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素烧窑和釉烧窑素烧窑和釉烧窑 2011年03月22日第一节 一次烧成与二次烧成 普通陶瓷的生产流程有一次烧成和二次烧成之分。所谓一次烧成又称本烧，是指经成型、干燥或施釉后的生坯，在烧成窑内一次烧成陶瓷产品的工艺路线。所谓二次烧成是指经过成型、干燥的生坯先在素烧窑内进行素烧第一次烧成，然后经检选、施釉等工序后再进入釉烧窑内进行釉烧第二次烧成，这是经过二次烧成的工艺路线。 二次烧成时的素烧温度有时比釉烧温度低，即先行低温素烧（600900），而后再行高温釉烧，使坯、釉同时达到最高烧成温度（成瓷），如一般瓷器的烧成就是这种情况。此时素烧的主要目的在于使坯体具有足够的强度，能够进行施釉，减少破损，并肯有良好吸附釉层的能力；此外部分氧化分解反应，职碳素和有面物的氧化，高岭土的脱水，菱镁矿的热解等也可在这一阶段完成，减小了釉烧时的物质交换数量。但低温素烧应和干燥区别开来，干燥过程虽然也要加热坯体，干坯强度和吸附釉浆的能力都有所提高，但干燥是物理过程，没有化学反应故不能称作素烧。 对于一般精陶制品，进行二次烧成时多是素烧温度比釉烧温度高，这种情况是以素烧为主，素烧的最终温度，即是该种陶瓷的烧成温度釉烧的作用是将熔融温度较低的釉料熔化，均匀分布于坯体表面，形成紧密的釉层。 有些精陶制品职釉面砖，也有素烧温度与釉烧温度接近，甚至稍高。这种不同的情况在瓷器中也存在，我国试制的骨灰瓷为低温（850900）素烧、高温釉烧；英国则采纳取高鉴赏力素烧、低温釉烧。在确定是采取高温素烧还是低温素烧时，应考虑釉的组成、坯体的烧结（成瓷）温度用所用釉的适宜熔融温度。釉的熔融温度较低而坯体烧结温度较高时，宜采用高温素烧、低温釉烧。 （一）二次烧成的特点 1、素烧时坯体中已进行氧化会解反应，产生的气体已经排除，可避免釉烧时因釉面封“桔釉”、“气泡”等缺陷，有利于提高釉面光泽度和白度。 2、素烧时气体和水分排除后，坯体内有大量的细小孔隙，吸水性能改善，容易上釉，且釉面质量好。 3、经素烧后坯体机械强度进一步提高，能适应施釉、印花等工序的机械化，降低半成吕的破损率。象表瓷类厚釉薄胎制品，必须首先素烧，而后釉烧，也是这个道理。 4、素烧时坯体以有部他收缩（烧成收缩），故釉烧量慢缩较小，有利于防止产品变形。 5素烧后要经过检选（素检），不合格的素坯一般可返回到柄料中，故提高了釉烧的合格凝滞，减少了原料损失。 （二）一次烧成的特点 1、干生坯直接上釉，入窑烧成，工艺流程简化，坯体周转次数减少，为生产过程全联动，实现自动化操作创造了条件。 2、劳动强度下降，操作人员减少，劳动生产率可提高14倍。 3、由于减少了素烧窑、素检及其附属设施，占地面积小，在建投资减少，烧成设备投资及占在可减少1/32/3。 4、节约能源。因为坯体只需烧成一次，故燃料消耗和电耗都大辐度下降，若再和低温烧成结合，则效果更好。如釉面砖类产品过去多用二次烧成，据报道某厂采用低温一次快速烧成工艺制造釉面砖，比原来二次烧成节约能耗86.5%，而采用二次低温快速烧成，一般只能节省40%的能源。因此现在有不少人认为一次低温快速烧成是釉面砖的发展方向。 我国生产的瓷器，除表瓷和薄胎瓷外，一般采用一次烧成工艺。但在国外，瓷器绝大多数是二次烧成，近年来也有人主张采用国外二次烧成的经验以提高是用瓷的档次。 卫生瓷和锦砖一般是一次烧成，彩釉墙地砖（炻质），也有为提高产品质量将一次烧成改为二次烧成的。 究竟是一次烧成好还是二次烧成好？不能笼统而论。一般来说，对于批量大，工艺成熟，质量要求不是很高的产品，可以进行一次烧成，但一次烧成要求坯、釉必须同时成熟，如果处理不好，则原料、釉及窑具损失大，而且由于质量下降对经济效益影响极大。在这种情况下采用二次烧成为宜。