正交設(shè)計(jì)方法在陶瓷顏料生產(chǎn)中的應(yīng)用

王新平等

摘 要：本文采用正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)法研究了配方及工藝制度對(duì)棕色陶瓷顏料合成的影響，分析了各因素對(duì)棕色陶瓷顏料合成的影響趨勢(shì)，得到了主次影響因素，并指出主要因素為：溫度。找到了利用鉻鐵礦制備棕色陶瓷顏料的較好工藝配方及合成工藝制度。本文對(duì)鉻鐵礦在陶瓷棕色顏料中的應(yīng)用進(jìn)行探討，制定出合理的配方及燒成制度，從而達(dá)到降低成本的目的。

關(guān)鍵詞：鉻鐵礦；正交設(shè)計(jì)；陶瓷顏料

1 前言

將礦物原料直接應(yīng)用于陶瓷工業(yè)生產(chǎn)中是目前陶瓷工業(yè)發(fā)展的主要方向之一，價(jià)格便宜，資源豐富的礦物原料一直是陶瓷工作者關(guān)注的對(duì)象。近些年，鉻鐵礦大量應(yīng)用于陶瓷顏料行業(yè)，過(guò)去陶瓷坯體棕黑色料系列一般都是采用鐵紅加氧化鉻綠來(lái)生產(chǎn)的，由于陶瓷廠家和市場(chǎng)需求的改變，追求高性價(jià)比的色料產(chǎn)品將成為市場(chǎng)的共識(shí)，一般通過(guò)引進(jìn)鉻鐵礦代替氧化鉻綠生產(chǎn)陶瓷坯用黑色和咖啡色料，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

鉻鐵礦是鉻和鐵的氧化物礦物，它相當(dāng)堅(jiān)硬，黑色半金屬光澤，硬度為5.5，比重為4.2～4.8，熔點(diǎn)為2180℃，不透明，無(wú)解離，具弱磁性，含鐵量高的磁性較強(qiáng)，鉻鐵礦一般呈塊狀或粒狀的集合體，是金屬鉻的主要來(lái)源，也可用于高溫耐火材料。其中，常見(jiàn)的有：（1）鉻鐵礦，化學(xué)為（Mg ， Fe） Cr2O4，介于亞鐵鉻鐵礦（FeCr2O4）與鎂鉻鐵礦（MgCr2O4）之間，通常有人將亞鐵鉻鐵礦和鎂鉻鐵礦也稱為鉻鐵礦；（2）富鉻類晶石，又稱鉻鐵尖晶石或鋁鉻鐵礦化學(xué)成份為Fe （ Cr ， Al ）2O4，含Cr2O3 32%～38%。其形態(tài)、物理性質(zhì)、成因、產(chǎn)狀及用途與鉻鐵礦相同；（3） 硬鉻尖晶石，化學(xué)成份為（Mg ， Fe（Cr ， Al）2O4，含Cr2O3 32%～50%。其形態(tài)、物理性質(zhì)、成因、產(chǎn)狀及用途一也與鉻鐵礦相同。

另外，國(guó)外進(jìn)口的鉻鐵礦產(chǎn)品，品質(zhì)一般好于國(guó)內(nèi)北方礦區(qū)所生產(chǎn)的產(chǎn)品，具體表現(xiàn)在含鉻較高、雜質(zhì)相對(duì)較少，生產(chǎn)出來(lái)的色料產(chǎn)品高溫穩(wěn)定性也較好。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的鉻鐵礦一般含硫較高，生產(chǎn)時(shí)煙霧較大，生產(chǎn)出來(lái)的色料產(chǎn)品pH值偏向酸性，在陶瓷泥漿中很容易產(chǎn)生絮凝現(xiàn)象，導(dǎo)致漿池結(jié)膠，影響生產(chǎn)和陶瓷磚坯的熱穩(wěn)定性。據(jù)有關(guān)部門預(yù)測(cè)，到2020年，我國(guó)鉻鐵礦產(chǎn)量將僅為10萬(wàn)t左右，屆時(shí)需求量將達(dá)到440萬(wàn)t，供需缺口約430萬(wàn)t，進(jìn)口依存度約98%，而陶瓷行業(yè)對(duì)鉻鐵礦的需求將保持一定的穩(wěn)定增長(zhǎng)，由于進(jìn)口鉻鐵礦的價(jià)格不斷上漲，陶瓷行業(yè)對(duì)鉻鐵礦的需求會(huì)轉(zhuǎn)向國(guó)內(nèi)礦區(qū)生產(chǎn)的低鉻產(chǎn)品。通過(guò)引進(jìn)鉻鐵礦代替氧化鉻綠生產(chǎn)陶瓷色料，從棕色到黑色系列均可，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

