彩釉墙地砖釉面针孔和釉泡缺陷分析

摘　要　结合生产实际系统地分析了墙地砖常见缺陷针孔和釉泡产生的原因，并提出了相应的解决方法。
关键词　彩釉墙地砖　针孔　釉泡　低温快烧
前言
近几年来，随着一系列陶瓷设备(如大吨位压砖机、快烧辊道窑等)的引进、应用，以及低温一次快烧工艺的飞速发展，彩釉墙地砖的生产周期大为缩短，如果略去粉料的陈腐时间，从原料到成品只需要短短的5、6h。这一方面给生产企业创造了巨大的经济效益，另一方面也给从事工艺技术的人员带来了更新高度的挑战。其对生产工艺的要求较之以往更为严格，一些在原工艺条件下不曾出现的产品缺陷在现阶段渐次产生，并且已成为影响产品质量的主要因素。
本文仅就在低温一次烧成工艺中最容易出现的针孔及釉泡缺陷作系统分析，并提出解决的方法。
1　彩釉墙地砖生产
1.1　生产用原料
在湖北境内，陶瓷原料相对比较贫乏，因而生产的彩釉墙地砖以红坯为主。本着节约成本、就近取材的原则，我厂采用的主要原料为低质、价廉的红土和页岩，另加少量的武汉周边地区出产的原料如武昌泥、武昌砂、大冶硅灰粉等。就其中几种粘土而言，其成因大致是：红土为石灰岩风化后残留在原地而形成的风化残积型粘土；页岩则是由疏松的粘土经成岩作用而形成的硬质粘土；武昌泥则属于沉积型粘土。其主要化学组分见表1。
表1　几种主要原料的化学组分(质量%)
原　料 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O TiO2 烧　失
红　土 68.74 15.21 6.95 0.25 0.10 1.56 0.56 0.99 5.37
武昌泥 61.93 19.34 6.87 0.33 0.19 2.99 0.89 0.82 6.64
页　岩 66.35 15.06 6.36 0.47 1.53 3.74 0.98 0.76 4.73
武昌砂 81.73 10.85 1.62 0.24 0.31 1.58 0.10 0.37 3.28
硅灰粉 47.88 2.12 3.95 37.38 1.86 0.14 0.66 0.08 5.67

釉用原料主要有熔块、方解石、石英、锆英粉、广东黑泥及氧化锌等化工原料，釉用添加剂为甲基纤维素和三聚磷酸钠。
1.2　工艺流程


2　分析和讨论

一般来说，针孔是指烧成时气泡上升到釉表面破裂后形成的细小凹坑。釉泡是指陶瓷釉面出现的小气泡。如果釉泡上升到表面并破裂，即形成针孔，因此在本文中釉泡和针孔一并分析。
　　产品釉面出现针孔和釉泡的原因是多方面的，下面有针对性地从以下几个方面加以分析、讨论。
2.1　坯用原料
　　由表1可以看出，在几种坯用原料的化学组分中，铁含量和烧失量普遍偏高，并含有一定量的钙、镁。高含量、细分散的铁化合物在氧化气氛中一般在接近于坯体烧结、釉层熔化的高温下才能分解，此时釉面气孔封闭，气体不能排出，易引起膨胀起泡。未分散的铁杂质则在坯体的局部发生反应，在产品表面形成熔洞。另外烧失量较大，说明粘土中含有机杂质较多，它们在高温时分解产生大量的挥发物，使釉在熔融过程中留下未能充分闭合的微小气孔，产生针孔。若取土不当，原料中掺杂进大量的表层土时，这种情形会更加突出。在坯料配方中占比例不大的大冶硅灰粉，因其中的钙很容易被铁呈类质同像取代，其铁含量偏高，使得烧成范围变窄；又有一部分共生物质，如石灰石，在烧成时释放出大量的CO2气体，这些都是产生针孔的根源。

