陶瓷生產與常用檢測

林珊

摘要：本文通過對陶瓷生產與常用檢測的對應分析，詳述陶瓷生產中每一流程所要監(jiān)控的技術指標以及對應的檢測項目，涉及的檢測內容包括原料檢測、化工配料檢測、半成品檢測、燃料檢測、窯爐檢測和產品檢測，介紹進行不同檢測對生產和科研的幫助，建議在陶瓷生產和科研中進行更多更細致的檢測以積累更完整的科學依據(jù)，促進和改善產品生產。

關鍵詞：陶瓷生產；陶瓷原料；陶瓷制品；檢測

1 前言

現(xiàn)代陶瓷生產都是規(guī)模性生產，建筑衛(wèi)生陶瓷的生產，規(guī)模更大，生產企業(yè)的原料日消耗量可達幾百至幾千噸，全國每年需要消耗超過1.5億噸原料，包括產品配料和燃料等非再生礦物，相當于一座大山的量，所以陶瓷生產是一種資源和能源的高消耗產業(yè)。并且由于這些資源是不可再生的，所以一旦操作不當將對生態(tài)造成可怕的后果。

陶瓷生產流程中，需要多個完全不同的工序，每一個工序都對產品的特性和質量有所貢獻，也有可能由于某一工序出現(xiàn)細微的偏差，而造成產品不符合要求而形成廢品，這是我們不希望的結果。通過科學的檢測來監(jiān)測生產環(huán)節(jié)的符合性是降低廢品率的有效手段，沒有科學監(jiān)測的生產無疑是一種賭博，有時會造成極大的損失。

研究陶瓷生產過程與檢測，是針對每一過程所需要達到的技術指標，通過檢測獲得數(shù)據(jù)，分析這些數(shù)據(jù)，對工序進行調節(jié)，以達到最好的產品性能和質量效果。因為生產流程中的工序完全不同，因此檢測項目差異性較大。檢測項目涉及物理、化學等多個方面，檢測可依據(jù)國家頒布的相關檢測標準進行。

本文主要是通過研究陶瓷生產過程的技術指標與相應的檢測方法，建議生產企業(yè)選擇性價比合適的方法監(jiān)控生產，以便使結果更具可比性，對產品性能的研究和質量控制提供科學的幫助，同時也降低廢品量，一定程度上減緩資源的消耗。

2 陶瓷生產流程及相應技術指標

一般來講，陶瓷生產，無論是施釉的產品還是無釉的產品，都已依據(jù)前人的生產經(jīng)驗獲得初步的產品配方，依照配方進行生產。

建筑陶瓷生產的流程圖見圖1。

生產流程涉及的工序及關注的問題有：原料選擇（包括原礦原料、化工添加料、小部分回收廢料）、原料配方設計（即調配混合料）、成形（包括施加壓力、成形尺寸）、窯爐（包括建窯的材料和產品的承載窯具等）、燒成制度（即溫度選擇），有釉產品的坯釉匹配設計，還有燃料的選擇等。

3 與生產流程對應的檢測

在生產的每一環(huán)節(jié)前和后，對加工前后的產品材料進行檢測監(jiān)測，包括在線檢測和實驗室檢測。國家已頒布的檢測項目標準非常完善，涵蓋生產所有技術要素，生產部門可以根據(jù)需要進行檢測的選擇，即便是對于普通的生產，有些檢測也是必須的，比如原料的化學成分；有些檢測則可以在對產品有更高要求時進行，比如原料的礦物組成等；在材料研究中，還有很多技術復雜性較高的檢測，可以幫助企業(yè)在開發(fā)新型產品時提供更多科學依據(jù)，比如掃描電鏡等。

生產中，展開檢測項目越多，對影響產品在加工過程的變化因素也越了解，產品的成本、質量、特性和環(huán)境污染等陶瓷企業(yè)必須時刻關注的問題就能得到更好的控制。結合生產流程圖，我們對每一工序相對應的檢測進行以下說明：

