细炻质地砖坯体配方调整


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　　本文所讨论的大规格细炻质地砖，系按照国标GB/T4100-3干压陶瓷砖第三部分之要求生产的尺寸在500×500mm以上的地砖。按新国标要求，主要理化性能指标为：吸水率：平均值3％≤E<6%，单个值≤6.5%，实际生产中控制平均值在4-5%，成品断面模数平均值不小于22MPa，单个值不小于20MPa；抗热震性能按该标准试验方法，10次不出现炸裂和裂缝。 我们生产大规格细炻地砖时在坯体的强度、成品的平整度、坯体的烧结程度和排气性及坯釉适应性等方面碰到了一些问题，而通过对坯体配方的调整，取得了较为明显的效果。现将试验的情况和体会整理如下，供国内的同行们参考。
     （一）大规格地砖对坯体性能的基本要求 大规格地砖是陶瓷墙地砖生产难度较大的品种之一，顾名思义，大规格砖的尺寸大，厚度较厚；且施各种类型的装饰面釉。一般来说，对大规格的陶瓷地砖的坯体性能有下列基本要求：
     1、首先要求坯体强度高 不仅要求干燥强度高，而且要求湿坯有一定的强度。这是因为为了满足湿坯成型后从压机送到干燥室和坯体干燥后补水、施釉、丝网印、装车等后续运输和加工序的要求。对于大规格尺寸的产品，这一点是特别重要的。如果坯体强度达不到一定要求，破损率大且造成的开裂多，不仅生产率低，成本高，劳力浪费，有时甚至造成因前面工序供应不上辊道窑连续生产的要求而无法生产。
     2、其次，要求坯体的干燥性能好。要求干燥合格率高，这就要求坯体的干燥收缩尽可能小、变形小；只有塑性原料的可塑性和干燥敏感性好及整个泥料的颗粒级配比较合理，这样才能使坯体在快速干燥中干燥收缩小、变形小、不易开裂；且干燥强度较高、干燥敏感性好。
     3、第三，要求坯体的烧成性能好。包括坯体有适合的烧成温度及较宽的烧成范围，能适应于低温烧成和快烧；坯体的烧失率低、排气量少，特别是较高温度下排气少，这能减少坯体黑心，有利于高亮釉面的烧成；坯体的烧成收缩尽可能小，这样使烧成的坯体变形和开裂情况少，坯体的导热性能好，以免因温差而变形、开裂；坯体与各种釉的适应性好，不仅坯釉的结合性好，且热胀性和湿膨胀性能好。
     4、要求成品性能好。包括坯体烧成后瓷岩相组成合理，有足够的强度；成品的平整度好，这不仅要求坯体烧成时的变形小，且要求坯釉适应性好，即因坯、釉膨胀系数不同引起的翘曲变形能控制在国家和企业标准之间。
     5、要求坯体的经济性好。总的要求坯体配方在满足各项性能的前提下每吨料的成本尽可能低；且每种单一原料性能稳定，从而使配方的性能较稳定。
