陶瓷工業(yè)原料瓷石的劃分、性能要求及其發(fā)展趨勢

褚 強,王 彬

(1.蘇州中材非金屬礦工業(yè)設(shè)計研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004；2.江蘇蘇州地質(zhì)工程勘察院，江蘇 蘇州 215129)

三十年來，我國陶瓷工業(yè)發(fā)展迅猛，陶瓷產(chǎn)量連續(xù)十多年排在世界第一，其總產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的52%。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2000～2006年七年間，我國衛(wèi)生潔具產(chǎn)量保持了年均11%的速度增長，到2007年產(chǎn)量達到了9800萬件，占世界衛(wèi)生潔具總產(chǎn)量的36%。我國餐具產(chǎn)量保持了7%的年均增長，到2007年產(chǎn)量超過了190億件，占世界餐具總產(chǎn)量的60%。據(jù)介紹，1978年以前，大部分餐具生產(chǎn)還僅用于滿足國內(nèi)市場，從1978年起，出口量在總產(chǎn)量中的比重逐年遞增，到2007年出口已占總產(chǎn)量的63%。2006年，我國建筑陶瓷墻地磚產(chǎn)量已經(jīng)超過50億m2、衛(wèi)生陶瓷已超過1.31億件。由此估算出，我國的當年需陶瓷原料達2億t以上。

瓷石和瓷土是生產(chǎn)陶瓷的主要原料，在瓷坯組成中約各占40%。我國有著得天獨厚的瓷石原料資源，因此能夠得以長期支持著中國陶瓷產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。我國南方瓷石礦中，以江西和湖南儲量最多，湖南醴陵馬泥溝的儲量達到1億t。另外，福建和浙江的地質(zhì)儲量也十分豐富。近幾十年來，隨著科技進步與開發(fā)利用水平的不斷提高，我國陶瓷業(yè)對于替代瓷石的非金屬礦原材料，如硅灰石、磷灰石、鋰輝石等各種硅酸鹽礦和工業(yè)廢料的開發(fā)利用，也進入了一個新的階段。這兩年新政策對原料和礦產(chǎn)的出口控制更加嚴格，中國出口的高品質(zhì)陶瓷原料數(shù)量或?qū)p少，價格也會相應(yīng)上升。世界陶瓷業(yè)的領(lǐng)導地位，使我國逐漸成為了世界最大的陶瓷礦產(chǎn)原料消費國。

我國北方瓷石礦床儲量巨大，其中一些礦產(chǎn)可供使用成百或上千年。這一資源優(yōu)勢既能夠為繼續(xù)推動我國陶瓷發(fā)展打下基礎(chǔ)，又為我國發(fā)展陶瓷原料大批量出口，創(chuàng)造豐厚的條件。

1 瓷石原料的性質(zhì)

瓷石(China stone)是一種堅硬或半堅硬的石質(zhì)原料，瓷石是巖石名稱，也是礦物原料名稱。其有益成分是石英(約40%～30%)、絹云母(約16%～30%)、高嶺石(0%～12%)和極少量長石及碳酸鹽。化學成份SiO2一般大于78%，A12O3一般不超過20%，K2O和Na2O 約為3%～8%，F(xiàn)e2O3在1%左右，此外還含CaO、MgO等。因其含有構(gòu)成瓷坯的基本組分，并且有適應(yīng)制瓷工藝和燒成所需的性質(zhì)，單一瓷石即可成瓷,故名瓷石。瓷石因含有一定鉀、鈉，在制瓷配方中常代替長石起熔劑作用。瓷土為瓷石風化的產(chǎn)物，為塑性原料，礦物成分以伊利石和石英為主，部分高嶺石、長石。瓷石屬瘠性原料，為了增加其可塑性，滿足成形性能要求，需要與高嶺土配合。瓷土和瓷石常共生成礦，也可各自獨立成礦。

2 我國瓷石原料的分類和工業(yè)要求

2.1 瓷石的分類

瓷石中含堿金屬氧化物較低者，有較高的耐火度和良好的工藝性能而作為瓷胎的基本原料，稱其為高溫瓷石(硬質(zhì)瓷石)，富含長石，由石英、水白云母、伊利石等組成；而其中含堿金屬氧化物較高、耐火度較低者，主要用作釉料(稱為釉石)或瓷胎配料者，稱其為低溫瓷石(軟質(zhì)瓷石)。早期開采使用的瓷石出露于地表，風化程度較好，堿金屬氧化物(尤其是Na2O)流失，A12O3相對富集。瓷石埋藏愈深，長石礦物絹云母化程度愈低，A12O3含量減少，SiO2含量增加，K2O+Na2O含量較高。

