隋延力 王繼全 楊 芳 郭雷辰 黎邦城 林智靜 石 棋 毛少波(.新金屬材料國家重點(diǎn)實驗室，北京 0008；.北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 0008；.倫斯勒理工學(xué)院，紐約；.景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 0；.武漢鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 0080)

程潮鐵尾礦制備熔塊釉的方法與呈色機(jī)理研究

隋延力1王繼全1楊 芳2郭雷辰3黎邦城4林智靜4石 棋4毛少波5
(1.新金屬材料國家重點(diǎn)實驗室，北京 100083；2.北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083；3.倫斯勒理工學(xué)院，紐約；4.景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403；5.武漢鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430080)

在以程潮鐵尾礦為主要原料制得熔塊的基礎(chǔ)上，通過正交試驗研究了熔塊粉添加方解石、高嶺土和石英等陶瓷原料對熔塊釉性能的影響，確定了獲得最佳性能的純正熔塊黑釉所需添加方解石、高嶺土和石英的量；對影響釉面質(zhì)量的因素和熔塊釉呈色機(jī)理進(jìn)行了分析。試驗研究表明：方解石、高嶺土、石英的添加量分別占熔塊釉原料總質(zhì)量的7.5%、4%和6%時釉面綜合效果最佳，光吸收率為97%、光澤度為78%、莫氏硬度為6.1，符合GB/T 5003—1999標(biāo)準(zhǔn)要求。方解石具有降低釉的高溫黏度、提高釉面平整度與光澤度、通過降低釉的表面張力來增強(qiáng)坯與釉結(jié)合力的作用；高嶺土具有提高釉漿懸浮性和釉與坯浸潤性的效果；石英則可以提高釉的強(qiáng)度和硬度，且利于均勻發(fā)色。熔塊黑釉呈黑色主要是由于其生成了分布均勻且細(xì)小的磁鐵礦、鈣鐵輝石等黑色晶體。以程潮鐵尾礦為主要原料生產(chǎn)純正黑釉既是二次資源的高效利用，也可創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

程潮鐵尾礦 熔塊 黑釉 光吸收率 光澤度 莫氏硬度 呈色機(jī)理

黑釉陶瓷制品端莊、高貴，深受人們的喜愛。但黑釉一般都要用到價格昂貴的氧化鈷等作主要著色原料，故成本比較高[1-2]。鐵等元素在陶瓷釉質(zhì)中利于呈現(xiàn)黑色，曾有學(xué)者嘗試?yán)眠@一特點(diǎn)，以鐵尾礦為原料制備生料黑釉[3]，但終因原料成分復(fù)雜而未取得實質(zhì)性突破。

程潮鐵礦尾礦成分復(fù)雜，較高含量的SiO2可以保證釉面的硬度；所含鈣、鎂等堿土金屬元素不僅有助熔效果，而且可以提高釉面光澤度、改善釉面膨脹系數(shù)；所含鐵、錳[4]等過渡族元素可以提高吸光度，起到著色作用。因此，將嘗試以程潮鐵尾礦為主要原料，通過添加配合料和輔料，開展試制熔塊試驗，探索提升熔塊黑釉的穩(wěn)定性、滿足陶瓷釉面質(zhì)量要求的方法。

1 試驗原料

1.1 程潮鐵尾礦

程潮鐵尾礦取自武鋼程潮鐵礦尾礦庫，主要化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。

表1 程潮鐵尾礦主要化學(xué)成分分析結(jié)果
Table 1 Main chemical composites analysis of Chengchao iron ore tailings %

成 分含 量成 分含 量TFe7.66Na2O0.92Fe2O310.94MnO0.92MgO14.30SiO236.71CaO14.30Al2O39.00K2O1.70S3.55

1.2 輔 料

為了獲取較好性能的黑釉，所添加的輔料主要有鉀長石、鈉長石、硅灰石、方解石、高嶺土、石英，其主要化學(xué)成分見表2。

表2 輔料主要化學(xué)成分分析結(jié)果
Table 2 Main chemical composites of accessories %

輔 料各主要成分含量SiO2Al2O3Fe2O3TiO2CaOMgOK2ONa2O燒 失鉀長石62.2216.180.200.360.2317.182.740.89鈉長石63.9215.330.110.420.313.2315.431.25硅灰石52.290.830.5042.651.530.202.00方解石0.3855.870.3743.38高嶺土45.5535.993.251.230.300.1413.54石 英97.590.530.190.330.630.440.29