本文采用正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)法，用鉻鐵礦代替鉻綠研究了配方及工藝制度對(duì)棕色陶瓷顏料合成的影響。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 原料

實(shí)驗(yàn)中所用的鉻礦砂（南非產(chǎn)）購(gòu)自河南某公司，過(guò)325目網(wǎng)篩。Fe2O3為工業(yè)純，含量98%，細(xì)度過(guò)250目篩。Cr2O3為工業(yè)純，含量98%，細(xì)度過(guò)250目篩。磨樣機(jī)為日本美能達(dá)公司生產(chǎn)的CM2500d色差儀，湘潭三聯(lián)儀器有限公司生產(chǎn)的DHF82多元素快速分析儀，洛陽(yáng)永泰試驗(yàn)電爐廠生產(chǎn)的快速節(jié)能電爐kss-1600，以及電輥窯爐、球磨機(jī)、各種網(wǎng)篩等。鉻鐵礦首先細(xì)磨過(guò)250目篩備用。鉻礦砂（南非產(chǎn)）的化學(xué)成份由當(dāng)?shù)毓舅秃幽鲜≈行膶?shí)驗(yàn)室進(jìn)行定量分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1。

按表2配方進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，升溫制度為3h升至1030℃，保溫1h，其結(jié)果如表2所示。

燒成產(chǎn)品較松軟，與廠標(biāo)相比，顏色較淺且偏紅。因此，決定進(jìn)行正交試驗(yàn)，找出生產(chǎn)的最佳條件。根據(jù)文獻(xiàn)及經(jīng)驗(yàn)以鉻鐵礦、鐵紅和燒成溫度做試驗(yàn)因素，并分別選取三個(gè)水平進(jìn)行L9（34）正交試驗(yàn)，見(jiàn)表3。

首先進(jìn)行稱料、混勻，然后將配料裝入編號(hào)的瓷坩堝中，在馬弗爐內(nèi)根據(jù)制定好的燒成曲線，將樣品分別升溫至1030℃、1080℃和1130℃，保溫1h，樣品取出后冷卻，進(jìn)行破碎、研磨。實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)定、分析如表4所示。

結(jié)果表明：L*的優(yōu)組合是C1B3A1 或C1B3A1，a*的優(yōu)組合是C2B1A3，b*的優(yōu)組合是C1B3A1 或C2B3A1，與廠標(biāo)對(duì)比，L*值較大而a*和b*值較小，顏色偏淺偏紅黃，因而應(yīng)降低L*值而提高a*和b*值，根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，C是影響L*、a*、b*的主要因素，當(dāng)C較小時(shí)L*和b*較大，而C較大時(shí)，a*較大。因此，取C為較大的值，有利于減小L*而提高a*的值，同時(shí)，b*的值也會(huì)相應(yīng)的減小；B是處于第二位的影響L*、a*、b*的因素，當(dāng)B較大時(shí)，L*和b*也較大，而B(niǎo)值較小時(shí)，a*值較大。因此，取B值較小的值，有利于減小L*而提高a*的值，同時(shí)，b*的值也會(huì)相應(yīng)的減小；A是影響L*、a*、b*最小的因素，當(dāng)A較小時(shí)，L*和b*也較大，而A值較大時(shí)，a*值較大。因此，取A值較大的值，有利于減小L*而提高a*的值，b*的值也會(huì)相應(yīng)的減小。從對(duì)正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析得出的結(jié)論，做調(diào)整試驗(yàn)，即C取較大的值，B取較小的值。當(dāng)A取較大的值，有利于減小L*值及增大a*值及降低b*值。從影響b*值方面考慮的優(yōu)組合是C1B3A1 或C2B3A1，可以看出C增大對(duì)見(jiàn)b*值的改變并不大。

