陶瓷大板集成制造关键技术研发及产业化
罗志勇 刘有银 毛星华 黄旺明 邱道昌
摘 要：陶瓷大板集成制造关键技术是解决高性能粉料制备，高平整度低变形量煅烧，高平整度低切削量冷加工的工艺，研制出抛光砖类、抛釉砖类、仿古砖类等三大系列的“高韧性陶瓷大板”。关键进行了三个方面的创新攻关：第一是配方优化及高性能粉料制备技术，研制高铝、高钾、低钙镁、低收缩、低烧失量的配方体系，同时重点对喷雾塔浆料雾化装置和工艺方法进行改进，从而获得良好流动性和较高自然堆积密度的粉料；第二是砖坯高平整度低变形量煅烧技术，采用双层反辐射窑体保温结构技术，低温差高效燃烧系统技术，高水平状态传动系统技改，有效提高窑内辐射，提高燃烧效率，实现窑内低温差以及窑内传动的高度平稳性效果，实现“节材、节能”的低碳目标；第三是砖坯高平整度低切削量抛光技术，采用压轮防弹性变形传送结构，刚性与柔性磨块混合搭配相结合的方法，实现了防弹性变形的砖面平整度、低切削量的控制达到固废减排，从而使冷加工效果从量变到质变的整体提升。
关键词：高韧性陶瓷大板；高性能粉料；双层反辐射窑体保温；压轮防弹性变形传送；固废减排；国家发明专利
1 前言
在2000年德国慕尼黑的国际陶瓷工业展上，一款3 mm厚度、2400 × 1200 mm的干压成型陶瓷薄板问世，震惊了世界陶瓷，但当时意大利设备供应商明确表示，该项目要对中国进行技术封锁。陶瓷薄板问世与同类产品相比，单位面积建筑陶瓷材料用量降低一倍以上，节约60%以上的原料资源，降低综合能耗50%以上，无论从原材料使用量、到生产过程中的能源消耗，都很好地实现“节材、节能”的低碳目标。对于产品使用者而言，薄形化、轻量化大规格板材，既节约了物流运输成本，减轻建筑物的荷载，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）也就成为了近年陶瓷行业发展的重要追逐对象。随后，许多陶瓷生产企业也一直不断在进行干压成型陶瓷薄板技术攻关。在2008年，广东某陶瓷有限公司与广东科达机电股份有限公司合作，成功投产国内首条1600 × 900 mm的干压成型大规格陶瓷薄板生产线，称为真正意义上的国内陶瓷薄板，2016年又再推出2400 × 1200 mm的陶瓷薄板。
在国内陶瓷行业中，一般厚度在6 mm以下的产品习惯称为陶瓷薄板（国家标准GB/T23266-2009定义中规定薄板厚度不大于6 mm），厚度超过6 mm的产品习惯称为大板，其实两种产品的生产技术和产品应用都有共同之处，只是厚薄差异而已。
至2016年为止，全国陶瓷砖行业总产能约130亿m2/年，而陶瓷大板（包括薄板）产能不足5000万m2/年，占总产能比例不足0.4%的份额，仍很难满足市场需求，特别是大型公共建筑物的需要，例如机场、高铁站、隧道、宾馆大堂等。另一方面，当前行业最大规格的陶瓷大板（陶瓷薄板）为2400 × 1200 mm，3200 × 1600 mm等更大规格的陶瓷大板成为了市场的期待。
陶瓷大板集成制造关键技术研发及产业化项目通过引进先进无框顶压式压机，配套相应国产设备，研发了适合陶瓷大板（3200 × 1600 mm）稳定生产的工艺技术和生产线装备。技术的核心关键是解决高性能粉料制备的工艺技术和冷加工弹性变形的关键技术难点，利用该技术成功地生产出3200 × 1600 mm超大规格“高韧性陶瓷大板”，有力地推动了生产线智能化、信息化水平，改善了陶瓷企业生产现场环境，实现了节能减排，带动了行业技术进步，实现了良好的社会效益和经济效益。同时将行业的产品规格再上了一个新高度，突破了目前行业的局限，为市场提供了新的建筑材料，推动了陶瓷砖装饰和应用新思路。
2 主要技术创新点
在陶瓷大板集成制造及产业化的研发工作过程中，关键进行了三个方面的技術攻关。第一是配方优化及高性能粉料制备技术，第二是砖坯高平整度低变形量煅烧技术，第三是砖坯高平整度低切削量抛光技术。
2.1 配方优化及高性能粉料制备技术
陶瓷大板的配方体系设计，首要是满足产品应用过程中强度高、韧性好的要求；其次是满足煅烧过程中，坯体低收缩量、温度范围宽、抗急冷开裂性能高的要求；第三是要满足成型干燥过程中，生坯强度高、干燥疏水快的要求。
