锰渣对烧结陶瓷制品物理性能的影响.pdf

塑料助剂 2 0 1 5年第4期( 总第 1 1 2期) 胁 ) ) 聃 ：； 嚣 蒸 l 锰渣对烧结陶瓷制品物理性能的影响 梁峙 梁骁 马捷。 肖 扬 庄旭 顾烨 倪振 威 王君。 王广彬 ( 1 徐州工程学院，徐州，2 2 1 1 1 1 ；2 上海财经大学经济学院，上海，2 0 4 3 3 2 ； 3 中国矿业大学 ，徐州 ，2 2 1 0 0 8 ；4 徐州绿健乳业有限责任公司 ，徐 州 ，2 2 1 0 0 6 ) 摘要 以锰矿渣 、 陶土为主要原料 ， 通过经混合、 成型、 干燥和烧成等工艺制得锰渣陶土烧结陶瓷 制品 ， 实验通过测定不同的锰矿渣含量、 烧结温度和气体介质 ， 对样品的收缩率、 吸水率、 弯曲强度进行 了分析 ， 实验数据表明： 锰渣粉含量 2 0 、 烧结温度8 5 0 o C、 在氮气氛围中烧结， 产品收缩率、 吸水率、 弯 曲强度达到最佳效果 ， 试验样品具有耐高温、 高弯曲强度 、 抗腐蚀性等一 系列优 良性能。 关键词锰矿渣弯曲强度收缩率吸水率 陶瓷制品 d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 6 7 26 2 9 4 2 0 1 5 0 4 0 1 1 Re s e a r c h o n Effe c t o f M a ng a n e s e S l a g o n Ph y s i c a l Pr o p e r t i e s o f S i nt e r e d Ce r a mi c Pr o du c t Ha n g Z h i Ha n g X i a 0 2 h J i e 3 X i a o Y a n g Z h u a n g X u G u Y e N i l e n w e i Wa n g l 3 Wa n g G砌 n 4 ( 1 。C o l l e g e o f E n v i r o n me n t E n g i n e e r i n g ， X u z h o u I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， X u z h o u ， 2 2 1 l l l ； 2S c h o o l o f Ec o no mi c s， S ha n g h a i Uni v e r s i t y o f Fi n a n c e a n d Ec o n o mi c s ， S h a n g ha i ， 2 0 043 3； 3 C h i n a U n i v e r s i t y o f M i n i n g A n d T e c h n o l o gy， X u z h o u ， 2 2 1 0 0 8 ； 4 X u z h o u L v j i D a i r y C o ， L t d ， X u z h o u ， 2 2 1 0 0 6 ) Ab s t r ac t ： T he ma n g a n e s e s l a g c l a y ma de c e r a mi c ma t e ria l i s p r o d u c e d f r o m ma n g a n e s e s l a g a nd c l a y， a s ma i n r a w ma t e ri a l ， t h r o u g h s e q u e n t i a l p r o c e s s e s o f mi x i n g ， mo l d i n g ， d r y i n g a n d fi r i n g By me a s u ri n g d i f f e r e n t l e v e l o f ma n g a n e s e s l a g， s i n t e r i ng t e mp e r a t u r e a n d g a s me d i u m ， t h e s h r i n k a g e， wa t e r a b s o r p t i o n r a t e a n d b e n d i n g s t r e n g t h o f t h e s a mp l e s we r e a na l y s e d Th e d a t a pr o v e s t h a t a t 2 0 o f ma n g a