陶瓷工藝學(xué)：第4章 傳統(tǒng)陶瓷的生產(chǎn)-燒成

4.5燒成4.5.1燒結(jié)設(shè)備溫度與氣氛均穩(wěn)定、均勻、可控的普通的熱處理爐，通常稱為燒結(jié)窯。

可以電、氣、煤加熱。1)倒焰窯倒焰窯是一種傳統(tǒng)的間歇式窯爐，但仍是我國中小型陶瓷、耐火材料企業(yè)常用的燒成設(shè)備。

工作原理見下圖。生產(chǎn)時，窯內(nèi)火焰的流動是先向上至窯頂，然后再向下倒流，經(jīng)過靜止不動的制品料堆剁間隙而至窯底，再經(jīng)火孔流入窯底的煙道排走，故稱為倒焰窯。這里采用燒煤加熱，也可以電、氣加熱。

圖4.7倒焰窯工作原理1－窯室；2－燃燒室；3－灰坑；4－窯底吸火孔；5－支煙道6－主煙道；7－擋火墻；8－窯墻；9－窯頂；10－噴火口與現(xiàn)代窯爐相比，其落后之處主要表現(xiàn)為燒成周期長，產(chǎn)量低；窯的熱損失大,單位產(chǎn)品的燃料消耗大；工人的勞動強度大,難以實現(xiàn)機械化、自動化作業(yè)；操作控制不易掌握，故產(chǎn)品的質(zhì)量不易保證。2）梭式窯一種活底窯車式的間歇窯,又稱抽屜窯。

目前應(yīng)用較為普遍。工作原理見下圖,在窯車鋼架結(jié)構(gòu)上用耐火材料砌筑形成窯底，有吸火孔和支煙道。窯車在地面的軌道上移動，開進窯室，即可使支煙道和窯墻上的主煙道連通，構(gòu)成一個完整的燒結(jié)爐及排煙系統(tǒng)。

圖4.8梭式窯示意圖1－窯門臺車；2－軌道；窯車；4－吸火孔；5－支煙道；6－窯體；7－主煙道坯體裝卸的操作在窯外的窯車上進行。裝好坯體的窯車被推入窯內(nèi)，待坯體燒成并冷卻至一定溫度后再拉出，接著再推入另一車坯體進行燒成。一個梭式窯可以擁有多個窯車。3）隧道窯窯底鋪設(shè)軌道供窯車運行，外形類似鐵路隧道的燒結(jié)窯(見下圖)。

較為先進的連續(xù)式窯爐，是目前陶瓷工業(yè)生產(chǎn)中的主要窯爐之一。不論窯的結(jié)構(gòu)繁簡，也不論窯的長短如何，任何隧道窯都可沿窯長方向劃分為三帶：坯體入窯端為預(yù)熱帶，產(chǎn)品出窯端為冷卻帶，中間設(shè)有燃燒室的一段為燒成帶。由于主煙機或

圖4.9隧道窯示意圖（水平剖面圖）1－進車室；2－煙道；3－燃燒設(shè)備；4-出車室；5-托車軌道;回車線圖4.10隧道窯的剖面圖圖4.11隧道窯中的溫度及氣壓分布分布煙囪設(shè)在入窯端，因此燃料燃燒所產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈱⑾蚋G頭流動，即與坯體的運行方向相反，所以說隧道窯是一種逆流式加熱的熱工設(shè)備。燒成時，在窯頭，頂車機將載著坯體的一節(jié)節(jié)窯車依次頂入窯內(nèi)。在窯車向燒成帶運行的過程中，坯體受到溫度越來越高的熱氣流加熱，最后在燒成帶末端于最高溫度燒成。窯車?yán)^續(xù)前進。進入冷卻帶后，坯體與冷空氣接觸，將熱量傳給冷空氣使之加熱，而坯體被冷卻。最后窯車被頂出窯室。4）軌道窯又稱輥底窯。熱工原理與隧道窯一樣，也屬于逆流式加熱的燒成設(shè)備。以許多位于同一平面上的等徑的輥子組成軌道，代替窯車作為制品在窯內(nèi)的運載工具。制品放在墊板上或直接放在軌道上，通過輥子的轉(zhuǎn)動，借摩擦力使制品向前移動，經(jīng)過預(yù)熱、燒成、冷卻后出窯。圖4.12意大利Welko公司產(chǎn)62mmFRW2000型軌道窯分帶及工作系統(tǒng)圖1－主排煙機；2－熱交換風(fēng)機；3－熱交換器；4－輔排煙機；5－冷風(fēng)機；6－油熱風(fēng)機；7－風(fēng)扇排；8－x表示燒嘴位置圖4.13意大利Welko公司產(chǎn)62mmFRW2000型軌道窯斷面結(jié)構(gòu)圖1－孔磚；2－輕質(zhì)耐火磚；3－輕質(zhì)高鋁吊頂轉(zhuǎn)；4－散裝保溫材料；5－硅酸鋁纖維；6－鋼板；7－輕質(zhì)保溫磚；輕質(zhì)耐火混凝土5）推板隧道窯一種非窯車式的小截面隧道窯。它以耐火材料板——推板作為窯內(nèi)坯體的運輸載體。推板置于窯底上，彼此緊靠，在頂車機的推動下向前運動。其熱工原理與軌道窯、隧道窯一樣。6）測溫三角錐在實際生產(chǎn)中，窯爐的測溫除了采用熱電偶外，還常用一種稱作測溫三角錐的物體。測溫三角錐，又稱測溫錐、火錐，用一定成分的硅酸鹽材料（各種不同的氧化物）制成的、用于標(biāo)定溫度的、高約6cm的三角錐體。按熔融溫度高低對測溫三角錐編號。我國測溫三角錐的編號與其熔融溫度的關(guān)系為：編號乘10為其熔融溫度。如135號測溫三角錐的熔融溫度為1350℃。測溫時，將測溫三角錐放在料垛里，插入耐火泥中，插入深度約10mm，并與底座呈80°。與坯體同時升溫。當(dāng)具有特定編號

