堇青石－莫來(lái)石質(zhì)耐熱砂鍋的研制

摘 要 本文介紹了堇青石-莫來(lái)石質(zhì)耐熱砂鍋的特點(diǎn)，著重介紹其研制過(guò)程和生產(chǎn)工藝，并探討了堇青石-莫來(lái)石陶瓷生產(chǎn)工藝及造型設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品耐熱性能的影響，還分析了其耐熱機(jī)理#65377;

關(guān)鍵詞 堇青石-莫來(lái)石，耐熱砂鍋，熱穩(wěn)定性

1前言

隨著科技的進(jìn)步，消費(fèi)水平的提高，人們對(duì)食用器皿的耐熱震性#65380;耐腐蝕#65380;衛(wèi)生#65380;外觀(guān)等方面提出了更高的要求#65377;傳統(tǒng)的陶瓷#65380;搪瓷#65380;金屬食用器皿已較難滿(mǎn)足使用要求，因此，耐熱陶瓷器皿，以其美觀(guān)#65380;耐熱性能好#65380;衛(wèi)生無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的歡迎#65377;

耐熱砂鍋既有陶瓷的衛(wèi)生性能及外觀(guān)，又比一般陶瓷具有更好的熱穩(wěn)定性，在國(guó)際市場(chǎng)上深受歡迎，如在日本市場(chǎng)，每年需求量約在500萬(wàn)只以上#65377;

堇青石-莫來(lái)石質(zhì)耐熱砂鍋是以高嶺土#65380;滑石#65380;氧化鋁為主要原料，在高溫下燒成#65377;由于具有優(yōu)良的耐熱性能，堇青石-莫來(lái)石質(zhì)耐熱砂鍋可直接在電熱爐#65380;微波爐#65380;液化氣爐上使用，使用壽命為普通陶瓷砂鍋的數(shù)十倍;與金屬炊具相比，能更好地保存食物中的原汁原味;由于制品中含有鈣#65380;鎂#65380;鋅#65380;鐵等人體必需的微量元素且不含鉛#65380;鎘等有毒物質(zhì)，故長(zhǎng)期使用，能促進(jìn)健康，是現(xiàn)代家庭#65380;酒樓較為理想的烹調(diào)用具#65377;

2堇青石-莫來(lái)石質(zhì)耐熱砂鍋的研制

2.1 坯 料

2.1.1坯用原料

坯用原料主要為滑石#65380;高嶺土#65380;氧化鋁#65377;滑石采用海城滑石，預(yù)先經(jīng)過(guò)820℃煅燒并保溫1h;高嶺土采用Na₂O#65380;K₂O#65380;CaO#65380;MgO含量較低的蘇州高嶺土;氧化鋁采用純度大于99%的工業(yè)氧化鋁;考慮到工藝成形的要求，在配方中引入紅粘土洗泥，該洗泥可塑性強(qiáng)，有利于坯體成形，同時(shí)含鐵量高，有利于坯體的燒結(jié)#65377;各種原料的化學(xué)組成見(jiàn)表1#65377;

2.1.2坯體配方

經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，確定出各原料用量范圍進(jìn)行正交試驗(yàn)#65377;以鋰輝石#65380;高嶺土#65380;氧化鋁#65380;紅粘土作為試驗(yàn)因素，其用量為試驗(yàn)水平，采用L9(3⁴)安排正交試驗(yàn)#65377;因素水平及實(shí)驗(yàn)安排表分別見(jiàn)表2#65380;表3#65377;

通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，篩選出較理想的配方#2#65380;#5#65380;#8，并在這些配方基礎(chǔ)上再進(jìn)行試驗(yàn)，確定以下坯料配方(wt%): 燒滑石35 %;高嶺土 45%;氧化鋁 12%;紅粘土 8%#65377;坯體的化學(xué)組成見(jiàn)表4#65377;

2.1.3坯體研制

(1) 工藝流程:

原料的揀選→煅燒→稱(chēng)量→球磨→過(guò)篩→壓濾→練泥→陳腐→成形→修坯→素?zé)?/p>

(2) 工藝參數(shù):