1.3 著色劑

著色劑TM為自制。為使釉色更純正，通過試驗選定某些成色金屬及其氧化物按一定的比例配制而成。

2 釉漿的制備與施釉方法

將干法球磨的鐵尾礦(過200目篩)與其他原料(鉀長石、納長石、硅灰石、著色劑)按一定質(zhì)量比混合后干法球磨至過200目篩，然后在1 280 ℃下熔融、水淬制得熔塊，將熔塊破碎、濕磨至過200目篩、干燥后與配料(方解石、高嶺土、石英)按一定的比例混合(各配料的添加量為與熔塊粉的質(zhì)量比)，加水在濃度為74%的情況下磨礦，過250目篩，調(diào)漿至1.5～1.6 g/cm3，經(jīng)陳腐得釉漿。

施釉采用浸釉法，厚度控制在0.8～1.0 mm，自然干燥，在氧化氣氛中進(jìn)行燒制，差熱試驗確定的燒結(jié)溫度為1 200～1 300 ℃，保溫時間為15 min。

3 配料方案正交試驗

用單一熔塊制成的釉漿直接施于坯體上，燒成的釉面呈灰黑色，暗淡無光，且縮釉嚴(yán)重。為改善釉面效果，提高釉面質(zhì)量，必須引入一定量的配料作為懸浮劑。由于試驗配料組分復(fù)雜，控制難度大，所以設(shè)計正交試驗來優(yōu)化配料添加量。

3.1 正交試驗水平安排

在前期試驗基礎(chǔ)上確定了3因素3水平正交試驗，3因素分別為方解石添加量(A)、高嶺土添加量(B)和石英添加量(C)，各水平具體取值見表3。

表3 正交試驗因素水平安排
Table 3 The factors and levels arrangement of orthogonal experiment %

水 平各因素取值A(chǔ)BC15.02027.543310.066

3.2 正交試驗結(jié)果

根據(jù)因素水平安排，按正交表L9(33)進(jìn)行正交試驗，試驗結(jié)果見表4(樣品綜合性能的定義：某組試驗的3項性能指標(biāo)與9組試驗中對應(yīng)性能指標(biāo)中的最高指標(biāo)比值的乘積)，表4中數(shù)據(jù)的極差分析結(jié)果見表5。

從表4可以看出，5號配方情況下的綜合性能指標(biāo)最高，達(dá)90.7%，對應(yīng)的吸光率為97%、光澤度為78%、莫氏硬度為6.1，分別處于對應(yīng)性能的最高、第4、第3水平，對應(yīng)的因素組合為A2B2C3，即方解石添加量為7.5%、高嶺土為4%和石英為6%。

從表5可以看出，各因素的優(yōu)化組合為A2B2C3，同樣也為5號配方的試驗指標(biāo)最好，這與表4的結(jié)果一致，對應(yīng)的光吸收率、光澤度和莫氏硬度性能均符合GB/T 5003—1999要求。

市場上的黑色釉料約20萬/t，而本試驗制備的無鈷黑色熔塊釉料成本僅1 355元/t，僅相當(dāng)于市場價的7%左右。

表4 正交試驗結(jié)果Table 4 The orthogonal experiment results

表5 正交試驗極差分析結(jié)果
Table 5 The range analysis result of orthogonal experiment %

因 素各水平下綜合性能指標(biāo)的平均值水平1水平2水平3極 差較優(yōu)水平A79.3388.7082.209.372B83.5384.7082.002.702C81.5782.6386.034.463

4 釉面質(zhì)量影響因素分析

4.1 原料成分的影響

不同原料情況下燒成的釉面效果見圖1。

圖1 釉面效果示意

4.1.1 鐵尾礦的影響

程潮鐵尾礦的主要化學(xué)成分均是陶瓷釉料的重要成分，可以用來制備陶瓷釉。其中鐵含量達(dá)7%以上，還含有微量的錳等可著色元素，適用于低成本黑色釉料的制備；鈣、鎂堿土金屬的含量較高，主要以白云母、石膏和方解石的形式存在，能夠顯著降低釉料的熔融溫度，擴(kuò)大燒成溫度范圍。

