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第一节 陶瓷原料及其加工技术与装备

一、原料种类与配方

原料的矿山开采与供应、合理使用、原料加工与配方这三项工作历来是陶瓷生产的基础,又是体现技术进步的焦点。近百年来,中国陶瓷工业的生产在上述各项的技术进步大致体现为:原料供应经历了从供应矿石到供应细料、精制料,进而向标准化供应过渡;坯料普遍从使用单一料—二元配方料—三元多元的配方料;就地取材、就地生产、合理利用原料、利用废弃料成为新的趋势。

我国陶瓷原料的矿藏大致可以长江为界来划分其地质成因与种类。长江以南属风化残余型一次性黏土矿物,由酸性和中性的铝硅酸盐岩石风化而成,有机杂质较少,是南方陶瓷产区制瓷的主要原料,采用还原焰烧成。长江以北属沉积矿物型二次迁移黏土,矿物中含有较多的钛、铁矿物杂质及有机伴生物,黏性较大,一般采用氧化焰烧成。由此,形成了我国陶瓷器“南青北白”的特色。

从日用陶瓷的配方体系来看,南方景德镇在元代以前多以单一原料—瓷石制瓷,元代以后才掺入高岭土,成为高岭土—瓷石的二元配方体系。直到20世纪上半叶,南方仍基本维持传统的高岭土—瓷石的二元配方体系。北方多采用以黏土类矿物为主,常常是用单一原料进行陶瓷生产。1949年以后,我国日用陶瓷逐渐改变了配方体系,由单元、二元系原料配方过渡到高岭土—长石—石英三元系原料配方,更加接近国际通行的配方体系,这是我国陶瓷工艺上的一个重大变化。20世纪60年代后,我国的陶瓷原料,特别是高岭土原料的需求量大增,无论从数量和质量上都满足不了生产快速发展的要求。原国家轻工业部组织动员国内相关部门共同投入人力和物力,就陶瓷原料的调查、勘探和开发利用等做了大量工作,1982年组织召开了全国陶瓷原料学术论坛。各陶瓷产区和地区大力开发地域资源。山东省硅酸盐研究设计院充分利用当地原料,先后研制和开发成功了滑石质日用细瓷、高长石质瓷、高石英质瓷等新瓷种,并突破陶瓷业只用天然原料的历史,开发了人工合成骨粉生产骨质瓷的技术。

20世纪70年代以来,我国建筑卫生陶瓷行业在原料开发利用方面成绩突出。主要成效表现在以下几个方面。一是加强高乳浊釉的研究开发和应用,以充分利用当地原料,生产出中高档卫生瓷和釉面内墙砖。二是利用地方原料生产焦宝石质、叶蜡石质、滑石质内墙砖,利用地方低质原料大青土生产卫生瓷。三是开发成功了低温快烧建筑卫生陶瓷技术,应用我国储量丰富的硅灰石、透辉石、透闪石等作为低温快烧原料生产陶瓷砖,拓展了原料的使用范围,且使釉面内墙砖的烧成温度从1280~1300℃降到1080~1100℃,逐渐替代了叶蜡石、焦宝石、滑石等成为釉面内墙砖首选原料;利用珍珠岩、硅灰石和锂云母为熔剂原料,降低卫生瓷烧成温度110~140℃。80年代中后期,利用页岩制造陶瓷砖的技术得到应用,瓷石、瓷砂、含伊利石的矿物原料等被大量用于瓷质产品的制造而使烧成温度大大降低。

1972年以前,我国电瓷配方基本上采用的是普通高压硅质瓷配方。随着电力工业的发展,电压等级不断提高,对电瓷产品的机电热性能要求越来越高,特别是在机械强度方面。在1972年,我国研制成功了高强度电瓷配方,机械强度提高为普通高压硅质瓷配方的1.5~2倍,达到了国外发达国家的同等水平,配方中大量引入铝矾土(国外使用工业氧化铝)在国际上为首创,极大地降低了生产成本。我国电瓷原材料的开发利用经过了曲折而漫长的历程。20世纪70年代末以前,原料开采方式落后,乱挖乱掘现象普遍,浪费严重,使许多矿产资源遭到破坏,在电瓷原料精加工方面更是空白。70年代末,组建了电瓷原料公司,汇同研究所、设计院以及一些电瓷厂对全国十几个省区的几十个原料矿点进行普查,为筹建大型原料加工厂奠定了基础,同时,开展了办矿建加工厂的规划设计工作。80年代初,创办了四个电瓷原料加工厂,从此填补了电瓷原料精加工的空白。

