陶瓷工藝學(xué)第十章燒成與窯具分析課件

第十章燒成與窯具第十章第一節(jié)燒成制度第二節(jié)低溫快速燒成第三節(jié)裝窯第四節(jié)窯具第一節(jié)燒成制度1.燒成制度燒成制度：燒成過程中各階段氣氛、溫度及其溫度變化速率的具體要求。

包括：溫度制度、氣氛制度和壓力制度。溫度制度：包括各階段的升溫速度、最高燒成溫度和保溫時間。氣氛制度：各階段所對應(yīng)的氣氛要求。壓力制度：為了保證溫度、氣氛制度的實現(xiàn)，對窯內(nèi)壓力的要求。1.燒成制度燒成制度：燒成過程中各階段氣氛、溫度及其溫度變化1.1燒成制度與產(chǎn)品性能的關(guān)系1.1.1燒成溫度對產(chǎn)品性能的影響（1）燒成溫度與產(chǎn)品的氣孔率有關(guān)在燒成溫度范圍內(nèi)，燒成溫度越高，氣孔率越低，材料的強度越高，吸水率越低。燒成溫度玻璃相/％莫來石/％石英/％氣孔體積/％1210℃1270℃1310℃1350℃565861709131510322723193211某長石質(zhì)瓷坯相組成與燒成溫度的關(guān)系1.1燒成制度與產(chǎn)品性能的關(guān)系燒成玻璃相莫來石石英氣（2）燒成溫度與產(chǎn)品的巖相組成有關(guān)

高溫下舊相的溶解，新相的生成、長大都與溫度有著密切關(guān)系。瓷坯燒成時與冷卻后的內(nèi)部變化示意圖1.石英

2.液相（玻璃相）

3.二次莫來石

4.粘土殘骸及一次莫來石（2）燒成溫度與產(chǎn)品的巖相組成有關(guān)瓷坯燒成時與冷卻后的內(nèi)部瓷件顯微結(jié)構(gòu)SEM瓷件顯微結(jié)構(gòu)SEM陶瓷燒成溫度對產(chǎn)品性能的影響，總的來講，在過燒溫度（燒成溫度范圍之內(nèi)）之前適當(dāng)提高燒成溫度，能夠提高玻璃相和莫來石量，減少殘余石英量，導(dǎo)致產(chǎn)品的機(jī)電性能提高，透光度提高，密度增大，熱膨脹系數(shù)降低。陶瓷燒成溫度對產(chǎn)品性能的影響，總的來講，在過燒1.1.2高溫保溫時間對產(chǎn)品性能的影響高溫保溫時間：一般是指達(dá)到最高燒成溫度后，保持溫度不變的一段時間，目的是為了均勻窯內(nèi)溫度，產(chǎn)品各部分物理化學(xué)反應(yīng)均勻、完全，使產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)性能趨于一致。適當(dāng)降低燒成溫度，延長保溫時間，可以提高產(chǎn)品品質(zhì)，提高燒成合格率，對于大件、異型、密裝產(chǎn)品更加重要。

1.1.2高溫保溫時間對產(chǎn)品性能的影響燒成溫度（℃）保溫時間（min）平均吸水率（%）10203016.410403015.710603014.9210803014.1011003013.921080514.9610801514.710803014.1510806014注：摘自《陶瓷研究》楊世源不同燒結(jié)溫度及高溫保溫時間對產(chǎn)品性能的影響燒成溫度（℃）保溫時間（min）平均吸水率（%）1020301.1.3升、降溫速度對產(chǎn)品性能的影響（1）對形狀：升溫速度太快，可能導(dǎo)致產(chǎn)品的變形和開裂。（2）同一種坯料燒成溫度相同時：慢速升溫：氣孔率較低，強度高?？焖偕郎兀簹饪茁瘦^高，強度低。（3）冷卻速度太快，可能導(dǎo)致產(chǎn)品的炸裂；太慢導(dǎo)致釉面析晶。（4）冷卻速度對產(chǎn)品質(zhì)量的影響快速燒成的產(chǎn)品，緩慢冷卻，二次莫來石異常生長，強度降低；緩慢升溫的產(chǎn)品，緩慢冷卻，強度提高；高溫階段冷卻速度緩慢，可能導(dǎo)致低價鐵氧化產(chǎn)品泛黃，釉析晶；有晶型轉(zhuǎn)變的產(chǎn)品，在其溫度范圍，快速冷卻可能導(dǎo)致產(chǎn)品炸裂。1.1.3升、降溫速度對產(chǎn)品性能的影響對于普通陶瓷產(chǎn)品冷卻制度一般為：高溫階段應(yīng)當(dāng)快速冷卻，低溫階段相對緩慢，晶型轉(zhuǎn)變溫度附件最慢。對于普通陶瓷產(chǎn)品冷卻制度一般為：1.1.4燒成氣氛對產(chǎn)品性能的影響

