陶瓷大板集成制造關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化

羅志勇 劉有銀 毛星華 黃旺明 邱道昌

摘 要：陶瓷大板集成制造關(guān)鍵技術(shù)是解決高性能粉料制備，高平整度低變形量煅燒，高平整度低切削量冷加工的工藝，研制出拋光磚類、拋釉磚類、仿古磚類等三大系列的“高韌性陶瓷大板”。關(guān)鍵進(jìn)行了三個(gè)方面的創(chuàng)新攻關(guān)：第一是配方優(yōu)化及高性能粉料制備技術(shù)，研制高鋁、高鉀、低鈣鎂、低收縮、低燒失量的配方體系，同時(shí)重點(diǎn)對(duì)噴霧塔漿料霧化裝置和工藝方法進(jìn)行改進(jìn)，從而獲得良好流動(dòng)性和較高自然堆積密度的粉料；第二是磚坯高平整度低變形量煅燒技術(shù)，采用雙層反輻射窯體保溫結(jié)構(gòu)技術(shù)，低溫差高效燃燒系統(tǒng)技術(shù)，高水平狀態(tài)傳動(dòng)系統(tǒng)技改，有效提高窯內(nèi)輻射，提高燃燒效率，實(shí)現(xiàn)窯內(nèi)低溫差以及窯內(nèi)傳動(dòng)的高度平穩(wěn)性效果，實(shí)現(xiàn)“節(jié)材、節(jié)能”的低碳目標(biāo)；第三是磚坯高平整度低切削量拋光技術(shù)，采用壓輪防彈性變形傳送結(jié)構(gòu)，剛性與柔性磨塊混合搭配相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了防彈性變形的磚面平整度、低切削量的控制達(dá)到固廢減排，從而使冷加工效果從量變到質(zhì)變的整體提升。

關(guān)鍵詞：高韌性陶瓷大板；高性能粉料；雙層反輻射窯體保溫；壓輪防彈性變形傳送；固廢減排；國(guó)家發(fā)明專利

1 前言

在2000年德國(guó)慕尼黑的國(guó)際陶瓷工業(yè)展上，一款3 mm厚度、2400 × 1200 mm的干壓成型陶瓷薄板問(wèn)世，震驚了世界陶瓷，但當(dāng)時(shí)意大利設(shè)備供應(yīng)商明確表示，該項(xiàng)目要對(duì)中國(guó)進(jìn)行技術(shù)封鎖。陶瓷薄板問(wèn)世與同類產(chǎn)品相比，單位面積建筑陶瓷材料用量降低一倍以上，節(jié)約60%以上的原料資源，降低綜合能耗50%以上，無(wú)論從原材料使用量、到生產(chǎn)過(guò)程中的能源消耗，都很好地實(shí)現(xiàn)“節(jié)材、節(jié)能”的低碳目標(biāo)。對(duì)于產(chǎn)品使用者而言，薄形化、輕量化大規(guī)格板材，既節(jié)約了物流運(yùn)輸成本，減輕建筑物的荷載，更是直接降低了物流、建筑施工的碳排放。因此，陶瓷大板（陶瓷薄板）也就成為了近年陶瓷行業(yè)發(fā)展的重要追逐對(duì)象。隨后，許多陶瓷生產(chǎn)企業(yè)也一直不斷在進(jìn)行干壓成型陶瓷薄板技術(shù)攻關(guān)。在2008年，廣東某陶瓷有限公司與廣東科達(dá)機(jī)電股份有限公司合作，成功投產(chǎn)國(guó)內(nèi)首條1600 × 900 mm的干壓成型大規(guī)格陶瓷薄板生產(chǎn)線，稱為真正意義上的國(guó)內(nèi)陶瓷薄板，2016年又再推出2400 × 1200 mm的陶瓷薄板。

在國(guó)內(nèi)陶瓷行業(yè)中，一般厚度在6 mm以下的產(chǎn)品習(xí)慣稱為陶瓷薄板（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T23266-2009定義中規(guī)定薄板厚度不大于6 mm），厚度超過(guò)6 mm的產(chǎn)品習(xí)慣稱為大板，其實(shí)兩種產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)品應(yīng)用都有共同之處，只是厚薄差異而已。

