工艺技术_玻璃陶瓷工艺学课件

第三章坯料的制备 本章的主要内容 1 掌握各种坯料的质量要求 2 了解几种典型坯料的制备工艺流程 3 掌握坯料制备中主要工序的作用 第一节坯料的种类和质量要求 一 坯料的种类按成型方法分为 可塑坯料含水率18 25 注浆坯料含水率28 35 压制坯料含水率8 15 的半干压粉料3 7 的干压粉料 坯料是指陶瓷原料经过配料和加工后 具有成形性能的多组分混合物 二 坯料的质量要求 1 配方准确 准确称量 加工过程中避免杂质混入 2 组分均匀 坯料中各种组分 包括主要原料 水分 添加剂等都应均匀分布 3 细度合理 各组分的颗粒达到一定细度 并具有合理的粒度分布 4 空气含量少 一 可塑坯料 良好的可塑性 细度要求通过万孔筛 筛余0 2 1 含水量适当 不同的成型方法 产品种类不同 含水量不同 坯体的干燥强度高收缩率小 二 注浆坯料 流动性要好 保证产品造型完全和浇注速度 悬浮稳定性好 料浆久置 固体颗粒长期悬浮不致分层沉淀 触变性适当 滤过性要好 水分在石膏模的压力下容易扩散 迁移 在短时间内成坯 泥浆含水量要少 保证流动性的同时 减少水量 缩短注浆时间 减少坯体干燥收缩 6 形成的坯体有一定的强度 湿坯和干燥后坯体 7 空浆性能好 生产中控制泥浆性能的参数 细度流动性测定泥浆粘度 恩氏粘度计 比重 相对密度 一般粘土质坯料1 65 1 85厚化系数 稠化度 PH值一般8 9温度 三 压制坯料 流动性好 填充模具的能力 堆积密度大 堆积密度大 形成的空隙率低 坯体密度高 含水率适当 水分均匀 4 合理的颗粒细度及粒度分布 团粒 干压粉料的粒度包括坯料的颗粒细度和造粒后的团料 假颗粒 大小 它们都直接影响坯体的致密度 收缩和强度 坯料细度一般控制在6400孔 cm2 筛余0 5 1 粉料团粒是由许多坯料颗粒 水和空气所组成的集合体 其大小与坯体的尺寸相关 一般团粒大小在0 25 2mm之间 最大的团粒不可超过坯体厚度的1 7 团粒的形状以接近圆球状为宜 粒度分布是指粉料中不同粒级所占的重量百分数 要求团粒有适当的颗粒级配 即有适当比例的粗 中 细颗粒 这样可减少粉料堆积时的孔隙率 提高自由堆积密度 有利于提高成形时粉料的初始密度以及坯体的致密度 一 原料的预处理二 原料的破粉碎三 过筛 除铁四 泥浆的脱水五 练泥 陈腐 第二节坯料制备的主要工序 压滤 喷雾干燥 第三节坯料制备的主要工序 一 原料的精选原料的精选 主要是对原料进行分离 提纯 除去原料中的各种杂质 尤其是铁的杂质 使之在化学组成 矿物组成 颗粒组成上更符合制品的质量要求 1 拣选或清洗可塑性原料可根据外观进行手选 剔除与主要矿物呈色有显著差异的部分 此外 还应剔除原料开采和运输过程中混入的杂质 如草木悄 砂石 呈色泥土等 长石 石英等硬质原料也可根据外观拣选 除去含铁较多 呈棕红色和有熔疤的部分 必要时还要洗涤以除去泥砂及表面污物 2 粘土原料的精选随着生产的发展 对粘土原料的产量和质量要求不断提高 原矿的精选就显得更为突出 常用以下几种精选方法除去原料中的母岩 砂砾等杂质矿物及铁钛杂质 1 淘洗法 水簸法 2 水力旋流分离法3 