通过对原料的选择与配方的优化试验，技术人员研发出专门适合陶瓷大板的配方体系，与普通陶瓷砖比较，其最大的特点是高铝、高钾、低钙镁，低烧失量。为了更好地控制烧成收缩，使用了部份煅烧高岭土（5 ～ 8%）代替广东黑泥，采用羟甲基纤维素钠作为坯体增强剂，避免了黑泥减少造成的生坯强度降低的不足，更好地满足了产品性能和生产过程的工艺要求。
配方优化是高性能粉料制备的基础，为了更好地满足大面积冲压成型的特殊要求，对坯料的性能提出了更高的要求，主要包括对流动性、堆积密度、颗粒硬度、生坯强度等。
良好的流动性是高性能粉料的首要标志，良好流动性粉料是满足大面积均匀布料的重要前提，是冲压成型布料瞬间均匀的重要指标，是大板砖坯压制后密度均匀的重要保障。
高性能粉料的制备关键技术，除了配方是重要基础外，主要是对喷雾造粒工艺方法进行创新。为了获得良好流动性和较高自然堆积密度的粉料，本项目重点对喷雾塔浆料雾化装置和工艺方法进行改进，创新性地自主设计、研发出能够获得泥浆雾化高速旋流效果的一种结构装置。
在现有喷雾塔泥浆雾化头的基础上，通过对雾化头结构的设计改进，自主研发、加工出一种双旋流槽旋片（普通旋片为单旋流槽），加大了旋流片的厚度（旋片厚度15 ～ 20 mm，普通旋片为8 ～ 10 mm），降低旋流切角，然后采用高压雾化，提高泥浆浓度，实现高速旋流雾化效果，从而改善了粉料颗粒形状和级配，提高了粉料自然堆积密度。
2.2 砖坯高平整度低变形量煅烧技术
对于陶瓷大板生产，烧成工序也是一个很重要的环节。如何获得高平整度的砖面，以及周边低变形量（窄腰、大小头等）效果，是对烧成技术的核心要求。窑炉关键是实现低温差，以及传动的高度平稳性、辊棒面良好水平状态。
本项目在窑炉方面的创新，主要集中在窑体保温、烧嘴结构、升温制度、辊棒选择与配置等方面。公司研发团队在总结和分析行业辊道窑结构和大量数据后，提出了对窑炉结构的设计思路，并得到了窑炉装备供应企业的肯定和配合，将公司团队提出的创新点（设计方案）应用于窑炉结构制造之中。
2.3 砖坯高平整度低切削量抛光技术
对于陶瓷大板生产，冷加工（磨边抛光）工序也是一个很重要的环节，特别是抛光环节，在获得良好平整度的前提下，尽可能减少抛光切削量，是本项目的另一个技术研究重点。本项目在抛光处理方面的创新，主要集中在砖坯防反弹变形传送、抛光磨块选择与配置等方面。
该技术采用“压轮防弹性变形传送结构”和“刚性与柔性磨块搭配方案”。
（1）“压轮防弹性变形传送结构”的创新应用技术是在原有传输方式基础上，通过在两个磨头的间隙安装了一个横向的压轮（轴），压轮通过皮带（砖面）转动，压轮表面衬有高韧性橡胶套层，对砖坯纵向、横向均起到良好的防弹保护作用。
（2）在目前行业中，针对不同的产品加工需求，陶瓷砖抛光加工技术总体分两大类。第一类是针对抛光砖（无釉）的传统抛光加工，俗称“刚性抛光”、“硬性抛光”，切削量大（一般切削深度为1.0 ～ 2.0 mm），对砖面有矫平作用；第二类是针对釉面砖的抛光加工工艺，行业俗称“柔性抛光”，切削量很少（一般切削深度在0.3 mm以内），对砖面没有矫平作用。
“刚性磨块与柔性磨块混合搭配使用方案”，是采用在抛光机上，将“刚性磨块”与“柔性磨块”混合搭配使用，前段以“刚性磨块”为主，后段以“柔性磨块”为主，目的是在保证砖面平整度的前提下，有效地控制砖面的切削量。
3 产品特点
“陶瓷大板集成制造关键技术研发及产业化”的研发成功，为新产品的研发提供了重要的技术支持，本项目技术已通过科技成果鉴定，并已申报国家发明专利及实用新型专利各6项，技术水平达到国际先进水平。利用本项目的技术成功生产出3200 × 1600 mm、2400 × 1200 mm、1600 × 900 mm等包括抛光砖类、抛釉砖类、仿古砖类三大系列的多种超大规格陶瓷大板，将行业的产品规格再推上了一个新高度，突破了目前行业的局限，为市场提供了新的建筑材料，推动了陶瓷砖装饰和应用新思路。
“陶瓷大板砖”与目前行业产品比较，着重在三个方面取得了突破。一是使陶瓷大板砖获得了抛光砖一样的光洁亮丽，与同类产品（传统抛光砖、抛釉砖、仿古砖）比较，产品物理、化学性能有明显的提高，有高强度高韧性的产品性能；二是陶瓷大板砖产品应用领域更加多元化；三是在获得抛光砖装饰效果的同时，与传统抛光砖比较，较好地实现了节能减排的目的。
