烧成制度对干法造粒制备轻质陶瓷砖性能的影响

烧成制度对干法造粒制备轻质陶瓷砖性能的影响*

张博烨1黄剑锋1陶晓文2李康1汪庆刚1李转2费杰1闫开放2刘纯2

(1 陕西科技大学材料科学与工程学院西安710021)(2 咸阳陶瓷研究设计院陕西 咸阳712000)

摘要以抛光废渣、高铝泥、恒峰砂、力鸿砂、黑滑石为原料，采用干法造粒工艺，在1100℃～1200℃，保温时间为10～30min条件下，制备轻质陶瓷砖，并研究了烧成制度对轻质陶瓷砖性能的影响。结果表明：随着烧成温度的升高，轻质陶瓷砖线膨胀率逐渐升高；吸水率呈先升高再降低而后升高的趋势，在1170℃时达到最低值；抗折强度和容重随着烧成温度的升高逐渐降低。随着保温时间的延长，试样容重和抗折强度逐渐降低，但变化不明显。烧成温度为1160℃，保温时间为15min时，制备的轻质陶瓷砖抗折强度为6.3MPa，吸水率为2.3%，闭气孔率为71.2%，容重为0.64g/cm3。

关键词干烧成制度干法造粒抛光废渣轻质陶瓷砖

基金项目：*国家科技支撑计划项目(项目编号：2013BAF09B02)；陕西省科技厅重点科研创新团队计划项目(项目编号：2013KCT-06)。

作者简介：张博烨(1991-)，硕士，实验员；主要从事绿色陶瓷制造的研究。

作者简介：通讯黄剑锋(1970-)，教授，博导；主要从事绿色陶瓷制造的研究。

中图分类号:TB321

Effect of Firing Schedule on Preparation of Lightweight Foamed Ceramic Tile by Dry Granulation Process

Zhang Boye1, Huang Jianfeng1, Tao Xiaowen2, Li Kang1, Wang Qinggang1, Li Zhuan2, Fei Jie1, Yan Kaifang2, Liu Chun2(1 Shaanxi University of Science&Technology,School of Materials Science and Engineering,Xi'an,710021)(2 Xianyang Research & Design Institute of Ceramic,Shaanxi,Xianyang,712000)

Abstact:Lightweight ceramic tile was sintered at 1100～1200℃ with 10～30min holding time after granulation process using polishing tile waste, high alumina clay, Hengfeng quartz, Lihong quartz and black talc. Influence of properties of lightweight ceramic tile with different firing schedule was discussed. The results showed: linear expansion ratio of was increased with the increasing sintering temperature, water absorption was increased firstly and then increased again after decreased, reached its minimum value at 1170℃. Bending strength and bulk density were decreased with the increase of sintering temperature. Bulk density and bending strength were decreased not obviously with the prolong of holding time. The lightweight ceramic tile was prepared at 1160℃, 15min, which properties were as follows: bending strength 6.3MPa, water absorption 2.3%, closed porosity 71.2%, bulk density 0.64g/cm3.

Key words:Firing schedule; Dry granulation; Polishing tile waste; Lightweight ceramic tile

前言

近年来，我国陶瓷行业飞速发展，但同时对环境也造成了严重污染。据《2014年全国瓷砖产能报告》统计，2014年全国陶瓷砖年产能达139.6亿m2，其中抛光砖产能占27.9%，是最主要的陶瓷砖产品。陶瓷企业平均每生产1m2的抛光砖，将产生1.5kg的砖屑和0.6kg抛光磨具损耗的碎屑，共计产生2.1kg的抛光废渣。按照浆状废料含水率为35%计，2014年产生的陶瓷抛光废渣超过2300万t。由于陶瓷抛光废渣通常含有1.0%～4.0%的SiC(来源于抛光磨料)以及2.0%～6.0%的MgO、MgCl2(来源于氯氧镁水泥粘接剂)等杂质，这些陶瓷抛光废料在烧成中会引起陶瓷坯体发泡，难以循环利用，是陶瓷产业绿色生产的障碍之一[2～4]。陶瓷企业传统造粒工艺采用的是喷雾干燥制粉工艺，必须把陶瓷泥浆中35%～45%的水分干燥至6%～8%，其过程能耗高、污染大，阻碍了陶瓷企业的绿色生产。干法造粒只需将含水量为10%～12%的陶瓷粉料干燥成含水量6%～8%的陶瓷粉料，相对于传统喷雾造粒湿法工艺具有节约水资源、能耗低、污染小的优点，虽然从工艺及装备方面还需进一步完善，但从节约能源和降低投资费用等方面看，将是陶瓷行业未来的发展方向[5～6]。

