韩城西庄紫砂陶土矿地质特征及工艺性能试验

韩鹏飞

(中国建筑材料工业地质勘查中心陕西总队，陕西 西安 710003)

韩城市西庄镇上庄—北凸岭一带紫砂陶土矿，是一处中型矿床，远景资源储量约500万t，矿石质量良好。

1 矿床地质特征

矿区大地构造位置处于中朝准地台陕甘宁坳陕北台凹的东南缘，蒲城—合阳—韩城大断裂北侧。区域出露地层由老至新依次为古生界上二叠统孙家沟组；中生界下三叠统刘家沟组与和尚沟组。区域上未见明显褶皱、断裂，无岩浆活动和变质作用。

1.1 矿体地质特征

西庄镇上庄—北凸岭紫砂陶土矿属于内陆河流湖泊相沉积的层状矿床。矿体均呈层状、似层状赋存于刘家沟组下段第二岩性层(T1l1-2)中，区内共圈定出5个紫砂陶土矿体，其中上庄矿段4个，由上至下依次编号为K1W、K2、K3、K4；北凸岭矿段1个，编号K1E；矿体走向北东东向，以单斜层状产出，产状与围岩一致，倾向290～312°，倾角2～5°，沿走向长300～800m。单层紫砂矿厚度一般为1.0 ～ 1.5m 左右，最厚 2.72m(K1 矿体 )。在垂直方向上，中上部富集，矿层层数较多，厚度较稳定，连续性好，单矿层之间距离小，具有工业价值的紫砂矿层均分布于含矿层的中—上部；下部贫乏，仅有零星分散的小夹层分布，厚度通常10～30cm左右，不具备工业利用价值。在平面位置上，矿区中部单层紫砂矿层厚度较大，向东西两边厚度变薄，部分地段矿体尖灭。

上庄矿段与北凸岭矿段属同一矿区，相距仅数百米，且两个矿段内所有矿体均赋存于同一层位中(T1l1-2)，对比研究发现， K1E矿体为K1W矿体的东延部分，属同一矿层(图1)。上庄矿段其余各矿层沿走向东延至矿区北凸岭一带，厚度逐渐变薄。

1.2 矿石质量特征

1.2.1 矿石矿物成分及结构构造

根据野外观察及岩矿鉴定、X-衍射分析等样品的测试结果，矿区组成矿体的矿石主要为紫红色泥质粉砂岩、红色泥岩、青灰色泥质粉砂岩、紫红色粉砂质泥岩、暗紫红色泥岩，矿石呈粉砂质—泥质结构，层状构造。

图1 矿区各矿层对比图

根据X-衍射分析结果，5种矿石类型主要由石英、伊利石、绿泥石、斜长石及少量钾长石、赤铁矿、方解石等组成(表1)。粘土矿物以伊利石—绿泥石为主，石英碎屑占比较大[1-2]。本矿区矿石矿物组分与江苏宜兴陶土矿床相比，矿物成分基本一致(表2)。

1.2.2 矿石化学成分

选取区内不同矿石类型的多个样品进行了化学分析测试(表3)，与宜兴陶土矿化学成分进行了对比(表4)，韩城西庄紫砂陶土矿K2O、MgO、CaO含量明显偏高，其余成分含量基本相近。

2 矿石工艺性能性能

2.1 泥料物理性能

表5列出6种原料的泥料工艺性能测试数据，分别是可塑性指数、干燥抗折强度、干燥线收缩率和pH值。6种紫砂原料的可塑性均为中可塑性，其中5#红泥和特号天青接近高可塑性；干燥抗折强度方面，除3#青泥和5#红泥较低外，其余4种均为中高强度原料，对成形过程十分有利；干燥线收缩率方面，除特号天青表现出较大值外，其余5种数据适中，以3#青泥、1#夹泥、2#红泥干燥收缩率较小而容易使用； pH值方面，6种原料表现出弱酸性或接近中性的特征，在使用上没有障碍，制浆时添加少量泥浆调节剂即可[3]。

