韓城西莊紫砂陶土礦地質特征及工藝性能試驗

韓鵬飛

(中國建筑材料工業地質勘查中心陜西總隊，陜西 西安 710003)

韓城市西莊鎮上莊—北凸嶺一帶紫砂陶土礦，是一處中型礦床，遠景資源儲量約500萬t，礦石質量良好。

1 礦床地質特征

礦區大地構造位置處于中朝準地臺陜甘寧坳陜北臺凹的東南緣，蒲城—合陽—韓城大斷裂北側。區域出露地層由老至新依次為古生界上二疊統孫家溝組；中生界下三疊統劉家溝組與和尚溝組。區域上未見明顯褶皺、斷裂，無巖漿活動和變質作用。

1.1 礦體地質特征

西莊鎮上莊—北凸嶺紫砂陶土礦屬于內陸河流湖泊相沉積的層狀礦床。礦體均呈層狀、似層狀賦存于劉家溝組下段第二巖性層(T1l1-2)中，區內共圈定出5個紫砂陶土礦體，其中上莊礦段4個，由上至下依次編號為K1W、K2、K3、K4；北凸嶺礦段1個，編號K1E；礦體走向北東東向，以單斜層狀產出，產狀與圍巖一致，傾向290～312°，傾角2～5°，沿走向長300～800m。單層紫砂礦厚度一般為1.0 ～ 1.5m 左右，最厚 2.72m(K1 礦體 )。在垂直方向上，中上部富集，礦層層數較多，厚度較穩定，連續性好，單礦層之間距離小，具有工業價值的紫砂礦層均分布于含礦層的中—上部；下部貧乏，僅有零星分散的小夾層分布，厚度通常10～30cm左右，不具備工業利用價值。在平面位置上，礦區中部單層紫砂礦層厚度較大，向東西兩邊厚度變薄，部分地段礦體尖滅。

上莊礦段與北凸嶺礦段屬同一礦區，相距僅數百米，且兩個礦段內所有礦體均賦存于同一層位中(T1l1-2)，對比研究發現， K1E礦體為K1W礦體的東延部分，屬同一礦層(圖1)。上莊礦段其余各礦層沿走向東延至礦區北凸嶺一帶，厚度逐漸變薄。

1.2 礦石質量特征

1.2.1 礦石礦物成分及結構構造

根據野外觀察及巖礦鑒定、X-衍射分析等樣品的測試結果，礦區組成礦體的礦石主要為紫紅色泥質粉砂巖、紅色泥巖、青灰色泥質粉砂巖、紫紅色粉砂質泥巖、暗紫紅色泥巖，礦石呈粉砂質—泥質結構，層狀構造。

圖1 礦區各礦層對比圖

根據X-衍射分析結果，5種礦石類型主要由石英、伊利石、綠泥石、斜長石及少量鉀長石、赤鐵礦、方解石等組成(表1)。粘土礦物以伊利石—綠泥石為主，石英碎屑占比較大[1-2]。本礦區礦石礦物組分與江蘇宜興陶土礦床相比，礦物成分基本一致(表2)。

1.2.2 礦石化學成分

選取區內不同礦石類型的多個樣品進行了化學分析測試(表3)，與宜興陶土礦化學成分進行了對比(表4)，韓城西莊紫砂陶土礦K2O、MgO、CaO含量明顯偏高，其余成分含量基本相近。

2 礦石工藝性能性能

2.1 泥料物理性能

表5列出6種原料的泥料工藝性能測試數據，分別是可塑性指數、干燥抗折強度、干燥線收縮率和pH值。6種紫砂原料的可塑性均為中可塑性，其中5#紅泥和特號天青接近高可塑性；干燥抗折強度方面，除3#青泥和5#紅泥較低外，其余4種均為中高強度原料，對成形過程十分有利；干燥線收縮率方面，除特號天青表現出較大值外，其余5種數據適中，以3#青泥、1#夾泥、2#紅泥干燥收縮率較小而容易使用； pH值方面，6種原料表現出弱酸性或接近中性的特征，在使用上沒有障礙，制漿時添加少量泥漿調節劑即可[3]。

