張博燁， 黃劍鋒*， 陶曉文， 費　杰， 汪慶剛， 李　轉(zhuǎn)

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

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采用干法造粒工藝制備輕質(zhì)陶瓷磚的研究

張博燁1， 黃劍鋒1*， 陶曉文2， 費杰1， 汪慶剛1， 李轉(zhuǎn)2

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

摘要：以拋光廢渣為主要原料，結(jié)合其他陶瓷原料，采用干法造粒工藝，經(jīng)輥道窯快速燒成，制備了輕質(zhì)陶瓷磚.通過正交試驗結(jié)合綜合性能指數(shù)量化得出最佳配方，研究了不同原料影響，結(jié)果表明：發(fā)泡性能影響由大到小依次為：黑滑石>高鋁泥>力鴻砂>恒峰砂.黑滑石提高發(fā)泡性能，高鋁泥作用與其相反.最佳配方為拋光廢渣52.1%、高鋁泥10.4%、恒峰砂20.8%、力鴻砂12.5%、黑滑石4.2%.制備的輕質(zhì)陶瓷磚抗折強度為3.19 MPa，吸水率2.31%，顯氣孔率1.72%，容重0.74 g/cm3.

關(guān)鍵詞：干法造粒； 拋光廢渣； 輕質(zhì)陶瓷磚

0引言

我國陶瓷產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，總產(chǎn)量位居世界第一，但同時也對環(huán)境造成了污染.據(jù)《2014年全國瓷磚產(chǎn)能報告》統(tǒng)計，2014年全國陶瓷磚日產(chǎn)能4 503.6萬平方米，若以310天計，年產(chǎn)能可達139.6億平方米，其中拋光磚產(chǎn)能占27.9%，是最主要的瓷磚產(chǎn)品[1].在拋光磚的生產(chǎn)中，通常會從磚坯表面切掉0.5~0.7 mm厚的表面層.生產(chǎn)1平方米的拋光磚，將產(chǎn)生1.5 kg的磚屑，刀具和拋光磨具產(chǎn)生0.6 kg的碎屑損耗，共計產(chǎn)生2.1 kg的拋光廢渣.以漿狀廢料含水率為35%計，2014年產(chǎn)生的陶瓷拋光廢渣超過2 300萬噸.由于陶瓷拋光廢渣通常含有1.0 wt%~4.0 wt%左右的SiC(來源于拋光磨料)以及2.0 wt%~6.0 wt%左右的MgO、MgCl2(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[2-5].

在20世紀(jì)70年代，陶瓷工業(yè)引入噴霧干燥技術(shù)用于陶瓷磚粉造粒，噴霧干燥制粉工藝必須把陶瓷泥漿中35%~45%左右的水分干燥至6%~8%，該過程消耗大量能源，并排放大量的SO2、CO2及煙塵廢氣，導(dǎo)致巨大的能源、資源浪費及環(huán)境污染，是建筑陶瓷行業(yè)高能耗、高污染的主要原因之一.而干法造粒只需將含水量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，雖然從工藝及裝備方面還需進一步完善，但從能源節(jié)省和投資費用等方面看，是未來的發(fā)展方向[6].

目前,對于拋光廢渣回收利用主要集中在作為部分摻雜料或添加劑進行利用，主要在如下方面：(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)生產(chǎn)拋光磚；(5)制備多孔過濾材料等[7-12].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.利用拋光廢渣的高溫發(fā)泡性能，制備輕質(zhì)陶瓷磚，具有隔熱、保溫、A級防火的特點，可作為輕質(zhì)建筑板材或者建筑保溫材料應(yīng)用，同時消耗大量拋光廢渣.

本文以拋光廢渣作為主要原料，結(jié)合干法造粒工藝，通過正交試驗，探討制備輕質(zhì)陶瓷磚最佳性能的配方，并研究了不同陶瓷原料的影響.

1實驗部分

1.1　輕質(zhì)陶瓷磚的制備

考慮拋光廢渣的發(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度，加入恒峰砂、力鴻砂提高燒成穩(wěn)定性，加入黑滑石提高試樣發(fā)泡性能.結(jié)合前期探究基礎(chǔ)，通過正交分析法研究拋光廢渣為主要原料添加高鋁泥、恒峰砂、力鴻砂、黑滑石的最佳配比.對于拋光廢渣的用量要盡可能多，但比例過大會導(dǎo)致的燒成試樣變形嚴(yán)重，不宜進行控制.固定拋光廢渣相對量不變，對高鋁泥、恒峰砂、力鴻砂、黑滑石的添加量進行4因素3水平的正交試驗L9(34).正交試驗因素水平如表1所示.除了4種陶瓷原料外，拋光廢渣按50份固定.

