沈君權 沈帥冰

（山東工業(yè)陶瓷研究設計院 山東 淄博 255031）

低溫快燒建筑衛(wèi)生陶瓷低碳經濟下的正確選擇＊

沈君權 沈帥冰

（山東工業(yè)陶瓷研究設計院 山東 淄博 255031）

介紹了在低碳經濟的大環(huán)境下，我國建筑衛(wèi)生陶瓷的發(fā)展方向和出路，提出了低溫快燒是建筑衛(wèi)生陶瓷低碳經濟下正確的選擇，對我國建筑衛(wèi)生陶瓷低溫快燒歷史、成績與現狀作了綜述，并且詳細介紹了低溫快燒的原料和配和對乳濁釉和窯爐提出具體要求。

低溫快燒 建筑衛(wèi)生陶瓷 低碳經濟 乳濁釉 窯爐

建筑衛(wèi)生陶瓷就燒成能耗而言，燒成高溫段每降低100℃，能耗將降低10%左右，而且排煙煙氣中的原始型和熱力型的NOX和CO2、SO2等成分也會隨之降低。據不完全統(tǒng)計，目前我國建筑衛(wèi)生陶瓷的燒成能耗約占其總成本的25%左右，因此無論從節(jié)能，還是從環(huán)境保護和降低生產成本的角度考慮，低溫燒成都是建筑衛(wèi)生陶瓷低碳經濟的中心內容。另外，已往由于建筑衛(wèi)生陶瓷原料、配方以及燃料和窯爐結構等造成燒成周期長，這也是我國建筑衛(wèi)生陶瓷能耗高的主要原因之一。綜上所述，如能實現低溫快燒，將從根本上改變建筑衛(wèi)生陶瓷高能耗的現狀，在目前低碳經濟大環(huán)境下，各地陶瓷企業(yè)為節(jié)能減排對其實行限產、減產和停產，由此可見，低溫快燒將是建筑衛(wèi)生陶瓷低碳經濟下的正確的選擇。

1 我國建筑衛(wèi)生陶瓷低溫快燒發(fā)展歷史、成績和現狀

自20世紀80年代，廣東佛山石灣耐酸陶瓷廠從意大利引進第一條彩釉墻地磚生產線及相關技術以來，我國建筑衛(wèi)生陶瓷從此發(fā)生了顛覆性的變化，即從原來的白坯、白釉一下轉變?yōu)榧t坯、乳濁釉和彩色裝飾釉，由此迎來了紅坯低溫快燒的新時代，這勢頭一直持續(xù)到20世紀90年代中期。這期間我國建筑衛(wèi)生陶瓷的燒成溫度和燒成周期得到大幅度的降低。其中建筑陶瓷的燒成溫度從原來1 200℃左右，降低到1 000℃左右；衛(wèi)生陶瓷的燒成溫度從1 280℃左右降到1 150℃左右。建筑陶瓷的燒成時間從原來20h左右降到60min左右；衛(wèi)生陶瓷的燒成時間從40h左右降到30h左右。另外，一大批廢渣、廢料和尾礦被廣泛研制利用，變廢為保，以及大批量適合低溫快燒且儲量豐富的天然礦物原料被推廣利用，這期間低溫快燒取得了良好的經濟效益和社會效益。到20世紀90年代中期，由于瓷質拋光磚大量推廣等原因，磚坯又迅速掀起由紅坯向白坯的轉變，這一趨勢一直延續(xù)至今。目前在低碳經濟大潮下，人們又不得不開始重新審視往日的某些做法，建筑衛(wèi)生陶瓷也不例外。因此低溫快燒將又被提到議事日程上來。這一歷史變化可以由各期刊上發(fā)表的相關論文數量得到有力印證。其實20世紀90年代中期以后，關于低溫快燒的論文少之又少，到2010年又開始出現此類論文。

