低温快烧瓷质砖的成瓷机理探讨

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇低温快烧瓷质砖的成瓷机理探讨范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘 要 本文主要从坯体配方及物理化学基础方面对低温快烧瓷质砖进行了探讨，指出了快速烧成的主要影响因素和各类长石对快速烧成的影响。

关键词 全玻化无釉瓷质砖，低温快烧，机理，长石

1 引言

全玻化无釉瓷质砖凭借其优异的理化性能和装饰效果，近年来发展迅速，成为产量最大的地砖品种之一。其生产工艺也不断进步，烧成温度降低，烧成周期缩短。由于生产过程中，球磨细度和成形压力等工艺具有一定的局限性，故从成瓷的机理方面探讨低温快烧的可能性更具意义。笔者根据多年实践进行了简要的理论分析，为优化配方设计从而达到进一步低温快烧的目的提供了参考。

2工艺过程对坯体配方的要求

2.1 低温快速烧结性

影响坯体烧结性的主要因素是烧成时间、烧成温度、低熔物的性质和数量，即坯体的组成、成形压力、粒度级配、烧成条件等方面。以节约能源提高经济效益为出发点，一般新型节能辊道窑的结构特征是承受温度低、烧成时间短。低温快烧可扩大色料的选择范围，有利于增加产品的花色品种。当使用辊道窑烧成高度烧结的无釉砖时，首先要保证坯体的组成适应快速低温烧结的条件。

2.2 较低的收缩

墙地砖产品的一个重要外观性能是尺寸规格，高度烧结时，收缩较大（一般为9%～11%）。控制产品的烧成收缩可防止产品的变形、开裂等缺陷，有利于产品的规格一致性。

2.3 一定的生坯强度

虽然自动化水平较高的生产线避免了搬运过程的磕碰，但由于产品规格大，坯体在干燥和各种储运设备间转运时难免会产生干燥应力、撞击和振动，所以坯体应具有一定的生坯强度，否则会增加半成品的破损率。一般生坯强度在17kg/cm2以上可以满足生产要求。

3 配方的物理化学基础

3.1 传统长石质瓷

在配方和工艺因素不变的情况下，长石质瓷可以制备出烧成温度在1150℃～1450℃（SK3～SK16）范围内的瓷器。所得瓷器可依据烧成温度的不同分为硬质瓷、软质瓷和低温瓷。硬质瓷的烧成温度为SK13～SK16，即1380℃～ 1460℃；软质瓷内含有大量的长石（30%左右），烧成温度为SK6～SK10，即1200℃～1300℃。另外，烧成温度在1200℃以下的低温瓷广义上也属软质瓷。

3.2 低温快烧的玻化无釉砖

玻化无釉砖是在1200℃以下烧成的，和软质瓷低温高长石瓷属同一范畴,但相比传统低温高长石瓷又有其特点。

陶瓷制品在高温下是否变形取决于两个方面：制品在高温中延续的时间和制品在高温中保持形状的能力。这种能力由两个因素决定：一是制品中玻璃相的含量，二是玻璃相的粘度。玻璃相越多，粘度越小，越易变形；反之则不易变形。要使制品高度烧结，坯体中玻璃相的比例必须大于50%[1]。所以，制品烧成时间越长，则在高温带延续时间越久，要保证其变形小就必须要求坯体内部的玻璃相有较大的粘度。传统长石质瓷的烧成时间长，有的长达20～30h，制品在烧成带的时间也相应变长，所以要求其玻璃相具有较高的粘度。钠长石在高温时粘度低，所以传统长石瓷中控制钠长石的含量在总长石含量的25%以下，CaO、MgO则被认为是有害成份，其在长石中的含量应不大于1.5%[2]。

玻化无釉砖在辊道窑中烧成，在最高温度处的时间只有十几分钟，而且在辊棒上动态运行。以石英、高岭土的分解产物和玻璃相组成的坯体一般不易变形，所以允许制品玻璃相粘度小一些，这样坯体中玻璃相的粘度小便可迅速填充孔隙排出气泡，加快成瓷反应。但是如果坯体中玻璃相的粘度太小超过极限，则砖坯在通过烧成带时，坯体内部玻璃相会因粘度过小而在其自重的作用下从砖的背面渗出，粘到辊棒上，这种情况多发生在坯体中含有较多钙的情形下。如图1所示[3]，钙钠玻璃粘度远小于钾钠长石熔体的粘度，钙长石的高温粘度很小，少量钙长石溶入钾钠长石熔体会显著降低其粘度[4]。

必须特别指出的是，玻化无釉砖也常出现波浪纹、翘曲等变形，但多不是由烧成带坯体中玻璃相多、粘度小等原因引起的。因为高温态坯体处于塑性状态，在辊棒上运行的过程中，可以通过坯体流变自动找平，不会出现永久变形；而在冷却带是否发生变形则取决于急冷风的风量和均匀性以及坯体中玻璃的转化温度两个方面，转化温度窄，则坯体变形后不能流变找平，较易变形。一般瓷器的玻璃转化温度在800～830℃[4]，应避免此段温度变化过急。玻璃中CaO、MgO的含量多，则其转化温度变窄，故需对CaO、MgO的含量进行控制。

