陶瓷工藝學(xué)課件：第七章 干燥與燒成

1、第七章 干燥與燒成7.1 干燥了解坯體干燥的作用和干燥過程的特點理解影響坯體干燥收縮與變形的因素、確定干燥制度的依據(jù)和方法了解干燥方法、熟悉熱空氣干燥（對流干燥）,了解干燥缺陷及原因分析。 干燥強度吸釉能力順利入窯一、干燥作用在陶瓷行業(yè)中,用于干燥的能耗占燃料總消耗的20干燥技術(shù)的基本要求：干燥速度快節(jié)能無污染干燥作用二、干燥機理自由水：分布在顆粒之間和毛細(xì)管中，結(jié)合松馳，較易排除。吸附水：附著于顆粒表面，其數(shù)量與環(huán)境溫度和濕度相關(guān)，并有一定的平衡關(guān)系，即隨周圍介質(zhì)條件可逆性地變化。 化學(xué)結(jié)合水：包含在礦物的分子結(jié)構(gòu)中，結(jié)合牢固，排除時需要較大能量。1 、坯體中的水分干燥時先排除自由水，吸附水

2、，一直排到平衡水為止?；瘜W(xué)結(jié)構(gòu)水要在更高的溫度下才能排除、要到燒成過程中才能完成。2 、干燥過程干燥過程既是傳熱過程，又是傳質(zhì)過程。傳熱過程：通過物料表面將熱傳給物料，再以傳導(dǎo)的方式向內(nèi)部傳送，物料表面水分獲得熱量后汽化。傳質(zhì)過程：物料表面的水蒸氣向干燥介質(zhì)中移動的氣相傳質(zhì)（外擴散過程）；物料內(nèi)部水由濃度高的內(nèi)層向濃度低的外層移動的內(nèi)部傳質(zhì)（內(nèi)擴散過程）。 13時間升速階段等速階段 降速階段 平衡階段 介質(zhì)溫度21坯體含水率 2干燥速度 3坯體表面溫度ABCDO 假定干燥介質(zhì)條件不變，干燥過程分為四個階段。OA 升速干燥階段，溫度逐漸升高至干燥介質(zhì)濕球溫度TA。干燥速度由零升至最大，蒸發(fā)表面水

3、分。吸熱蒸發(fā)水分，提高坯體溫度。收縮很小。AB等速干燥階段，表面溫度不變， 干燥速度保持衡定，內(nèi)擴散速度等于外擴散速度。 吸熱全部用于蒸發(fā)水分。 收縮較大。干燥不易過快！B C降速干燥階段，表面溫度升高至介質(zhì)溫度。 干燥速度逐漸減小至零，與介質(zhì)達(dá)到平衡。 吸熱蒸發(fā)水分，提高坯體溫度。 收縮基本不收縮。繼續(xù)干燥僅增加坯體內(nèi)部孔隙可以加速干燥！CD平衡階段，坯體與介質(zhì)達(dá)到平衡狀態(tài)，干燥過程完成。 坯體表面水分達(dá)到平衡水分時，干燥速度為0 干燥最終水分取決與干燥介質(zhì)的溫度和濕度延長干燥，增加熱耗！1）B點稱為臨界點，之后進(jìn)入干燥安全狀態(tài)2）C點平衡狀態(tài)點，標(biāo)志著干燥結(jié)束。但含水率不為零3）干燥速度取

4、決與內(nèi)部擴散速度和表面汽化速度兩個過程升溫階段：坯體收縮小。等速階段：自由水排除，顆粒靠近、體積收縮，至水分為臨界水分降速階段：體積無明顯變化，水分排除形成氣孔。平衡階段：水分為平衡水。 最佳干燥制度最短時間內(nèi)獲得無干燥缺陷的生坯的制度。三、干燥制度坯體性能：含水率，生坯組成 水分降低，收縮降低，內(nèi)擴散速度提高 生坯物料瘠性料多、顆粒粗，內(nèi)擴散速度高溫度 溫度提高，粘度低，易于水分向表面發(fā)生擴散。 應(yīng)保證溫度梯度、濕度梯度一致。1 、影響干燥速度的因素內(nèi)擴散 干燥介質(zhì)及生坯表面蒸汽分壓差 介質(zhì)的溫度和濕度 介質(zhì)的流速方向及流動速度 介質(zhì)的流量 坯體形狀、尺寸，干燥器的結(jié)構(gòu)類型。1 、影響干燥速