1) 原料入磨粒度:100目篩余＜2%

2) 配料誤差:＜0.2%

3) 球磨時(shí)間:12～14h料:球:水=1:1.2:1

4) 泥漿細(xì)度:250目篩余＜0.5 %

5) 可塑成形瓷泥水分:23%～24 %

6) 瓷泥陳腐時(shí)間:＞48h

7) 干燥溫度:60℃ 入窯水分<3%

8) 素?zé)郎囟?880～900℃，周期9～10h

素?zé)黧w吸水率16%～18%

2.2 釉 料

2.2.1釉用原料及配方

為使釉的膨脹系數(shù)略低于坯料，在釉用原料選擇上，用鋰輝石代替長(zhǎng)石作為主要熔劑#65377;釉料配方及其化學(xué)組成分別見(jiàn)表5#65380;表6#65377;

2.2.2 釉料制備工藝

球 磨:料:球:水 =1:2:0.8

球磨時(shí)間:20～24h

釉料細(xì)度:250目篩余＜0.1 %

施釉方法:浸釉

釉漿密度:1.20～1.48 g/cm³

釉層厚度:0.1～0.2 mm

2.3 燒成工藝

適當(dāng)提高釉燒溫度#65380;延長(zhǎng)高溫時(shí)間，既能促進(jìn)坯體中堇青石#65380;莫來(lái)石晶相的形成，又能增加石英熔融量，減少殘余石英，從而降低釉的膨脹系數(shù)，提高制品熱穩(wěn)定性#65377;

該產(chǎn)品在8m³的液化石油氣梭式窯中燒成#65377;其燒成制度如圖1所示#65377;

3結(jié)果與討論

3.1 產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果

熱膨脹系數(shù):2×10^-6～4×10^-6/℃(20～800℃)

熱穩(wěn)定性:450～20℃水中一次熱交換不裂

3.2 坯料組成對(duì)耐熱性能的影響

堇青石-莫來(lái)石陶瓷坯體的顯微結(jié)構(gòu)由晶相#65380;玻璃相和氣孔三部分組成#65377;晶相主要是堇青石#65380;莫來(lái)石和殘余石英#65377;堇青石相是低膨脹陶瓷的主要晶相，它決定著坯體的熱膨脹系數(shù);在原料選擇中，應(yīng)嚴(yán)格控制鉀#65380;鈉#65380;鈣的含量，以減少坯體玻璃相的含量，從而降低膨脹系數(shù)，因此選擇鉀#65380;鈉#65380;鈣含量較低的蘇州高嶺土;考慮到成形與燒成工藝，在原料中引入適量可塑性較強(qiáng)#65380;鐵含量較高的紅粘土洗泥，但一般坯料中含鐵量應(yīng)少于0.6%#65377;

3.3 原料細(xì)度#65380;預(yù)燒對(duì)制品耐熱性能的影響

細(xì)原料有利于堇青石的形成，因此可降低膨脹系數(shù);滑石經(jīng)850℃預(yù)燒脫水，破壞其層狀結(jié)構(gòu)，有利于提高其可塑性，并防止坯體開(kāi)裂#65377;

3.4 燒成制度對(duì)制品耐熱性能的影響

耐熱砂鍋的燒成溫度和燒成時(shí)間對(duì)其耐熱性能有極大影響:提高釉燒溫度和延長(zhǎng)保溫時(shí)間，可促進(jìn)堇青石晶相形成，從而降低釉膨脹系數(shù)，同時(shí)可提高坯釉結(jié)合強(qiáng)度#65377;經(jīng)試驗(yàn)，適宜的燒成溫度為1 300～1 320℃:如燒成溫度太低，則坯體的強(qiáng)度低，化學(xué)反應(yīng)不完全，堇青石含量少，熱穩(wěn)定性差;燒成溫度太高，玻璃相增多，耐熱性能也差，且浪費(fèi)能源#65377;因此，燒成溫度和保溫時(shí)間要適當(dāng)，確保窯內(nèi)溫度的均勻和化學(xué)反應(yīng)完全#65377;