尾礦中含有的鈣鎂碳酸鹽、硫酸鹽、氧化鐵等，在高溫時會有大量的氣體放出，極易導(dǎo)致釉面出現(xiàn)氣泡、針孔等缺陷，不利于高質(zhì)量陶瓷釉的制備；尾礦中片狀結(jié)構(gòu)的云母不利于釉漿的穩(wěn)定懸浮，工藝性能差；碳酸鈣分解溫度為900 ℃、硫酸鈣分解溫度為1 350～1 400 ℃，但有液相存在時，分解溫度會大大降低。鐵尾礦的差熱分析結(jié)果顯示，通過在1 200 ℃以上對原料進(jìn)行熔融，使氣體釋放干凈，可以有效避免釉面氣泡、針眼等缺陷的產(chǎn)生。燒制過程中，碳酸鈣、硫酸鈣和氧化鐵分解釋氣反應(yīng)式為

CaCO3→CaO+ CO2(g)，

CaSO4·2H2O→CaO+SO2(g)+H2O，

Fe2O3→Fe3O4+O2(g).

試驗表明，程潮鐵尾礦用量占原料總質(zhì)量的45%左右時，熔塊的黑色較純正，用量過多或過少，熔塊均朝非黑色方向發(fā)展。尾礦熔塊黑釉呈黑色不僅與尾礦中的著色離子有關(guān)，還與長石、硅灰石和石英的用量密切相關(guān)，所以尾礦的用量是有限定的。從微觀結(jié)構(gòu)分析，釉體由玻璃相與晶相組成，無論是玻璃相本身呈黑色，還是晶體呈黑色，均對應(yīng)著適量的黑色著色元素。由熔塊直接燒成的釉面易產(chǎn)生縮釉，且光澤度和吸光度不夠，見圖1(a)所示。

4.1.2 方解石的影響

提高的方解石的用量，有利于釉面光澤度、光潤平整度的提高和縮釉問題的解決(圖1(b)縮釉現(xiàn)象明顯好于圖1(a))。這一方面因為方解石具有降低釉高溫黏度、提高流動性、使釉更均勻地覆蓋在坯體上[5]；另一方面，表面張力過大往往是引起縮釉的主要原因，而方解石在體系中具有有效降低釉表面張力的作用，因而可改善坯釉的結(jié)合性。

方解石含量對黑釉的成色也有較大影響，當(dāng)方解石含量超過7.5%時，釉色開始向茶色轉(zhuǎn)變，釉的透光性變大，色飽和度顯著降低。這主要有2方面的原因：其一，Ca2+與Fe2+、Mn2+等離子半徑、電負(fù)性等性質(zhì)相近，容易發(fā)生元素之間的取代，影響釉的發(fā)色；其二，Ca2+與釉中其他成分形成玻璃復(fù)合相，使釉朝透明方向發(fā)展。

4.1.3 高嶺土的影響

高嶺土一方面可提高釉漿的懸浮穩(wěn)定性，改善其工藝性能；另一方面可提高坯釉間的黏附力，改善釉料對坯體的潤濕性[6]，減少坯釉間封存的氣體量、燒后釉面的氣泡針孔和釉干燥收縮引起的縮釉缺陷。但高嶺土的加入不宜過多，當(dāng)用量超過4%后，釉面會粗糙無光，這主要是因為高嶺土的主要成分SiO2和Al2O3會顯著提高釉的熔融溫度，導(dǎo)致釉料生燒。熔塊復(fù)合添加適量方解石和高嶺土的釉面平整、光潤，如圖1(c)所示。

4.1.4 石英的影響

試驗結(jié)果表明，釉料添加石英可明顯提高釉面的硬度，這體現(xiàn)了石英對釉面起的主要作用。釉面硬度主要取決于釉層化學(xué)組成和顯微結(jié)構(gòu)，二氧化硅在釉中起網(wǎng)絡(luò)形成體的作用，高溫?zé)Y(jié)時石英黏度高且與其他組分的潤濕性好，這樣使各組分能緊密結(jié)合，從而賦予釉的高力學(xué)強(qiáng)度和硬度。一定量的石英熔融后與各成分間充分?jǐn)U散和結(jié)合，有助于釉的穩(wěn)定發(fā)色，且發(fā)色更加均勻。

