陶瓷工业原料瓷石的划分、性能要求及其发展趋势

2010-01-22褚强,王彬

中国矿业 2010年3期

褚强,王彬

(1.苏州中材非金属矿工业设计研究院有限公司，江苏苏州 215004；2.江苏苏州地质工程勘察院，江苏苏州 215129)

三十年来，我国陶瓷工业发展迅猛，陶瓷产量连续十多年排在世界第一，其总产量约占世界总产量的52%。统计数据显示，2000～2006年七年间，我国卫生洁具产量保持了年均11%的速度增长，到2007年产量达到了9800万件，占世界卫生洁具总产量的36%。我国餐具产量保持了7%的年均增长，到2007年产量超过了190亿件，占世界餐具总产量的60%。据介绍，1978年以前，大部分餐具生产还仅用于满足国内市场，从1978年起，出口量在总产量中的比重逐年递增，到2007年出口已占总产量的63%。2006年，我国建筑陶瓷墙地砖产量已经超过50亿m2、卫生陶瓷已超过1.31亿件。由此估算出，我国的当年需陶瓷原料达2亿t以上。

瓷石和瓷土是生产陶瓷的主要原料，在瓷坯组成中约各占40%。我国有着得天独厚的瓷石原料资源，因此能够得以长期支持着中国陶瓷产业的健康发展。我国南方瓷石矿中，以江西和湖南储量最多，湖南醴陵马泥沟的储量达到1亿t。另外，福建和浙江的地质储量也十分丰富。近几十年来，随着科技进步与开发利用水平的不断提高，我国陶瓷业对于替代瓷石的非金属矿原材料，如硅灰石、磷灰石、锂辉石等各种硅酸盐矿和工业废料的开发利用，也进入了一个新的阶段。这两年新政策对原料和矿产的出口控制更加严格，中国出口的高品质陶瓷原料数量或将减少，价格也会相应上升。世界陶瓷业的领导地位，使我国逐渐成为了世界最大的陶瓷矿产原料消费国。

我国北方瓷石矿床储量巨大，其中一些矿产可供使用成百或上千年。这一资源优势既能够为继续推动我国陶瓷发展打下基础，又为我国发展陶瓷原料大批量出口，创造丰厚的条件。

1 瓷石原料的性质

瓷石(China stone)是一种坚硬或半坚硬的石质原料，瓷石是岩石名称，也是矿物原料名称。其有益成分是石英(约40%～30%)、绢云母(约16%～30%)、高岭石(0%～12%)和极少量长石及碳酸盐。化学成份SiO2一般大于78%，A12O3一般不超过20%，K2O和Na2O 约为3%～8%，Fe2O3在1%左右，此外还含CaO、MgO等。因其含有构成瓷坯的基本组分，并且有适应制瓷工艺和烧成所需的性质，单一瓷石即可成瓷,故名瓷石。瓷石因含有一定钾、钠，在制瓷配方中常代替长石起熔剂作用。瓷土为瓷石风化的产物，为塑性原料，矿物成分以伊利石和石英为主，部分高岭石、长石。瓷石属瘠性原料，为了增加其可塑性，满足成形性能要求，需要与高岭土配合。瓷土和瓷石常共生成矿，也可各自独立成矿。

2 我国瓷石原料的分类和工业要求

2.1 瓷石的分类

瓷石中含碱金属氧化物较低者，有较高的耐火度和良好的工艺性能而作为瓷胎的基本原料，称其为高温瓷石(硬质瓷石)，富含长石，由石英、水白云母、伊利石等组成；而其中含碱金属氧化物较高、耐火度较低者，主要用作釉料(称为釉石)或瓷胎配料者，称其为低温瓷石(软质瓷石)。早期开采使用的瓷石出露于地表，风化程度较好，碱金属氧化物(尤其是Na2O)流失，A12O3相对富集。瓷石埋藏愈深，长石矿物绢云母化程度愈低，A12O3含量减少，SiO2含量增加，K2O+Na2O含量较高。

河北宣化瓷石矿体，产于中上元古界长城系团山组底部，赋矿岩石为白色、灰白色及浅粉色，属流纹岩(硬质瓷石)和蚀变流纹岩(软质瓷石)。矿床断面呈硬质瓷石和软质瓷石层状均匀分布，矿石质地均匀。