至2016年為止，全國(guó)陶瓷磚行業(yè)總產(chǎn)能約130億m2/年，而陶瓷大板（包括薄板）產(chǎn)能不足5000萬(wàn)m2/年，占總產(chǎn)能比例不足0.4%的份額，仍很難滿足市場(chǎng)需求，特別是大型公共建筑物的需要，例如機(jī)場(chǎng)、高鐵站、隧道、賓館大堂等。另一方面，當(dāng)前行業(yè)最大規(guī)格的陶瓷大板（陶瓷薄板）為2400 × 1200 mm，3200 × 1600 mm等更大規(guī)格的陶瓷大板成為了市場(chǎng)的期待。

陶瓷大板集成制造關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目通過(guò)引進(jìn)先進(jìn)無(wú)框頂壓式壓機(jī)，配套相應(yīng)國(guó)產(chǎn)設(shè)備，研發(fā)了適合陶瓷大板（3200 × 1600 mm）穩(wěn)定生產(chǎn)的工藝技術(shù)和生產(chǎn)線裝備。技術(shù)的核心關(guān)鍵是解決高性能粉料制備的工藝技術(shù)和冷加工彈性變形的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，利用該技術(shù)成功地生產(chǎn)出3200 × 1600 mm超大規(guī)格“高韌性陶瓷大板”，有力地推動(dòng)了生產(chǎn)線智能化、信息化水平，改善了陶瓷企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排，帶動(dòng)了行業(yè)技術(shù)進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)將行業(yè)的產(chǎn)品規(guī)格再上了一個(gè)新高度，突破了目前行業(yè)的局限，為市場(chǎng)提供了新的建筑材料，推動(dòng)了陶瓷磚裝飾和應(yīng)用新思路。

2 主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

在陶瓷大板集成制造及產(chǎn)業(yè)化的研發(fā)工作過(guò)程中，關(guān)鍵進(jìn)行了三個(gè)方面的技術(shù)攻關(guān)。第一是配方優(yōu)化及高性能粉料制備技術(shù)，第二是磚坯高平整度低變形量煅燒技術(shù)，第三是磚坯高平整度低切削量拋光技術(shù)。

2.1 配方優(yōu)化及高性能粉料制備技術(shù)

陶瓷大板的配方體系設(shè)計(jì)，首要是滿足產(chǎn)品應(yīng)用過(guò)程中強(qiáng)度高、韌性好的要求；其次是滿足煅燒過(guò)程中，坯體低收縮量、溫度范圍寬、抗急冷開(kāi)裂性能高的要求；第三是要滿足成型干燥過(guò)程中，生坯強(qiáng)度高、干燥疏水快的要求。

通過(guò)對(duì)原料的選擇與配方的優(yōu)化試驗(yàn)，技術(shù)人員研發(fā)出專門適合陶瓷大板的配方體系，與普通陶瓷磚比較，其最大的特點(diǎn)是高鋁、高鉀、低鈣鎂，低燒失量。為了更好地控制燒成收縮，使用了部份煅燒高嶺土（5 ～ 8%）代替廣東黑泥，采用羥甲基纖維素鈉作為坯體增強(qiáng)劑，避免了黑泥減少造成的生坯強(qiáng)度降低的不足，更好地滿足了產(chǎn)品性能和生產(chǎn)過(guò)程的工藝要求。

配方優(yōu)化是高性能粉料制備的基礎(chǔ)，為了更好地滿足大面積沖壓成型的特殊要求，對(duì)坯料的性能提出了更高的要求，主要包括對(duì)流動(dòng)性、堆積密度、顆粒硬度、生坯強(qiáng)度等。

良好的流動(dòng)性是高性能粉料的首要標(biāo)志，良好流動(dòng)性粉料是滿足大面積均勻布料的重要前提，是沖壓成型布料瞬間均勻的重要指標(biāo)，是大板磚坯壓制后密度均勻的重要保障。

