利用粉煤灰等工業廢料制備日用陶瓷的研究

楊玉衛 張明熹 沈 毅 李晶華 蔡永豐

(1 北京有色金屬研究總院產業發展部 北京 100088)(2 河北聯合大學輕工學院 河北 唐山 063000)(3 河北聯合大學材料科學與工程學院 河北 唐山 063009)

前言

我國不僅礦產資源豐富[1～4]，同時也是世界最大的煤炭生產國和煤炭消費國。近年來，我國火力發電發展迅速，其中大多以煤炭為燃料，發電量達1.3億kW·h，火力發電所占比例達到了79.6%，由此導致粉煤灰排放量逐年增加。2002年底，全國粉煤灰排放量為1.6億t；2010年底，排放量達到近3億t，大量粉煤灰的排放受到了越來越廣泛的關注。從1987年開始，我國將粉煤灰作為資源綜合利用的突破口，如何對其進行綜合利用，成為經濟和社會發展的一項長遠的戰略方針。

陶瓷工業廢棄物主要是指在陶瓷制品生產過程中，在成形、干燥、施釉、搬運、焙燒、拋光及貯存等工序中產生的廢料及次品，其中包括大量的廢匣缽、廢瓷粉等廢料。根據不完全統計：僅佛山陶瓷產區，各種陶瓷廢料的年產生量已經超過400萬t[5]，而全國陶瓷廢料的年產生量估計在1 000萬t左右，陶瓷廢料的堆積擠占土地，影響當地空氣質量，如此大量的陶瓷廢料已經不是簡單填埋就可以解決問題。這些工業廢料若能得到有效的利用，將對陶瓷行業的清潔化生產具有重大的意義。

1 粉煤灰等廢料概況[6～8]

1.1 粉煤灰概況

粉煤灰具有一定活性，其性能在一定程度上與火山灰相似。它主要由無定型玻璃、未燃盡的碳、莫來石、石英、磁鐵礦、金紅石、長石、剛玉和紅柱石等組成。其中氧化硅、氧化鋁含量較高；莫來石、玻璃相和殘余石英的比例類似于瓷粉中的比例。粉煤灰顆粒呈比表面積大的多孔結構，容易研磨，可以降低制品的燒成溫度，達到節能的目的。但是，由于其中的氧化鐵、氧化鈦含量較高，會降低瓷胎的白度。

實驗采用唐山西郊發電廠排放的粉煤灰為原料，其化學組成見表1。

表1 實驗用粉煤灰化學組成(質量%)Tab.1 The experiment uses composition of the fly ash (%)

1.2 廢匣缽概況

廢匣缽來自于有匣燒成車間，主要是由于破損、粘連等原因，使其失去原有強度導致變形從而成為廢匣缽。廢匣缽的產生量一般略小于所生產產品的數量。目前僅有少部分利用在了耐火磚的生產中，其余大部分沒有得到有效的利用，廢匣缽的化學組成見表2。

表2 廢匣缽化學組成(質量%)Tab.2 The constitute of the waste refractory (%)

1.3 廢瓷粉概況

實驗所用的廢瓷粉為制品燒成后的不合格產品，主要有釉坯廢品，燒成廢品，其中的色釉廢品不可以再次使用，而透明釉制品的廢品則可以繼續使用。廢瓷粉的化學組成見表3。

表3 廢瓷粉的化學組成(質量%)Tab.3 The composition of the waste porcelain powder (%)

2 實驗

2.1 原料

石英、長石、廢匣缽、廢瓷粉、粉煤灰、骨瓷粉、黑砂、于寺土、唐縣土、紫木節、堿矸、龍巖土、燒滑石、生滑石粉及添加劑等。

由于實驗的一部分是在長城陶瓷有限公司完成，故所需用原料均由該工廠提供，原料從它的原料車間運抵工廠開發處。粘土原料均有1年的風化期，實驗使用的瓷粉、廢匣缽為該廠備用料。粉煤灰經揀選，去掉土塊、草根等雜物，過40目篩、經水浸泡24 h后，烘干備用。原料的化學組成見表4。

表4 原料化學組成(質量%)Tab.4 The constitute of raw materials (%)

2.2 儀器設備

采用KY-20快速磨，搖籃罐，波美比重計，25 kg小磨，長城陶瓷有限公司的5#燃氣隧道窯，500 g天平，1 000 g天平，10 kg臺秤，40目、80目、250目篩。

