第 7 章 燒成與窯具

1、第七章 燒成與窯具坯體在燒成過(guò)程中的物理化學(xué)變化 燒成制度 快速燒成 裝缽裝窯 窯具1燒成：通過(guò)高溫處理，使坯體發(fā)生一系列 物理化學(xué)變化，形成預(yù)期的礦物組成和顯 微結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到固定外形并獲得所要求 性能的工序。燒成溫度：為了達(dá)到產(chǎn)品的性能要求，應(yīng) 該燒到的最高溫度。 燒結(jié)溫度：材料加熱過(guò)程達(dá)到氣孔率最小、 密度最大時(shí)的溫度。2瓷質(zhì)：長(zhǎng)石質(zhì)、絹云母質(zhì)、滑石質(zhì)、骨 質(zhì)瓷、高鋁質(zhì) 按照變化特點(diǎn)大致可分為四個(gè)階段 瓷器 （1）低溫階段常溫300 （2）氧化分解階段300950 （3）高溫階段950 燒成溫度 （4）冷卻階段燒成溫度 室溫7.1 坯體加熱過(guò)程中的物理化學(xué)變化37.1.1.低溫階段（常溫

2、300） 坯體殘余水分蒸發(fā)期 任務(wù): 排除干燥剩余水分和吸附水。特征：基本不收縮，強(qiáng)度變化很小， 基本無(wú)化學(xué)變化。升溫速度取決于：坯體入窯水分。 水分高，慢 水分低，可以快此階段要加強(qiáng)通風(fēng)，避免“結(jié)露”形成“水跡”47.1.2. 氧化分解階段（300950 ） 氧化分解及晶型轉(zhuǎn)化期 化學(xué)變化： （1）粘土和其它含水礦物排除結(jié)構(gòu)水 Al2O32SiO2 2H2O Al2O32SiO2 + 2H2O（500700 ） 3MgO 4SiO2 H2O 3(MgO SiO2)+SiO2 + H2O(900 )（2）碳酸鹽的分解： CaCO3 CaO+CO2 (8501050 ) MgCO3 MgO+ C

3、O2 (730950 )5（3）碳素和有機(jī)物的氧化： 有機(jī)物+O2 CO2 + H2O(350 以上) C+O2 CO2 (600 以上)（4）硫化物及硫酸鹽的氧化分解： FeS2+O2 Fe2O3+SO2 （350 800 ） Fe2(SO3)3 Fe2O3+SO2 （560 770 ）6（5）晶型轉(zhuǎn)變： -石英 - 石英 573 - 石英 - 方石英 870 物理變化： （1）重量減輕，氣孔率提高，有一定的收縮； （2）有少量液相產(chǎn)生，后期強(qiáng)度有一定提高。7本階段的升溫速度：1.從工藝上講可以快速升溫原因在于：（1）此時(shí)坯體氣孔率較高 （2）釉面沒(méi)有封閉 （3）坯體體積變化不大 （石英、長(zhǎng)

4、石膨脹，粘土收縮抵消）2.從窯爐上講要考慮實(shí)際條件（1）要考慮溫差的影響，溫差大若快升溫，導(dǎo)致反應(yīng)不一致，反應(yīng)不充分（2）要考慮坯體受熱情況，大件、厚件、有匣燒成要慢。氣氛要求：必須保持氧化氣氛。87.1.3. 高溫階段（950 燒成溫度） ?；纱善?化學(xué)變化： （1）1050 以前繼續(xù)氧化分解反應(yīng)（2）硫酸鹽的分解與高價(jià)鐵的還原MgSO4MgO+SO3 900以上 CaSO4CaO+SO3 1250-1370 Na2SO4Na2O+SO3 1200-1370 還原焰下 10801100 Fe2O3+CO FeO+CO210001100 還原焰9（3）形成大量液相和莫來(lái)石新相 長(zhǎng)石熔融+低共

5、熔物+溶解石英和粘土 大量液相+析出少量莫來(lái)石（二次莫來(lái)石） 一次莫來(lái)石生成 （4）新相的重結(jié)晶和坯體的燒結(jié) 細(xì)小二次莫來(lái)石晶體溶解后向大晶粒（溶 解度?。┏练e使其重結(jié)晶長(zhǎng)大；同時(shí)液相在表 面張力作用下拉近固相并填充氣孔，使坯體成 為多相有機(jī)結(jié)合的致密燒結(jié)體。10物理變化： 氣孔率降低，坯體收縮較大，強(qiáng)度提高， 顏色變化。117.1.4. 冷卻階段 變化：（1）液體逐漸凝固成玻璃體； （2）二次莫來(lái)石長(zhǎng)大； （3）殘余石英晶型轉(zhuǎn)變。12冷卻速度的控制：（1）冷卻初期（高溫冷至850）因?yàn)?，此時(shí)瓷體中玻璃相處于塑性狀態(tài)所以，快冷不會(huì)產(chǎn)生破壞應(yīng)力（應(yīng)力被質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)而松弛），如果窯具能承受住急冷應(yīng)力，