     （二）大规格细炻质地砖坯体配方的分类及组成 地砖生产消耗的原料量较多，因此使用的原料都具有就地取材的特点。因此每个工厂所配制的配方，也根据各地原料的组成不同具有地域性的特点。例如：某地区盛产高硅低铝的原料，一般配制的配方就具有高硅低铝的特点；而另一地区，原料中的含铝量较高，配方中的铝含量则相对会高一些；还有些地方有大量的镁质土的矿源，就可以采用具有多种熔剂的复合型配方。为了给坯体配方分类，首先要简单了解一下组成地砖坯体各种原料的分类。
     1、大规格地砖坯体采用原料的类型 一般来说，用于生产细炻质大规格地砖可分成以下几类：
     1）塑性原料 这类原料的主要作用是赋于坯体一定的可塑性，使坯体的强度能达到工艺要求，常用的粘土类矿物有：
     ①高岭石类：例如球土、沉淀型高岭土等；
     ②伊利石类：例如瓷石、瓷砂及其风化产物；
     ③蒙脱石类：例如膨润土；
     ④叶蜡石类：有些资料把叶蜡石归入硬质粘土类，特别是绢云母型、地开石型、高岭石型叶蜡石磨细后具有一定的可塑性。
     2）瘠性原料 这类原料的主要作用是调节坯体的可塑性、降低坯体的干燥收缩，缩短干燥时间，防止坯体出现过大的变形；我们这里所指的瘠性原料主要为石英。石英在坯体中能起调节热膨胀系数和烧成时晶型转换时所产生的体积膨胀可部分抵消消坯体的收缩。
     3）熔剂性和矿化性原料 熔剂性在大规格地砖坯体中的主要作用是在坯体中产生玻璃相，从而使多孔的坯体形成结构致密而气孔率低的瓷坯；矿化剂的作用是能促进坯体中低温下形成的堇青石、钙长石、透辉石等晶体的产生，从而大大降低烧成温度。一般来说，生成的晶体膨胀系数小，因此矿物剂还能降低坯体的膨胀系数，提高坯体的热稳定性和机械强度。常用的熔剂和矿化剂有：
     ①钾钠系统：钾长石、钠长石、钾钠长石、瓷石、瓷砂等；
     ②钙镁系统：透辉石、透闪石、镁质粘土（或称滑石粘土）、滑石等；
     ③复合系统：即在钾钠系统中适当加入部分钙镁系统的原料，目前有很多工厂采用该系统；
     ④废渣废料系统：即废渣废料为主要熔剂和原料，适当掺加一些粘土形成坯体配方系统。常用的废料废渣有煤矸石、大理石、粉煤灰、磷矿渣、炉渣及各种矿山尾矿、废渣等。
     2、配方的分类及组成范围
     1）根据大规格细炻质地砖坯体化学组成，可将配方分成高硅低铝型和高硅中铝型； 2）根据所采用的原料的矿物可将坯体配方分为粘土+长石+石英传统体系和粘土+瓷石（瓷砂）体系。两种体系的配方只要比例合适和工艺控制合理都能生产出性能良好的大规格地砖。但一般来说，前者烧成范围较宽，工艺控制容易，烧成温度不敏感；后者在这方面较差。
     3）根据配方中所采用的熔剂（矿化）性原料种类不同，笔者将配方分为：钾钠系统、钙镁系统和复合系统。现将这种分类法采用熔剂性原料和整个配方的化学组成范围列于表5。

