褚 强,王 彬
(1.苏州中材非金属矿工业设计研究院有限公司,江苏 苏州 215004;2.江苏苏州地质工程勘察院,江苏 苏州 215129)
三十年来,我国陶瓷工业发展迅猛,陶瓷产量连续十多年排在世界第一,其总产量约占世界总产量的52%。统计数据显示,2000~2006年七年间,我国卫生洁具产量保持了年均11%的速度增长,到2007年产量达到了9800万件,占世界卫生洁具总产量的36%。我国餐具产量保持了7%的年均增长,到2007年产量超过了190亿件,占世界餐具总产量的60%。据介绍,1978年以前,大部分餐具生产还仅用于满足国内市场,从1978年起,出口量在总产量中的比重逐年递增,到2007年出口已占总产量的63%。2006年,我国建筑陶瓷墙地砖产量已经超过50亿m2、卫生陶瓷已超过1.31亿件。由此估算出,我国的当年需陶瓷原料达2亿t以上。
瓷石和瓷土是生产陶瓷的主要原料,在瓷坯组成中约各占40%。我国有着得天独厚的瓷石原料资源,因此能够得以长期支持着中国陶瓷产业的健康发展。我国南方瓷石矿中,以江西和湖南储量最多,湖南醴陵马泥沟的储量达到1亿t。另外,福建和浙江的地质储量也十分丰富。近几十年来,随着科技进步与开发利用水平的不断提高,我国陶瓷业对于替代瓷石的非金属矿原材料,如硅灰石、磷灰石、锂辉石等各种硅酸盐矿和工业废料的开发利用,也进入了一个新的阶段。这两年新政策对原料和矿产的出口控制更加严格,中国出口的高品质陶瓷原料数量或将减少,价格也会相应上升。世界陶瓷业的领导地位,使我国逐渐成为了世界最大的陶瓷矿产原料消费国。
我国北方瓷石矿床储量巨大,其中一些矿产可供使用成百或上千年。这一资源优势既能够为继续推动我国陶瓷发展打下基础,又为我国发展陶瓷原料大批量出口,创造丰厚的条件。
瓷石(China stone)是一种坚硬或半坚硬的石质原料,瓷石是岩石名称,也是矿物原料名称。其有益成分是石英(约40%~30%)、绢云母(约16%~30%)、高岭石(0%~12%)和极少量长石及碳酸盐。化学成份SiO2一般大于78%,A12O3一般不超过20%,K2O和Na2O 约为3%~8%,Fe2O3在1%左右,此外还含CaO、MgO等。因其含有构成瓷坯的基本组分,并且有适应制瓷工艺和烧成所需的性质,单一瓷石即可成瓷,故名瓷石。瓷石因含有一定钾、钠,在制瓷配方中常代替长石起熔剂作用。瓷土为瓷石风化的产物,为塑性原料,矿物成分以伊利石和石英为主,部分高岭石、长石。瓷石属瘠性原料,为了增加其可塑性,满足成形性能要求,需要与高岭土配合。瓷土和瓷石常共生成矿,也可各自独立成矿。
瓷石中含碱金属氧化物较低者,有较高的耐火度和良好的工艺性能而作为瓷胎的基本原料,称其为高温瓷石(硬质瓷石),富含长石,由石英、水白云母、伊利石等组成;而其中含碱金属氧化物较高、耐火度较低者,主要用作釉料(称为釉石)或瓷胎配料者,称其为低温瓷石(软质瓷石)。早期开采使用的瓷石出露于地表,风化程度较好,碱金属氧化物(尤其是Na2O)流失,A12O3相对富集。瓷石埋藏愈深,长石矿物绢云母化程度愈低,A12O3含量减少,SiO2含量增加,K2O+Na2O含量较高。
河北宣化瓷石矿体,产于中上元古界长城系团山组底部,赋矿岩石为白色、灰白色及浅粉色,属流纹岩(硬质瓷石)和蚀变流纹岩(软质瓷石)。矿床断面呈硬质瓷石和软质瓷石层状均匀分布,矿石质地均匀。
陶瓷用瓷石原料质量要求,可分为原矿基本性能要求和工艺性能测试两部分。
2.2.1 原矿基本性能要求