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析，調(diào)整實(shí)驗(yàn)配方及實(shí)驗(yàn)條件見(jiàn)表5。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，此配方可以達(dá)到預(yù)期效果，生產(chǎn)的陶瓷顏料與廠標(biāo)在性能和各參數(shù)均比較相近，可以用做部分替代產(chǎn)品。

3 結(jié)果分析與討論

Cr2O3 和Fe2O3在高溫作用下，生成具有尖晶石型結(jié)構(gòu)的化合物，而這種類型的化合物在高溫時(shí)非常穩(wěn)定，鉻鐵礦富含Cr2O3 和Fe2O3主要是為了引入Cr2O3和Fe2O3，F(xiàn)e元素和Cr元素在這時(shí)分別為發(fā)色元素，高溫時(shí)，鉻以Cr3+形式存在，而鐵以Fe3O4形式存在，Cr3+與Fe3O4同時(shí)存在，而Cr3+與Fe3O4互為互補(bǔ)色，分別吸收從紫光-綠光-紅光所有波長(zhǎng)的光，同時(shí)，其濃度均較大，且其吸光系數(shù)ε也較大，故色料呈現(xiàn)較深的顏色。根據(jù)這一呈色原理，通過(guò)調(diào)節(jié)原料中鐵與鉻的比例即可獲得從棕色到黑色的各種色料，若配方中鐵的量過(guò)大，色料易偏紅。著色離子在不同情況下的著色效果如表6所示。

4 結(jié)論

（1） 鉻鐵礦成份的含量會(huì)因?yàn)楫a(chǎn)地的不同、批次的不同而有所變動(dòng)，若使用同一配方，批與批之間會(huì)引起色料之間的色差。因此，應(yīng)對(duì)每批次物料入廠前進(jìn)行定量分析，根據(jù)含量在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)調(diào)整配方。即使如此，還應(yīng)將每一批次色料留一部分，以一定比例與下一批色料相混，依次下去，從而使每批色料顏色與下批色料色差盡可能地少。

（2） 將鉻鐵礦引入棕色顏料中替代部分化工原料，呈色效果較好，產(chǎn)品成本也有所降低，十分適合工廠的大批量生產(chǎn)。若將鉻鐵礦與鉻綠摻和使用，即鉻鐵礦部分替代鉻綠，產(chǎn)品的性能和穩(wěn)定性會(huì)大大提高，當(dāng)然生產(chǎn)成本降低的幅度也會(huì)較小，如何找到一個(gè)既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的方案，還有待繼續(xù)研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 喬艷.鉻鐵礦在陶瓷顏料中的應(yīng)用[J].山東陶瓷，1998，21（2），34-36.

[2] 秦威，范方祿，胡冬娜.淺談鉻鐵礦在陶瓷行業(yè)中的應(yīng)用[J].佛山陶瓷，2011，（3），21-23.

[3] 陳宗玲，顧幸勇，胡克艷.用鉻鐵礦制備低成本Cr-Fe-Ni-Cu系無(wú)鈷黑色色料的研究[J].陶瓷學(xué)報(bào)，2010，31（4），591-594.

[4] 翟新崗.淺談?dòng)绊懱沾缮铣噬囊蛩豙J].磚瓦，2007，（10），30-31.

[5] 俞康泰.中國(guó)陶瓷色釉料生產(chǎn)的近況和展望[J].陶瓷，2009，（3），58-60.endprint

摘 要：本文采用正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)法研究了配方及工藝制度對(duì)棕色陶瓷顏料合成的影響，分析了各因素對(duì)棕色陶瓷顏料合成的影響趨勢(shì)，得到了主次影響因素，并指出主要因素為：溫度。找到了利用鉻鐵礦制備棕色陶瓷顏料的較好工藝配方及合成工藝制度。本文對(duì)鉻鐵礦在陶瓷棕色顏料中的應(yīng)用進(jìn)行探討，制定出合理的配方及燒成制度，從而達(dá)到降低成本的目的。

關(guān)鍵詞：鉻鐵礦；正交設(shè)計(jì)；陶瓷顏料

1 前言

將礦物原料直接應(yīng)用于陶瓷工業(yè)生產(chǎn)中是目前陶瓷工業(yè)發(fā)展的主要方向之一，價(jià)格便宜，資源豐富的礦物原料一直是陶瓷工作者關(guān)注的對(duì)象。近些年，鉻鐵礦大量應(yīng)用于陶瓷顏料行業(yè)，過(guò)去陶瓷坯體棕黑色料系列一般都是采用鐵紅加氧化鉻綠來(lái)生產(chǎn)的，由于陶瓷廠家和市場(chǎng)需求的改變，追求高性價(jià)比的色料產(chǎn)品將成為市場(chǎng)的共識(shí)，一般通過(guò)引進(jìn)鉻鐵礦代替氧化鉻綠生產(chǎn)陶瓷坯用黑色和咖啡色料，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