2.2 瓷石的性能指标要求

陶瓷用瓷石原料质量要求，可分为原矿基本性能要求和工艺性能测试两部分。

2.2.1 原矿基本性能要求

瓷石主要矿物成分是绢云母(或水云母)、石英和少量高岭石等，经粉细后亦称作瓷土，具有黏土性质，然而Al2O3含量一般在13%～18%，SiO2含量达70%～78%，Fe2O3一般为0.6%～0.8%。为有利于生产，对瓷石制订了一些相应的企业质量标准，如对化学成分规定：SiO2>65%，Al2O3>15%，Fe2O3<0.7%，CaO

化学成分的数值是质量的重要指标，但要全面地看。因为各项成分有多有少，有时原料这方面的成分好些，那方面的成分差些；有的原料似乎各种成分均好，但使用性能却差，这又必须要从物性指标来综合衡量。反之，有些化学成分差的原料，工艺性能却很好。如坯料的成型性差，加入少量的膨润土作强塑化剂，但膨润上含低熔点的成分多，收缩大易于变形。景德镇的余干瓷石，虽化学成分较差，但可塑较强，故仍在一些配方中使用；而且某些瓷石具有一种特殊性能，如防止大件产品煅烧开裂(俗称“过缸”)，实践证明非用到化学成分较差的三宝蓬瓷石不可。所以，衡量一种原料的好坏，应从全面来考虑。

2.2.2 瓷石原料的工艺性能测试与要求

中国发明瓷器的决定因素之一是原料中使用瓷石，瓷石中有适合成瓷的矿物成分，在1200～1300℃具有良好的瓷化性能。制瓷胎泥系采用高岭土、瓷石两类原料配合(3∶7～6∶4)而成，这是我国传统制瓷工艺的一个特征。瓷石原矿加工后的产物称为“不子(碓不)”，或叫精泥，精泥的工艺性能有显著提高，制胎使用精泥可以少用或不用高岭土。景德镇部分瓷厂坯料配方列于表1。瓷石的主要工艺性能有可塑性、结合性、粒度组成以及白度、干坯强度、干燥性能、烧成性能等。表2列出了我国部分瓷石(碓不)的工艺性能测试结果。

表1 景德镇部分瓷厂坯料配方

坯料的组成要满足配方要求。一种优质瓷器坯料配方(%)组成为：瓷土40；高岭土35；瓷石13；长石9；黑泥3。除了要求准确称量各种原料外，同时要谨防加工过程中杂质的混入。

各种组分混合均匀。包括主要原料，水分及添加剂在坯料中的均匀分布。若组分产生离析，会导致半成品出现缺陷，从而影响产品质量。

坯料各组分颗粒达到要求的细度，以减少成型和干燥过程中的废品。

可塑料和注浆料中，空气含量应尽量减少，以提高坯体的强度及改善产品的介电性质。

表2 我国部分瓷石(碓不)的工艺性能测试结果

不同成形方法对产品的要求各不相同，在符合总要求外，各自还有一些具体的要求：①可塑料。用于可塑成型的坯料，其水分含量在18%～25%。②注浆料。坯料水分在28%～35%之间。③压制粉料。坯料中含水分为8%～15%的称为半干压料，它是一种湿润的粉料，在一定的机械压力下，即可得到制品的坯胎。含水分3%～7%的称为干压料。热压铸成形用的浆料或干粉和蜡后的蜡饼等，均称为热压铸坯料，不含水分。

3 我国瓷石矿产类型和成矿区划分

3.1 矿床成因和矿石类型

风化残余型瓷石矿床：主要为酸性凝灰岩和酸性浅色脉岩经风化作用而形成的矿床，如贵溪新溪、乐平枫源、东乡佛岭等瓷石矿。

风化热液型瓷石矿床：成矿母岩也为酸性浅色脉岩。产于构造活动带部位，由于受岩浆期后气化热液作用，使铝硅酸盐矿物沿颗粒表面至内部发生程度不一的黏土化。该类矿床延深较大，如景德镇柳家湾、宁村、贵溪上祝等瓷石矿。

1970年，地质工作者对景德镇一带的瓷石矿床作了调查研究，将南河和小南河一带的古瓷石矿床分为蚀变、风化两种类型。

蚀变型矿床：接近地表的上层，Al2O3的含量一般高达18%～19%，K2O+Na2O一般低于3%。在1200℃左右烧成不易变形，故称它为高温(或硬质)瓷石。下层瓷石Al2O315%～17%，K2O+Na2O含量一般为4%～6%，掺入高岭土为理想的制胎原料。

