无机非金属材料工学课件 第八章.ppt

1、第八章 煅烧与烧成,第一节 概 述 第二节 水泥熟料的煅烧 第三节 陶瓷的烧成,第一节 概述,烧成：将初步密集的粉块（生坯）经高温烧结成产品的过程。 煅烧：未成形的物料经高温合成某些矿物（水泥熟料）或使矿 物分解获得某些中间产物（石灰、烧粘土） 实质：粉（块）料集合体变成致密的，有足够强度的烧结体。,一、热量传递,对流、传导、辐射、综合传热。,二、质量传递,自扩散，相互扩散,发生分解，氧化、还原反应，放出（吸收）气体，生成新相，形成低共熔物，生成液相，填入孔隙。 质量传递动力: 浓度差,三、动量传递,流体流动 : 气体流入、流出。,第二节 水泥熟料的煅烧,一、水泥熟料的形成过程,入窑物料 干法

2、 H2O1% 料粉 半干法 H2O 12-14% 料球 湿法 H2O 32-40% 料浆,煅烧过程概述,低于150 生料中物理水蒸发； 500左右 粘土质原料释放出化合水，并开始分解 出氧化物，如SiO2、Al2O3 ； 900左右 碳酸盐分解放出CO2和新生态CaO； 900-1200 粘土的无定形脱水产物结晶，各种氧化物 进行固相反应； 1250-1280 所产生的矿物部分熔融出现液相； 1280-1450 液相量增多，C2S（硅酸二钙）通过液相吸收 CaO形成C3S（硅酸三钙），直至熟料矿物全部 形成； 1450-1300 熟料矿物冷却。,二、煅烧设备,回转窑 湿法回转窑 热耗高q520

3、0KJ/Kg 干法回转窑 悬浮预热器窑,窑外分解窑 半干法回转窑 立波尔窑 立窑 机械化立窑 普通立窑,三、回转窑煅烧,既是运输设备 斜率为3-5% 又是煅烧设备 t焰=1650-1700 t料=1450,四、物料反应带 以湿法长窑为例 共分六个反应带,五、熟料热化学及回转窑热工特性,（一）熟料的理论热耗,1000，放热为主。 1Kg熟料理论热耗 =1.55Kg生料料耗的化学反应热+物理热 =支出热耗-收入热耗 Q=4307-2511=1755KJ/Kg熟料。,（二）热工特性,烧成带：微吸热，但仍要提供足够的温度，保证C3S形成； 分解带：吸大量的热，物料运动快，如停留时间过短，会造成 预烧不

4、好； 提高窑的热效率途径：减少废气带走热损失；减少筒体散热损 失；降低料浆水分，湿改干。,窑的发热能力,窑的传热能力,必须提高传热能力提高传热面积悬浮预热、预分解炉。,六、回转窑的煅烧系统,（一）湿法回转窑(流程示意图),（一）湿法回转窑,A、分带 根据生料在窑内的不同位置主要进行的反应来划分。 （共六个带） 1、 干燥带：物理水的蒸发 特点：最长、有链条区（垂挂、花环挂） 挂链条的作用： a. 破坏泥巴圈； b. 增大传热面积，提高热交换效率； c. 起到捕尘作用（达50%收尘效率）。 2、预热带：粘土矿物的脱水和分解，物料粉状，比表面积大。 特点：与干燥带相比，此带的温度上升较快。,3、分

5、解带,特点： 吸收大量的热； 物料运动速度最快（用同位素跟踪测量）， 由于生料颗粒表面被CO2气体包裹而呈微流态化； 窑内传热速度低，物料升温速度相对较慢。,4、固相反应带（放热反应带）,主要进行固相反应，低碱度的矿物形成，伴随放热反应， 特点：物料升温速度最快。,5、烧成带,贝里特再结晶；,6、冷却带,慢冷时,会有C3S的分解，C2S的相变化。 特点：最短的带。,特点： 出现液相,达到最高烧成温度；物料 在窑内停留时间最长。,B、 煅烧制度,1、煤的燃烧特点: 煤有焰燃烧 2、正常火焰煅烧：火焰长度合适，煅烧温度较高，燃料燃烧 完全，熟料在烧成带停留时间足够，熟料质量高。 3、短焰急烧：火焰

6、短，热力集中，煅烧温度高，但物料在烧成带停留时间不足，fc偏高，耐火砖寿命缩短。 主要由煤的挥发份偏低引起，窑的长径比L/D过小引起。,4、高温长带煅烧：火焰长度较长煅烧温度不低，属于强 化煅烧，不宜长期使用。 操作上增加风煤，喂料，强化煅烧，产量，但由于 超过了窑的传热能力，将使废气温度提高，消耗，熟料 质量，也影响了窑的长期安全运转。,5、低温长带煅烧：火焰长，但温度偏低, 物料煅烧温度不足，C3S不能很好形 成，fc 原因：窑内排风偏大，燃料燃烧慢，煤挥发分过高，灰分含量偏高，使火焰拉长，但热力分散。 影响湿法回转窑产、质量的其它因素，窑内传热分析，降低热耗的措施。,C、快速判断转窑熟料