5、度的因素外擴散1 、干燥介質(zhì)的溫度 坯體含水量高，形狀復(fù)雜：溫度內(nèi)外不均勻，存在溫度梯度，產(chǎn)生熱應(yīng)力，造成干燥缺陷；介質(zhì)溫度調(diào)低。 坯體含水量低，形狀簡單：薄壁快速干燥 帶石膏模干燥：溫度不高于70，否則模型強度降低。 脫模后干燥：溫度70110 ，強化干燥可達(dá)150220 2 、確定干燥介質(zhì)參數(shù)的依據(jù)2、 干燥介質(zhì)的濕度 介質(zhì)的濕度大，坯體的干燥速度低，有利于坯體的均勻受熱與熱量傳遞，降低坯體的變形、開裂傾向，確保坯體的干燥質(zhì)量，這在干燥初期尤其重要。2 、確定干燥介質(zhì)參數(shù)的依據(jù)例如：大件的衛(wèi)生瓷坯體，通常采用分段干燥方法。 第一階段：低溫高濕預(yù)熱坯體 40 第二階段：溫度不太高， 相對濕度

6、不過低， 不再收縮為止 最終階段：高溫低濕（15%）3、干燥介質(zhì)的流速流量 2 、確定干燥介質(zhì)參數(shù)的依據(jù)例如：在日用陶瓷的干燥中利用風(fēng)盒直接噴吹坯體和定位噴吹坯體都收到較理想的效果。傳統(tǒng)干燥設(shè)備的熱空氣流速一般在24ms，采用強化干燥時，流速可以達(dá)到l0 ms以上。值得注意的是、增大流速，必須確保坯體的均勻受熱，否則極易產(chǎn)生變形、開裂。流速越大，熱氣體與坯體表面的熱傳遞及水氣擴散越充分，干燥效率也就越顯著。自然干燥熱空氣干燥工頻電干燥直流電干燥輻射干燥綜合干燥等人工干燥干燥方法對流干燥四、干燥方法以空氣(大氣)作為干燥介質(zhì)，由于空氣密度不同而引起對流，進(jìn)行干燥。多用于泥料和成形后濕坯的干燥。高

7、溫低濕干燥：小件、薄壁坯體，工藝簡單，60-90 ，蒸發(fā)快。低溫、逐漸升溫干燥：坯體缺陷少，費時長，如缸類的干燥長達(dá)幾天。高濕低溫干燥：大而厚的坯體。1、自然對流干燥 采用強制通風(fēng)手段，利用具有一定流速的熱空氣吹拂欲干燥的坯體表而，使其得到干燥的方法。（1）間歇式室式干燥室2、強制對流干燥（2）隧道式干燥（3）鏈?zhǔn)礁稍铮?）輥道式干燥（5）噴霧干燥等連續(xù)式干燥間歇式干燥室特點：設(shè)備簡單，造價低廉，熱效率低，干燥周期長。溫度、濕度易于控制，用于小批量生產(chǎn)和大件坯體的干燥。特點：連續(xù)生產(chǎn)、產(chǎn)量大，熱利用好，熱耗低，干燥制度穩(wěn)定，干燥過程易于控制和調(diào)節(jié)。缺點：適于大規(guī)模生產(chǎn)較為單一的產(chǎn)品，但隧道干燥