表1 韩城西庄紫砂陶土矿X-衍射分析结果 (单位：%)

表2 韩城与宜兴紫砂陶土矿矿物成分对比

表3 韩城西庄紫砂陶土矿化学成分分析结果 (单位：%)

表4 韩城与宜兴紫砂陶土化学成分对比 (单位：%)

2.2 矿物成分和化学成分在制陶中的作用

紫砂陶土的品位与矿物成分的组成及化学成分含量紧密相关，各成分在制陶过程中都有不同的作用。

表5 韩城紫砂陶土泥料工艺性能

(1) SiO2和Al2O3：SiO2在矿石中起骨架作用，在制坯过程中能有效减少坯体的干燥收缩和变形，烧制过程中在高温下与Al2O3生成莫来石，提高制品的机械强度和化学稳定性[4-5]，含量不易过高(一般要求57%～65%)。该矿SiO2含量为53.41%～69.90%，含量适中，能够满足制陶要求。Al2O3除与SiO2在高温下生成莫来石外，还有效提高了坯体的烧成温度，一般要求含量为16%～25%。该矿Al2O3含量为15.12%～21.50%，含量适中，符合制陶要求。

(2) Fe2O3和TiO2：能够满足紫砂呈色要求，含量不易过高(日用紫砂一般要求≤13%)。该陶土矿Fe2O3含量为2.94%～8.24%，含量适中。

(3) MgO和CaO：MgO在高温下与SiO2和Al2O3能生成熔点低的堇青石，CaO在高温下能与SiO2生成偏硅酸钙，均能起到助熔作用，降低坯料的烧成温度。该矿MgO、CaO含量较宜兴陶土矿明显偏高，需要的烧成温度相对较低[6]。

(4) K2O和Na2O：能够加速莫来石的生长，促进坯体烧结，一般要求K2O+Na2O含量为5%～7%。该矿含量为2.55%～6.74%，满足制陶要求。

上述可见，该区紫砂陶土矿石质量较好，能够满足制陶要求。

2.3 工艺流程

原料粉碎→配料→球磨→过筛→陈腐→注浆→吃浆→巩固→脱模→阴干→修坯→干燥→烧成→检验→入库[7]。

2.4 烧成试验

样品干燥强度1.55～4.04MPa，平均2.69MPa，收 缩 率 0.89% ～ 4.06%， 平 均 2.51%， 样 品 烧到1 150C°时线收缩率0.16%～2.89%，吸水率0.16%～1.78%(表6)。烧成试验表明，该区紫砂陶土矿石具有烧成收缩率小，不易变形，烧结温度低(烧成试样见图2)，烧结范围宽，节能又易于热工操作，烧成吸水率低等特点[8-9]。

3 开发应用前景分析

韩城西庄紫砂陶土矿化学成分的含量均能满足制陶产品要求，Fe2O3含量一般为3%～8%，这就表明西庄紫砂陶土矿烧结的产品颜色满足要求，不需人为添加任何元素增色。

矿石矿物成分以伊利石为主，与一般陶土相比，Al2O3含量较高，且含有一定量的K2O、Na2O，所以不需要配以含铝较高的粘土即可单独成坯；与宜兴陶土矿相比，区内陶土矿MgO和CaO明显偏高，能够有效的降低坯料的烧成温度，更易于加工成型。

表6 烧成后试样的物理性能数据 (单位：%)

图2 六种原料不同温度烧后试样

试样性能符合国家标准要求(紫砂器—日用瓷类)，制作工艺简单，设备投资额度适宜。试样造型、外观呈色符合当前社会对紫砂陶器的审美要求，对制作工艺、烧成条件无特殊要求，容易实现规模生产。试样烧成温度较低，节约能源，配方原料易取易得并且资源储量丰富。试样物理性能良好，泥料不易开裂、变形，表面缺陷少，干燥强度高，全线收缩率适中，是优质紫砂原料[10]。

目前已利用该区紫砂陶土原料成功制作出紫砂产品，部分产品已得到市场的认可，市场前景十分广阔。