高性能粉料的制備關(guān)鍵技術(shù)，除了配方是重要基礎(chǔ)外，主要是對(duì)噴霧造粒工藝方法進(jìn)行創(chuàng)新。為了獲得良好流動(dòng)性和較高自然堆積密度的粉料，本項(xiàng)目重點(diǎn)對(duì)噴霧塔漿料霧化裝置和工藝方法進(jìn)行改進(jìn)，創(chuàng)新性地自主設(shè)計(jì)、研發(fā)出能夠獲得泥漿霧化高速旋流效果的一種結(jié)構(gòu)裝置。

在現(xiàn)有噴霧塔泥漿霧化頭的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)霧化頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)改進(jìn)，自主研發(fā)、加工出一種雙旋流槽旋片（普通旋片為單旋流槽），加大了旋流片的厚度（旋片厚度15 ～ 20 mm，普通旋片為8 ～ 10 mm），降低旋流切角，然后采用高壓霧化，提高泥漿濃度，實(shí)現(xiàn)高速旋流霧化效果，從而改善了粉料顆粒形狀和級(jí)配，提高了粉料自然堆積密度。

2.2 磚坯高平整度低變形量煅燒技術(shù)

對(duì)于陶瓷大板生產(chǎn)，燒成工序也是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)。如何獲得高平整度的磚面，以及周邊低變形量（窄腰、大小頭等）效果，是對(duì)燒成技術(shù)的核心要求。窯爐關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)低溫差，以及傳動(dòng)的高度平穩(wěn)性、輥棒面良好水平狀態(tài)。

本項(xiàng)目在窯爐方面的創(chuàng)新，主要集中在窯體保溫、燒嘴結(jié)構(gòu)、升溫制度、輥棒選擇與配置等方面。公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)在總結(jié)和分析行業(yè)輥道窯結(jié)構(gòu)和大量數(shù)據(jù)后，提出了對(duì)窯爐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，并得到了窯爐裝備供應(yīng)企業(yè)的肯定和配合，將公司團(tuán)隊(duì)提出的創(chuàng)新點(diǎn)（設(shè)計(jì)方案）應(yīng)用于窯爐結(jié)構(gòu)制造之中。

2.3 磚坯高平整度低切削量拋光技術(shù)

對(duì)于陶瓷大板生產(chǎn)，冷加工（磨邊拋光）工序也是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)，特別是拋光環(huán)節(jié)，在獲得良好平整度的前提下，盡可能減少拋光切削量，是本項(xiàng)目的另一個(gè)技術(shù)研究重點(diǎn)。本項(xiàng)目在拋光處理方面的創(chuàng)新，主要集中在磚坯防反彈變形傳送、拋光磨塊選擇與配置等方面。

該技術(shù)采用“壓輪防彈性變形傳送結(jié)構(gòu)”和“剛性與柔性磨塊搭配方案”。

（1）“壓輪防彈性變形傳送結(jié)構(gòu)”的創(chuàng)新應(yīng)用技術(shù)是在原有傳輸方式基礎(chǔ)上，通過(guò)在兩個(gè)磨頭的間隙安裝了一個(gè)橫向的壓輪（軸），壓輪通過(guò)皮帶（磚面）轉(zhuǎn)動(dòng)，壓輪表面襯有高韌性橡膠套層，對(duì)磚坯縱向、橫向均起到良好的防彈保護(hù)作用。

（2）在目前行業(yè)中，針對(duì)不同的產(chǎn)品加工需求，陶瓷磚拋光加工技術(shù)總體分兩大類。第一類是針對(duì)拋光磚（無(wú)釉）的傳統(tǒng)拋光加工，俗稱“剛性拋光”、“硬性拋光”，切削量大（一般切削深度為1.0 ～ 2.0 mm），對(duì)磚面有矯平作用；第二類是針對(duì)釉面磚的拋光加工工藝，行業(yè)俗稱“柔性拋光”，切削量很少（一般切削深度在0.3 mm以內(nèi)），對(duì)磚面沒(méi)有矯平作用。

“剛性磨塊與柔性磨塊混合搭配使用方案”，是采用在拋光機(jī)上，將“剛性磨塊”與“柔性磨塊”混合搭配使用，前段以“剛性磨塊”為主，后段以“柔性磨塊”為主，目的是在保證磚面平整度的前提下，有效地控制磚面的切削量。