7、质量的一般方法,权威方法：测物理性能（物检）,花时间长，对厂内生产 控制较为滞后。 快速简易方法： 测f.CaO含量。1.0% 立升重（每1立升体积熟料的重量，反映出熟料的 烧结状态） 1100-1500g/立升。 好熟料的色泽：灰黑,致密，块、粒状。,（二）带余热锅炉干法窑 中空窑,q=6800-7500KJ/Kgsh t废=850-1000，锅炉，产生400，1.4-4Mpa的蒸汽 管道送至汽轮发电机。,图1-8-4 新型干法窑低温余热发电,预热器出口 t废=350-400 冷却机 t气=250 含尘浓度高，前者80g/Nm3， 后者30g/Nm3。 (柳泥 日本提供套特惠样板),（三）立

8、波尔窑 1-8-5 窑尾+炉篦子加热机,1928年发明，目前最大3000t/d，q=3350KJ/Kg熟料， 800Kcal/Kg熟料 特征：一台短回转窑与一台炉篦子加热机连接工作； 生料要成球，含水率12-16%，或块含水量 18-22%， 粒度5-15m，窑内t废=850-1000，t料=700-800，料 通过时间12-16min 生料入窑平均温度700-750，CaCO3分 解率30-45%（一次通过30%，二次通过45%） 对原料要求：粘土塑性良好；对碱含量不严格，可稍高。 缺点：操作复杂；预热不均匀；需要成球，要求粘土塑性好； 进一步大型化有困难。,（四）悬浮预热器窑,预热目的：使

9、生料粉从常温升至700-800，提高入窑物料的 温度，同时回收废气中的热量，提高窑的热效率， 使生料部分CaCO3分解，同时增加预烧能力，提 高产量。,（1）旋风预热器 为了要使物料与废气进行很好的热交换，物料必须均匀地分布在废气中，意味着废气中含“尘”（生料粉）浓度增加了。因此，在工艺处理中，要使用气-固分离技术。即-旋风除尘设备。,优点：热交换效率高，分解率40-50%，提高窑产量20-30% 缺点：工程投资大，通风阻力大，容易被堵塞，对碱、氯较 多的原料不适用。,四级旋风筒,级为双筒。 旋风筒之间由气体管道相 连接，旋风筒下料用生料 管道与下一级气体管道连 接。,气体管道主要作用： 气固

10、相间传热。占传热量87.5-94%，气固相对运动速度快且平均温度大，所以传热效率高。,旋风筒主要作用： 进行气固分离，传热量只占6-12.5%，但分离效率也很重要，影响到热效率。,立筒预热器,如图：有四个热交换室 克虏伯式：三个缩口， 把立筒 分为四个钵。 并有一级旋风筒。,特 征：, 气流与生料逆向运动，缩口引起较高气体速度，使生料 卷起呈料雾,形成涡流。窑尾废气1000，热交换后降至350 入窑生料750-800，q=3350-3770KJ(800-900Kcal)/Kg 熟料。 CaCO3分解率30-50%。,优点：通风阻力小，自承重，工程投资少，立筒不易 结皮、堵塞，适于碱、氯、硫较高

11、的生料煅烧， 以及中小型工厂的改造。 缺点：生料粉分散欠佳，热交换效率较低。,1、预分解（系统）特点： 生料和燃料处于悬浮或沸腾状态下进行无焰燃烧, （温度900）高速完成传热与CaCO3分解过程。 几秒钟可以使入窑物料的CaCO3分解率达到85-95%， 出分解炉生料温度820-860 可使产量增加一倍以上 可使窑长度明显减少。,（五）预分解窑 （窑外分解窑),2、 分解类型,按作用原理可分为： 旋流式，喷腾式、紊流式、涡流燃烧式和沸腾式等多种， 但基本原理是类似的。,3、工艺流程（看图1-8-9）及工艺特点,七、熟料冷却机,单筒、多筒、篦式,八、立窑煅烧（一）立窑与回转窑的区别,1、原料、

12、燃料与气流逆向运行； 2、物料必须成球，原因：减少窑内物料的阻力；减少物料的 飞灰； 3、窑内温度分布不均匀； 立窑同一断面，受热均匀性比回转窑差。因为回转窑的物料向前移动时不断翻滚，受热均匀，而立窑向下运动时只沿着纵轴下移而不翻滚。 4、燃料燃烧 回转窑：氧气充足，在窑的固定位置形成火焰燃烧。 立窑：氧气不足（越往窑面氧气越不足），在不同区间，燃 烧方式不同，会形成 a. 料球内部中心缺氧； b. 窑上部缺氧； c. 窑中部缺氧。,包氏反应：,造成化学不完全燃烧热损失，窑下部氧气浓度较高时， 料球表面的煤和生成的CO反应：,（反应比较完全）,高温时1000,郝氏反应：,当CaCO3分解结束时