4.2 燒制制度的影響

4.2.1 燒制溫度的影響

燒制溫度的確定對于陶瓷制品至關(guān)重要。尾礦的成分較為復(fù)雜，各成分的熔融溫度、分解溫度和各成分間的相互作用共同決定了熔塊的燒制溫度。陶瓷材料在某一高溫區(qū)域內(nèi)將達(dá)到氣孔最少、密度最高的最佳燒結(jié)狀態(tài)，此時為正燒；當(dāng)燒制過程尚未進(jìn)入該段高溫作用區(qū)域，釉中會因氣孔較多而不夠致密，且密度與溫度的發(fā)展變化具有正相關(guān)性，此時為生燒；而當(dāng)溫度超越該段區(qū)域，則已燒結(jié)的瓷體又會膨脹發(fā)泡，因而導(dǎo)致氣孔率增大，同樣在該階段密度與溫度的發(fā)展變化具有正相關(guān)性，此時為過燒[7]。

可見，正燒溫度范圍的確定是獲得低氣孔率和均勻一致的熔塊及熔塊釉的關(guān)鍵因素之一。對尾礦進(jìn)行差熱分析的結(jié)果綜合反應(yīng)了各因素對燒制溫度的影響，由結(jié)果可以確定，在燒制熔塊及熔塊釉時溫度應(yīng)控制在1 200～1 300 ℃。

4.2.2 燒制氣氛的影響

熔塊及熔塊釉需要在合適的氣氛內(nèi)燒制和融化，燒制氣氛分還原焰和氧化焰。

還原焰是不完全燃燒的火焰，這時窯中所產(chǎn)生的一氧化碳和氫氣多，沒有或只存在極少量的游離氧。由于還原焰能使坯體內(nèi)的高價鐵(Fe2O3)得到充分還原變?yōu)檠趸瘉嗚F(FeO)，使顏色變青，消滅瓷色發(fā)黃的現(xiàn)象，因此在日用瓷的燒窯過程中，多采用還原焰燒成。氧化焰是指燃料完全燃燒的火焰，火焰完全燃燒必須有大量空氣供給，這時窯中的氧氣充足，CO較少，此時可以將低價FeO轉(zhuǎn)化為黑色Fe3O4。

通過分析可見，在制備熔塊黑釉的過程中宜采用氧化焰，使Fe2O3轉(zhuǎn)化為Fe3O4，從而使釉整體呈黑色。

5 熔塊釉的呈色機(jī)理分析

利用程潮鐵尾礦制備熔塊黑釉主要利用尾礦中含有鐵、錳、銅等過渡族金屬元素，該族元素離子最外層軌道為d軌道，是一種非球體對稱軌道，外層電子很不穩(wěn)定，容易在不同能級的d軌道之間躍遷，吸收一定波長的光，其躍遷能在1～4eV之間，對應(yīng)的波長范圍剛好為可見光區(qū)，只要釉配方適當(dāng)，上述著色離子與釉中其他成分發(fā)生反應(yīng)形成的晶體基本上能將可見光全部吸收，使釉面呈現(xiàn)純黑色[8]。

5.1 熔塊黑釉的物相及微觀結(jié)構(gòu)分析

5號配方黑釉的XRD圖譜與掃描電鏡分析結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 黑釉的XRD圖譜

圖3 黑釉的微觀結(jié)構(gòu)

從圖2可以看出，黑釉的衍射峰十分平坦，沒有明顯的特征峰，說明釉為典型玻璃結(jié)構(gòu)，此時釉呈黑色主要是因為釉中的過渡族金屬離子在釉中均勻分布，每一種離子吸收不同波長的光，最終釉的顏色為不同離子吸收帶的疊加[9]，恰好能吸收全部可見光，最終使釉面呈黑色，為典型的離子著色。

從圖3可以看出，黑釉中主要為玻璃相，存在微量的晶體。由于晶體發(fā)育不完整，且數(shù)目極少，未能在XRD圖譜中出現(xiàn)峰值，但少量晶體的析出可能會影響釉的呈色[10]。

5.2 熔塊黑釉的晶化及分析

差熱試驗確定的5號配方黑釉適宜的晶化溫度在1 160 ℃附近，將樣品在該溫度下保溫1 h，讓其充分析晶后再自然冷卻，晶化黑釉的XRD圖譜與掃描電鏡分析結(jié)果如圖4、圖5所示。

從圖4可以看出，5號配方產(chǎn)品經(jīng)過晶化，開始出現(xiàn)明顯的衍射峰，可確定的晶相有石英、磁鐵礦、鈣鐵輝石，其中磁鐵礦、鈣鐵輝石分別呈棕黑或灰黑色，它們的析出有益于黑釉的呈色。