2 關于低溫快燒原料的有關問題

2.1 低溫快燒對原料的基本要求

1）干燥收縮和燒成收縮小，以防止低溫快燒造成產品變形，開裂等缺陷。

2）燒成時坯體晶型轉變等導致的體積變化，最好與溫度變化成直線關系，以便在快速升溫時坯體不易變形和開裂。

3）燒成時坯體物理、化學變化迅速，導熱性能好。

4）熔劑作用性能強，且游離石英少，有機物和分解物如SO2、CO2、N2、CmHn和 H2O等排出物少，且能在850℃前排除干凈，以滿足低溫快燒要求。

2.2 適合低溫快燒的天然礦物原料化學成分與性能

2.2.1 葉臘石

葉臘石是三層型結構的粘土礦物，為含水的鋁硅酸鹽，分子式為 Al2（Si4O10）（OH）2，其理論化學成分為Al2O328.3%，SiO266.7%，H2O 5%，屬單斜晶系，為白色或淡黃色片狀，常伴有石英、碳酸鹽等成分，浙江青田、福建福州壽山葉臘石尤為出名。其工藝特性是結晶水少，加熱時脫水緩慢，不收縮，未燒結前，在一定范圍內具有較大的熱膨脹系數，因此可以抵消干燥和燒成過程中造成的坯體收縮，以保證坯體尺寸一致，是一種上乘的低溫快燒原料。

2.2.2 硅灰石

硅灰石是一種偏硅酸鈣，分子式為CaSiO3，有3種晶型，其中α－CaSiO3為低溫三斜晶型，通稱硅灰石，其理論化學成分為SiO251.75%，CaO 48.25%，呈灰色、淺紅色或褐色，主要分布在吉林梨樹、湖北大冶、安徽銅陵、江西上饒、浙江李家港等地。主要工藝性能為熱膨脹變化小，熔點高，燒成溫度為950～1 050℃。

2.2.3 透灰石

透灰石是鏈狀結構硅酸鹽，屬單斜晶系，分子式為CaMg（Si2O6），其理論化學成分為 CaO 25.9%，MgO 18.5%，SiO255.6%。透灰石常見于各種巖漿巖中，為火成巖與石灰?guī)r接觸變質帶特有的礦物，且常與硅灰石、石榴石等共生，呈淺綠色或灰色，主要工藝性能為線性變化熱膨脹變化小，加熱過程無質量損失和干燥收縮等，1 170℃開始變形，1 280℃開始軟化，1 290℃開始熔融，軟化范圍溫度為110℃，熔融范圍溫度為10℃，燒成溫度為900～1 000℃。

2.2.4 透閃石

透閃石是一典型接觸變質礦物，屬單斜晶系，分子式為Ca2Mg5（Si4O11）2（OH）2，其理論化學組成為 CaO 13.0%，MgO 24.6%，SiO258.8%，H2O 2.8%，呈白色、灰色或綠色，常存在于石灰?guī)r，白云石和火成巖接觸帶，工藝性能與硅灰石相近，燒成溫度為1 050～1 100℃。

2.2.5 珍珠巖

珍珠巖是一種酸性火山巖漿噴出的玻璃質熔巖，其中含有不定量石英、透長石等，其理論化學組成為SiO2 60%～75%，Al2O39%～14%，Na2O 2.5%～5%，K2O 1.5%～4.5%，H2O 3%～6%，呈淺灰色，具有玻璃或珍珠光澤，熔點為1 280～1 360℃，軟化溫度范圍為150℃，熔融溫度范圍為325℃，燒成溫度為1 160～1 180℃。

2.2.6 滑石

滑石是一種云母類結構礦物，基本呈片狀和層狀，分子式為 Mg3（Si4O10）（OH）2，其理論化學組成為 MgO 31.7%，SiO263.5%，H2O 48.0%，呈淺綠色，加熱到900℃生成頑火輝石，產生體積膨脹，這樣可以減小坯體總體積變化率，減小燒成收縮進而保證坯體尺寸一致，MgO的引入可在坯體中生成含鎂玻璃，濕膨脹小，可提高坯體膨脹系數，導致釉層受壓應力作用，可防止產品釉面后期龜裂。

2.2.7 霞石和霞石正長巖

霞石因在酸中分解生成云霞狀硅膠而得名，分子式為KNa3（AlSiO4）4，其理論化學組成為 SiO244.0%，Al2O333.0%，Na2O 16%，K2O 5.0%，屬六方晶系，常呈不規(guī)則結晶顆粒，呈小柱狀或厚板狀，顏色呈白色、灰色、綠色和紅色，產于堿性巖中。

霞石正長巖礦物成分主要為堿性長石（如正長石）和各種似長石（霞石為主）的堿性深成巖，堿金屬含量高，淺灰色，產狀不一，一般成雜巖體，成分與其相似的還有響巖。我國霞石正長巖儲量十分豐富，霞石正長巖在1 200℃開始收縮，1 300℃開始熔融，燒結范圍為100℃。

