一次烧成釉面砖坯釉料配方的研制

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一次烧成釉面砖坯釉料配方的研制高雅春徐研唐山063020)(河北理工学院轻工分院摘要关键词文章就一次烧成釉面砖坯釉料配方的理论依据、设计原则及试验配方的确定进行了论述。一次烧成釉面砖坯体配方釉料配方前言烧后性能优异且能满足大生产要求的坯用原料来替代一些目前品位不稳定的原料,用一些本身不含或少含挥发分(如有机物、结晶水等),同时满足膨胀系数小且膨胀系数随温度升高呈平稳直线增加,这样就能保证坯体干燥收缩与烧成收缩小,使其在理论上可实现产品的一次烧成工艺。通过各种单一原料的小试及多种原料的工艺性能分析,我们最终确定唐山永圩土等6种结合粘土和透辉石等4种硬质粘土作为初选原料。1.1结合粘土原料的选择为提高坯体的成形性能和干燥强度,减少生产过程中的破损,我们选择了粘度好、结合性强、干燥强度高的粘土作为配方的结合剂。通过对几种粘土原料的化学组成及物理性能的检测分析(见表1),认为唐山木节、唐山永圩土、辽宁法库土、迁西膨润土、山西木节、唐县土都是优良的结合剂。近年来,一次烧成釉面砖的研制在国内越来越受到重视,与二次烧成相比,一次烧成不仅简化了工艺流程,节约了能源,降低了成本,而且坯釉结合性能好。众所周知,在一次烧成釉面砖的配方中,合理的坯釉料配方起着举足轻重的作用,为此,在有关厂家的配合下,我们对一次烧成釉面砖的坯体及釉料配方进行了研制,并取得了初步成果。1原料选择的理论依据一次烧成釉面砖坯体配方的研制,就是在保证提高陶瓷釉面砖各项烧结性能的条件下,省略素烧工艺,实现产品的一次烧成。我们应寻找一些烧结温度低、表1结合粘土的各项物理性能可塑性指数可塑性指标(%)干燥强度(MPa)干燥收缩(%)烧成收缩(%)烧结状况(1200℃)原料烧后白度山西木节唐山木节唐山永圩土辽宁法库土迁西膨润土唐县土3.5116.592.140.354.64较白较白粉白粉色黄白白色没烧结没烧结半烧结半烧结烧结烧结3.8918.592.370.514.813.3716.122.030.436.703.2116.010.220.373.153.9320.452.770.983.343.1114.921.940.715.14从表1中可以看出,迁西膨润土结合性最强,干燥强度也最高,但由于本产品采用的是一次烧成工艺,含水釉浆将直接施在未经素烧的干坯表面,坯体表层的膨润土会由于吸收水而出现膨化作用,导致釉面裂纹,因此在整个坯体配方中的用量不能超过3%。唐山木节的结合性能和干燥强度仅次于迁西膨润土,但其烧失量大(17%以上),尤其是有机成分较高,在快烧过程中容易造成釉面针孔、起泡等缺陷。辽宁法库土和唐县土的结合性好,烧失量较小(小于7%),干燥强度也较高,是不可多得的一次烧成粘土原料,但法库土原料中由于着色铁离子的含量较高,烧后颜色泛红,影响坯体的白度,在生产白坯体内墙砖时尽量少用。唐山永圩土和山西木节烧失量适中(10%～12%),且Al2O3含量较高(分别为20%、36%),结合性能和成形后坯 ·35·全国性建材科技期刊———《陶瓷》2003年第2期总第162期体的干燥强度均较瓷土类高,可作瓷土粘性的补充。根据对上述原料的理化性能和烧结性能的对比分析,最终我们选择了唐县土、唐山永圩土和山西木节作为一次烧成釉面砖坯体配方的粘土原料。各种结合粘土的化学组成见表2。表2各种结合粘土的化学组成(质量%)SiO2Al2O3Fe2O3TiO2K2ONa2O原料CaOMgO烧失合计山西木节唐山木节唐山永圩土辽宁法库土迁西膨润土唐县土44.9136.310.930.862.010.451.411.2111.8999.9850.8726.000.960.911.310.700.930.8817.45100.0162.2919.780.582.311.980.162.620.979.80100.4975.6514.151.160.29Π0.790.483.000.193.8699.5772.5012.081.460.663.723.801.204.66100.0869.2714.970.120.722.812.291.352.505.7699.791.2硬质原料的选择1)引进烧失量小,在烧结反应过程中体积变化小的瓷石类原料,该原料以石英、伊利石为主,并含有少量的高岭石、长石等,这些矿物本身就具有构成瓷的各种成分,其工艺性能和烧成性能适合于低温快烧的生产工艺,且储量丰富易于开采,运输距离较近。采用该原料即可满足坯体配方的要求又可降低生产成本。