燒成制度對干法造粒制備輕質(zhì)陶瓷磚性能的影響*

張博燁1黃劍鋒1陶曉文2李康1汪慶剛1李轉(zhuǎn)2費(fèi)杰1閆開放2劉純2

(1 陜西科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院西安710021)(2 咸陽陶瓷研究設(shè)計院陜西 咸陽712000)

摘要以拋光廢渣、高鋁泥、恒峰砂、力鴻砂、黑滑石為原料，采用干法造粒工藝，在1100℃～1200℃，保溫時間為10～30min條件下，制備輕質(zhì)陶瓷磚，并研究了燒成制度對輕質(zhì)陶瓷磚性能的影響。結(jié)果表明：隨著燒成溫度的升高，輕質(zhì)陶瓷磚線膨脹率逐漸升高；吸水率呈先升高再降低而后升高的趨勢，在1170℃時達(dá)到最低值；抗折強(qiáng)度和容重隨著燒成溫度的升高逐漸降低。隨著保溫時間的延長，試樣容重和抗折強(qiáng)度逐漸降低，但變化不明顯。燒成溫度為1160℃，保溫時間為15min時，制備的輕質(zhì)陶瓷磚抗折強(qiáng)度為6.3MPa，吸水率為2.3%，閉氣孔率為71.2%，容重為0.64g/cm3。

關(guān)鍵詞干燒成制度干法造粒拋光廢渣輕質(zhì)陶瓷磚

基金項(xiàng)目：*國家科技支撐計劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：2013BAF09B02)；陜西省科技廳重點(diǎn)科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：2013KCT-06)。

作者簡介：張博燁(1991-)，碩士，實(shí)驗(yàn)員；主要從事綠色陶瓷制造的研究。

作者簡介：通訊黃劍鋒(1970-)，教授，博導(dǎo)；主要從事綠色陶瓷制造的研究。

中圖分類號:TB321

Effect of Firing Schedule on Preparation of Lightweight Foamed Ceramic Tile by Dry Granulation Process

Zhang Boye1, Huang Jianfeng1, Tao Xiaowen2, Li Kang1, Wang Qinggang1, Li Zhuan2, Fei Jie1, Yan Kaifang2, Liu Chun2(1 Shaanxi University of Science&Technology,School of Materials Science and Engineering,Xi'an,710021)(2 Xianyang Research & Design Institute of Ceramic,Shaanxi,Xianyang,712000)

Abstact:Lightweight ceramic tile was sintered at 1100～1200℃ with 10～30min holding time after granulation process using polishing tile waste, high alumina clay, Hengfeng quartz, Lihong quartz and black talc. Influence of properties of lightweight ceramic tile with different firing schedule was discussed. The results showed: linear expansion ratio of was increased with the increasing sintering temperature, water absorption was increased firstly and then increased again after decreased, reached its minimum value at 1170℃. Bending strength and bulk density were decreased with the increase of sintering temperature. Bulk density and bending strength were decreased not obviously with the prolong of holding time. The lightweight ceramic tile was prepared at 1160℃, 15min, which properties were as follows: bending strength 6.3MPa, water absorption 2.3%, closed porosity 71.2%, bulk density 0.64g/cm3.

Key words:Firing schedule; Dry granulation; Polishing tile waste; Lightweight ceramic tile