瓷石主要矿物成分是绢云母(或水云母)、石英和少量高岭石等,经粉细后亦称作瓷土,具有黏土性质,然而Al2O3含量一般在13%~18%,SiO2含量达70%~78%,Fe2O3一般为0.6%~0.8%。为有利于生产,对瓷石制订了一些相应的企业质量标准,如对化学成分规定:SiO2>65%,Al2O3>15%,Fe2O3<0.7%,CaO 化学成分的数值是质量的重要指标,但要全面地看。因为各项成分有多有少,有时原料这方面的成分好些,那方面的成分差些;有的原料似乎各种成分均好,但使用性能却差,这又必须要从物性指标来综合衡量。反之,有些化学成分差的原料,工艺性能却很好。如坯料的成型性差,加入少量的膨润土作强塑化剂,但膨润上含低熔点的成分多,收缩大易于变形。景德镇的余干瓷石,虽化学成分较差,但可塑较强,故仍在一些配方中使用;而且某些瓷石具有一种特殊性能,如防止大件产品煅烧开裂(俗称“过缸”),实践证明非用到化学成分较差的三宝蓬瓷石不可。所以,衡量一种原料的好坏,应从全面来考虑。 2.2.2 瓷石原料的工艺性能测试与要求 中国发明瓷器的决定因素之一是原料中使用瓷石,瓷石中有适合成瓷的矿物成分,在1200~1300℃具有良好的瓷化性能。制瓷胎泥系采用高岭土、瓷石两类原料配合(3∶7~6∶4)而成,这是我国传统制瓷工艺的一个特征。瓷石原矿加工后的产物称为“不子(碓不)”,或叫精泥,精泥的工艺性能有显著提高,制胎使用精泥可以少用或不用高岭土。景德镇部分瓷厂坯料配方列于表1。瓷石的主要工艺性能有可塑性、结合性、粒度组成以及白度、干坯强度、干燥性能、烧成性能等。表2列出了我国部分瓷石(碓不)的工艺性能测试结果。 表1 景德镇部分瓷厂坯料配方 坯料的组成要满足配方要求。一种优质瓷器坯料配方(%)组成为:瓷土40;高岭土35;瓷石13;长石9;黑泥3。除了要求准确称量各种原料外,同时要谨防加工过程中杂质的混入。 各种组分混合均匀。包括主要原料,水分及添加剂在坯料中的均匀分布。若组分产生离析,会导致半成品出现缺陷,从而影响产品质量。 坯料各组分颗粒达到要求的细度,以减少成型和干燥过程中的废品。 可塑料和注浆料中,空气含量应尽量减少,以提高坯体的强度及改善产品的介电性质。 表2 我国部分瓷石(碓不)的工艺性能测试结果 不同成形方法对产品的要求各不相同,在符合总要求外,各自还有一些具体的要求:①可塑料。用于可塑成型的坯料,其水分含量在18%~25%。②注浆料。坯料水分在28%~35%之间。③压制粉料。坯料中含水分为8%~15%的称为半干压料,它是一种湿润的粉料,在一定的机械压力下,即可得到制品的坯胎。含水分3%~7%的称为干压料。热压铸成形用的浆料或干粉和蜡后的蜡饼等,均称为热压铸坯料,不含水分。 风化残余型瓷石矿床:主要为酸性凝灰岩和酸性浅色脉岩经风化作用而形成的矿床,如贵溪新溪、乐平枫源、东乡佛岭等瓷石矿。 风化热液型瓷石矿床:成矿母岩也为酸性浅色脉岩。产于构造活动带部位,由于受岩浆期后气化热液作用,使铝硅酸盐矿物沿颗粒表面至内部发生程度不一的黏土化。该类矿床延深较大,如景德镇柳家湾、宁村、贵溪上祝等瓷石矿。 1970年,地质工作者对景德镇一带的瓷石矿床作了调查研究,将南河和小南河一带的古瓷石矿床分为蚀变、风化两种类型。 蚀变型矿床:接近地表的上层,Al2O3的含量一般高达18%~19%,K2O+Na2O一般低于3%。在1200℃左右烧成不易变形,故称它为高温(或硬质)瓷石。下层瓷石Al2O315%~17%,K2O+Na2O含量一般为4%~6%,掺入高岭土为理想的制胎原料。 风化型矿床:上层为半松散之岩石,铝氧以及钾、钠物质含量与蚀变型上层矿石相近。中层 与蚀变型下层相近。下层Al2O3仅13%~15%,K2O+Na2O高达5%~7%,焙烧时易变形,称它为低温(软质)瓷石。 主要矿石类型有石英斑岩、花岗斑岩、霏细岩、细晶岩、次生石英岩、流纹岩等。 石英斑岩型:外观呈灰白、米黄、青灰等色,油脂或丝绢光泽, 致密块状, 斑状结构, 斑晶由六方双锥状高温石英及自形、半自形板条状长石组成。基质由细鳞片状绢云母集合体组成, 其中散布着一定量的石英、长石颗粒。偶见大的白云母片, 深色矿物黑云母、角闪石含量甚少, 常有少量高岭石、黄铁矿、方解石、蛋白石等伴生。系由石英斑岩发生绢云母化或硅化绢云母化形成, 通常呈脉状产于花岗岩、火山岩或其他围岩中。江西景德镇、浙江绍兴瓷石属此类型。 花岗斑岩型:特征是斑状结构, 斑晶成分亦为石英与长石, 基质是由石英、长石的细晶或微晶组成, 故其矿物成分与石英斑岩相似, 区别是含有少量黑云母、角闪石等铁镁矿物。若花岗斑岩基质中的长石与石英呈文象状交生, 即具文象结构, 这种岩石称花斑岩。