浮选法 淘洗法是根据细粒的霸土与粗粒的杂质悬浮在水中时具有不同的沉降速度的原理来进行的 淘洗系统一般是内粉碎机 搅拌机 除砂机 沉淀池与压滤机等组成 淘洗时按下列步骤操作 木屑 树皮 杂草粗粒杂质沉淀大块粘土粉碎粗筛与水混合 搅拌池 过筛沉淀粗粒杂质 除砂沟 泥浆澄清 沉淀池 泥浆脱水干燥 3 水的处理及对坯料制品性能的影响1一般要求水中的Ca2 Mg2 10 15ppm SO42 10ppm 影响泥浆稳定性 除Ca2 Mg2 可用离子交换将水软化 添加剂 PO43 将Ca2 Mg2 Fe3 沉淀除SO42 加Ba2 2水的PH值PH 6 0 8 5范围内 中性水 3磁化水 使泥浆水化膜减薄 颗粒间易靠拢 聚集 提高强度 二 原料预烧 1 稳定晶型 工业氧化铝的主晶相是 Al2O3 通过预烧1300 1600 得到高温稳定的 Al2O3 氧化钛用于电容器陶瓷时 预烧使其转化为金红石相 2 改变物性 破坏滑石的片状结构 1300 1450 石英的破粉碎 900 减少粘土的干燥收缩 700 900 氧化锌的活性 缩釉 1250 三 原料的合成 1固相法 烧结法特点是 反应体系的不均匀性 2液相法 熔液法 原料混合加热至熔融 溶液法 排除溶剂 包括喷雾干燥和冷冻干燥法沉淀法 共沉淀 均相沉淀 醇盐法溶胶 凝胶法 3气相法1 蒸发凝聚 等离子体蒸发 物理方法 2 气相反应 化学气相沉积 四 原料的粉碎 1 目的意义 使坯料具备必要的成型性能 如流动性 悬浮性 可塑性等等 提高坯料的活性 使制品的烧成温度降低 致密度提高 材料性能得到改善 2 粉碎的方法陶瓷粉料的制备分为化学制粉和机械制粉两种 机械制粉即粉碎的方法 将机械能转变为粉料的表面能 一般粉碎的粒度下限约为10 7 0 1 m 其特点是 设备定型化 产量大 容易操作 粒度达不到化学法制备粉料的细度 10 10m 块度较大的原料 一般先粗碎至4 5cm 再中碎至0 3 0 5mm 然后进入细碎设备 陶瓷工业中普遍采用间歇式球磨机 常用的机械粉碎方法 1 球磨粉碎 筒体带研磨体旋转 研磨体冲击 研磨粉料2 振动粉碎 研磨体在磨机内作高频振动 研磨体作激烈的循环运动冲击物体3 气流粉碎 利用高压气体作介质 物料受撞击 磨擦 剪切作用 不需固体研磨介质4 搅拌磨粉碎 摩擦磨 磨球体之间 球壁之间产生剧烈的摩擦 滚碾作用 影响球磨效率的因素 球磨机转速 当有效内径D 1 25m时 n 35 DD 1 25m时 n 40 D 研磨体的比重 大小 形状 大研磨体 冲击作用大 小研磨体 比表面积大 与物料的接触面积大 研磨效率较高 大小不同研磨体合理配合 具有较大的堆积密度 从而可得到较好的研磨效果 实践表明 当大球 70 100mm 中球 50 70mm 和小球 30 50mm 的比例为1 2 7时效率最高 研磨体形状 圆棒形 圆棒形较球形大 对物料研磨作用大 且又有一定的撞击作用 对提高球磨效率有利 研磨体可用鹅卵石或瓷质材料 高铝质瓷料制成的研磨体密度大 在相同吨位的磨机中相对地可多装原料 粉磨时冲击力也大 本身磨耗小 有条件时可自制高铝质瓷棒作研磨作用 球磨方式 