超低温（≤1100℃）玻化砖的研究与开发

刘 昆 周健儿 汪永清 胡海泉

（1.景德镇陶瓷学院，江西景德镇333001；2.江西省陶瓷研究所，江西景德镇333001）

0 引言

建筑陶瓷是我国能源消耗大户，耗费了大量的原料和燃料，并排放了大量的co2废气，加剧了地球温室效应，是国内外co2废气排放重灾行业，玻化砖是建筑陶瓷主要产品之一，其烧成温度一般在1150～1220℃之间，若能在保证产品性能指标符合已颁布的玻化砖国家技术标准的前提下，降低烧成温度100℃左右，烧成周期依然是48～100 min，仍是国际上难以逾越的技术壁垒，此项目成功后产业化推广可降低总能耗10～20%，并大大减少co2的排放，其经济效益和社会效益十分显著，是当前陶瓷行业可持续发展的重要技术需求和动力。

现有的建筑陶瓷降低烧成温度的主要方法多是采用大量加入单一或种类较少低温熔剂的方法，使坯体在较低温度下烧结。但这种方法存在着以下技术缺陷：坯体在接近共熔点时并无液相生成，然而一旦到达最低共熔点温度便突然出现大量液相，而且液相量随温度升高而迅速增加，从而导致瓷坯急剧变形。因此，现有技术和方法在降低烧结温度的同时，也明显导致产品烧成温度范围变窄、产品容易变形且脆性大，因此在大生产过程中无法保证产品的各项性能指标，至今未有大生产技术的报道，超低温烧结（≤1100℃）玻化砖的技术瓶颈至今仍未解决。

本研究利用通常的陶瓷原料，通过多元复合熔剂体系对建陶坯体性能影响的深入研究与优化，在明显降低产品烧结温度（100℃左右）的同时，成功制备出了1100℃以下烧结，且性能符合并高于国家的玻化砖产品标准的产品。研究发现，运用多元复合溶剂，能促使坯体在烧成中逐渐产生低共熔液相，有效解决建陶产品在超低温快速烧成中常见的烧成温度范围窄、易变形等瓶颈难题。

表1 实验所用原料的化学组成（wt%）Tab.1 Chemical composition of raw materials used in experiment(wt%)

1 实 验

1.1 实验原料

本实验在原料选择上都采用了广东和江西地区生产建筑陶瓷砖常用的原料，并且原料品质稳定、储量丰富。各种矿物原料的成分见表1。

1.2 实验流程

坯料→球磨过筛→干燥造粒→陈腐→半干压成型→干燥→烧成→性能测试（烧成收缩、吸水率、干坯强度、抗折强度等）。

2 结果分析与讨论

2.1 实验方案

要在超低温下烧结玻化砖，实验首先以“K2O-Al2O3-SiO2”系统相图中985℃低共熔点附近的配方组成为基础。

参照K2O-Al2O3-SiO2系统相图中在低共熔点985℃，K2O9.5%、Al2O310.9%、SiO279.6%,其反应平衡式为：液相磷石英+钾长石+莫来石。

表2 五元熔剂体系样品化学组成Tab.2 The chemical composition of five-element composite flux samples

表3 多元熔剂体系样品主要性能指标Tab.3 The main performance indicators of multiple composite flux samples

取低共熔点附近的一点（K2O12.20%，Al2O318.94%，SiO268.87%，温度为1080℃～1100℃），经计算得出配料量理论配方（wt%,面向广东地区）为：低温砂65%，2#粘土20%，钾长石15%。在理论配方基础上考察不同粘土和钾钠长石用量与配比对产品烧结性能的影响，寻求能在低温下烧成的基础配方。

然后在基础配方研究的基础上，深入研究了多元复合熔剂体系（例：“K2O-N a2O-L i2O”、"K2O-N a2O-L i2O-B2O3-CaO"）对产品低温烧成性能的影响，取得较好的效果，保证样品在1100℃以下烧成，具有较好的物化性能，经中试结果验证，满足产业化需要。

2.2 多元熔剂体系试样微观测试分析

2.2.1 多元熔剂体系试样XRD分析

“K2O-N a2O-L i2O”三元熔剂体系试样的烧成温度范围在1090～1130℃，“K2O-N a2O-L i2O-B2O3-CaO”五元熔剂体系试样的烧成温度范围在1060～1110℃。为了比较两种熔剂体系对试样性能的影响，分别取两种熔剂体系配方在1100℃烧成，对试样进行XRD和SEM分析，分析结果如图2。