ne s e s l a g p o wd e r ， t h e s i n t e rin g t e mp e r a t u r e i s 8 5 0 o C ， s i n t e r i n g un d e r n i t r o g e n a t mo s p h e r e， t h e s h rin k a g e r a t e， wa t e r a bs o rpt i o n r a t e a n d r e s i s t a n c e t o c o r r o s i o n o f t h e p r o d u c t a c h i e v e s t h e b e s t e f f e c t N a me l y， t h e s a mp l e h a s e x c e l l e n t p r o p e r t i e s o f h i g h t e mp e r a t u r e r e s i s t a n c e h i g h b e n d i n g s t r e n g t h a n d h i g h c o rro s i o n r e s i s t a n c e Ke y wo r ds： ma n g a n e s e s l a g； be n d i n g s t r e n gth； s h rin ka g e； wa t e r a bs o r p t i o n r a t e； c e r a mi c pr o d u c t 我 国湖南、 贵州、 云南 四川锰矿资源丰富 ， 以 重庆武 陵锰业、 中信大锰 、 贵州三和锰业 、 湘潭 电 化为代表的我 国的电解锰生产龙头企业 ， 2 0 1 3年 基金项 目： 国家 星火计 划 ( 2 0 1 4 G A 6 9 0 1 3 3 ) ； 中国建筑 材 料 联合会项 目( 2 0 1 4一 M3 3 ) ； 住建部项 目( 2 0 1 3一K 71 1 ) ； 江苏省高校大学生创新创业训练计划( 2 0 1 4 1 1 9 9 8 0 2 1 Z ) ； 徐 州市科技发展( X F 1 3 C 0 2 8 ) ； 省食品资源开发重点实验室开 放课题( S P K F 2 0 1 4 1 6 ) ； 校级实验仪器课题 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 3 1 3 产能水平达N2 5 0 0 k t ， 同时产生约7 2 0 0 k t 的固体 废弃 物， 对 环 境 和 人 类 的 生 存 造 成 了 极 大 威胁 。 项 目选用湖南湘潭地区某 电解锰加工企业排 放的锰矿渣作为研究对象 ， 探索以电解锰矿渣 、 陶 土为主要原料制备锰渣 陶土烧结 陶瓷制 品的途 径 ， 分析利用锰矿渣在烧结陶瓷制 品掺合料工艺 方法和条件， 通过不同的锰矿渣含量 、 烧结温度和 气体介质 ， 对锰渣烧结陶瓷制品的工作性能 、 力学 性能、 热工性能进行试验研究 ， 从而实现锰矿渣资 源化综合利用 。 第 4期 梁峙 ， 等 锰渣对烧结陶瓷制品物理性能的影响4 9 1 试 验部分 1 1 试验仪器和设备 行星式球磨机 ， X Q M一1 ， 长沙天创粉末技术 有限公司； 热膨胀系数测定仪， P C Y系列， 湘潭湘 仪仪器有限公 司； 数显陶瓷抗折仪 ， S K Z一1 0 0 0 0， 湘潭市仪器仪表有限公 司； 电热恒温鼓风干燥箱 ， D H G一9 0 2 3 A， 上海岛韩实业有限公 司； 微量分析 天平 ， X P 2 0 5 ， 深圳市德优 平科技有 限公 司 ； 智 能 高温箱式马弗电炉， B L M T一1 8 0 0 A， 洛 阳市博 莱 曼特 试 验 电 炉 有 限公 司 ； 平 面 研 磨 抛 光 机 ， MD Y 4 0 8 0， 深圳市海德 精密机 械有 限公 司； 氮气 发生器 ， Q P N一 3 0 0 I I ， 上海达平仪器有限公司。 1 2 锰渣化学成分及矿物组成 锰渣主要来源 于湖 南湘潭地 区某 电解锰 公 司， 其化学成分见表 1所示。 