陶瓷工艺学：第4章 传统陶瓷的生产-烧成

4.5烧成4.5.1烧结设备温度与气氛均稳定、均匀、可控的普通的热处理炉，通常称为烧结窑。

可以电、气、煤加热。1)倒焰窑倒焰窑是一种传统的间歇式窑炉，但仍是我国中小型陶瓷、耐火材料企业常用的烧成设备。

工作原理见下图。生产时，窑内火焰的流动是先向上至窑顶，然后再向下倒流，经过静止不动的制品料堆剁间隙而至窑底，再经火孔流入窑底的烟道排走，故称为倒焰窑。这里采用烧煤加热，也可以电、气加热。

图4.7倒焰窑工作原理1－窑室；2－燃烧室；3－灰坑；4－窑底吸火孔；5－支烟道6－主烟道；7－挡火墙；8－窑墙；9－窑顶；10－喷火口与现代窑炉相比，其落后之处主要表现为烧成周期长，产量低；窑的热损失大,单位产品的燃料消耗大；工人的劳动强度大,难以实现机械化、自动化作业；操作控制不易掌握，故产品的质量不易保证。2）梭式窑一种活底窑车式的间歇窑,又称抽屉窑。

目前应用较为普遍。工作原理见下图,在窑车钢架结构上用耐火材料砌筑形成窑底，有吸火孔和支烟道。窑车在地面的轨道上移动，开进窑室，即可使支烟道和窑墙上的主烟道连通，构成一个完整的烧结炉及排烟系统。

图4.8梭式窑示意图1－窑门台车；2－轨道；窑车；4－吸火孔；5－支烟道；6－窑体；7－主烟道坯体装卸的操作在窑外的窑车上进行。装好坯体的窑车被推入窑内，待坯体烧成并冷却至一定温度后再拉出，接着再推入另一车坯体进行烧成。一个梭式窑可以拥有多个窑车。3）隧道窑窑底铺设轨道供窑车运行，外形类似铁路隧道的烧结窑(见下图)。

较为先进的连续式窑炉，是目前陶瓷工业生产中的主要窑炉之一。不论窑的结构繁简，也不论窑的长短如何，任何隧道窑都可沿窑长方向划分为三带：坯体入窑端为预热带，产品出窑端为冷却带，中间设有燃烧室的一段为烧成带。由于主烟机或

图4.9隧道窑示意图（水平剖面图）1－进车室；2－烟道；3－燃烧设备；4-出车室；5-托车轨道;回车线图4.10隧道窑的剖面图图4.11隧道窑中的温度及气压分布分布烟囱设在入窑端，因此燃料燃烧所产生的高温烟气将向窑头流动，即与坯体的运行方向相反，所以说隧道窑是一种逆流式加热的热工设备。烧成时，在窑头，顶车机将载着坯体的一节节窑车依次顶入窑内。在窑车向烧成带运行的过程中，坯体受到温度越来越高的热气流加热，最后在烧成带末端于最高温度烧成。窑车继续前进。进入冷却带后，坯体与冷空气接触，将热量传给冷空气使之加热，而坯体被冷却。最后窑车被顶出窑室。4）轨道窑又称辊底窑。热工原理与隧道窑一样，也属于逆流式加热的烧成设备。以许多位于同一平面上的等径的辊子组成轨道，代替窑车作为制品在窑内的运载工具。制品放在垫板上或直接放在轨道上，通过辊子的转动，借摩擦力使制品向前移动，经过预热、烧成、冷却后出窑。图4.12意大利Welko公司产62mmFRW2000型轨道窑分带及工作系统图1－主排烟机；2－热交换风机；3－热交换器；4－辅排烟机；5－冷风机；6－油热风机；7－风扇排；8－x表示烧嘴位置图4.13意大利Welko公司产62mmFRW2000型轨道窑断面结构图1－孔砖；2－轻质耐火砖；3－轻质高铝吊顶转；4－散装保温材料；5－硅酸铝纤维；6－钢板；7－轻质保温砖；轻质耐火混凝土5）推板隧道窑一种非窑车式的小截面隧道窑。它以耐火材料板——推板作为窑内坯体的运输载体。推板置于窑底上，彼此紧靠，在顶车机的推动下向前运动。其热工原理与轨道窑、隧道窑一样。6）测温三角锥在实际生产中，窑炉的测温除了采用热电偶外，还常用一种称作测温三角锥的物体。测温三角锥，又称测温锥、火锥，用一定成分的硅酸盐材料（各种不同的氧化物）制成的、用于标定温度的、高约6cm的三角锥体。按熔融温度高低对测温三角锥编号。我国测温三角锥的编号与其熔融温度的关系为：编号乘10为其熔融温度。如135号测温三角锥的熔融温度为1350℃。测温时，将测温三角锥放在料垛里，插入耐火泥中，插入深度约10mm，并与底座呈80°。与坯体同时升温。当具有特定编号

图4.14测温锥测温示意图

(a)测温锥插入底座；(b)测温锥弯倒的测温三角锥出现软化，即其顶端弯倒恰好与底座接触时，该测温三角锥的熔融温度，就是窑内的坯体温度。如果将多个不同号码的测温三角锥放在车上，然后在烧成带不同的观察孔观察，也可测出各车位的温度情况。图4.15烧结时烧结炉温度变化4.5.2传统陶瓷烧成工艺解析炉温的变化一般分为三个阶段，即升温阶段、保温阶段和降温阶段（见图4.15）。升温阶段发生一系列的物理、化学过程,产生各种烧结现象。低温阶段（室温～300℃）坯体在此阶段主要是排除水分。随着水分及有机物的排除，颗粒紧密靠拢，将使坯体产生少量收缩，但这种收缩并不能完全弥补水分蒸发所造成的孔隙。经过此阶段后，粘土质坯体的强度与孔隙率均有所增大。中温阶段（300～950℃）对传统陶瓷而言，又称氧化分解阶段。坯体所含的有机物、碳酸盐及铁质化合物等大多在此阶段进行氧化分解，反应进程随升温速度及窑内气氛而异。此外还进行相转变、结构水排除、以及其它一些物理、化学变化。碳素及有机物的氧化