鉻鐵礦是鉻和鐵的氧化物礦物，它相當(dāng)堅(jiān)硬，黑色半金屬光澤，硬度為5.5，比重為4.2～4.8，熔點(diǎn)為2180℃，不透明，無(wú)解離，具弱磁性，含鐵量高的磁性較強(qiáng)，鉻鐵礦一般呈塊狀或粒狀的集合體，是金屬鉻的主要來(lái)源，也可用于高溫耐火材料。其中，常見(jiàn)的有：（1）鉻鐵礦，化學(xué)為（Mg ， Fe） Cr2O4，介于亞鐵鉻鐵礦（FeCr2O4）與鎂鉻鐵礦（MgCr2O4）之間，通常有人將亞鐵鉻鐵礦和鎂鉻鐵礦也稱為鉻鐵礦；（2）富鉻類晶石，又稱鉻鐵尖晶石或鋁鉻鐵礦化學(xué)成份為Fe （ Cr ， Al ）2O4，含Cr2O3 32%～38%。其形態(tài)、物理性質(zhì)、成因、產(chǎn)狀及用途與鉻鐵礦相同；（3） 硬鉻尖晶石，化學(xué)成份為（Mg ， Fe（Cr ， Al）2O4，含Cr2O3 32%～50%。其形態(tài)、物理性質(zhì)、成因、產(chǎn)狀及用途一也與鉻鐵礦相同。

另外，國(guó)外進(jìn)口的鉻鐵礦產(chǎn)品，品質(zhì)一般好于國(guó)內(nèi)北方礦區(qū)所生產(chǎn)的產(chǎn)品，具體表現(xiàn)在含鉻較高、雜質(zhì)相對(duì)較少，生產(chǎn)出來(lái)的色料產(chǎn)品高溫穩(wěn)定性也較好。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的鉻鐵礦一般含硫較高，生產(chǎn)時(shí)煙霧較大，生產(chǎn)出來(lái)的色料產(chǎn)品pH值偏向酸性，在陶瓷泥漿中很容易產(chǎn)生絮凝現(xiàn)象，導(dǎo)致漿池結(jié)膠，影響生產(chǎn)和陶瓷磚坯的熱穩(wěn)定性。據(jù)有關(guān)部門預(yù)測(cè)，到2020年，我國(guó)鉻鐵礦產(chǎn)量將僅為10萬(wàn)t左右，屆時(shí)需求量將達(dá)到440萬(wàn)t，供需缺口約430萬(wàn)t，進(jìn)口依存度約98%，而陶瓷行業(yè)對(duì)鉻鐵礦的需求將保持一定的穩(wěn)定增長(zhǎng)，由于進(jìn)口鉻鐵礦的價(jià)格不斷上漲，陶瓷行業(yè)對(duì)鉻鐵礦的需求會(huì)轉(zhuǎn)向國(guó)內(nèi)礦區(qū)生產(chǎn)的低鉻產(chǎn)品。通過(guò)引進(jìn)鉻鐵礦代替氧化鉻綠生產(chǎn)陶瓷色料，從棕色到黑色系列均可，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

本文采用正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)法，用鉻鐵礦代替鉻綠研究了配方及工藝制度對(duì)棕色陶瓷顏料合成的影響。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 原料

實(shí)驗(yàn)中所用的鉻礦砂（南非產(chǎn)）購(gòu)自河南某公司，過(guò)325目網(wǎng)篩。Fe2O3為工業(yè)純，含量98%，細(xì)度過(guò)250目篩。Cr2O3為工業(yè)純，含量98%，細(xì)度過(guò)250目篩。磨樣機(jī)為日本美能達(dá)公司生產(chǎn)的CM2500d色差儀，湘潭三聯(lián)儀器有限公司生產(chǎn)的DHF82多元素快速分析儀，洛陽(yáng)永泰試驗(yàn)電爐廠生產(chǎn)的快速節(jié)能電爐kss-1600，以及電輥窯爐、球磨機(jī)、各種網(wǎng)篩等。鉻鐵礦首先細(xì)磨過(guò)250目篩備用。鉻礦砂（南非產(chǎn)）的化學(xué)成份由當(dāng)?shù)毓舅秃幽鲜≈行膶?shí)驗(yàn)室進(jìn)行定量分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1。