3 產(chǎn)品特點(diǎn)

“陶瓷大板集成制造關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”的研發(fā)成功，為新產(chǎn)品的研發(fā)提供了重要的技術(shù)支持，本項(xiàng)目技術(shù)已通過(guò)科技成果鑒定，并已申報(bào)國(guó)家發(fā)明專利及實(shí)用新型專利各6項(xiàng)，技術(shù)水平達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。利用本項(xiàng)目的技術(shù)成功生產(chǎn)出3200 × 1600 mm、2400 × 1200 mm、1600 × 900 mm等包括拋光磚類、拋釉磚類、仿古磚類三大系列的多種超大規(guī)格陶瓷大板，將行業(yè)的產(chǎn)品規(guī)格再推上了一個(gè)新高度，突破了目前行業(yè)的局限，為市場(chǎng)提供了新的建筑材料，推動(dòng)了陶瓷磚裝飾和應(yīng)用新思路。

“陶瓷大板磚”與目前行業(yè)產(chǎn)品比較，著重在三個(gè)方面取得了突破。一是使陶瓷大板磚獲得了拋光磚一樣的光潔亮麗，與同類產(chǎn)品（傳統(tǒng)拋光磚、拋釉磚、仿古磚）比較，產(chǎn)品物理、化學(xué)性能有明顯的提高，有高強(qiáng)度高韌性的產(chǎn)品性能；二是陶瓷大板磚產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域更加多元化；三是在獲得拋光磚裝飾效果的同時(shí)，與傳統(tǒng)拋光磚比較，較好地實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的目的。

3.1 高強(qiáng)度高韌性的產(chǎn)品性能

由于陶瓷大板規(guī)格大，對(duì)產(chǎn)品的物理性能要求更高。運(yùn)用“陶瓷大板集成制造關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”，生產(chǎn)出的“高韌性陶瓷大板”，強(qiáng)度高、韌性好。斷裂模數(shù)達(dá)到52 Mpa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于GB/T4100-2015、GB/T23266-2009規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值。

3.2 產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域更加多元化

陶瓷大板的誕生（包括普通厚度和薄板），為市場(chǎng)提供了更多元化的應(yīng)用。為建筑裝飾業(yè)領(lǐng)域提供了更新、更豐富的建筑材料，有力地推動(dòng)了建筑裝飾施工方法改良。

產(chǎn)品可以整體應(yīng)用，也可以切割應(yīng)用；可以用于建筑裝飾，也可以用于家具、家電的裝飾面板應(yīng)用（例如背景墻、桌面、茶幾面、洗手臺(tái)面、廚臺(tái)面、柜門、爐面等）；可以廣泛用于地面，也可以應(yīng)用于內(nèi)墻、外墻裝飾；可以采用干掛施工，也可以采用傳統(tǒng)鋪貼施工。

同時(shí)為陶瓷磚圖案裝飾帶來(lái)了新的視覺(jué)效果。圖案紋理連續(xù)、整體自然、宏觀大器，既可以整體鋪貼，也可以切割組織鋪貼，解決了普通規(guī)格陶瓷磚組合鋪貼時(shí)圖案細(xì)碎、重復(fù)呆板的缺點(diǎn)。

3.3 符合節(jié)能減排

陶瓷大板在獲得拋光磚裝飾效果的同時(shí)，與傳統(tǒng)拋光磚比較，較好地實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的目的。第一是減少了冷加工廢棄物；第二是減少了冷加工電耗；第三是減少了綜合能耗。

4 生產(chǎn)工藝

“陶瓷大板集成制造關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”（生產(chǎn)線）是在傳統(tǒng)干壓陶瓷磚生產(chǎn)線基礎(chǔ)上的創(chuàng)新，生產(chǎn)難點(diǎn)、技術(shù)核心在于成型工序，而為了滿足成型要求，幾乎每個(gè)工序都涉及了技術(shù)創(chuàng)新內(nèi)容。