前言

近年來，我國陶瓷行業(yè)飛速發(fā)展，但同時對環(huán)境也造成了嚴(yán)重污染。據(jù)《2014年全國瓷磚產(chǎn)能報告》統(tǒng)計，2014年全國陶瓷磚年產(chǎn)能達(dá)139.6億m2，其中拋光磚產(chǎn)能占27.9%，是最主要的陶瓷磚產(chǎn)品。陶瓷企業(yè)平均每生產(chǎn)1m2的拋光磚，將產(chǎn)生1.5kg的磚屑和0.6kg拋光磨具損耗的碎屑，共計產(chǎn)生2.1kg的拋光廢渣。按照漿狀廢料含水率為35%計，2014年產(chǎn)生的陶瓷拋光廢渣超過2300萬t。由于陶瓷拋光廢渣通常含有1.0%～4.0%的SiC(來源于拋光磨料)以及2.0%～6.0%的MgO、MgCl2(來源于氯氧鎂水泥粘接劑)等雜質(zhì)，這些陶瓷拋光廢料在燒成中會引起陶瓷坯體發(fā)泡，難以循環(huán)利用，是陶瓷產(chǎn)業(yè)綠色生產(chǎn)的障礙之一[2～4]。陶瓷企業(yè)傳統(tǒng)造粒工藝采用的是噴霧干燥制粉工藝，必須把陶瓷泥漿中35%～45%的水分干燥至6%～8%，其過程能耗高、污染大，阻礙了陶瓷企業(yè)的綠色生產(chǎn)。干法造粒只需將含水量為10%～12%的陶瓷粉料干燥成含水量6%～8%的陶瓷粉料，相對于傳統(tǒng)噴霧造粒濕法工藝具有節(jié)約水資源、能耗低、污染小的優(yōu)點(diǎn)，雖然從工藝及裝備方面還需進(jìn)一步完善，但從節(jié)約能源和降低投資費(fèi)用等方面看，將是陶瓷行業(yè)未來的發(fā)展方向[5～6]。

目前對于拋光廢渣回收利用主要集中在作為添加料或摻雜料進(jìn)行部分回收利用，主要有以下材料：

1) 生產(chǎn)固體廢棄物混凝土材料；

2) 生產(chǎn)建筑吸聲板；

3) 生產(chǎn)陶粒；

4) 回收生產(chǎn)拋光磚；

5) 制備多孔過濾材料等[7～13]。

通過以上方法可以部分利用拋光廢渣，但無法將拋光廢渣作為主要原料大量消耗。利用拋光廢渣在高溫下發(fā)泡的性能，制備的輕質(zhì)陶瓷磚，具有隔熱、保溫、A級防火性能的特點(diǎn)，可以作為輕質(zhì)建筑板材或者建筑保溫材料使用，同時可大量消耗拋光廢渣。筆者以拋光廢渣作為主要原料，輔以其他陶瓷原料，經(jīng)干法造粒后在電爐中燒成，制備了輕質(zhì)陶瓷磚，并研究了不同燒成溫度對其性能的影響。

1實(shí)驗(yàn)

1.1輕質(zhì)陶瓷磚的制備

表1　制備輕質(zhì)陶瓷磚所用陶瓷原料的化學(xué)成分組成(質(zhì)量%)

圖1　實(shí)驗(yàn)工藝流程圖

實(shí)驗(yàn)以拋光廢渣為主要原料，輔以其他陶瓷原料，制備輕質(zhì)陶瓷磚。實(shí)驗(yàn)所用陶瓷原料化學(xué)成分組成如表1所示，其中廢渣1和廢渣2為陶瓷企業(yè)不同時期堆放的廢渣，實(shí)驗(yàn)時將兩者混合均勻后使用?？紤]拋光廢渣的發(fā)泡特性，以拋光廢渣為主要原料，加入高鋁泥作為塑性料提高燒成強(qiáng)度，加入恒峰砂、力鴻砂用于提高燒成穩(wěn)定性，加入黑滑石可提高試樣發(fā)泡性能。結(jié)合前期探究基礎(chǔ)，輕質(zhì)陶瓷磚按照配方(質(zhì)量%)計為：拋光廢渣50、高鋁泥20、恒峰砂18、力鴻砂10、黑滑石2。原料按照硬質(zhì)料和軟質(zhì)料分開磨細(xì)，按配方配料添加0.3%的造粒添加劑，采用自制干法造粒機(jī)進(jìn)行干法造粒[14～15]，然后陳腐12h，在11MPa壓力下壓制成形，壓制成坯體尺寸為54.30mm×11.00mm×6.80mm的試樣，使用電爐燒成溫度為1100～1200℃，保溫時間為10～30min。實(shí)驗(yàn)工藝流程圖如圖1所示。