按表2配方進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，升溫制度為3h升至1030℃，保溫1h，其結(jié)果如表2所示。

燒成產(chǎn)品較松軟，與廠標(biāo)相比，顏色較淺且偏紅。因此，決定進(jìn)行正交試驗(yàn)，找出生產(chǎn)的最佳條件。根據(jù)文獻(xiàn)及經(jīng)驗(yàn)以鉻鐵礦、鐵紅和燒成溫度做試驗(yàn)因素，并分別選取三個(gè)水平進(jìn)行L9（34）正交試驗(yàn)，見(jiàn)表3。

首先進(jìn)行稱料、混勻，然后將配料裝入編號(hào)的瓷坩堝中，在馬弗爐內(nèi)根據(jù)制定好的燒成曲線，將樣品分別升溫至1030℃、1080℃和1130℃，保溫1h，樣品取出后冷卻，進(jìn)行破碎、研磨。實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)定、分析如表4所示。

結(jié)果表明：L*的優(yōu)組合是C1B3A1 或C1B3A1，a*的優(yōu)組合是C2B1A3，b*的優(yōu)組合是C1B3A1 或C2B3A1，與廠標(biāo)對(duì)比，L*值較大而a*和b*值較小，顏色偏淺偏紅黃，因而應(yīng)降低L*值而提高a*和b*值，根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，C是影響L*、a*、b*的主要因素，當(dāng)C較小時(shí)L*和b*較大，而C較大時(shí)，a*較大。因此，取C為較大的值，有利于減小L*而提高a*的值，同時(shí)，b*的值也會(huì)相應(yīng)的減小；B是處于第二位的影響L*、a*、b*的因素，當(dāng)B較大時(shí)，L*和b*也較大，而B(niǎo)值較小時(shí)，a*值較大。因此，取B值較小的值，有利于減小L*而提高a*的值，同時(shí)，b*的值也會(huì)相應(yīng)的減小；A是影響L*、a*、b*最小的因素，當(dāng)A較小時(shí)，L*和b*也較大，而A值較大時(shí)，a*值較大。因此，取A值較大的值，有利于減小L*而提高a*的值，b*的值也會(huì)相應(yīng)的減小。從對(duì)正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析得出的結(jié)論，做調(diào)整試驗(yàn)，即C取較大的值，B取較小的值。當(dāng)A取較大的值，有利于減小L*值及增大a*值及降低b*值。從影響b*值方面考慮的優(yōu)組合是C1B3A1 或C2B3A1，可以看出C增大對(duì)見(jiàn)b*值的改變并不大。

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析，調(diào)整實(shí)驗(yàn)配方及實(shí)驗(yàn)條件見(jiàn)表5。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，此配方可以達(dá)到預(yù)期效果，生產(chǎn)的陶瓷顏料與廠標(biāo)在性能和各參數(shù)均比較相近，可以用做部分替代產(chǎn)品。

3 結(jié)果分析與討論

Cr2O3 和Fe2O3在高溫作用下，生成具有尖晶石型結(jié)構(gòu)的化合物，而這種類型的化合物在高溫時(shí)非常穩(wěn)定，鉻鐵礦富含Cr2O3 和Fe2O3主要是為了引入Cr2O3和Fe2O3，F(xiàn)e元素和Cr元素在這時(shí)分別為發(fā)色元素，高溫時(shí)，鉻以Cr3+形式存在，而鐵以Fe3O4形式存在，Cr3+與Fe3O4同時(shí)存在，而Cr3+與Fe3O4互為互補(bǔ)色，分別吸收從紫光-綠光-紅光所有波長(zhǎng)的光，同時(shí)，其濃度均較大，且其吸光系數(shù)ε也較大，故色料呈現(xiàn)較深的顏色。根據(jù)這一呈色原理，通過(guò)調(diào)節(jié)原料中鐵與鉻的比例即可獲得從棕色到黑色的各種色料，若配方中鐵的量過(guò)大，色料易偏紅。著色離子在不同情況下的著色效果如表6所示。

