利用粉煤灰等工业废料制备日用陶瓷的研究

杨玉卫 张明熹 沈 毅 李晶华 蔡永丰

(1 北京有色金属研究总院产业发展部 北京 100088)(2 河北联合大学轻工学院 河北 唐山 063000)(3 河北联合大学材料科学与工程学院 河北 唐山 063009)

前言

我国不仅矿产资源丰富[1～4]，同时也是世界最大的煤炭生产国和煤炭消费国。近年来，我国火力发电发展迅速，其中大多以煤炭为燃料，发电量达1.3亿kW·h，火力发电所占比例达到了79.6%，由此导致粉煤灰排放量逐年增加。2002年底，全国粉煤灰排放量为1.6亿t；2010年底，排放量达到近3亿t，大量粉煤灰的排放受到了越来越广泛的关注。从1987年开始，我国将粉煤灰作为资源综合利用的突破口，如何对其进行综合利用，成为经济和社会发展的一项长远的战略方针。

陶瓷工业废弃物主要是指在陶瓷制品生产过程中，在成形、干燥、施釉、搬运、焙烧、抛光及贮存等工序中产生的废料及次品，其中包括大量的废匣钵、废瓷粉等废料。根据不完全统计：仅佛山陶瓷产区，各种陶瓷废料的年产生量已经超过400万t[5]，而全国陶瓷废料的年产生量估计在1 000万t左右，陶瓷废料的堆积挤占土地，影响当地空气质量，如此大量的陶瓷废料已经不是简单填埋就可以解决问题。这些工业废料若能得到有效的利用，将对陶瓷行业的清洁化生产具有重大的意义。

1 粉煤灰等废料概况[6～8]

1.1 粉煤灰概况

粉煤灰具有一定活性，其性能在一定程度上与火山灰相似。它主要由无定型玻璃、未燃尽的碳、莫来石、石英、磁铁矿、金红石、长石、刚玉和红柱石等组成。其中氧化硅、氧化铝含量较高；莫来石、玻璃相和残余石英的比例类似于瓷粉中的比例。粉煤灰颗粒呈比表面积大的多孔结构，容易研磨，可以降低制品的烧成温度，达到节能的目的。但是，由于其中的氧化铁、氧化钛含量较高，会降低瓷胎的白度。

实验采用唐山西郊发电厂排放的粉煤灰为原料，其化学组成见表1。

表1 实验用粉煤灰化学组成(质量%)Tab.1 The experiment uses composition of the fly ash (%)

1.2 废匣钵概况

废匣钵来自于有匣烧成车间，主要是由于破损、粘连等原因，使其失去原有强度导致变形从而成为废匣钵。废匣钵的产生量一般略小于所生产产品的数量。目前仅有少部分利用在了耐火砖的生产中，其余大部分没有得到有效的利用，废匣钵的化学组成见表2。

表2 废匣钵化学组成(质量%)Tab.2 The constitute of the waste refractory (%)

1.3 废瓷粉概况

实验所用的废瓷粉为制品烧成后的不合格产品，主要有釉坯废品，烧成废品，其中的色釉废品不可以再次使用，而透明釉制品的废品则可以继续使用。废瓷粉的化学组成见表3。

表3 废瓷粉的化学组成(质量%)Tab.3 The composition of the waste porcelain powder (%)

2 实验

2.1 原料

石英、长石、废匣钵、废瓷粉、粉煤灰、骨瓷粉、黑砂、于寺土、唐县土、紫木节、碱矸、龙岩土、烧滑石、生滑石粉及添加剂等。

由于实验的一部分是在长城陶瓷有限公司完成，故所需用原料均由该工厂提供，原料从它的原料车间运抵工厂开发处。粘土原料均有1年的风化期，实验使用的瓷粉、废匣钵为该厂备用料。粉煤灰经拣选，去掉土块、草根等杂物，过40目筛、经水浸泡24 h后，烘干备用。原料的化学组成见表4。

表4 原料化学组成(质量%)Tab.4 The constitute of raw materials (%)

2.2 仪器设备

采用KY-20快速磨，摇篮罐，波美比重计，25 kg小磨，长城陶瓷有限公司的5#燃气隧道窑，500 g天平，1 000 g天平，10 kg台秤，40目、80目、250目筛。