2.2.8 低級粘土

所謂低級粘土，系指雜質含量較高（如鐵、鈦、碳酸鹽和硫酸鹽，以及有機成分含量較高），且顏色普遍呈紅褐色等深顏色，分布十分廣泛的一種地方性粘土原料，如河南洛陽紫砂泥，山東淄博淄川紫砂頁巖、紅土，河北邯鄲大青土，江西星子高嶺土尾礦，湖南界牌黃泥，河南禹州毛土，遼寧丹東黃泥，山西大同低級粘土等。

2.2.9 以上天然礦物原料化學成分（見表1）

表1 低溫快燒用主要天然礦物原料的化學成分（質量%）

2.2.10 用以上原料配制的幾個典型配方（見表2）

表2 用以上天然礦物原料配置的低溫快燒的典型配方（質量%）

續(xù)表2

2.3 幾種廢渣、廢料和尾礦原料

20世紀七、八十年代，在建筑衛(wèi)生陶瓷行業(yè)曾掀起一股研究、推廣和應用廢渣、廢料和尾礦的高潮，與此同時，各地陸續(xù)推出相應政策，以鼓勵其推進，后來由于相應政策未能延續(xù)，建筑衛(wèi)生陶瓷瓷坯的日益白坯化和瓷質化，各地企業(yè)應用廢渣、廢料和尾礦的熱情也隨之慢慢消退。在能源和資源的日見短缺和低碳經濟的國際大背景下，人們再次重視廢渣、廢料和尾礦的綜合利用。

2.3.1 幾種典型廢渣、廢料和尾礦原料的化學成分（見表3）

表3 幾種典型度渣、廢料和尾礦原料的化學成分（質量%）

2.3.2 利用上述廢渣、廢料和尾礦原料配制的低溫快燒建筑衛(wèi)生陶瓷的幾個典型配方（見表4）

表4 用以上原料配制的低溫快燒建筑衛(wèi)生陶瓷的幾個典型配方（質量%）

3 關于低溫快燒所需的技術保障問題

眾所周知，低溫快燒的原料大多數含有比較高的Fe2O3、TiO2等著色成分，其坯體多為有色坯體以及含有大量的堿金屬和堿土金屬等低熔點成分。因此，為了研制出高質量的建筑衛(wèi)生陶瓷，首先必須提供適合低溫快燒、遮蓋力強、高乳濁能力的乳濁釉和相關的施釉裝飾技術和手段。另外，含有較高堿金屬、堿土金屬和Fe2O3、TiO2成分的坯體，雖然燒成溫度低，但必然帶來燒成范圍窄，強度低和易變形等問題，為此必須提供適合低溫快燒且溫差小的窯爐，如溫差在3℃±2℃的建筑墻地磚窯爐和溫差在5℃±3℃的衛(wèi)生陶瓷窯爐，為了提高坯體強度，防止后期龜裂，提高抗凍性，將熔塊加入坯體，以制造出合格瓷質拋光磚。

3.1 適合低溫快燒遮蓋能力強的乳濁釉

低溫快燒乳濁釉首先應具備在低溫下能快燒成釉，且釉面平整、光亮；其次是在低溫快燒條件下能與坯體牢固結合，膨脹系數略小于坯體，使釉層處于壓應力狀態(tài)，形成的中間層厚度和性質有利于坯釉的適應性；第三釉的彈性強，釉層厚度適中等。就我國乳濁釉而言，其發(fā)展經歷了漫長的過程，20世紀60年代以SnO2乳濁釉為主，其具有乳濁效果好，釉面平整光亮，成釉溫度較低等優(yōu)點，但由于當時SnO2乳濁劑幾乎全靠進口，價格昂貴，以及其對氣氛敏感等原因，到20世紀70年代，Zr－SiO4乳濁釉迅速崛起，由于ZrSiO4乳濁效果良好，乳濁性能穩(wěn)定，表面耐磨等原因，很快得到推廣。20世紀80年代，隨著低溫快燒技術的發(fā)展要求，ZrSiO4乳濁釉因其高溫粘度高，低溫短時間內難以得到理想的釉面和釉面質量難以保證等原因，以鈦榍石為主晶相的鈦釉應運而生，鈦釉因其折射率高，乳濁效果好，釉面質量高等原因，很快得以推廣，后來發(fā)現鈦釉對氣氛敏感，易變晶。20世紀80年代后期、90年代初先后出現Ti—Zr釉和P—Zr釉等復合型乳濁釉，以達到取長補短的作用。為了研制高遮蓋效果的低溫快燒乳濁釉，使用國產SnO2生產低溫快燒乳濁釉，另外，Sb2O5的折射率很高。過去因其對氣氛敏感以及乳濁的溫度范圍窄等原因，始終未能獲得應用，如果窯爐溫差降低，因其能在低溫下快速生成乳濁釉，故可開展其相關應用研究，此外還應探索熔巖分相作乳濁釉的研究等。綜上所述，單一乳濁釉都有其缺點，因此研究復合的、適合低溫快燒乳濁釉是今后努力的方向。