表1　L9(34) 正交試驗因素水平

正交試驗方案如表2所示.除了上述4種陶瓷原料外，拋光廢渣按50份固定.根據(jù)不同方案配方，按比例稱取相應(yīng)的陶瓷原料和拋光廢渣，共計稱取500 g原料，將原料按照硬質(zhì)料和軟質(zhì)料分開，采用自制干法造粒機進行造粒[13,14]，造粒完畢后陳腐12 h，在12 MPa下壓制成型，坯體尺寸為81 mm×120 mm×7.8 mm，放入烘箱110 ℃烘干3 h后在輥道窯中燒成，燒成制度如圖1所示.每個水平做5組平行試驗，測量數(shù)據(jù)舍去最大值和最小值，求得余下平均值以減少誤差影響.

表2　正交試驗方案

將干燥好的試樣在輥道窯中快速燒成，最高溫度為1 200 ℃，燒成時間約73 min，輥道窯燒成制度如圖1所示.對燒成后試樣進行各項性能測試.

參考表面氣孔、燒成試樣平整度、變形度大小，是否有鼓包，開裂、斷面氣孔均勻性等，引入形貌分?jǐn)?shù)M分?jǐn)?shù)作為表征試樣性能的一個指標(biāo).形貌分?jǐn)?shù)按照1~5分給出，其中1分代表形貌最差的試樣，比如發(fā)生分層、鼓泡情況嚴(yán)重；5分代表形貌最好的試樣表面平整、無翹角、氣孔分布均勻.每個試樣分別由不同的三個人給出評分，求出的平均值為該試樣形貌分?jǐn)?shù).為綜合考慮試樣的性能，引入綜合評價指標(biāo)參數(shù)S=E(吸水率)×4+ρ(容重)-R(抗折強度)/15-M(形貌分?jǐn)?shù))/8，試樣的得分越低，表明綜合性能最佳.

圖1　輕質(zhì)陶瓷磚的燒成曲線圖

1.2　測試與表征

本實驗采用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.使用臺灣安鵬科技股份有限公司生產(chǎn)的AM-412光學(xué)顯微鏡，對燒成試樣的斷面氣孔形貌和結(jié)構(gòu)進行觀

察.采用日本Rigaku自動X-射線衍射儀對拋光廢渣進行物相分析，型號為D/max 2200 PC.

測試條件為Cu Kα，2θ=15 °~70 °.根據(jù)國標(biāo)GB/T3810.1-16-2006《陶瓷磚試驗方法》中提供的方法，測定燒成試樣的線性膨脹率、吸水率、顯氣孔率、容重[15]及抗折強度.

2結(jié)果與討論

制備輕質(zhì)陶瓷磚所用陶瓷原料的化學(xué)成分分析如表3所示.廢渣1、2分別為陶瓷企業(yè)不同時期堆積的拋光廢渣.試驗中采取將廢渣1、2混合后取樣的方法，消除不同時期拋光廢渣發(fā)泡性能差異對結(jié)果的影響.

圖2　拋光廢渣的XRD圖譜

化學(xué)全分析SiO2Al2O3Fe2O3TiO2CaOMgOK2ONa2OI.L.Tot.廢渣1/%66.8418.720.620.11.942.522.492.853.7699.84廢渣2/%68.0218.780.580.131.831.872.513.163.16100.4高鋁泥/%54.0830.681.620.2--2.680.1110.1199.48恒峰砂/%67.7219.691.090.190.560.125.80.624.0899.87力鴻砂/%70.6318.460.620.110.320.083.583.812.3499.95黑滑石/%54.951.250.1-2.9928.96--11.6399.88

表4　正交試驗結(jié)果

圖2為不同時期廢渣混勻后樣品的XRD圖譜.從圖2中可以看出，石英相衍射峰非常尖銳，且衍射峰強度較高說明經(jīng)過燒成后的拋光磚，石英結(jié)晶性能較好.廢渣中石英占絕大部分，鈉長石相(Na(AlSi3O8))也占有一定的比例.此外還出現(xiàn)了莫來石和SiC的衍射峰，但衍射峰微弱，是SiC在拋光廢渣中所占比例很少導(dǎo)致的.對不同原料配方所制備的輕質(zhì)陶瓷磚試樣進行性能測試，正交試驗結(jié)果如表4所示.由正交試驗結(jié)果可以看出,所有試樣線性膨脹率l均為正值，表明所有試樣均產(chǎn)生不同程度的發(fā)泡.形貌分?jǐn)?shù)為試樣的表觀形貌的量化數(shù)值，其中7#、3#試樣表觀形貌較好.