风化型矿床：上层为半松散之岩石，铝氧以及钾、钠物质含量与蚀变型上层矿石相近。中层与蚀变型下层相近。下层Al2O3仅13%～15%，K2O+Na2O高达5%～7%，焙烧时易变形，称它为低温(软质)瓷石。

主要矿石类型有石英斑岩、花岗斑岩、霏细岩、细晶岩、次生石英岩、流纹岩等。

石英斑岩型：外观呈灰白、米黄、青灰等色,油脂或丝绢光泽, 致密块状, 斑状结构, 斑晶由六方双锥状高温石英及自形、半自形板条状长石组成。基质由细鳞片状绢云母集合体组成, 其中散布着一定量的石英、长石颗粒。偶见大的白云母片, 深色矿物黑云母、角闪石含量甚少, 常有少量高岭石、黄铁矿、方解石、蛋白石等伴生。系由石英斑岩发生绢云母化或硅化绢云母化形成, 通常呈脉状产于花岗岩、火山岩或其他围岩中。江西景德镇、浙江绍兴瓷石属此类型。

花岗斑岩型：特征是斑状结构, 斑晶成分亦为石英与长石, 基质是由石英、长石的细晶或微晶组成, 故其矿物成分与石英斑岩相似, 区别是含有少量黑云母、角闪石等铁镁矿物。若花岗斑岩基质中的长石与石英呈文象状交生, 即具文象结构, 这种岩石称花斑岩。上述二种原岩经热液蚀变发生绢云母化、高岭土化，即成瓷石。但其含铁量较高, 故质量上不如石英斑岩型瓷石。

霏细岩型：斑晶含量甚少,几乎不含铁镁矿物,基质由石英、长石颗粒组成,呈霏细结构或球粒结构, 岩石蚀变为瓷石后, 长石转变为绢云母,并常有方解石及少量黄铁矿伴生。多呈层状或脉状产出。这种类型有浙江肖山、江苏新沂等矿床。

细晶岩型：特征是晶粒微细,主要矿物成分为长石正长石及酸性斜长石和石英,几乎不含铁镁矿物。若经热液蚀变,长石转变为绢云母、高岭石,即可供作瓷石使用。此类瓷石一般长石含量较高,多呈脉状产于花岗岩类岩石及附近围岩的裂隙中。

次生石英岩型：这种瓷石是由中酸性火山岩,如火山角砾岩、凝灰岩、流纹岩经碱性热水溶液作用形成的硅化绢云母化岩石,尤其在火山口附近的喷出岩中特别发育。外貌呈灰、灰白等色,质地致密,具贝壳状断口,主要矿物成分是石英、绢云母,伴生矿物种类很多,有明矾石、红柱石、水铝石、高岭石、叶蜡石及铁钛氧化物。其中明矾石和铁、钛氧化物是有害杂质。此类瓷石在我国东南沿海中生代侏罗纪火山岩系中分布很广。日本制瓷用的“陶石”,都是这类型。

3.2 我国瓷石矿区的划分

我国瓷石矿产资源十分丰富, 它们主要分布在我国东部的华夏期台内活动构造(地洼)单元。这一单元多期多阶段的岩浆活动，为瓷石成矿创造了有利条件。特别在构造活动后期，地壳再次隆起地区(如江南地质单元)，往往是瓷石成矿最有利地区。根据地质构造单元划分，从北向南分为华北瓷石成矿省、华中瓷石成矿省和东南瓷石成矿省三大成矿省和若干个成矿区。其中，华北成矿省规模最大，其内瓷石成矿区分布大小不均，主要矿区有河北宣化、山西应县和山东的大昆仑。华中成矿省苏、浙、皖的瓷石矿，开采规模小而密，矿区集中，颇具特色，著名的有安徽祁门瓷石和浙江的木岱口、毛家山、沅底等。东南成矿省矿山企业最多，开采历史悠久。江西、湖南、福建、广东几乎遍布各地。著名的产区有湖南的马颈坳、麻坡瓷石和八里坳，江西景德镇的三宝蓬、南港、余干和柳家湾，福建的德化、永春、安溪和闵侯。