4 結(jié)論

（1） 鉻鐵礦成份的含量會(huì)因?yàn)楫a(chǎn)地的不同、批次的不同而有所變動(dòng)，若使用同一配方，批與批之間會(huì)引起色料之間的色差。因此，應(yīng)對(duì)每批次物料入廠前進(jìn)行定量分析，根據(jù)含量在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)調(diào)整配方。即使如此，還應(yīng)將每一批次色料留一部分，以一定比例與下一批色料相混，依次下去，從而使每批色料顏色與下批色料色差盡可能地少。

（2） 將鉻鐵礦引入棕色顏料中替代部分化工原料，呈色效果較好，產(chǎn)品成本也有所降低，十分適合工廠的大批量生產(chǎn)。若將鉻鐵礦與鉻綠摻和使用，即鉻鐵礦部分替代鉻綠，產(chǎn)品的性能和穩(wěn)定性會(huì)大大提高，當(dāng)然生產(chǎn)成本降低的幅度也會(huì)較小，如何找到一個(gè)既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的方案，還有待繼續(xù)研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 喬艷.鉻鐵礦在陶瓷顏料中的應(yīng)用[J].山東陶瓷，1998，21（2），34-36.

[2] 秦威，范方祿，胡冬娜.淺談鉻鐵礦在陶瓷行業(yè)中的應(yīng)用[J].佛山陶瓷，2011，（3），21-23.

[3] 陳宗玲，顧幸勇，胡克艷.用鉻鐵礦制備低成本Cr-Fe-Ni-Cu系無(wú)鈷黑色色料的研究[J].陶瓷學(xué)報(bào)，2010，31（4），591-594.

[4] 翟新崗.淺談?dòng)绊懱沾缮铣噬囊蛩豙J].磚瓦，2007，（10），30-31.

[5] 俞康泰.中國(guó)陶瓷色釉料生產(chǎn)的近況和展望[J].陶瓷，2009，（3），58-60.endprint

摘 要：本文采用正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)法研究了配方及工藝制度對(duì)棕色陶瓷顏料合成的影響，分析了各因素對(duì)棕色陶瓷顏料合成的影響趨勢(shì)，得到了主次影響因素，并指出主要因素為：溫度。找到了利用鉻鐵礦制備棕色陶瓷顏料的較好工藝配方及合成工藝制度。本文對(duì)鉻鐵礦在陶瓷棕色顏料中的應(yīng)用進(jìn)行探討，制定出合理的配方及燒成制度，從而達(dá)到降低成本的目的。

關(guān)鍵詞：鉻鐵礦；正交設(shè)計(jì)；陶瓷顏料

1 前言

將礦物原料直接應(yīng)用于陶瓷工業(yè)生產(chǎn)中是目前陶瓷工業(yè)發(fā)展的主要方向之一，價(jià)格便宜，資源豐富的礦物原料一直是陶瓷工作者關(guān)注的對(duì)象。近些年，鉻鐵礦大量應(yīng)用于陶瓷顏料行業(yè)，過(guò)去陶瓷坯體棕黑色料系列一般都是采用鐵紅加氧化鉻綠來(lái)生產(chǎn)的，由于陶瓷廠家和市場(chǎng)需求的改變，追求高性價(jià)比的色料產(chǎn)品將成為市場(chǎng)的共識(shí)，一般通過(guò)引進(jìn)鉻鐵礦代替氧化鉻綠生產(chǎn)陶瓷坯用黑色和咖啡色料，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

鉻鐵礦是鉻和鐵的氧化物礦物，它相當(dāng)堅(jiān)硬，黑色半金屬光澤，硬度為5.5，比重為4.2～4.8，熔點(diǎn)為2180℃，不透明，無(wú)解離，具弱磁性，含鐵量高的磁性較強(qiáng)，鉻鐵礦一般呈塊狀或粒狀的集合體，是金屬鉻的主要來(lái)源，也可用于高溫耐火材料。其中，常見(jiàn)的有：（1）鉻鐵礦，化學(xué)為（Mg ， Fe） Cr2O4，介于亞鐵鉻鐵礦（FeCr2O4）與鎂鉻鐵礦（MgCr2O4）之間，通常有人將亞鐵鉻鐵礦和鎂鉻鐵礦也稱為鉻鐵礦；（2）富鉻類晶石，又稱鉻鐵尖晶石或鋁鉻鐵礦化學(xué)成份為Fe （ Cr ， Al ）2O4，含Cr2O3 32%～38%。其形態(tài)、物理性質(zhì)、成因、產(chǎn)狀及用途與鉻鐵礦相同；（3） 硬鉻尖晶石，化學(xué)成份為（Mg ， Fe（Cr ， Al）2O4，含Cr2O3 32%～50%。其形態(tài)、物理性質(zhì)、成因、產(chǎn)狀及用途一也與鉻鐵礦相同。