目前对于抛光废渣回收利用主要集中在作为添加料或掺杂料进行部分回收利用，主要有以下材料：

1) 生产固体废弃物混凝土材料；

2) 生产建筑吸声板；

3) 生产陶粒；

4) 回收生产抛光砖；

5) 制备多孔过滤材料等[7～13]。

通过以上方法可以部分利用抛光废渣，但无法将抛光废渣作为主要原料大量消耗。利用抛光废渣在高温下发泡的性能，制备的轻质陶瓷砖，具有隔热、保温、A级防火性能的特点，可以作为轻质建筑板材或者建筑保温材料使用，同时可大量消耗抛光废渣。笔者以抛光废渣作为主要原料，辅以其他陶瓷原料，经干法造粒后在电炉中烧成，制备了轻质陶瓷砖，并研究了不同烧成温度对其性能的影响。

1实验

1.1轻质陶瓷砖的制备

表1　制备轻质陶瓷砖所用陶瓷原料的化学成分组成(质量%)

图1　实验工艺流程图

实验以抛光废渣为主要原料，辅以其他陶瓷原料，制备轻质陶瓷砖。实验所用陶瓷原料化学成分组成如表1所示，其中废渣1和废渣2为陶瓷企业不同时期堆放的废渣，实验时将两者混合均匀后使用。考虑抛光废渣的发泡特性，以抛光废渣为主要原料，加入高铝泥作为塑性料提高烧成强度，加入恒峰砂、力鸿砂用于提高烧成稳定性，加入黑滑石可提高试样发泡性能。结合前期探究基础，轻质陶瓷砖按照配方(质量%)计为：抛光废渣50、高铝泥20、恒峰砂18、力鸿砂10、黑滑石2。原料按照硬质料和软质料分开磨细，按配方配料添加0.3%的造粒添加剂，采用自制干法造粒机进行干法造粒[14～15]，然后陈腐12h，在11MPa压力下压制成形，压制成坯体尺寸为54.30mm×11.00mm×6.80mm的试样，使用电炉烧成温度为1100～1200℃，保温时间为10～30min。实验工艺流程图如图1所示。

1.2测试与表征

实验采用GKF-IV型硅酸盐成分快速测定仪测定抛光废渣及陶瓷原料的化学成分；采用台湾的AM-412光学显微镜(安鹏科技股份有限公司生产)，对烧成试样的断面气孔形貌和结构进行观察。根据国家标准GB/T3810.1-16-2006《陶瓷砖试验方法》中提供的方法，测定烧成试样的线性收缩(膨胀)率、吸水率、显气孔率、容重及抗折强度。烧成试样闭气孔率采用质量-体积法进行测量[16]。

2结果与讨论

图2为烧成温度对轻质陶瓷砖试样吸水率和线膨胀率的影响。从图2可以看出，烧成试样的线膨胀率随着烧成温度的升高逐渐增大，当烧成温度为1100～1170℃时，试样的吸水率呈先升高后降低，再逐渐升高的趋势，吸水率从1100℃时的2.26%升高至1140℃的9.24%并达到最大值，然后迅速降低，在1160～1170℃时吸水率降到2.1%左右，此阶段呈抛物线规律变化。在1170℃后开始，试样的吸水率和线膨胀率又继续增加。

图2　烧成温度对试样吸水率和线膨胀率的影响

上述变化是由于试样在1100℃时，原料中的K2O、Na2O、CaO、MgO、Fe2O3等熔剂性氧化物与SiO2和Al2O3逐渐生成低共熔物液相[2,17～18]，但液相含量此时相对较少，由于SiC氧化反应产生的气体大部分可直接排出，表面开气孔较多，且之后随着温度升高而升高，SiC继续氧化产生气体，由于液相粘度大无法铺开在试样表面，气体逸出表面形成开气孔，导致吸水率不断升高。当烧成温度超过1140℃时，液相大量生成，并且熔融的液相平铺在试样表面，使比表面气孔减少，更多的气体被包覆在试样内部，试样的线膨胀率也随之快速增大。当烧成温度超过1170℃时，液相粘度降低，同时伴随部分液相挥发，致使表层液相不足以维持内部气体压力而破裂，导致吸水率逐渐升高。