中科院上海硅酸鹽研究所李家治、周仁等進(jìn)行了大量的研究。（1）氣氛對燒結(jié)溫度的影響A組:Fe2O3含量A～A2分別為0.62、1.75、2.09；組分不含有碳素，有機(jī)物。B組:Fe2O3含量B～B3分別為0.43、0.49、0.54、1.69組分含有一定的碳素，有機(jī)物。燒結(jié)溫度測試結(jié)果對比如下：1.1.4燒成氣氛對產(chǎn)品性能的影響氧化氣氛還原氣氛溫度℃1400130012001100AA1A2BB1B2B3規(guī)律：（1）Fe2O3含量提高，不同氣氛的燒結(jié)溫度均降低；（2）同一種坯料還原氣氛的燒結(jié)溫度一定低于氧化氣氛；而且Fe2O3含量越高相差越大。氧化氣氛溫度℃1400130012001100A原因：（1）氧化氣氛下坯料中的Fe2O3仍主要以Fe2O3的形式存在，還原氣氛下坯料中的Fe2O3主要以FeO的形式存在；（2）

FeO比Fe2O3的助熔能力強。原因：（2）氣氛對最大燒成線收縮率的影響氧化氣氛還原氣氛AA1A2BB1B2B3最大線收縮率％氧化氣氛還原氣氛（2）氣氛對最大燒成線收縮率的影響氧化氣氛A規(guī)律：

A組坯料還原氣氛收縮率大；B組坯料氧化氣氛收縮率大。原因：B組坯料中膨潤土所含的碳素、有機(jī)物在還原氣氛中氧化分解溫度要比氧化氣氛高。即：氣氛對最大燒成線收縮率的影響與坯料的組成有關(guān)。規(guī)律：即：氣氛對最大燒成線收縮率的影響與坯料的組成有關(guān)。（3）氣氛對瓷坯顏色、透光度及釉面質(zhì)量影響（A）氧化氣氛燒成后，瓷坯發(fā)黃。（B）還原氣氛燒成后，瓷坯呈淡青色。

低鐵高鈦坯料（北方）常用氧化氣氛燒成；高鐵低鈦坯料（南方）常用還原氣氛燒成。（C）強的還原氣氛可能導(dǎo)致：

SiO2被還原分解出Si黑斑；

CO被還原C沉積黑斑或轉(zhuǎn)變成氣泡。（3）氣氛對瓷坯顏色、透光度及釉面質(zhì)量影響低鐵高鈦坯料（北1.2.2制定燒成制度的依據(jù)1.2.2.1坯料組分在加熱過程中的性狀變化（1）相圖（晶型轉(zhuǎn)變）和熱分析資料（差熱曲線DTA、失重曲線TG、瓷坯熱膨脹曲線TE、生坯不可逆熱膨脹曲線ITE）是確定升、降溫速度的依據(jù)之一。1.2.2制定燒成制度的依據(jù)1.2.2.1坯料組分在加熱過20040060080010001200℃粘土石英長石線膨脹ITETEDTA熱分析綜合圖譜200400600利用熱分析綜合圖譜繪制理論燒成曲線ITEDTATE

-

石英脫OH碳素燃燒脫吸附水

-

石英熱塑性范圍脆性生坯脆性瓷器時間14001000600200利用熱分析綜合圖譜繪制理論燒成曲線ITEDTATE-石英（2）燒結(jié)曲線（氣孔率、燒成線收縮率、吸

水率及密度變化曲線）和高溫物相分析，

是確定燒成溫度的主要依據(jù)。顯氣孔率線收縮率?；秶鸁Y(jié)范圍溫度

T1T2—

+（2）燒結(jié)曲線（氣孔率、燒成線收縮率、吸顯氣孔率線收縮率玻A.燒結(jié)范圍寬、液相粘度大、量隨溫度變化小的坯料，燒成溫度可以確定在燒結(jié)