8、器的干燥制度不易改變、靈活性差，且造價高。鏈?zhǔn)礁稍飿前宄尚?2脫模修坯3特點：常利用隧道窯余熱與成形機、自動脫模機、修坯機配套 形成自動流水線。適應(yīng)中、小件薄壁產(chǎn)品，熱效率高。 干燥介質(zhì)溫度5080 ，干燥周期23h。缺點：放入和取出坯體處不能密閉，熱氣體外逸，惡化操作環(huán)境。輥道式干燥器特點：易與前后工序練成自動生產(chǎn)線，多用于干燥墻地磚坯體。坯體均勻干燥，效率高，快速干燥。干燥周期2040min,干燥溫度120160 。3、 輻射干燥（紅外、高頻和微波干燥） 紅外干燥原理：“是利用紅外輻射元件發(fā)出的紅外線為被加熱物體所吸收，直接轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏_(dá)到加熱干燥的方法。 水是紅外敏感物質(zhì)，在紅外線的作用

9、下水分子的鍵長和鍵角振動，偶極矩反復(fù)改變，吸收的能量與偶極矩變化的平方成正比，干燥過程主要是由水分子大量吸收輻射能，因此效率很高。紅外干燥特點：1）干燥速度快，生產(chǎn)效率高，節(jié)省能耗。2）設(shè)備小巧，造價低，費用低。 3）干燥質(zhì)量好，表面內(nèi)部同時吸收，熱濕擴散方向一致，均勻，不易產(chǎn)生缺陷。 實際的例子很多，如：原用80熱風(fēng)干燥要2 h時的生坯，改用遠(yuǎn)紅外干燥，生坯溫度約80，僅需10 min。又如衛(wèi)生器生坯在通風(fēng)的廠房里要干燥18天，改用近紅外干燥僅用1天，再改用遠(yuǎn)紅外干燥，時間和能量消耗又都減少1/2左右。 微波干燥原理：是以微波（0.001 1m, 300 300*103MHz)輻射使生坯內(nèi)極

10、性強的分子，主要是水分子運動隨交變電場的變化而加劇，發(fā)生摩擦而轉(zhuǎn)化為熱能使生坯干燥的方法。微波干燥主要特點：（1）均勻快速。熱、濕傳導(dǎo)方向一致（2）具有選擇性（3）熱效率高（4）干燥設(shè)備體小、輕巧，便于自控（5）具有微波輻射，需進(jìn)行特殊防護(hù)。（6）設(shè)備費用高，耗電量大。 又如英國帶式快速干燥器也屬于聯(lián)合干燥器的類型。生坯用帶式運輸、紅外與熱風(fēng)交替干燥。當(dāng)用紅外線輻射生坯時顯著提高水分溫度，加速內(nèi)擴散；然后移動位置改用熱風(fēng)噴吹，加速外擴散。當(dāng)生坯濕度梯度偏大時又轉(zhuǎn)入下一次紅外輻射，達(dá)到臨界水分全以熱風(fēng)噴吹，也不會產(chǎn)生缺陷了。1、缺陷變形 、開裂2、產(chǎn)生缺陷的本質(zhì)原因 干燥 顆粒表面自由水膜變薄

11、顆粒之間靠近 發(fā)生收縮；在收縮過程中，坯料部分顆粒的取向性排列 收縮的各向異性 產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力大于塑性狀態(tài)屈服值時 變形內(nèi)應(yīng)力大于塑性狀態(tài)的破裂值或彈性狀態(tài)抗拉強度時 開裂 第四節(jié)干燥缺陷分析五、干燥缺陷1） 配方設(shè)計和坯料制備的原因坯料配方中塑性粘土過多或過少。坯料細(xì)度過粗或過細(xì)。坯料組分分布不均勻。2）成形過程的原因 練泥和成形過程造成顆粒的定向排列從而導(dǎo)致應(yīng)力不均勻。 成形時坯料受力不均勻，造成致密度不一致，收縮不均勻。 模型吸水能力不均勻，造成不均勻收縮。 3 具體原因 3）干燥過程的原因干燥制度不合理：溫度、濕度、流速和方向控制不當(dāng)。 干燥太快；介質(zhì)濕度過大引起水分冷凝于坯體上。坯

