燒成制度對干法造粒制備輕質陶瓷磚性能的影響

燒成制度對干法造粒制備輕質陶瓷磚性能的影響*

張博燁1黃劍鋒1陶曉文2李康1汪慶剛1李轉2費杰1閆開放2劉純2

(1 陜西科技大學材料科學與工程學院西安710021)(2 咸陽陶瓷研究設計院陜西 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，制備輕質陶瓷磚，并研究了燒成制度對輕質陶瓷磚性能的影響。結果表明：隨著燒成溫度的升高，輕質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℃時達到最低值；抗折強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，制備的輕質陶瓷磚抗折強度為6.3MPa，吸水率為2.3%，閉氣孔率為71.2%，容重為0.64g/cm3。

關鍵詞干燒成制度干法造粒拋光廢渣輕質陶瓷磚

基金項目：*國家科技支撐計劃項目(項目編號：2013BAF09B02)；陜西省科技廳重點科研創新團隊計劃項目(項目編號：2013KCT-06)。

作者簡介：張博燁(1991-)，碩士，實驗員；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；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，我國陶瓷行業飛速發展，但同時對環境也造成了嚴重污染。據《2014年全國瓷磚產能報告》統計，2014年全國陶瓷磚年產能達139.6億m2，其中拋光磚產能占27.9%，是最主要的陶瓷磚產品。陶瓷企業平均每生產1m2的拋光磚，將產生1.5kg的磚屑和0.6kg拋光磨具損耗的碎屑，共計產生2.1kg的拋光廢渣。按照漿狀廢料含水率為35%計，2014年產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，這些陶瓷拋光廢料在燒成中會引起陶瓷坯體發泡，難以循環利用，是陶瓷產業綠色生產的障礙之一[2～4]。陶瓷企業傳統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，阻礙了陶瓷企業的綠色生產。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，相對于傳統噴霧造粒濕法工藝具有節約水資源、能耗低、污染小的優點，雖然從工藝及裝備方面還需進一步完善，但從節約能源和降低投資費用等方面看，將是陶瓷行業未來的發展方向[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行部分回收利用，主要有以下材料：

1) 生產固體廢棄物混凝土材料；

2) 生產建筑吸聲板；

3) 生產陶粒；

4) 回收生產拋光磚；

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泡的性能，制備的輕質陶瓷磚，具有隔熱、保溫、A級防火性能的特點，可以作為輕質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，經干法造粒后在電爐中燒成，制備了輕質陶瓷磚，并研究了不同燒成溫度對其性能的影響。

1實驗

1.1輕質陶瓷磚的制備

表1　制備輕質陶瓷磚所用陶瓷原料的化學成分組成(質量%)

圖1　實驗工藝流程圖

實驗以拋光廢渣為主要原料，輔以其他陶瓷原料，制備輕質陶瓷磚。實驗所用陶瓷原料化學成分組成如表1所示，其中廢渣1和廢渣2為陶瓷企業不同時期堆放的廢渣，實驗時將兩者混合均勻后使用。考慮拋光廢渣的發泡特性，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、力鴻砂用于提高燒成穩定性，加入黑滑石可提高試樣發泡性能。結合前期探究基礎，輕質陶瓷磚按照配方(質量%)計為：拋光廢渣50、高鋁泥20、恒峰砂18、力鴻砂10、黑滑石2。原料按照硬質料和軟質料分開磨細，按配方配料添加0.3%的造粒添加劑，采用自制干法造粒機進行干法造粒[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。實驗工藝流程圖如圖1所示。

1.2測試與表征

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成分；采用臺灣的AM-412光學顯微鏡(安鵬科技股份有限公司生產)，對燒成試樣的斷面氣孔形貌和結構進行觀察。根據國家標準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收縮(膨脹)率、吸水率、顯氣孔率、容重及抗折強度。燒成試樣閉氣孔率采用質量-體積法進行測量[16]。

2結果與討論

圖2為燒成溫度對輕質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，此階段呈拋物線規律變化。在1170℃后開始，試樣的吸水率和線膨脹率又繼續增加。

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氧化反應產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繼續氧化產生氣體，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，導致吸水率不斷升高。當燒成溫度超過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部，試樣的線膨脹率也隨之快速增大。當燒成溫度超過1170℃時，液相粘度降低，同時伴隨部分液相揮發，致使表層液相不足以維持內部氣體壓力而破裂，導致吸水率逐漸升高。

