陶瓷抛光渣烧成发泡的气氛影响与控制研究

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近年来,随着国民经济水平的提高,人们对自身居住条件有了更高的要求,陶瓷抛光砖广泛地应用于各个建筑领域,抛光砖以其优异的理化性能丰富人们自身居住条件的同时,陶瓷抛光渣大量产生、回收利用困难所引发的一系列诸如资源浪费、环境污染、土地占用等资源环境问题,严重制约着陶瓷工业的可持续发展。前期研究结果表明,陶瓷抛光渣含有少量的SiC,在烧成时SiC氧化所引起的陶瓷严重发泡、变形,是其资源化利用困难的最主要原因。若能在烧结时控制SiC发泡,将陶瓷抛光渣直接应用于陶瓷抛光砖的生产,将会大大缓解陶瓷抛光渣带来的资源环境问题。文献指出,SiC的氧化机理与气氛、温度密切相关。因此,本文通过控制气氛条件与温度条件,详细研究气氛对陶瓷中SiC发泡的影响,并探讨相关机理;同时,利用陶瓷抛光渣研究开发一种能够低温烧成的致密陶瓷抛光砖,并对其性能进行研究。本论文首先研究了不同气氛SiC含量对陶瓷烧成发泡的影响,通过分析样品的体积密度、吸水率和断面形貌,发现Air气氛下SiC的氧化引起陶瓷的严重发泡,而N2和Ar气氛下SiC的氧化不发泡。然后,采用恒温氧化实验,通过EDS分析、失重分析以及物相含量分析研究SiC在不同气氛条件下的氧化机理。研究结果表明,SiC在Air气氛与N2气氛下分别发生了被动氧化与主动氧化,相对于N2气氛,Air气氛下生成的液相量更多;1170oC恒温氧化180 min过程中,Air气氛下有0.51 wt%SiC被氧化,N2气氛仅有不足0.1 wt%SiC被氧化。在陶瓷烧结致密化过程中,SiC表面生成的SiO2保护膜不能有效阻止氧化反应,反而延长了氧化时间,因而SiC的被动氧化反应总量较大,引起陶瓷发泡;而主动氧化在此过程中被抑制,其反应总量较小,对陶瓷致密化过程基本无影响。同时,本论文还通过定量分析和正交试验分析研究了Na2O、K2O、MgO、CaO四种碱性氧化物对陶瓷中SiC烧成发泡影响。结果表明,Na2O可与SiC表面的SiO2层发生腐蚀反应生成Na2SiO3液相,从而使SiC发生连续的氧化反应,而K2O、MgO、CaO则通过影响此腐蚀反应的反应环境来影响SiC的氧化。四种碱性氧化物对SiC烧成发泡的影响大小顺序为:Na2O>K2O>MgO>CaO。在此基础上,通过调整配方中抛光渣、黑泥、钾长石、滑石含量控制配方中碱性氧化物含量,利用30 wt%抛光渣、46.3wt%黑泥、21.0 wt%钾长石、2.7 wt%滑石在1100oC、保温30min条件下制备了一种抛光砖,该抛光砖体积密度为2.41 g/cm3、吸水率为0.04%、抗弯强度为51.60 MPa,且晶相组成与抛光砖一致。性能指标均能达到抛光砖要求(体积密度2.37 g/cm3,吸水率<0.05%,抗弯强度44-46 MPa),且烧成温度与传统陶瓷相比降低70oC。本论文有三个创新点:1、定量研究了坯体中的相组成,系统研究了不同气氛下SiC在陶瓷中的烧成发泡机理;2、定量研究了Na2O、K2O、MgO、CaO对陶瓷中SiC烧成发泡的影响;3、研究开发了一种以30 wt%陶瓷抛光渣为原料的陶瓷抛光砖低温烧成技术。
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