陶瓷工艺学-第一章-原料

第一章原料

原料分类

粘土类原料

石英类原料

长石类原料

其他矿物原料

第一节原料分类

粘土的成因与分类粘土的组成粘土的工艺性质粘土的加热变化粘土在陶瓷生产中的作用我国的粘土原料

第二节粘土类原料

一.粘土的成因与分类

粘土的成因

粘土的分类

粘土的主要矿物类型

SiO2

Na2OMgOAl2O3K2OFe2O3

Fe2O3CaO

P2O559.13.83.515.43.16.91.15.10.3

(一)粘土的成因

地球外壳的主要成分为硅酸盐，从地表至地下15km处的地层几乎是由各种硅酸盐矿物构成。其平均成分如下：单位:%

粘土的成因

例：

长石及绢云母转化为高岭石的反应大致如下：2KAlSi3O8+H2O+H2CO3=Al2SiO5(OH)4+4SiO2+K2CO3（钾长石）

（高岭石）Al2Si2O5(OH)4=Al2O3·nH2O

+SiO2·nH2O

（水铝石）（蛋白石）

CaAl2Si2O8+H2O+H2CO3

=Al2Si2O5(OH)4

+CaCO3

(钙长石)（高岭石）2[KAl3Si3O10(OH)2]+3H2O+H2CO3=3Al2Si2O5(OH)4+K2CO3

(绢云母)（高岭石）

(二)粘土的分类

按成因分类

按可塑性分类

按耐火度分类

按成因分类原生粘土次生粘土

按可塑性分类高可塑性粘土低可塑性粘土

按耐火度分类耐火粘土难熔粘土易熔粘土

(三)粘土的主要矿物类型

高岭石类

蒙脱石类

伊利石类

水铝英石类

高岭石化学式为：

Al2O3·2SiO2·2H2O质量分数：

Al2O3

SiO2H2O

39.53%46.51%13.96%晶体构造式：Al4

(Si4O10)(OH)8

图1-1高岭石晶体结构图

蒙脱石化学通式：Al2O3·4SiO2·nH2O（n通常＞2）晶体构造式：Al4(Si8O20)(OH)4·nH2O

图1-5蒙脱石晶体图

伊利石晶体结构式：

K2（Al,Fe,Mg）4（Si,Al）3O20（OH）4·nH2O

图1-6白云母晶体结构图

水铝英石

水铝英石的组成变动无常

n（SiO2）/n（Al2O3）

二.粘土的组成

矿物组成

化学组成

颗粒组成

矿物组成石英和母体残渣

碳酸盐及硫酸盐类铁和钛的化合物

有机杂质

化学组成

颗粒组成

SiO2,Al2O3,H2O,K2O,Na2O,CaO,MgO,Fe2O3,TiO2

三.粘土的工艺性质

可塑性

结合性

离子交换性

触变性

干燥收缩和烧成收缩

烧结温度与烧结范围

耐火度

（一）可塑性

根据可塑性指数或可塑指标分为以下几类:强塑性粘土指数>15或指标>3.6;中塑性粘土指数7~15或指标2.5~3.6;弱塑性粘土指数1~7或指标<2.5;非塑性粘土指数<1

（二）结合性

粘土的结合性是指粘土能粘结一定细度的瘠性物料，形成可塑泥团并有一定干燥强度的性能。

（三）离子交换性粘土种类吸附离子种类阳离子阴离子高岭土高岭土类粘土伊利石类粘土叙永土膨润土3~99~2010~4015~4040~150——7~20————20~150单位：×10-1mmol/g

（四）触变性粘土泥浆或可塑泥团受到振动或搅拌时,粘度会降低而流动性增加,静置后逐渐恢复原状。此外，泥料放置一段时间后，在维持原有水分的情况下也会出现变稠和固化现象，这种性质统称为触变性

（五）干燥收缩和烧成收缩粘土泥料干燥时，因包围在粘土颗粒间的水分蒸发，颗粒相互靠拢引起体积收缩，称为干燥收缩。粘土泥料在煅烧时，由于发生一系列的物理化学变化（如脱水作用，分解作用，莫来石的生成，易熔杂质的熔化，以及这些溶化物充满质点间空隙等等）因而粘土再度收缩，成为烧成收缩。这两种收缩构成粘土泥料的总收缩。

（六）烧结温度与烧结范围

（七）耐火度

四.粘土的加热变化

粘土在加热过程中的变化包括两个阶段:

脱水阶段

脱水后产物继续转化阶段

100~110℃

湿存水(大气吸附水)与自由水的排出110~400℃

其他矿物杂质带入水的排出(如多水高岭土中的部分水)400~450℃

结构水开始缓慢排出(两个—OH变为一个H2O排出，留下一个O）450~550℃

结构水快速排出550~800℃

脱水缓慢下来，到800℃时排水近于停滞800~1000℃

残余的水排出完毕（一）脱水阶段：以高岭土为例,其脱水过程如下:

粘土脱水时失去部分质量，并产生吸热效应图1-9示出几种粘土的典型差热曲线（A）和失去部分质量曲线（B）

粘土脱水后均变为脱水产物:

（二）脱水后产物继续转化阶段

五.粘土在陶瓷生产中的作用

粘土的可塑性是陶瓷坯泥赖以成型的基础粘土使注浆泥料与釉料具有悬浮性与稳定性粘土一般呈细分散颗粒，同时具有结合性

粘土是陶瓷坯体烧结时的主体，粘土中的

Al2O3含量和杂质含量是决定陶瓷坯体的烧结程度、烧结温度

和软化温度的主要因素。也可以说，粘土的种类是确定生产何种陶瓷制品品种的主要根据粘土是形成陶器主体结构和瓷器中莫来石晶体的主要来源

六.我国的粘土原料东北地区华东地区内蒙古地区华北地区中南地区

石英的种类和性质

石英的晶形转化

石英在陶瓷生产中的作用

第三节石英类原料

一.石英的种类：自然界中的二氧化硅结晶矿物统称为石英，其中纯度最高的成为水晶脉石英砂岩石英岩石英砂燧石硅藻石（一）石英的种类和性质

石英是具有强耐酸侵蚀力的酸性氧化物，除氢氟酸外，一般酸类对它都不产生作用。当石英与碱性物质接触时，则能反应而生成可溶性的硅酸盐。在高温中与碱金属氧化物作用生成硅酸盐与玻璃态物质。二.石英原料的性质

石英相对密度和比容晶形相对密度比容

α-石英

β-石英

α-鳞石英

β-鳞石英

γ-鳞石英

α-方石英

β-方石英石英玻璃2.5332.652.2282.2422.772.2292.33~2.342.210.39390.37730.44880.44550.4405~0.42550.44860.4292~0.42740.4524

（二）石英的晶形转化α-石英α-鳞石英

α-方石英熔融态石英

573℃

β-石英

163℃

β-鳞石英

117℃

γ-鳞石英

β-方石英

180~270℃

石英玻璃

870℃

1470℃

1713℃

图1-11石英实际转化示意图

（三）石英在陶瓷生产中的作用

长石是陶瓷原料中最常见的熔剂性原料，在陶瓷生产中用作坯料、釉料、色料、熔剂等的基本组分，用量较大，是陶瓷三大原料之一

第四节长石类原料

长石的种类和一般性质

长石的熔融特性

长石在陶瓷生产中的作用

一.长石的种类和一般性质根据架状硅酸盐的结构特点,长石主要有四种基本类型:

钠长石(Ab)Na[AlSi3O6]

或Na2O·Al2O3·6SiO2钾长石(Or)K[AlSi3O8]

或K2O·Al2O3·6SiO2钙长石(An)Ca[Al2Si2O8]

或CaO·Al2O3·2SiO2钡长石(Cn)Ba[Al2Si2O8]

或BaO·Al2O3·2SiO2

二.长石的熔融特性理论上纯长石的熔融温度钾长石钠长石钙长石钡长石

1150℃

1100℃

1550℃

1715℃钾长石钠长石钙长石1130~1450℃1120~1250℃1250~1550℃实际熔融范围

钾长石熔融→分解→玻璃态粘稠物

K2O·Al2O3·6SiO2→K2O·Al2O3·4SiO2+2SiO2(白榴子石)

三.长石在陶瓷生产中的作用

长石在陶瓷原料中是作为熔剂使用的，因而长石在陶瓷生产中的作用主要表现为它的熔融和熔化其他物质的性质。

被熔解的物质1300℃的溶解度1500℃的溶解度钾长石钠长石钾长石钠长石粘土分解产物石英15~205~1025~338~1540~5015~2560~7018~28长石熔体对粘土、石英的溶解度单位：%

含碱硅酸铝类

碱土硅酸盐类原料

碳酸盐类

钙的磷酸盐类

高铝质矿物原料

锆英石

工业废渣

第五节其他矿物原料

一.含碱硅酸铝类伟晶花岗岩霞石正长岩酸性玻璃熔岩锂质矿物原料

伟晶花岗岩SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOK2ONa2O灼减69.8915.082.502.070.664.294.730.54化学组成：单位：%