12、體放置不平衡或放置方法不當(dāng)，局部收縮阻力過大。4）器型設(shè)計不合理：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、薄厚不均勻。3 具體原因 干燥的目的是什么？干燥過程分幾個階段？坯體在不同階段發(fā)生什么變化？什么是干燥制度？影響陶瓷制品干燥速率的因素有哪些？干燥方法包括哪些？其中你知道熱空氣干燥（強制對流干燥）方法有哪些？干燥工序容易出現(xiàn)那些缺陷？其原因主要有哪些？如何解決？7.2 燒成 理解一次燒成與二次燒成的概念 掌握長石質(zhì)陶瓷燒成過程中的物理化學(xué)變化 掌握燒成制度(溫度制度、氣氛制度和壓力制度)和制定燒成制度的依據(jù)，理解燒成制度對產(chǎn)品性能的影響 理解快速燒成與低溫?zé)傻亩x，了解快速燒成的意義，掌握實現(xiàn)快速燒成的工藝措施 了解

13、裝缽和裝窯的目的及要求 一次燒成：成型、干燥或施釉后的生坯，在陶瓷窯內(nèi)一次燒成陶瓷產(chǎn)品的工藝路線。特點：工藝流程簡化；勞動生產(chǎn)率高；成本低，占地少；節(jié)約能源。二次燒成：即先素?zé)笫┯浴Ｌ攸c：避免氣泡、針孔、吸釉、干釉等釉面缺陷，提高坯體強度和密度，增加釉面的白度和光澤度，提高釉面質(zhì)量，提高產(chǎn)品合格率。 提高釉面質(zhì)量和產(chǎn)品合格率，保證產(chǎn)品質(zhì)量一、一次燒成與二次燒成瓷質(zhì)：長石質(zhì)、絹云母質(zhì)、滑石質(zhì)、骨質(zhì)瓷、四個階段： （1）低溫階段常溫300（2）中溫階段300950 （3）高溫階段950 燒成溫度（4）冷卻階段燒成溫度室溫二、坯體加熱過程中的物理化學(xué)變化排除干燥殘余水分和吸附水，基本不收縮，強度變

14、化很??；基本無化學(xué)變化。/排除機械水、吸附水質(zhì)量減小，氣孔率增大室溫300低溫階段化學(xué)變化物理變化重要變化溫度范圍階段名稱1 、低溫階段升溫速率與水分多少有關(guān)，該階段對氣氛無要求。（1）化學(xué)變化氧化反應(yīng)碳素和有機物氧化 C有機物+O2CO2 （350以上） C碳素+O2CO2 （約600以上） 黃鐵礦（FeS2）等有害物質(zhì)氧化2 、中溫階段反應(yīng)在釉面熔融、氣孔封閉前完成，否則引起煙熏、氣泡缺陷。結(jié)構(gòu)水排除： 粘土原料和其它含水礦物進(jìn)行結(jié)構(gòu)水的排除。 Al2O32SiO22H2OAl2O32SiO2+2H2O （500-700） 3MgO4SiO2H2O 3(MgOSiO2)+SiO2+H2O

15、(900 )碳酸鹽、硫酸鹽分解MgCO3MgO+CO2 （500850）CaCO3CaO+CO2 （8501050）4FeCO32Fe2O3+4CO2 （8001000）MgCO3CaCO3（白云石）CaO+MgO+2CO2（730950） Fe2(SO3)3Fe2O3+3SO2 （560-750）MgSO4MgO+SO3 （900以上，氧化焰） （2）化學(xué)反應(yīng)分解反應(yīng)半安定方石英（3）化學(xué)反應(yīng)石英晶型轉(zhuǎn)變坯體的體積膨脹，相對密度下降。此階段坯體的氣孔率較高，可部分抵消因石英晶型轉(zhuǎn)變所引起的破壞應(yīng)力。對于體小壁薄的日用瓷坯體來說，石英的晶型轉(zhuǎn)變所引起的破壞應(yīng)力很小。對于大件厚壁制品必須加以重視