近年来，意大利又兴起了釉面砖三次烧成工艺。把经过一般装饰（喷、淋釉或丝网印）的二次烧成面砖，通过再次施釉彩饰和三次烧成。其产品高贵华丽、精美无比，其价格可达普通面砖的3050倍。可见三次烧成工艺也很有发展前途。 第二节 普通陶瓷坯体在烧成过程中的物进化学变化 陶瓷坯体的烧成过程十分复杂，无论采用何种工艺（一次或二次烧成等）、何种窑炉烧成，在焙烧过程的各个阶段均将发生一系列物理化学变化。原料的化学组成、矿物组成、粒度大小、混合的均匀性以及烧成的条件，对于烧成过程的物理化学变化有至关重要的影响。深入研究和掌握这些变化的类型和规律，才能制定出合理的烧成工艺，选择或设计窑炉，确定相应的热工制度，并为烧成缺陷的分析提供理论依据。有利于调整配方，改进工艺、设备和操作，达到优质、高产、低耗的目的。表3-8-1列出了普通陶瓷坯体烧成过程各阶段的物理化学变化。 一、低温阶段 低温阶段（室温300）也可称干燥阶段。 进入烧成窑炉的坯体一般已经过干燥，但仍含有一定数量的残余水分（约2%以下）。本阶段的主要作用是排坯体内的残余水分，其温度一般在300（有的认为是270）以下。 随着水分的排除，组成坯体的固体颗粒逐步靠拢，因而发生少量的收缩，但这一收缩并不通货膨胀完全填补水分遗留的空间，故对粘土质坯体表现为气孔率增加、强度提高；对由非可塑性原料制成的坯体（加粘合剂者除外）则表现为疏松多孔、强度降低。 阶段名称 温度范围 主要 变化 物理变化 化学变化 低度阶段 室温300 1. 排除机械水 2. 质量减少,气孔率增大 - 氧 化 分 解 阶 段 300950 1.质量急速减小; 2.气孔率进一步增大 3.硬度与机械强度增加 4.体积稍有变化 1.氧化反应 2.碳素及有机物氧化 3.硫化铁氧化 4.分解反应 结晶水分解排除; 碳酸盐及硫酸盐分解; 5. 氢氧化铁分解 6.晶型转变:石英及al2o3晶型转变 高温阶段 950最高烧成温度 1.强度增加 2.气孔率降低到最小值 3.体积收缩,密度增大 4.色泽变白,光泽增强 1.继续氧化,分解 2.形成液相及固相熔融 3.形成新结晶相 4.形成低铁硅酸盐 保温阶段 烧成温度下维持一段时间 坯体结构更为均匀致密 1.液相量增多 2.晶体增多长大 3.晶体扩散,固,液相分布更为均匀 冷却阶段 烧成温度室温 1.液相中结晶 2.液相过冷 3.硬度与机械强度增大 - 本阶段坯体水分含量是影响安全升温速度的首要控制因素.若入窑坯体水分含量超过3,则必须严格控制升温速度,否则由于水分激烈气化,易导致坯体开裂.若入窑体水分1,升温速度可以加快.正常烧成时一般控制在2.由于本阶段内气体中水汽含量较高,故应加强通风使水汽及时排除，有利于提高干燥速度。应控制烟气温度高于露点，防止在坯体表面出现冷凝水，使制品局部胀大，造成水迹或开裂缺陷。此外烟气中的so2气体在有水存在条件下与坯体中的钙盐作用，生成caso4析出物caso4分解温度高，易使制品产生气泡缺陷。 本阶段坯体内基本不发生化学变化，故对气氛性质无特殊要求。 二、 中温阶段 中温阶段（300950）又称分解与氧化阶段，是陶瓷烧成过程的关键阶段之一。瓷坯中所含的有机物、碳酸盐、硫酸盐以及铁的氧化物等，大都要在此阶段发生氧化与分解，此外还伴随有晶型转变、结构水排除和一些物理变化。 1.氧化反应 (一)碳素和有机物的氧化 陶瓷坯釉原料一般含有不同程度的有机物和碳素，象北方的紫木节土、南方的 黑泥等含量较多。压制成型时，坯体中有时加入了有机添加剂，坯体表面沾有润滑油。此外燃烧烟气中未燃尽的碳粒可能沉积在坯体表面。这些物质在加热时均会发生氧化反应。其反应式为：c有机物+o2co2（350以上） c碳素+o2co2(约600以上) s + o2so2(250920) 上述反应均宜在釉面熔融、气孔封闭前结束，否则就易产生烟熏、起泡等缺陷。 2.