表5  按熔剂分类的地砖配方组成范围

配方系统

采用的主要熔剂和矿化剂

参考化学组成范围

               

钾钠系统

钾长石、钠长石、钾钠长石、瓷石、瓷砂等

65-72

18-22

<1

  

<1

<1

3-5

钙镁系统

透辉石、石灰石、透闪石、滑石、滑石粘土（镁质粘土）等

52-55

14-17

<1

  

14-20

1-2

复合系统

上述兼有

65-70

16-20

<1

  

4-6

2-4

    （三）优化坯体配方成型性能的调整试验

    坯体的成型性能不好主要表面为：①坯体的湿坯强度不够，成型后即发生开裂；②坯体的干燥强度不够或干燥敏感性不好，干燥后开裂；③坯体中的粘土选用不当，粘土中的有机质太多，粘性过好，易粘模。

    调整试验坯体成型性能主要是如何选择粘土的种类并控制最适当的比例，使坯体的成型性能达到较佳状态，能满足生产要求。试验的主要原料的理化性能如下（为了说明问题，下文配方中所采用的原料序号及编号与表6保持一致）。

表6  试验用原料理化性能

序号

原料

名称

产地

1200烧成性能(%)

化学成分

单料坯体强度

(Mpa)

烧失

收缩

吸水率

SiO2

Al2O3

Fe2O3

TiO2

CaO

MgO

K2O

Na2O

Loi

1

粘土A

广东

10.5

8.3

9.4

57.03

27.02

1.29

0.64

0.01

0.45

1.61

0.27

10.48

34.76

2

粘土B

福建

11.0

7.8

9.3

62.47

22.96

2.10

0.7

0.32

0.44

0.95

0.10

9.75

18.30

3

粘土C

福建

9.7

7.0

11.9

69.11

22.12

0.47

0.10

0.41

0.40

0.14

0.03

7.32

19.56

4

粘土D

福建

12.69

10.04

5.0

60.54

21.91

1.85

0.48

0.44

0.47

0.93

0.40

9.42

36.00

5

镁质粘土

广东

4.96

3.3

21.70

70.9

2.36

0.59

0

0.2

20.82

    

4.03

可塑

6

叶腊石A

福建

3.9

0.18

41.1

77.73

18.15

0.16

          

3.7

  

7

叶腊石B

福建

3.8

3.0

40.0

69.98

22.29

0.38

          

4.91

  

8

透辉石

山东

1.4

5.5

24.0

52.06

1.46

0.53

0.07

23.51

18.01

0.04

0.47

    

9

长石A

福建

1.3

19.0

0

73.88

13.42

0.52

0.02

0.28

0.48

6.0

4.0

0.7

  

10

长石B

福建

1.0

17.5

0

76.77

12.11

    

0.33

0.15

5.30

4.34

    

11

滑石

江西

8.8

3.2

17.4

61.23

0.05

0.18

  

2.28

27.01

        

12

石英砂

福建

1.0

0.8

33.8

98.77

0.54

0.03

            

13

陶土

福建

3.7

7.8

5.6

73.54

15.37

0.89

0.15

0.32

0.38

2.75

0.13

6.15

可塑

表7  调整试验配方的组成表（一）

序号

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

烧 后 性 能

原 料

名 称

粘土

A

粘土

B

粘土

C

粘土

D

镁土

E

叶腊石A

叶腊石B

透辉石

长石

A

长石

B

滑石

石英砂

陶土

烧失率

%

收缩率

%

吸水率

%

配方F1

25

5

5

2

  

7

  

14

27

10

5

    

4.9

6.7

5.9

配方F2

25

5

5

2

5

7

  

14

27

10

      

5.1

6.7

6.0

配方F3

20

10

  

2

4

  

5

14

27

10

    

8

4.7

6.6

6.2

    本次调整试验前的原料配方为F1，配方中粘土总量A+B+C+D为37％。其中高可塑性粘土（A+B）总量为27％。F1配方反映出来的问题是坯体的干燥强度不够，干燥敏感性不好，从干燥室出来的坯体大量开裂，甚至达到80％以上，基本上没有好坯。

    第一调整后的配方为F2，该配方中的粘土总量（A+B+D+E）为42％，其中高可塑性粘土量（A+D）为30％，通过现场近一个月的生产实践，反映出来的情况是坯体的干燥强度已经能达到后续加工要求，坯体基本上不开裂，干燥敏感性也大有改善。但发生的另一个问题是粘模较多。考虑造成粘模的主要原因是因为含腐殖质和无机盐的高可塑性粘土A+B比例偏高，为此第二次进行了调整。

    第二次调整后的配方为F3，该配方中的粘土总量A+B+D+E+（13）为44％，其中（13）项为最有弱可塑性的陶土，比例占了8％，但高可塑性粘土的总量只有22％，F3配方投产以后，反映出来的坯体强度能满足目前生产之要求，干燥敏感性好，坯体在干燥和后续加工中的开裂很少，整个优等率可达90-95％。另外，该配方能适宜于快速烧成，具有烧成后的成品性能好，透气性好，坯釉适应性好等优点，在下文中将进一步介绍。

