堇青石－莫來石質耐熱砂鍋的研制

摘 要 本文介紹了堇青石-莫來石質耐熱砂鍋的特點，著重介紹其研制過程和生產工藝，并探討了堇青石-莫來石陶瓷生產工藝及造型設計對產品耐熱性能的影響，還分析了其耐熱機理#65377;

關鍵詞 堇青石-莫來石，耐熱砂鍋，熱穩定性

1前言

隨著科技的進步，消費水平的提高，人們對食用器皿的耐熱震性#65380;耐腐蝕#65380;衛生#65380;外觀等方面提出了更高的要求#65377;傳統的陶瓷#65380;搪瓷#65380;金屬食用器皿已較難滿足使用要求，因此，耐熱陶瓷器皿，以其美觀#65380;耐熱性能好#65380;衛生無毒等優點，越來越受到人們的歡迎#65377;

耐熱砂鍋既有陶瓷的衛生性能及外觀，又比一般陶瓷具有更好的熱穩定性，在國際市場上深受歡迎，如在日本市場，每年需求量約在500萬只以上#65377;

堇青石-莫來石質耐熱砂鍋是以高嶺土#65380;滑石#65380;氧化鋁為主要原料，在高溫下燒成#65377;由于具有優良的耐熱性能，堇青石-莫來石質耐熱砂鍋可直接在電熱爐#65380;微波爐#65380;液化氣爐上使用，使用壽命為普通陶瓷砂鍋的數十倍;與金屬炊具相比，能更好地保存食物中的原汁原味;由于制品中含有鈣#65380;鎂#65380;鋅#65380;鐵等人體必需的微量元素且不含鉛#65380;鎘等有毒物質，故長期使用，能促進健康，是現代家庭#65380;酒樓較為理想的烹調用具#65377;

2堇青石-莫來石質耐熱砂鍋的研制

2.1 坯 料

2.1.1坯用原料

坯用原料主要為滑石#65380;高嶺土#65380;氧化鋁#65377;滑石采用海城滑石，預先經過820℃煅燒并保溫1h;高嶺土采用Na₂O#65380;K₂O#65380;CaO#65380;MgO含量較低的蘇州高嶺土;氧化鋁采用純度大于99%的工業氧化鋁;考慮到工藝成形的要求，在配方中引入紅粘土洗泥，該洗泥可塑性強，有利于坯體成形，同時含鐵量高，有利于坯體的燒結#65377;各種原料的化學組成見表1#65377;

2.1.2坯體配方

經反復實驗，確定出各原料用量范圍進行正交試驗#65377;以鋰輝石#65380;高嶺土#65380;氧化鋁#65380;紅粘土作為試驗因素，其用量為試驗水平，采用L9(3⁴)安排正交試驗#65377;因素水平及實驗安排表分別見表2#65380;表3#65377;

通過實驗對比分析，篩選出較理想的配方#2#65380;#5#65380;#8，并在這些配方基礎上再進行試驗，確定以下坯料配方(wt%): 燒滑石35 %;高嶺土 45%;氧化鋁 12%;紅粘土 8%#65377;坯體的化學組成見表4#65377;

2.1.3坯體研制

(1) 工藝流程:

原料的揀選→煅燒→稱量→球磨→過篩→壓濾→練泥→陳腐→成形→修坯→素燒

(2) 工藝參數:

1) 原料入磨粒度:100目篩余＜2%

2) 配料誤差:＜0.2%

3) 球磨時間:12～14h料:球:水=1:1.2:1

4) 泥漿細度:250目篩余＜0.5 %

5) 可塑成形瓷泥水分:23%～24 %

6) 瓷泥陳腐時間:＞48h

7) 干燥溫度:60℃ 入窯水分<3%

8) 素燒溫度:880～900℃，周期9～10h

素燒坯體吸水率16%～18%

2.2 釉 料

2.2.1釉用原料及配方

為使釉的膨脹系數略低于坯料，在釉用原料選擇上，用鋰輝石代替長石作為主要熔劑#65377;釉料配方及其化學組成分別見表5#65380;表6#65377;

2.2.2 釉料制備工藝

球 磨:料:球:水 =1:2:0.8

球磨時間:20～24h

釉料細度:250目篩余＜0.1 %

施釉方法:浸釉

釉漿密度:1.20～1.48 g/cm³

釉層厚度:0.1～0.2 mm

2.3 燒成工藝

適當提高釉燒溫度#65380;延長高溫時間，既能促進坯體中堇青石#65380;莫來石晶相的形成，又能增加石英熔融量，減少殘余石英，從而降低釉的膨脹系數，提高制品熱穩定性#65377;

該產品在8m³的液化石油氣梭式窯中燒成#65377;其燒成制度如圖1所示#65377;

