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(xì)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(guò)一系列試驗(yàn)研究，研制生產(chǎn)出高白日用細(xì)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(zhì)量有了很大地提高，尤其是產(chǎn)品的白度、硬度等物理、化學(xué)性能有了顯著提高，為陶瓷行業(yè)開(kāi)發(fā)利用工業(yè)廢料開(kāi)辟了一條新的道路。

工業(yè)廢料 坯釉料配方 高白日用細(xì)瓷

前言

我國(guó)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，產(chǎn)品售價(jià)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?xì)獾膬r(jià)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(kāi)發(fā)新原料，利用劣質(zhì)原料和工業(yè)廢渣、廢料代替日益枯竭的優(yōu)質(zhì)原料，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的質(zhì)量檔次已成為企業(yè)技術(shù)人員研究的新課題，這也符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策。我們經(jīng)過(guò)近兩年的實(shí)驗(yàn)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(xì)瓷，顯著提高了產(chǎn)品質(zhì)量，并承接出口定貨。下面把研制生產(chǎn)過(guò)程向同行做一介紹。

1 研究?jī)?nèi)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(duì)其化學(xué)組成、礦物組成、燒結(jié)性能、工藝性能、燒結(jié)白度、儲(chǔ)量以及來(lái)源是否穩(wěn)定，對(duì)制品性能的影響，價(jià)格等指標(biāo)進(jìn)行綜合分析、評(píng)價(jià)，根據(jù)分析結(jié)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(chǔ)量豐富，容易開(kāi)采，價(jià)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(zhì)粘土。唐山堿石、渾源煤礦廢渣的化學(xué)成分見(jiàn)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(shè)計(jì)配方時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加強(qiáng)可塑性原料，以滿足成形性能要求。本實(shí)驗(yàn)所用坯、釉原料的化學(xué)成分見(jiàn)表1、表2。

表1 坯用原料化學(xué)成分（質(zhì)量%）

表2 釉用原料化學(xué)成分（質(zhì)量%）

1.2 坯料配方的確定

1.2.1 坯料配方設(shè)計(jì)原則

1）以產(chǎn)品的物理化學(xué)性能、使用性能要求以及利用多堿形成最低共熔點(diǎn)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(shí)，借鑒本公司同類產(chǎn)品以及國(guó)內(nèi)外各相關(guān)企業(yè)積累的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，以節(jié)約時(shí)間，有利于提高效率。

3）了解各種原料對(duì)產(chǎn)品性能的影響是配料的基礎(chǔ)。選擇坯用原料時(shí)，應(yīng)綜合考慮其對(duì)生產(chǎn)工藝的影響以及與產(chǎn)品物化性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

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

5）采用的原料應(yīng)來(lái)源豐富、質(zhì)量穩(wěn)定、運(yùn)輸方便、價(jià)格低廉，盡量就地取材、物盡其用。

在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算，預(yù)測(cè)配方的基本性能。然后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，推測(cè)基本的燒成溫度和燒成制度。通過(guò)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，根據(jù)坯體的燒結(jié)性能、工藝性能、外觀性能和其他指標(biāo)再做適當(dāng)?shù)恼{(diào)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(jì)算、初選原料、參考有關(guān)資料并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，初步設(shè)計(jì)了幾組配方（1＃、2＃、3＃、4＃、5＃）。應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，對(duì)這些配方和性能進(jìn)行了計(jì)算和預(yù)測(cè)。這些坯體配方的化學(xué)組成、各組坯體配方計(jì)算值系數(shù)、坯料配方性能預(yù)測(cè)分別如表3、表4、表5所示。

表3 坯體配方化學(xué)組成（質(zhì)量%）

表4 坯體配方各系數(shù)計(jì)算值

表5 各組坯體配方性能預(yù)測(cè)

用上述配方制備泥料，在1 220℃燒成后各試樣的物理性能見(jiàn)表6。

通過(guò)以上燒成試樣性能的對(duì)比可知，2＃配方的燒結(jié)性能、白度和光澤度最佳，但與預(yù)期指標(biāo)還有一定差距。

為進(jìn)一步提高坯體的性能，在2＃配方的基礎(chǔ)上，采取以下措施對(duì)配方進(jìn)行調(diào)整。

1）通過(guò)調(diào)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(lái)改善坯料的成形性能，從而進(jìn)一步提高配方中低質(zhì)原料的加入量，改善坯體的質(zhì)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(bǔ)原理和固熔產(chǎn)生缺陷的原理來(lái)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(fù)合熔劑，利用多堿最低共熔點(diǎn)降低燒成溫度，同時(shí)嚴(yán)格控制好燒成溫度，增強(qiáng)熔劑效果。因本實(shí)驗(yàn)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(huì)造成燒成溫度較低，這在節(jié)能方面是有利的。但是，鈣質(zhì)熔劑量的偏高，可使制品在較窄溫度范圍內(nèi)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(fù)合熔劑，充分利用各種熔劑的性能和復(fù)合堿效應(yīng)，尋找合理組分配比，在實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)熔劑效果、減少制品內(nèi)部氣孔、降低產(chǎn)品能耗的同時(shí)，消除產(chǎn)品變形缺陷。