河北宣化瓷石礦體，產(chǎn)于中上元古界長城系團山組底部，賦礦巖石為白色、灰白色及淺粉色，屬流紋巖(硬質(zhì)瓷石)和蝕變流紋巖(軟質(zhì)瓷石)。礦床斷面呈硬質(zhì)瓷石和軟質(zhì)瓷石層狀均勻分布，礦石質(zhì)地均勻。

2.2 瓷石的性能指標要求

陶瓷用瓷石原料質(zhì)量要求，可分為原礦基本性能要求和工藝性能測試兩部分。

2.2.1 原礦基本性能要求

瓷石主要礦物成分是絹云母(或水云母)、石英和少量高嶺石等，經(jīng)粉細后亦稱作瓷土，具有黏土性質(zhì)，然而Al2O3含量一般在13%～18%，SiO2含量達70%～78%，F(xiàn)e2O3一般為0.6%～0.8%。為有利于生產(chǎn)，對瓷石制訂了一些相應(yīng)的企業(yè)質(zhì)量標準，如對化學成分規(guī)定：SiO2>65%，Al2O3>15%，F(xiàn)e2O3<0.7%，CaO

化學成分的數(shù)值是質(zhì)量的重要指標，但要全面地看。因為各項成分有多有少，有時原料這方面的成分好些，那方面的成分差些；有的原料似乎各種成分均好，但使用性能卻差，這又必須要從物性指標來綜合衡量。反之，有些化學成分差的原料，工藝性能卻很好。如坯料的成型性差，加入少量的膨潤土作強塑化劑，但膨潤上含低熔點的成分多，收縮大易于變形。景德鎮(zhèn)的余干瓷石，雖化學成分較差，但可塑較強，故仍在一些配方中使用；而且某些瓷石具有一種特殊性能，如防止大件產(chǎn)品煅燒開裂(俗稱“過缸”)，實踐證明非用到化學成分較差的三寶蓬瓷石不可。所以，衡量一種原料的好壞，應(yīng)從全面來考慮。

2.2.2 瓷石原料的工藝性能測試與要求

中國發(fā)明瓷器的決定因素之一是原料中使用瓷石，瓷石中有適合成瓷的礦物成分，在1200～1300℃具有良好的瓷化性能。制瓷胎泥系采用高嶺土、瓷石兩類原料配合(3∶7～6∶4)而成，這是我國傳統(tǒng)制瓷工藝的一個特征。瓷石原礦加工后的產(chǎn)物稱為“不子(碓不)”，或叫精泥，精泥的工藝性能有顯著提高，制胎使用精泥可以少用或不用高嶺土。景德鎮(zhèn)部分瓷廠坯料配方列于表1。瓷石的主要工藝性能有可塑性、結(jié)合性、粒度組成以及白度、干坯強度、干燥性能、燒成性能等。表2列出了我國部分瓷石(碓不)的工藝性能測試結(jié)果。

表1 景德鎮(zhèn)部分瓷廠坯料配方

坯料的組成要滿足配方要求。一種優(yōu)質(zhì)瓷器坯料配方(%)組成為：瓷土40；高嶺土35；瓷石13；長石9；黑泥3。除了要求準確稱量各種原料外，同時要謹防加工過程中雜質(zhì)的混入。

各種組分混合均勻。包括主要原料，水分及添加劑在坯料中的均勻分布。若組分產(chǎn)生離析，會導致半成品出現(xiàn)缺陷，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。

坯料各組分顆粒達到要求的細度，以減少成型和干燥過程中的廢品。

可塑料和注漿料中，空氣含量應(yīng)盡量減少，以提高坯體的強度及改善產(chǎn)品的介電性質(zhì)。

表2 我國部分瓷石(碓不)的工藝性能測試結(jié)果

不同成形方法對產(chǎn)品的要求各不相同，在符合總要求外，各自還有一些具體的要求：①可塑料。用于可塑成型的坯料，其水分含量在18%～25%。②注漿料。坯料水分在28%～35%之間。③壓制粉料。坯料中含水分為8%～15%的稱為半干壓料，它是一種濕潤的粉料，在一定的機械壓力下，即可得到制品的坯胎。含水分3%～7%的稱為干壓料。熱壓鑄成形用的漿料或干粉和蠟后的蠟餅等，均稱為熱壓鑄坯料，不含水分。