坯体中的碳素及有机物主要由粘土及粘结剂带入，如紫木节土、黑碱石、大同石及南方的黑泥等都有大量的有机物及碳素；另外，明焰烧成时烟气中未燃尽的碳粒也可能沉积于坯体表面上，它们都将发生氧化反应，并放出气体，例如：

C有机物+O2350℃以上

CO2↑C碳素+O2约600℃以上CO2↑硫化铁的氧化粘土夹杂的硫化铁矿物十分有害，如控制不当也易使制品起泡，并且反应生成的Fe2O3易影响制品的外观颜色。铁的硫化物一般在800℃左右氧化完毕。FeS2+O2

350～450℃FeS+SO2↑4FeS2+7O2

500～800℃2Fe2S+4SO2↑结构水的排除粘土类原料所含结构水的排除温度与其结晶程度、矿物组成及升温速度等因素有关。例如高岭土在480～600℃之间分解排除结构水，形成偏高岭石：Al2O3·2SiO2·2H2O480～600℃Al2O3·2SiO2+2H2O↑偏高岭石碳酸盐的分解碳酸盐矿物的分解一般在1000℃左右基本结束。主要反应有：

CaCO3

600～1050℃CaO+CO2↑MgCO3400～900℃MgO+CO2↑MgCO3·CaCO3730~950℃CaO+MgO+2CO2↑4FeCO3

800~1000℃2Fe2O3+3CO2↑晶形转变及液相形成石英具有多种晶形。在加热过程中要发生晶形转变。其中对制品影响较大是下列反应：

β－石英573℃

α－石英（⊿V＝+0.82%）

长石开始与石英、分解后的粘土颗粒反应,形成K2O-Al2O3-SiO2三元低共熔液相

根据K2O-Al2O3-SiO2系统相图可知，三元低共熔物要在985℃才出现，但由于杂质的存在，实际低共熔点的温度要比相图所示温度低60℃以上。因此当温度升至900℃以后，开始在长石与石英、分解后的粘土颗粒的接触部位产生液相熔滴。高温阶段（950℃～最高烧成温度）由于各种陶瓷制品的质量要求及所用原料性质不同，对此阶段的要求也不同。就烧成气氛而言，我国北方大都采用氧化焰烧成，而南方大都采用还原焰烧成。当采用还原焰烧成时，高温阶段又包括氧化保温、强还原及弱还原三个阶段。在整个高温阶段发生的化学反应如下：在1050℃以前,继续上述尚未完成的的氧化分解反应在950℃以前，坯体中的氧化反应是不能进行完全的。如果在进入还原焰焙烧之前，以及在釉层封闭之前烧不尽碳素，这些碳素将推迟到烧成末期及冷却初期进行氧化，这就有可能引起坯釉泡和烟熏。因此，在实际生产中，高温阶段初期进行氧化保温操作。硫酸盐的分解和高价铁的还原与分解MgSO4＞900℃MgO+SO3↑

CaSO41250～1370℃剧烈CaO+SO3↑Na2SO41200~1370℃NaO+SO3↑2Fe2O31250~1370℃4FeO+O2↑Fe2O3+CO1000~1100℃2FeO+O2↑形成大量的液相和莫来石晶体高岭土转变过程：2(Al2O3·2SiO2)～980℃2Al2O3·3SiO2+SiO2

偏高岭石Al-Si尖晶石2Al2O3·3SiO2～1100℃2（Al2O3·SiO2）+SiO2

转变中的莫来石方石英3（Al2O3·SiO2）＞1300℃3Al2O3·2SiO2+SiO2

莫来石方石英4）长石在烧结中的作用产生液相前已述及，当温度升至900℃以后，长石由于本身熔点低，在与石英、分解后的粘土颗粒接触处出现熔滴（见图4.16）。图4.16传统陶瓷烧至950℃左右的组织结构示意图1－石英；2－长石；3－熔滴；4－粘土矿物图4.17传统陶瓷烧至1000℃后的组织结构示意图1－石英；2－长石；3－熔滴；4－粘土矿物此后，随温度的升高，液相量不断增加，并能溶蚀分解后的粘土与石英。见图4.17，至1000℃以上时，坯体中的长石、石英颗粒已明显溶蚀。随温度继续升高，长石不断熔化，至1200℃以上几乎完全熔化。液相在冷却过程中可以转变为玻璃相或（结晶相+玻璃相）。形成二次莫来石

长石熔体中的碱金属离子容易扩散到粘土矿物中去，从而促进粘土矿物分解并生成莫来石。由于碱金属离子减少,熔体的组成移向三元相图的莫来石析晶区，导致熔体中生成细小针状的莫来石晶体（见图4.18，处在粘土与液体的界面处）。图4.18传统陶瓷中一次和二次莫来石形成示意图■-一次莫来石；●-碱离子；o-气泡;1－石英；2－长石熔体；3－二次莫来石；4－高岭石

通常将由高岭石分解形成的粒状或片状莫来石称为一次莫来石，由长石熔体形成的针状莫来石称为二次莫来石。长石熔体冷却,如果不结晶，也会结晶出二次莫来石。

图4.19冷却时二次莫来石在熔体中中生长示意图●-碱离子；o-气泡;1－石英；2－长石熔体；3－二次莫来石；4－高岭石长石液相的作用