铁的化学物氧化 其反应式为： fes2+o2fes+so2 （350450） 4fes+7o22feo3+4so2（500800） fes2是一种十分有害的物质，应在此阶段把它全部氧化成fe2o3。否则，一旦釉面熔融、气孔封闭，再进行氧化、逸出的so2气体就可能使制品起泡；而生成的fe2o3又易使制品表面污染成黄、黑色。 3. 分解反应 1.结构水的分解、排除 坯料中各种粘土原料和其它含水矿物（如滑石、云母等），在此阶段进行结构水（或称结晶水0的排除。一般粘土矿物脱水分解的起始温度为200300左右，但剧烈脱水温度和脱水速度则取决于原料矿物组成、结晶程度、制品厚度和升温速度等。例如高岭土的脱水温度为500700，后期脱水速度较快，蒙脱石脱水温度600750；伊利石脱水温度为400600后两者脱水速度较和缓；滑石在600以上脱水后，晶格内部重排，形成偏硅酸盐和活性sio2我国辽宁滑石在900附近有明显吸热和失重效应。高岭土脱除结构水的反映式为 al2o3*2sio2*2h2oal2o3*2sio3+2h2o （400600） 升温速度对脱除结构水有直接影响，快速升温时，结构水的温度移向高温，而且比较集中。 1.碳酸盐的分解 陶瓷坯体中含有碳酸盐类物质，其分解温度一般在1050以下，其主要反应为： mgco3mgo+co2（500850） caco3cao+co2（8501050） 4feco32fe2o3+4co2 （8001000） mgco3*caco3（白云石）cao+mgo+2co2 （730950） 2.硫酸盐的分解 陶瓷坯体中的硫酸盐，分解温度一般在650左右，其主要反应为： fe（so3）3mgo+co2（560750） mgso4mgo +so3（900以上，氧化焰） （一）、石英的多晶转化和少量液相的生成 石英在配方中一般用量较多，在本阶段将发生多晶转化。在573，-石英转化为a-石英伴随体积膨胀0.82；在867，a石英缓慢转变为a-磷石英，体积膨胀14.7在900附近，长石与石英。长石与分解后的粘土颗粒，在接触位置处有共熔体的液滴生成。 伴随以上化学变化，本阶段发生以上物理变化：随着结构水和分解气体的排除，坯体质量急速减少，密度减少，气孔增加。根据配方中粘土、石英含量多少发生不同程度的体积变化。后期由于少量熔体的胶结作用，使坯体强度相应提高。 为保证氧化分解反应在液相大量出现以前进行彻底，本阶段应注意加强通风，保持良好的氧化气氛；控制升温速度，保证有足够的氧化分解反应时间，必要时可进行保温，同时减小窑内上下温差。 三.冷却阶段 冷却阶段也可细分为急冷/缓冷和最终冷却三个阶段. 从最高烧成温度(高火保温结束)到850 为急冷阶段。此时坯体内液相还处于塑性状态，故可进行快冷而不开裂。快冷不仅可以缩短烧成周期，加快整个烧成过程，而且可以有效防止液相吸晶和晶粒长大以及低价铁的再度氧化。从而可以提高坯体的机械强度/白度和釉面光泽度。冷却速度可控制在150300/h。 从850到400为缓冷阶段。850以下液相开始凝固，初期凝固强度很底。此外在573左右，石英晶型转化又伴随体积变化。对于含碱和游离石英较多的坯体更要注意，因含碱高的玻璃热膨胀系数大，加之石英晶型转变，引起的体积收缩应力很大，故应缓慢冷却。急冷速度可控制在4070/h。若冷却不当将引起惊釉缺陷。 从400到室温为最终冷却阶段，一般可以快冷，降温速度可控制在100/h以上，但由于温差逐渐减小，冷却速度提高实际受到限制。对于含大量方石英类陶坯，在晶型转化区间仍应缓冷。 对于采用氧化焰烧成陶瓷的场合，烧成过程较简单，关键是控制氧化分解反应在坯釉烧结之前进行充分。因此在950以上应缓慢升温，减小温差，通风良好。其他阶段和前面相同，烧成操作也较容易。 第三节 烧成窑炉 一、烧成窑炉的分类 烧成陶瓷的热工设备是窑炉，陶瓷窑炉的种类很多，可以从不同角度进行分类。