另外，國(guó)外進(jìn)口的鉻鐵礦產(chǎn)品，品質(zhì)一般好于國(guó)內(nèi)北方礦區(qū)所生產(chǎn)的產(chǎn)品，具體表現(xiàn)在含鉻較高、雜質(zhì)相對(duì)較少，生產(chǎn)出來(lái)的色料產(chǎn)品高溫穩(wěn)定性也較好。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的鉻鐵礦一般含硫較高，生產(chǎn)時(shí)煙霧較大，生產(chǎn)出來(lái)的色料產(chǎn)品pH值偏向酸性，在陶瓷泥漿中很容易產(chǎn)生絮凝現(xiàn)象，導(dǎo)致漿池結(jié)膠，影響生產(chǎn)和陶瓷磚坯的熱穩(wěn)定性。據(jù)有關(guān)部門預(yù)測(cè)，到2020年，我國(guó)鉻鐵礦產(chǎn)量將僅為10萬(wàn)t左右，屆時(shí)需求量將達(dá)到440萬(wàn)t，供需缺口約430萬(wàn)t，進(jìn)口依存度約98%，而陶瓷行業(yè)對(duì)鉻鐵礦的需求將保持一定的穩(wěn)定增長(zhǎng)，由于進(jìn)口鉻鐵礦的價(jià)格不斷上漲，陶瓷行業(yè)對(duì)鉻鐵礦的需求會(huì)轉(zhuǎn)向國(guó)內(nèi)礦區(qū)生產(chǎn)的低鉻產(chǎn)品。通過(guò)引進(jìn)鉻鐵礦代替氧化鉻綠生產(chǎn)陶瓷色料，從棕色到黑色系列均可，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

本文采用正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)法，用鉻鐵礦代替鉻綠研究了配方及工藝制度對(duì)棕色陶瓷顏料合成的影響。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 原料

實(shí)驗(yàn)中所用的鉻礦砂（南非產(chǎn)）購(gòu)自河南某公司，過(guò)325目網(wǎng)篩。Fe2O3為工業(yè)純，含量98%，細(xì)度過(guò)250目篩。Cr2O3為工業(yè)純，含量98%，細(xì)度過(guò)250目篩。磨樣機(jī)為日本美能達(dá)公司生產(chǎn)的CM2500d色差儀，湘潭三聯(lián)儀器有限公司生產(chǎn)的DHF82多元素快速分析儀，洛陽(yáng)永泰試驗(yàn)電爐廠生產(chǎn)的快速節(jié)能電爐kss-1600，以及電輥窯爐、球磨機(jī)、各種網(wǎng)篩等。鉻鐵礦首先細(xì)磨過(guò)250目篩備用。鉻礦砂（南非產(chǎn)）的化學(xué)成份由當(dāng)?shù)毓舅秃幽鲜≈行膶?shí)驗(yàn)室進(jìn)行定量分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1。

按表2配方進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，升溫制度為3h升至1030℃，保溫1h，其結(jié)果如表2所示。

燒成產(chǎn)品較松軟，與廠標(biāo)相比，顏色較淺且偏紅。因此，決定進(jìn)行正交試驗(yàn)，找出生產(chǎn)的最佳條件。根據(jù)文獻(xiàn)及經(jīng)驗(yàn)以鉻鐵礦、鐵紅和燒成溫度做試驗(yàn)因素，并分別選取三個(gè)水平進(jìn)行L9（34）正交試驗(yàn)，見(jiàn)表3。

首先進(jìn)行稱料、混勻，然后將配料裝入編號(hào)的瓷坩堝中，在馬弗爐內(nèi)根據(jù)制定好的燒成曲線，將樣品分別升溫至1030℃、1080℃和1130℃，保溫1h，樣品取出后冷卻，進(jìn)行破碎、研磨。實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)定、分析如表4所示。