4.1 技術(shù)創(chuàng)新路線圖

4.2 總體工藝流程

4.3 坯體基礎(chǔ)配方

適合陶瓷大板的配方體系，與普通陶瓷磚比較，其最大的特點(diǎn)是高鋁、高鉀、低鈣鎂，低燒失量。為了更好地控制燒成收縮，使用了部份煅燒高嶺土（5 ～ 8%）代替廣東黑泥。

配方優(yōu)化是高性能粉料制備的基礎(chǔ)，為了更好地滿足大面積沖壓成型的特殊要求，對(duì)坯料的性能提出了更高的要求，主要包括對(duì)流動(dòng)性、堆積密度、顆粒硬度、生坯強(qiáng)度等。

4.4 成型

成型設(shè)備是選擇（引進(jìn)）意大利西斯特姆公司3萬(wàn)噸陶瓷大板自動(dòng)干壓成型機(jī)，以及雙帶無(wú)邊框布料平臺(tái)作為成型裝備的基礎(chǔ)平臺(tái)。然后通過(guò)自主研發(fā)的坯料配方優(yōu)化技術(shù)、高性能粉料制備技術(shù)，以及吸收消化的成型工藝、布料工藝要點(diǎn)，形成了具有自主技術(shù)創(chuàng)新的國(guó)產(chǎn)化配套生產(chǎn)技術(shù)。

5 主要工藝參數(shù)

5.1 高性能粉料制備

5.2 沖壓成型

5.3 干燥

5.4 燒成

6 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)及性能

經(jīng)第三方機(jī)構(gòu)檢測(cè)，產(chǎn)品其他各項(xiàng)尺寸、物理和化學(xué)性能指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4100-2015（附錄G）《陶瓷磚附錄G干壓陶瓷磚E≤0.5%Bla類瓷質(zhì)磚》、GB/T23266-2009《陶瓷板》的各項(xiàng)指標(biāo)要求。放射性達(dá)到GB6566-2010《建筑材料放射性核素限量》A類要求（詳見(jiàn)產(chǎn)品檢驗(yàn)報(bào)告）。

7 結(jié)束語(yǔ)

“陶瓷大板集成制造關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”的研發(fā)成功，及生產(chǎn)線于2017年12月全面投入規(guī)?；a(chǎn)，達(dá)到了該項(xiàng)目立項(xiàng)的預(yù)期效果。有力地推動(dòng)了生產(chǎn)線智能化、信息化水平，改善了陶瓷企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，減少了廢棄物和污染物的排放量，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排，引領(lǐng)了陶瓷大板的創(chuàng)新水平，創(chuàng)造了許多個(gè)國(guó)內(nèi)第一，擁有多項(xiàng)具有世界先進(jìn)水平的自主配套技術(shù)，帶動(dòng)了行業(yè)技術(shù)進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

同時(shí)，該項(xiàng)目已經(jīng)有12項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)向國(guó)家申請(qǐng)了知識(shí)產(chǎn)權(quán)專利，其中技術(shù)發(fā)明專利6項(xiàng)，實(shí)用新型專利6項(xiàng)，同時(shí)達(dá)到了技術(shù)創(chuàng)新、經(jīng)濟(jì)效益共贏的目的，目前生產(chǎn)技術(shù)及產(chǎn)品質(zhì)量處于成熟穩(wěn)定狀態(tài)，項(xiàng)目圓滿成功，實(shí)現(xiàn)了公司科技創(chuàng)新發(fā)展的戰(zhàn)略意圖。

陶瓷大板的誕生（包括普通厚度和薄板），為陶瓷磚圖案裝飾帶來(lái)了新的視覺(jué)效果，圖案紋理連續(xù)、整體自然、宏觀大器；既可以整體鋪貼，也可以切割組織鋪貼，解決了普通規(guī)格陶瓷磚組合鋪貼時(shí)圖案細(xì)碎、重復(fù)呆板的缺點(diǎn)。為建筑裝飾業(yè)領(lǐng)域提供了更新、更豐富的建筑材料，有力地推動(dòng)了建筑裝飾施工方法改良，為市場(chǎng)提供了更多元化的應(yīng)用，應(yīng)用場(chǎng)合廣泛。

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