13、，料球中的煤与氧发生无焰燃烧。 立窑传热以对流、传导为主，辐射传热很少。 由于料是密堆积，传热效率很高，热效率可达40%， 窑热耗低870 Kcal/Kg熟料，国外可达800 Kcal/Kg熟料。 立窑用“无烟煤”,挥发份低，因为窑上部缺氧，挥发物、 CO及C的燃烧不完全，易造成浪费。,（二）立窑熟料的形成 过程,1、物理、化学变化过程与回转窑相似，同样 存在六个过程的变化。,2、由于立窑的物料煅烧受热不均匀，阻力分布不均匀，边 部阻力小，上风快，煤的燃烧快。 由于窑壁散热，边部温度也较低， 中部料、烧成带受上层物料压力及侧压力， 物料体积收缩引起，烧结比较密实， 上风慢，上风量少。 CO不完

14、全燃烧也大，所以中部受还原气氛影响大，温度不 稳定。,3、在煅烧过程中，由于传热的关系，每个料球又可分为若干 个带。尤其是较大的球。,立窑的传热，在料球内部以传导为主，料球表面则以对 流的方式进行。 立窑煅烧 煤与生料混合进窑，挥发分在300-600时干 馏，并为CO2包围，未被点燃便被排出窑外，造成浪费，故立窑就使用无烟煤，灰分高时，可磨成黑生料，灰分作为粘土组分参与配料。,4、窑内分带（三个）,分带 温度范围 占窑高度的百分数 干燥预热带 0-1000 5-10% 烧成带 （高温带、煅烧带和底火） 1000-1450-1300 10-20% 冷却带 1300-出窑温度 70-80%,三平衡

15、：加料-卸料-上风（火）速度相平衡,为什么只分三个带？,由于物料移动慢，受热（传热）快，在很短的距 离（不到1米），物料温度升高1000，在这短距离中， 不可能按物理化学反应情况，而只能按物料表面温 度，把煅烧情况分为三个带。（其中由于料球传热 有一定时间）冷却带长度占窑高度的70-80%，由于 物料移动速度慢，冷却速度很慢。如2.5X10M窑， 产量7-10吨/小时，下移速度2-2.4cm/min，所以很容 易引-C2S向-C2S转化，造成熟料粉化。另外，鼓风 压力越大，干燥预热带、烧成带都缩短。,第三节 陶瓷的烧成,一、烧成的动力机制及方法,从热力学观点来看，烧成（firing）是系统总能

16、量减少的过程，与块状物料相比，粉末有很大的比表面积，表面原子具有比内部原子高得多的能量。同时，粉末粒子在制造过程中，内部也存在各种晶格缺陷。因此，粉体具有比块料高得多的能量。任何体系都有向最低能量状态转变的趋势，这就是烧成过程的动力。即粉料坯块转变为烧成制品是系统由介稳状态向稳定状态转变的过程。但烧成一般不能自动进行，因为它本身具有的能量难以克服能垒，必须加高到一定的温度才能进行。,烧成是一个复杂的物理、化学变化过程。比如特种陶 瓷的烧成，其烧成机制可归纳为：粘性流动； 蒸发与凝聚；体积扩散；表面扩散；晶界扩散； 塑性流动等。 烧成大批量的普通陶瓷一般是在隧道窑、辊道窑或梭道 窑等窑炉中进行的

17、。采用的是氧化或还原气氛。特种陶 瓷的烧成是在各种电炉（如管式炉、立式炉、箱式炉、 电阻炉、感应炉、碳管炉等）中进行，可用保护气体 （如氢、氩、氮气等），也可在真空或空气中进行烧 成。如果侧重考虑高温下粉料填充空隙的过程，烧成又 常称为烧结（sintering），这里介绍几种常见的烧成 或烧结方法。,（一）热致密化方法（heat densification） 热致密化方法包括热压、热等静压烧结等。热挤压、热锻造 等也属于热致密化方法，但陶瓷生产中较少使用。热致密化 方法价格昂贵、生产率低，但对于一些性能要求高又十分难 烧结的陶瓷却是最常用的方法。因为这种方法在高温下施 压，有利于粘性和塑性流动

18、，从而有利于致密化，可以获得 几乎无孔隙的制品。 （二）反应烧结（reaction sintering） 目前反应烧结仅限于少量几个体系，如反应烧结氮化硅、氮 氧化硅和碳化硅等。反应烧结的特点是坯块在烧结过程中尺 寸基本不变，可制得尺寸精确的制品，同时，工艺简单、经 济，适于大批量生产。缺点是材料力学性能不高，这是由于 密度较低所造成的。,（三）液相烧结（liquid phase sintering） 通过完全的固相扩散对多数陶瓷物料来说是很难获得 致密产品的，所以往往需引入某些添加剂，形成玻璃 相和其它液相。由于粒子在液相中的重排和粘性流动 的作用，可获得致密产品并降低烧结温度。如果液相 在

