阶梯环验收要求

陶瓷材料分为氧化铝陶瓷和氧化硅陶瓷。用于吸收塔的陶瓷填料一般为氧化硅陶瓷。

1、规范对填料瓷环的要求

目前已知可执行的规范是GB/T18749－2019《耐化学腐蚀陶瓷塔填料技术条件》。本规范从尺寸、物理化学性能两个方面对陶瓷填料作出了要求，具体如下：

（1）尺寸偏差要求（㎜）：

规格	筒体上口直径	筒体下口直径	高度	厚度
25	25±1.5	28±1.5	15±1	3±0.5
38	38±2	43±2	23±1.5	4±0.5
50	50±2.5	56±3	30±1.5	5±1
76	76±4	85±4	46±2	8±1

（2）物理、化学性能要求

1）抗压强度

环形填料采用径向加载方式，向整个圆筒体施加载荷时，其受力线上单位长度所能承受的载荷应不小于4.4N/㎜。散堆填料每组不少于10个。试验时，以0.5～2.5kN/min的速度加载，读取试样破坏时的最大压力值，用下面公式计算试样的抗压强度，以其算术平均值为试验结果，并报告所用的加载速率。

式中：

――抗压强度，

；

――压碎力，

；

――受力线长度，

。

试样放置示意图

1、5――试验机上、下压头；2――上、下压板；3――吸油纸垫

规格	直径㎜	承受载荷min（N）	规格	直径㎜	承受载荷min（N）
25	28	28×4.4＝123.2	50	56	56×4.4＝246.4
38	43	43×4.4＝189.2	76	85	85×4.4＝374

2）吸水率

吸水率要求不大于其质量的0.5%。试验方法按HG/T3210－2002《耐酸陶瓷材料性能试验方法》第8条进行。

3）耐酸度

陶瓷材料的耐酸度应不小于99.8%。试验方法按HG/T3210－2002《耐酸陶瓷材料性能试验方法》第9条进行。

2、化学成分（仅作参考，不作为验收依据）

SiO₂：65%～85%；Al₂O₃：15%～30%；Fe₂O₃：≤1.5；其它：5%～15%。

说明：

（1）SiO₂含量对陶瓷材料的影响

当SiO₂含量从20%增加到35%时，陶瓷材料的容重和表观密度均增大，而吸水率和盐酸可溶率均减小；当SiO₂含量从35%增加到55%时，陶瓷材料的容重和表观密度均减小，而吸水率和盐酸可溶率均增大。

SiO₂是构成陶瓷材料内部骨架结构硅酸盐晶体的重要组成部分，在烧制过程中Si⁴⁺能与―O―形成稳定的正四面体结构。当SiO₂含量过低时，在烧结过程中原料不能提供充足的Si⁴⁺以形成足够稳定的硅酸盐骨架，所以烧结出来的材料体积收缩系数不明显、易破碎，导致密度小、耐腐蚀性差、吸水率偏高。SiO₂的熔点是1725℃，SiO₂含量过高时，会提升原料组分的低共熔点，需要更高的烧结温度，增加能耗。当烧结温度在1100℃时，由于组分低共熔点的升高导致材料烧结不完全，体积无明显的收缩，造成陶瓷内部结构松散不稳定，容重和表观密度下降，吸水率和盐酸可溶率升高。

（2）Al₂O₃含量对陶瓷材料的影响

Al₂O₃含量越高，陶瓷的性能越好。除了有高的机械强度外，还有优良的耐磨性和耐腐蚀性能。

（3）Fe₂O₃含量对陶瓷材料的影响

铁及其氧化物是制品生产中的主要杂质，为了不影响产品质量，原料必须经过磁选除铁。

3、阶梯环填料的特性参数

规格	比表面积a	空隙率ε	堆积密度	堆积个数	干填料因子
25	210m^2/m^3	73%	620 kg/m^3	73000 m^-3	540 m^-1
38	153m^2/m^3	75%	580 kg/m^3	22000 m^-3	363 m^-1
50	109m^2/m^3	78%	520 kg/m^3	9100 m^-3	221 m^-1
76	63m^2/m^3	80%	460kg/m^3	2500m^-3	123m^-1

