高強(qiáng)度仿古磚坯體配方的研制*

黃辛辰 趙存河 何宇奇 李國(guó)平 梁超成 何義力

(蒙娜麗莎集團(tuán)股份有限公司 廣東 佛山 528000)

前言

近年來(lái)，隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)加速，除了建筑裝飾材料美觀(guān)度的要求外，人們對(duì)陶瓷磚的基本性能要求越來(lái)越高，特別在進(jìn)行戶(hù)外使用時(shí)，普通陶瓷磚因強(qiáng)度不足易出現(xiàn)開(kāi)裂，影響使用效果，造成安全隱患，增加后期維護(hù)成本。本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)坯料配方體系及燒成制度研究，研制出1.5～2.0 mm厚、破壞強(qiáng)度高(≥6 700 N)的適合低溫快燒的坯料配方，極大地提升了產(chǎn)品品質(zhì)，為戶(hù)外用磚提供了解決方案。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1)參照實(shí)驗(yàn)配方進(jìn)行配料。經(jīng)球磨、過(guò)篩、除鐵、造粒、壓制成形，在經(jīng)干燥后燒成。

2)測(cè)試及表征。參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《陶瓷磚試驗(yàn)方法》(GB/T 3810-2016)對(duì)所制備的試樣進(jìn)行吸水率、顯氣孔率、表觀(guān)相對(duì)密度和破壞強(qiáng)度的測(cè)定。采用X射線(xiàn)衍射儀和掃描電子顯微鏡等對(duì)試樣的物相組成和顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。

2 坯體的研究

2.1 坯料配方的研究

本項(xiàng)目綜合考慮成本、成形性、坯體強(qiáng)度、干燥收縮及燒成收縮等要求，初步選擇球土B、膨潤(rùn)土、鉀石粉、鈉石粉、煅燒鋁礬土及滑石為原料體系，幾種原料的化學(xué)組成如表1所示，其相關(guān)的陶瓷工藝性能如表2所示。

表1 所用原料的化學(xué)組成(質(zhì)量%)

表2 所選原料的相關(guān)工藝性能

續(xù)表2

按照表1的化學(xué)組成和表2的工藝性能，結(jié)合陶瓷制備工藝點(diǎn)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)改變球土B、鉀石粉、鈉石粉、煅燒鋁礬土及膨潤(rùn)土的份數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出， 通過(guò)適當(dāng)降低球土B的比例可降低燒失量，但過(guò)低會(huì)使得粉料粘性不夠致生坯強(qiáng)度低；增加鉀石粉可以降低坯體的干燥收縮和變形，但過(guò)量添加會(huì)導(dǎo)致達(dá)不到提高配方鋁含量的目的；增加鈉石粉可以降低坯體的燒結(jié)溫度，但添加過(guò)量容易造成產(chǎn)品變形；增加煅燒鋁礬土的比例可提高Al2O3的含量，但過(guò)量會(huì)使坯體不易燒結(jié)；添加適量的膨潤(rùn)土可提升粉料的粘性，增加坯體的成形強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)比試樣結(jié)果，發(fā)現(xiàn)表3配方性能適宜，該配方的化學(xué)組成見(jiàn)表4。

表3 坯料配方(質(zhì)量%)

表4 坯料的化學(xué)組成(質(zhì)量%)

2.2 成形性能研究

粉料成形性能越好，對(duì)壓機(jī)適應(yīng)性越強(qiáng)。同時(shí)良好的粉料流動(dòng)性有利于壓機(jī)布料的均勻性。主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究：

2.2.1 粉料的濕強(qiáng)度

表5 粘土的基本物理性能

粘土原料極大地影響粉料的濕強(qiáng)度與產(chǎn)品白度。粘土是由許多大小各異、物理、化學(xué)及礦物學(xué)性能不同的礦物微粒組成的混合物，具有可塑性、結(jié)合性，是陶瓷磚生產(chǎn)的主要原料。粘土原料中的鐵、鈦含量較高時(shí)，燒成后白度會(huì)明顯降低。對(duì)使用的粘土原料從白度、粘度、濕坯強(qiáng)度及干燥強(qiáng)度進(jìn)行比較，見(jiàn)表5。

1)球土B是一種復(fù)合調(diào)配粘土原料。使用黑泥、高嶺土、腐殖酸鈉等調(diào)配而成，經(jīng)除砂、酸洗除鐵壓濾制成球土。

2)膨潤(rùn)土選用河南信陽(yáng)超白膨潤(rùn)土，增強(qiáng)效果較好。

由表5粘土的基本物理性能，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，選擇球土B和膨潤(rùn)土用于2.1的配方調(diào)試。

2.2.2 基礎(chǔ)粉料顆粒級(jí)配

壓制成形工藝要求粉料含水量低，有一定可塑性，必須有良好的結(jié)合性和流動(dòng)性，如粉料流動(dòng)性不佳，難以充滿(mǎn)模腔，且不易壓實(shí)，獲得的坯體強(qiáng)度不高。對(duì)基礎(chǔ)粉料進(jìn)行檢測(cè)，其性能如表6所示。