19、整个烧结过程中存在，通称为液相烧结。如果液相 只在烧结开始阶段存在，随后逐步消失，则称为瞬时 液相烧结。 液相烧结不仅仅可以降低烧结温度，提高烧结坯密 度，而且，有时玻璃相本身就是陶瓷材料的重要组成 部分。例如在ZnO压敏陶瓷中， ZnO颗粒之间的连续 玻璃晶界相，具有高的电阻率，形成粒间的高能垒， 它与主晶相ZnO共存构成压敏电阻器。,（四）高温自蔓延烧结（self-propagating high-temperature synthesis） 这一技术简称SHS技术，其实质是利用燃烧反应所产 生的热量进行烧结和致密化。烧结可以在大气、真空 和高压容器中进行。产品的孔隙度一般为570。制 得

20、的多孔陶瓷强度高。例如，孔隙度55的TiC制品抗 压强度达100120MPa，这一强度远远高于粉末烧结 法制得的相应产品的强度。 目前已发展了多种获得全致密制品的SHS技术。最有代表性的技术是特殊压力容器内控制SHS过程。,二、坯、釉在烧成过程中的物理化学变化 以普通粘土质陶瓷为例，坯、釉随着温度的变化将发生 一系列物理化学变化，并得到所需的微观结构、性能及 外观。了解这一变化，是制定烧成制度的基础。 （一）低温预热阶段（常温至300左右） 此阶段主要是排除坯体干燥后的残余水分。也称小火 或预热阶段。随着坯体中残余机械水和吸附水的排出， 坯体发生下列变化： （1）质量减轻：水分排出所致。 （2

21、）气孔率增加：水分排出，孔隙增多。 （3）体积收缩：随着水分的排除，固体颗粒紧密靠拢。,低温预热阶段所发生的变化是物理现象，实际上是干 燥过程的继续。因此，要提高窑炉的生产效率，应当 使坯体入窑水分尽量降低。一般隧道窑的坯体入窑水 分不能超过1，辊道窑的坯体入窑水分要控制在0.5 以下。 （二）氧化分解阶段（300950） 其主要反应是有机物及碳素的氧化、碳酸盐分解、结 晶水排除及晶型转变。坯、釉在这一阶段，随着物理 化学变化会出现吸热及放热反应。 1.碳素和有机物的氧化 坯体中的碳素和有机物来源于结合粘土。在低温阶 段，由于坯体中碳素和有机物不能充分燃烧，火焰中 往往也含有一定数量的碳素和一

22、氧化碳。,这些碳素和有机物加热即发生氧化反应： C（有机物）O2 350 CO2 C（碳素）O2 600 CO2 2H2O2 H2O SO2 250920 SO2 2COO2 2CO2 这些反应要在釉面熔融和坯体显气孔封闭前结束。否 则，就会产生烟熏、起泡等缺陷。 2.硫化铁的氧化 FeS2O2 350450 FeSSO2 4FeS7O2 500800 2Fe2O34SO2 Fe2（SO3）3 560770 Fe2O33SO2,二硫化铁是一种有害物质。若不在釉面熔融和坯体气 孔封闭前氧化成氧化铁，则易使制品起泡。且生成的 氧化铁又会使制品表面污染成黄、黑色。 3.碳酸盐、硫酸盐的分解 坯釉都含

23、有一定数量的碳酸盐、硫酸盐，当温度升高 时，就进行分解： MgCO3 500850 MgOCO2 CaCO3 6001000 CaOCO2 FeCO3 O2 8001000 2Fe2O34CO2 Fe2（SO4）3 580755 Fe2O33SO3 FeSO4 FeOSO3 4FeOO2 2Fe2O3,4.结晶水的排出 陶瓷所用原料中的粘土及其他含水矿物（如滑石、云母 等），随着温度的升高，其结晶水会逐步排出。 高岭石脱水： Al2O32SiO22H2O 400600 Al2O32SiO22H2O 滑石脱水： 3MgO4SiO2H2O 600970 3(MgOSiO2)SiO2H2O 蒙脱石脱

24、水： Al2O34SiO2nH2O Al2O34SiO2nH2O 5.晶型转变 石英在573时，-石英迅速地转变为-石英，体积 膨胀0.82；在870-石英缓慢地转变为-鳞石英， 体积膨胀16。,石英晶型转变造成的体积膨胀，一部分会被本阶段的 氧化和分解所引起的体积收缩所抵消。如果操作得当， 特别是保持窑内温度均匀，这种晶型转变对制品不会 带来多大的影响。 由粘土脱水分解生成的无定形Al2O3，在950时转化为 -Al2O3。随着温度的升高， -Al2O3与SiO2反应生成 莫来石晶体。 （三）高温玻化成瓷阶段（从950到最高烧成温度） 高温成瓷阶段坯、釉主要发生以下变化： （1）氧化分解阶段