6、且窯截面溫度均勻，則冷卻速度應(yīng)盡可能的快。好處：防止釉面析晶 防止FeO轉(zhuǎn)變?yōu)镕e2O3 縮短燒成周期（提高產(chǎn)量和周轉(zhuǎn)率）13（2）冷卻中期（850400）此時(shí):瓷體由塑性向固態(tài)轉(zhuǎn)化(玻璃相Tg800830 )殘余石英相變（573 ）引起體積變化所以，冷卻速度要慢，1020 /h為宜。該階段稱(chēng)為危險(xiǎn)階段（否則將形成永久應(yīng)力）（3）冷卻后期（400 ）400 時(shí)，整個(gè)瓷體已經(jīng)完全固化，只要能承受住暫時(shí)應(yīng)力（否則炸瓷），速度可快！14瓷坯冷卻前后的變化圖1. 石英 2. 液相（玻璃相） 3. 二次莫來(lái)石 4. 粘土殘骸及一次莫來(lái)石1516燒成過(guò)程示意圖1.石英 2.長(zhǎng)石 3.熔滴 4.粘土礦物p2

7、19177.2 燒成制度燒成制度：燒成過(guò)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(shí)間。氣氛制度：各階段所對(duì)應(yīng)的氣氛要求。壓力制度：為了保證溫度、氣氛制度的實(shí)現(xiàn)， 對(duì)窯內(nèi)壓力的要求。187.2.1. 燒成制度與產(chǎn)品性能的關(guān)系7.2.1.1 燒成溫度對(duì)產(chǎn)品性能的影響（1）燒成溫度與產(chǎn)品的氣孔率有關(guān) 在達(dá)到燒結(jié)溫度之前，燒成溫度越高， 氣孔率越低，材料的強(qiáng)度越高，吸水率越低。（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(zhǎng)大都 與溫度有著密切關(guān)系。19燒成 溫度玻璃相 /莫來(lái)石 /

8、石英 /氣孔體積 /1210 1270 1310 135056 58 61 709 13 15 1032 28 23 193 2 1 1某長(zhǎng)石質(zhì)瓷坯相組成與燒成溫度的關(guān)系20 對(duì)于長(zhǎng)石質(zhì)瓷，在過(guò)燒溫度之前適當(dāng)提 高燒成溫度，能夠提高玻璃相和莫來(lái)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。 （3）燒成溫度對(duì)產(chǎn)品性能的影響217.2.1.2 高溫保溫時(shí)間對(duì)產(chǎn)品性能的影響 高溫保溫時(shí)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(shí)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(zhǎng)保溫時(shí)

9、間，可 以提高產(chǎn)品品質(zhì)，提高燒成合格率，對(duì)于大件、異型、密裝產(chǎn)品更加重要。227.2.1.3 升、降溫速度對(duì)產(chǎn)品性能的影響（1）升溫速度太快，可能導(dǎo)致產(chǎn)品的變形和 開(kāi)裂。 （2）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。（3）同一種坯料燒成溫度相同時(shí)： 慢速升溫：氣孔率較低，強(qiáng)度高。 快速升溫：氣孔率較高，強(qiáng)度低。23（4）冷卻速度對(duì)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(lái) 石異常生長(zhǎng)，強(qiáng)度降低； 緩慢升溫的產(chǎn)品，緩慢冷卻，強(qiáng)度提高； 高溫階段冷卻速度緩慢，可能導(dǎo)致低價(jià) 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。24對(duì)于普通陶瓷產(chǎn)

10、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(duì) 緩慢，晶型轉(zhuǎn)變溫度附近最慢。257.2.1.4 燒成氣氛對(duì)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(duì)燒結(jié)溫度的影響 A組Fe2O3含量AA2分別為0.62、1.75、2.09 B組Fe2O3含量BB3分別為0.43、0.49、0.54、1.69 燒結(jié)溫度測(cè)試結(jié)果對(duì)比如下：26氧化氣氛 還原氣氛溫度1400130012001100 A A1 A2 B B1 B2 B3規(guī)律： （A）Fe2O3含量提高燒結(jié)溫度均降低； （B）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

