多元相图在传统陶瓷低温烧成中的应用分析

2015-11-22胡学兵周健儿

中国陶瓷工业 2015年6期

胡学兵，周健儿

（景德镇陶瓷学院材料科学与工程学院，江西景德镇 333403）

0 引言

传统陶瓷行业是我国能源消耗大户，节能减排、低碳环保一直是传统陶瓷行业不懈的追求目标。而实现该目标的一个有效技术手段就是实现传统陶瓷的低温烧成[1]。目前，就传统陶瓷而言，日用陶瓷烧成温度一般高于1300 ℃，建筑卫生陶瓷烧成温度一般高于1200 ℃。若能在保证产品质量指标不变的前提下，降低烧成温度80-120 ℃，将至少可降低烧成能耗10%以上，节省大量能源，也大大减少了CO2、NOX等废气的排放。其经济效益和社会效益十分显著，也是当前传统陶瓷行业实现可持续发展的重要技术需求和动力[2]。因此，如何在传统陶瓷行业实现低温烧成，从而降低陶瓷企业的能耗，降低生产成本，增加企业经济效益，已成为我国陶瓷工作者亟需解决的问题。

本文在综述当前传统陶瓷行业为降低烧成温度而采取的常见技术措施的基础上，结合多元相图和相关实例，对多组份配方的传统陶瓷实现低温烧成的可行性进行分析探讨，从而为传统陶瓷行业实现低温烧成提供了切实可行的技术参考与科学思路。

1 降低烧成温度的常见技术措施

1.1 提高原料的细度

原料粒度是陶瓷生产控制中的一个重要参数，也是影响烧成的一个重要因素。普通陶瓷原料较难烧成，原因之一就在于它们具有较大的晶格能和较稳定的结构状态，质点迁移需要较高的活化能，即活性较低。原料颗粒越细，其表面能越大，则烧结的驱动力也越大，烧成温度自然会降低。如：测定Al2O3瓷坯料细度与烧成温度的关系，球磨63 h的坯料不到1600 ℃时，烧结已进行；而球磨4 h的坯料则要到1765 ℃以后才开始烧结[3]。

1.2 采用强化的烧成技术

采用热压烧结、微波烧结等新型技术，有利于实现陶瓷的低温烧成。从烧结和固相反应机理角度来看：压力增大，坯体中颗粒堆积就较紧密、接触面积增大，烧成温度会更低，烧成时间会更短。

研究表明[4]，与普通烧结相比，在15 MPa压力下，热压烧结温度降低约200 ℃，并且这种趋势随压力增加而明显。而微波烧结温度比常规烧结降低100-150 ℃，烧结时间减少近一个数量级，陶瓷制品断裂韧性高于常规烧结，且均匀性好。

1.3 添加适量的熟料

在配方中加入一定比例的熟料是实现低温烧成的有效手段。熟料不但烧结温度低，还具有较好的熔融性能，成本低廉等优点。在坯体配方中，每加入10%的熟料，烧成温度则可以降低10-20 ℃, 理论上最大可超过30%以上。研究表明[5]：在常规的瓷质坯体配方中，加入超过25%的陶瓷废熟料，可将亚光砖的烧成温度从1200 ℃降到1160 ℃，且烧成时间缩短为60 min。

1.4 调配原料配方组成

在传统的日用陶瓷配料中，加入少量的滑石、透辉石、硅灰石、废玻璃粉等原料，均能有效地降低日用陶瓷的烧成温度。也可以在坯料配方中，采用霞石正长岩、霞石或锂质原料代替部分长石等方法，实现陶瓷制品的低温烧成。实际生产中，在坯料配方中可单独或综合搭配引入上述原料，以使陶瓷制品的各种性能指标符合实际要求[6]。

2 多元组分体系及相图

2.1 K-Na-Al-Si体系

对于传统陶瓷而言，一般配方中均含有K、Na、Al、Si等多元组分，而该多元组分可促使配方能在该多元系统的低共熔点下的某温度(一般为0.7-0.95 T熔)烧成。这可从下列相图(如图1所示)中得以证实。