25、进行不够彻底的反应，继续进行。 （2）熔融长石与低共熔物，构成瓷坯中的玻璃相；粘 土颗粒及石英部分地熔解在这些玻璃相中。,未熔解的颗粒及石英等物质之间的空隙，逐渐被玻璃 态物质所填充；体积发生收缩，密度增加。其变化率 与组成有关。如石英量多、长石量少的坯体收缩小； 否则相反。 （3）高温作用下，由粘土矿中的高岭石脱水产物，以 及偏高岭石（由高岭石分解而来）的游离Al2O3在950 左右开始转变为-Al2O3，-Al2O3与SiO2在1100可 生成微量莫来石晶体。 Al2O3 2SiO2 Al2O32SiO2 Al2O3（无定形） 950左右 -Al2O3 3（-Al2O3）2SiO2 100

26、0以上 3Al2O3 2SiO2 （一次莫来石） 3（Al2O3 2SiO2） 3Al2O3 2SiO2（二次莫来石） 4SiO2,（4）由于玻璃相及莫来石的生成，制品强度增加，气 孔率减少，坯体急剧收缩。强度、硬度增大。 （5）釉料熔融成玻璃体。 （四）冷却阶段 冷却阶段是制品从烧成温度降至常温的全部过程，此阶段坯、釉发生以下变化： （1）随着温度的降低，液相析晶，玻璃相物质凝固。 （2）游离石英晶型转变。 石英在573时，-石英转变为-石英，体积收缩 0.82。在270-石英缓慢地转变为-方石英，体 积收缩2.8。,烧成制度包括温度制度、气氛制度和压力制度。对一 个特定的产品而言，制定好温

27、度制度（建立温度与时 间的关系）和控制好烧成气氛是关键。压力制度起保 证前两个制度顺利实施的作用。三者之间互相协调构 成一个合理的烧成制度。 （一）烧成温度曲线的制定 烧成温度曲线表示由室温加热到烧成温度，再由烧成 温度冷却至室温的烧成过程全部的温度时间变化情 况。烧成温度曲线的性质决定于下列因素： （1）烧成时坯体中的反应速度。坯体的组成、原料性 质以及高温中发生的化学变化均影响反应的速度。,三、烧成制度的制定,（2）坯体的厚度、大小及坯体的热传导能力。 （3）窑炉的结构、形式和热容量，以及窑具的性质和装窑密度。 1.升温速度的确定 低温阶段：升温速度主要取决于坯体入窑时的水分。 如果坯体进

28、窑水分高、坯件较厚或装窑量大，则升温 过快将引起坯件内部水蒸气压力增高，可能产生开裂 现象；对于入窑水分不大于12的坯体，一般强度 也大，在120前快速升温是合理的；对于致密坯体或 厚胎坯体，水分排除困难，加热过程中，内外温差也 较大，升温速度就应减缓。,氧化分解阶段：升温速度主要取决于原料的纯度和坯件的厚 度，此外，也与气体介质的流速和火焰性质有关。 高温阶段：此阶段的升温速度取决于窑的结构、装窑密度以 及坯件收缩变化的程度。当窑的容积很大时，升温过快则窑 内温差大，将引起高温反应的不均匀。在高温阶段主要是收 缩较大，但如能保证坯体受热均匀，收缩一致，则升温较快 也不会引起应力而使制品开裂或

29、变形。 2.烧成温度及保温时间的确定 烧成温度必须在坯体的烧结范围之内，而烧结范围则须控制 在线收缩（或体积收缩）达到最大而显气孔率接近于零（细 瓷吸水率0.5）的一段温度范围。最适宜的烧成温度或止 火温度可根据坯料的加热收缩曲线和显气孔率变化曲线来确 定。但须指出，这种曲线与升温速度有关。,3.冷却速度的确定 冷却速度主要取决于坯体厚度及坯体液相的凝固速 度。快速冷却可防止莫来石晶体变为粗晶，对提高强 度有好处。同时防止坯体内低价铁的重新氧化，可使 坯体的白度提高。所以高温冷却可以快速进行，但快 速冷却应注意在液相变为固相玻璃的温度（约在750 800）以前结束。此后，冷却应缓慢进行，以便液

30、 相变为固相时制品内温度分布均匀。 （二）气氛制度 气体介质对含有较多铁的氧化物、硫化物、 硫酸盐以及有机杂质等陶瓷坯料影响很大。,同一瓷坯在不同气体介质中加热，其烧结温度、最终 烧成收缩、过烧膨胀以及收缩速率、气孔率均不相同， 故要根据坯料化学矿物组成，以及烧成过程各阶段的 物理化学变化规律，恰当选择气体介质（即气氛）。 气体介质的性质是根据燃烧产物中游离氧和还原成分 的含量来决定的。当游离氧含量为45时，为普通 的氧化介质，称普通氧化焰；当游离氧含量为810% 时，称强氧化焰；当氧含量为11.5时，称中性焰； 而游离氧含量在01（CO48）时为还原焰。 1.氧化气氛的作用与控制 在水分排除