依據(jù)2＃配方和以上的設(shè)計(jì)思路，進(jìn)行大量梯度試驗(yàn)，以確定最佳原料成分組成、添加劑引入量及復(fù)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(xué)組成見(jiàn)表7。

表7 12＃配方化學(xué)組成（質(zhì)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(jì)算值、坯體配方性能預(yù)測(cè)分別見(jiàn)表8、表9。

表8 坯體配方的各系數(shù)計(jì)算值

表9 坯體配方性能預(yù)測(cè)

12＃配方的一些物理、化學(xué)性能指標(biāo)如表10、表11、表12所示。

表10 12＃配方注漿泥性能檢測(cè)結(jié)果

表11 12＃配方滾壓泥性能檢測(cè)結(jié)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(guān)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(yīng)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(shè)計(jì)原則。在傳統(tǒng)長(zhǎng)石釉配方的基礎(chǔ)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(shí)制品的釉面光澤度、平整度、釉面硬度等指標(biāo)有了顯著提高；大量瓷粉的引入加強(qiáng)了坯體和釉面間離子的相互擴(kuò)散，增強(qiáng)了坯釉結(jié)合性和中間層的形成，有效地提高了制品的熱震性能。

運(yùn)用傳統(tǒng)配方計(jì)算方法并采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，釉料配方設(shè)計(jì)擬定了10個(gè)配方的試驗(yàn)，確定了高白日用陶瓷釉料配方的大致組成范圍為（質(zhì)量%）：SiO260～67，Al2O311～15，K2O＋Na2O 5.5～6.0，MgO 2.0～6.0。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的比較，從擬定的10個(gè)釉料配方中優(yōu)選確定了7＃配方，其化學(xué)組成、配方各系數(shù)計(jì)算值、釉料配方性能預(yù)測(cè)和熱膨脹系數(shù)指標(biāo)分別如表13、表14、表15、表16所示。

表13 7＃釉料配方化學(xué)組成（質(zhì)量%）

表14 7＃釉料配方各系數(shù)計(jì)算值

表15 7＃釉料配方性能預(yù)測(cè)

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(shè)定溫度下燒制，此釉料的性能及燒后釉面質(zhì)量見(jiàn)表17。

表17 釉料性能和試樣燒后釉面質(zhì)量

2 生產(chǎn)工藝過(guò)程控制

2.1 原料精選

原料進(jìn)廠后，必須試燒樣品，經(jīng)過(guò)全面的理化檢測(cè)分析，質(zhì)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(jìn)行水分測(cè)定，按配比準(zhǔn)確稱量，后裝入球磨機(jī)。其中料∶球＝1∶2.5，泥釉漿分別過(guò)40目、100目、200目篩，采用濕式磁選機(jī)除鐵3次。泥釉料控制參數(shù)見(jiàn)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(jī)主軸與滾頭轉(zhuǎn)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(zhì)對(duì)泥漿進(jìn)行稀釋，以改善泥漿的流動(dòng)性。兩種電解質(zhì)的加入量為：水玻璃0.3%，純堿0.5%。裝磨時(shí)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(zhì)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(dòng)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(shí)驗(yàn)制品的燒成制度，對(duì)12＃坯料配方試樣進(jìn)行了差熱分析。分析結(jié)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(jié)構(gòu)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(qiáng)的放熱峰，試樣中形成了鋁硅尖晶石；溫度繼續(xù)升高沒(méi)有再出現(xiàn)吸熱或放熱反應(yīng)，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(jìn)行適當(dāng)?shù)谋亍?/p>

2.4.2 燒成工藝控制

采用明焰裸燒，燒成溫度設(shè)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(biāo)

產(chǎn)品性能指標(biāo)見(jiàn)表19。

表19 產(chǎn)品性能指標(biāo)

3 結(jié)論

1）本實(shí)驗(yàn)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(dá)32%），大幅度降低了優(yōu)質(zhì)自然資源的消耗，不僅減輕了廢棄物占地污染環(huán)境問(wèn)題，而且大幅度降低了企業(yè)生產(chǎn)成本。符合國(guó)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(méi)有降低質(zhì)量，反而是提高了質(zhì)量。產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)符合國(guó)標(biāo)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(zhì)細(xì)膩、釉面光潤(rùn)，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

3）本實(shí)驗(yàn)的研制，為陶瓷行業(yè)利用工業(yè)廢料和劣質(zhì)原料生產(chǎn)高白日用細(xì)瓷開(kāi)辟一條道路，具有廣泛推廣應(yīng)用價(jià)值。

TQ174.9

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1002－2872（2011）03－0018－04

商靈芝（1965—），工程師；研究方向?yàn)槿沼锰沾杉夹g(shù)開(kāi)發(fā)。Email—slz666666＠126.com