陶瓷抛光渣烧成发泡的机理与控制研究

In post-processing of ceramic production, the polishing machine is used for trimming, grinding, polishing etc., and resulting in a large number of polishing slag. Because the polishing slag contains a small amount of silicon carbide, magnesium oxychloride and other impurities (derived from the polishing tool), when the polishing slag is directly used as raw material in the ceramic production, it will cause the ceramic serious foaming and deformation during firing. Direct resource utilization of the polishing slag has long been the key technical problem, which plagues ceramic industry achieving the waste slag zero discharge and low raw material cost production. In order to solve this problem, it is necessary to study the mechanism and control technology of the firing foaming for the polishing slag. Based on the special physical and chemical properties of the polishing slag, the mechanism and thermodynamic and kinetic basis of the firing foaming for the polishing slag are qualitatively and quantitatively examined in this project, and the control technologies of the firing foaming are explored systematically. This project will provide a theoretical basis and practical way for achieving the zero discharge of waste slag and low cost of raw material in ceramic industry.

在陶瓷生产后处理中，需用抛光机对陶瓷产品进行修边、打磨、抛光等，从而产生大量抛光渣。由于抛光渣含有少量的碳化硅、氯氧镁等杂质（来源于抛光磨具），抛光渣直接作为原料循环利用时在烧成中会引起陶瓷严重发泡、变形，其直接资源化利用长期以来一直是困扰陶瓷工业实现废渣零排放、低原料成本生产的最关键技术难题。要解决这一技术瓶颈，抛光渣烧成发泡的机理与控制研究是必要的。本项目结合抛光渣特有的物理、化学性质，定性、定量研究抛光渣烧成发泡的机理及相关的热力学、动力学基础，系统探讨抛光渣烧成发泡的控制措施，为陶瓷工业实现固废零排放、原料低成本化提供理论依据与实用途径。

本项目首先对陶瓷抛光渣进行了详细的化学成分分析、物相分析及综合热分析。相对于陶瓷底料，抛光渣中SiO2、Na2O、CaO、MgO、TiO2等碱性氧化物含量明显偏高，其中，SiO2含量较高是由于抛光渣中含有部分SiC所致。抛光渣主要晶相为石英相、莫来石相以及少量的SiC（通常0.5-4wt%左右）和氯氧镁水泥（通常1-6wt%左右）。定量研究了N2、Ar、Air气氛下SiC含量（0-5wt%）对陶瓷抛光渣烧成发泡的影响。在此基础上，使用商业原料氧化硅、氧化铝、氧化镁、硅酸钠和碳化硅粉体混合模拟陶瓷抛光渣，通过碳粉、硅粉和铝粉的引入，定量研究了陶瓷抛光渣烧成发泡的机理及相关的热力学、动力学基础。含10wt%碳粉的样品在1200℃空气中烧成时，烧成发泡比原始抛光渣样品更加剧烈，但含10wt%硅粉和10wt%铝粉的样品在1200℃空气中烧成时，与原始抛光渣样品相比，烧成发泡被显著抑制。同时，通过不同添加剂、不同烧成温度、不同烧成气氛的样品显微结构比较分析发现，烧成时内部有气体的扩散现象，并且发泡陶瓷样品的内孔壁上有氧化铝析晶现象。这些研究结果表明：碳化硅在陶瓷体内氧化产生一氧化碳、二氧化碳气体是陶瓷抛光渣烧成发泡的主要原因；抛光渣烧成发泡中陶瓷体孔内和孔外的气压差是发泡陶瓷内孔壁析出氧化铝晶相的主要原因；通过合理选择陶瓷抛光渣中添加剂的种类和含量，可以有效控制抛光渣的烧成发泡。此外，详细研究了各主要氧化物成分在陶瓷烧成发泡中的作用。当SiO2含量小于10wt%时，在1200℃空气中烧成的试样中有霞石晶体产生，当SiO2含量大于20wt%时，只有尖晶石晶体产生。通过主要氧化物成分和烧成条件的优化，可以制备机械强度高、导热系数低的多孔隔热陶瓷。本项目为陶瓷抛光渣的直接、在线资源化利用提供了理论依据与实用途径。