3.2 適合低溫快燒的扁平寬截面低溫差、高效率窯爐

為研制高質量的低溫快燒的建筑衛(wèi)生陶瓷，需降低現有窯爐的上下溫差和水平溫差。對于墻地磚，目前廣泛使用的輥道窯一般溫差在5℃左右，設計溫差在3℃左右；對于低溫快燒的輥道窯其溫差最好為3℃±2℃，這樣就可進一步擴大低溫快燒的原料來源。對于用作衛(wèi)生陶瓷燒成隧道窯則要求溫差為5℃±3℃，為了達到要求的溫差，應開展如下幾方面的工作。

3.2.1 窯爐結構的優(yōu)化設計

窯爐截面應設計成扁平型，這樣可最大限度的降低上下溫差，窯寬除應使用合適的燃料外，還應選用合適的燒嘴和燃燒方式如高溫空氣燃燒技術等，以保證水平溫差在設計要求范圍之內。

窯爐各帶設計，除進一步優(yōu)化預熱帶、燒成帶和冷卻帶設計外，更應重視過渡帶、窯頭和窯尾的氣膜和開關防漏設計，以及整座窯爐連動控制，以防止漏風和撒氣等，除此之外，還應重視燃燒室數量、結構和布置的優(yōu)化設計。

3.2.2 提高窯爐的保溫隔熱性能

應廣泛使用陶瓷纖維制品，尤其是高鋁硅酸鹽陶瓷纖維氈和高強輕質耐火保溫隔熱磚，最大限度地提高窯爐整體的保溫隔熱性能。

3.2.3 精細調控窯爐的溫度與壓力

其是保證窯爐上、下溫差和水平溫差在設定范圍的必要前提。包括選用高靈敏溫度的壓力傳感元件和伺服器件，性能穩(wěn)定的各類風機，以及測量調節(jié)的微機調節(jié)軟件和系統(tǒng)等，其他方面的問題不再贅述。

4 結語

原料和燃料是一種不可再生的資源，在建筑衛(wèi)生陶瓷行業(yè)推廣低溫快燒，提倡大量應用劣質原料、廢渣、廢料和尾礦等是科研工作者責無旁貸的義務。當前，在低碳經濟，節(jié)能減排的大環(huán)境下，建筑衛(wèi)生陶瓷行業(yè)推廣低溫快燒既可為我國向國際社會承諾的減排目標作出貢獻，又可以變廢為寶，減少公害。為了使低溫快燒得以順利推廣，首先要提高低溫快燒建筑衛(wèi)生陶瓷的質量，解決在研究低溫快燒過程中出現的問題。當務之急是進一步提高低溫快燒建筑衛(wèi)生陶瓷產品的強度、耐磨性、抗凍性和后期龜裂等，使其達到并超過用常規(guī)原料和工藝生產的建筑衛(wèi)生陶瓷；其次低溫快燒離不開政府支持，它迫切需要各級政府制訂相關獎勵政策。經過科研工作者和從業(yè)人員的共同努力，我國建筑衛(wèi)生陶瓷的低溫快燒會進一步完善。

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Low Temperature Fast Firing the Correct Selected of Structural Sanitation Ceramics Under Low Carbon Economy

Shen Junquan，Shen Shuaibing（Shandong R＆D Institute of Industrial Ceramics，Shandong，Zibo，255031）

The paper related develop direction and way out of the structural sanitation ceramics our country under big environment of low carbon economy.It was advanced that the low temperature fast firing of the structural sanitation ceramics was corrected selection under low carbon economy.Further it was summarized that was the history，result and present situation and it introduced detailed the typical material and fill，simultaneously.It posed specific demand for opaque glaze，tunnel kiln and roller kiln of low temperature fast firing.

Low temperature fast firing；Building and sanitary ceramics；Low carbon economy；Opaque glaze；Furnace

TQ174 文獻標示碼：A

1002－2872（2011）06－0009－04

沈君權（1937－），本科，教授級高級工程師；主要從事工業(yè)陶瓷研究工作。Email：shjqzhhq＿2008@163.com