根据所用原料可以分为：（1）烧固体燃料的如煤气烧窑；（2）烧液体燃料的如重（渣）油烧窑，轻柴油烧窑；（3）烧气体燃料的如煤气烧窑、天然气烧窑等。目前由于节约能源和保护环境的呼声日益高涨，业内人士普遍认为陶瓷工业理想的燃料是烧净化煤气，因此效率更高、能适应多种煤的气体炉和粉煤汽化技术正在加紧研究；另一方面中小型陶瓷厂在附近没有气源的情况下，单独建煤气站投资大，操作运行要求较高，此时也有转向选用轻柴油的。 根据制品与火焰是否接触可以分为明焰窑、隔焰窑和半隔焰窑三种。明焰窑内火焰与制 品直接接触，传热效率高，且可方便调节烧成气氛（焰性）。但明焰烧成时，对于上釉制品和表面质量要求高的制品就必须采用净化煤气或轻柴油作燃料，以免污染制品；隔焰窑内火焰沿火道流动，借助隔焰板（一般是sic质）以辐射方式加热窑道内制品，由于火焰不接触制品，故不会造成制品污染，烧成质量较好，对燃料要求也较宽，但制品在充满空气的氧化气氛中烧成，气氛很难调节。若将隔焰板上开孔，使火道内部分气体进入窑内与制品接触，从而便于调节窑内气氛，这种窑就是半隔焰窑。 根据烧成的作用可以分为素烧窑、釉烧要窑和烤花药。 根据烧成过程的连续与否可以分为：间歇式窑、连续式窑。 二、间歇式窑 间歇式窑是将一批坯体码入窑内，关上窑门按一定升温制度加热，使坯体经过烧成过程的各个阶段，冷却至一定温度后，再打开窑门将烧好的制品取出。其特点是，生产分批间歇进行，窑炉安装、烧、冷、出四个阶段顺序循环。 倒焰窑是间写式窑的一种。图3-8-1为倒焰窑结构示意图。这种窑的外形可为圆形或矩形。容积可大可小，一般不超过150m3.窑内码放制品，窑墙四周设有若干燃烧室，火焰从喷火口喷入窑内上升至窑顶后，再经制品周围的火道向下，通过分布在窑顶的多个吸火孔，入窑下支烟道、总烟道，最后由烟囱排出窑外。 倒焰窑生产方式灵活，由于火焰自上而下加热制品，故水平温度均匀；但倒焰窑热利用较差，燃料消耗高，劳动强度大。这种窑适合烧成批量不大，大件或特殊制品。例如，细而长的陶瓷棍棒过去就是在油烧倒焰窑内吊装烧成的。这种窑型目前已限制发展。另一种间歇式窑是梭式窑（又称抽屉式窑、车底式窑），其结构示意图如图3-8-2所示。 梭式窑内地面上装有轨道，制品码在窑车上推入窑内，车面上砌有吸火孔，两侧墙上设有燃烧室。火焰入窑加热制品，烟气经吸火孔支烟道，再通过端墙上的烟道，由烟墙排出。窑车上砌有窑门，推入带窑门的车窑，窑室即自动封闭，排烟口也即接通。 梭式窑生产方式更加灵活，劳动强度小，能够烧成不同质量要求的产品，但燃料消耗仍较连续式窑高。在国外，近年来采用梭式窑的不少。现代梭式窑利用煤气、油或电加热，窑内轨道有单轨、双轨或三轨的。三轨，即窑内并排出三辆窑车。窑内容车数由产量决定，现在最大容积可达60m3用于烧成卫生瓷时，生产能力达500件/班，烧成周期8h。梭式窑也适于卫生瓷的重烧，由于气氛控制方便也适合广场砖等要求还原烧成的产品。 国外几家公司梭式窑性能见表3-8-2 表3-8-2国外几家公司梭式窑的性能 萨克米公司 西蒂公司 瑞德哈姆公司 英国陶瓷服务有限公司 模数长，m 2000 1560 窑长，m 模数段数0.95 41.400 模数段数 窑门数，个 12 2 窑内轨道数 13 1 2 1 推荐周期，h 1214 15 116 115 最高烧成温度， 1400 1400 1300 热耗kj/kg瓷 5434 8778 7632 燃料 天然气或液化石油气 气体燃料 天然气 天然气 安装功率（kw） 10 45 三、连续式窑 连续式窑的特点是窑内分为预热、烧成、冷却等若干带，各部位的温度、气氛均不随时间而变化。坯体由窑的入口端进入，在输送装置带动下，经预热、烧成、冷却各带，完成全部烧成过程，然后由窑的出口端送出。连续式窑的一般工作流程如图3-8-3所示。 