圖3為部分配方的輕質(zhì)陶瓷磚斷面形貌顯微照片，其中3#試樣氣孔分布較均勻，實驗觀察其氣孔相對其與試樣較大，表面較為平整，氣孔孔徑約為1.5~2 mm.5# 試樣氣孔明顯較小，由于配方中沒有黑滑石，且添加了高鋁泥和恒峰砂以及力鴻砂，提高了燒成溫度，使高溫中的液相變少，粘度也相對增大，產(chǎn)生的氣孔較小，局部較大的氣孔也

是由于較少的液相沒有充分潤濕坯體骨料導(dǎo)致的.7# 試樣氣孔均勻，燒成試樣表面平整，其表面形貌分?jǐn)?shù)為最高分5分.其配方中加入的黑滑石降低了試樣液相的產(chǎn)生溫度，試樣在較低的溫度下產(chǎn)生均勻的液相，包裹陶瓷顆粒，由于高鋁泥的加入，液相的粘度較大，使得試樣的氣孔被維持在較小的水平，最終形成氣孔小而均勻.9# 試樣出現(xiàn)了明顯分層現(xiàn)象，幾乎沒有發(fā)泡，配方中引入了大量的高鋁泥和瘠性料，導(dǎo)致產(chǎn)生液相的溫度太高，試樣燒成不均勻，熱應(yīng)力集中導(dǎo)致分層.

(a)3# (b)5# (c)7# (d)9#圖3　不同配方燒成試樣的顯微照片

指標(biāo)A(高鋁泥)B(恒峰砂)C(力鴻砂)D(黑滑石)抗折強度R/MPaK14.3446.2344.8938.188K25.4155.5236.4405.668K38.1366.1396.5634.040R(極差)3.7920.7111.6694.148對比D>A>C>B吸水率E/%K14.8177.9507.1349.359K26.7946.3086.1496.559K38.8676.2197.1954.560R(極差)4.0491.7311.0474.799對比D>A>B>C容重ρ/(g/cm3)K10.8240.9480.8931.090K20.9280.9310.9330.930K31.0690.9430.9950.802R(極差)0.2450.0170.1020.288對比D>A>C>B線性膨脹率l/%K118.11614.08715.4789.000K214.47514.46914.61914.630K310.20814.24212.70219.169R(極差)7.9080.3822.77610.169對比D>A>C>B

根據(jù)試驗結(jié)果，建立正交試驗直觀分析表，如表5所示.從表5中可以看出，不同陶瓷原料對于試樣各項指標(biāo)的影響，黑滑石的影響最大，對抗折強度、吸水率、容重和線性膨脹率均影響最大.其次是高鋁泥，但黑滑石和高鋁泥兩者的作用效果相反.力鴻砂和恒峰砂的影響并不顯著.這與陶瓷原料的化學(xué)組成具有密切的關(guān)系.

根據(jù)正交直觀分析表，得出不同原料含量變化對試樣性能的影響.高鋁泥對輕質(zhì)陶瓷磚燒成性能的影響如圖4所示.隨著高鋁泥添加量的增加，試樣的線性膨脹率逐漸減少，容重、吸水率和抗折強度均有明顯的提升，且整體變化較為明顯.結(jié)合化學(xué)成分分析，高鋁泥是一種SiO2、Al2O3含量較高的粘土類礦物，在坯體中充當(dāng)骨架的作用.隨著高鋁泥添加量的增加，坯體在高溫時燒成時的液相減少，也相應(yīng)的提高了玻璃相的粘度和表面張力，SiC氧化產(chǎn)生的氣體更易直接排出，降低了發(fā)泡程度，線性膨脹率相應(yīng)降低.表面的液相量減少，表面的氣孔無法愈合，導(dǎo)致吸水率增加.總體來說高鋁泥提高了試樣的燒成溫度，但對抗折強度有貢獻，所以適量引入[16-19].