3結果與討論

3.1 產品測試結果

熱膨脹系數:2×10^-6～4×10^-6/℃(20～800℃)

熱穩定性:450～20℃水中一次熱交換不裂

3.2 坯料組成對耐熱性能的影響

堇青石-莫來石陶瓷坯體的顯微結構由晶相#65380;玻璃相和氣孔三部分組成#65377;晶相主要是堇青石#65380;莫來石和殘余石英#65377;堇青石相是低膨脹陶瓷的主要晶相，它決定著坯體的熱膨脹系數;在原料選擇中，應嚴格控制鉀#65380;鈉#65380;鈣的含量，以減少坯體玻璃相的含量，從而降低膨脹系數，因此選擇鉀#65380;鈉#65380;鈣含量較低的蘇州高嶺土;考慮到成形與燒成工藝，在原料中引入適量可塑性較強#65380;鐵含量較高的紅粘土洗泥，但一般坯料中含鐵量應少于0.6%#65377;

3.3 原料細度#65380;預燒對制品耐熱性能的影響

細原料有利于堇青石的形成，因此可降低膨脹系數;滑石經850℃預燒脫水，破壞其層狀結構，有利于提高其可塑性，并防止坯體開裂#65377;

3.4 燒成制度對制品耐熱性能的影響

耐熱砂鍋的燒成溫度和燒成時間對其耐熱性能有極大影響:提高釉燒溫度和延長保溫時間，可促進堇青石晶相形成，從而降低釉膨脹系數，同時可提高坯釉結合強度#65377;經試驗，適宜的燒成溫度為1 300～1 320℃:如燒成溫度太低，則坯體的強度低，化學反應不完全，堇青石含量少，熱穩定性差;燒成溫度太高，玻璃相增多，耐熱性能也差，且浪費能源#65377;因此，燒成溫度和保溫時間要適當，確保窯內溫度的均勻和化學反應完全#65377;

3.5 耐熱砂鍋的造型設計對其使用性能的影響

耐熱砂鍋的熱穩定性與形狀尺寸有關#65377;造型應盡量避免銳角和棱邊，不允許坯體有厚薄不均及密度不勻，以避免產品在加熱過程中產生局部應力#65377;器皿厚薄越均勻#65380;邊角越圓滑#65380;越薄，耐熱震性越好#65377;同時將鍋底設計成平緩的傘面型，讓底圈與爐子充分接觸，有利于制品的傳熱，提高熱穩定性#65377;

圖2 SiO₂-Al₂O₃-MgO系統局部相圖

4 堇青石-莫來石質耐熱砂鍋的耐熱機理

從SiO₂-Al₂O₃-MgO系統局部相圖(圖2)可以看到:在氧化硅-堇青石-莫來石組成的三角形內，P點是最低共熔點，M是莫來石組成點#65377;連線PM，在連線之下的組成有SiO₂相和莫來石相，無堇青石相;而在PM連線以上的組成有堇青石和莫來石相，而無SiO₂相#65377;堇青石#65380;莫來石組成應在PM連線之上，避免出現SiO₂晶相為宜#65377;同理，在尖晶石-莫來石-堇青石組成的三角形內，N點是三元最低共熔點，NM連線之下的組成為堇青石-莫來石晶相，D點是堇青石組成點C與莫來石組成點M間連線CM在堇青石-莫來石液相曲線上的交點#65377;以DM為軸線，在PM連線和NM之間存在著堇青石的合理組成區:區域Ⅰ為堇青石-莫來石質組成區，區域Ⅱ為莫來石-堇青石質組成區，制品的性能取決于晶相組成#65377;堇青石含量多少決定制品膨脹系數的大小，因此在兼顧生產工藝的同時，盡量使制品中堇青石含量高一點，以降低膨脹系數#65377;

根據資料介紹，在區域Ⅰ和區域Ⅱ的組成點的熱膨脹系數在2×10^-6～3.5×10^-6/℃(20～800℃)之間，因此具有良好的熱穩定性#65377;

5結論

(1) 堇青石-莫來石質耐熱砂鍋，坯料中燒滑石含量為30%～35%#65380;高嶺土含量45%～55%#65380;氧化鋁含量10%～15%#65377;配合低膨脹系數的鋰質釉，坯釉結合良好，具有較低的熱膨脹系數和良好的抗熱震性;

(2) 合理的燒成制度，能促進坯體中石英的熔融和堇青石-莫來石的形成，從而降低產品膨脹系數，提高產品的熱穩定性;

(3) 產品的外觀設計也影響到產品的急冷急熱性能#65377;

參考文獻

1 輕工業部第一輕工業局.日用陶瓷工業手冊[M].北京:輕工業出版社，1984，851～854

2 沈兵主編.陶瓷生產一線工人國家職業標準與技能操作規范達標手冊[M].北京，中國科技文化出版社.