利用廢渣制備黑色陶瓷磚的研究

范偉峰 羅飛 吳長發(fā)

摘 要：建筑陶瓷除了在性能上追求高強度、高耐磨、多功能等，如何降低生產(chǎn)成本也是各廠家競爭的焦點。利用各類劣質(zhì)原料來制備建筑陶瓷是降低成本的有效途徑之一。本文選用四川某煉鐵廠廢渣，將其作為原料直接應(yīng)用于黑色陶瓷磚配方中，同時研究了廢渣對陶瓷磚的呈色、燒成收縮及斷裂模數(shù)等的影響。

關(guān)鍵詞：廢渣;黑色陶瓷;強度;經(jīng)濟效益

1 前 言

建筑陶瓷除了在性能上追求高強度、高耐磨、多功能等，如何降低生產(chǎn)成本也是各廠家競爭的焦點[1-3]。利用各類劣質(zhì)原料來制備建筑陶瓷是降低成本的有效途徑之一，因此各種工業(yè)廢料進入了人們的視野。鐵尾礦是選礦廠在特定的技術(shù)條件下，將鐵礦石破碎磨細，選取鐵精礦后排放的廢渣，是工業(yè)固體廢棄物的主要組成部分之一[4，5]。隨著鋼鐵工業(yè)的迅速發(fā)展，鐵礦石開采量不斷增加，選礦廠排出的尾礦量也日益增多。大量的尾礦通常采用堆填處置，不僅占用土地、污染環(huán)境，而且工廠還得支付土地征用費、運輸費和填埋費等，增加生產(chǎn)成本，同時也造成了資源浪費。在環(huán)境保護和資源節(jié)約意識日益增強的今天，尾礦綜合利用被認為是實現(xiàn)礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑，其作為二次資源已引起世界各國的廣泛關(guān)注[6-8]。鐵尾礦含有大量的過渡金屬離子，在高溫下可使陶瓷磚坯體呈現(xiàn)較深的顏色，因此，可將其應(yīng)用于陶瓷磚坯中制備通體黑色陶瓷磚。本文選用四川某煉鐵廠廢渣，將其作為原料直接應(yīng)用于黑色陶瓷磚配方中，同時研究了廢渣對陶瓷磚的呈色、燒成收縮及斷裂模數(shù)等的影響。

2 實驗部分

2.1 實驗原料

實驗所用的主要原料包括：含鐵錳廢渣（取自四川某煉鐵廠）、陶瓷坯料（佛山歐神諾陶瓷有限公司）。

2.2 試樣的制備與表征

將廢渣粉按一定的比例（1、3、5、8、10%）加入陶瓷坯粉料中，經(jīng)過球磨、過篩、干燥、過篩、壓制成型、干燥燒成等工序，制備陶瓷磚樣品。同時，將含2%坯用黑色色料的色坯在相同的溫度制度下燒成，作為對比試樣。

采用數(shù)顯電動抗折儀（DPK型，湘潭湘儀儀器有限公司）對試樣的強度進行檢測;采用美國X-rite公司X-rite8200分光光度計測試試樣的L*a*b*值。L*a*b*參數(shù)中，L*代表明度，正a*代表紅色，負a*代表綠色，正b*代表黃色，負b*代表藍色。測試前對儀器進行黑白標準板校正，消除因電信號不穩(wěn)定帶來的測試誤差。每個樣本測三次，取測試的平均值，作為該樣品的色度值。

3 結(jié)果與討論

廢渣的化學組成包括：氧化鋁5.18%、氧化硅15.26%、三氧化二鐵46.71%、二氧化鈦11.48%、氧化錳7.45%、三氧化二鉻2.62%、氧化鈣2.75%、氧化鎂2.78%、氧化鈉3.68%及其他，其中三氧化二鐵、二氧化鈦、氧化錳和三氧化二鉻均是著色氧化物。

表1為添加坯用黑色色料試樣的L*a*b*值。由表可知，添加黑色色料的坯體a*值和b*值較小，分別為0.65和3.23，說明試樣的顏色較深，通過觀察實際試樣，試樣顯通體黑色。

顏色是光和眼睛相互作用產(chǎn)生的，是人的大腦對投射在視網(wǎng)膜上不同波長光線進行辨認的結(jié)果。物體的顏色決定于它對光線的透過、吸收和反射，若物質(zhì)對白光中所有顏色的光全部吸收，則呈現(xiàn)出黑色;若反射所有顏色的光，則呈現(xiàn)出白色;若透過所有顏色的光，則為無色。因此，透明物體的顏色由它能夠透過的色光決定;不透明物體的顏色由它反射的色光決定，其實質(zhì)都與物質(zhì)的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。圖1為添加坯用黑色色料試樣在可見光波長范圍內(nèi)的反射率曲線。由圖可知，未添加黑色色料的坯體在高波長的黃光部分反射率較高，說明坯體顏色偏黃調(diào)。而添加2%黑色色料的坯體在可見光波長范圍內(nèi)反射率較低，平均反射率為～10%，結(jié)合a*值和b*值較小，說明試樣呈黑色。