霞石正长岩

化学组成：SiO2TiO2P2O5Al2O3Fe2O3CaOMgOK2ONa2O灼减

1257.636.70.381.77—5.9023.922.700.963.600.8511.350.232.206.536.608.257.900.911.33单位：%化学组成

序号

酸性玻璃熔岩

SiO2Al2O3Fe2O3FeOCaOMgOMnOTiO2K2ONa2OP2O5灼减基性浮岩中性浮岩酸性浮岩50.0461.6668.3915.1515.6111.313.945.525.245.122.732.386.011.300.635.740.490.290.040.070.042.450.440.255.035.304.023.815.905.691.080.20——1.750.791.76浮岩化学组成

单位：%化学组成

类别

珍珠岩化学组成

SiO2Al2O3Fe2O3MgOCaONa2OK2OTiO2H2O68~759.0~14.00.9~4.00.4~1.01.0~2.02.5~5.01.5~4.50.13~0.23.0~6.0单位：%

锂质矿物原料

锂辉石结构式：LiAl(SiO3)2

理论化学组成：

Li2O8.20%

,

SiO2

64.58%

,

Al2O3

27.04%

锂云母构造式:Kli[Al(OHF)2]Al(SiO3)3

化学组成：Li2OSiO2Al2O3K2OH2O1.2~5.946.9~60.611.3~28.84.8~13.90.6~3.2单位：%

二.碱土硅酸盐类原料滑石蛇纹石硅灰石透辉石透闪石

滑石结晶构造式:Mg3[Si4O10](OH)2化学通式:3MgO·4SiO2·H2O理论化学式:MgO

31.88%,

SiO263.37%,

H2O4.74%加热：3MgO·4SiO2·H2O→3(MgO·SiO2)+SiO2+H2O

蛇纹石结晶构造式：

Mg3[Si2O5](OH)4化学通式:

3MgO·4SiO2·2H2O理论化学式:

MgO

43.0%,

SiO244.1%,H2O12.9%加热：3MgO·2SiO2·2H2O→2MgO·SiO2+MgO·SiO2+2H2O

镁橄榄石顽火辉石

硅灰石

化学通式:

CaO·SiO2

理论化学式:

CaO

48.25%,

SiO2

51.75%

硅灰石的化学组成产地SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOK2ONa2OTiO2灼减江西上饶湖北小贡十福建漳州吉林四平江西新余湖南长宁51.2650.2348.4744.3452.2951.320.610.460.811.410.835.290.500.820.150.140.501.4141.4244.9045.8645.9442.6538.910.861.001.660.911.531.240.08——0.09————0.870.02——0.10——0.20.32——0.01————————5.262.472.877.252.320.63单位：%

透辉石结构式：CaMg[Si2O6]理论化学式:CaO

25.9%，

MgO

18.5%，SiO255.6%透辉石化学组成：产地SiO2CaOMgOK2ONa2OAl2O3TiO2Fe2O3

FeO灼减江西新余青海平安54.1150.2821.3622.5220.2013.670.810.690.100.591.514.280.04—0.546.784.49—0.840.44单位：%

透闪石结构式：Ca2Mg5[Si4O11]2（OH）2理论化学式:

CaO

13.8%，MgO

24.6%，SiO2

58.8%，H2O2.8%,

FeO

3%透闪石化学组成：产地SiO2Al2O3Fe2O3FeOTiO2CaOMgO

K2ONa2O灼减湖北吉林陕西56.6151.5953.361.650.573.400.150.010.74——0.01——————0.0215.2412.2313.1023.5325.9923.740.170.120.490.160.100.532.519.271.09单位：%

三.碳酸盐类方解石白云石菱镁矿

方解石理论组成：CaO

56%,

CO244%方解石的化学组成：CaOCO2MgOSiO2Fe2O3Al2O3四川泸州贵州贵阳陕西陇县辽宁本溪54.5656.2955.8755.2843.6242.1743.2843.300.88——0.270.10——1.000.381.28————0.090.08————0.100.62组成产地单位：%

白云石化学通式：CaMg(CO3)2理论组成：CaO

30.41%，

MgO

21.87%

m（CaO）/m（MgO）=1.39白云石化学组成：CaOCO2MgOSiO2Fe2O3Al2O3北京辽宁大石桥山西四川河北玉田27.6125.2728~2930.7130.5124.3325.5317~1921.1921.541.520.55＜21.360.500.070.952~30.480.060.570.952~30.480.2145.1247.08——46.1946.88组成产地单位：%