圖4.14測溫錐測溫示意圖

(a)測溫錐插入底座；(b)測溫錐彎倒的測溫三角錐出現(xiàn)軟化，即其頂端彎倒恰好與底座接觸時，該測溫三角錐的熔融溫度，就是窯內(nèi)的坯體溫度。如果將多個不同號碼的測溫三角錐放在車上，然后在燒成帶不同的觀察孔觀察，也可測出各車位的溫度情況。圖4.15燒結(jié)時燒結(jié)爐溫度變化4.5.2傳統(tǒng)陶瓷燒成工藝解析爐溫的變化一般分為三個階段，即升溫階段、保溫階段和降溫階段（見圖4.15）。升溫階段發(fā)生一系列的物理、化學(xué)過程,產(chǎn)生各種燒結(jié)現(xiàn)象。低溫階段（室溫～300℃）坯體在此階段主要是排除水分。隨著水分及有機物的排除，顆粒緊密靠攏，將使坯體產(chǎn)生少量收縮，但這種收縮并不能完全彌補水分蒸發(fā)所造成的孔隙。經(jīng)過此階段后，粘土質(zhì)坯體的強度與孔隙率均有所增大。中溫階段（300～950℃）對傳統(tǒng)陶瓷而言，又稱氧化分解階段。坯體所含的有機物、碳酸鹽及鐵質(zhì)化合物等大多在此階段進行氧化分解，反應(yīng)進程隨升溫速度及窯內(nèi)氣氛而異。此外還進行相轉(zhuǎn)變、結(jié)構(gòu)水排除、以及其它一些物理、化學(xué)變化。碳素及有機物的氧化

坯體中的碳素及有機物主要由粘土及粘結(jié)劑帶入，如紫木節(jié)土、黑堿石、大同石及南方的黑泥等都有大量的有機物及碳素；另外，明焰燒成時煙氣中未燃盡的碳粒也可能沉積于坯體表面上，它們都將發(fā)生氧化反應(yīng)，并放出氣體，例如：

C有機物+O2350℃以上

CO2↑C碳素+O2約600℃以上CO2↑硫化鐵的氧化粘土夾雜的硫化鐵礦物十分有害，如控制不當(dāng)也易使制品起泡，并且反應(yīng)生成的Fe2O3易影響制品的外觀顏色。鐵的硫化物一般在800℃左右氧化完畢。FeS2+O2

350～450℃FeS+SO2↑4FeS2+7O2

500～800℃2Fe2S+4SO2↑結(jié)構(gòu)水的排除粘土類原料所含結(jié)構(gòu)水的排除溫度與其結(jié)晶程度、礦物組成及升溫速度等因素有關(guān)。例如高嶺土在480～600℃之間分解排除結(jié)構(gòu)水，形成偏高嶺石：Al2O3·2SiO2·2H2O480～600℃Al2O3·2SiO2+2H2O↑偏高嶺石碳酸鹽的分解碳酸鹽礦物的分解一般在1000℃左右基本結(jié)束。主要反應(yīng)有：