表6 基礎(chǔ)粉料性能

2.3 坯體增強(qiáng)劑

該項(xiàng)目基礎(chǔ)配方粘土類(lèi)成分較低，坯體成形后濕坯強(qiáng)度和干燥強(qiáng)度偏低。為滿(mǎn)足陶瓷磚工業(yè)生產(chǎn)中的工藝要求和性能，在基礎(chǔ)配方的基礎(chǔ)上，分別探討添加坯體增強(qiáng)劑0、0.5%、1.0%、1.5%對(duì)坯體性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表7和圖1所示。

表7 坯體增強(qiáng)劑添加量對(duì)坯體性能的影響

從表7和圖1可知，隨著坯體增強(qiáng)劑增加，濕坯強(qiáng)度增加不明顯，坯體干燥強(qiáng)度逐漸增加，當(dāng)添加量從0提高到1.5%時(shí)，坯體干燥強(qiáng)度由1.30～1.35 MPa增大到1.70～1.85 MPa，增加30%～37%。

圖1 坯體增強(qiáng)劑對(duì)坯體強(qiáng)度的影響

3 燒成制度的研究

因坯體厚度要求燒結(jié)后達(dá)到15～20 mm，比傳統(tǒng)仿古磚厚50%以上，傳統(tǒng)的解決辦法是延長(zhǎng)窯頭干燥階段(0～350 ℃)的干燥時(shí)間、預(yù)熱區(qū)(400～700 ℃)的坯體晶型轉(zhuǎn)變時(shí)間、氧化還原階段(700～1 050 ℃)的氧化排氣時(shí)間及燒成區(qū)(1 050 ℃～最高溫)的燒成時(shí)間。為保證低溫快燒及產(chǎn)品效果，采用表3坯料配方，并對(duì)窯爐的燒成工藝、制度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。首先需開(kāi)啟窯前30 m干燥器，溫度控制在150～230 ℃，以排除坯體中的吸附水、結(jié)構(gòu)水以及部分結(jié)晶水，提升坯體強(qiáng)度。進(jìn)入燒成窯，窯頭干燥階段可快速升溫至150～250 ℃，并適當(dāng)增加干燥階段的負(fù)壓強(qiáng)度，促進(jìn)排氣、排濕，縮短坯體停留在該區(qū)域的時(shí)間。預(yù)熱區(qū)對(duì)比常規(guī)仿古磚燒成制度可適當(dāng)增加該區(qū)域燒成時(shí)間，適當(dāng)增加負(fù)壓強(qiáng)度，促進(jìn)排氣、排濕，但500～600 ℃應(yīng)控制升溫速率，保證石英晶型安全轉(zhuǎn)變。氧化分解階段為主要排氣區(qū)及液相產(chǎn)生區(qū)，應(yīng)重點(diǎn)控制該區(qū)域的負(fù)壓強(qiáng)度、升溫速率及時(shí)間，保證此階段的磚坯不出現(xiàn)真孔、氧化不良等缺陷。燒成區(qū)可適當(dāng)提升燒成溫度以達(dá)到產(chǎn)品燒結(jié)并縮短燒成時(shí)間的目的。整個(gè)燒成過(guò)程為全氧化燒成，燒成制度如圖2所示。

圖2 燒成制度

4 性能檢測(cè)

從表8可以看出，采用表3配方可以滿(mǎn)足大生產(chǎn)需求，各項(xiàng)關(guān)鍵性指標(biāo)優(yōu)異。

表8 表3配方關(guān)鍵性能指標(biāo)

圖3是表3坯料配方試樣的SEM圖。從圖3中可以看出，試樣燒結(jié)致密，玻璃相相對(duì)連續(xù)，存在細(xì)針狀莫來(lái)石相，看不出明顯的孔隙與缺陷。

圖4是表3坯料配方試樣的XRD圖譜。從圖4中可以看出，試樣中的晶相為石英(SiO2)、莫來(lái)石(Al6SiO13)、剛玉(Al2O3)，通過(guò)半定量分析，晶相中的石英(SiO2)占19.71%，莫來(lái)石(Al6SiO13)占19.69%，剛玉(Al2O3)占3.48%，該試樣的莫來(lái)石晶相含量較高。

圖3 基礎(chǔ)坯料配方試樣SEM圖

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)坯體配方的各項(xiàng)理化性能進(jìn)行檢測(cè)及燒成制度調(diào)整，當(dāng)坯體增強(qiáng)劑添加量在1.0%時(shí)，此配方能夠運(yùn)用于實(shí)際生產(chǎn)。項(xiàng)目所研究出的仿古磚坯體燒失量為4.0%～5.0%，莫來(lái)石晶相量≥19%，破壞強(qiáng)度≥6 700 N，性能優(yōu)異。