在窑的中部设燃烧室，火焰喷射入窑内形成高温。通常把窑温由950至最高烧成温度的区段称烧成带，坯体入窑至烧成带的区段称预热带，烧成带到制品出窑口间的区段称冷却带。烧成带的高温燃烧产物向压力较低的预热带流动，预热反向移动的坯体，同时降低本身的温度，到预热带头部后，可利用风机将降低温度废气排出窑外。一般在窑头还设有封闭气幕以防止外界冷风吸入窑内，预热带中部有搅拌气幕用以减少窑内断面温差，在需要转换烧成气幕的位置有气氛转化气幕，用以分隔焰性并使整个坯垛内外充分氧化。在冷却带头部可送入急冷风形成急冷区，冷却带中部是缓冷区，两股冷风从中部利用热风机抽出。 连续式窑的类型很多。根据输送制品方式的不同有：隧道窑、辊道窑、输送带式窑、气垫窑。现在使用较广泛的是隧道窑和辊道窑。 隧道窑 隧道窑的外形，如图3-8-4所示。窑内有轨道（或导轨），坯体码放在窑车上（或推板上），不论是窑车或推板都是靠推车机的顶推作用由入口向出口移动。推板型窑阻力大，一般较小，多是隔焰窑，现在生产上用得较少。窑车型隧道窑宽度可超过2m，产量大。有明焰、隔焰、半隔焰三种。 这种表便于分析问题，但生产上不便操作，另一种表是依时作参变量，从产品入窑加热开始按延续时间（小时或班次）列出窑温达到多少温度，这种表多用于间歇式窑炉。 温度曲线表示法，一般以纵坐标为温度，横坐标为烧成时间，从胚体入窑算起至冷却结束至。如图387所示为在圆形倒焰窑内以重油作燃料烧成高压电瓷（还原焰）的温度曲线，这种图直观醒目，方便使用。对于连续式窑炉，因为胚体的移动速度恒定，故胚体的位置，实际就表示了加热时间，图388表示遂道窑以重油为燃料烧成日用瓷的温度曲线，横坐标列出时间和窑长度外，同时标出车位数，非常实用。 四、气氛制度 气氛对陶瓷的烧成以及产品的性能都有重要影响。由前面的分析可知，烧成过程中，为了使胚体发生预想的物理.化学反应过程，。对胚体周围气体介质的氧化还原性质有一定要求。如氧化阶段需要胚体周围的气体（通常是燃烧烟气）有较强的氧化能力，要有充分的过剩氧存在，基本上不能有co，为此间歇式窑在氧化分解阶段要求燃烧室煤层要薄，窑内通风要好，烟气中有足够的过量空气，窑内明亮，不致因供给空气过多而降低温度。连续式窑炉通常在氧化分解区段要设置氧化气幕（具体位置要在强还原之前），气幕风量应保证使烟气中可燃物质（co+h2）完全燃烧并有足够的过剩空气，温度不应降低过多。强氧化阶段的气氛浓度一般要求过剩o2：4%5%。 强还原阶段要求烟气中过剩氧接近于零，而co含量为3%6%，胚体进行强还原时的温度一般在10501250，对间歇式倒焰窑，属大火阶段要求厚煤层，产生半煤气，使火焰进入窑内燃烧，胚体周围充满火焰。对连续式隧道窑此阶段正处于烧成带温段，窑内也必须充满火焰。烧还原焰，空气过剩系数a=o.9,空气不足又是高温,才能产生co,使胚体进行还原反应. 强还原气氛之后需要有一段弱还原气氛,一般在1250至最高烧成温度,气氛浓度以烟气中co含量1.5%2.5%,a=0.95较合适。 某些胚料对还原气氛的浓度和温度则有不同要求，如可塑性粘土多的胚体，吸附能力强，烧强还原焰易吸碳，故需在较低温度（约950）开始采用较长时间的弱还原气氛煅烧。 低温阶段因为不发生化学反应，对气氛无要求。 气氛制度是烧成过程中对气氛（烟气）氧化还原性质的具体要求，通常是规定不同温度范围o2及co的浓度，或同时给出空气过剩系数。对连续式窑炉可将气氛曲线与温度曲线、压力曲线标在一张图上。 对隔焰式窑炉，胚体周围是空气，烟气在隔焰道内以辐射方式加热胚体。故这种窑内是完全氧化气氛。对需要烧还原焰的陶瓷胚体不能适用。为此，可在胚体还原区段的隔焰板上开孔，使还原气体进入窑道与胚体接触，起还原作用，这种形式的窑炉称半隔焰窑炉。 五、压力制度 压力制度是窑内压力与时间的关系。对间歇式来说通常是规定不同温