（1） 眾所周知，在陶瓷生產中，原料是關鍵，原料的不同化學成分含量和不同特性，使得所燒成的產品也會有不同程度的性能差異。我們對原料化學成分的檢測，主要是關注原料是否達到燒成合適的強度、合適的色澤、合適的煅燒溫度的要求。簡單舉例：在坯體原料中，氧化鐵和氧化鈦含量過高色澤會偏深，氧化鉀和氧化鈉含量過高，產品可能過脆，而含量過低，燒成溫度則需要提高，不利于節(jié)能；氧化鈣含量也可以提示原料中是否含有碳酸鈣，過量可能導致不良影響。

許多原始的礦物原料經(jīng)過煅燒都能燒制成陶瓷，但是要獲得優(yōu)良品質的陶瓷產品，原料的選擇相當重要，天然原料中一般包含多種礦物，高嶺土、蒙脫石等有較好的塑性，結合后的坯體強度較高；鉀鈉長石等熔點較低，熔融后可填充坯體內的細小空隙，起連接作用；石英原料起到骨架作用，能增強坯體的硬度；原料中如果含有方解石、白云石或硫化物，有可能在高溫煅燒時釋放出二氧化碳、三氧化硫等氣體，使坯體出現(xiàn)細小的氣孔。還有很多其它礦物的作用相類似，有些礦物或起到不同效果作用，常用的如加入適當?shù)幕愒希部商岣弋a品強度。礦物分析在于區(qū)別相同成分不同礦物對產品完全相反的影響，如鈣成分，可以是助熔的鈣長石，也可能是容易造成針孔的方解石；鋁成分，可以來自熔點低的長石，也可能來自熔點高的高嶺土。

檢測了解材料的化學成分或礦物組成，可以調配出不同功能要求的產品配方，如耐磨防污的陶瓷磚、抗高溫的耐火磚、輕薄優(yōu)雅的日用瓷器、用途特別的工業(yè)陶瓷配件等等，配方都是截然不同的。不同原料有著不同的燒成收縮，穩(wěn)定的配方、穩(wěn)定的原料組成、穩(wěn)定的原料成分保證了各類產品尺寸、色澤、功能等質量的穩(wěn)定性。

為了得到特種功能的陶瓷，還必須添加更多純度較高的化工原料。如用于提高泥漿性能的減水劑；提高坯體強度的坯體增強劑；在耐高溫陶瓷中加入高氧化鋁含量的原料；在耐磨陶瓷中加入氧化鋯原料，為提高產品白度添加的優(yōu)質硅酸鋯原料等?，F(xiàn)代陶瓷生產增加了很多科技元素，能夠通過添加適當不同的化工料來提高生產效率和改善產品性能，這些化工料的性能和品質在添加前應該得到確認，檢測或者小樣試驗是必須的。

生產中所用原料的技術指標的檢測主要有：化學成分、礦相組成、燒后白度、含水率、可塑性指數(shù)、粘度、干燥強度、耐火度、燒成收縮、密度、燒結溫度范圍、真比重、熔融溫度范圍、放射性、可溶鹽含量、微觀結構（電鏡）、pH值、差熱。

產品研發(fā)和生產技術人員應該根據(jù)需要同時考慮成本因素，選擇必要和適當?shù)臋z測。

（2） 我們知道，不同的產品配方能燒制出豐富多彩、功能各異的陶瓷產品。確定配方后，選擇適合的原料，原礦原料多數(shù)是大塊狀和粗細不均的材質，必須進行充分研磨粉碎，均勻混合成生產料，生產料中的顆粒要求粗細分級，細顆?？梢蕴畛湫】障叮褵蟛粫粲刑辔⒖子绊憦姸鹊刃阅?，過細和過粗的料漿也會影響生產，如過細的料漿注漿后易塌落，干壓時易開裂；不同品類的陶瓷對生產料的顆粒度有不同要求，可通過研磨時間和檢測監(jiān)測來控制。

由于處理的原料量較大，生產料可能與設計的配方方案有所差距，生產料能否均勻和達到顆粒級配的要求，需要監(jiān)控。這個環(huán)節(jié)可以采用在線檢測和實驗室檢測的方式同時進行，如現(xiàn)場抽取漿料進行篩余和相對密度檢測，監(jiān)控研磨程度；對不同的研磨體內的生產料漿進行化學成分檢測，監(jiān)控料漿的均勻性；抽取生產料進行干燥強度、燒成收縮和燒后白度的試驗，為下一工序提供技術依據(jù)。

