陶瓷工艺原理10章烧成与窑具.ppt

第十章 烧成及窑具,主讲人：胡晓洪,陶瓷工艺原理,要 目,10.0 三种烧成情况 10.1 烧成制度 10.2 快速烧成 10.3 装钵装窑 10.4 窑具 习 题,10.0三种烧成情况,(1) 纯坯烧（坯变）如陶器，玻化砖，特种陶瓷 (2) 坯素烧 + 釉烧（釉变为主）如釉面砖， (3) 坯 + 釉 一次烧 (坯釉同时变） 烧成制度需坯、釉同时考虑，但往往更多考虑坯体，因坯体是主体。,窑具,10.1.1 烧成制度,定义：通过高温处理，使坯体发生一系列物理化学变化，形成预期的矿物组成和显微结构，从而达到固定外形并获得所要求效果的工序。 烧成过程是在称为“窑炉”的专门热工设备中实现的 制品在窑炉中进行烧成时，为避免火焰直接接触制品而造成窑内污损，为承载、叠装制品，需要一定形状，性能的耐火材料来达到这个目的，通称窑具。,10.1 烧成制度,烧成工序是陶瓷生产过程中最重要的工序之一，制定科学合理的烧成制度，并准确执行是产品质量的重要保证。 烧成温度：为了达到产品的性能要求，应该烧到的最高 温度。（P418） 烧结温度：材料加热过程达到气孔率最小、密度最大时 的温度。 对于致密材料。如果不要求致密，则烧成温度小于烧结温度。陶器,10.1.1 烧成制度,10.1.1 烧成制度,一、烧成制度与产品性能的关系 1、烧成温度对产品性能的影响 导热系数、抗折强度、弹性模量、膨胀系数 1）烧成温度与产品的气孔率有关（过烧膨胀） 2）烧成温度与产品的岩相组成有关 2、保温时间对产品性能的影响 3、升、降温速度对产品性能的影响 4、冷却速度对产品质量的影响,二、保温时间对产品性能的影响,降低烧成温度，延长保温时间，有利。 使各部分物理化学反应均匀，对大型、异形，装载过密的烧成 三、升，降温速度对产品性能的影响 冷热膨胀的影响，气体的影响。 四、烧成气氛对产品性能的影响（P422,） 氧化还原焰，对烧结温度，线收缩，过烧膨胀，颜色，透光度，釉面质量。,四、烧成气氛对产品性能的影响,10.1.2 制定烧成制度的依据,一、坯料组分在加热过程中的性状变化 1）相图（晶型转变）和热分析资料（差热曲线DTA、失重曲 线TG、热膨胀曲线TE、ITE）。是确定升、降温速度的依据之一。,利用热分析综合图谱绘制理论烧成曲线,低温阶段注意：100150 脱吸附水升温不能太快； 500600 脱OH、晶型转变升、降温不能太快；,10.1.1 烧成制度,二、烧结曲线（气孔率、烧成线收缩率、吸水率及密度变化曲线）和高温物相分析（P418表105），是确定烧成温度的主要依据。,10.1.2 制定烧成制度的依据,1.烧结范围宽、液相粘度大、量随温度变化小的坯料，烧成温度可以确定在烧结范围上限附近（T2）； 2.烧结范围窄、液相粘度小、量随温度变化大的坯料的坯料，烧成温度只能定在烧结范围下限附近（T1）,三、制品的大小和形状,10.1.2 制定烧成制度的依据,升温速度快时，坯体的断面形成温度梯度、坯体在膨胀或收缩过程中 均产生不均匀应力，导致坯体的变形（塑性状态）和开裂（弹性状态）。 坯体越厚、形状越复杂越容易变形或开裂，升温速度不能太快。,四、釉烧方法,10.1.2 制定烧成制度的依据,1、釉料的熔化温度与坯料的氧化分解温度相适应，中火保温防止针孔、橘釉、黑心、鼓泡等缺陷。预热带与烧成带前部 2、高火保温结束，冷却初期依据釉料要求确定冷却速度 光泽釉快速冷却 结晶釉结晶温度保温处理 3、二次烧成 高温素烧低温釉烧：釉烧时可以不考虑坯体的脱结构水及 氧化分解排气，素烧时不考虑釉的作用。 低温素烧高温釉烧：釉烧时可以不考虑坯体的脱结构水，素烧时不考虑釉的作用。 二次烧成其它优点： 1）减少缺陷，提高合格率，避免浪费。 2）坯体强度提高，有利于施釉、装饰 3）工序的机械化。,五、根据坯料中氧化钛和氧化铁的含量确定气氛制度,10.1.2 制定烧成制度的依据,低铁高钛坯料（北方）常用氧化气氛烧成； 高铁低钛坯料（南方）常用还原气氛烧成。 六、窑炉结构、容量、燃料和装窑密度 窑炉结构窑内温度的均匀性，升温速度，烧成温度。 燃料种类装烧方法，升温速度，烧成温度。 容量和装窑密度窑内温度的均匀性，升温速度。,温度制度的控制 流体燃料：调节燃料和助燃空气的流量。 