范圍上限附近（T2）；B.燒結(jié)范圍窄、液相粘度小、量隨溫度變化大的坯料，燒成溫度只能定在燒結(jié)范圍下限附近（T1）1.2.2.2制品的大小和形狀

升溫速度快時，坯體的斷面形成溫度梯度、坯體在膨脹或收縮過程中均產(chǎn)生不均勻應(yīng)力，導(dǎo)致坯體變形（塑性狀態(tài)）或開裂（彈性狀態(tài)）。結(jié)論：坯體越厚、形狀越復(fù)雜越容易變形或開裂，升溫速度不能太快。A.燒結(jié)范圍寬、液相粘度大、量隨溫度變化小的坯料，燒成溫度可厚坯薄坯時間140012001000800600400200脆性生坯

熱塑性范圍

脆性瓷器中火保溫理論溫度制度曲線厚坯時間1400脆性生坯1.2.2.3釉燒方法（1）一次燒成時，釉料的熔化溫度與坯料的氧化分解溫度相適應(yīng)，中火保溫防止針孔、橘釉、黑心、鼓泡等缺陷。（2）冷卻初期依據(jù)釉料要求確定冷卻速度光澤釉——快速冷卻結(jié)晶釉——結(jié)晶溫度保溫處理（3）二次燒成高溫素?zé)蜏赜詿河詿龝r可以不考慮坯體的脫結(jié)構(gòu)水及氧化分解排氣，素?zé)龝r不考慮與釉的關(guān)系。低溫素?zé)邷赜詿河詿龝r可以不考慮坯體的脫結(jié)構(gòu)水，要考慮氧化分解，素?zé)龝r不考慮與釉的關(guān)系。1.2.2.3釉燒方法（1）一次燒成時，釉料的熔化溫度與坯1.2.2.4根據(jù)坯料中TiO2和Fe2O3含量確定氣氛制度

低鐵高鈦坯料（北方）常用氧化氣氛燒成；高鐵低鈦坯料（南方）常用還原氣氛燒成。1.2.2.5窯爐結(jié)構(gòu)、容量、燃料和裝窯密度窯爐結(jié)構(gòu):溫度均勻性，升溫速度。燃料種類:裝燒方法，燃燒強度，升溫速度。容量、密度：窯內(nèi)溫度的均勻性，升溫速度。1.2.2.4根據(jù)坯料中TiO2和Fe2O3含量確定氣氛制1.2.3.燒成制度的控制1.2.3.1溫度制度的控制（1）流體燃料：調(diào)節(jié)燃料和助燃空氣的流量。（2）固體燃料：每次添加量、間隔時間、燃料在燃燒室內(nèi)的分布。（3）調(diào)節(jié)窯內(nèi)壓力制度（煙道抽力）1.2.3.燒成制度的控制（1）流體燃料：調(diào)節(jié)燃料和助燃1.2.3.2氣氛制度的控制

（1）流體燃料：調(diào)節(jié)助燃空氣過剩系數(shù)0.9、0.95、1.0、1.1。

（2）固體燃料：每次添加量、間隔時間以及燃燒程度。

（3）調(diào)節(jié)窯內(nèi)壓力制度（煙道抽力）

窯內(nèi)正壓有利于還原氣氛的形成，負(fù)壓有利于氧化氣氛的形成。1.2.3.2氣氛制度的控制1.2.3.3壓力制度的控制（1）煙道（總煙道、支煙道）抽力（2）氣體的進(jìn)入量和排除量的調(diào)節(jié)1.2.3.3壓力制度的控制1.2.4.燒成制度舉例說明（1）某瓷質(zhì)外墻磚的燒成曲線12001000800600400200時間（分）氧化氣氛燒成1.2.4.燒成制度舉例說明1200時間（分）氧化氣氛（2）隧道窯還原氣氛燒成日用瓷1400120010008006004002000氧化強氧化還原弱還原或中性氧化氣氛壓力制度：預(yù)熱帶負(fù)壓10——40——30Pa1020℃以前；

燒成帶、冷卻帶微正壓15Pa以下；零壓位（h）(氣氛)（2）隧道窯還原氣氛燒成日用瓷1400氧化強氧化還快速燒成：燒成周期4小時以下的燒成過程。2.1快速燒成的意義（1）節(jié)約能源（燃料）燒成能耗占總成本20～30％燒成時間縮短10％，產(chǎn)量提高10％，單位能耗降低4％。第二節(jié)低溫快速燒成快速燒成：燒成周期4小時以下的燒成過程。2.1快速燒成的意義（2）