    （四）优化配方烧成性能的调整试验

    衡量坯体的烧成性能主要有：①坯体能不能适用于低温快烧；②坯体烧成后的平整度是否好；③坯体烧成过程中的透气性如何，是否产生黑心及高亮釉面针孔等，至于坯釉适应性之调整，将在下文中专题述及。

    调试的配方组成见表8。

表8  调整试验的配方组成表（二）

序号

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

烧 后 性 能

原 料

名 称

粘土

A

粘土

B

粘土

C

粘土

D

镁土

E

叶腊石A

叶腊石B

透辉石

长石

A

长石

B

滑石

石英砂

陶土

烧失率

%

收缩率

%

吸水率

%

配方F0

23

15

  

3

  

5

  

7

27

15

5

    

5.0

6.7

6.5

配方F1

25

5

5

2

  

7

  

14

27

10

5

    

4.9

6.7

5.9

配方F2

20

10

  

2

4

  

5

14

27

10

    

8

4.7

6.7

6.2

    本次调整试验的原始配方F0，该配方中的粘土总量A+B+D为41％，其中高可塑性粘土占26％，与调整后配方F1和F3相比，该配方存在问题是长石总量比较高，总量达到42％，而相应的钙镁质原料（透辉石+滑石+粘土）总量偏低（总量为12％，而F1为19％，F3为18％）。

    在烧成性能方面，F0配方存在的主要问题是：①烧成周期长，对于一些规格较厚的500×500及600×600以上产品，有时烧成周期达65分钟以上（80米窑）；②成品的平整度不好，特别容易出现S形翘曲；③坯体烧成过程中的透气性不好，容易产生“黑心”，特别当烧成周期较短时，“黑心”十分严重。

    第一次调整后的配方为F1，该配方的粘土总量（A+B+C+D）为37％，其中高可塑性粘土总量为27％。如前所述，该配方使用时，反映出来的主要问题属于成型性能方面的是坯体强度不够，而在烧成性能方面主要存在问题一是坯体的平整度不好，特别烧高亮釉产品时，凸翘较严重。还有一个问题是在快烧的情况下，成品出窑后，放置24小时，会越来越凸，有时产品出窑时，平整度在标准范围内，但过了一天或更短的时间，凸翘会更严重，甚至大部分产品超标，第三个问题是坯釉结合性不好，对于部分膨胀系数偏高的釉种容易出现釉裂，产品抗热震性能常常不能过关。

    第二次调整后的配方为F3，其主要调整项目为适当调低高可塑性粘土的比例，从27％调到22％，同时适当引进陶土这一类的中间原料，其目的是更适用于快烧，使成品在快烧的条件下，玻化更好，反应更完全；因此，成品出窑后不会出现再次的变形。

    （五）优化配方坯釉适应性能的调整试验

    我们这里所指的坯釉适应性主要指坯和釉的热膨胀系数的相匹配和相适应的问题。一般来说，对于大规格地砖这类板状产品，坯体薄、面积大，容易受坯、釉膨胀系数不同的影响，在冷却过程中产生上、下收缩不同，出现凸翘和凹翘。为了解决这一问题，最理想的要求是α釉和α坯在各种温度下相同，然而要做到这一点是不可能的，因为坯、釉膨胀系数本身就是一个随温度不同而变化的曲线，而在工厂实践中，为了防止产品后期龟裂，通常的做法是控制α釉略小于α坯（一般控制在低0.4-1.0×10-6/℃范围），从而保持产品轻微的凸翘的做法。

对于大规格地震惊，这里存在以下矛盾：其一是由于尺寸较大，所以出现的整体线收缩较大而造成的凸翘变形较大。从这个意义上来说，要求α釉和α坯的数量越靠近越好，也就是要求尽可能低。其二是大规格地砖通常要施高亮釉、耐磨釉、无光釉等，这些釉的热膨胀系数α釉有高有低，为了不出现α坯<α釉的情况，则要求α釉要尽可能高一些，最好比最高的透明亮釉还要略高一些，否则就会经常出现釉裂。