2)引入适合低温快烧的透辉石原料,该原料是一种稳定的晶体,其本身不具有多晶转变且不含挥发分,在加热过程中既没有多晶转变所带来的体积效应,也没有分解和结晶水的排除,可快速升温;透辉石是柱面解理的柱状晶体,这种晶体有利于研磨,而且为水分排除提供了通道;透辉石的膨胀系数小,且体积变化随温度升高呈直线增加,避免了快速升温时造成坯裂缺陷,适合快速烧成;透辉石质坯体烧结程度好、吸水率低、强度高、晶相多、玻璃相少,且玻璃相又是富碱土金属,其吸湿膨胀小,不易产生后期龟裂。3)引入适量滑石原料,由于滑石粉具有滑润性能,在坯体脱膜时可减少坯体与模具的摩擦力,使坯体能够顺利脱模;少量滑石原料的引入,降低了产品的吸湿膨胀,减少了釉面砖产品的后期龟裂现象。4)引入部分D石原料,在补充Al2O3含量,扩宽坯体烧成范围方面,为了避免快烧造成的黑芯起泡、釉面针孔等缺陷,我们摒弃了有机物含量较多的木节粘土,而使用了仅含结构水的D石代之。硬质原料的化学组成见表3。表3硬质原料的化学组成(质量%)SiO2Al2O3Fe2O3TiO2K2ONa2OCaOMgO烧失合计瓷石透辉石滑石D石77.4013.380.650.171.210.663.450.772.4599.9852.921.030.392.71Π24.7316.030.330.281.68100.1058.920.410.033.3630.120.080.156.93100.0143.6334.701.691.291.901.700.270.8114.32100.31依据理论计算,参考有关资料初步设计了十几个配方。经对这些配方和性能进行计算和预测,最终选定4个试验配方,其配方的化学组成见表4。按上述试验配方进行配料、加工、成形后,采用一次烧成工艺,1150℃烧后试样的各项性能见表5。通过以上烧成试样的性能对比可知,各配方均能烧结成瓷,收缩率能达到模型和产品的尺寸要求,且吸水率符合国家标准。相比之下,3号配方的性能最佳。2坯体配方的确定2.1坯体配方范围经过不同配比几十次的试验,坯体配方的大致范围如下(质量%):山西木节10～20;唐县土10～20;永圩土5～10;透辉石20～30;白D石10～20;瓷石20～30;滑石5～10。2.2坯体配方的确定©1994-2014ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net ·36·全国性建材科技期刊———《陶瓷》2003年第2期总第162期表4坯体的化学组成(质量%)配方SiO2Al2O3Fe2O3TiO2CaOMgOK2ONa2O烧失合计12369.1070.5065.0013.7612.7215.301.131.351.720.410.610.753.784.304.503.573.314.102.001.451.371.011.301.125.254.515.89100.01100.0599.75467.2514.211.610.675.313.310.981.105.5299.96表5烧成后试样的性能系数匹配,且α坯≥α底釉>α面釉。3)釉料的熔融温度范围必须与坯体的烧成温度相适应。4)在最高烧成温度下和较短烧成时间内,面釉要有足够的流散度。5)面釉要有足够的光泽度或较理想的哑光效果。3.1釉用原料及配方试验根据生产实际经验和相关的资料显示,一次烧成釉面砖的釉料配方大致范围如下:熔块90%～95%,粘土5%～10%。在釉料配方中,熔块占90%以上,所以熔块质量的好坏将直接关系着产品的釉面质量。我们在现有釉面砖厂的生产条件下对多家制釉公司的一次烧内墙砖熔块分别进行了大量的实际实验,最终认为佛山大陆制釉公司生产的43L熔块不论在膨胀系数、烧成温度上较为适应我们已研制出的坯体性能,且釉面效果较好。为此我们选定了43L熔块做为面釉的主体原料。表7釉料的化学组成(质量%)吸水率(%)干燥收缩率烧结收缩率总收缩率坯体强度(%)(%)(%)(MPa)112.680.150.7760.9285.31214.520.200.7560.9536.12313.100.100.7900.9016.38413.750.101.0911.2105.55依据性能较好的3号配方,运用经验算法,进行大量梯度试验,对其进行优化,确定最终配方。化学组成见表6。表6坯料配方的化学组成(质量%)SiO2Al2O3Fe2O3TiO2CaOMgOK2ONa2O烧失合计68.0714.031.670.584.103.751.151.615.0499.55其坯式为:0.494CaO0.628MgO0.083K2O0.173Na2O0.929Al2O30.071Fe2O37.647SiO20.051TiO2SiO2Al2O3CaOMgOK2ONa2OZnOPbOBaOB2O3157.435.949.900.993.961.989.902.970.994.95255.457.925.944.950.994.956.930.991.987.923釉料配方的设计原则351.926.737.695.772.883.857.691.920.967.69釉料配方的各系数计算值(摩尔比)由于我们的目标是要实现釉面砖的一次烧成工艺并提高产品档次。