3 我國瓷石礦產(chǎn)類型和成礦區(qū)劃分

3.1 礦床成因和礦石類型

風化殘余型瓷石礦床：主要為酸性凝灰?guī)r和酸性淺色脈巖經(jīng)風化作用而形成的礦床，如貴溪新溪、樂平楓源、東鄉(xiāng)佛嶺等瓷石礦。

風化熱液型瓷石礦床：成礦母巖也為酸性淺色脈巖。產(chǎn)于構(gòu)造活動帶部位，由于受巖漿期后氣化熱液作用，使鋁硅酸鹽礦物沿顆粒表面至內(nèi)部發(fā)生程度不一的黏土化。該類礦床延深較大，如景德鎮(zhèn)柳家灣、寧村、貴溪上祝等瓷石礦。

1970年，地質(zhì)工作者對景德鎮(zhèn)一帶的瓷石礦床作了調(diào)查研究，將南河和小南河一帶的古瓷石礦床分為蝕變、風化兩種類型。

蝕變型礦床：接近地表的上層，Al2O3的含量一般高達18%～19%，K2O+Na2O一般低于3%。在1200℃左右燒成不易變形，故稱它為高溫(或硬質(zhì))瓷石。下層瓷石Al2O315%～17%，K2O+Na2O含量一般為4%～6%，摻入高嶺土為理想的制胎原料。

風化型礦床：上層為半松散之巖石，鋁氧以及鉀、鈉物質(zhì)含量與蝕變型上層礦石相近。中層 與蝕變型下層相近。下層Al2O3僅13%～15%，K2O+Na2O高達5%～7%，焙燒時易變形，稱它為低溫(軟質(zhì))瓷石。

主要礦石類型有石英斑巖、花崗斑巖、霏細巖、細晶巖、次生石英巖、流紋巖等。

石英斑巖型：外觀呈灰白、米黃、青灰等色,油脂或絲絹光澤, 致密塊狀, 斑狀結(jié)構(gòu), 斑晶由六方雙錐狀高溫石英及自形、半自形板條狀長石組成?；|(zhì)由細鱗片狀絹云母集合體組成, 其中散布著一定量的石英、長石顆粒。偶見大的白云母片, 深色礦物黑云母、角閃石含量甚少, 常有少量高嶺石、黃鐵礦、方解石、蛋白石等伴生。系由石英斑巖發(fā)生絹云母化或硅化絹云母化形成, 通常呈脈狀產(chǎn)于花崗巖、火山巖或其他圍巖中。江西景德鎮(zhèn)、浙江紹興瓷石屬此類型。

花崗斑巖型：特征是斑狀結(jié)構(gòu), 斑晶成分亦為石英與長石, 基質(zhì)是由石英、長石的細晶或微晶組成, 故其礦物成分與石英斑巖相似, 區(qū)別是含有少量黑云母、角閃石等鐵鎂礦物。若花崗斑巖基質(zhì)中的長石與石英呈文象狀交生, 即具文象結(jié)構(gòu), 這種巖石稱花斑巖。上述二種原巖經(jīng)熱液蝕變發(fā)生絹云母化、高嶺土化，即成瓷石。但其含鐵量較高, 故質(zhì)量上不如石英斑巖型瓷石。

霏細巖型：斑晶含量甚少,幾乎不含鐵鎂礦物,基質(zhì)由石英、長石顆粒組成,呈霏細結(jié)構(gòu)或球粒結(jié)構(gòu), 巖石蝕變?yōu)榇墒? 長石轉(zhuǎn)變?yōu)榻佋颇?并常有方解石及少量黃鐵礦伴生。多呈層狀或脈狀產(chǎn)出。這種類型有浙江肖山、江蘇新沂等礦床。

細晶巖型：特征是晶粒微細,主要礦物成分為長石正長石及酸性斜長石和石英,幾乎不含鐵鎂礦物。若經(jīng)熱液蝕變,長石轉(zhuǎn)變?yōu)榻佋颇?、高嶺石,即可供作瓷石使用。此類瓷石一般長石含量較高,多呈脈狀產(chǎn)于花崗巖類巖石及附近圍巖的裂隙中。