表 1 锰渣 的化学成分 ( 质量百分数 ) T a b 1 T h e c o mp o s i t i o n o f ma n g a n e s e s l a g p o w d e r 成分 Mn O S i O 2 A 1 2 O 3 F e 2 O 3 T i O 2 C a O M g O K 2 O 含 量 9 4 5 4 9 0 71 2 3 41 6 3 2 1 1 1 7 2 1 3 7 9 0 7 1 从表 i可 以看 出锰 渣 中除 了 S i O 之 外 ， Mn O、 F e 0 、 A 1 0 的含 量较 高， 分别 达 9 4 5 、 1 6 3 2 、 1 2 3 4 Mn和 F e的含量过高会严重影 响到周边的生态环境。 锰渣 的 X R D 衍 射 图谱 分 析 ， 结 果 见 图 1 所 示 。 - - - J L “ 、 一I 图 1 锰渣粉 X R D衍射图谱 Fi g 1 XRD o f ma n g a n e s e s l a g po wd e r 从锰矿渣 X R D衍射图谱分析得 出， 其主要矿 物成分为高岭土 、 白云石 、 石膏 、 伊利石 、 石英 、 方 解石 和 蒙 脱 石 ， 其 中石 英 和 石 膏 的 含 量 超 过 9 6 ， 而石英和石膏又是生产和制备陶瓷的主要 原 料 。 1 3 工艺过程 在生产用的原料中加入不同量的锰渣 ( 分别 加入 1 0 、 1 5 、 2 0 、 2 5 、 3 0 、 3 5 ) ， 来测试 氧化铁对 陶瓷性能 的影响力 。加入锰渣后的原材 料 ， 经过球磨 、 造粒 、 成型、 干燥等工艺 ， 烧成样品， 再对烧成 的样 品通过平面研磨抛光机进行抛光处 理 ， 使样品抛光度接近镜面， 将试验样 品在数显 陶 瓷抗折仪进行抗弯强度测试 。其锰渣烧结制品试 验过程如图 2所示。 图 2 样 品烧制 的工艺流程 F i g 2 F l o ws h e e t o f t h e s i n t e r i n g t e c h n o l o g y o f t h e s a mp l e 2实验结果与分析 2 1 锰渣粉含量对烧结成品收缩率的影响 考察不同锰渣粉含量参数条件下 ， 对成品吸 水率的影响。实验原料中， 分别添加 1 0 、 1 5 、 2 0 、 2 5 、 3 0 的锰渣粉 ， 分析锰渣粉添加量对 成品吸水率的影 响， 煅烧成型后将煅烧成型 的样 品放人热膨胀系数测定仪试验平 台， 根据实验记 录数据绘制分析实验曲线 ， 如图 3所示 。 、 模 好 图 3锰渣粉含量对烧结成 品收缩率 的影 响 Fi g 3 Ef f e c t o f ma n g a n e s e s l a g po wd e r c o n t e n t o n t he s hrin ka g e o f t h e s i n t e r e d c e r a mi c p r o du c t 图中看出， 不同锰渣粉含量参数条件下， 所制 作成 品吸水率有着较大差 异， 随着锰渣粉含量的 增加 ， 收缩率先降后升 ， 当锰渣粉添加量 2 0 时， 塑料助剂 2 0 1 5年第 4期( 总第 1 1 2期) 收缩率达到最小值为 4 1 8 ， 随着锰渣粉含量 的 增加收缩率逐渐加大 ， 锰渣 粉含量 3 5 时 ， 收缩 率达到 4 8 2 ， 这说明过量 的锰渣粉增加了产品 的收缩率 ， 当制品用作外墙保温轻质瓷砖时 ， 锰渣 粉为宜添加量为 2 0 。 2 2 锰渣粉含量对烧结成品吸水率的影响 根据国家标准吸水率衡量陶瓷性能的重要指 标 ， 制品成分配 比合理、 烧结程度好 ， 其 吸水率较 低表现出制品 的硬度大。实验原 料 中分别添加 1 0 、 1 5 、 2 0 、 2 5 、 3 0 的锰渣粉 ， 烧结成 品 后抛光打磨 ， 进行吸水率测试 ， 结果如图 4所示。 ： 0 7 0 6 图4 锰渣粉含量对烧结成品吸水率的影响 F i g 4 E f f e c t o f ma n g a n e s e s l a g p o wd e r c o n t e n t o n t h e wa t e r a b s o r p t i o n r a t e of the s i n t e r e d p r o d u c t 由图4不难得 出这样 的结论 ： 当锰渣加入量 低于 2 0 时 ， 陶瓷制成品 的吸水率低 ， 产 品质量 好 ， 其吸水率符合国家标准， 这说明在原材料中加 入适量的锰渣 ， 可以降低原材料的烧结温度 ， 从而 提高瓷坯的烧结强度， 使密度增大， 吸水率减少 ； 相反， 会出现过烧现象 ， 产生的原因可能是加入的 锰渣有一部分与二氧化硅反应 ， 生成锰硅石并放 出气体 ， 造成样品空穴 ， 因此 ， 当锰渣含量等于或 超过 4 0 时， 烧结陶瓷的密度明显下 降， 相对应 的孔隙率增加 ， 使得制品的吸水率上升硬度下降 、 品质降低。 