31、阶段、氧化分解阶段，一般需要氧化气氛。 它的主要作用有两个：,（1）将前一阶段沉积在坯体上的碳素和坯体中的有机 物及碳素烧尽。 （2）将硫化铁氧化，其反应式如下： 4FeS211O2 2Fe2O38SO2 为使碳素烧尽，空气过剩系数值和升温时间要适当。 对于用氧化焰烧成的瓷器以及精陶、普陶等，成熟（或 瓷化）阶段中的值应控制在1.21.7。氧化焰烧成的 隧道窑，以重油为燃料时，值为1.11.3；以烟煤作 燃料时，值为1.31.7；以煤气作燃料时，值为 1.051.15；预热带汇总烟道中烟气的值为35。实 践证明，用氧化焰烧成的瓷器，在瓷化阶段如值过 高，容易造成釉面光泽不好，甚至造成高火部位坯

32、体起 泡。,2.还原气氛的作用与控制 还原气氛主要有以下作用： （1）含Fe2O3较高的原料，可以避免Fe2O3在高温时分 解并放出氧，致使坯体发泡。在氧化气氛下， Fe2O3在 12501370分解产生氧气，造成坯体起泡。而在还原 气氛下： Fe2O32CO 1100 4FeO2CO2 在低于Fe2O3分解的温度下，即完成了还原反应，避免了 析氧起泡。 （2）FeO与SiO2等形成亚铁硅酸盐，呈淡青的色调，使 瓷器具有白如玉的特点。,（三）压力制度 窑内合理的压力制度是实现温度制度和气氛制度的保证。 油烧隧道窑还原焰烧成时，一般窑的预热带控制负压（ 29.4Pa以下），烧成带正压（19.62

33、9.4Pa），冷却 带正压（019.6Pa），零压位在预热带与烧成带之间； 油烧隧道窑氧化焰烧成一般预热带为负压，烧成带为微 负压到微正压（4.94.9Pa），冷却带为正压。 为保持合理的压力制度，可通过调节总烟道闸板，排烟 孔小闸板来控制抽力，控制好氧化幕、急冷气幕以及抽 余热风机的风量与风压，并适当控制烧嘴油量，调节车 下风压和风量等办法。,四、陶瓷烧成设备窑炉 窑炉是保证陶瓷制品质量和性能的关键设备。陶瓷窑 炉一般分为连续窑和间歇窑。其他的分类方法见表1 84。普通陶瓷多采用隧道窑、辊道窑、梭式窑（抽 屉窑）等等。特种陶瓷则多采用电炉，如管式炉、箱 式炉、感应炉等。一种陶瓷制品往往可以用

34、几种窑炉 设备来烧成。如卫生陶瓷一般用隧道窑烧成，但也有 使用梭式窑来烧成的。近年来也开始使用辊道窑烧成 卫生陶瓷。采用何种窑型要视产品的具体要求，投资 大小，当地条件等综合而定。,表184 陶瓷窑炉分类,（一）隧道窑 隧道窑（tunnel kiln）是陶瓷生产使用较普通的窑型， 其基本特征是窑体外形像一条隧道。制品用各种方式 从这条隧道通过，实现烧成的目的。其特点是连续性 生产，产量高。通常所说的隧道窑一般是指单通道窑 车隧道窑，表185是隧道窑的分类。,1.一般隧道窑的工作系统 隧道窑的工作系统也称作工作流程，是指窑内气体的 输送系统。一般的隧道窑均有多个气体输送系统构 成。如排烟系统、冷

35、却系统、助燃系统、气幕隔离和 搅拌系统等。隧道窑各部分的结构与工作系统的设置 很有关系。图1817是一条明焰隧道窑的工作系统 图。 2.隧道窑的结构 隧道窑包括四个部分：窑体、窑内输送设备、燃烧设 备和通风设备。隧道窑沿窑长方向可分为三带：预热 带（入窑口至900区段）、烧成带（900至最高温 度处）、冷却带（最高温度处至出窑口）。,（1）窑体 窑体是由窑墙、窑顶所组成，其所围的空间（与窑车衬 一道）即是燃烧产物与坯体进行热交换的隧道。窑体一 般是钢结构支架固定的。 窑墙和窑顶一起，将隧道与外界分隔，在隧道内坯体被 高温烟气加热，因此，窑墙必须经受高温的作用。此 外，还要支撑窑顶，承受一定的重