说明：

（1）阶梯环填料比表面积：塔内单位体积填料层具有的填料表面积。填料比表面积的大小是气液传质比表面积大小的基础条件。填料的比表面积愈大，所提供的气液传质面积愈大。有两点要说明：第一，操作中有部分填料表面不被润湿，以致比表面积中只有某个分率的面积才是润湿面积。据资料介绍，填料真正润湿的表面积只占全部填料表面积的20～50%。第二，有的部位填料表面虽然润湿，但液流不畅，液体有某种程度的停滞现象。这种停滞的液体与气体接触时间长，气液趋于平衡态，在塔内几乎不构成有效传质区。为此，须把比表面积与有效的传质比表面积加以区分。但比表面积仍不失为重要的参量。

（2）空隙率ε：是塔内单位体积填料层具有的空隙体积。ε值大则气体通过填料层的阻力小，故ε值以高为宜。对于乱堆填料，当塔径D与填料尺寸d之比大于8时，因每个填料在塔内的方位是随机的，填料层的均匀性较好，这时填料层可视为各向同性，填料层的空隙率ε就是填料层内任一横截面的空隙截面分率。当气体以一定流量过填料层时，按塔横截面积计的气速u称为“空塔气速”（简称空速），而气体在填料层孔隙内流动的真正气速为u1。二者关系为：u1=u/ε。

陶瓷阶梯环增加了填料颗粒之间的空隙，减小了气体穿过填料层的阻力，而且这些接触点还可以为液体沿填料表面流动的汇聚分散点，从而促进了液膜的表面更新，有利于填料传质效率的提高。

（3）堆积个数：根据计算出的塔径与填料层高度，再根据所选填料的n值，即可确定塔内需要的填料数量。一般要求塔径与填料尺寸之比D/d>8（此比值在8～15之间为宜），以便气、液分布均匀。若D/d<8，在近塔壁处填料层空隙率比填料层中心部位的空隙率明显偏高，会影响气液的均匀分布。若D/d值过大，即填料尺寸偏小，气流阻力增大。

（4）填料因子：是填料的比表面积与空隙率三次方的比值，即

 ,称为填料因子,以中表示，其单位为1/m。填料因子有干填料因子与湿填料因子之分，填料未被液体润湿时的

称为干填料因子，它反映填料的几何特性；填料被液体润湿后，填料表面覆盖了一层液膜，a和

均发生相应的变化，此时的

称为湿填料因子，它表示填料的流体力学性能,中值越小，表明流动阻力越小。

4、验收

（1）验收方式由供需双方在购买时协商确定。

（2）供需双方末做专门规定的，填料应按批进行检验、验收。填料50立方为一批，不足50立方亦按一批计。

（3）选取具有对本批产品代表性的方式随机抽取样品。散堆填料每批抽样20个。

附1：

氧化物性质分类及单键强度

元素	原子价	配位数	单键强度kJ/mol	对网络的作用
B	3	3	498	网络
Si	4	4	444	形成体
Al	3	4	423～331	（F）
Ti	4	8	308	中间体
Al	3	6	221～280	中间体
Mg	2	6	155	网络外体
Li	1	4	151	网络外体
Ba	2	8	176	网络外体
Ca	2	8	135	（M）
Na	1	6	84	网络外体
K	1	9	53	网络外体

SiO₂、B₂O₃具有构成各自特有的网络体系的能力，其中Si的配位数为4，B的配位数为3，分别构成SiO₄四面体和BO₃三角体的基本结构单元。而MgO、BaO、LiO、CaO、SrO等氧化物单键强度小于251kJ/mol，不具有玻璃形成倾向，不进入结构网络。

Al₂O₃为中间体氧化物，其性质介于网络形成体和网络外体之间。Al有两种配位状态，即6配位和4配位，如果存在大量的碱性氧化物，Al以网络形成体的角色出现形成AlO₄四面体.

