利用陶瓷廢料研制一次燒成3～6%吸水率仿古磚坯體

黃辛辰

（廣東金意陶陶瓷集團有限公司創新與趨勢研究院，528000）

1 前言

隨著建筑裝飾材料行業的不斷發展，尤其是建筑陶瓷行業的迅猛發展，一方面豐富多樣、裝飾效果好的建陶產品給民眾帶來了實惠，提高了生活水平，另一方面也帶來了能源高消耗及環境壓力大的問題。即使拋開以上問題，單從目前的建筑陶瓷行業現狀來看，用于建筑陶瓷生產的原料也日益匱乏，相應的生產成本也在迅速提高。針對這一現狀，本項目為了降低生產成本，利用回收的陶瓷廢泥、污水處理壓榨泥研制一次燒成吸水率3%≤E≤6%坯體配方。試驗所用的坯體原料及陶瓷廢料均來自本廠及附近原料。

2 原料及配方設計原則

2.1 坯用原料的選擇及配方設計原則

根據3%≤E≤6%吸水率仿古磚的性能及低溫一次快燒工藝要求，結合實際情況，在坯體配方設計時考慮以下幾個原則：①盡可能多的使用廣東某企業原料或其附近原料，降低材料成本；②選用適當的可塑性原料，引入瘠性原料及陶瓷廢料，得到生坯強度高、干燥及燒成收縮小、生坯散水性優良、坯體具有較快的燒成速度和熱傳導性，以避免坯體在快燒過程中產生溫度梯度而造成變形開裂；③符合常規低溫一次快燒工藝要求；④坯體新配方的膨脹系數應與現有釉料相匹配。

2.2 原料性能分析試驗

本次試驗所用的坯體原料及陶瓷廢料化學組成和部分工藝性能分別見表1、表2。

3 試驗、生產工藝過程及主要工藝參數

3.1 坯體試驗

坯體配方分2組10個配方試驗，釉料采用廣東某企業成熟釉料配方試驗，成型采用120T壓機，燒成在廣東某企業輥道窯中進行。考察成型、生坯強度、干燥性、施釉性能、燒成溫度及時間、燒成收縮、吸水率等，優選一個坯體配方（見表3），小試工藝流程見圖1，經擴大性試驗后投入生產。

圖1 小試工藝流程

3.2 生產工藝過程

生產采用一次快燒工藝，工藝流程見圖2。

3.3 主要工藝參數

生產工藝參數見表3。

表1 原料的化學組成（wt%）

表2 原料部分工藝性能

圖2 生產工藝流程

表3 生產工藝參數

4 試驗結果與討論

4.1 坯體化學組成分析

坯體化學組成見表4。

坯式：

該配方燒成后屬細炻質，坯料組成特點如下：①SiO2含量高，Al2O3含量低。硅鋁摩爾比（SiO2/Al2O3）為 6.6；②熔劑組成 RO=0.2505，R2O=0.2803，RO+R2O=0.5308，RO/R2O=0.8937；③坯料的燒失量小。生產實踐表明，該組成適合一次低溫快燒。

4.2 燒成分析

合理的升溫、保溫、降溫制度是保證產品各項物理性能的基礎，也是形成良好釉面的關鍵因素。470℃以前是預熱低溫階段，升溫速度對坯體和釉面質量影響不大，可采用較快的升溫速度，本項目以60℃/min左右的速度完成此階段的升溫。470～1100℃左右是氧化分解階段，此時坯體排出結構水，碳和有機物氧化，碳酸鹽和硫酸鹽分解，石英發生晶型轉變，一方面需要大量的熱，另一方面要適當放慢升溫速度，此階段升溫速度控制在40～45℃/min，盡量加長此階段的燒成時間。1100～1170℃為坯體燒結，釉層玻化階段，坯體液相量增多，氣孔被填充，發生急速收縮，升溫應均勻平緩，宜用20℃/min的升溫速度到最高燒成溫度。到達1172±5℃后采用保溫方式。1170～650℃由于坯體液相還處于液體狀態，可進行急冷。650℃以下由于液相開始凝固，石英晶型轉化，應緩冷。