加料粒度干磨与湿磨球磨机加料粒度2mm左右 装载量 料 球 水的比例 磨机中最适宜的装载量为全部容积的80 左右 机内加入的料 球 水总量应使磨机内容积留有1 5的空隙 球磨粉碎时 物料 研磨体与水的比例关系对研磨效率有很大影响 坯料时 料 球 水的比例约为1 1 5 2 0 0 8 1 2 釉料时 料 球 水的比例约为1 2 3 2 7 0 4 0 6 装料方式当原料易磨程度不一时 可先将难磨的硬质原料 如石英 长石和瓷石 加少量粘土作悬浮料先粉磨若干小时 然后再加软质粘土粉磨 这样可提高球磨效率和防止软质料过度粉碎 球磨机直径自90年代后期以来 球磨机大型化的趋势十分突出 这种大型细磨设备使单机装载量大大提高 能降低单位功耗 节省占地面积和基础投次 减少生产费用 但选用时 必须考虑到工厂的生产规模 动力来源和设备运输条件等因素 球磨机内衬的材质为避免铁质污染坯料 球磨机筒体要砌制内衬 采用燧石作内衬时 壁厚占据磨机的有效容积30 左右 现国内现国内已有厂家采用橡胶作内衬 噪音小 寿命长 并增大了有效容积 解凝剂或表面活性剂的影响研磨时 有的工厂加入解凝剂 又称表面活性剂 不仅可减少加水量 还能在物料颗粒表面形成一层胶粘吸附层 对颗粒表面的微裂纹发生劈尖作用 使粉碎容易进行 如加0 5 1 的亚硫酸盐纸浆废液或AlCl3 可提高粉磨效率30 左右 还有资料介绍 把鞣型减水剂 AST 与Na2CO3复合使用 也可获得良好的经济效果 助磨剂 提高粉碎效率 多为表面活性物质 含亲水基团和憎水基团 起吸附作用 进入粒子的微裂缝中 破坏键力 提高研磨效率 防止表面粘附 液体助磨剂 醇类 甲醇 丙三醇 胺类 三乙醇胺 三异丙醇胺 酸类 油酸气体助磨剂 丙酮 惰性气体固体助磨剂 硬脂酸钠钙 硬脂酸 滑石粉粉碎酸性物质 碱性表面活性物质 羧甲基纤维素 如SiO2TiO2CoO2粉碎碱性物质 酸性表面活性物质 脂肪酸 石蜡 如Ca Ba 钛酸盐 镁质铝硅酸盐 五 除铁 过筛 搅拌 一 除铁泥浆的除铁十分重要 其目的是为了清除产品的铁质斑点 提高产品的白度与透光性 含铁杂质可分为含铁矿物 氧化铁和金属铁 其来源 原矿中的含铁矿物 磁铁矿 赤铁矿 褐铁矿与菱铁矿等 坯料制备和输送过程中混入的 含铁矿物有不同的磁场效应 磁化率越大 磁场对其所起作用越强 磁选除铁效果愈好 按其磁化率一般可分为以下4类类别单位磁化率矿物强磁性 3000 10 6金属铁 磁铁矿中磁性300 3000 10 6钛铁矿 赤铁矿弱磁性25 300 10 6褐铁矿 菱铁矿非磁性 25 10 6黄铁矿目前制备坯料 一般采用湿法磁选机除铁 这只能除去强磁性铁质 磁选分离器有磁式和电磁式 大部分工厂均采用多级磁选机除铁或将电磁铁和永久磁铁共同串联使有 二 过筛筛除原料运行和加工过程中混入的一些有害杂质 如木屑 硬泥块 铁屑及原料本身夹杂的白云母等 粗磨后过筛能使筛下物料颗粒适合下一工序的需要 磨细后的泥浆和釉浆都要经过二次或多次过筛 除去粗粒物料及混入的杂质 以保证工艺性能和提高产品质量 振动筛 惯性振动筛 偏心振动筛 电磁振动筛 摇动筛六角旋转筛 三 搅拌1 目的使成分 颗粒大小均匀 