在Al₂O₃和SiO2为主要成分的瓷坯中，Al2O3含量在46%以上者。Al2O3含量为90%～99.5%时称刚玉质瓷。

附2：坯料的质量控制

坯料的质量控制是指各种用于成型坯料应控制的各种质量指标，通过控制这些指标，达到控制坯料的质量的目的，下面介绍各种坯料的控制指标。

1、塑性坯料的质量要求:

（1）泥料的可塑性

可塑性是塑性坯料的重要工艺性能，通过改变原料的品种和含量，采用塑化剂和加人回收的废坏泥(回坯泥)来调整坯料的可塑性。

可塑性主要由黏土原料提供，如膨润土、南方的黑黏土、北方的紫木节士等都是强塑性原料，虽然它们的用量不多，但提高可塑性的效果很好。由于它们的加入会导致烧后坯体的颜色变深，收缩增大，有时还因含碱金属及碱士金属氧化物较多而影响产品质量，因而一般控制其用量。

回坯泥经过多次练泥、陈腐和使用后，一般塑性较高，以适当比例与新配坯料掺和使用也可提高坯料的可塑性。有机黏合剂能将矿物粉黏结在一起， 因此在坯料中，特别是特种陶瓷的脊性坯料中常用它来塑化，常用的黏合剂为水溶性有机胶体和高分子化合物。

（2）泥料的含水量

可塑坯料的水分取决于采用的成型方法，对于日用陶瓷来说，手工成型的可塑坯料含水量最高，机压成型的水分为6%～10%。生产中可控制练泥机挤制泥段及成型时毛坯的水分。

（3）泥料的颗粒细度

可塑坯料的细度直接影响坯料的工艺性质和产品性能。虽然细颗粒会相应提高坯料的可塑性、干后强度、烧后强度及电性能等，但同时也应考虑采用颗粒过细的泥料会使细磨时间延长而带人较多的杂质，设备效率降低，以及电耗增大。此外，还可能增加成型水分，延长干燥时间。一般瓷器坯料的细度控制在万孔筛筛余2%以下，精陶坯料细度控制在万孔筛筛余2%～5%。

（4）泥料中的气孔

可塑坯料含有7%～10%的空气，它们多以细小的气泡分散于泥料中，或吸附在粒子的表面上，也可能以较大的气泡吸存于坯体中，它们将影响泥料的成型性能和产品的机电及化学稳定性等性质。因此，需采用真空练泥机或陈腐工艺将其去除。

（5）生坯的干燥强度

生坯干燥强度反映出坯料结合性的强弱，这对成型后的脱模、修坯、施釉，以及自动化成型流水线的坯体传输、取拿过程中降低破损率具有重要意义。

生产上多以生坯的抗折强度来衡量塑性坯料的干燥强度，并通过调节强可塑性黏土或结合性强的黏土用量或加人添加剂来提高。一般而言，南方的原生高岭土的结合性较差，因而生坯的干燥强度较低；北方的次生高岭土的结合性好，故生坯的干燥强度也较大。

（6）坯体收缩率

可塑坯料的干燥收缩率和烧成收缩率对坯体的造型及尺寸有重要作用，尤其是在调整原有配方时将涉及石膏模及匣钵等配套辅助用品的尺寸变动以及产品规格尺寸的稳定。收缩率可通过塑性物料与瘠性物料相对含量来调节。

2、注浆的质量要求：

（1）泥浆的流动性

影响泥浆流动性的因素有：固相颗粒的大小、含量、温度、水化膜的厚度、PH值、电解质。

泥浆的流动性应好，而相应地含水量应少。通常用恩式粘度计测定100ml固定密度的泥浆流出时间来表示。

在保证满足对泥浆流动性要求的条件下，泥浆的含水量应尽量低些，以降低坯体收缩，减少石膏模吸水量，提高模型干换速度。缩短模型使用周期和延长使用寿命。一般而言，泥浆含水量的控制可通过加入适当的电解质缩短模型来调节，常加入的电解质有碳酸钠和水玻璃等。