充分利用原料資源

隨著低溫快速燒成的實現(xiàn)，大量的耐火度較低的原料可以大量應(yīng)用于陶瓷生產(chǎn)。如硅灰石、透輝石、霞石正長巖、含鋰礦物以及一些尾礦等劣質(zhì)原料。（3）減少窯具的使用量隔焰、明焰輥道窯的使用大幅度減少了窯具的用量，（4）縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率（5）低溫快速燒成有利于色釉的顯色，提高某些瓷坯的強度。局限性：大件、較厚的產(chǎn)品，性能要求特殊的產(chǎn)品不適合（2）充分利用原料資源局限性：大件、較厚的產(chǎn)品，性能要求2.2快速燒成的工藝措施（1）坯釉能適合快速燒成的要求★體積隨溫度變化小（收縮、膨脹）★導(dǎo)熱性好，晶型轉(zhuǎn)變少，物理化學(xué)反應(yīng)速度快、排氣少；★釉的始熔溫度較高，高溫粘度小且隨溫度變化大。（2）減少入窯坯水分，提高入窯坯溫度（3）控制坯體形狀、大小和厚度（4）窯爐溫差小保溫好（5）窯具耐火度較高、熱穩(wěn)定性好2.2快速燒成的工藝措施結(jié)構(gòu)水最大允許排出速度與坯料配方及坯體厚度的關(guān)系坯料配方/質(zhì)量％面磚厚度/mm脫水范圍內(nèi)對應(yīng)最大允許排出速度/％/min0％～15％15％～80％A粘土50，B粘土5081113159229208B粘土50，石英砂25，霞石正長巖15，熟料1013417A粘土35，B粘土35，熟料301315252.3快速燒成的極限結(jié)構(gòu)水最大允許排出速度與坯料配方及坯體厚度的關(guān)系坯料配方/質(zhì)陶瓷墻地磚輥道窯單層快燒工藝各階段的最大升溫、冷卻速度。坯體種類尺寸/mm升溫速度/℃/min冷卻速度/℃/min500℃之前500-700℃700-燒成溫度燒成溫度-600℃600-500℃500-350℃350-20℃地磚100×100×10500-60060-70100-120200-25020-2580-100150-200地磚150×150×13400-50040-5060-80150-20015-2050-60120-150面磚150×75×7500-60060-80150-200200-25020-3080-100150-200陶瓷墻地磚輥道窯單層快燒工藝各階段的最大升3.1裝缽

匣缽：陶瓷燒成過程中用于承裝坯體的耐火材料容器。裝缽的目的：（1）隔離不潔凈火焰與制品；（2）合理利用窯位；（3）防止釉面熔化后制品互相粘結(jié)。第三節(jié)裝窯3.1裝缽裝缽的目的：第三節(jié)裝窯3.2日用陶瓷裝窯方法扣裝座裝（1）裝缽方法3.2日用陶瓷裝窯方法扣裝座裝（1）裝缽方法（2）裝倒焰窯、梭式窯特點清理吸火孔及支煙道，保證火焰暢通；撒防粘（砂）。

底層用耐火墊，呈三角形支撐匣缽。匣缽柱中密邊疏，邊柱略向內(nèi)傾斜，匣缽柱之間加支撐物。匣缽柱邊低中高，保證火焰流暢。倒焰窯裝窯示意圖（2）裝倒焰窯、梭式窯特點清理吸火孔及支煙（3）裝隧道窯車特點

匣缽柱排列應(yīng)當(dāng)有利于窯內(nèi)焰氣有規(guī)律流動；坯體大小、形狀、厚度差別不能太大。（3）裝隧道窯車特點（4）無匣缽裝燒隧道窯（4）無匣缽裝燒隧道窯日本NGK公司電瓷梭式窯日本NGK公司電瓷梭式窯日本高砂日用瓷輥道窯日本高砂日用瓷輥道窯3.4墻地磚裝窯方法

目前墻地磚的燒成基本全部采用輥道窯單層裝燒。3.5衛(wèi)生潔具裝窯方法

傳統(tǒng)窯爐的裝燒類似日用陶瓷的裝燒；現(xiàn)代窯爐無匣燒成采用單層或多層棚架結(jié)構(gòu)裝窯。3.4墻地磚裝窯方法目前墻地磚的燒成基本全4.1窯具種類