在混合粉碎及造粒工序，需要進行的檢測有：化學成分、顆粒度、篩余、含水率、可塑性指數(shù)、粘度、干燥強度、燒后白度、干燥收縮、pH值、燒成收縮、微觀結構（電鏡）、燒結溫度范圍、堆積密度、熔融溫度范圍、相對密度、可溶鹽含量、流速。

產品研發(fā)和生產技術人員應該根據(jù)需要，選擇必要和適當?shù)臋z測，由于此時的生產料屬于半成品，建議同一批次粉料或漿料進行多點取樣檢測。

（3） 符合要求的生產料進入成形工序。陶瓷件成形方式有很多，常見的有注漿成形、可塑成形和干壓成形，企業(yè)根據(jù)產品特點和客戶的需求決定成形技術。

注漿成形要考慮石膏模的質量的影響，如調制石膏模所用石膏粉及其與水的配比，控制吸水效率；在線檢測泥漿的pH值，檢測成形半成品干燥后的收縮情況和強度。壓制成形要關注粉料的含水率，條件允許的企業(yè)可以對粉料顆粒進行微觀結構分析，預防由于顆粒結構的原因造成的開裂；監(jiān)控坯體尺寸厚薄情況，通過檢測坯體的密度了解坯體的致密情況，預防坯體可能存在層裂的空隙等。

在成形工序，需要進行的檢測有：石膏模的理化參數(shù)、泥漿粘度、含水率、干燥強度、干燥收縮、燒成收縮、可溶鹽含量、燒后白度（色差）、微觀結構（電鏡）、坯體體積密度。

由于成形工序的連續(xù)作業(yè)性強，在線檢測更能監(jiān)控生產的穩(wěn)定性，并能及時調整操作，避免不合格的半成品流入下道工序，此時若及時發(fā)現(xiàn)不合格半成品，原料可重新利用。

（4） 合格的坯體首先進行干燥，干燥應采用合理的干燥設施和方式，因為干燥不當會影響生產的正常進行。如果不需要施釉，干燥后的半成品可以進入窯爐按照一定的加溫制度進行燒制；需要施釉的制品，有的直接施釉燒制，有的先預燒（素燒）再施釉燒制。

有釉制品的生產相對復雜，要考慮釉的性能以及坯釉結合的合理性。首先，根據(jù)釉在陶瓷件中的作用或效果設定配方，彩釉中含多種著色氧化物，由于釉層較薄，為增加顏色效果需要在釉中加入乳濁劑（硅酸鋯、二氧化鈦、二氧化錫等）；為了保證釉漿保持所需性能，還需要加入相適應的添加劑。配好釉料進行研磨時要控制釉的細度，太細的釉容易造成堆釉或釉層過厚；如果釉漿太粗，可能覆蓋坯的效果差，如出現(xiàn)針孔或光澤度差等狀況。釉漿的粘度決定了釉的流動性，從而影響施釉質量，生產中應監(jiān)測并保證釉漿具有比較穩(wěn)定的粘度；必要時可通過微觀結構研究釉的厚度與釉的效果從而調節(jié)施釉的量和方式，達到最佳效果。

在研制釉配方時除了關注與色澤效果相關的化學成分，還需要考慮釉的熔融溫度范圍和與坯體相適應的膨脹系數(shù)。釉的熔融溫度范圍包括始熔溫度、流動溫度等數(shù)據(jù)，始熔溫度是釉開始熔融鋪于坯體表面的溫度，此時坯體中的氣體無法再釋放出來，所以檢測釉的始熔溫度即提示坯體原料中的釋放氣體的反應應在此溫度前完成，并且釉的熔融溫度范圍應低于坯體的燒結溫度和適當寬一些，這樣產品在燒制時更好控制。

