陶瓷工艺学第十章烧成与窑具

第十章烧成与窑具,第一节烧成制度第二节低温快速烧成第三节装窑第四节窑具,1.烧成制度,烧成制度：烧成过程中各阶段气氛、温度及其温度变化速率的具体要求。包括：温度制度、气氛制度和压力制度。温度制度：包括各阶段的升温速度、最高烧成温度和保温时间。气氛制度：各阶段所对应的气氛要求。压力制度：为了保证温度、气氛制度的实现，对窑内压力的要求。,1.1烧成制度与产品性能的关系1.1.1烧成温度对产品性能的影响（1）烧成温度与产品的气孔率有关在烧成温度范围内，烧成温度越高，气孔率越低，材料的强度越高，吸水率越低。,某长石质瓷坯相组成与烧成温度的关系,（2）烧成温度与产品的岩相组成有关高温下旧相的溶解，新相的生成、长大都与温度有着密切关系。,瓷坯烧成时与冷却后的内部变化示意图,1.石英2.液相（玻璃相）3.二次莫来石4.粘土残骸及一次莫来石,瓷件显微结构SEM,陶瓷烧成温度对产品性能的影响，总的来讲，在过烧温度（烧成温度范围之内）之前适当提高烧成温度，能够提高玻璃相和莫来石量，减少残余石英量，导致产品的机电性能提高，透光度提高，密度增大，热膨胀系数降低。,1.1.2高温保温时间对产品性能的影响高温保温时间：一般是指达到最高烧成温度后，保持温度不变的一段时间，目的是为了均匀窑内温度，产品各部分物理化学反应均匀、完全，使产品的结构性能趋于一致。适当降低烧成温度，延长保温时间，可以提高产品品质，提高烧成合格率，对于大件、异型、密装产品更加重要。,注：摘自陶瓷研究杨世源,不同烧结温度及高温保温时间对产品性能的影响,1.1.3升、降温速度对产品性能的影响（1）对形状：升温速度太快，可能导致产品的变形和开裂。（2）同一种坯料烧成温度相同时：慢速升温：气孔率较低，强度高。快速升温：气孔率较高，强度低。（3）冷却速度太快，可能导致产品的炸裂；太慢导致釉面析晶。（4）冷却速度对产品质量的影响快速烧成的产品，缓慢冷却，二次莫来石异常生长，强度降低；缓慢升温的产品，缓慢冷却，强度提高；高温阶段冷却速度缓慢，可能导致低价铁氧化产品泛黄，釉析晶；有晶型转变的产品，在其温度范围，快速冷却可能导致产品炸裂。,对于普通陶瓷产品冷却制度一般为：高温阶段应当快速冷却，低温阶段相对缓慢，晶型转变温度附件最慢。,1.1.4烧成气氛对产品性能的影响中科院上海硅酸盐研究所李家治、周仁等进行了大量的研究。（1）气氛对烧结温度的影响A组:Fe2O3含量AA2分别为0.62、1.75、2.09；组分不含有碳素，有机物。B组:Fe2O3含量BB3分别为0.43、0.49、0.54、1.69组分含有一定的碳素，有机物。烧结温度测试结果对比如下：,规律：（1）Fe2O3含量提高，不同气氛的烧结温度均降低；（2）同一种坯料还原气氛的烧结温度一定低于氧化气氛；而且Fe2O3含量越高相差越大。,原因：（1）氧化气氛下坯料中的Fe2O3仍主要以Fe2O3的形式存在，还原气氛下坯料中的Fe2O3主要以FeO的形式存在；（2）FeO比Fe2O3的助熔能力强。,（2）气氛对最大烧成线收缩率的影响,氧化气氛还原气氛,规律：A组坯料还原气氛收缩率大；B组坯料氧化气氛收缩率大。原因：B组坯料中膨润土所含的碳素、有机物在还原气氛中氧化分解温度要比氧化气氛高。,即：气氛对最大烧成线收缩率的影响与坯料的组成有关。,（3）气氛对瓷坯颜色、透光度及釉面质量影响（A）氧化气氛烧成后，瓷坯发黄。（B）还原气氛烧成后，瓷坯呈淡青色。,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。,（C）强的还原气氛可能导致：SiO2被还原分解出Si黑斑；CO被还原C沉积黑斑或转变成气泡。,1.2.2制定烧成制度的依据,1.2.2.1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、瓷坯热膨胀曲线TE、生坯不可逆热膨胀曲线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,（2）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，是确定烧成温度的主要依据。,A.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）；B.烧结范围窄、液相粘度小、量随温度变化大的坯料，烧成温度只能定在烧结范围下限附近（T1）,1.2.2.2制品的大小和形状,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，导致坯体变形（塑性状态）或开裂（弹性状态）。结论：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。,1.2.2.3釉烧方法,（1）一次烧成时，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。（2）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，素烧时不考虑与釉的关系。低温素烧高温釉烧：釉烧时可以不考虑坯体的脱结构水，要考虑氧化分解，素烧时不考虑与釉的关系。,1.2.2.4根据坯料中TiO2和Fe2O3含量确定气氛制度,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。,1.2.2.5窑炉结构、容量、燃料和装窑密度,窑炉结构:温度均匀性，升温速度。燃料种类:装烧方法，燃烧强度，升温速度。