1.2測試與表征

實(shí)驗(yàn)采用GKF-IV型硅酸鹽成分快速測定儀測定拋光廢渣及陶瓷原料的化學(xué)成分；采用臺灣的AM-412光學(xué)顯微鏡(安鵬科技股份有限公司生產(chǎn))，對燒成試樣的斷面氣孔形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3810.1-16-2006《陶瓷磚試驗(yàn)方法》中提供的方法，測定燒成試樣的線性收縮(膨脹)率、吸水率、顯氣孔率、容重及抗折強(qiáng)度。燒成試樣閉氣孔率采用質(zhì)量-體積法進(jìn)行測量[16]。

2結(jié)果與討論

圖2為燒成溫度對輕質(zhì)陶瓷磚試樣吸水率和線膨脹率的影響。從圖2可以看出，燒成試樣的線膨脹率隨著燒成溫度的升高逐漸增大，當(dāng)燒成溫度為1100～1170℃時，試樣的吸水率呈先升高后降低，再逐漸升高的趨勢，吸水率從1100℃時的2.26%升高至1140℃的9.24%并達(dá)到最大值，然后迅速降低，在1160～1170℃時吸水率降到2.1%左右，此階段呈拋物線規(guī)律變化。在1170℃后開始，試樣的吸水率和線膨脹率又繼續(xù)增加。

圖2　燒成溫度對試樣吸水率和線膨脹率的影響

上述變化是由于試樣在1100℃時，原料中的K2O、Na2O、CaO、MgO、Fe2O3等熔劑性氧化物與SiO2和Al2O3逐漸生成低共熔物液相[2,17～18]，但液相含量此時相對較少，由于SiC氧化反應(yīng)產(chǎn)生的氣體大部分可直接排出，表面開氣孔較多，且之后隨著溫度升高而升高，SiC繼續(xù)氧化產(chǎn)生氣體，由于液相粘度大無法鋪開在試樣表面，氣體逸出表面形成開氣孔，導(dǎo)致吸水率不斷升高。當(dāng)燒成溫度超過1140℃時，液相大量生成，并且熔融的液相平鋪在試樣表面，使比表面氣孔減少，更多的氣體被包覆在試樣內(nèi)部，試樣的線膨脹率也隨之快速增大。當(dāng)燒成溫度超過1170℃時，液相粘度降低，同時伴隨部分液相揮發(fā)，致使表層液相不足以維持內(nèi)部氣體壓力而破裂，導(dǎo)致吸水率逐漸升高。

圖3為燒成溫度對輕質(zhì)陶瓷磚試樣抗折強(qiáng)度和容重的影響變化。從圖3可知，試樣的容重和抗折強(qiáng)度均隨著燒成溫度的升高而降低且變化趨勢一致。試樣的抗折強(qiáng)度由1100℃時的44.96MPa逐漸降低至1200℃時的2.50MPa，變化非常顯著，容重也由1100℃時的1.85g/cm3降低至1200℃時的0.38g/cm3；當(dāng)燒成溫度為1100～1150℃時其抗折強(qiáng)度變化非常明顯，可能是由于此溫度段SiC氧化產(chǎn)生氣體，被產(chǎn)生的液相包裹從而產(chǎn)生發(fā)泡導(dǎo)致的；當(dāng)燒成溫度為1150～1200℃時，試樣強(qiáng)度和容重穩(wěn)定降低；當(dāng)燒成溫度為1160℃試樣的容重達(dá)到0.64g/cm3。