36、量。窑墙内壁温度约 等于制品的温度，而外壁接触大气，因此有热量自内壁 通过窑墙向外壁散失。但窑顶的高温环境更为恶劣，因 此，必须耐高温、轻质、积散热小及具有一定强度，坚 固耐用，此外，应尽可能减少窑内的气体分层。 窑顶一般采用拱顶，拱顶结构紧密，砖形简单且节约钢 材。其剖面如图1818。,（2）窑内输送设备 窑内输送设备指窑车及推车机等。窑车是制品及 匣钵等的承重载体，同时又要反复经受高温，故 应有较高的机械强度和耐高性能。其底架一般是 用钢材铆接或铸铁制成。表面铺有轻质隔热材 料、耐火砖或陶瓷棉毡等。两侧装有钢制裙板， 裙板插入窑内墙两侧的砂封槽。砂封槽隔断了窑 车上下空间，不会使冷空气漏入

37、窑内。为防止窑 车高温变形（金属部分）并增加漏气阻力，在窑 墙和窑车衬砖之间，以及两车衬砖之间应作曲折 密封。隧道窑进车端装有推车机。使窑车作间歇 或连续的运动。,（3）燃烧设备 燃烧设备主要有燃烧室和烧嘴两部分，还有与烧嘴相连 的附属设备。隧道窑可以使用气体燃料、液体燃料或固 体燃料。烧气体或液体燃料都必须使用烧嘴。烧嘴将燃 料喷入燃烧室，使大部分燃料在燃烧室燃烧，燃烧产物 进入窑内加热坯体。 一般自900950到最高烧成温度处布置燃烧室和烧 嘴。此区域也称窑的烧成带。有些窑在400以前的预 热带也布置高速调温烧嘴。燃烧室的布置可以集中布 置，即用12对燃烧室；也可以分散布置，用10对或 更

38、多的燃烧室。可以相对或相错布置，相错布置可使温 度进一步均匀。,（4）通风设备 通风设备包括排烟系统、气幕和气体的循环装置和冷却 系统。由排烟机、烟囱、鼓风机及各种烟道、管道所组 成。其作用是使窑内气流按一定方向流动，排除烟气， 供给空气，抽出热空气等，并维持窑内一定的温度、气 氛和压力制度。 隧道窑的预热带设有分散装置的排烟口，在排烟口之下 为支烟道和主烟道。支烟道起连接排烟口和主烟道的作 用。主烟道的布置通常是一侧主烟道穿过窑底与另一侧 主烟道会合，然后进烟囱。一般烟囱在45m以下。 隧道窑预热带处于负压，易产生气体分层现象。上下温 差较大，不利于制品烧成，因此要设置气幕和搅动循环 装置。

39、此外，烧成带还有氧化气氛幕，在冷却带有急冷 阻挡气幕。,3.隧道窑的操作控制 隧道窑的操作控制包括温度、气氛和压力控制三个部 分。压力制度是温度制度和气氛制度的保证。 （1）温度控制 预热带的温度控制：预热带的温度控制是保证制品 自入窑起到第一对燃烧室止，能按升温曲线均匀的加 热。在一般情况下借助几支关键性热电偶，控制窑头、 预热带中部（约500）及末端（约900）的温度稳 定。如窑头温度过高，易使入窑水分高的坯体炸裂。 但快速烧成的窑炉，限制入窑坯体水分低于0.5，则 窑头温度即使高达300400也可不出废品。500左 右是石英晶型转化温度，有体积变化，应维持温度稳 定。预热带不仅要控制热电

40、偶指示的窑顶温度，还要 控制近车台面的温度，使上下温差减小。,烧成带的温度控制：烧成带的温度控制就是控制实 际火焰温度和最高温度点。实际火焰温度应高于制品 烧成温度50100。控制火焰温度的办法是调节单位 时间内的燃料消耗量和空气配比。单位时间燃烧的燃 料多而空气配比又恰当，则火焰温度高。 冷却带的温度控制：产品在700以前可以急冷，靠 急冷阻挡气幕喷入的冷空气将制品急冷。大件未装匣 钵的制品，为了避免冷风喷入不均匀引起制品炸裂， 可抽200以下的热空气作急冷之用，也可采用间接冷 却。窑尾则直接鼓入冷风，产品由400冷至80 出窑。高温急冷风的位置、风量应根据产品性质、装车情况和推车速度来决定

41、。,（2）烧成带的气氛控制 烧氧化气氛的窑，气氛容易控制，控制空气过剩系数大于1， 而不要太大，以节约燃料，提高温度。 气氛的控制和温度的控制密切相关。例如烧氧化气氛时，由 于空气过多，如果维持燃料不变而减少过多空气，则火焰温 度提高，当减少空气至空气过剩系数接近于1时，此时温度最 高。再继续减少空气，使空气不足，则温度又降低而进入不 完全燃烧的还原气氛。相反，当烧还原气氛时，由于空气不 足，如果维持燃料不变而增加空气时，由于燃烧更趋完全， 火焰温度升高。继续增加空气至理论需要量（空气过剩系数 接近于1）时，燃烧温度最高。如再增加空气，则温度降低 而变为完全燃烧又有过多空气的氧化气氛。所以从温