2.2 K-Na-Ca-Al-Si和K-Ca-Mg-Al-Si体系

在传统陶瓷制备工艺中，采用多元系统进行配方设计，通过添加含CaO、MgO等组份原料，可构成K-Na-Ca-Al-Si和K-Ca-Mg-Al-Si多元体系(如图2所示)。由于含有Ca、Mg，可明显降低传统陶瓷的烧成温度，节能效果显著。

2.3 Li-Al-Si、Ca-F-Al-Si与Ca-B-Si体系

图1 K-Na-Al-Si体系相图Fig.1 Phase diagram of K-Na-Al-Si system

图2 K-Na-Ca-Al-Si和K-Ca-Mg-Al-Si体系相图Fig.2 Phase diagrams of K-Na-Ca-Al-Si and K-Ca-Mg-Al-Si systems

在建筑陶瓷生产中，通过添加含Li、Ca、F等组份原料，则可构成Li-Al-Si、Ca-F-Al-Si多元体系，对其烧成温度的降低作用明显；而在日用陶瓷生产中，通过添加含Ca、B等组份原料，则可构成Ca-BSi体系，可将日用陶瓷的烧成温度控制在1000 ℃左右，经济效益显著。该系列多元相图如图3所示。

图3 Li-Al-Si、Ca-F-Al-Si与Ca-B-Si体系相图Fig.3 Phase diagrams of Li-Al-Si, Ca-F-Al-Si and Ca-B-Si systems

3 应用实例

3.1 废玻璃的应用

废玻璃其化学稳定性强，而大量废玻璃的产生既占地，又污染环境。回收和利用废玻璃是节约能源、保护环境的最佳途径。由于废玻璃中含有大量的SiO2，在日用陶瓷坯体中掺入适量的废玻璃，将在原有的坯体多元配方组份的基础上，增加新的组份，构成“K-Na-Al-Si”多组份配方体系。研究表明：掺入9%的废玻璃，将使该坯体烧成温度从1250 ℃降低到1180 ℃，且同时能增加坯体强度，经济效益显著[7]。

3.2 硅灰石的应用

硅灰石(CaO·SiO2)在陶瓷工业中具有广泛的应用，在坯料中加入一定量的硅灰石，可起到助熔、降低坯体的烧成温度等作用。由于硅灰石本身不含有机物和结构水，而且干燥收缩和烧成收缩都很小，其膨胀系数也小。因此，适宜于快速烧成。研究发现，加入5%的硅灰石，在配方中构成“K-Na-Ca-Al-Si”多元组份系统，从而可使日用陶瓷的烧成温度至少降低30-40 ℃[8]，节能作用明显。

3.3 铁尾矿的应用

铁尾矿的主要成分是CaO、MgO、SiO2、Al2O3等，因此，在传统陶瓷配方中添加20%的铁尾矿，则构成“K-Ca-Mg-Al-Si”多元组份系统，可使传统陶瓷的烧成温度降低到1100 ℃左右，而产品强度接近国家标准的2倍[9]。在实现传统陶瓷节能制备的同时，还可获得高性能的陶瓷产品。

3.4 锂瓷石的应用

锂瓷石中约含1.7%的Li2O。由于锂离子半径较小，电场强度大，配位数低，极化力强。所以，它比钠、钾离子具有更好的助熔作用，可显著降低陶瓷烧成温度。研究发现：将35%的锂瓷石添加到传统玻化砖的配方组成中，构成“K-Na-Al-Si”和“Li-Al-Si”多元体系，可将陶瓷产品的烧成温度降低到1070-1120 ℃，节能效果明显[10]。

3.5 萤石尾砂的应用

萤石尾砂的主要成分为硅灰石、萤石(CaF2)，属于天然硅酸盐原料，在建筑陶瓷工业中具有广阔的开发应用前景。开展萤石尾砂综合利用，不仅具有良好的经济效益，而且具有很强的环保意义。研究表明：在坯釉料配方中分别加入25-30%、12-15%的萤石尾砂，可构成“K-Na-Al-Si”和“Ca-F-Al-Si”多元体系，陶瓷产品烧成温度可降低到约1170-1180 ℃，且该组份配方适于辊道窑低温快烧，其配料简单，成本低。实验制备的瓷质外墙砖产品，质量符合陶瓷砖国家标准质量要求[11]。