固体燃料：每次添加量、间隔时间、燃料在燃烧室的分布 调节窑内压力制度（烟道抽力） 气氛制度的控制 流体燃料：调节助燃空气过剩系数0.9、0.95、1.0、1.1 固体燃料：每次添加量、间隔时间以及燃烧程度。 调节窑内压力制度（烟道抽力）。 窑内正压有利于还原气氛的形成，负压有利于氧化气氛的形成。 压力制度的控制 1）烟道（总烟道、支烟道）抽力。 2）气体的进入量和排除量的调节,10.1.3 烧成制度的控制,坯釉一次烧成过程中坯和釉的物化变化,(1) 坯体水分蒸发期 （0-300) 坯体入窑时，含水2%左右，主要为吸 附水，气孔率2540%。 应加强通风，避 免凝水，造成“水迹”和“开裂”。，断面大窑炉，稀码快烧。 （2）氧化分解及晶型转化期(300950 ) 结构水排出， 碳酸盐分解， 有机物、 碳素和硫化物被氧化， 石英晶型转化。 这些变化与氧化温度、升温速率、气氛 有关。如升温过快， 则分解与氧化的温度相应提高。氧化焰,反应式举例,Al2O3 2SiO2 2H2O - Al2O3 2SiO2 +2H2O 400-525 CaCO3-CaO + CO2 (500-1000 ) MgCO3-MgO + CO2 (500-700 ) 2CO-2 C + O2 (积炭） C + O2 -CO2 ; (600-1000 ) FeS2 + O2 - FeS + SO2 (350-450 ) 4 FeS + 7O2 -2 Fe2O3 + 4SO2 （ 500-800 ) -石英 - -石英 （573 ),(3) 玻化成瓷期（950-烧成温度 ） 坯出现液相，釉开始熔融。 a. 氧化保温（950-1020 ） 除积炭，免烟熏和发泡 b. 强还原阶段（10201150 ) 使坯体内的Fe2O3及CaSO4在釉封层之前得到充分还原与分解： Fe2O3 + CO -2FeO + CO2 ; (1100 ) 2 Fe2O3 + CO -4FeO + CO2 ; (1100 ) CaSO4 + CO -CaO+ SO2+ CO2 ; (800 ),否则， 釉层封层后，还原气氛不易渗透 到坯体内部， 致使坯体还原不足， 釉层吸烟（C粒）发灰。 若Fe2O3 未被完全还原，瓷器断面呈淡黄色， 且粗糙。当坯体得充分还原时，断面致密， 发淡青色，有明显贝壳状。 因FeO易与SiO2生成易熔的玻璃状物质，促进坯体烧结。 FeO （黑色）+ SiO2 - FeSiO3(青色） 这阶段要平稳升温，控制O2 0-1%, CO2 14-17%; CO 2-4%; 此阶段釉层基本玻化， 封闭了瓷胎表面， 坯体瓷化。,c. 弱还原阶段（1150- 烧成温度） 防止铁被重新氧化。 为使窑内温度均匀，瓷台内部物化变化充分，在烧成温度下保温是必要的。 高火保温：消除温差，组织结构均一，相同理化性能。 d. 冷却期： 初期快冷（以形成玻璃质） 750-550 慢冷（玻璃相由塑性态转变为固态， 结构上有显著变化，引起较大应力，故冷却要慢） 500 以下，可自然冷,（二）压力制度,烧嘴，风机，闸板调节压力 预热带负压，烧成带正压。零压两个带之间。 冷却带正压。,10.2 快速烧成的意义,快速烧成是一个相对的概念。减少能耗，增加产量P433表 1、节约能源（燃料） 烧成能耗占总成本2030,2、充分利用原料资源 随着低温快速烧成的实现，大量的耐火度较低的原料可以大量应用于陶瓷生产。如硅灰石、透辉石、霞石正长岩、含锂矿物以及一些尾矿等原料 3、提高窑炉与窑具的使用寿命 烧成温度降低对窑炉及耐火材料的要求降低； 隔焰窑、明焰窑的使用大幅度减少了窑具的用量,10.2 快速烧成的意义,10.2 快速烧成的意义,4、缩短生产周期，提高生产效率 传统烧成方法烧成周期大多几十小时； 快速烧成可以缩短至几十分钟。 5、低温快速烧成有利于某些色釉的显色，提高某些瓷坯的强度 局限性：大件、较厚的产品，性能要求特殊的产品不适合,10.2 实现快速烧成的工艺措施,1、坯釉能适合快速烧成的要求 1）体积随温度变化小（收缩、热膨胀系数）； 2）导热性好，晶型转变少，物理化学反应速度快、排气少； 3）釉的始熔温度较高，高温粘度小且随温度变化大。 