2.2　釉用原料
　　对于低温一次快烧的彩釉墙地砖来说，釉配方的调制一般有以下要求：首先，釉要在较低的烧成温度下短时间内熔融并平坦地流散在坯体表面，因此釉配方中需加入较多量的熔剂成分，使釉的成熟温度降低。其次，从成本角度上考虑，彩釉墙地砖的釉配方中采用了占比例很大的生料。然而，生料的加入使得产品烧成时釉料本身产生的气体增多，出现针孔及釉泡的可能性加大；釉料始熔温度在调整时如果太接近坯体中的碳酸盐、硫酸盐、有机物等的分解温度，则极有可能产生针孔。为此，对于低温快烧坯料来说，应尽可能地拓宽它的烧成范围。对釉料而言：①要求其化学反应活性要强，以利于物理化学反应能迅速进行，如有时加入助熔剂化合物Li2O、CaO等；②成熟温度应稍低于坯体烧结范围的上限；③始熔温度要高些，以防止快烧时坯料的反应滞后；④高温粘度比普通釉料要低，并且随着温度的升高，粘度下降很快，这样，坯料反应所产生的气体能及时穿过釉层，顺利排出，避免针孔和釉泡的产生。
2.3　生产工艺过程
2.3.1　坯料的配制
　　就我厂目前的生产情况，因受原料产地限制，选用的原料中已含较多的有机物。因此，在坯料配制时应考虑塑性粘土与瘠性料的比例，如适当搭配红土和武昌砂的用量。另外，坯料中塑性粘土的用量直接影响坯体的透水性。为保证坯体的强度，坯料配制时塑性粘土一般占很大比例。但是，塑性粘土用量大，坯体的富水性增强而透水性变差，很容易造成干燥时坯体的水分难以排出，从而成为产生针眼的根源。有时为保证坯料较低的烧失量和较好的透水性，同时避免因减少粘土用量而影响到坯体的强度，此时可加少量(3‰左右)的坯体增强剂。
2.3.2　坯体粉料的水分
　　彩釉墙地砖普遍采用半干压成形方式，粉料的含水率一般在5%～10%之间，具体情况应视各种压砖机的性能而定。在相同压力下，一般存在下列情形：粉料的含水率低，则成形时粉料颗粒间移动的摩擦阻力大，要使坯体达到密实不太容易；将含水率逐渐增大时，由于水的润滑作用，坯体密实要容易些。当然如果含水率超过适当的值，坯体的致密度反而下降，并可能出现夹层。在正常生产情况下，如果使用较高水分的粉料，或在模具有一定程度的磨损以及模具总成装配不很完善的时候，为保证生坯的强度，人为提高使用粉料的含水率，则在施釉和烧成时可能产生针孔和釉泡。
2.3.3　生坯的干燥
　　在快速烧成中，对坯体入窑烧成时水分要求很严格，理论上应在1.5%以下。坯体残余水分少，其排除的时间也较短，产品的分解反应阶段和烧成阶段可相对拉长；并且，水分的尽早排出可使坯体表面和坯体内部的温差缩小，在烧成时容易烧透。如果烘干窑的能力不足，生坯水分过高，或坯体过分致密不利于水分的排出，则坯体不易烧透，产生黑心，亦即坯体中的有机物和游离碳素等未除尽，在产品进入烧成带时，内部这些未完成的氧化反应以及其他一些在较高温度时发生的分解反应将在高温区继续进行，而此刻产品表面的釉已完全熔融，反应生成气体的逸出势必造成针孔和釉泡缺陷。因此需要高的干燥效率来保证好的干燥效果，在较短的时间内(不到30min)既要使坯体水分含量尽可能低，又要使坯体出烘干窑时温度不至太高。
2.3.4　施釉过程
　　釉浆制备过程中有一定的参数要求。在釉浆制备过程中导致针孔产生的因素有：①釉浆的细度。它直接影响釉浆的稠度和悬浮性，也影响釉浆与坯体的粘附能力、釉的熔化温度和烧后制品的釉面质量。一般说来，釉浆细，则浆体悬浮性好，釉的熔化温度降低，釉坯粘附紧密且两者反应充分。但如果釉浆过细，反而会使釉浆稠度增大，施釉时容易形成过厚釉层，坯体吸水过多而在釉层上鼓起小泡。即使釉层厚度适中，因釉料过细，高温反应过于集中，釉层中的气体难以及时排除，也容易产生釉面针孔。②釉浆的陈腐时间。如陈腐时间不足，在粉碎和搅拌时带入釉浆中的空气不易排除；若时间过长，釉本身有部分原料发生反应，产生气体聚集在釉浆中，施釉时也可产生针孔。
　　烘干坯上釉前表面灰尘未除尽，或干燥器的油星溅落在坯体表面，当坯体经过釉柜时即产生缺釉型针孔。出烘干窑的坯体过热、过干，则上釉时坯体吸水太快；或者两次施釉时间间隔太长，都会导致釉层起泡，或产生针孔。此时采取强制降低坯体表面温度(如强制风冷或施少量水)、加快施釉速度、适当调整釉浆的浓度等措施可以有效防止气泡和针孔的出现。
2.3.5　烧成
　　在低温一次快烧生产彩釉墙地砖的工艺中，烧成是极其关键的一步。除前述工艺过程会带来产生针孔的压力外，烧成本身与针孔的产生也有很大关系。在烧成阶段，产生气体的过程分别有：①坯釉料中游离水和结晶水的脱出，其温度一般在500～700℃以前；②坯料及釉料中有机杂质和有机添加物(如碳、甲基纤维素等)的氧化，其反应一般在700℃左右发生；③坯釉成分在高温分解，如碳酸盐、硫酸盐、铁化合物以及坯体中可熔性盐类的分解，其反应温度为800～1000℃左右。在实际生产中表现为：产品在烧成时其烧失量在室温至600℃之前快速递增，在600℃至880℃以前缓慢增大，880℃以后烧失量趋于稳定，表明这些反应基本完成。图1是我厂彩釉墙地砖坯料在不同温度下的烧失量：