42、度的变 化也可以判断气氛的变化。,（3）压力控制 压力控制是为了实现温度控制和气氛制度而确定的。 最关键的是控制烧成带两端的压力稳定。如果窑内负 压大，漏入的冷空气多，一方面导致窑内温度低，气 体分层严重，上下温差大；另一方面会使烧成带难以 维持还原气氛。如果窑内正压过大，则大量热气体向 外界冒出，损失热量，恶化劳动条件，冒入车下坑道 还会烧毁窑车，造成事故。最理想的情况是全窑都维 持零压，但实际上这是办不到的，因为预热带要抽走 废气，因此必然是负压，而冷却带要鼓入冷风，必然 处于正压。由正压到负压要经过零压，由冷却带到预 热带要经过烧成带，所以烧成带处于零压附近操作。,但是，烧成带也不是全带

43、处于零压，而只有一个零压 面，控制这个零压面的位置十分重要。 除了控制隧道内压力制度外，还要控制车下检查坑道 的压力，最好检查坑道的压力与窑内压力接近平衡， 即冷却带车下维持正压，预热带车下维持负压，烧成 带维持在零压附近。这样，车上车下互不干扰，预热 带没有冷空气自坑道漏入窑内，冷却带也无热气体冒 向坑道。如果控制有困难，则宁愿预热带及烧成带下 坑道压力小于窑内压力，避免漏进大量冷风，增大窑 内上下温差。冷却带车下坑道压力应大于窑内的压力， 避免烧坏窑车。,（二）辊道窑 辊道窑（roller-hearth kiln），也称为辊底式隧道窑或 辊底窑。它是利用一系列转动的辊子作为制品的输送 工具

44、。辊道窑已广泛用于墙地砖地烧成。一部分日用 瓷和卫生瓷的烧成和日用瓷的彩烤也采用辊道窑。辊 道窑有单层、双层甚至三层通道结构的，其中单层辊 道窑用的最多。图1819,辊道窑有以下热工特点： （1）加热温度均匀，且窑内断面温差小。用天然气或 净化煤气、轻柴油等做燃料，可在辊道上下设置燃烧 器喷嘴，使产品上下同时加热，保证产品的烧成质量， 并为缩短烧成周期创造了条件。 （2）有利于实现机械化和自动化操作。可减轻劳动强 度，提高生产效率。 （3）不用窑车，也不用匣钵和其它窑具，可降低能耗。 （4）结构简单，便于维护和检修。,（三）间歇窑 间歇窑（intermittent kiln）是指陶瓷制品的装窑

45、、烧 成、冷却和出窑等操作工序，依次间歇地并周而复始 地进行的窑炉。与连续式隧道窑相比，它具有建造费 用低、投产快、烧成品种范围宽、节假日可停窑等优 点。但其产量较低，装、出窑有一定的劳动强度。故 间歇窑适合于中小批量、多品种的陶瓷生产企业。 1.倒焰窑 倒焰窑（down draught kiln）是我国陶瓷工业中应用 历史最悠久的一种窑型。其火焰在挡火墙和烟囱抽力 作用下有一个先冲上窑顶然后向下进入窑底吸火孔的 过程，故命名为倒焰窑。,2.梭式窑 梭式窑（shuttle kiln）也称抽屉窑，是一种窑车式的倒 焰窑，其结构与传统的矩形倒焰窑类似（图1820）。,因为在窑外装、卸窑车，且易实现

46、机械化操作，所以与传统的 倒焰窑在窑内装、卸制品相比较，大大地改善了劳动条件和减 轻了劳动强度。 （四）电热窑炉 窑炉从热源角度可分为火焰式和电热式两大类。前面所述的都 是火焰窑炉（flame furnace）。随着特种陶瓷的发展，各种电 热窑炉（electric furnace）正在被广泛地使用，电热窑炉也简 称为电炉。 1.电热窑炉与火焰窑炉的比较 （1）从热工基本原理上相比较：火焰窑炉需要燃烧供热，所 以需进行燃料燃烧计算和燃烧设备计算；燃料燃烧需要供给助 燃空气，燃烧产物需要排出窑外，所以需要计算窑内气体流量、 流动阻力、各种压力的转变，计算通风设备等。电热窑炉一般 是通过电热元件把电能转变成热能，要进行电热元件的选择、 电热元件尺寸的计算，供电与控制设备的选择与计算。,由于没有燃料燃烧的问题，所以不需要考虑供给空气、 排除燃烧产物等通风设备。在窑内传热方面，火焰窑炉 主要是燃烧产物的气体辐射传热和强制对流传热，电热 窑炉主要是电热体的固体辐射传热及自然对流传热，即 这两类窑炉内主要传热的基本方式不同。 （2）从结构与操作的主要优缺点相比较：电热窑炉不 需要燃烧设备，故一般不需要通风设备。其结构简单， 占地面积小；加热空间紧凑，空间热强度较高，热效率 高；窑内制品不受烟气及灰渣等影响，温度便于实现精 确控制，故产品烧成质量好；窑内可在任何压力条件或 特殊条件下加