.78），滾頭中心夾角為140～150°，干燥溫度為55～70℃。

2.3.2 注漿成形

采用水玻璃－純堿混合電解質對泥漿進行稀釋，以改善泥漿的流動性。兩種電解質的加入量為：水玻璃0.3%，純堿0.5%。裝磨時先加入純堿，待純堿充分發(fā)揮作用后再加入水玻璃，以使這兩種物質最有效地發(fā)揮稀釋作用。注漿成形使用容重控制在1.70～1.85g／cm3。

2.3.3 施釉

采用半自動輪釉和浸釉兩種施釉方法。施釉容重：輪釉法為1.80g／cm3以上，浸釉法為1.40～1.45g／cm3；釉層厚度：大件產(chǎn)品為0.25～0.5mm，小件產(chǎn)品為0.15～0.20mm。

2.4 燒成

2.4.1 燒成溫度確定

為確定實驗制品的燒成制度，對12＃坯料配方試樣進行了差熱分析。分析結果顯示，在80℃和180℃左右，試樣失去自由水，形成了吸熱谷，繼續(xù)升溫至550℃左右，試樣失去結構水，晶格被破壞，變成非晶態(tài)，形成較大的吸熱谷；在1 010℃左右出現(xiàn)強的放熱峰，試樣中形成了鋁硅尖晶石；溫度繼續(xù)升高沒有再出現(xiàn)吸熱或放熱反應，失重曲線、漲縮曲線趨于穩(wěn)定。所以將燒成溫度確定在1 220℃，并進行適當?shù)谋亍?/p>

2.4.2 燒成工藝控制

采用明焰裸燒，燒成溫度設定為1 220℃，燒成氣氛為氧化氣氛。輥道窯燒成周期為6～8h，隧道窯燒成周期為11h。

2.5 彩燒

貼花產(chǎn)品彩燒溫度為750～780℃，燒成周期為3～4h。

2.6 產(chǎn)品性能指標

產(chǎn)品性能指標見表19。

表19 產(chǎn)品性能指標

3 結論

1）本實驗大比例使用了唐山堿石、山西渾源煤礦廢渣的工業(yè)廢料（加入量達32%），大幅度降低了優(yōu)質自然資源的消耗，不僅減輕了廢棄物占地污染環(huán)境問題，而且大幅度降低了企業(yè)生產(chǎn)成本。符合國家節(jié)能減排、清潔生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)政策。

2）使用工業(yè)廢料所制的產(chǎn)品，與原有產(chǎn)品相比，不僅沒有降低質量，反而是提高了質量。產(chǎn)品各項指標符合國標GB／T3532－2009《日用瓷器》的要求。尤其是產(chǎn)品的釉面硬度、白度、光澤度顯著提高；制品的瓷質細膩、釉面光潤，各項指標均達到了預期目標。

3）本實驗的研制，為陶瓷行業(yè)利用工業(yè)廢料和劣質原料生產(chǎn)高白日用細瓷開辟一條道路，具有廣泛推廣應用價值。

TQ174.9

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1002－2872（2011）03－0018－04

商靈芝（1965—），工程師；研究方向為日用陶瓷技術開發(fā)。Email—slz666666＠126.com