建筑陶瓷砖行业的发展速度快,原料消耗量巨大。2000年达5000万吨,2006年达1亿吨,2010年达2亿吨,约占陶瓷业原料消耗总量的90%。在充分利用地方性低质原料的同时,国家对“三废”利用的优惠政策使煤矸石、粉煤灰、高炉渣、磷矿渣等工业废渣在陶瓷砖生产中的应用取得明显成效。生产过程产生的废泥、废粉、废坯、废瓷也被普遍回用于生产,使陶瓷砖在大量消耗原料的同时,也具有了消纳部分工业废渣的功能。

20世纪90年代以来,随着科学技术的不断进步,新型添加剂的广泛使用大大改善了原料性能,使更多的非金属矿物成为可利用的陶瓷原料。

二、原(辅)料加工技术与装备

20世纪50年代前,我国的陶瓷原料均是矿山直接开采,多为以大块石料供给陶瓷厂后靠人工破碎。陶瓷生产基本上一直沿用千年来的原始生产方式。坯、釉料制备主要靠人工和畜力。在南方,有利用水力驱动的水碓粉碎瓷土,制成“ 子”进厂的。在北方则仍然沿用“牛拉碾、脚踩泥”的原始生产方式。“牛拉碾”是我国古代北方陶瓷生产中典型的原料粉碎方式,延续了上千年,直到20世纪50年代后期才消失。

1916~1923年,北方的唐山和博山的一些陶瓷厂从德国、日本引进了球磨机、泥浆泵、滤泥机、磁选机、电瓷压机等专业陶瓷机械,走上了机械化之路。1926年后,唐山新明铁工厂等几家铁工厂仿制进口设备,制造出了滤泥机、球磨机及一些简单的陶瓷机械,装备当地厂家。辽宁省近代建立的陶瓷企业受到日本近代工业的影响,生产的机械化程度较高,并有恒大铁工厂等陶机制造厂。

20世纪50年代,组建成立唐山市建新机器厂、景德镇市机械厂等骨干陶机制造厂。到70~80年代,原轻工业部对各主要陶瓷产区的陶瓷机械厂进行了大规模、多次的技术改造和扩建,形成了以唐山轻工业机械厂、湖南省轻工业机械厂、景德镇陶瓷机械厂、石湾陶瓷机械厂、醴陵陶瓷机械厂、淄博陶瓷机械厂、宜兴陶瓷机械厂、营口陶瓷机械厂八家定点陶瓷机械制造企业。此外,还有一些规模小、技术力量较弱、加工设备水平一般的小型陶瓷机械制造厂家分布于唐山、景德镇、淄博、佛山、潮州、醴陵、宜兴等地。这些厂制造的陶瓷机械装备供应日用陶瓷、建筑卫生陶瓷及电瓷等行业使用。

在原料粉碎设备方面,20世纪50年代时,南方的水碓改为机碓,后与北方的地碾一起被效率更高的轮碾机所替代。为防止粉尘外逸,干式轮碾机加密封罩,后又开发出加水粉碎的湿式轮碾机。矿冶行业的颚式破碎机、细牙颚式破碎机、锤式粉碎机、对辊机、悬辊式磨机(雷蒙机)等均被引用于陶瓷工业作为初、中、细碎设备。60~80年代初,形成装料量为0.05~5t的系列球磨机产品,传动方式有皮带传动、中心传动、齿圈传动等。80年代后,开发出球磨机浆位自动控制器、球磨机转数自控器、球磨机真空入磨等设备和工艺,满足了日用瓷、卫生瓷、电瓷行业制备坯釉泥浆的需求。

20世纪80年代初,磁选机、振动筛、泥浆泵、泥浆(真空)搅拌机、压滤机、真空练泥机等都已经有国产设备,但形式单一,性能不高,仅能满足陶瓷生产的一般需要。80年代及90年代初,在全国重点日用瓷产区大规模全套引进国外先进技术和装备,包括振动筛、磁选机、单缸隔膜泵、柱塞泵、压滤机、真空练泥机等,后通过消化吸收,大大提高了我国陶瓷机械厂制造原料加工设备的水平。