为此,依据坯料配方,确立了以提高釉料的遮盖能力、坯釉适应能力、釉面平整度和光泽度等物理性能要求,同时全面考虑釉浆生产工艺性能的设计原则。采用在传统熔块釉基础上进行调整的方案,以提高釉料的始熔温度,降低高温粘度,克服釉泡等缺陷。使制品的釉面光泽度、平整度等方面有了显著提高。具体设计原则如下:1)釉料始熔点要高于坯体中物质氧化分解反应的最终温度,以避免釉料融化铺展在坯体表面后,坯体再反应并排出气体所造成的釉面针孔、釉泡等缺陷。2)釉料的膨胀系数要与化妆土和坯体配方的膨胀表8SiO2ΠAl2O3SiO2ΠR2O+ROROΠR2O1216.40711.9502.2972.3900.8223.237313.0441.7874.181表9釉料配方各性能预测热膨胀系数(×10-7Π℃)表面张力(达因Π»)熔融温度(℃)酸度系数11.1969.33350.7110020.9665.40357.3107031.1269.50348.81090©1994-2014ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net ·37·全国性建材科技期刊———《陶瓷》2003年第2期总第162期釉式:方设计软件,对配方和性能进行了计算和预测,以期适合我们所研制的素坯。釉料化学组成、釉料配方计算系数和性能预测系数分别列于表7、表8、表9中。将以上各釉料配方加工后施于青坯上进行一次烧成试验。通过试验结果的比较,我们选择了2号配方。其釉面质量与目前釉面砖厂现用的釉料相比有了较大提高。这主要由于2号釉料中K2O、Na2O和B2O3的含量有所增加,特别是K2O熔解石英的能力很强,使釉料的高温粘度和表面张力下降,高温流动性增加。釉液在高温铺展能力的增加使熔融釉液能均匀并平整地覆盖坯体的表面,从而提高釉面的平整度和反射率,使釉面具有高的光泽度。3.2釉料配方的确定初试所得的面釉配方虽比釉面砖厂现用的配方在釉面质量方面有了长足的进步,但距离我们高档釉面砖项目的目标还有一定差距,为此我们对釉料组成进行了进一步调整,添加了等当量的SrO替代Pb3O4以提高釉面光泽,最终釉料配方如表10所示。0.102K2O0.076Na2O0.425CaO0.058MgO0.292ZnO0.031PbO0.016BaO0.028K2O0.208Na2O0.182CaO0.318MgO0.221ZnO0.010PbO0.033BaO0.064K2O0.129Na2O0.284CaO0.296MgO0.195ZnO0.018PbO0.014BaO2.297SiO210.140Al2O30.171BO232.390SiO220.200Al2O30.259BO231.787SiO230.137Al2O30.229BO23根据本公司原料和佛山大陆制釉公司提供的43L熔块的化学组成,初步设计了3个配方,并利用陶瓷配表10面釉的化学组成(质量%)SiO2Al2O3Fe2O3TiO2K2ONa2OB2O3CaOMgOZnOSrOBaO合计56.807.230.040.017.113.243.114.278.562.611.125.901002)面釉的热膨胀系数稍低于坯体热膨胀系数,为面釉、化妆土和坯体的匹配奠定了基础。3)控制釉料中各组分的合理比例,增用少量等当量SrO替代有毒的Pb3O4,不仅提高了釉面质量,还减少了环境污染。釉式:0.074K2O0.154Na2O0.284CaO0.181MgO0.235ZnO0.016BaO0.056SrO3.3面釉的性能2.140SiO20.190B2O30.002TiO20.159Al2O30.007FeO23参考文献为了进一步掌握此釉料的性能,我们对其各种性能进行了检测。具体结果如下:①始熔点:1070℃;②熔融温度范围:1110～1150℃;③光泽度:93度;④膨胀系数(×10-6Π℃):室温～200℃,5.32;室温～300℃,5.73;室温～400℃,5.95;室温～500℃,6.21。1李家驹.陶瓷工艺学.北京:中国轻工业出版社,20012刘康时,等.陶瓷工艺原理.广州:华南理工大学出版社,19893杨少明.低温快烧高强釉面锦砖的研制.全国性建材科技期刊———陶瓷,1999(6):13～164范文标.陶瓷内墙釉面砖坯釉组成浅析.山东陶瓷,1997(4):40～455范文标.陶瓷内墙釉面砖坯釉组成浅析.山东陶瓷,1998(1):40～456范文标.陶瓷内墙釉面砖坯釉组成浅析.山东陶瓷,1998(2):42～454结语1)通过对坯体配方的各项理化性能进行检测,此配方能够满足现有窑炉的烧成工艺。©1994-2014ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net