匹配的坯體與釉的熱膨脹系數(shù)是有釉陶瓷制品配方設計中最難的一步，需要大量的試驗—檢測—調整—再試驗……反復比較才能獲得合適的配方，由于坯體配方基本穩(wěn)定，一般是調節(jié)釉料配方，使釉的膨脹系數(shù)略小于坯體，這樣燒成的瓷件不會由于釉膨脹系數(shù)大于坯體的而發(fā)生釉的剝落，也不會因為釉的膨脹系數(shù)過小而出現(xiàn)釉的開裂。

檢測成品釉面的光澤度、硬度、耐磨性、耐污染和耐化學腐蝕性，并研究這些參數(shù)與配方和工藝的關系，有助于改善有釉陶瓷制品的功能，使產品更具市場競爭力。

在陶瓷生產的施釉工序，其中包括已事先完成的制釉工作，試驗并獲得比較理想的效果，這些過程所涉及的檢測有：化學成分、顆粒度、篩余、含水率、粘度、燒結溫度范圍、熔融溫度范圍、微觀結構（電鏡）、膨脹系數(shù)、色差。

釉的研制是陶瓷生產中令人充滿期待且富有創(chuàng)意的一環(huán)，各式各樣的釉賦予了冰冷堅硬的陶瓷多情和溫柔的一面，令陶瓷仿佛有了生命的光彩，美麗的背后凝聚了陶瓷工藝人不計其數(shù)的智慧和嘗試，在試驗中越多的檢測能獲得越多的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗積累，為調試出幻化無窮的色彩提高科學的依據(jù)。

（5） 高溫燒制是成形材料在窯爐內的高溫下完成一系列物理化學變化，最終形成固定形狀且具有特定功能的陶瓷制品的過程。

這個過程溫度是關鍵，為了達到需要的溫度，窯爐和燃料必須得到控制。

窯爐的品種很多，根據(jù)陶瓷制品的大小，燒成溫度制度、燒成氣氛、所用燃料等分成很多加溫和保溫模式，但是核心還是要達到非常高的超過1000℃的溫度，并能有效地保持窯爐內部溫度的穩(wěn)定均衡。建窯爐的材料是耐火材料中的一類，其中砌窯體的耐火磚、隔熱磚必須具有良好的高溫性能，也就是承受高溫的能力、保溫能力等指標要符合陶瓷制品的燒成溫度要求，而且是在負重下的耐高溫能力；承載陶瓷制品的窯具由于與陶瓷制品一同承受高溫，并需多次使用，所以窯具必須具有非常高的高溫機械強度和熱穩(wěn)定性。

耐火材料產品屬于特殊陶瓷產品的一類，生產耐火材料也遵循陶瓷生產的流程。具有良好高溫機械強度和熱穩(wěn)定性的耐火材料本身也具有良好的微觀結構體系和良好的晶體構成，有條件的企業(yè)可以進一步研究。本文中僅討論將耐火材料作為陶瓷生產的工具之一時所需要關注的技術指標和檢測。

保證陶瓷制品在高溫窯爐中的最終燒成，需要對建窯材料和窯具進行的檢測項目有：化學成分、常溫抗折強度、高溫抗折強度、常溫耐壓強度、荷重軟化溫度、加熱永久線變化、微觀結構（電鏡）、熱穩(wěn)定性、晶體結構（衍射）、膨脹系數(shù)、體積密度、導熱系數(shù)、氣孔率、耐火度、耐腐蝕。

研究耐火材料的特性及相關參數(shù)，對窯爐的熱利用率的提高有指導作用，對于節(jié)能降耗具有實效意義。

（6） 煅燒制品的高溫來自不同的燃料（能源），陶瓷燒制的能源主要有燃油、燃氣、燃煤和電等。燃油、燃氣、燃煤各有燃燒放熱的特點，對于陶瓷生產所用燃料，我們最關心的是發(fā)熱量（熱值），燃料具有越高的發(fā)熱量，越容易使窯爐順利到達所需溫度并得到保持。燃料還有其他的性質需要關注，這些燃料本身固有的性質可能影響陶瓷生產或造成環(huán)境問題，獲知燃料的燃燒參數(shù)進行適當?shù)倪x擇，有利于生產，有利于環(huán)保。