2 3 锰渣粉含量对烧结成品抗弯强度的影响 抗弯强度是陶瓷性能另一项重要指标， 优质陶 瓷烧结程度好 ， 制品硬度高、 其抗弯强度高， 吸水率 低。实验原料 中分别添加 1 0 、 1 5 、 2 0 、 2 5 、 3 0 的锰渣粉 ， 烧结成品后抛光打磨， 进行抗弯强 度测试 ， 通过数显陶瓷抗折仪 ， 将夹具跨距设定为 3 0 m m， 速度为1 m m m i n ， 对加入锰渣后生产 的制 品试样进行抗弯强度试验， 抗弯强度随加入锰渣含 量的变化而产生变化 ， 变化曲线如图5所示。 由图 5可以看 出： 陶瓷样品的抗弯强度基本 锰渣粉含量 图 5 锰渣粉含量对烧结成品抗 弯强度 的影 响 F i g 5 E f f e c t of ma n g a n e s e s l a g p o wd e r c o n t e n t o n t h e b e n d i n g s t r e n g t h o f t h e s i n t e r i n g p r o d u c t 上随着锰渣含量 的增加而降低 ， 当锰渣含量超过 2 5 时， 耐弯强度小 于3 0 M P a ， 小 于优 质瓷砖指 标要求 ， 随后呈现递减的现象。 2 4 煅烧温度对烧结成品耐折强度的影响 实验分 别设 置 马弗 炉温 度7 5 0 o C、 8 0 0 、 8 5 0 o C， 分析不 同锰渣含量在各 温度 区间烧结样 品的抗折强度 ， 如图 6所示 。 c 。 莹 骥 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 O 3 5 4 0 锰渣粉含量 图 6不 I司温度 F 锰渣粉含量对烧结成品 耐折强度的影响 F i g 6 Ef f e c t o f ma n g a n e s e s l a g p o wde r o n f o l d i n g e n d u r a n c e s t r e n gth o f s i n t e r i n g p r o d u c t a t d i f f e r e n t t e mpe r a t u r e 从图 6可以看 出， 同一温度下 随锰渣粉添加 量的增加样 品的抗 折强度均呈现不 同程度地增 加 ， 8 0 0的抗折强度曲线变化 比较大 ， 特别是锰 渣含量超过 2 5 时 ， 其抗折强度变化很大； 8 5 0 抗折强度曲线变化较为平缓 ， 在锰渣粉各 含量之 中， 其抗折 强度均大 于2 0 MP a ， 上述数据说 明样 品在8 5 0 o C烧结时 比在7 5 0 和8 0 0 o C烧结 时制 品的抗折强度都要好。 2 5 烧结气体介质对产品性能的影响 不同的烧结气体直接影响着烧结产品的质 ( 下转第 5 7页) 们 加 0 B d 越骥 第4期 王文治， 等 使用转矩流变仪评价 P V C的熔合度( 凝胶化度) 5 7 m o 1 S C I 一P h y s ， 1 9 7 5 ， B 1 1 ( 2 ) ： 2 5 1 2 7 9 4 L o u i s e A n n e F i l l o t ， C a t h e ri n e G a u t h i e r ， K a r i n e Ma s e n e l l i Va r 】 o t U PVC Ge l a t i on Le v e l As s e s s me n t Pa r t 1：Co m p a r i s o n o f D i ff e r e n t T e c h n i q u e s J V i n y 1 A d d i t i v e Te c h no 1 ， 2 0 06： 9 81 0 7 5 M G l i b e r t ， D A H e m s l e y a n d A M i a d o n y e A s s e s s m e n t o f f u s i o n i n P V C J C o m p o u n d s ， P l a s t R u b b e r s P r o c e s s A p p 1 ， 1 9 8 3 ( 3 ) ： 3 4 33 5 1 6 E l v i r a B ， R a b i n o v i t c h ， J a m e s W S