2、减少入窑坯水分，提高入窑坯体温度 3、控制坯体形状、大小和厚度 4、窑炉温差小保温好 5、窑具耐火度较高、热稳定性好,传统窑炉使用不洁燃料，为防止产品污损，装窑时需将产品装入封闭的窑具中烧成，叫匣钵。 装钵 装钵的目的 1、隔离不洁净火焰与制品，防止烟气中的灰分、碳粒污染釉面； 2、使强度较低，大小形状不同的制品能够有规则地叠装，同时合理利用窑位； 3、制品之间保持一定距离，防止釉面熔化后互相粘结。 装钵方法 座装、扣装、立装、吊装、叠装和套装。 根据坯体的大小、形状以及对釉面的不同要求，采用不同的装钵方法。P437图,10.3装钵装窑,10.3装钵装窑,倒烟窑装窑、 隧道窑装窑、 无匣装窑：大断面隧道窑，及梭式窑。 墙地砖、卫生洁具。电瓷（普通陶瓷范畴）,10.3装钵装窑,装窑要求 1、根据窑内温差情况，确定各部位的装窑密度或产品种类。 高火位密装，低火位稀装；色釉产品根据颜料耐火情况装。 2、窑具之间、窑具与窑体之间产品之间保持一定的距离，保证烟气合理流动，传热均匀。窑具与窑底、窑车面之间有垫砂（垫饼、垫泥、涂层）防止粘结。 3、叠装牢固平稳，保证在高温下或受到震动等作用下能够安全运行。 4、在保证安全和产品质量的前提下，减轻窑具质量，减少窑具用量，提高经济效益。,窑具种类： 包括匣钵、棚板、支柱、各种耐火垫、托板、辊棒和窑车材料等。 P442表1011 现代窑炉的重要标志之一，就是大幅度减少了窑具的用量，采用多种高级耐火材料窑具，满足快速烧成的需要。节省3/4能源 P442表1012，提高使用次数。,10.4 窑具,10.4 窑具的性能要求,1、足够的结构强度： 常温强度和高温强度 2、良好的抗热震性能 （急冷急热性） 破坏机理：裂纹不断扩展； 热膨胀系数小产生应力小不易破坏 熟料和基质的大小，相互关系；相对量的多少影响较大。产生应力,10.4 窑具的性能要求,3、重复使用时窑具的体积稳定性（不可逆变化） 二次莫来石化引起体积膨胀 碳化硅的氧化引起体积膨胀 熔融石英的析晶引起体积膨胀 4、导热性能 良好的导热性，有利于窑具寿命提高，降低燃料消耗，提高产品质量。,10.4 窑具的材质及破坏分析,窑具的材质： 1）硅铝质（粘土质、高铝质和莫来石质） 粘土质使用温度1300 以下 高铝质使用温度1400 以下 2）硅铝镁质（莫来石堇青石质；堇青石莫来石质） 莫来石堇青石质 高铝熟料+堇青石结合剂 堇青石莫来石质 堇青石熟料+粘土质结合剂 堇青石高温下分解，此类窑具的使用温度1300 ,10.4 窑具的材质及破坏分析,3）碳化硅质（粘土结合、氧化铝结合、氮化硅结合、再结晶） 碳化硅导热系数大、热膨胀系数小，使用温度高，可达1400以上 500 时 =15.12W/mK；=5.57-5.5910-6/。 随着结合方式的优化各种性能进一步提高。 4）熔融石英质 含SiO2 99.5% 时=0.5410-6/,而且高温粘度大，高温荷重软化温度也比硅铝质及硅铝镁质窑具高，抗热震性好， 使用温度可达1380。使用过程中转变为方石英，膨胀破坏。,10.4 窑具的材质及破坏分析,3）碳化硅质（粘土结合、氧化铝结合、氮化硅结合、再结晶） 碳化硅导热系数大、热膨胀系数小，使用温度高，可达1400以上 500 时 =15.12W/mK；=5.57-5.5910-6/。 随着结合方式的优化各种性能进一步提高。 4）熔融石英质 含SiO2 99.5% 时=0.5410-6/,而且高温粘度大，高温荷重软化温度也比硅铝质及硅铝镁质窑具高，抗热震性好， 使用温度可达1380。使用过程中转变为方石英，膨胀破坏。,10.4 窑具的材质及破坏分析,窑具材料损坏机理分析 机械损坏除外） 1）硅酸铝质窑具 晶相组成：莫来石、残余石英、刚玉和玻璃相。 一次莫来石长大；石英的方石英化；二次莫来石化。,10.4 窑具的材质及破坏分析,窑具材料损坏机理分析（机械损坏除外） 2）硅铝镁质窑具 晶相组成：堇青石、莫来石、残余石英、刚玉和玻璃相。 损坏机理：堇青石的分解、溶解；莫来石长大，二次莫来石化导致性能降低，机械损坏。 3）碳化硅质 SiC氧化 SiO2石英裂纹SiC氧化 损坏机理：氧化。致密度高，空隙率低，可以降低氧化速度。,10.4 窑具的材质及破坏分析,窑具材料损坏机理分析（机械损坏除外） 4）熔融石英质窑具 损坏机理：石英玻璃在高温下逐渐析晶转变成方石