CaCO3

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

800~1000℃2Fe2O3+3CO2↑晶形轉(zhuǎn)變及液相形成石英具有多種晶形。在加熱過程中要發(fā)生晶形轉(zhuǎn)變。其中對制品影響較大是下列反應(yīng)：

β－石英573℃

α－石英（⊿V＝+0.82%）

長石開始與石英、分解后的粘土顆粒反應(yīng),形成K2O-Al2O3-SiO2三元低共熔液相

根據(jù)K2O-Al2O3-SiO2系統(tǒng)相圖可知，三元低共熔物要在985℃才出現(xiàn)，但由于雜質(zhì)的存在，實際低共熔點的溫度要比相圖所示溫度低60℃以上。因此當(dāng)溫度升至900℃以后，開始在長石與石英、分解后的粘土顆粒的接觸部位產(chǎn)生液相熔滴。高溫階段（950℃～最高燒成溫度）由于各種陶瓷制品的質(zhì)量要求及所用原料性質(zhì)不同，對此階段的要求也不同。就燒成氣氛而言，我國北方大都采用氧化焰燒成，而南方大都采用還原焰燒成。當(dāng)采用還原焰燒成時，高溫階段又包括氧化保溫、強還原及弱還原三個階段。在整個高溫階段發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下：在1050℃以前,繼續(xù)上述尚未完成的的氧化分解反應(yīng)在950℃以前，坯體中的氧化反應(yīng)是不能進行完全的。如果在進入還原焰焙燒之前，以及在釉層封閉之前燒不盡碳素，這些碳素將推遲到燒成末期及冷卻初期進行氧化，這就有可能引起坯釉泡和煙熏。因此，在實際生產(chǎn)中，高溫階段初期進行氧化保溫操作。硫酸鹽的分解和高價鐵的還原與分解MgSO4＞900℃MgO+SO3↑

CaSO41250～1370℃劇烈CaO+SO3↑Na2SO41200~1370℃NaO+SO3↑2Fe2O31250~1370℃4FeO+O2↑Fe2O3+CO1000~1100℃2FeO+O2↑形成大量的液相和莫來石晶體高嶺土轉(zhuǎn)變過程：2(Al2O3·2SiO2)～980℃2Al2O3·3SiO2+SiO2

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

轉(zhuǎn)變中的莫來石方石英3（Al2O3·SiO2）＞1300℃3Al2O3·2SiO2+SiO2

莫來石方石英4）長石在燒結(jié)中的作用產(chǎn)生液相前已述及，當(dāng)溫度升至900℃以后，長石由于本身熔點低，在與石英、分解后的粘土顆粒接觸處出現(xiàn)熔滴（見圖4.16）。圖4.16傳統(tǒng)陶瓷燒至950℃左右的組織結(jié)構(gòu)示意圖1－石英；2－長石；3－熔滴；4－粘土礦物圖4.17傳統(tǒng)陶瓷燒至1000℃后的組織結(jié)構(gòu)示意圖1－石英；2－長石；3－熔滴；4－粘土礦物此后，隨溫度的升高，液相量不斷增加，并能溶蝕分解后的粘土與石英。見圖4.17，至1000℃以上時，坯體中的長石、石英顆粒已明顯溶蝕。隨溫度繼續(xù)升高，長石不斷熔化，至1200℃以上幾乎完全熔化。液相在冷卻過程中可以轉(zhuǎn)變?yōu)椴Ａ嗷颍ńY(jié)晶相+玻璃相）。形成二次莫來石

長石熔體中的堿金屬離子容易擴散到粘土礦物中去，從而促進粘土礦物分解并生成莫來石。由于堿金屬離子減少,熔體的組成移向三元相圖的莫來石析晶區(qū)，導(dǎo)致熔體中生成細小針狀的莫來石晶體（見圖4.18，處在粘土與液體的界面處）。圖4.18傳統(tǒng)陶瓷中一次和二次莫來石形成示意圖■-一次莫來石；●-堿離子；o-氣泡;1－石英；2－長石熔體；3－二次莫來石；4－高嶺石

通常將由高嶺石分解形成的粒狀或片狀莫來石稱為一次莫來石，由長石熔體形成的針狀莫來石稱為二次莫來石。長石熔體冷卻,如果不結(jié)晶，也會結(jié)晶出二次莫來石。

圖4.19冷卻時二次莫來石在熔體中中生長示意圖●-堿離子；o-氣泡;1－石英；2－長石熔體；3－二次莫來石；4－高嶺石長石液相的作用