2.3 實驗方案設計

2.3.1 配方設計的依據

對于清潔生產的陶瓷來說，由于所用原料廢瓷粉、廢匣缽、粉煤灰均經高溫煅燒，沒有可塑性，故日用陶瓷清潔生產技術的關鍵在于坯體的成形性能。在進行工藝實驗之前，我們對長城陶瓷有限公司的生產配方及用料進行了調查。在此基礎上，我們選定該廠的注漿配方為依據，用粉煤灰、廢匣缽、廢瓷粉取代了其中的石英、長石等脊性原料，使其化學組成與之接近；同時為了達到降低成本，提高經濟效益，在保證產品質量的前提下，盡量多使用該3種原料。現通過正交實驗，希望能找到吸漿時間合適，成形性能良好的工藝參數。

2.3.2 配方的確定

經過分析，選用正交表L16(45)[9]安排實驗。L16(45)中，L表示正交表；16表示這個正交表有16行，可安排16個實驗；4表示因素取4個水平；5表示有5個因素，正交實驗的具體情況見表5。

表5 因素水平表(質量%)Tab.5 The table of factors and levels (%)

性能測試指標：吸漿時間和成形性能。其它(質量%)為:長石8，廢匣缽10，廢瓷粉8，骨瓷粉2，燒滑石2，剩余由石英補足100。實驗方案見表6。

表6 實驗方案Tab.6 Experiment project

*注：1)含量單位均為質量%；2)以上所有實驗均加入0.1%Na2SiO3。

2.4 實驗過程

1)按設計的配方的配料單稱取原料和添加劑；

2)將稱量好的原料和堿面放入快速磨中研磨，其中料∶球∶水的比例為1.0∶2.0∶0.4；

3)研磨35 min后(參照工廠生產時的研磨時間，下同)加入添加劑；

4)再研磨50 min后，出磨靜置；

5)注漿并記錄吸漿時間及溫度并測量pH值，注漿操作室溫度為40 ℃，坯體厚度均為3 mm；

6)干燥修坯；

圖1 燒成曲線Fig.1 Burn curve

7)施釉；

8)烘干后裝窯；

9)燒制過程在5#窯完成，燒成曲線如圖1所示；

10)開窯檢查、并分析效果。

3 結果與討論

根據實驗樣品的吸漿時間及表觀質量，實驗結果如表7所示，極差結果分析如表8所示。

表7 實驗結果Tab.7 Experiment results

注：當成形性能分值為70分時制品沙性大，保水性較差，且脫模時粘泥；75分時保水性一般、塑性差、底部脫模時粘泥；80分時保水性一般，沙性大；85分時保水性和沙性適中；90分時保水性較好，沙性小；95分時保水性、沙性以及脫模情況均良好。

表8 實驗結果分析Tab.8 Result analyses

注: 1)A：粉煤灰 B：黑砂粉 C：堿矸 D：紫木節 E：Na2CO3;

2)Ki這一行的數據分別是各因素的第i個水平所對應的注漿時間和成形性能之和；ki為i水平的平均值，極差R是同一列中k1、k2、k3、k4這4個數中最大者減去最小者，R值越大，說明該因素對性能指標影響就越大。

從實驗表觀質量結果可以得出，3#、9#坯體性能最好；從極差分析和各因素的重要性來看：

吸漿時間：堿矸>紫木節>黑砂粉>粉煤灰；成形性能：黑砂粉>紫木節>粉煤灰>堿矸。

對于Na2CO3而言，當加入量為0.34%時，效果是最好的。結合工廠大生產的加入量，故確定本實驗中Na2CO3的加入量為0.35%。

通過趨勢圖得出最佳配方組合點為(定義為17#)：粉煤灰12%，黑砂粉8%， 堿矸13.3%，山西紫木節14%，堿面0.344%，水玻璃 0.1%。

將3#、9#、13#和17#配方進行復試，經過對幾個配方樣品施釉燒結。根據實驗樣品表面質量及結合工廠經驗，依然選定3#為基本成熟配方。3#配方的化學組成如表9所示。

表9 化學組成(質量%)Tab.9 The constitute of the green body (%)

坯式為：

4 結論

綜上所述，筆者認為利用粉煤灰、廢匣缽、廢瓷粉等材料可以制作出性能良好的陶瓷材料。

1)實驗在長城陶瓷有限公司成功的注漿泥配方的基礎上，應用正交實驗法，經調整配方組成，加入了粉煤灰等工業廢料，己研制出清潔生產日用陶瓷的配方，具體配方的化學成分(質量%)如下：石英21，長石8，廢匣缽10，廢瓷粉8，粉煤灰10，黑砂石12，燒滑石2，骨瓷粉2，紫木節14，堿矸13。

2)配方中引入的其它配合原料大部分為低值的礦物原料，又由于粉煤灰本身的原因，故摻灰量的多少直接影響成瓷的白度。另外，加入微量的燒滑石雖使瓷胎略呈灰黃色，但顯得更自然柔和。

3)由于粉煤灰、廢匣缽和廢瓷粉的價格低廉，應用此技術則可以帶來可觀的經濟效益。