钒钛黑瓷的制造工艺及其在现代工业中的应用

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1、钒钛黑瓷的制造工艺及其在现代工业中的应用修大鹏，王启春，杨玉国，谷胜利，孙启正（山东省科学院新材料研究所，济南250014）【摘要】:介绍了利用提钒尾渣制造钒钛黑瓷的工艺方法，并对钒钛黑瓷的各种性能及其在现代工业中的应用等进行了分析和研究。【关键词】：提钒尾渣，钒钛黑瓷，能源材料，功能材料论，提钒尾渣和普通陶瓷原料按1：1配比，用普通陶瓷的生产工艺和辊道窑设备经1100℃烧成，即可生产出整体黑色的纯瓷质制品—钒钛黑瓷，这是生产钒钛黑瓷的基本配方。钒钛黑瓷的生产工艺总流程如图1所示。在用提钒尾渣和普通陶瓷原料烧制钒钛黑瓷之前，需对各种原料进行前处理加工。提钒尾渣

2、需经过预烧以减少烧成收缩，预烧温度1000℃～1300℃，时间为5分钟左右，预烧的提钒尾渣用碎料机辗碎后，将其与普通陶瓷原料按配方过磅投放到球磨机中进行球磨细碎，球磨工艺流程如图2所示。球磨12小时后即达到所需细度，然后进行过筛、除铁、泥浆压滤脱水、真空练泥等工序，其中过筛、除铁需分别进行两次，真空练泥亦需粗练、精练各两次，将练好的泥坯陈腐一段时间后，即进入素坯成型阶段。成型工序采用辊轧机滚压成型，经干燥、修坯后，送入辊道窑进行烧成，烧成工序是钒钛黑瓷生成过程中最重要的工序，需严格控制温度变化曲线，避免升温过快，黑瓷烧结温度范围为1000℃～1200℃，一般为

3、1100℃，烧结保温时间为0.5～2小时。成型及烧成工艺流程如图3所示。引言众所周知，黑色物体具有较高的光热吸收率、红外辐射率和较高的光热转换效率等，因此黑色陶瓷作为一种装饰材料和功能材料，在能源利用、节能、红外、建筑等领域具有广泛的用途。20世纪末国内外陶瓷工业主要使用黑色陶瓷颜料制造黑色陶瓷，黑色陶瓷颜料通常由第四周期过渡金属元素如Co、Ni、Cr、Mn、V、Ti、Fe等的氧化物经准确搭配、复杂的加工过程组成，称作钴系黑色颜料，近期又有人尝试利用含铁量高的粘土加入氧化锰制造黑色釉等。这些方法不但成本高，烧成工艺难掌握，而且都需要具有高的耐热性和呈色稳定性。

4、为研制无钴黑色颜料，国内外陶瓷工作者经过长期艰苦努力，发现许多含铁量高的廉价原料在一定温度范围内可以呈现黑色，但呈色的温度范围和烧结温度范围都相当狭窄，工艺上难以控制。在此基础上，山东省科学院新材料研究所的科研工作者经长期研究和数千次配方烧成试验后发现，钢铁工业和铁合金工业产出的提钒尾渣表现了很宽的黑色呈色温度范围和烧结温度范围，具有很强的黑色着色作用和良好的成瓷性能，并具有优良的理化性能和光热转换性能，以提钒尾渣为主要原料可以制造纯黑色陶瓷材料。1钒钛黑瓷的制造工艺提钒尾渣又称为钒浸出渣，其生产过程是钒钛磁铁矿经高温冶炼生产含钒铁水，将含钒铁水在炼钢转炉中吹

5、炼得到钒渣，钒渣在回转炉中经纳化氧化焙烧，焙烧过的钒渣浸出可溶性钒盐后剩下的残渣便是提钒尾渣。我国提钒尾渣产量丰富，每年提钒尾渣产出量接近30万吨。提钒尾渣为黑色粉状物，是优良的光热转换材料和成瓷材料，单独的提钒尾渣煅烧便可制得致密的黑色陶瓷。钒钛黑瓷是在普通陶瓷原料中加入一定比例的提钒尾渣制造的陶瓷，其中提钒尾渣含量范围为25～100%，不同配方制作的钒钛黑瓷可以具有不同的性能，用于不同的用途。经过长期研究和数千次配方烧成试验得出结图1钒钛黑瓷生产工艺总流程图图2球磨工艺流程图收稿日期：2008-1-23作者简介：修大鹏（1981—），男，硕士，助理研究员。

6、图3成型及烧成工艺流程图中国陶瓷│CHINACERAMICS│2008(44)第4期│41中国陶瓷2008年第4期表1提钒尾渣和钒钛黑瓷中Cr6+、V含量检测方法及结果图4950℃时钒钛黑瓷断面形貌相图51000℃时钒钛黑瓷断面形貌相图61100℃时钒钛黑瓷断面形貌相图7钒钛黑瓷断面Cr、V线扫描相提钒尾渣能够制造出钒钛黑瓷是因为钢铁工业和铁合金工业为保持所生产的钒盐化学成分的稳定，对原料和工艺进行了严格的控制，从而也产出了化学成分比较稳定的提钒尾渣，由于从钒钛磁铁矿到提钒尾渣要经过粉碎混合、高温处理、富集浸取等复杂的工艺过程，使提钒尾渣中的第四周期过渡元素化

7、合物的总量高达80％左右，并且各种过渡元素的比例搭配也十分巧合，以致使其具有十分良好的黑色呈色性能和成瓷性能。钒钛黑瓷生产工艺简单，制造成本低廉，其强度比普通陶瓷几乎高一倍，阳光吸收率0.9，远红外辐射率0.9，历经10年而未见性能衰减，是典型的功能材料和能源材料。2钒钛黑瓷生产及使用的安全性提钒尾渣成分中含有一定量的铬盐和钒盐，Cr6+有剧毒，可溶入水，大量的钒对人体亦有害，因此在生产钒钛黑瓷过程中应采取一定的措施，以确保生产的安全性，如为工人配备工作服、防尘毒口罩等保护用品，并使用循环用水以减少废水的排放等。钒钛黑瓷具有高度的化学稳定性，不腐蚀、不老化，在

8、使用过程中不会产生二次污染，这是由于钒