低温烧成的陶瓷产品其关键在于开发与利用低温陶瓷原料,以保证低温快烧生产工艺。目前我国陶瓷研究机构已成功筛选出许多种低温陶瓷原料及低温熔剂原料,应该说正是低温快烧工艺的研究促进了陶瓷节能工作的进展,国内低温陶瓷原料的储藏与开发利用现状也取得了喜人的成果。
通过几十年的勘探与陶瓷原料普查,证明我国低温陶瓷原料储藏非常丰富。一是种类多,二是储藏量大。如硅灰石矿分布在湖北大冶、辽宁铁岭、吉林延边与盘石等地,储量都比较大,此外福建省、江西省、安徽省及湖南、河北等地都有发现,有的已经开采利用多年。透辉石矿主要分布在东北地区的吉林省及黑龙江省,其矿产储量都在400万吨~500万吨以上。至于珍珠岩矿资源,更为丰富,全国各地均有发现,早已开采利用多年。如辽宁法库、建平县、内蒙古包头、山西灵邱县、吉林九台县、黑龙江穆棱县及河南信阳等地区,有的储量高达数亿吨,这些丰富的储存都为推广低温快烧陶瓷工艺,提供了物质条件。可以用作低温烧成坯体原料以及釉料的陶瓷矿物原料,有硅灰石、透辉石、透闪石、绢云母粘土、叶蜡石、珍珠岩等,它们大多数已广泛应用于建筑卫生陶瓷的坯料及釉料中,取得了良好的节能效果。
1、硅灰石原料。硅灰石属于硅酸钙矿物。自然界中的硅灰石主要存在于不纯的石灰岩与酸性岩浆岩的接触变质带内。在火成岩的富钙片岩中亦可见到。与硅灰石原料伴生的矿物还有透辉石、石榴子石、方解石及石英等,均属陶瓷工业可以采用的原料种类。硅灰石理论化学成分为SiO2 50.70%,CaO 48.30%。20世纪70年代中期,我国湖北省大冶及阳新地区最先发现硅灰石矿,其实际化学成分为:SiO2 50.23%,CaO 44.9%,Fe2O3 0.29-1.23%,化学成分与美国、日本等国矿物的成分基本相同。硅灰石具有良好的热膨胀特性,它的热膨胀系数随温度增加,呈现直线性上升,因此非常有利于快速烧成的工艺要求。此外,硅灰石熔点温度比较低,为1540℃,尤其在硅灰石与瓷坯中的碱-碱土成分结合时能进行较低温烧成,这一特点也是后来引起陶瓷界,尤其建陶工业非常重视的主要缘故。一般在坯料中掺入10%~20%的硅灰石取代长石、石英时,可将陶瓷制品的烧成温度下降80℃~120℃。
硅灰石还具有独特的工艺性能,如使用硅灰石原料后,可以有效的减少坯体收缩率,而且能够降低坯体的吸湿膨胀,防止陶瓷坯体的后期干裂等。含硅灰石的坯体还具有较高的机械强度和较低的介电损失。引入硅灰石的坯体,在烧结过程中成熟速度加快,可以在十几分钟至几十分钟内使坯体成熟,大大降低了单位制品的热损耗,其烧成周期也从过去的90小时下降为仅仅50分钟。硅灰石最先引入到釉面砖坯料配方中,使面砖的烧成热能损耗由3600大卡/公斤,下降为1850大卡/公斤制品。除釉面砖外,硅灰石原料近年来已扩大了其应用范围,其节能降耗的效果,已为陶瓷业界人士所有目共睹。
2、透辉石原料。透辉石属于硅酸镁-硅酸钙铁类质同象系列中的矿物。它常与磁铁矿及其它含铁矿物共生,矿物特性为浅绿色短柱状晶体。透辉石的化学组成为钙、镁、硅的氧化物组成,其化学分子式为CaO·MgO·2SiO2。透辉石的理论化学组成为:氧化钙25.8%,氧化镁18.5%,二氧化硅55.7%。其实例有我国吉林省透辉石矿主要化学成分为:二氧化硅51.6%~45.71%,氧化铝3.52%~7.29%,氧化铁2.69%~0.27%,二氧化钛0.13%~0.1%,氧化钙23.78%~19.98%,氧化钾和氧化钠0.96%~0.63%。
透辉石的热膨胀系数与硅灰石大体相同,也是非常适合低温快烧工艺的优质陶瓷原料。透辉石具有的熔剂性质也很独特,如其开始变化温度为1170℃,软化温度为1280℃,熔融温度为1290℃,软化温度范围为110℃,熔融温度范围则为10℃。鉴于此,透辉石与硅灰石同样可以有效的减少陶瓷制品坯体的收缩率。引入有透辉石原料的面砖产品,其坯体的总收缩(包括干燥收缩与烧成收缩)仅为0.2%~0.4%。配入透辉石的瓷砖坯体同样可以降低坯体的吸湿膨胀,杜绝釉面砖使用的后期龟裂缺陷,保证使用质量。
作为优秀的低温快烧原料,引入透辉石的建筑陶瓷制品,其烧成温度极低,仅为980℃~1020℃左右,较之硅灰石坯体的烧成温度还要降低100℃左右。因此,扩大透辉石原料的使用范围,将具有更大的节能降耗效果,产生更大的经济效益。
3、珍珠岩原料。珍珠岩属于一种酸性火山岩浆喷发的玻璃质熔岩。在珍珠岩内常含有一些透长石、石英的斑晶微晶及各种形态的雏晶及稳晶矿物等,如角闪石刚、叶腊石、黑云母等等。珍珠岩的化学组成范围一般为二氧化硅68~75%,氧化铝9~14%,氧化铁0.5~4%,二氧化钛0.13~0.2%,氧化镁0.4~1%,氧化钙1~2%,氧化钠2.5~5%,氧化钾1.5~4.5%,水3~6%。珍珠岩的氧化与熔融温度为:开始收缩温度为1025℃,软化温度为1175℃,熔融温度大于1500℃,软化温度范围为150℃,熔化温度范围为325℃。
从上述数据来看,珍珠岩开始收缩的温度比长石低120℃,软化温度低75℃,软化范围加宽95℃。由于这些特性,珍珠岩在陶瓷制品烧成中可以大大降低烧成温度,改进烧结的质量。通过进一步深入研究,珍珠岩还有一种特性,即含有珍珠岩的陶瓷坯体中,莫来石晶体形成较早,从而有利于烧结过程的展开。这样一来,含珍珠岩坯体除具有与长石-石英-黏土(高岭矿物)三元系坯体配方相同的工艺特性之外,还能降低烧成温度(从原来的1280℃降低为1180℃~1160℃),并且具有良好的热稳定性。
目前,我国陶瓷行业在采用低温陶瓷原料,节约能耗与缩短烧成周期方面,取得许多成果,但仍然有许多不尽人意之处。如国内陶瓷企业产品烧成温度仍然普遍高于国外先进企业,能耗及产品成本也高于国外同行。有许多实践证明了的成熟的工艺技术,目前尚未大规模普及与推广,这些问题均需加强解决。随着陶瓷科技的进步与向前发展,近年来又相继开发与研制成功更多种类的低温陶瓷原料,如透闪滑石、锂云母、钙长石、透闪岩,高云母量叶腊石等,更需要普及与推广。随着低温快烧工艺水平的普及与提升,我国陶瓷工业的整体素质与效益将有较大改观,产品的竞争力也会大大加强。