3.1 高强度高韧性的产品性能
由于陶瓷大板规格大，对产品的物理性能要求更高。运用“陶瓷大板集成制造关键技术研发及产业化”，生产出的“高韧性陶瓷大板”，强度高、韧性好。断裂模数达到52 Mpa，远远大于GB/T4100-2015、GB/T23266-2009规定的标准值。
3.2 产品应用领域更加多元化
陶瓷大板的诞生（包括普通厚度和薄板），为市场提供了更多元化的应用。为建筑装饰业领域提供了更新、更丰富的建筑材料，有力地推动了建筑装饰施工方法改良。
产品可以整体应用，也可以切割应用；可以用于建筑装饰，也可以用于家具、家电的装饰面板应用（例如背景墙、桌面、茶几面、洗手台面、厨台面、柜门、炉面等）；可以广泛用于地面，也可以应用于内墙、外墙装饰；可以采用干挂施工，也可以采用传统铺贴施工。
同时为陶瓷砖图案装饰带来了新的视觉效果。图案纹理连续、整体自然、宏观大器，既可以整体铺贴，也可以切割组织铺贴，解决了普通规格陶瓷砖组合铺贴时图案细碎、重复呆板的缺点。
3.3 符合节能减排
陶瓷大板在获得抛光砖装饰效果的同时，与传统抛光砖比较，较好地实现了节能减排的目的。第一是减少了冷加工废弃物；第二是减少了冷加工电耗；第三是减少了综合能耗。
4 生产工艺
“陶瓷大板集成制造关键技术研发及产业化”（生产线）是在传统干压陶瓷砖生产线基础上的创新，生产难点、技术核心在于成型工序，而为了满足成型要求，几乎每个工序都涉及了技术创新内容。
4.1 技术创新路线图
4.2 总体工艺流程
4.3 坯体基础配方
适合陶瓷大板的配方体系，与普通陶瓷砖比较，其最大的特点是高铝、高钾、低钙镁，低烧失量。为了更好地控制烧成收缩，使用了部份煅烧高岭土（5 ～ 8%）代替广东黑泥。
配方优化是高性能粉料制备的基础，为了更好地满足大面积冲压成型的特殊要求，对坯料的性能提出了更高的要求，主要包括对流动性、堆积密度、颗粒硬度、生坯强度等。
4.4 成型
成型设备是选择（引进）意大利西斯特姆公司3万吨陶瓷大板自动干压成型机，以及双带无边框布料平台作为成型装备的基础平台。然后通过自主研发的坯料配方优化技术、高性能粉料制备技术，以及吸收消化的成型工艺、布料工艺要点，形成了具有自主技术创新的国产化配套生产技术。
5 主要工艺参数
5.1 高性能粉料制备
5.2 冲压成型
5.3 干燥
5.4 烧成
6 产品标准及性能
经第三方机构检测，产品其他各项尺寸、物理和化学性能指标均达到或优于国家标准GB/T 4100-2015（附录G）《陶瓷砖附录G干压陶瓷砖E≤0.5%Bla类瓷质砖》、GB/T23266-2009《陶瓷板》的各项指标要求。放射性达到GB6566-2010《建筑材料放射性核素限量》A类要求（详见产品检验报告）。
7 结束语
“陶瓷大板集成制造关键技术研发及产业化”的研发成功，及生产线于2017年12月全面投入规模化生产，达到了该项目立项的预期效果。有力地推动了生产线智能化、信息化水平，改善了陶瓷企业生产现场环境，减少了废弃物和污染物的排放量，实现了节能减排，引领了陶瓷大板的创新水平，创造了许多个国内第一，拥有多项具有世界先进水平的自主配套技术，带动了行业技术进步，实现了良好的社会效益和经济效益。
同时，该项目已经有12项应用技术向国家申请了知识产权专利，其中技术发明专利6项，实用新型专利6项，同时达到了技术创新、经济效益共赢的目的，目前生产技术及产品质量处于成熟稳定状态，项目圆满成功，实现了公司科技创新发展的战略意图。
陶瓷大板的诞生（包括普通厚度和薄板），为陶瓷砖图案装饰带来了新的视觉效果，图案纹理连续、整体自然、宏观大器；既可以整体铺贴，也可以切割组织铺贴，解决了普通规格陶瓷砖组合铺贴时图案细碎、重复呆板的缺点。为建筑装饰业领域提供了更新、更丰富的建筑材料，有力地推动了建筑装饰施工方法改良，为市场提供了更多元化的应用，应用场合广泛。
参考文献
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