u m m e r s P o l y ( V i n y l C h l o ri d e )P r o c e s s i n g Mo r p h o l o g y J V i n y l T E C HN O L 1 9 8 0 ， 2 ， ( 3 ) ： 1 6 51 6 8 7J o l a n t a T o m a s z e w s k a ，T o ma s z S t e r z y n s k i ，K a z i m i e r z P i s z c z e k R i g i d P o l y ( V i n y l C h l o ri d e ) ( P V C) G e l a t i o n i n t h e B r a b e n d e r Me a s u rin g Mi x e r I Eq u i l i b ri u m S t a t e B e t w e e n S l i d i n g ， B r e a k i n g ， a n d G e l a t i o n o f P V C J A p p l i P o l y m S c i ， 2 0 0 4 ( 9 3 ) ： 9 6 6 9 7 1 8J o l a n t a T o m a s z e w s k a ， T o m a s z S t e r z y n s k i ， K a z i m i e r z P i s z c z e k R i g i d P o l y ( v i n y l c h l o ri d e ) ( P V C ) G e l i o n i n t h e B r a b e n d e r Me a s u rin g Mi x e r I I De s c rip t i o n o f P V C G e l a - t i o n i n t h e T o r q u e I n fl e c t i o n P o i n t J A p p l i P o l y m S c i ， 2 0 0 7 ( 1 0 3 ) ： 3 6 8 8 3 6 9 3 9J o l a n t a T o m a s z e w s k a ，T o m a s z S t e r z y n s k i ，K a z i m i e r z P i s z c z e k R i g i d P o l y ( v i n y l c h l o ri d e ) G e l a t i o n i n a B r a b e n d e r Me a s u ri n g Mi x e r I I I T r a n s f o r ma t i o n i n t h e T o r q u e Ma x i mu m， J A p p l i P o l y m S c i ， 2 0 0 7( 1 0 6) ： 31 5831 6 4 1 0 P B e n j a mi n T h e I n f l u n c e o f t h e E x t r u s i o n P r o c e s s o n t h e Q u a l i t y o f U n p l a s t i c i z e d P o l y v i n y l C h l o ri d e ( U P V C) P r e s s u r e P i p e J V i n y l T e c h ， 1 9 8 0 ， 2 ( 4 ) ： 2 5 42 5 8 1 1 V a n s p e y b r o e c k ， P ， D e w i l d e A D e t e rmi n a t i o n o f t h e D e g r e e o f G e l a t i o n o f P V C U U s i n g a D S C C I n ： P r o c P1 a s t i c s Pi pe s XI I ， Ba v e n o， 2 0 04 一 ， - ， ， ， 、 ， 。 、 ， 一 ， 。 ， 一 ， ， 、 ， ， ( 上接 第5 O页) 量 ， 实验通过选择氮气、 空气作为加热介质 ， 分析 不 同烧结气体对不同锰渣粉含量的制品的抗折强 度 的影响 ， 结果如图 7所示。 莹 骠 锰渣粉含量 图7 不同气体介质中锰渣粉含量对烧结成品 耐折强度的影响 Fi g 7 Ef f