圖3　燒成溫度對試樣抗折強(qiáng)度和容重的影響

圖4為不同燒成溫度的試樣的斷面形貌照片。從圖4可知，試樣在1000℃時無肉眼可見氣孔；在1110℃時出現(xiàn)明顯小氣孔，但氣孔不規(guī)則，此時可能由于產(chǎn)生液相較少，產(chǎn)生的氣體可直接排出；相對于燒成溫度1100℃時，試樣在1130℃時的氣孔明顯增大；在1150～1160℃時氣孔孔徑約為1～3mm，試樣的斷面孔徑逐漸增大，且斷面出現(xiàn)明顯的玻璃光澤，如圖4(d)、圖4(e)所示。在此溫度段有大量的液相產(chǎn)生，包裹生成的氣體導(dǎo)致發(fā)泡程度增加，同時大量的液相鋪在試樣表面，覆蓋產(chǎn)生的開氣孔可以降低吸水率，與圖3中試樣吸水率的變化相符。燒成溫度為1200℃時試樣斷面發(fā)黑，氣孔已經(jīng)變得過大，由于部分小氣孔融合為較大氣孔，同時實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)試樣變形嚴(yán)重。燒成溫度對試樣性能影響較大，溫度太低會導(dǎo)致試樣發(fā)泡不充分；溫度過高導(dǎo)致試樣變形情況嚴(yán)重，經(jīng)綜合考慮后，確定輕質(zhì)陶瓷磚的燒成溫度在1160℃為宜。

圖5為保溫時間對輕質(zhì)陶瓷磚試樣抗折強(qiáng)度和容重的影響。從圖5可知，保溫時間在10～30min時，試樣的抗折強(qiáng)度和容重變化趨勢相似，均呈逐漸降低的趨勢，但相對于燒成溫度的影響變化幅度并不大。由于保溫時間的延長，試樣產(chǎn)生的氣體相對增加，發(fā)泡程度逐漸增加，導(dǎo)致單位體積內(nèi)的骨料含量降低，試樣的容重和強(qiáng)度逐漸降低[19]。

(a)1000℃;(b)1110℃;(c)1130℃;(d)1150℃;(e)1160℃;(f)1200℃

圖5　保溫時間對試樣抗折強(qiáng)度和容重的影響

圖6為不同保溫時間的輕質(zhì)陶瓷磚試樣斷面形貌照片。從圖6可以看出，試樣的氣孔變化不明顯，保溫時間在10min中時有明顯的大孔，說明試樣在此時液相并未大量生成、完全鋪開，導(dǎo)致局部發(fā)泡程度較大；保溫時間在15min時，試樣的氣孔較為均勻，此時試樣的液相在表面鋪開；保溫時間在25min時，由于保溫時間過長，相近小氣孔融合形成較大的氣孔，導(dǎo)致應(yīng)力集中，試樣的容重和抗折強(qiáng)度明顯降低；保溫時間在30min時，氣孔均勻性又有所改善，但仍有較大氣孔存在。燒成溫度對試樣性能變化影響較小，從降低能耗的角度考慮確定保溫15min為最佳。

(a)10min;(b)15min;(c)25min;(d)30min

按照輕質(zhì)陶瓷磚配方進(jìn)行配料，其燒成制度為：燒成溫度為1160℃，保溫時間為15min，隨電爐冷卻至室溫，制得輕質(zhì)陶瓷磚。所制備的輕質(zhì)陶瓷磚抗折強(qiáng)度為6.3MPa，吸水率為2.3%，閉氣孔率為71.2%，容重為0.64g/cm3。高閉氣孔率、低容重使材料的導(dǎo)熱系數(shù)降低，可以作為墻體保溫材料應(yīng)用。

3結(jié)論

1)隨著燒成溫度的升高，輕質(zhì)陶瓷磚的線膨脹率逐步升高；吸水率呈先升高，再降低而后升高的趨勢，并在1160～1170℃達(dá)到最低值；抗折強(qiáng)度和容重隨燒成溫度升高逐漸降低，隨著保溫時間延長，試樣容重和抗折強(qiáng)度逐漸降低，但變化不明顯。

2)以拋光廢渣為主要原料，結(jié)合其他陶瓷原料(按質(zhì)量%)計：拋光廢渣為50、高鋁泥為20、恒峰砂為18、力鴻砂為10、黑滑石為2。經(jīng)過干法造粒后，采用電爐燒成，燒成溫度為1160℃，保溫時間為15min。所制備的輕質(zhì)陶瓷磚，其抗折強(qiáng)度為6.3MPa，吸水率為2.3%，閉氣孔率為73.6%，容重為0.64g/cm3。

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