從圖5可以看出，晶化后的黑釉內(nèi)晶相數(shù)目變多，晶體變大，表現(xiàn)為乳濁失透釉，這些晶體主要為石英、磁鐵礦、鈣鐵輝石。

晶化前后樣品的比較可知，晶化處理后樣品的光吸收率略有增加，因此，釉面呈現(xiàn)黑色主要源于釉中過渡金屬離子對光線的吸收；另外，一定量晶體的析出也有助于黑釉的發(fā)色。

圖4 晶化后黑釉的XRD圖譜

圖5 晶化后黑釉的微觀結(jié)構(gòu)

6 結(jié) 論

(1)將程潮鐵尾礦和TM等為原料制成熔塊釉，可以有效克服鐵尾礦因含云母和揮發(fā)物較多等不利陶瓷釉料制備的因素。

(2)方解石、高嶺土、石英加入量分別為7.5%、4%和6%時釉面綜合效果最佳，此時光吸收率為97%，光澤度為78%，莫氏硬度為6.1，符合GB/T 5003—1999標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3)加入方解石可以降低釉的高溫黏度，使流動性增加，釉面更加平整有光澤，同時降低釉的表面張力，使坯和釉結(jié)合力增強(qiáng)，但方解石加入過多會使釉色向茶色轉(zhuǎn)變；加入高嶺土可以提高釉漿的懸浮性，同時提高釉和坯的浸潤性，加入過多高嶺土?xí)?dǎo)致生燒；加入石英可以提高釉的強(qiáng)度和硬度，利于均勻發(fā)色。

(4)熔塊釉中生成的磁鐵礦、鈣鐵輝石等晶體中包含有過渡族金屬離子，過渡族金屬離子對可見光的吸收作用是導(dǎo)致釉面呈黑色的主要因素，晶體的形成則有助于黑色發(fā)色。

(5)市場銷售的黑色釉料約20萬/t，而本試驗制備的無鈷黑色熔塊釉料成本僅1 355元/t，僅為市場價的7%左右?？梢娎梦驳V生產(chǎn)黑色釉料不僅為尾礦的資源化利用提供了一條出路，而且可以產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

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(責(zé)任編輯 羅主平)

Preparation of Fritted Glaze with Iron Ore Tailings in Chenchao and Its Colouration Mechanism

Sui Yanli1Wang Jiquan1Yang Fang2Guo Leichen3Li Bangcheng4Lin Zhijing4Shi Qi4Mao Shaobo5
(1.StateKeyLaboratoryforAdvancedMetalsandMaterials，Beijing100083,China；2.SchoolofMaterialsScienceandEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083,China；3.SchoolofEngineering，RensselaerPolytechnicInstitute，NewYork，USA；4.SchoolofMaterialsScienceandEngineering，JingdezhenCeramicInstitute,Jingdezhen333403,China;5.WuhanIronandSteelGroupMiningCo.Ltd.，Wuhan430080，China)

The properties of the frit glaze affected by ceramic raw materials such as calcite，kaolin，quartz has been demonstrated by optimal experiments using Chengchao iron ore tailing as main raw material.Optimum dosages of calcite，kaolin and quartz are determined to obtain pure black fritted glaze.Influences on the quality of glaze surface and the colouration mechanism of fritted glaze also have been analyzed.Results shows that when the dosage of calcite，kaolin，quartz is 7.5%，4%，6% respectively of all fritted glaze materials，the glaze has the best comprehensive performance for absorption rate of 97%，glossiness of 78%，Moh′s hardness of 6.1，which fits the requirements of GB/T 5003-1999 standard.Calcite plays critical roles in reducing the high temperature viscosity，improving smoothness and glossiness of the glaze surface，decreasing the glaze tension to increase the adhesion between green body and glaze surface.Caolin can increase the suspension property of glaze slurry and the wettability between green body and glaze surface.Quartz can increase the strength and hardness of glaze and help to develop color evenly.The black color appeared in fritted black glaze is caused by the generation of tiny dark crystals like magnetite and hedenbergite，which are distributed evenly in glaze.Utilization of Chengchao iron ore tailings as secondary resources to prepare pure black fritted glaze can produce considerable economic benefits.

Chengchao iron ore tailings，F(xiàn)ritted glaze，Black glaze，Absorption rate，Glossiness，Moh′s hardness，Coloration mechanism

2014-10-28

隋延力(1961—)，女，研究員，博士，碩士研究生導(dǎo)師。

TD981

A

1001-1250(2015)-01-171-05