11、。27原因： （A）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； （B） FeO比Fe2O3的助熔能力強(qiáng)。28（2）氣氛對(duì)最大燒成線收縮率的影響氧化氣氛 還原氣氛 A A1 A2 B B1 B2 B3最大線收縮率氧化氣氛 還原氣氛29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(rùn)土所含的碳素、有機(jī)物在還原氣氛中氧化分解溫度提高。即：氣氛對(duì)最大燒成線收縮率的影響與坯料 的組成有關(guān)。 30（3）氣氛對(duì)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

12、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(qiáng)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。317.2.2.制定燒成制度的依據(jù)7.2.2.1 坯料組分在加熱過(guò)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。32200 400 600 800 1000 1200 粘土石英長(zhǎng)石線膨脹ITETEDTA熱分析綜合圖譜33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

13、脫吸附水-石英 熱塑性范圍坯脆性生脆性瓷器時(shí)間1400 1000600 20034（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 T1 T2 - +35A.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）367.2.2.2 制品的大小和形狀 升溫速度快時(shí)，坯體的斷面形成溫度梯 度、坯體在膨脹或收縮過(guò)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(kāi) 裂（彈性

14、狀態(tài)）。 結(jié)論：坯體越厚、形狀越復(fù)雜越容易變形 或開(kāi)裂，升溫速度不能太快。37厚坯 薄坯時(shí)間1400 1200 1000 800 600 400 200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387.2.2.3 釉燒方法 （1）一次燒成時(shí)，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39（3）二次燒成 高溫素?zé)蜏赜詿河詿龝r(shí)可以不考慮 坯體的脫結(jié)構(gòu)水及 氧化分解排氣，素?zé)?時(shí)不考慮與釉的關(guān)系。低溫素?zé)邷赜詿河詿龝r(shí)可以不考慮 坯體的脫結(jié)構(gòu)水，要考慮氧化分解

15、，素 燒時(shí)不考慮與釉的關(guān)系。 407.2.2.4 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。7.2.2.5 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(lèi):裝燒方法，燃燒強(qiáng)度，升溫速度。 容量、密度：窯內(nèi)溫度的均勻性，升溫速度。417.2.3. 燒成制度的控制 7.2.3.1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(shí)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）42 7.2.3.2 氣氛制度的控制 （1）流體燃料：調(diào)

16、節(jié)助燃空氣過(guò)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(shí)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。437.2.3.3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)447.2.4. 燒成制度舉例說(shuō)明 （1）某瓷質(zhì)外墻磚的燒成曲線1200 1000 800 600 400 200時(shí)間（分）氧化氣氛燒成45（2）隧道窯還原氣氛燒成日用瓷1400 1200 1000 800 600 400 200 0氧化 強(qiáng)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

17、4030Pa 1020以前； 燒成帶、冷卻帶微正壓15Pa以下；零壓位（h） (氣氛)467.3 快速燒成快速燒成：燒成周期4小時(shí)以下的燒成過(guò)程。7.3.1快速燒成的意義 （1）節(jié)約能源（燃料） 燒成能耗占總成本2030 燒成時(shí)間縮短10，產(chǎn)量提高10， 單位能耗降低4。 47（2） 充分利用原料資源 隨著低溫快速燒成的實(shí)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(zhǎng)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。48（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

18、坯的強(qiáng)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497.3.2. 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?。ㄊ湛s、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。50（一）工藝方面：入窯水分小于1%；減少粘土用量，少用含碳素、有機(jī)物、碳酸鹽、硫酸鹽原料；對(duì)石英原料進(jìn)行粒度控制；坯、釉料細(xì)度要大些；釉中盡量少用產(chǎn)生氣體的原料；增大成形壓力；控制坯體厚度；（二）窯爐方面：采用小截面窯；采用無(wú)匣明焰燒成；采用高速等溫噴嘴；強(qiáng)制急冷；采用先進(jìn)的制品輸送方式；實(shí)現(xiàn)溫度、壓力、氣氛制度的自動(dòng)控制；采用優(yōu)質(zhì)的

19、筑爐材料。（2）工藝措施51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(duì)應(yīng)最大允許排出速度/min 015 1580 A粘土50，B粘土50 8 11 13 15 9 2 29 20 8 B粘土50，石英砂25，霞石正長(zhǎng)巖15，熟料10 13 4 17 A粘土35，B粘土35，熟料30 13 15 25 7.3.3 快速燒成的極限52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(lèi) 尺寸/mm 升溫速度/min 冷卻速度/min 500之前 500-700 700-燒成溫度 燒成溫度-600 600-500 500-350 350-20 地磚 10010010 500-600 60-70 100-120 200-250 20-25 80-100 150-200 地磚 15015013 400-500 40-50 60-80 150-200 15-20 50-60