    为了解决这一对矛盾，我们调整试验了以下配方：（见表9）。

表9 调整试验的配方组成表（三）

序号

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

烧 后 性 能

釉 裂情 况

原 料

名 称

粘土

A

粘土

B

粘土

C

粘土

D

镁土

E

叶腊石A

叶腊石B

透辉石

长石

A

长石

B

滑石

石英砂

陶土

烧失

率%

收缩

率%

吸水

率%

配方F2

25

  

7

5

5

7

  

14

27

10

      

5.1

6.7

6.0

裂

配方F3

20

10

  

2

4

  

5

14

27

10

    

8

4.7

6.6

6.2

不裂

配方F4

23

  

7

2

    

7

14

27

10

5

    

4.7

4.2

11.95

裂

配方F5

20

10

  

2

4

  

5

14

27

10

  

4

  

4.9

6.2

6.5

裂

     本次调整试验的原始配方为F2，该配方存在的主要问题除了第三节中所述的粘模缺陷外，最主要的缺陷就是用高膨胀系数的透明亮釉（中釉编号CG-428，α釉=229）时出现釉裂。为此进行了局部调整，如表5。其中F3为引进8％的陶土，F4用5％的滑石替代F2中5％的镁质土；F5为引进4％的石英砂，最后都在试条上施CG-428亮釉。试验证明只有引进陶土的F3配方没有出现釉裂 在中试和半工业试验中，F3配方与高亮釉配合时，成品的平整度较好，使用耐磨釉时，通过调整窑炉上下温度，也取得了平整度较好的产品，经测定F3配方的α釉=222×10-7/℃而F2为208×10-7/℃。我们分析，大规格细炻地砖在使用我们公司选用的釉料时，α釉应该大于222×10-7/℃而小于230×10-7/℃比较适宜。
     （六）几点结论
     1、大规格地砖坯体配方调整试验的过程是协调配方中各组矛盾后使其相互之间协调和统一的过程，其主要的几组矛盾如下：
     ①坯体强度与烧成后成品"黑心"、成型时粘模之间的矛盾 为了增强坯体强度，通常做法是增加配方中可塑性粘土的比例；而当配方中高可塑性粘土的量太多时，产品易黑心，成型时易粘模。协调这一矛盾的主要措施是通过调整粘土比例达到适当值，让坯体既要有足够的强度，同时又要使烧成的成品不产生"黑心"和压型时不产生粘模之缺陷。
     ②控制成品的翘曲度与釉裂之间矛盾 如前文所述，其主要措施是通过调整配方中的原料种类，从而将坯体的膨胀系数控制在一定范围内，使成品的翘曲度在规定范围之内，同时又不产生釉裂的，如前文中α坯在220-230×10-7/℃的范围之内。
     ③保证成品理化性能和采用低温快烧工艺的矛盾 为了使成品的吸水率、抗热震性能等理化性能符合标准，烧成过程必须控制较高的烧成温度和足够的烧成时间，从而使组成配方的原料在烧成中完成反应，达到一定的烧结程度。这一点往往与低温快烧目标的实现是相矛盾的 为了解决这一矛盾，采取的主要措施是控制长石总量，提高长石的品位，并适当引进钙镁系统的矿化剂及部分中间性原料。
     2、在保证坯体强度的前提下，要控制高塑性粘土的比例。特别是含有机质高的塑性粘土的比例，否则容易产生烧成成品"黑心",成型时粘模等缺陷。
     3、在保证成品能达到一定吸水率的前提下，要控制长石的总量。同时应选用品位较高的钾、钠长石，甚至钠长石。这样，有利于坯体烧成时提前出现液相。
     4、为了实现快速和低温烧成，引进钙镁系统的矿化剂和使用一定比例的中间性原料是必要的，这对降低产品成本，减少釉裂出现，从而达到提高成品质量的目的。

信息来源：中国陶瓷信息资源网