此產品燒成周期為57 min，燒成曲線如圖3所示。

圖3 釉燒窯燒成曲線

為了使配方設計合理化，分別對坯體進行了熱失重分析、差熱分析測定。

表4 坯體化學組成（質量%）

從坯體的熱失重曲線圖（見圖4）可以看出，500℃以前失重量較小，僅為1.5%，是坯體中吸附水的排出。從500℃～640℃，失重為2.9%，產生的原因是結合水在此溫度階段被快速排除，這非常有利于制品在燒成時消除釉面針孔，同時，在此溫度階段升溫速度應該稍慢一些。從640℃～1140℃失重量僅為0.6%，主要是坯體中微量的碳酸鹽分解所致。此坯料加熱到1140℃時，整個反應基本完成，總失重量僅為5.0%。

圖4 坯體TG曲線圖

從坯體的差熱曲線圖（見圖5）可以看出，室溫到490℃左右曲線下滑，吸附水、結構水吸熱后脫除。490℃～560℃有一個明顯的放熱峰，峰值在530℃達到最大，此溫度階段主要是有機物氧化分解。然后從560℃持續吸熱至970℃左右。978.4℃吸熱谷顯示坯體中碳酸鹽和硫酸鹽類原料的分解溫度，此吸熱谷較小，說明坯體原料中所含碳酸鹽和硫酸鹽類礦物較少。

4.3 坯體晶相分析

將坯體進行XRD測試。從1170℃燒制下保溫6min坯體的XRD圖譜（見圖6）可以看出，莫來石化程度較低，含量僅為19%，主要是細小的莫來石晶體群，石英含量最高，占56%，非晶相含量為25%。

4.4 坯體主要性能指標

坯體的主要性能測試結果如表5。測試結果表明，坯體的各項性能指標均符合國家標準GB/T4100-2006要求。

圖5 坯體DTA曲線圖

表5 燒成后主要性能指標

4.5 坯釉匹配分析

本試驗目標是對原有坯體配方進行置換，釉料配方不變。通常釉抗壓應力的能力大于抗拉應力的10倍以上，因此坯體的膨脹系數應略大于釉的膨脹系數，使釉層處于微壓狀態。坯釉體積膨脹系數之差控制在（1～4）×10-6/℃之間為宜。

分別對上述配方設計的坯料和底、面釉料進行熱膨脹系數進行比較，結果表明，坯料和底、面釉料熱膨脹系數之差基本上在（1～4）×10-6/℃之間，證明本次試驗坯體配方與原有釉料之間是相匹配的。

坯料、底面釉膨脹系數與溫度范圍的關系見表6。

表6 坯料、底面釉膨脹系數

5 結論

（1）通過試驗及生產驗證，陶瓷廢料引入仿古磚坯體配方中切實可行，能夠滿足本項目一次燒成性能和質量要求。

（2）陶瓷廢料與坯料的成分相近，水分低而穩定，對坯體收縮率影響很小，可作為瘠性料使用，燒成制度也較容易控制。配方中引入陶瓷廢料，需外加適量坯體增強劑以增加坯體的抗脆性與抗折強度。

（3）仿古磚坯體需通過釉面裝飾進行遮蓋，故可降低坯體對原料的白度要求，從而消化合乎需求的陶瓷廢料。利用陶瓷廢料生產仿古磚坯體，能有效的解決企業廢棄物的排放所引起的環境破壞并緩解企業廢料的堆積問題，降低生產成本，提高資源利用率。

（4）陶瓷廢料應用前應進行均化處理，以保持組成的相對穩定，對生產質量控制有益。

參考文獻

[1]黃惠寧.一次低溫快燒高強瓷質外墻磚的研制[J].陶瓷，1999（1）.

[2]李家駒主編.陶瓷工藝學[M].北京：中國輕工業出版社，2001.

[3]蔡祖光.陶瓷工業廢料廢渣的處理[J].佛山陶瓷，2002.

[4]俞康泰.陶瓷廢料的再循環與環境材料學[J].佛山陶瓷，2003（9）.

[5]徐研.一次燒成釉面磚坯釉配方設計及坯釉性能的研究[J].陶瓷學報，2005（3）。

[6]鄭樹龍.陶瓷磚拋光廢渣回收利用及產品的性能研究[J].佛山陶瓷，2007。

[7]羅淑芬.陶瓷工業廢渣在陶瓷磚坯料中的應用.佛山陶瓷，2009（4）。

[8]謝澤林.工業廢渣在陶瓷行業中的應用[J].陶瓷資源綜合利用學術論文集，2010。

[9]黃惠寧.拋光廢渣在陶瓷磚中的應用及現狀 [J].佛山陶瓷，2012（7）。

[10]熱分析在建筑陶瓷材料的應用[J].