3.5 耐熱砂鍋的造型設(shè)計(jì)對(duì)其使用性能的影響

耐熱砂鍋的熱穩(wěn)定性與形狀尺寸有關(guān)#65377;造型應(yīng)盡量避免銳角和棱邊，不允許坯體有厚薄不均及密度不勻，以避免產(chǎn)品在加熱過(guò)程中產(chǎn)生局部應(yīng)力#65377;器皿厚薄越均勻#65380;邊角越圓滑#65380;越薄，耐熱震性越好#65377;同時(shí)將鍋底設(shè)計(jì)成平緩的傘面型，讓底圈與爐子充分接觸，有利于制品的傳熱，提高熱穩(wěn)定性#65377;

圖2 SiO₂-Al₂O₃-MgO系統(tǒng)局部相圖

4 堇青石-莫來(lái)石質(zhì)耐熱砂鍋的耐熱機(jī)理

從SiO₂-Al₂O₃-MgO系統(tǒng)局部相圖(圖2)可以看到:在氧化硅-堇青石-莫來(lái)石組成的三角形內(nèi)，P點(diǎn)是最低共熔點(diǎn)，M是莫來(lái)石組成點(diǎn)#65377;連線(xiàn)PM，在連線(xiàn)之下的組成有SiO₂相和莫來(lái)石相，無(wú)堇青石相;而在PM連線(xiàn)以上的組成有堇青石和莫來(lái)石相，而無(wú)SiO₂相#65377;堇青石#65380;莫來(lái)石組成應(yīng)在PM連線(xiàn)之上，避免出現(xiàn)SiO₂晶相為宜#65377;同理，在尖晶石-莫來(lái)石-堇青石組成的三角形內(nèi)，N點(diǎn)是三元最低共熔點(diǎn)，NM連線(xiàn)之下的組成為堇青石-莫來(lái)石晶相，D點(diǎn)是堇青石組成點(diǎn)C與莫來(lái)石組成點(diǎn)M間連線(xiàn)CM在堇青石-莫來(lái)石液相曲線(xiàn)上的交點(diǎn)#65377;以DM為軸線(xiàn)，在PM連線(xiàn)和NM之間存在著堇青石的合理組成區(qū):區(qū)域Ⅰ為堇青石-莫來(lái)石質(zhì)組成區(qū)，區(qū)域Ⅱ?yàn)槟獊?lái)石-堇青石質(zhì)組成區(qū)，制品的性能取決于晶相組成#65377;堇青石含量多少?zèng)Q定制品膨脹系數(shù)的大小，因此在兼顧生產(chǎn)工藝的同時(shí)，盡量使制品中堇青石含量高一點(diǎn)，以降低膨脹系數(shù)#65377;

根據(jù)資料介紹，在區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ的組成點(diǎn)的熱膨脹系數(shù)在2×10^-6～3.5×10^-6/℃(20～800℃)之間，因此具有良好的熱穩(wěn)定性#65377;

5結(jié)論

(1) 堇青石-莫來(lái)石質(zhì)耐熱砂鍋，坯料中燒滑石含量為30%～35%#65380;高嶺土含量45%～55%#65380;氧化鋁含量10%～15%#65377;配合低膨脹系數(shù)的鋰質(zhì)釉，坯釉結(jié)合良好，具有較低的熱膨脹系數(shù)和良好的抗熱震性;

(2) 合理的燒成制度，能促進(jìn)坯體中石英的熔融和堇青石-莫來(lái)石的形成，從而降低產(chǎn)品膨脹系數(shù)，提高產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性;

(3) 產(chǎn)品的外觀(guān)設(shè)計(jì)也影響到產(chǎn)品的急冷急熱性能#65377;

參考文獻(xiàn)

1 輕工業(yè)部第一輕工業(yè)局.日用陶瓷工業(yè)手冊(cè)[M].北京:輕工業(yè)出版社，1984，851～854

2 沈兵主編.陶瓷生產(chǎn)一線(xiàn)工人國(guó)家職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與技能操作規(guī)范達(dá)標(biāo)手冊(cè)[M].北京，中國(guó)科技文化出版社.