气体排出 陈腐 有机物分解 2 方法采用六角形或八角形锥底泥浆池 涡轮式 螺旋式或框式搅拌机 六 泥浆的脱水目的 湿法粉碎得到的泥浆 其含水率约为60 左右 不能直接用于成型 需要经过脱水处理 方法 生产中 泥浆脱水的方法主要有两种 机械脱水 可得到含水率为20 25 的坯料 热风脱水 可得到含水率在8 以下的坯料 一 机械脱水1 设备 间歇式压滤机 压滤机是一种压力法过滤脱水设备 其工作原理是利用一种具有很多毛细孔的物体作介质 在外力作用下 使泥浆中的水从毛细孔中通过 将固体颗粒截留住 制得含水分23 左右的泥饼 板框式滤机的滤板为圆形或方形 表面呈波纹状多由铸铁制成 为避免铁质对坯料的污染 已逐渐采用工程塑料 不锈钢 铝合金或玻璃钢制造滤板 还可以在铸铁滤板表面涂覆树脂 滤布过去采用帆布 现在普遍采有尼龙布 后者易洗涤 使用寿命长 滤板压紧和卸开多为机械操作 国外已使用半自动或自动压滤机 压滤机顶部或侧面装有控制滤板开启和闭合的定时装置 通过压缩空气将泥饼卸落 国内也试制了全自动和半自动的压滤机 生产率高 劳动强度低 2 压滤工艺 初期用低压 约0 3 0 4Mpa 以后压力逐渐升高 最高压力一般为0 8 1 5Mpa 周期约为1 2h 国外高压压滤机 最高压力7 5Mpa 压滤周期15 40min 泥饼水分15 5 3 影响压滤效率的因素 压力大小 加压方式 泥浆的温度和比重 泥浆的性质 二 热分脱水 喷雾干燥 1 工艺过程 泥浆雾化细滴粉料热风 400 500 含水量在8 以下 具有一定粒度的球形粉料 所以喷雾干燥既是一个脱水的过程 又是一个造粒的过程 物料 热气流的流向 逆流式和顺流式 2 分类 压力式喷雾干燥系统离心式喷雾干燥系统 可以连续生产 并能与上下工序联动 组成自动生产线 工艺强度大大减轻 所得粉料流动性好 质量容易控制 能够较好满足压制成型的需要 干燥与造粒同时完成 速度快 产量大 适于大规模生产 如4000型 每小时蒸发水量4000kg 每天可生产110 216t粉料 含水率6 雾化喷嘴数达21 24个 喷雾干燥制粉优点 喷雾干燥粉料粒度控制泥浆含水率含水率大则粉料粒度小 进塔泥浆压力泥浆压力大 雾化颗粒小 所得粉料细 喷嘴孔径孔径大 则粉料颗粒粗 漩涡板厚度厚度大 流道断面大 喷浆量增加 粉料颗粒粗 喷雾干燥粉料含水率过高时控制方法提高进塔热风温度一般450 600 不超过650 增加进风量风量大则流速高 对流干燥加快适当调整进塔泥浆压力适当降低进塔泥浆含水率进风湿度降低 对流干燥加快 所得粉料含水率低 七 陈腐和练泥 一 陈腐作用 1 通过毛细管的作用 使坯料中水分分布均匀 2 粘土水化 发生离子交换 有机物发酵或腐烂 变成腐植酸类物质 从而使坯料的可塑性提高 二 真空练泥作用 1 使水分和固体颗粒分布更加均匀 2 降低泥料中空气的含量0 5 1 3 改善泥料的定向排列 真空练泥机的构造 影响练泥质量的因素有 泥料的水分从压滤机出来的泥饼常内外软硬不均 过硬不易被螺旋刀板切碎 会导致练泥机发热而影响真空度 过软又容易将真空室堵塞 软硬不一致的泥饼 练出的泥段也很难达到均一 