其中與生產和能耗相關的有煤的揮發(fā)分、固定碳、水分、灰分等參數(shù)指標，其中煤的揮發(fā)分含量較高時容易著火，火焰較長，利于生產；水分少，可燃燒部分高，灰分含量高發(fā)熱量相應降低等；油的揮發(fā)分、水分、灰分、閃點、燃點等參數(shù)對燃燒有影響，需要關注；氣體燃料的構成比較簡單，粗分為可燃部分和不可燃部分，合格的氣體燃料是其所含的可燃部分達到較高的熱值要求。

對于燃料我們還要關心燃燒后對環(huán)境的影響情況，燃料中的有害物質如硫、氮等需要注意；燃燒后產生出現(xiàn)不良物質而出現(xiàn)的指標也要進行監(jiān)控，比如煤的焦渣特性和灰熔點，灰熔點低容易結渣，焦渣特性不同對生產有影響，有些不適宜用作生產直接燃料；還有一些燃料含其他雜質，燃燒后可能產生對產品外觀、內質的不利影響，如一些著色成分，都要引起注意。

燃料中燃煤和燃油的指標對產品影響比較顯著，檢測項目包括：發(fā)熱量（煤）、水分（煤）、固定碳（煤）、焦渣特征（煤）、灰熔點（煤）、熱值（油）、粘度（油）、含水量（油）、揮發(fā)分、閃點（油）、硫含量、燃點（油）、灰分、密度（油）、化學成分。

其中煤檢測的各個項目有收到基、空干基、干基之分，使用者應依據(jù)使用情況，選擇相關的檢測項目；煤的水分也分內水分、外水分；油的閃點、燃點分有開口和閉口檢測；粘度也有多種表示法，如恩氏粘度、運動粘度等，都可根據(jù)使用情況選擇具體的檢測項目。

（7） 經(jīng)過層層工序，最后燒成的成品必須進行各種性能檢測，理由一是檢測產品能否達到其功能的要求；理由二是通過檢測發(fā)現(xiàn)不足，反饋生產流程并進一步完善改進。

國家質量部門對產品規(guī)定有相關的產品標準，依據(jù)產品標準抽檢樣品是保證進入市場的產品符合質量、健康、環(huán)保的要求。

由于陶瓷產品太多，每一類產品的檢測項目也有很多，但不是所有檢測項目都有實際應用意義，本節(jié)僅列舉部分建筑陶瓷的陶瓷磚、日用陶瓷產品的部分常用檢測項目。

1）陶瓷磚部分常用檢測項目有：尺寸、表面質量、吸水率、破壞強度（抗折）、耐磨性、表面鉛鎘溶出量、表面硬度、放射性、光澤度、耐化學腐蝕性、靜摩擦系數(shù)、耐污染性、抗龜裂、色差、抗凍性。

2） 日用陶瓷的部分常用檢測項目有：尺寸、表面質量、吸水率、鉛鎘溶出量、抗沖擊性、抗熱震性、表面硬度、放射性、光澤度、耐化學腐蝕性、耐污染性、白度。

企業(yè)可根據(jù)發(fā)貨要求選擇檢測項目，對于產品的關鍵指標應該保證符合要求，如日用瓷器的鉛鎘溶出量，關系到使用者的健康，則必須進行監(jiān)督；建筑材料中的放射性核素限量的檢測也應基于對消費者負責而提供檢測數(shù)據(jù)。

4 結論

陶瓷生產從原料利用到生產規(guī)模都是大型的，數(shù)量龐大，若出現(xiàn)差錯則損失嚴重，為了避免造成資源的浪費和過度的消耗，尤其是原料的不可再生而導致的環(huán)保問題，那么在生產的每一環(huán)節(jié)進行適應該環(huán)節(jié)的檢測，是最有效的監(jiān)控方式，一旦出現(xiàn)不合格產品，盡早發(fā)現(xiàn)，部分原料還可以返工重新利用。更重要的是，通過檢測保證生產質量，也通過對檢測數(shù)據(jù)的系統(tǒng)研究，開發(fā)出功能新穎、更符合現(xiàn)代需求的產品。

陶瓷制品的各項檢測的結果既相關又分別表述不同特性，檢測做得越細對陶瓷的判定和了解也更精確。因此，積累和總結檢測結果對陶瓷產品的研究和生產具有一定的科學意義。