表2為添加廢渣試樣的L*a*b*值。由表可知，隨著廢渣加入量的增加，試樣的明度L*值逐漸減小，且a*值和b*值均向減小方向變化，說明試樣的黑色逐漸加深。圖2為添加廢渣的試樣在可見光波長范圍內(nèi)的反射率曲線。由圖可知，隨著廢渣添加量的逐漸增加，試樣在可見光波長范圍內(nèi)反射率逐漸減小，當添加量小于8%時，其平均反射率在10%左右波動。

表3為添加不同著色物的試樣的顏色性能。由表可知，添加2%坯用色料與添加10%廢渣的試樣，其a*值和b*值較為接近，且添加10%廢渣的試樣具有更低的L*值，說明在呈色性能上10%廢渣可替代2%坯用色料。圖3為添加2%坯用色料與添加10%廢渣的試樣在可見光波長范圍內(nèi)的反射率曲線，由圖可知，兩組試樣的反射率曲線類似，且平均反射率均在～10%，說明添加2%坯用色料與添加10%廢渣的試樣的呈色性能接近。

由于廢渣成分較為復雜，引入廢渣可能造成陶瓷坯體的結(jié)構(gòu)變化，如發(fā)泡等。圖4為不同廢渣添加量試樣的燒成收縮率，由圖可知，廢渣加入量在1 ～ 10%情況下，其燒成收縮與未添加試樣接近，說明廢渣的引入不會明顯改變陶瓷磚的燒結(jié)性能，也不會產(chǎn)生發(fā)泡現(xiàn)象。圖5為不同廢渣添加量試樣的斷裂模數(shù)，由圖可知，添加廢渣的所有試樣其斷裂模數(shù)均高于55 MPa，符合陶瓷磚國家標準對斷裂模數(shù)的要求（37 MPa）。同時，根據(jù)成本估算，目前坯用黑色色料價格約為1萬元/噸，而該廢渣約為450元/噸，采用10%的廢渣替代2%的黑色色料，可使原料成本進一步降低。

4 結(jié) 論

（1）呈色性能上，10%鐵錳廢渣可替代2%坯用黑色色料;

（2）鐵錳廢渣的引入不會明顯改變陶瓷磚的燒結(jié)性能，也不會產(chǎn)生發(fā)泡現(xiàn)象;

（3）添加鐵錳廢渣的試樣其斷裂模數(shù)高于55 MPa，符合陶瓷磚國家標準對斷裂模數(shù)的要求;

（4）根據(jù)成本估算，目前坯用黑色色料價格約為1萬元/噸，而該廢渣約為450元/噸，采用10%的廢渣替代2%的黑色色料，可使原料成本進一步降低。

參考文獻

[1] 董峰， 郝洪順， 崔文亮， 等. 陶瓷工業(yè)固體廢棄物的回收再利用[J]. 硅酸鹽通報， 2006， 3：124-126.

[2] 楊小乘. 陶瓷廢料的利用現(xiàn)狀[J]. 廣東建材， 2013， 5： 12-14.

[3] 何代英， 李春文. 黑色陶瓷色料的生產(chǎn)與應(yīng)用[J]. 佛山陶瓷， 2002， 4： 4-6.

[4] 邊華英， 王學濤. 利用含鈷工業(yè)廢料研制黑色陶瓷顏料[J]. 佛山陶瓷， 2003， 12： 16-18.

[5] 邱柏欣， 顧幸勇， 董偉霞， 等. 利用鉻鐵廢渣制備黑色陶瓷釉料[J]. 硅酸鹽學報， 2019， 3： 396-402.

[6] 劉華峰， 王慧， 曾令可. 黑色陶瓷色料的研究現(xiàn)狀與展望[J]. 中國陶瓷工業(yè)， 2013， 6： 32-34.

[7] 喬艷. 利用赤泥研制黑色陶瓷顏料[J]. 江蘇陶瓷， 2009， 1： 12-15.

[8] 于長鳳， 朱小平， 李欣， 等. 用釩砂尾礦制備無鈷黑色陶瓷顏料的研究[J]. 陶瓷學報， 2013， 1： 76-80.