2.3 实验方案设计

2.3.1 配方设计的依据

对于清洁生产的陶瓷来说，由于所用原料废瓷粉、废匣钵、粉煤灰均经高温煅烧，没有可塑性，故日用陶瓷清洁生产技术的关键在于坯体的成形性能。在进行工艺实验之前，我们对长城陶瓷有限公司的生产配方及用料进行了调查。在此基础上，我们选定该厂的注浆配方为依据，用粉煤灰、废匣钵、废瓷粉取代了其中的石英、长石等脊性原料，使其化学组成与之接近；同时为了达到降低成本，提高经济效益，在保证产品质量的前提下，尽量多使用该3种原料。现通过正交实验，希望能找到吸浆时间合适，成形性能良好的工艺参数。

2.3.2 配方的确定

经过分析，选用正交表L16(45)[9]安排实验。L16(45)中，L表示正交表；16表示这个正交表有16行，可安排16个实验；4表示因素取4个水平；5表示有5个因素，正交实验的具体情况见表5。

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

性能测试指标：吸浆时间和成形性能。其它(质量%)为:长石8，废匣钵10，废瓷粉8，骨瓷粉2，烧滑石2，剩余由石英补足100。实验方案见表6。

表6 实验方案Tab.6 Experiment project

*注：1)含量单位均为质量%；2)以上所有实验均加入0.1%Na2SiO3。

2.4 实验过程

1)按设计的配方的配料单称取原料和添加剂；

2)将称量好的原料和碱面放入快速磨中研磨，其中料∶球∶水的比例为1.0∶2.0∶0.4；

3)研磨35 min后(参照工厂生产时的研磨时间，下同)加入添加剂；

4)再研磨50 min后，出磨静置；

5)注浆并记录吸浆时间及温度并测量pH值，注浆操作室温度为40 ℃，坯体厚度均为3 mm；

6)干燥修坯；

图1 烧成曲线Fig.1 Burn curve

7)施釉；

8)烘干后装窑；

9)烧制过程在5#窑完成，烧成曲线如图1所示；

10)开窑检查、并分析效果。

3 结果与讨论

根据实验样品的吸浆时间及表观质量，实验结果如表7所示，极差结果分析如表8所示。

表7 实验结果Tab.7 Experiment results

注：当成形性能分值为70分时制品沙性大，保水性较差，且脱模时粘泥；75分时保水性一般、塑性差、底部脱模时粘泥；80分时保水性一般，沙性大；85分时保水性和沙性适中；90分时保水性较好，沙性小；95分时保水性、沙性以及脱模情况均良好。

表8 实验结果分析Tab.8 Result analyses

注: 1)A：粉煤灰 B：黑砂粉 C：碱矸 D：紫木节 E：Na2CO3;

2)Ki这一行的数据分别是各因素的第i个水平所对应的注浆时间和成形性能之和；ki为i水平的平均值，极差R是同一列中k1、k2、k3、k4这4个数中最大者减去最小者，R值越大，说明该因素对性能指标影响就越大。

从实验表观质量结果可以得出，3#、9#坯体性能最好；从极差分析和各因素的重要性来看：

吸浆时间：碱矸>紫木节>黑砂粉>粉煤灰；成形性能：黑砂粉>紫木节>粉煤灰>碱矸。

对于Na2CO3而言，当加入量为0.34%时，效果是最好的。结合工厂大生产的加入量，故确定本实验中Na2CO3的加入量为0.35%。

通过趋势图得出最佳配方组合点为(定义为17#)：粉煤灰12%，黑砂粉8%， 碱矸13.3%，山西紫木节14%，碱面0.344%，水玻璃 0.1%。

将3#、9#、13#和17#配方进行复试，经过对几个配方样品施釉烧结。根据实验样品表面质量及结合工厂经验，依然选定3#为基本成熟配方。3#配方的化学组成如表9所示。

表9 化学组成(质量%)Tab.9 The constitute of the green body (%)

坯式为：

4 结论

综上所述，笔者认为利用粉煤灰、废匣钵、废瓷粉等材料可以制作出性能良好的陶瓷材料。

1)实验在长城陶瓷有限公司成功的注浆泥配方的基础上，应用正交实验法，经调整配方组成，加入了粉煤灰等工业废料，己研制出清洁生产日用陶瓷的配方，具体配方的化学成分(质量%)如下：石英21，长石8，废匣钵10，废瓷粉8，粉煤灰10，黑砂石12，烧滑石2，骨瓷粉2，紫木节14，碱矸13。

2)配方中引入的其它配合原料大部分为低值的矿物原料，又由于粉煤灰本身的原因，故掺灰量的多少直接影响成瓷的白度。另外，加入微量的烧滑石虽使瓷胎略呈灰黄色，但显得更自然柔和。

3)由于粉煤灰、废匣钵和废瓷粉的价格低廉，应用此技术则可以带来可观的经济效益。