白云石加热分解：

CaMg(CO3)2

MgO+CaCO3+CO2

CaCO3CaO+CO2730~760℃880~940℃

菱镁矿化学通式：MgCO3理论化学组成：MgO

47.82%，

CO2

52.17%菱镁矿加热分解：

MgCO3MgO+CO2

四.钙的磷酸盐类骨灰磷灰石

骨灰结构式:Ca10(PO4)6(OH)2

或:Ca4(PO4)2(HPO4)0·4(CO3)0·6骨灰的化学组成：产地P2O5CaOSiO2Al2O3K2ONa2O其他唐山第一瓷厂唐山第一瓷厂瑞典英国46.4944.1041.1040.5051.9053.1054.556.00.400.440.450.500.130.190.130.200.240.130.300.100.181.211.600.860.660.831.851.82单位：%

磷灰石化学式：Ca5[PO4]3(F,Cl,OH)

五.高铝质矿物原料高铝矾土硅线石

高铝矾土主要矿物组成:

水铝石(α-Al2O3·H2O)&高岭石(Al2O3·2SiO2·2H2O)

（1）分解阶段:α-Al2O3·H2O→α-Al2O3·2SiO2+H2O（400~500℃）3（Al2O3·2SiO2·2H2O）→3（Al2O3·2SiO2）+6H2O↑（刚玉假相）＞950℃3Al2O3·2SiO2+SiO2

（2）二次莫来石化阶段：3（Al2O3·2SiO2·2H2O）→3Al2O3·2SiO2+4SiO2+6H2O↑

6（Al2O3·H2O）→6Al2O3+6H2O↑

6Al2O3+4SiO2→2（3Al2O3·2SiO2）（二次莫来石）（一次莫来石）

（3）重结晶烧结阶段：

硅线石化学通式：Al2O3·SiO2理论组成：Al2O362.9%

，SiO237.1%硅线石类矿物的物理化学性质：原料名称晶系晶状硬度相对密度硅线石蓝晶石红柱石斜方三斜斜方针状、纤维状刃片状柱状6~74.7~77~7.53.2~3.253.5~3.63.1~3.2

我国一些地区硅线石类矿床的化学组成：产地Al2O3SiO2TiO2Fe2O3ROR2O灼减料别黑龙江鸡西59.5838.300.240.610.110.260.64硅线石精矿河南镇平57.0533.193.215.37———硅线石精矿福建莆田54.8039.832.600.590.120.051.28硅线石精矿内蒙古土贵乌拉56.5637.980.031.680.210.09—硅线石精矿吉林二道甸子56.8838.600.171.181.850.800.28红柱石精矿河北邢台58.7236.770.201.440.390.39—蓝晶石精矿单位：%

六.锆英石化学通式:

ZrSiO4

理论组成:

ZrO267.2%,SiO232.8%

各国锆英石矿积矿床的化学组成：产地ZrO2SiO2Al2O3Fe2O3TiO2CaOMgONa2OK2O灼减中国66.2532.500.370.160.330.050.020.010.010.30澳大利亚（东部）67.0232.380.250.070.080.010.010.010.010.16澳大利亚（西部）65.3733.420.620.060.290.050.010.060.020.24印度67.2731.980.200.080.130.03___0.24斯里兰卡66.2832.760.340.120.300.020.010.020.010.14马来西亚68.9026.021.590.571.920.170.040.090.060.44美国62.5035.000.120.101.750.100.100.05单位：%

七.工业废渣磷矿渣高炉矿渣萤石矿渣辉绿岩粉煤灰煤矸石高岭土与瓷石尾砂

磷矿渣化学成分:SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOK2ONa2OP2O5SO3灼减44.08%0.47%0.49%43.66%0.68%0.96%0.32%0.96%0.08%1.25%

高炉矿渣化学成分：

CaO，SiO2，Al2O3高炉矿渣的化学组成：矿渣类型SiO2Al2O3FeOCaOMgOSMnO铸铁矿渣铸铁矿渣铸铁矿渣炼钢矿渣炼钢矿渣41.6837.6830.6337.8324.667.178.0115.4611.6819.040.240.600.790.690.5643.6145.6441.3540.7143.225.995.949.027.9010.071.161.531.920.992.110.150.600.650.200.34单位：%

萤石矿渣化学组成：SiO2Al2O3Fe2O3

CaO

MgOSO342.76%7.58%1.02%38.97%2.82%0.20%K2ONa2OTiO2P2O5F灼减1.10%0.44%0.12%1.69%2.00%1.36%

辉绿岩辉绿岩的化学组成：产地SiO2Al2O3Fe2O3FeOCaOMgOK2ONa2O灼减北京西山51.