結(jié)果表明：L*的優(yōu)組合是C1B3A1 或C1B3A1，a*的優(yōu)組合是C2B1A3，b*的優(yōu)組合是C1B3A1 或C2B3A1，與廠標(biāo)對(duì)比，L*值較大而a*和b*值較小，顏色偏淺偏紅黃，因而應(yīng)降低L*值而提高a*和b*值，根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，C是影響L*、a*、b*的主要因素，當(dāng)C較小時(shí)L*和b*較大，而C較大時(shí)，a*較大。因此，取C為較大的值，有利于減小L*而提高a*的值，同時(shí)，b*的值也會(huì)相應(yīng)的減小；B是處于第二位的影響L*、a*、b*的因素，當(dāng)B較大時(shí)，L*和b*也較大，而B(niǎo)值較小時(shí)，a*值較大。因此，取B值較小的值，有利于減小L*而提高a*的值，同時(shí)，b*的值也會(huì)相應(yīng)的減小；A是影響L*、a*、b*最小的因素，當(dāng)A較小時(shí)，L*和b*也較大，而A值較大時(shí)，a*值較大。因此，取A值較大的值，有利于減小L*而提高a*的值，b*的值也會(huì)相應(yīng)的減小。從對(duì)正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析得出的結(jié)論，做調(diào)整試驗(yàn)，即C取較大的值，B取較小的值。當(dāng)A取較大的值，有利于減小L*值及增大a*值及降低b*值。從影響b*值方面考慮的優(yōu)組合是C1B3A1 或C2B3A1，可以看出C增大對(duì)見(jiàn)b*值的改變并不大。

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析，調(diào)整實(shí)驗(yàn)配方及實(shí)驗(yàn)條件見(jiàn)表5。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，此配方可以達(dá)到預(yù)期效果，生產(chǎn)的陶瓷顏料與廠標(biāo)在性能和各參數(shù)均比較相近，可以用做部分替代產(chǎn)品。

3 結(jié)果分析與討論

Cr2O3 和Fe2O3在高溫作用下，生成具有尖晶石型結(jié)構(gòu)的化合物，而這種類型的化合物在高溫時(shí)非常穩(wěn)定，鉻鐵礦富含Cr2O3 和Fe2O3主要是為了引入Cr2O3和Fe2O3，F(xiàn)e元素和Cr元素在這時(shí)分別為發(fā)色元素，高溫時(shí)，鉻以Cr3+形式存在，而鐵以Fe3O4形式存在，Cr3+與Fe3O4同時(shí)存在，而Cr3+與Fe3O4互為互補(bǔ)色，分別吸收從紫光-綠光-紅光所有波長(zhǎng)的光，同時(shí)，其濃度均較大，且其吸光系數(shù)ε也較大，故色料呈現(xiàn)較深的顏色。根據(jù)這一呈色原理，通過(guò)調(diào)節(jié)原料中鐵與鉻的比例即可獲得從棕色到黑色的各種色料，若配方中鐵的量過(guò)大，色料易偏紅。著色離子在不同情況下的著色效果如表6所示。

4 結(jié)論

（1） 鉻鐵礦成份的含量會(huì)因?yàn)楫a(chǎn)地的不同、批次的不同而有所變動(dòng)，若使用同一配方，批與批之間會(huì)引起色料之間的色差。因此，應(yīng)對(duì)每批次物料入廠前進(jìn)行定量分析，根據(jù)含量在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)調(diào)整配方。即使如此，還應(yīng)將每一批次色料留一部分，以一定比例與下一批色料相混，依次下去，從而使每批色料顏色與下批色料色差盡可能地少。

（2） 將鉻鐵礦引入棕色顏料中替代部分化工原料，呈色效果較好，產(chǎn)品成本也有所降低，十分適合工廠的大批量生產(chǎn)。若將鉻鐵礦與鉻綠摻和使用，即鉻鐵礦部分替代鉻綠，產(chǎn)品的性能和穩(wěn)定性會(huì)大大提高，當(dāng)然生產(chǎn)成本降低的幅度也會(huì)較小，如何找到一個(gè)既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的方案，還有待繼續(xù)研究。

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