圖4　高鋁泥含量對試樣性能的影響

原料中黑滑石對輕質(zhì)陶瓷磚燒成性能的影響如圖5所示.隨著黑滑石添加量的增加，試樣的各項性能變化非常明顯.其中線性膨脹率隨著滑石的添加量的增加成線性遞增趨勢，而吸水率和容重以及抗折強度則明顯降低.這是由于加入少量的黑滑石可以降低液相形成溫度.同樣燒成溫度下，黑滑石含量越多，被液相包裹的氣體越多，試樣的發(fā)泡性能越大.相應(yīng)的單位體積內(nèi)陶瓷骨架減小，導(dǎo)致燒成試樣的強度和容重隨著黑滑石添加量增加而降低.同樣由于表面的液相量的增多，形成的玻璃相愈合表面的氣孔，導(dǎo)致吸水率降低[20,21].總體來說黑滑石促進試樣發(fā)泡，適宜少量引入.

圖5　黑滑石含量對試樣性能的影響

恒峰砂和力鴻砂兩者對輕質(zhì)陶瓷磚燒成性能的影響并不顯著，趨勢圖在此省略，兩者均在坯體中起到骨架的作用，化學(xué)組成類似.作為瘠性料成為輕質(zhì)陶瓷磚的原料，兩種原料化學(xué)組成相互補充，加入有助于降低坯體干燥收縮和變形.

作為輕質(zhì)保溫材料使用，必須考慮到其容重和氣孔率以及吸水率的綜合性能影響，根據(jù)綜合性能指標(biāo)公式，得出各個編號試樣的綜合得分，如表6所示.S數(shù)值越小代表綜合性能越好，2#、3# 綜合性能較好.其中3#綜合性能最佳，適宜作為最佳配方制備輕質(zhì)陶瓷磚，其抗折強度為3.19 MPa，吸水率為2.31%，顯氣孔率為1.72%，容重為0.74 g/cm3.

表6　輕質(zhì)陶瓷磚綜合指標(biāo)比較

3結(jié)論

(1)以陶瓷企業(yè)拋光廢渣為主要原料，制備輕質(zhì)陶瓷磚的最佳配方按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計：拋光廢渣52.1%、高鋁泥10.4%，恒峰砂20.8%、力鴻砂12.5 %、黑滑石4.2%，在輥道窯中燒成，最高溫度為1 200 ℃，燒成時間73 min.制備的輕質(zhì)陶瓷磚抗折強度為3.19 MPa，吸水率為2.31%，顯氣孔率為1.72%，容重為0.74 g/cm3.

(2)實驗表明試樣發(fā)泡性能的影響由大到小依次為：黑滑石>高鋁泥>力鴻砂>恒峰砂.其中黑滑石和高鋁泥對試樣發(fā)泡性能影響較為顯著.黑滑石提高試樣發(fā)泡性能，使試樣的容重和抗折強度降低；高鋁泥使試樣發(fā)泡程度減小，抗折強度和容重提高；力鴻砂和恒峰砂影響并不顯著.

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Research on preparation of lightweight foamed

ceramic tile by dry granulation process

ZHANG Bo-ye1, HUANG Jian-feng1*, TAO Xiao-wen2,

FEI Jie1, WANG Qing-gang1, LI Zhuan2

(1.School of Materials Science and Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China; 2.Xianyang Research & Design Institute of Ceramic, Xianyang 712000, China)

Abstract:Lightweight foamed ceramic tile was sintered by roller kiln in ceramics enterprise with granulation process using polishing tile waste combined other ceramic raw materials,the optimized figure was acquired by orthogonal experiment with comprehensive evaluation index.The foaming degree were descending sorted as black talc>high alumina clay>Lihong quartz sands>Hengfeng quartz sands.Black talc increased foaming properties and reduced bending strength of specimen while high alumina clay had opposite effect.The optimized lightweight ceramic tile was prepared by polishing tile waste 52.1%,high alumina clay 10.4%,Hengfeng quartz sands 20.8%,and Lihong quartz sands 12.5% and black talc 4.2%.The properties were as follows:bending strength 3.19 MPa,water absorption 2.31%, apparent porosity 1.72%,bulk density 0.74 g/cm3.

Key words:dry granulation； polishing tile waste； lightweight ceramic tile

通訊作者:黃劍鋒(1970-)，男，重慶人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：綠色陶瓷制造，huangjf@sust.edu.cn

作者簡介:張博燁(1991-)，男，陜西渭南人，實驗員，碩士，研究方向：綠色陶瓷制造

基金項目：國家科技支撐計劃項目(2013BAF09B02)； 陜西省科技廳科研創(chuàng)新團隊計劃項目(2013KCT-06)

*收稿日期:2015-10-11

中圖分類號：TB321

文獻標(biāo)志碼：A

*文章編號：1000-5811(2015)06-0061-06