从两种复合熔剂体系试样的XRD图对比可以看出，三元和五元系列复合熔剂体系，试样中主晶相都为石英和长石晶相，长石主要是析出的钙长石和少量残留的钾钠长石晶体，因为试样在较低的温度下快速烧成，长石晶体比较杂因此难以准确区分。

对比三元复合熔剂体系试样和五元系列复合熔剂体系的XRD图，可以看出，“K2O-N a2O-L i2O-B2O3-CaO”五元系列复合熔剂体系试样中长石晶体的量比较多，从成分分析主要是析出的钙长石和少量残余的长石晶相，五元系列复合熔剂试样始熔点出现温度较低，相比三元复合熔剂体系试样，烧成温度更低，因此高温物理化学反应更完全，使得试样性能提升。

2.2.2 多元熔剂体系试样SEM分析

图3是“K2O-N a2O-L i2O”三元熔剂体系试样和“K2ON a2O-L i2O-B2O3-CaO”五元熔剂体系试样在1100℃烧成后的断面SEM照片。由图可以看出，硼钙石引入“K2O-N a2O-L i2O”三元熔剂体系中使得坯体形成五元复合熔剂体系，硼钙石引入使得坯体能够在较低温度下形成液相，促进瓷化使得坯体的微观结构变得更加致密，坯体中气泡比例减少，从而提高了试样的强度。

2.3 多元熔剂系统试样烧成温度范围及其主要性能指标

2.3.1 多元熔剂系统试样烧成温度范围

从图4和图5都可以看出，“K2O-N a2O-L i2O”三元熔剂体系试样和“K2O-N a2O-L i2O-B2O3-CaO”五元熔剂体系试样都可以拓宽试样的烧成温度范围。

对比三元、五元熔剂试样可知，五元熔剂试样具有更低的烧成温度（1060～1110℃）和更宽的烧成温度范围，可以使得试样烧成温度范围拓宽到50℃，多元复合熔剂的使用有利于液相在不同温度段生成，可以提前进入烧结阶段明显降低烧成温度，并有效拓宽烧成温度范围，使得液相分阶段缓慢出现在坯体中。

2.3.2 多元熔剂体系试样化学组成及主要性能指标见（见表2、表3）

3 结论

（1）研究结果表明，本实验获得了能在1100℃以下烧结，产品性能符合或部分优于玻化砖国家标准的瓷质砖新配方，配方从实验室获得后，进一步在鹰牌陶瓷有限公司进行了中试，中试产品具有良好的性能，而且生产易于控制。

（2）多元复合熔剂随着温度的升高，碱性氧化物逐步地进入液相，液相阶梯性出现在坯体中，不会集中在较小的温度区间大量地出现碱性氧化物比例较高、粘度较低的液相，因此减小了产品的变形率，并且拓宽了试样的烧成温度范围。

（3）从样品性能测试可以发现，“K2O-N a2O-L i2O-B2O3-CaO”体系中晶体数量多，且坯体更加致密，具有更高的强度，其强度达到60.5 MPa，比现有玻化砖抗折强度国家标准提高了72.8%，与“K2O-N a2O-L i2O”三元熔剂体系产品相比较，强度提高约10%，莫氏硬度达到6，比“K2O-N a2O-L i2O”三元系列复合熔剂体系硬度5也有所提高。

1 石棋,李月明.建筑陶瓷工艺学.武汉理工大学出版社,2007.8:4～5

2 周健儿，马玉琦等.提高大规格超薄建筑陶瓷砖瓷坯性能的研究.陶瓷学报,2006,9

3 李家驹.陶瓷工艺学.北京:中国轻工业出版社,2005

4 素木洋一.せぅミ...ケ制造づロせス[M].技报堂出版株式会社,昭和53年

5 杨剑，徐庆芝.低温快烧瓷质玻化砖配方的研制与生产.陶瓷（咸阳）-2003,(2)

6 吴从若,徐建伟等.锂瓷石在调温快烧白瓷生产中的应用.山东陶瓷.第24卷

7 Jean Vaunat,Vladimir Merchan,Enrique Rumero and Jubert Pineda.Sesidual Strength of Clays at HighSuctions [J].Glass and Ceramics,2000,57

8 周健儿,刘昆等.锂瓷石在超低温玻化砖中的应用研究.陶瓷学报,2010,12(2)