4 促进快速烧成的机理

从配方机理的内部因素上考虑，促进坯体快速烧成的因素主要有以下三个方面：

（1） 坯体中形成的玻璃相有合适的粘度（在不粘辊棒、不变形的情况下应尽可能小），可使孔隙易于填充，促进瓷化；

（2） 坯体中形成的玻璃相的表面张力要大，以产生较大的毛细管力，使坯体颗粒拉近，液滴易于熔合，促进瓷化反应，各种氧化物在玻璃中对表面张力的计算系数见下表[5]；

（3） 低共熔玻璃相产生的温度要低，数量要多

在低温快烧成瓷反应的第一阶段反应中，首先是粘土矿物加热到900℃以上时逐步由脱水高岭转化成结晶不完全的尖晶石和非晶质SiO2，该物质很活泼，易和长石形成低共熔物；到了1000℃，尖晶石开始逐步转化成莫来石，在1150℃时即能在光学显微镜下看到细小的磷片状莫来石。活泼的尖晶石中的Al3+离子向长石低共熔体中扩散，熔体中便可能析出莫来石。X射线研究表明，这种莫来石以针状晶体析出，其析出过程在1050℃便明显开始，该晶体称为二次莫来石。粘土矿物的作用在于促进低共熔物的生成以形成莫来石。低共熔物形成温度越低，此时尖晶石未转变成莫来石，则易溶于熔体中形成二次莫来石，利于成瓷反应。

5 各类长石对快烧的影响

坯体中的钾长石在1150℃±20℃便开始发生异成份熔化，生成白榴子石和富含SiO2的玻璃，有较高的粘度，在1200℃时长石颗粒形状仍然保持不变[7]。钾长石单一熔剂不能在1200℃烧成玻化无釉砖；钠长石在1118℃同成份熔化，粘度小；钙长石一般以固溶形式存在于钾长石、钠长石中提高其熔融温度。以钾、钠长石的杂质形式引入少量钙长石可以促进低共熔物的生成，降低钾、钠长石的粘度。一般坯体内CaO全部折算成钙长石后含量不能超过长石总量的5%。钙长石在总长石含量中占5%时，熔体温度为1200℃。若钙长石以固溶形式存在于钾、钠长石中，则含量只要达到5%便无法应用于玻化无釉砖的生产。而坯体中由于粘土引入的氧化钙大多是吸附钙离子或CaCO3碱土矿物，所以其含量为5%属正常。

钾长石和硅石能在985℃低温共熔，如图2。钠长石和硅石之间的低共熔点为1070℃，见图3。但长石和瓷坯中结晶良好的SiO2反应温度稍高（1100～1150℃），且反应缓慢，可以认为1200℃以前瓷坯中的石英基本没有参加反应。将两个二元系统比较后可见，钾长石和石英共熔反应时温度的下降比钠长石更为强烈。实际上，在钠长石与钾微斜长石的共同作用下，钾长石的低共熔点可降至956℃，在少量钙长石和铁矿物的存在下，其熔化温度可低至900℃。

钾钠长石在1070℃可以形成低共熔点，见图4。该低共熔点的组成是钠长石含量＞53%，其液相线和固相线趋向一条，表明熔融范围很窄，适于低温快烧。若要在较低温度下迅速形成大量液相，使熔体有时间排除气泡，钾钠长石的配比应接近低共熔点。因钾长石和粘土分解产物的共熔作用强烈，应尽可能增大其在总长石中的含量。从相图4可以看到，钾长石的加入量可在45%～55%之间变化。

钾钠长石共熔体的粘度，取决于钾钠长石的相对含量，钠长石含量低，钾长石含量高则粘度高；反之粘度低，两端变化大，中间变化平缓。

通常采取引入钙长石、CaCO3、白云石、滑石等碱土金属矿物的方法来降低钾钠熔体粘度，其中滑石效果最好。因为钙长石是通过熔体溶解而进入熔体内的，其速度很慢，CaCO3在900℃才开始分解，导致坯体不能致密烧结；白云石亦因其中有CO2分解气体放出，同样不能使坯体致密烧结；而滑石在850℃开始分解，产生的水蒸汽能被低共熔物吸收，降低其粘度，增进尖晶石分解成的斜顽辉石（MgSiO3）与游离石英和长石低温共熔。有关研究表明，镁能促进熔体中莫来石的生成，同时镁进入玻璃有利于提高玻璃的表面张力，促进瓷化反应。

6 结 论

通过以上分析，得出结论：

（1） 可以通过增大钠长石的含量、添加滑石等降低坯体内玻璃相粘度的方法来促进玻化无釉砖快速烧成；

（2）在低温阶段钾长石形成共熔物的能力较钠长石好，在保证钾钠长石能很好的共熔的情况下，应尽可能使用钾长石，使钾长石在长石总量中占有45%～50%的比例；

（3） 成瓷反应主要在长石和粘土之间进行，当石英在小范围内变化时，决定烧结品质主要是粘土矿物和长石的相对含量。

参考文献

1 杜海清，唐绍裘.陶瓷原料与配方[M].北京：轻工业出版社，1986

2 西北轻工业学院.陶瓷工艺学[M].北京：轻工业出版社，1983

3 H・萨尔满等著.陶瓷学(上)[M].北京：轻工业出版社，1989

4 H・萨尔满等著.陶瓷学(下)[M].北京：轻工业出版社，1989

5 （日）素木洋一著.刘达权、陈世兴译.硅酸盐手册[M].北京：轻工业出版社，1982

6 （日）桥本谦一，滨野健也著.陈世兴、张维翰译.陶瓷基础[M]. 北京：轻工业出版社，1986

7 刘康时.陶瓷工艺原理[M].广州：华南理工大学出版社，1990