图1　坯体烧失量—温度曲线图

上述反应一般都要求在釉料开始熔融前尽快完成，如果升温速度不合理，使得反应没有充分的时间进行，产生滞后效应，则是产生针孔和釉泡的主要原因。
　　当前彩釉墙地砖的快速烧成多采用柴油明焰窑，它的优点是升、降温速度快，温度曲线更容易调整。比较以往的重油隔焰窑，其烧成周期可以从原来的30～40min缩短到现在的10～20min。但明焰窑也有它的缺点，明焰窑以采用自动控制系统为佳，它能够保证窑炉烧成制度的一致性。如采用人工控制，则产生针孔的可能性更大，这是因为：①在隔焰窑中由于火焰通道与产品通道是隔离开的，所以要保证中性气氛比较容易。而在明焰窑中，当燃料雾化不佳，燃烧不充分时，窑内高温区会有还原气氛，此时坯体易吸收燃烧产物中的气体(如CO等)，它们和沉积的碳素会在釉熔融后继续氧化而逸出气体，引起釉中出现气泡。②由于烧成周期的缩短，烧成过程中各个阶段的反应时间相应缩短，产品在氧化、分解阶段的时间相当短暂，如果合理的温度制度得不到保障，则容易产生釉面缺陷。③烧成周期缩短，需适当提高烧成温度，一般为10～30℃，若提高温度幅度控制不当，很容易使产品过烧，产生针孔。
3　结语
　　综上所述，针孔和釉泡产生的原因甚多，但总的根源是气体。解决彩釉墙地砖釉面针孔和釉泡缺陷的途径一是减少可能产生气体的成分的含量或用量；二是诱导气体的顺利排出。实际生产中从以下几方面着手是有效的办法：
　　1)尽量选用烧失量较低的坯用原料。主要原料的烧失量不超过8%，表层矿土可能带入大量有机物，应避免进入生产过程。
　　2)调制釉料配方时，要综合考虑，其原料的选用、与坯料烧结温度的匹配应力求合理。
　　3)调制坯料配方时，在考虑其烧成、温度成形性能时，亦要考虑其烧失量在5%以内；瘠性料与塑性料的比例适当，要利于水分的快速排出。
　　4)在生产过程中尤其要注意粉料水分和干燥窑的效率。另外，施釉时坯体温度应保证在一定范围，一般为50～60℃，最高不超过90℃，避免在施釉时就出现针孔。
　　5)合理的烧成制度和气氛制度是得到光泽平滑釉面的关键。