表1 韓城西莊紫砂陶土礦X-衍射分析結果 (單位：%)

表2 韓城與宜興紫砂陶土礦礦物成分對比

表3 韓城西莊紫砂陶土礦化學成分分析結果 (單位：%)

表4 韓城與宜興紫砂陶土化學成分對比 (單位：%)

2.2 礦物成分和化學成分在制陶中的作用

紫砂陶土的品位與礦物成分的組成及化學成分含量緊密相關，各成分在制陶過程中都有不同的作用。

表5 韓城紫砂陶土泥料工藝性能

(1) SiO2和Al2O3：SiO2在礦石中起骨架作用，在制坯過程中能有效減少坯體的干燥收縮和變形，燒制過程中在高溫下與Al2O3生成莫來石，提高制品的機械強度和化學穩定性[4-5]，含量不易過高(一般要求57%～65%)。該礦SiO2含量為53.41%～69.90%，含量適中，能夠滿足制陶要求。Al2O3除與SiO2在高溫下生成莫來石外，還有效提高了坯體的燒成溫度，一般要求含量為16%～25%。該礦Al2O3含量為15.12%～21.50%，含量適中，符合制陶要求。

(2) Fe2O3和TiO2：能夠滿足紫砂呈色要求，含量不易過高(日用紫砂一般要求≤13%)。該陶土礦Fe2O3含量為2.94%～8.24%，含量適中。

(3) MgO和CaO：MgO在高溫下與SiO2和Al2O3能生成熔點低的堇青石，CaO在高溫下能與SiO2生成偏硅酸鈣，均能起到助熔作用，降低坯料的燒成溫度。該礦MgO、CaO含量較宜興陶土礦明顯偏高，需要的燒成溫度相對較低[6]。

(4) K2O和Na2O：能夠加速莫來石的生長，促進坯體燒結，一般要求K2O+Na2O含量為5%～7%。該礦含量為2.55%～6.74%，滿足制陶要求。

上述可見，該區紫砂陶土礦石質量較好，能夠滿足制陶要求。

2.3 工藝流程

原料粉碎→配料→球磨→過篩→陳腐→注漿→吃漿→鞏固→脫模→陰干→修坯→干燥→燒成→檢驗→入庫[7]。

2.4 燒成試驗

樣品干燥強度1.55～4.04MPa，平均2.69MPa，收 縮 率 0.89% ～ 4.06%， 平 均 2.51%， 樣 品 燒到1 150C°時線收縮率0.16%～2.89%，吸水率0.16%～1.78%(表6)。燒成試驗表明，該區紫砂陶土礦石具有燒成收縮率小，不易變形，燒結溫度低(燒成試樣見圖2)，燒結范圍寬，節能又易于熱工操作，燒成吸水率低等特點[8-9]。

3 開發應用前景分析

韓城西莊紫砂陶土礦化學成分的含量均能滿足制陶產品要求，Fe2O3含量一般為3%～8%，這就表明西莊紫砂陶土礦燒結的產品顏色滿足要求，不需人為添加任何元素增色。

礦石礦物成分以伊利石為主，與一般陶土相比，Al2O3含量較高，且含有一定量的K2O、Na2O，所以不需要配以含鋁較高的粘土即可單獨成坯；與宜興陶土礦相比，區內陶土礦MgO和CaO明顯偏高，能夠有效的降低坯料的燒成溫度，更易于加工成型。

表6 燒成后試樣的物理性能數據 (單位：%)

圖2 六種原料不同溫度燒后試樣

試樣性能符合國家標準要求(紫砂器—日用瓷類)，制作工藝簡單，設備投資額度適宜。試樣造型、外觀呈色符合當前社會對紫砂陶器的審美要求，對制作工藝、燒成條件無特殊要求，容易實現規模生產。試樣燒成溫度較低，節約能源，配方原料易取易得并且資源儲量豐富。試樣物理性能良好，泥料不易開裂、變形，表面缺陷少，干燥強度高，全線收縮率適中，是優質紫砂原料[10]。

目前已利用該區紫砂陶土原料成功制作出紫砂產品，部分產品已得到市場的認可，市場前景十分廣闊。