泥料的温度泥料温度过高 水分容易汽化而影响真空度 过低时挤出的泥段容易产生层裂 根据经验 投入练泥机的泥饼或泥段的温度为15 30 夏季气温较高 泥饼或泥段温度应稍低 坯泥在练泥机中正常受热升温不应超过4 6 过热会降低泥料可塑性 加泥速度加泥量要根据练泥机容量大小及泥料性能来决定 加泥应均匀连续进行 不能太快或太慢 太快会使真空堵塞而影响真空度 太慢会出现泥段脱节 断裂等现象 真空度真空度对挤制泥段质量有很大影响 一般要求真空度控制在9 6 9 8 104Pa 影响真空度的因素很多 真空室个别部位漏气会使真空度明显下降 转动轴与填料接触处磨损 盖板或其它连接处密封不严等都会降低真空度 真空练泥机筛板槽孔偏大 切出的泥条偏厚 也会影响真空除气效果 此外 真空泵润滑油的稠度对真空度也有一定影响 为保证正常润滑作用 冬季润滑油使用温度应高于10 夏季应低于60 并在较高温度下不乳化 第三节坯料制备工艺流程 流程三 粉料进厂 称量配料 混合化浆 流程四 干粉湿混不球磨 石英长石硬质粘土软质粘土 煅烧洗选洗选拣选拣选 颚式破碎机破碎粗碎粗碎搅拌池加水化浆 雷蒙机细碎雷蒙机细碎雷蒙机细碎 干粉除铁干粉除铁干粉除铁 称量称量称量 干混加泥浆湿混双轴搅拌机真空练泥陈腐真空练泥塑性坯料 日本坯料制备工艺流程 日本坯料制备工艺流程 二 注浆坯料的制备 硬质粗料进厂软质粘土进厂硬质细料进厂 性能检测性能检测性能检测 料仓储存 均化料仓储存 均化料仓储存 均化 秤量 秤量 球磨到要求细度球磨2 3 泥浆均化 高速搅拌池 储浆池 混浆池 高位浆池 回坯泥回浆成形 卫生陶瓷工艺流程 硬质原料软质原料 原料堆场原料堆场 铲车铲车 粗碎粘土切片机 中碎陈腐料仓 贮仓物料称量 物料称量高速搅拌机 球磨过筛 过筛浆池 搅拌 浆池 搅拌 泥浆泵 泥浆泵容积配料泥浆泵 硬质原料块状进厂 粘土单独化浆 混合计量配料 注浆成型所用泥浆通常掺有部分回坯泥浆 由破损坯件 不合格半成品等废坯调制成 含有回坯的泥浆和新浆相比 其流动性 空浆性能及加工性能都有较大改善 半成品裂纹也大大减少 掺入量一般20 左右 三 压制粉料的制备 在陶瓷生产工艺流程中 为了提高泥料的成型性能 有利于生产线快速的工艺工序 提高产品质量与生产效率 一般采取的方法是在泥料中增加各种添加剂原料 主要分增塑剂与解凝剂两种 最近还出现了用于增白 增色等添加剂 尤其是在特种陶瓷生产中 往往需要各类粘性物质使坯体增塑 而这类添加剂的化学成分及其烧失率 直接关系到产品烧成后的质量 第四节调整坯料性能的添加剂 一 添加剂的种类1 解凝剂 稀释剂 改善泥浆的流动性 使其在低水分在情况下粘度适当便于浇注 主要有无机电解质 多用于粘土质泥浆 有机盐类或聚合电解质 用于粘土质或瘠性料浆 2 结合剂 提高可塑泥团的塑性 增强生坯强度 一类是粘合剂 常温下以坯料颗粒粘合在一起 具有成型能力 高温烧成时 发生挥发 分解 氧化等 多数是有机物及其溶液 另一类是粘结剂 常温下提高坯料塑性 高温下仍留在坯体内 多数为无机物质 如硅酸盐 磷酸盐等 3 润滑剂 用于提高粉料的润湿性 减少粉料与粉料之间以及粉料与模壁之间的摩擦力 