次生石英巖型：這種瓷石是由中酸性火山巖,如火山角礫巖、凝灰?guī)r、流紋巖經(jīng)堿性熱水溶液作用形成的硅化絹云母化巖石,尤其在火山口附近的噴出巖中特別發(fā)育。外貌呈灰、灰白等色,質(zhì)地致密,具貝殼狀斷口,主要礦物成分是石英、絹云母,伴生礦物種類很多,有明礬石、紅柱石、水鋁石、高嶺石、葉蠟石及鐵鈦氧化物。其中明礬石和鐵、鈦氧化物是有害雜質(zhì)。此類瓷石在我國東南沿海中生代侏羅紀火山巖系中分布很廣。日本制瓷用的“陶石”,都是這類型。

3.2 我國瓷石礦區(qū)的劃分

我國瓷石礦產(chǎn)資源十分豐富, 它們主要分布在我國東部的華夏期臺內(nèi)活動構(gòu)造(地洼)單元。這一單元多期多階段的巖漿活動，為瓷石成礦創(chuàng)造了有利條件。特別在構(gòu)造活動后期，地殼再次隆起地區(qū)(如江南地質(zhì)單元)，往往是瓷石成礦最有利地區(qū)。根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造單元劃分，從北向南分為華北瓷石成礦省、華中瓷石成礦省和東南瓷石成礦省三大成礦省和若干個成礦區(qū)。其中，華北成礦省規(guī)模最大，其內(nèi)瓷石成礦區(qū)分布大小不均，主要礦區(qū)有河北宣化、山西應(yīng)縣和山東的大昆侖。華中成礦省蘇、浙、皖的瓷石礦，開采規(guī)模小而密，礦區(qū)集中，頗具特色，著名的有安徽祁門瓷石和浙江的木岱口、毛家山、沅底等。東南成礦省礦山企業(yè)最多，開采歷史悠久。江西、湖南、福建、廣東幾乎遍布各地。著名的產(chǎn)區(qū)有湖南的馬頸坳、麻坡瓷石和八里坳，江西景德鎮(zhèn)的三寶蓬、南港、余干和柳家灣，福建的德化、永春、安溪和閔侯。

4 我國瓷石原料資源的發(fā)展趨勢

陶瓷礦物原料科學合理地開采利用和保護是當前的發(fā)展趨勢。

(1)陶瓷行業(yè)是一個資源型的勞動密集型行業(yè)，可以為社會創(chuàng)造財富和就業(yè)機會,但如果搞不好, 耗費大量的能量，也可以極大地破壞和污染環(huán)境?？茖W合理穩(wěn)定地開采、使用和保護天然礦物資源，具有深遠的意義。

(2)在各種陶瓷原料中，我國是世界上瓷石資源儲量較大的國家,但瓷石出口并沒開展，而資源相對較少的高嶺土、黑黏土(球土) 等出口量較大。在實行必要的保護、 限制低價大量出口資源產(chǎn)品同時，政府應(yīng)出臺法律法規(guī),在條件適宜的情況下,鼓勵優(yōu)先出口資源相對豐富的陶瓷原料。

(3)為提高出口瓷石產(chǎn)品價格，應(yīng)鼓勵和提倡礦物原料生產(chǎn)供應(yīng)的專業(yè)化、標準化、商品化、系列化(簡稱四化) 水平,實行原料加工產(chǎn)業(yè)化。

(4)重視瓷石釉料產(chǎn)品開發(fā)。提高色釉料產(chǎn)品的質(zhì)量水平,使其為陶瓷制品的表面質(zhì)量和檔次的提高,為使用低質(zhì)量或豐富礦料提供條件和成為可能。

(5)切實執(zhí)行國家的資源開發(fā)政策,將資源的合理利用和環(huán)境保護密切結(jié)合起來,實現(xiàn)資源的利用和生態(tài)保護的代償互補。傳統(tǒng)陶瓷原料多元化多樣化采集利用、陶瓷原料取得與環(huán)保實現(xiàn)互補、陶瓷原料加工的節(jié)能降耗新工藝新裝備開發(fā)，永遠是中國陶瓷產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。

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