匣缽、棚板、支柱、各種耐火墊、托板、輥棒和窯車材料等。

現(xiàn)代窯爐的重要標(biāo)志之一，就是大幅度減少了窯具的用量，采用多種高級耐火材料窯具，滿足快速燒成的需要。第四節(jié)窯具4.1窯具種類現(xiàn)代窯爐的重要標(biāo)志之一，就4.2窯具的性能要求（1）足夠的結(jié)構(gòu)強度

常溫強度和高溫強度（2）良好的抗熱震性能

破壞機(jī)理：裂紋不斷擴(kuò)展；

熱膨脹系數(shù)

小，產(chǎn)生應(yīng)力小，不易破壞

熟料和基質(zhì)

的相互關(guān)系；相對量的多少

影響較大。4.2窯具的性能要求（2）良好的抗熱震性能例如：

(熟料)>

(基質(zhì))

莫來石

堇青石

5.62×10-6熟料表面基質(zhì)切向受到壓應(yīng)力，徑向受到張應(yīng)力。壓應(yīng)力壓應(yīng)力張

應(yīng)

力反之，基質(zhì)切向受到張應(yīng)力，產(chǎn)生微裂紋，能夠抑制裂紋的擴(kuò)散上述兩種情況，控制得好都可以提高制品的抗熱震性能。例如：(熟料)>(基質(zhì))壓應(yīng)力壓應(yīng)力張應(yīng)（3）重復(fù)使用時窯具的體積穩(wěn)定性（不可逆變化）※

二次莫來石化引起體積膨脹窯具中游離態(tài)的SiO2和剛玉，1270～1350℃反應(yīng)

3Al2O3+2SiO2

→3Al2O3·2SiO2（二次莫來石）

密度3.9密度3.0體積膨脹

※

碳化硅的氧化引起體積膨脹※

熔融石英的析晶引起體積膨脹（3）重復(fù)使用時窯具的體積穩(wěn)定性（不可逆變化）※二次莫來石（4）導(dǎo)熱性能

良好的導(dǎo)熱性，有利于窯具壽命提高，降低燃料消耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量。4.3.窯具的材質(zhì)類型（1）硅鋁質(zhì)（粘土質(zhì)、高鋁質(zhì)和莫來石質(zhì)）

粘土質(zhì)使用溫度1300℃以下（耐火黏土）

高鋁質(zhì)使用溫度1400℃以下（熟鋁礬土）

熱穩(wěn)定性較好（4）導(dǎo)熱性能4.3.窯具的材質(zhì)類型（1）硅鋁質(zhì)（粘土質(zhì)（2）硅鋁鎂質(zhì)

莫來石-堇青石質(zhì)

高鋁熟料+堇青石結(jié)合劑

堇青石-莫來石質(zhì)

堇青石熟料+粘土質(zhì)結(jié)合劑

此類窯具的使用溫度＜1350℃

熱穩(wěn)定性好（3）碳化硅質(zhì)

導(dǎo)熱系數(shù)大，500℃

時

λ=15.12W/m·K；

熱膨脹系數(shù)小，

α=5.57-5.59×10-6/℃。

（2）硅鋁鎂質(zhì)（3）碳化硅質(zhì)結(jié)合方式：粘土結(jié)合、氧化鋁結(jié)合、氮化硅結(jié)合、再結(jié)晶隨著結(jié)合方式的優(yōu)化各種性能進(jìn)一步提高。使用溫度高1400℃以上。（4）熔融石英質(zhì)

SiO299.5%時α=0.54×10-6/℃,

使用溫度可達(dá)1380℃。結(jié)合方式：粘土結(jié)合、氧化鋁結(jié)合、（4）熔融石英質(zhì)4.4窯具材料損壞機(jī)理分析（1）硅酸鋁質(zhì)窯具

相組成：莫來石、殘余石英、剛玉和玻璃一次莫來石長大→晶界減少，強度降低。石英的方石英化→體積膨脹，結(jié)構(gòu)疏松。二次莫來石化→體積膨脹，結(jié)構(gòu)疏松。損壞機(jī)理4.4窯具材料損壞機(jī)理分析一次莫來石長大→晶界減少，強度降（2）硅鋁鎂質(zhì)窯具

相組成：堇青石