图3为烧成温度对轻质陶瓷砖试样抗折强度和容重的影响变化。从图3可知，试样的容重和抗折强度均随着烧成温度的升高而降低且变化趋势一致。试样的抗折强度由1100℃时的44.96MPa逐渐降低至1200℃时的2.50MPa，变化非常显著，容重也由1100℃时的1.85g/cm3降低至1200℃时的0.38g/cm3；当烧成温度为1100～1150℃时其抗折强度变化非常明显，可能是由于此温度段SiC氧化产生气体，被产生的液相包裹从而产生发泡导致的；当烧成温度为1150～1200℃时，试样强度和容重稳定降低；当烧成温度为1160℃试样的容重达到0.64g/cm3。

图3　烧成温度对试样抗折强度和容重的影响

图4为不同烧成温度的试样的断面形貌照片。从图4可知，试样在1000℃时无肉眼可见气孔；在1110℃时出现明显小气孔，但气孔不规则，此时可能由于产生液相较少，产生的气体可直接排出；相对于烧成温度1100℃时，试样在1130℃时的气孔明显增大；在1150～1160℃时气孔孔径约为1～3mm，试样的断面孔径逐渐增大，且断面出现明显的玻璃光泽，如图4(d)、图4(e)所示。在此温度段有大量的液相产生，包裹生成的气体导致发泡程度增加，同时大量的液相铺在试样表面，覆盖产生的开气孔可以降低吸水率，与图3中试样吸水率的变化相符。烧成温度为1200℃时试样断面发黑，气孔已经变得过大，由于部分小气孔融合为较大气孔，同时实验过程中发现试样变形严重。烧成温度对试样性能影响较大，温度太低会导致试样发泡不充分；温度过高导致试样变形情况严重，经综合考虑后，确定轻质陶瓷砖的烧成温度在1160℃为宜。

图5为保温时间对轻质陶瓷砖试样抗折强度和容重的影响。从图5可知，保温时间在10～30min时，试样的抗折强度和容重变化趋势相似，均呈逐渐降低的趋势，但相对于烧成温度的影响变化幅度并不大。由于保温时间的延长，试样产生的气体相对增加，发泡程度逐渐增加，导致单位体积内的骨料含量降低，试样的容重和强度逐渐降低[19]。

(a)1000℃;(b)1110℃;(c)1130℃;(d)1150℃;(e)1160℃;(f)1200℃

图5　保温时间对试样抗折强度和容重的影响

图6为不同保温时间的轻质陶瓷砖试样断面形貌照片。从图6可以看出，试样的气孔变化不明显，保温时间在10min中时有明显的大孔，说明试样在此时液相并未大量生成、完全铺开，导致局部发泡程度较大；保温时间在15min时，试样的气孔较为均匀，此时试样的液相在表面铺开；保温时间在25min时，由于保温时间过长，相近小气孔融合形成较大的气孔，导致应力集中，试样的容重和抗折强度明显降低；保温时间在30min时，气孔均匀性又有所改善，但仍有较大气孔存在。烧成温度对试样性能变化影响较小，从降低能耗的角度考虑确定保温15min为最佳。

(a)10min;(b)15min;(c)25min;(d)30min

按照轻质陶瓷砖配方进行配料，其烧成制度为：烧成温度为1160℃，保温时间为15min，随电炉冷却至室温，制得轻质陶瓷砖。所制备的轻质陶瓷砖抗折强度为6.3MPa，吸水率为2.3%，闭气孔率为71.2%，容重为0.64g/cm3。高闭气孔率、低容重使材料的导热系数降低，可以作为墙体保温材料应用。

3结论

1)随着烧成温度的升高，轻质陶瓷砖的线膨胀率逐步升高；吸水率呈先升高，再降低而后升高的趋势，并在1160～1170℃达到最低值；抗折强度和容重随烧成温度升高逐渐降低，随着保温时间延长，试样容重和抗折强度逐渐降低，但变化不明显。

2)以抛光废渣为主要原料，结合其他陶瓷原料(按质量%)计：抛光废渣为50、高铝泥为20、恒峰砂为18、力鸿砂为10、黑滑石为2。经过干法造粒后，采用电炉烧成，烧成温度为1160℃，保温时间为15min。所制备的轻质陶瓷砖，其抗折强度为6.3MPa，吸水率为2.3%，闭气孔率为73.6%，容重为0.64g/cm3。

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