16、，應(yīng)適當(dāng)降低升溫速度。重量減輕，氣孔率提高，有一定的收縮；有少量液相產(chǎn)生，后期強度有一定提高。（4）物理變化中溫階段，保持良好的氧化氣氛，加強通風(fēng)，控制升溫速度，保證有足夠的氧化分解的時間，必要時保溫，減小窯內(nèi)上下溫差。 在1050以前，繼續(xù)上述的排除結(jié)構(gòu)水過程。某些粘土礦物隨著升溫速度的提高，最后的一些結(jié)構(gòu)水的排除往往推遲，甚至1000以上才能排完。3 、高溫階段（1）化學(xué)反應(yīng)繼續(xù)排出結(jié)晶水 主要原因：這部分水的OH-與粘土結(jié)合較緊密；在加熱時，排出的結(jié)構(gòu)水部分地被吸附在坯體的空隙內(nèi)，從而有可能溶解在新生成的液相中，使其很難排除。3 、高溫階段（1）化學(xué)反應(yīng)繼續(xù)完成氧化分解措施：生產(chǎn)中往往在

17、高溫階段初期進(jìn)行氧化保溫操作。舉例：對于燒成溫度為1300 左右的坯體，一般在950-1020 采取氧化保溫焙燒，同時加強窯內(nèi)煙氣流動，提高氧化氣氛濃度，從而促使坯體中的碳素、有機物、硫化物等充分氧化，碳酸鹽進(jìn)一步分解。硫酸鹽的分解和高價鐵的還原與分解（在還原氣氛下）MgSO4MgO+SO3 （氧化：900以上；還原：1080-1100 ）CaSO4CaO+SO3 （氧化：1250-1370；還原：1080-1100 ） Na2SO4NaO+SO3 （氧化： 1200-1370；還原：1080-1100）2Fe2O34FeO+O2 （氧化：1250-1370；還原：1080-1100 ）Fe2

18、O3+CO2FeO+CO2 （10001100）3 、高溫階段（2）化學(xué)反應(yīng)分解與還原升溫緩慢，使坯體還原、分解反應(yīng)的氣體順利排除。宜選擇還原氣氛長石熔融+低共熔物+溶解石英和粘土 大量液相+一次莫來石生成+二次莫來石新相的重結(jié)晶和坯體的燒結(jié) 晶粒長大，晶界移動，致密燒結(jié)。（3）化學(xué)反應(yīng)大量液相和莫來石生成3(Al2O32SiO2) 3Al2O32SiO2+4 SiO2 (約1050 )莫來石晶體長大并形成“骨架”，坯體激烈收縮，坯體強度增大，逐漸被“燒結(jié)”，控制升溫速率和氣氛。莫來石晶體長大并形成“骨架”，坯體強度增大；玻璃相填充空隙，氣孔率降低；坯體激烈收縮，密度增大；顏色變化，光澤度增加

19、。（4）物理變化高溫階段：控制升溫速率和氣氛。升溫急速，容易出現(xiàn)大量液相，使釉面封閉過早，易產(chǎn)生沖泡、發(fā)黃的缺陷?？刂七€原氣氛濃度。在燒成溫度適當(dāng)保溫，使物理化學(xué)變化趨于完善。液相中的再結(jié)晶； 一方面，粘度較小的液相會通過溶解、析晶作用，逐漸溶解微細(xì)的晶體，并在較大晶體上淀析，使細(xì)小晶體減少而粗晶體增多；另一方面，釉層也會因冷卻速度過于緩慢而引起析晶失透。液相冷卻逐漸凝固成玻璃體；殘余石英晶型轉(zhuǎn)變。5、冷卻階段冷卻階段：850 以上急冷，避免液相析晶和晶粒過分長大；850400 緩冷，減緩石英晶型轉(zhuǎn)變存在的收縮應(yīng)力。400 以下，快冷以縮短周期。燒成制度溫度制度（包括各階段的升溫速率、降溫速率

20、、最高燒成溫度和保溫時間）氣氛制度（升溫的高溫階段的氣氛要求）（氧化、中性、還原）壓力制度（對窯內(nèi)壓力的調(diào)節(jié)）三、燒成制度溫度曲線表示法氧化保溫強還原弱還原保溫干燥升溫1、溫度制度 包括最高燒成溫度、保溫時間、升溫速度和冷卻速度。 燒成氣氛（升溫的高溫階段）：在燒成過程中，與制品接觸的熱氣體（燃燒產(chǎn)物）中O2與CO含量的多少。 氣氛制度的控制流體燃料：調(diào)節(jié)助燃空氣過剩系數(shù)固體燃料：每次添加量、間隔時間以及燃燒程度。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。強氧化氣氛：煙氣中的O2 4%-5% =1.05-1.1強還原氣氛：煙氣中的CO 3%6% =0