以促进压制坯体密度的增大和均匀化 常用含极性官能团的有机物 一 增塑剂原料增塑剂主要用于增强陶瓷坯体可塑性能的物料 它们用量一般较低 仅占坯料总重量的百分之零点几 常用的增塑剂有腐植酸钠 各种淀粉 羟甲纤维素 聚乙烯醇及石蜡 骨胶等 有时也采用建材纤维废液或造纸浆液废料等 腐植酸钠 俗称胡敏酸钠 屈腐植酸的钠盐 其外观呈胶体或黑色粉末状 一般采用泥炭 褐煤或某些土壤与烧碱溶液作用而制成 将腐植酸钠加入到陶瓷坯釉中 可以大大改善泥料的可塑性 泥浆流动性与悬浮性 并可增加坯体干燥强度 增加釉料的附着力与釉的干燥速度 减少釉面气孔与釉坯的开裂 此外 腐植酸钠对于石膏模具制作有明显的增强 增韧的效果 提高石膏模具的质量与使用寿命 腐植酸钠在坯体原料中添加量一般为1 3 在釉料中的添加量一般为0 1 0 5 在添加增塑剂后 应减少坯 釉料磨细加工中球磨内的水量 淀粉 植物淀粉属较强的增塑剂与塑化剂 它不仅可以提高坯料的可塑性 使瘠性物料塑化 增强坯体的干燥强度 而且能改善釉料的悬浮性与粘结性 但缺点是加入绽粉后的坯料干燥速度较慢 有时时间过久淀粉容易发酵变质 使物料产生异味 作为增塑剂 淀粉的使用方法是取适量并加入适量冷水 按料水比为2 5 100比例 搅拌均匀 然后加热熟化 再引入到坯 釉料中混合均匀 即可达到增塑目的 聚乙稀醇 简称PVA 属高分子化合物 外观为白色粉末絮状 可溶于水 乙醇 乙二醇 甘油等有机溶剂中 且具有粘性与强性 是轧膜成型中较多采用的有机塑化剂物料 使用PVA时 一般需预先加热到 左右 而且坯料中含有较多CaO ZnO BaO MgO B2O3及硼酸盐 磷酸盐时 PVA将难以发挥增塑作用 羧 羟 甲基纤维素 简称CMC 系采用碱纤维素和一氯乙酸在碱性溶液中生成 普通呈白色粉末 吸湿性强 能溶于水 而不溶于有机溶剂 羧甲基纤维素在烧后不能够全部挥发烧失 往往留有氧化钠或氯化钠在坯体中 对坯体发生一些不良影响 因此用量不宜过多 过多时则坯料泥浆中气泡增多 与羧甲基纤维素性能相似的还有甲基纤维素 它也是一种用于调节陶瓷原料塑性的增塑剂 石蜡 是一种熔点不同的碳氢化合物的混合物 呈白色固体状 熔点为50 左右 具有冷流性能 即在室温压力条件下可以流动 但在高温时呈热塑性 石蜡是工业陶瓷及特种陶瓷热压铸成型的常用塑化剂原料 使用石蜡时应将石蜡加热到60 80 之间 然后再与原料搅拌混合均匀 同时应加入少量表面活性剂物质 如油酸 蜂蜡及硬脂酸等 石蜡作为塑化剂不易挥发 其缺点是加入坯体中需经加热到一定温度时才能排除 因此 在工业瓷与特种陶瓷热铸成型后需要增加一个脱脂 亦称排蜡 的工序 并需严格控制烧成温度 二 解凝剂原料 亦称减水剂或絮凝剂 即指能够减少坯釉球磨时的用水量 增加料浆的流动性 降低泥浆粘度的物料 常用的减水剂有纯碱 水玻璃 腐植酸钠 鞣性减水剂 草酸钠 聚偏磷酸钠 焦磷酸钠 丹宁酸钠 橡胶烤胶 阿拉伯树脂等 水玻璃 Na2OnSiO2 即硅酸钠 又名泡花碱 含有水分时可用化学式Na2OnSiO2mH2O表示 分为固体与液体两种 陶瓷中均使用液体 液体水玻璃外观呈绿色或黄色 其技术参数常用模数表示 即Na