（2）泥浆的密度

普通黏土质泥浆相对密度在1.65～1.85.当浇注小型产品和空心注浆时，泥浆相对密度可小些，浇注大件产品或进行注浆时，泥浆相对密度应大些。

3、泥浆的细度

泥料的细度因产品大小形状不同而异，小型产品(如日用陶瓷、化工瓷等)成型的浆料细度比大型产品的更细。若浇注小型制品浆料中的粗颗粒太多，容易使坯料产生厚薄不均的缺陷。

4、泥浆的厚化系数

不同地区生产不同的产品，泥浆的厚化系数不同。普通瓷器厚化系数接近于1.2，空心注浆用的泥浆厚化系数为1.1～1.4，实心注浆厚化系数为1.5～2.2。

5、渗透性

由于泥浆具有适当的浇注速度，故需要有适当的渗透性。这样，既可缩短注浆时间提高效率，又不会因浇注速度过快而造成坯体厚薄的困难。

三，陶瓷粉料的要求：

目前普遍采用陶瓷泥浆经喷雾干燥来制备颗粒级别较多、级配比例又合理的近似球状颗粒的陶瓷粉料，这种粉体具有良好的工艺性能。

1、颗粒级别及其配比例

颗粒尺寸较大，流动性较好，但所得坯体的表面粗糙;颗粒尺寸较小，坯体表面细致，但较小的微细粉料易于填塞排气通道，造成排气困难，极易产生压制裂纹等成型缺陷。同时由颗粒的最紧密堆积原理可知，采用同一-规格尺寸的颗粒紧密堆积时，其孔隙率高达45%;而采用50%的粗颗粒、10%中颗粒和40%的细颗粒紧密堆积时，其孔隙率可降低至2%。显然采用颗粒级别更多及级配更合理的颗粒紧密堆积时，其孔除率还会降低。

2、粉料颗粒形状与流动性

采用泥浆喷雾干燥制备近似球状颗粒的陶瓷粉料，易于迅速填满模具型腔各部位并获得较高的填料密度，从而确保致密度较高。

3、粉料含水率

陶瓷粉料的含水率大小在很大程度上影响颗粒的结合强度及压机模具的黏模等。陶瓷粉料的含水率较低，有利于延缓压机模具的粘模时间，减少抹模次数，此时颗粒的结合强度较差，不具有可塑性；含水率高，形成泥浆。含水率一般为5%～7%。

4、粉料容重

陶瓷粉料的容重是指陶瓷粉料在重力的作用下填满单位体积容器时所具有的质量。它主要取决于陶瓷泥浆的含水率、黏度、配方及泥浆的雾化压力等参数。显然陶瓷粉料的容重越大，其颗粒堆积得就越紧密，那么所得坯体的物理机械强度及致密度等就越高；反之，陶瓷粉料的容重越小，其颗粒堆积就不很紧密，压制成型的坯体的物理机械强度及致密度等就较低。陶瓷粉料的容重一般为1150～1300g/l。

四、提高陶瓷产品强度的方法

先进的陶瓷企业，普遍都使用增强剂用于提高坯体强度，降低破损率。用于陶瓷原料的增强剂通常由高分子有机化合物组成，当烧成温度达到400～500℃时，有机增强剂大部分炭化、烧失，对最终烧成的瓷坯没有影响。使用时通常将坯体增强剂加入浆料中混合均匀，加入量为0.15%～0.3%，然后经喷雾干燥造粒，用这种粉料制坯体，生坯强度通常可提高15%～20%。

例如国内某厂在压制 300mm×300mm瓷质砖时，使用了坯体增强剂，当加入量为为0.3%时，生坯强度从原来的0.98MPa提高到1.43MPa（采用lOOOt自动液压机）。坯体增强剂有粉体和液体两种，前者易于包装运输但易吸潮结团，后者则易于在陶瓷浆料中分散均匀，使用更为方便，并能对浆料起到悬浮稳定作用，即使加入量高达5%，也不会使浆料稠化，而且不影响浆料的流动性。

                                                 编辑于江西萍乡

                                                二〇二二年三月十二日