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陶瓷薄板生产工艺过程探讨

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  摘 要:本文结合实际,主要探讨陶瓷薄板坯体配方的影响及生产工艺过程中成型、施釉、干燥、烧成等工艺的控制。
  关键词:薄板;强度;配方;工艺
  1 前言
  近两年来陶瓷薄板生产方兴未艾,好几个大品牌厂都投入了薄板的生产。目前国内生产的最薄的产品厚度为4.5 ~ 5.5 mm。由于产品薄,并且大多数规格较大,1.8 m × 0.9 m、1.2 m × 2.4 m、1.2 m × 3.6 m等等,所以在生产过程中半成品及成品极易产生破损,对坯料配方、生产工程控制,提出了更高要求。
  2 坯体配方
  因为是薄板,对坯体的干燥强度和抗折强度提出了更高的要求。
  2.1 可塑性原料
  为了提高坯体干燥强度,选择可塑性较好的泥料,加入比例≥22%,适当加入一定比例的坯体增强剂。
  2.2 氧化铝的加入量
  为了改善坯体的热塑变形性能和强度,适当增加坯体中Al203的含量。一般坯料配方的Al203含量18 ~ 20%,薄板Al203含量调整到22%左右为宜,可通过铝矾土、高铝砂、黏土等方式引入配方中。
  2.3 长石
  引入钾长石和钠长石。钠长石熔体的黏度低,能促进石英、高岭石分解产物及其它组分的熔解,有利于莫来石晶体的形成。同时,加入适当比例的钾长石来调整熔体的黏度和形成速度,有利于克服薄板变形,同时降低坯料的烧成温度,且钾长石熔融时有白榴子石和硅氧熔体生成,故熔体黏度大,在瓷质砖生产中有利于烧成控制,防止变形。
  K2O、Na2O含量考虑各占配方重量百分比含量2 ~ 3%。
  2.4 硅灰石
  硅灰石加入到坯体中,具有以下优点:
  (1) 硅灰石针状晶体提供了水份排除的快速通道,可加速干燥速度,提高生坯强度和产品烧成后强度。
  (2) 干燥收缩小,烧成过程不产生气体,对改进素坯结构、提高釉面质量很有利。
  (3) 碱金属含量少,坯体吸湿膨胀小,不易龟裂。
  (4) 坯体受热膨胀与温度呈线性关系,特别适合快烧。
  (5)硅灰石矿物中含有少量的石榴石和透辉石,在烧成过程中可起到矿化剂作用,促进硅灰石与其它物料的反应,还能形成低黏度的玻璃相,将坯体的颗粒黏度粘接在一起,提高坯体强度,
  (6) 配方中考虑加入硅灰石8 ~ 10%。
  2.5 滑石
  滑石是一种很好的熔剂,也是性能优良的矿化剂。在坯体配方中加少量滑石,可降低烧成温度,在较低温度下形成液相,加速莫来石晶体的形成,同时扩大烧成范围,提高瓷砖白度、机械强度和热稳定性。滑石一般加入2 ~ 3%。
  根据以上各种成分的特性,通过摸索试验,调试出一种薄板配方成分如下:
  各成分重量百分比:Si02:60 ~ 62%,Al2O3:21 ~ 23%,Fe2O3:0.7 ~ 0.9%,Ti02:0.35 ~ 0.45%,CaO:3.9 ~ 4.9%,MgO:1.1 ~ 1.9%,K2O:2.1 ~ 2.9%,Na2O:2.3 ~ 3.2%。实际生产中测出的生坯干燥后的抗折强度平均2.05 MPa,比一般配方高15%左右。烧成后的抗折强度达到49.8 MPa(国家标准是≥35.5 MPa)。此配方有利于减少产品生产过程的破损率,同时保证了陶瓷薄板的成品性能。
  3 其它工艺方面要求
  相对其它产品,大薄板的突出难点是易破损,除了配方影响,对模具成型、干燥、整条线的机械输送、施釉工艺、烧成工艺也提出了更高要求。
  3.1 成型
  压机压力要足够大,模具成型要布料更均匀,排气更好。压机设备是关键,目前国内有两种类型压机。
  一是西班牙西斯特姆(SYSTEM)公司的压机,粉料通过皮带送入压机,压制成型时上下都是皮带,这种成型方式优点是大板尺寸比较灵活,可以做到1.2 m × 3.6 m,如果定制压机,可以做到更大。压制后通过皮带送出来,送粉-成型-出坯,都是通过皮带连续运行,有利于减少损耗,缺点是这对皮带的质量要求较高,要进口专用皮带,用到一定次数要更换,成本較高。
  另一种成型方式是传统干压成型,目前恒力泰YP16800压机,最大可压制1.35 m × 2.7 m的薄板,模具采用传统钢体压胶模具,投入成本相对较低,但对模具精度、出砖平台平整度,提出了更高要求。压制成致密度均匀的产品后,再被轻轻推出来,再通过出砖辊台,进入干燥。因干燥前的砖坯强度低,辊台要足够水平、跨度小,对辊棒轴承间距、辊棒粗细、平直度等都要力求统一,精益求精。能用平板大皮带的用平板大皮带输送。
  3.2 釉线输送