容量、密度：窑内温度的均匀性，升温速度。,1.2.3.烧成制度的控制1.2.3.1温度制度的控制,（1）流体燃料：调节燃料和助燃空气的流量。（2）固体燃料：每次添加量、间隔时间、燃料在燃烧室内的分布。（3）调节窑内压力制度（烟道抽力）,1.2.3.2气氛制度的控制（1）流体燃料：调节助燃空气过剩系数0.9、0.95、1.0、1.1。（2）固体燃料：每次添加量、间隔时间以及燃烧程度。（3）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。,1.2.3.3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,1.2.4.烧成制度举例说明（1）某瓷质外墙砖的烧成曲线,（2）隧道窑还原气氛烧成日用瓷,1400120010008006004002000,快速烧成：烧成周期4小时以下的烧成过程。,2.1快速烧成的意义（1）节约能源（燃料）烧成能耗占总成本2030烧成时间缩短10，产量提高10，单位能耗降低4。,第二节低温快速烧成,（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劣质原料。（3）减少窑具的使用量隔焰、明焰辊道窑的使用大幅度减少了窑具的用量，（4）缩短生产周期，提高生产效率（5）低温快速烧成有利于色釉的显色，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,2.2快速烧成的工艺措施（1）坯釉能适合快速烧成的要求体积随温度变化小（收缩、膨胀）导热性好，晶型转变少，物理化学反应速度快、排气少；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,结构水最大允许排出速度与坯料配方及坯体厚度的关系,2.3快速烧成的极限,陶瓷墙地砖辊道窑单层快烧工艺各阶段的最大升温、冷却速度。,3.1装钵匣钵：陶瓷烧成过程中用于承装坯体的耐火材料容器。,装钵的目的：（1）隔离不洁净火焰与制品；（2）合理利用窑位；（3）防止釉面熔化后制品互相粘结。,第三节装窑,3.2日用陶瓷装窑方法,扣装,座装,（1）装钵方法,（2）装倒焰窑、梭式窑特点,清理吸火孔及支烟道，保证火焰畅通；撒防粘（砂）。底层用耐火垫，呈三角形支撑匣钵。匣钵柱中密边疏，边柱略向内倾斜，匣钵柱之间加支撑物。匣钵柱边低中高，保证火焰流畅。,倒焰窑装窑示意图,（3）装隧道窑车特点匣钵柱排列应当有利于窑内焰气有规律流动；坯体大小、形状、厚度差别不能太大。,（4）无匣钵装烧,隧道窑,日本NGK公司电瓷梭式窑,日本高砂日用瓷辊道窑,3.4墙地砖装窑方法,目前墙地砖的烧成基本全部采用辊道窑单层装烧。,3.5卫生洁具装窑方法,传统窑炉的装烧类似日用陶瓷的装烧；现代窑炉无匣烧成采用单层或多层棚架结构装窑。,4.1窑具种类匣钵、棚板、支柱、各种耐火垫、托板、辊棒和窑车材料等。,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。,第四节窑具,4.2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相互关系；相对量的多少影响较大。,例如：(熟料)(基质)莫来石堇青石5.6210-6熟料表面基质切向受到压应力，径向受到张应力。,反之，基质切向受到张应力，产生微裂纹，能够抑制裂纹的扩散,上述两种情况，控制得好都可以提高制品的抗热震性能。,（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,窑具中游离态的SiO2和刚玉，12701350反应3Al2O3+2SiO23Al2O32SiO2（二次莫来石）密度3.9密度3.0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。,4.3.窑具的材质类型,（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（耐火黏土）高铝质使用温度1400以下（熟铝矾土）热稳定性较好,（2）硅铝镁质莫来石-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+粘土质结合剂此类窑具的使用温度1350热稳定性好,（3）碳化硅质导热系数大，500时=15.12W/mK；热膨胀系数小，=5.57-5.5910-6/。,结合方式：粘土结合、氧化铝结合、氮化硅结合、再结晶随着结合方式的优化各种性能进一步提高。使用温度高1400以上。,（4）熔融石英质SiO299.5%时=0.5410-6/,使用温度可达1380。,4.4窑具材料损坏机理分析（1）硅酸铝质窑具相组成：莫来石、残余石英、刚玉和玻璃,（2）硅铝镁质窑具相组成：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。,（3）碳化硅质SiC氧化SiO2石英裂纹SiC氧化反应式P176表10-16（致密、抗氧化涂层）,（4）熔融石英质窑具损坏机理：石英玻璃的方石英化，体积膨胀，导致结构疏松损坏。特别是高温液相作用更大。,损坏与气氛的关系：硅铝质和硅铝镁质窑具，在还原气氛下易损坏；碳化硅质和熔融石英质窑具，在氧化气氛下易损坏。,4.5窑具的制造工艺（1）熟料的选用材质种类；颗粒级配；,（2）结合剂与混合结合剂：粘土、调和结合剂（堇青石质、莫来石质）和Si粉混合方法：机械搅拌（干法、湿法）、混合球磨和陈腐等。,