上述二种原岩经热液蚀变发生绢云母化、高岭土化,即成瓷石。但其含铁量较高, 故质量上不如石英斑岩型瓷石。 霏细岩型:斑晶含量甚少,几乎不含铁镁矿物,基质由石英、长石颗粒组成,呈霏细结构或球粒结构, 岩石蚀变为瓷石后, 长石转变为绢云母,并常有方解石及少量黄铁矿伴生。多呈层状或脉状产出。这种类型有浙江肖山、江苏新沂等矿床。 细晶岩型:特征是晶粒微细,主要矿物成分为长石正长石及酸性斜长石和石英,几乎不含铁镁矿物。若经热液蚀变,长石转变为绢云母、高岭石,即可供作瓷石使用。此类瓷石一般长石含量较高,多呈脉状产于花岗岩类岩石及附近围岩的裂隙中。 次生石英岩型:这种瓷石是由中酸性火山岩,如火山角砾岩、凝灰岩、流纹岩经碱性热水溶液作用形成的硅化绢云母化岩石,尤其在火山口附近的喷出岩中特别发育。外貌呈灰、灰白等色,质地致密,具贝壳状断口,主要矿物成分是石英、绢云母,伴生矿物种类很多,有明矾石、红柱石、水铝石、高岭石、叶蜡石及铁钛氧化物。其中明矾石和铁、钛氧化物是有害杂质。此类瓷石在我国东南沿海中生代侏罗纪火山岩系中分布很广。日本制瓷用的“陶石”,都是这类型。 我国瓷石矿产资源十分丰富, 它们主要分布在我国东部的华夏期台内活动构造(地洼)单元。这一单元多期多阶段的岩浆活动,为瓷石成矿创造了有利条件。特别在构造活动后期,地壳再次隆起地区(如江南地质单元),往往是瓷石成矿最有利地区。根据地质构造单元划分,从北向南分为华北瓷石成矿省、华中瓷石成矿省和东南瓷石成矿省三大成矿省和若干个成矿区。其中,华北成矿省规模最大,其内瓷石成矿区分布大小不均,主要矿区有河北宣化、山西应县和山东的大昆仑。华中成矿省苏、浙、皖的瓷石矿,开采规模小而密,矿区集中,颇具特色,著名的有安徽祁门瓷石和浙江的木岱口、毛家山、沅底等。东南成矿省矿山企业最多,开采历史悠久。江西、湖南、福建、广东几乎遍布各地。著名的产区有湖南的马颈坳、麻坡瓷石和八里坳,江西景德镇的三宝蓬、南港、余干和柳家湾,福建的德化、永春、安溪和闵侯。 陶瓷矿物原料科学合理地开采利用和保护是当前的发展趋势。 (1)陶瓷行业是一个资源型的劳动密集型行业,可以为社会创造财富和就业机会,但如果搞不好, 耗费大量的能量,也可以极大地破坏和污染环境。科学合理稳定地开采、使用和保护天然矿物资源,具有深远的意义。 (2)在各种陶瓷原料中,我国是世界上瓷石资源储量较大的国家,但瓷石出口并没开展,而资源相对较少的高岭土、黑黏土(球土) 等出口量较大。在实行必要的保护、 限制低价大量出口资源产品同时,政府应出台法律法规,在条件适宜的情况下,鼓励优先出口资源相对丰富的陶瓷原料。 (3)为提高出口瓷石产品价格,应鼓励和提倡矿物原料生产供应的专业化、标准化、商品化、系列化(简称四化) 水平,实行原料加工产业化。 (4)重视瓷石釉料产品开发。提高色釉料产品的质量水平,使其为陶瓷制品的表面质量和档次的提高,为使用低质量或丰富矿料提供条件和成为可能。 (5)切实执行国家的资源开发政策,将资源的合理利用和环境保护密切结合起来,实现资源的利用和生态保护的代偿互补。传统陶瓷原料多元化多样化采集利用、陶瓷原料取得与环保实现互补、陶瓷原料加工的节能降耗新工艺新装备开发,永远是中国陶瓷产业发展方向。 [1] 方邺森,方金满,夏志武.瓷石和瓷土的类型和特征[J].陶瓷学报,1988,(1). [2] 余祖球.瓷石是中国瓷器发明的物质基础[J].江苏陶瓷,1996,(3). [3] 余祖球.南港瓷石的矿床特征及其工艺性能[J].江苏陶瓷,1999,(2). [4] 余祖球,余传军.三宝蓬瓷石特征和工艺性能[J].佛山陶瓷,1997,(3). [5] 王晓钧,帅国方.山西应县瓷石的研究[J].南京化工大学学报,1995,(S1). [6] 李维善,曹卓明.醴陵马颈坳瓷石矿精选试验初步实践[J].陶瓷,1991,(3). [7] 汪 灵.中国东部地洼阶段岩浆建造与瓷石矿床成矿作用的关系[J].大地构造与成矿学.1992,(2).3 我国瓷石矿产类型和成矿区划分
3.1 矿床成因和矿石类型
3.2 我国瓷石矿区的划分
4 我国瓷石原料资源的发展趋势