21、.9左右弱還原氣氛：煙氣中的CO 1.5%2.5% =0.95左右。氧化氣氛：通入O2（空氣）過量還原氣氛：通入O2（空氣）不足空氣過剩系數(shù)2、氣氛制度零壓點：控制在預(yù)熱和燒成之間最好；預(yù)熱帶最大負(fù)壓：一般 -40-10Pa；窯頭微正壓：設(shè)置封閉氣幕，以減小窯外冷空氣漏入；冷卻帶壓力 ：正壓，但不易過大。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)即窯內(nèi)氣體壓力的規(guī)律性分布3、壓力制度壓力制度是保證溫度制度及氣氛制度實現(xiàn)的條件(一)坯體在加熱過程中的物理化學(xué)(性狀)變化 相圖和綜合熱分析（膨脹收縮、多晶轉(zhuǎn)變、化學(xué)反應(yīng)等） 測定燒結(jié)曲線和性能 顯微結(jié)構(gòu)分析（S

22、EM、TEM）和物相分析注意：在坯體出現(xiàn)劇烈膨脹/收縮、化學(xué)反應(yīng)、相變的溫度區(qū)域應(yīng)緩慢升降溫或適當(dāng)保溫四、制定燒成制度的依據(jù)DTA:100150 ，吸附水排除，吸熱；200 ，有機物、碳素的燃燒，放熱；500600 ，高嶺石的脫水，吸熱；9001050 ，一次莫來石形成，放熱。ITE(三組分的體積變化):600 ，膨脹，粘土脫去結(jié)構(gòu)水收縮緩和了石英晶型轉(zhuǎn)變引起的膨脹；1050 ，長石熔融，坯體急劇收縮；長石熔融之前，只有連續(xù)的線膨脹。TE(已燒坯體的熱膨脹曲線):反應(yīng)石英相轉(zhuǎn)變后剩余游離石英量及坯體膨脹值；ITEDTATE-石英脫OH碳素燃燒脫吸附水-方石英熱塑性范圍脆性生坯脆性瓷器時間140

23、01000600200利用熱分析綜合圖譜繪制理論燒成曲線繪制依據(jù)：加熱時采用不可逆膨脹曲線（ITE）的數(shù)據(jù)； 冷卻時采用可逆膨脹曲線（TE）的數(shù)據(jù)； 再根據(jù)差熱分析（DTA）的數(shù)據(jù)進(jìn)行修訂。 燒結(jié)曲線（氣孔率、燒成線收縮率、吸水率及密度變化曲線）和性能，是確定燒成溫度的主要依據(jù)燒結(jié)范圍寬、液相粘度大、液相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（T3）燒結(jié)范圍窄、液相粘度小、液相量隨溫度變化大的坯料的坯料，燒成溫度只能定在燒結(jié)范圍下限附近（T2）T1：開始燒結(jié)溫度；T2：燒結(jié)溫度；T3：軟化溫度收縮率氣孔率(二)坯體形狀、厚度、大小和入窯水分 坯體形狀復(fù)雜，厚度大，規(guī)格尺寸大，入窯水分高應(yīng)緩慢升降溫或適當(dāng)保溫原因：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產(chǎn)生不均勻應(yīng)力，導(dǎo)致坯體的變形（塑性狀態(tài)）和開裂（彈性狀態(tài)）。四、制定燒成制度的依據(jù)(三)燒成方法 一次燒成/二次燒成 特種陶瓷：常壓燒結(jié)/熱壓燒結(jié)/高壓燒結(jié)/熱等靜壓燒結(jié);氣氛燒結(jié)等 不同的燒成方法燒結(jié)制度不同（四）根據(jù)坯料中氧化鈦和氧化鐵的含量確定氣氛制度 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。？四、制定燒成制度的依據(jù)(五)窯爐的結(jié)構(gòu)、燃料種類、裝窯