陶瓷砖传统的坯粉制备工艺是泥浆压滤—滤饼烘干—轮碾制粉的工艺,滤饼用风吹日晒的自然干燥或煤烧地炕干燥。1967年,温州面砖厂研制出链板干燥器,用于烘干压滤后挤出的泥条,但存在工序长、劳动强度大、粉料质量差等缺陷。70年代中后期,咸阳陶瓷研究设计院和西北建筑设计院自主开发出陶瓷工业用离心式和压力式喷雾干燥器,简化了粉料制备工艺,改善了劳动条件,大大提高了粉料质量,为陶瓷工业使用自动压砖机和等静压成形创造了条件,配套用油压陶瓷柱塞泵也于1984年通过鉴定。1980年以后,石湾陶机厂和唐山轻工业机械厂相继开发出8t、14t和15t球磨机。1984年,开发出装料12~30t的皮带式和链板式称量喂料机,与轮式装载车配合,实现了球磨机的机械化配料,开发出橡胶衬,用于15t球磨机,可以提高球磨的有效容积,有较长寿命,同时高铝瓷质的球、衬首先用于陶瓷釉料球磨机。现在,中铝球已广泛用于建筑卫生陶瓷的坯料球磨,取代了使用多年的卵石球,中铝衬也开始推广使用。后来,压力式喷雾干燥器和油压陶瓷柱塞泵实现了系列化设计和制造,PD150~3200型喷雾干燥器和YB85~140型油压柱塞泵满足了陶瓷砖工业发展的需要。从20世纪末期起,随着陶瓷砖生产线规模的不断扩大,佛山的智华、弼塘、兴达、浩丰等陶瓷机械制造企业相继开发出20~100t间歇式球磨机,配上冠菱、亿佰、明电等公司的球磨节电控制器,可软启动并节电。2006年,湖南五菱机械公司研制成功我国首台具有自主知识产权的陶瓷湿法连续球磨机。

框式搅拌机逐渐实现大型化。湖南五菱机械公司生产的国产最大的框式搅拌机直径达 φ 6790mm,以此装配的双连浆池容积可达300m 3 。至今,PD12000型喷塔和YB300型柱塞泵均已投产使用。另外,20世纪90年代咸阳陶瓷研究设计院开展了陶瓷墙地砖干法制粉工艺的研究,开发出多种造粒机,试验了“过湿造粒工艺”,取得一定成效。

在色釉料的细粉碎方面,开发出各类新机械,如淄博启明星新材料公司的LJM型立式搅拌磨、郑州东方机器制造公司的ZJM型搅拌磨、广州从化新科轻化设备厂的JF型印花釉料超细快速精磨机、佛山美嘉陶瓷设备公司的CX65型超细研磨机、鼎祥兴业公司的高效精细磨釉机等。

20世纪70年代末以后,我国大型矿山开始供应不同粒度的岩矿粉料,陶瓷厂家可根据需要购买粉料,按配方直接入磨球磨。新建设陶瓷厂的原料制备都是从粉料入球磨开始,商品化的原料质量稳定。江苏,广东台山、湛江,福建龙岩等地的高岭土公司先后采用引进国外设备或国产设备生产高岭土,提高了高岭土的质量。广东潮州地区的日用陶瓷、陈设艺术陶瓷、卫生陶瓷的原料实现了专业化,由原料加工厂统一加工、统一配方、集中加工制成泥饼,供应陶瓷厂,质量稳定。佛山、潮州、淄博、晋江等陶瓷产区均设有众多专业的色釉料工厂,生产成品色料、熔块、釉浆供陶瓷厂使用。陶瓷工业用的解胶剂、增塑剂等添加剂也都有专业化工厂生产。这种专业化生产、商品化、标准化供应陶瓷原辅材料的方式对近20年陶瓷工业的大发展发挥了重要作用。 j2/qwOv1zOX7/rXptYsUkSiulEgqg8O/kAIGM5Q02UzBZK4IQumOvMNu2ufpCtRD

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