  釉线输送方面也是能用平板大皮带的用平板大皮带,尽量减少交接口;尽量减少用三角皮带的升降。三角皮带轮加工精度要高,统一内外尺寸,三角皮带接驳口尽量平滑自然,否则有点凸起都可能导致砖坯开裂。对整条生产线的水平调整要求非常高,而且这种水平调整要有连续性,电器调得要让设备运转平稳,交接过渡处水平,且前后运行速度一致。否则,轻碰、走走停停太多也易造成破损。有的转弯位(一般90°转弯),采用旋转平台,即砖到了两条线交叉位置平台就开始转90°,不能用传统的挡板,转到另一方向再接着行走,尽量让砖坯行走平稳、舒缓。
  3.3 施釉
  用喷釉设备比较好,采用含水少且流动性好的釉料,适当减少施釉水份,对薄板在行进过程中减少砖损、提高薄板的抗折强度都有很大帮助。同时选用高质量的施釉喷头,施釉雾化好、釉量稳定、均匀,也有助于工艺控制。因为一般釉线要施底釉、喷墨、面釉等多道工序,而薄板太薄,坯体吸水后强度会变差,所以一般要在一个施釉工序后,釉线增加一个小干燥,一般3 ~ 6 m长,引用窑炉热量或用电加热,让水份挥发一部份后,再进入下一次施釉工艺,这样才能保证坯体强度,减少砖损。在进入窑炉前,在釉线上也最好加一个小干燥,这样保证入窑坯体水份较小,且坯温与窑炉前段温差不会太大,有利于提高砖坯强度,同时有利于烧成的温度控制,不至于入窑时砖坯急剧受热而导致破损。   3.4 干燥和窑炉的机械传动
  为防止薄板裂砖和烧成变形,对干燥和窑炉的机械传动要求非常高。在辊棒方面,要求辊棒直径统一、规整平直不弯曲;两边旋转轴头和被动轴承中心距一致且水平,安装后要求各辊棒是平行的,平时注意检查更换。同时避免辊棒跳动,防止轴承磨损间隙大振动。同时,砖坯进干燥和窑炉前要上下吹干净灰尘,以免粘到辊棒上,造成行砖不平。
  3.5 干燥方法
  对薄板这种规格较大的坯体宜采用高温高湿干燥法,可有效提高热介质的利用率,提高砖坯干燥质量。干燥初期,为使坯体内外能达到均匀受热,可利用高湿度的热介质对坯体进行加热,不但能限制坯体表层水份的汽化和蒸发,还可以促进坯体表面吸收的热量逐渐传向坯内,达到良好的预热目的。
  当坯体内外各部位都被均匀预热后,再把干燥介质的湿度和温度降低到某一程度,使之顺利进入排水阶段,此时坯体内外温度基本一致,水份的扩散能满足外扩散需求排水能顺利进行。此时,坯体排出的水量体积与收缩量体积相对应,不会产生干燥裂纹缺陷。
  在干燥中后期,坯体的颗粒相互靠拢,变化很小或收缩终止,可逐步提高介质的温度,以加快坯体的干燥速度。
  坯体配方是基础,配方中可塑性原料适量,坯体在干燥中“柔韧”性增强,配合合理的干燥制度,薄板不易干燥开裂,同时保证了干燥后的生坯强度。
  3.6 烧成控制
  除了上面提到的对传动的较高要求外,对薄板的烧成制度方面要注意以下几点。
  3.6.1 窑头干燥阶段
  (1)要避免急速升温,以防止水份蒸发过快而导致裂纹。
  (2)控制好坯体入窑水份,一般要﹤0.5%。
  (3)窑炉两侧边的辊棒与窑墙间的缝隙一定要密封好,不能有漏风现象,以减少因窑内负压大而漏风入窑内,从而导致由于窑内温差坯体受热不匀而产生裂纹。
  3.6.2 预热阶段
  在500 ~ 600℃之间应缓慢升温,保证石英晶型安全转变而不产生裂纹。
  3.6.3 烧成
  (1)尽量保证窑内左中右温度一致。目前煤氣喷枪改进了很大,加上前后抽湿、抽热、助燃、雾化风量的控制,使窑内温度更均匀,有利于薄板均匀烧成,不变形。
  (2)烧成阶段坯体中的液相大量出现,并填充到莫来石骨架中,使坯体气孔率下降、强度增加,从而达到瓷化,体积收缩最大。如果玻璃相过大会软化坯体的莫来石骨架,从而产生高温变形。配方中的铝含量高达22%左右,有利于坯体高温强度及抗变形能力,但要注意不要过火烧,注意在适宜的温度下,保证一定的烧成保温时间。
  3.7 冷却阶段
  (1)进入急冷前,坯体温度不能过高,否则容易引起坯体在进入缓冷区之前未达到石英晶型转换的温度要求而出现裂纹。
  (2)坯体降到700℃左右,不能直接吹冷风,因780℃左右有一相变点,易产生裂纹。
  (3)无特殊要求,上下急冷风管开度要求一致,尽量保证薄板受热均匀,避免收缩不一致而产生变形。有的采用耐温开多孔的急冷风管贯穿窑内,效果较好。
  (4)在缓冷区(700 ~ 450℃区),要严格控制降温速率,因石英在573℃左右发生晶型转变,体积收缩。此阶段在正压或零压状态下控制,禁止负压,以免吸入冷空气而产生开裂砖。
  (5)“强冷区”(450℃左右到出窑温度)强冷管的开度应由始端向未端逐渐开大,热风抽出口的闸门开度由前向后逐级开大,促使热气流向窑尾移动。
  4 结语
  薄板对生产工艺过程提出了更高的要求,坯体配方是基础,各厂家根据进厂原料情况,摸索调试出合适配方;针对薄板的薄、大的特点,对整个生产过程的设备和工艺控制也提出了更高要求。以上探讨如有不足之处,恳请各位专家、同行指正。
  参考文献
  [1] 蔡飞虎;冯国娟.陶瓷墙地砖生产技术[M].武汉理工大学出版社武汉,2011.
  [2] 潘雄.辊道窑调试与墙地砖缺陷克服[M].佛山陶瓷杂志出版有限公司,2009.
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