圖3為燒成溫度對輕質陶瓷磚試樣抗折強度和容重的影響變化。從圖3可知，試樣的容重和抗折強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；當燒成溫度為1100～1150℃時其抗折強度變化非常明顯，可能是由于此溫度段SiC氧化產生氣體，被產生的液相包裹從而產生發泡導致的；當燒成溫度為1150～1200℃時，試樣強度和容重穩定降低；當燒成溫度為1160℃試樣的容重達到0.64g/cm3。

圖3　燒成溫度對試樣抗折強度和容重的影響

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℃時出現明顯小氣孔，但氣孔不規則，此時可能由于產生液相較少，產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生，包裹生成的氣體導致發泡程度增加，同時大量的液相鋪在試樣表面，覆蓋產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℃時試樣斷面發黑，氣孔已經變得過大，由于部分小氣孔融合為較大氣孔，同時實驗過程中發現試樣變形嚴重。燒成溫度對試樣性能影響較大，溫度太低會導致試樣發泡不充分；溫度過高導致試樣變形情況嚴重，經綜合考慮后，確定輕質陶瓷磚的燒成溫度在1160℃為宜。

圖5為保溫時間對輕質陶瓷磚試樣抗折強度和容重的影響。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，試樣產生的氣體相對增加，發泡程度逐漸增加，導致單位體積內的骨料含量降低，試樣的容重和強度逐漸降低[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度和容重的影響

圖6為不同保溫時間的輕質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，導致局部發泡程度較大；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，導致應力集中，試樣的容重和抗折強度明顯降低；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

按照輕質陶瓷磚配方進行配料，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，制得輕質陶瓷磚。所制備的輕質陶瓷磚抗折強度為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、低容重使材料的導熱系數降低，可以作為墻體保溫材料應用。

3結論

1)隨著燒成溫度的升高，輕質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℃達到最低值；抗折強度和容重隨燒成溫度升高逐漸降低，隨著保溫時間延長，試樣容重和抗折強度逐漸降低，但變化不明顯。

2)以拋光廢渣為主要原料，結合其他陶瓷原料(按質量%)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。所制備的輕質陶瓷磚，其抗折強度為6.3MPa，吸水率為2.3%，閉氣孔率為73.6%，容重為0.64g/cm3。

參考文獻

1尹虹.讀《2014全國瓷磚產能報告》.陶瓷信息,2015-1-31

2奚修安.拋光磚廢料的燒成發泡機理及應用研究.廣州:華南理工大學,2011

3黃惠寧,柯善軍,張國濤.拋光廢渣在陶瓷磚中的應用及現狀.佛山陶瓷,2012(7):1～8

4曾權,鄺志均,王業豪.拋光廢渣回收利用于拋光磚生產的研究.佛山陶瓷,2012(8):23～26

5陶曉文,閆蛇民,成智文,等.懸浮式干法增濕造粒工藝及顆粒優化技術的研究.全國性科技核心期刊——陶瓷,2014(11):22～24

6陶曉文.新型干法短流程生產陶瓷磚壓形粉料的工藝技術.2012(2):46～48

7侯來廣,曾令可,王慧.利用拋光磚廢料制備包裹型免燒陶粒的研究.新型建筑材料,2006(8):72～75

8鄭文.利用陶瓷拋光廢料制備拋光磚的研究.廣州:華南理工大學,2012

9曾令可,金雪莉,劉艷春.陶瓷廢料回收利用技術.北京:化學工業出版社,2010

10萬冬梅,彭剛.利用陶瓷廢渣開發固體混凝土材料的研究.佛山陶瓷,2001(10):4～6

11呂海濤.利用拋光磚廢料制備建筑吸聲板材的研究.廣州:華南理工大學,2011

12喬木,王欣丹,王艷,等.拋光磚拋光廢料的回收利用途徑分析.中國陶瓷,2010,47(1):25～28

13羅浩樂.利用拋光磚廢渣生產輕質外墻磚.景德鎮:景德鎮陶瓷學院,2009

14黃劍鋒,張博燁,汪慶剛,等.一種建筑陶瓷坯料干法造粒裝置及其方法.中國專利:ZL 201310489068.6,2014-02-12

15黃劍鋒,張博燁,汪慶剛,等.一種多功能輕質陶瓷磚及其制備方法.中國專利:ZL 201310488663.8,2014-02-12

16劉培生.多孔材料孔率的測定方法.鈦工業進展,2005,22(6):34～37

17Shui A Z,Xi X A,Wang Y M,et al.Effect of silicon carbide additive on microstructure and properties of porcelain ceramics.Ceramics International,2011,37:1557～1562

18Shruti T W,Balasubramaniam R,Gupta M.Corrosion behavior of SiC reinforced magnesium composites.Corrosion Science,2007,49:711～725

19羅民華.多孔陶瓷實用技術.北京:中國建材工業出版社,2006

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